Fan Duvarı
Bir dev rotor mu yoksa yüz bin tane küçük rotor mu? her biri bilgisayarınızı soğutan şey kadar büyüklükte küçük fanlardan oluşan bir duvarın şehrin rüzgarını elektrik haline dönüştürebileceğini test ediyoruz. işte matematiği, henüz çalışmayan parçaları da dahil ederek.
Gördüğünüz her rüzgar türbini aynı mantığı izler: mümkün olduğunca büyük bir rotor inşa et, onu mümkün olduğunca yüksekte tut ve dev yaprakların gökyüzünü süpürmesine izin ver. Harika çalışıyor. Ayrıca vinç, yol, açık arazi ve yıllarca izin gerektiriyor. Ve kuşları da öldürüyor. Biz de tam tersi fikri test etmek istiyoruz.
Fikir
Bir bilgisayarı soğutan küçük eksenel fanı ele alalım. Geri çevirin: rüzgarın rotoru döndürmesine izin verin, ve içindeki fırçasız motor küçük bir jeneratör haline gelir. On altı tanesini pizza kutusu büyüklüğünde bir modül içine koyun, her birine havayı hızlandıran bir leğen biçiminde bir şey verin ve binlerce modülle bir duvarı kaplayın.
Eğer bir fan kırılırsa, duvar üretiminin yüz binde birini kaybeder ve bir vidalı olan herkes onu değiştirebilir. Modüler sıradan paketlerde gönderilir. Çatı kenarına oturabilir, binanın köşesine tırmanabilir veya bir otoyol ses bariyerinin panellerini değiştirebilirler.
Parlayacak bir yer.
Kuşlar ve yarasalar. Büyük türbinler vahşi yaşam için gerçek bir sorundur: sadece komşu ABD’de her yıl yaklaşık 140,000 ila 328,000 kuş monopol türbinlerinde ölmektedir (Loss, Will and Marra, 2013). 150 m rotor 10 rpm’de döner ve testere uçlarını π × 150 m × 10 / 60 s ≈ 79 m/s’da hareket ettirir. 10 mm’lik bir ağ arkasındaki 120 mm’lik bir fan, ayak hızında uçlarını çevirir. Hiç kimse kuşların ağ şeklindeki mikro-ventilyatör duvarları ile etkileşimini henüz ölçmedi, bu yüzden bunu ölçmek programımızın bir parçası.
Konum. Rüzgar sıkıştırıldığı yerde hızlanır: bir çatının kenarından, binanın köşesinden, sokağın kanyonu boyunca. Dev bir rotor bu bölgeleri takip edemez. Bir modüler dizi tam olarak onları kapsayabilir.
Lojistik ve bakım. Vinç yok, uzman yok, özel taşımacılık yok. 1.800 m²’lik bir duvar yaklaşık 1.700 kartona, dört veya beş nakliye konteynerine sığabilir.
Rüzgar ve güneş birlikte. Rüzgar genellikle geceleri ve kış aylarında, güneş panellerinin zayıf olduğu zamanlarda eserek enerji sağlıyor. Aynı bina üzerinde, ikisinin de birbirini tamamlayıcı olması mümkün.
Fizik, matematikle birlikte.
Bir alan boyunca rüzgar tarafından taşınan güç A, P = ½ ρ A v³, burada ρ = 1.225 kg/m³ hava yoğunluğu ve v rüzgar hızıdır. Küp her şeydir: 6 m/s hızda bir metre kare ½ × 1.225 × 6³ ≈ 132 W taşıyor; 12 m/s hızda ise 1.058 W, sekiz kat daha fazla taşıyor.
Hiçbir rotor bunların hepsini yakalayamaz, çünkü hava yolundan uzaklaşmaya devam etmeli. Betz limiti açık bir rotorun en fazla 16/27 ≈ 59%’yi çıkarabileceğini söyler.
Küçük bir rotor küçük büyük bir rotor değildir. Fizik değişiyor.
İşte ilk dürüst sorun. Bir 120 mm fan bıçağı yaklaşık 2 cm’lik bir armonik korduna sahiptir. 6 m/s’de Reynolds sayısı Re = v × c / ν ≈ 6 × 0.02 / 0.000015 ≈ 8,000, bir rejimde yapraklar kaldırmalarının çoğunu kaybeder. Imperial College’de bir türbin olarak tasarlanmış 2 cm rotor yaklaşık %9 güç katsayısına ulaştı (Howey, Bansal ve Holmes, 2011). Bilgisayar fanları havayı itmeye, onun tarafından itilmesine değil. Bu yüzden, %5 (kötümserlik), %10 (merkez) veya %20 (iyimserlik) rotor verimliliği ve fandan şebekeye %40, 55 veya 70’e kadar bir elektrik zinciri varsayıyoruz.
Duvarlar yardım edebilir. Kyushu Üniversitesi’nde geliştirilen geniş bir kenarlı bir yayıcı, “rüzgar lensi”, aynı çaptaki bir rotorun gücünü yaklaşık 2 ila 5 katına çıkardı (Ohya ve Karasudani, 2010). Ama bir kanal ön alan alır: cihazın ön alanını geçen gücün yarısından çok daha fazlasını çıkarmak gösterilmedi (Dighe et al., 2018). Modelimiz burada biter.
Merkezi varsayımlarla bütün duvar 6 m/s hızda 7 kW, 10 m/s hızda 34 kW ve 15 m/s hızda 114 kW. Fan büyüklüğü neredeyse güç değiştirmez, çünkü tüm boyutlar dönen yapraklarla duvarın yaklaşık %55’ini kapsar; parça sayısını ve maliyetini değiştirir. Kanallar sadece her rotorun çıkışını iki katından fazla artırırlarsa kazanır, çünkü daha az fan için yer bırakırlar.
Bir yılda ne kadar enerji
Bir yerdeki rüzgar asla sabit değildir. Standart (Rayleigh) rüzgar dağılımı ile üç site modeli oluşturduk: ortalama 4 m/s hızla bir şehir çatısı, 4.5 m/s hızla bir yol bariyeri ve 6.5 m/s hızla bir maruz kıyı. Gerçek kent rüzgarı zayıftır: UK Carbon Trust birkaç inşaat sitesinde 5 m/s’ye ulaşan bir rüzgar buldu (Carbon Trust, 2008), ve Warwick Rüzgâr Denemeleri’ndeki 26 bina monteli mikro türbin ortalama %0.85 kapasite faktörüne sahipti (Encraft, 2009).
Ölçek için, bir adet 3 MW’lık kara türbini %35 kapasite faktörü ile yılda 3 MW × 8,760 h × 0.35 ≈ 9.2 GWh üretir: yaklaşık 65 kıyı fan duvarı kadar.
Ne kadara mal olurdu?
Her parçayı metrekare başına tahmin ettik: su geçirmez fanlar $3 to $8’er hacme sahip, çerçeveler ve ağ, elektronikler ve mevcut bir bina üzerinde monte edilmesi. Tüm duvar, kanalları olmadan $0.76 million to $2.43 milyon (ortalama 1.38 milyon dolar) gelir. 20 yıl boyunca %7 indirim oranıyla, bakım ile her kilovat saatin maliyetini verir.
Dürüstçe okuyun: bugünün bilgisayar fanlarından inşa edilmiş, Fan Duvarı hakkında $1.20 per kWh on a windy coast and about $Şehirde 5 tane. Merkezi dosyada. Konut çatısı güneş maliyeti $0.12 to $0.28, hizmet ölçekli rüzgar $0.03 to $0.07 (Lazard LCOE+, Haziran 2024; IRENA, 2024). Bir elektrik santrali olarak, konsept bugün rekabet etmiyor.
Ne doğru olmalıydı?
Bu gibi rakamları değiştirmek için araştırmalar yapılmaktadır. Kanallı modüller ve %65 elektrik zinciri olan bir kıyı bölgesinde, kWh başına maliyet üzerinde çalışabileceğimiz iki şeye bağlıdır: her kanallı rotor rüzgarı ne kadar iyi dönüştürüyor (etkili verimliliği) ve duvarın metre karesinin ne kadar mal olduğu.
| Etkili kanallı rotor verimliliği | 200 dolar metrekare. | 400 dolar metrekare. | metrekare başına 800 dolar. |
|---|---|---|---|
| 10% | $0.60 | $1.21 | $2.41 |
| 20% | $0.30 | $0.60 | $1.21 |
| 30% | $0.20 | $0.40 | $0.80 |
| 40% | $0.15 | $0.30 | $0.60 |
Araştırma programı
| Faz | Ne yapıyoruz? | Neyi ölçtüğümüz | Tahmini maliyet |
|---|---|---|---|
| 0. Desk study | Kanal şekilleri, bıçak tasarımları ve elektrik düzenlemelerinin bilgisayar simülasyonu | Tahmin edilen verimlilik ve kayıplar | $15k to $30k |
| 1. Banka testleri | 20 adet standart ve 20 adet özel rotor, 3 ila 15 m/s arasında bir rüzgar tünelinde. | Verimlilik eğrileri, başlatma hızı, gürültü | $30k to $60k |
| 2. Bir modül | 16 fanlı bir modül, kanallar ve güç elektronikleri ile. | Modülün verimliliği, bir yıl dışarıda | $25k to $50k |
| 3. 10 m² pilot | Yaban hayatı kamerası ile donatılmış bir çatıdaki panel | Enerji, dizi kayıpları, mevcutluk, kuşlar ve yarasalar. | $60k to $120k |
| 4. Tam duvar tasarımı | Yapısı, sertifikası, nihai maliyet modeli | M² başına kurulum maliyeti, kWh başına maliyet | $50k to $100k |
Fazlar 0’dan 3’e yaklaşık olarak $130,000 to $260,000 gerekmektedir. Tam bir duvar sadece pilot hipotezi doğrularsa mantıklı olur. Tüm araştırmalar, projenin laboratuvarlardan ve tedarikçilerden sunuculara ve insanlara kadar ihtiyacı olan her şeyi finanse eden Vakfın Hazinesinden karşılanıyor; bağışlar tek bir program için ayrılamaz. Tam teknik rapor, model ve verileri açıktır: model data ve model code.
Nasıl yardım edebilirsin?
- Uzmanlığını getir. Küçük rotor aerodinamik, rüzgar tünelleri, güç elektronikleri, yapı mühendisliği veya kuş gözlemleme konusunda bilgi sahibi insanlara ihtiyacımız var. Bir görev öner.
- Çatıya sahip olun. Güvenli erişime sahip rüzgarlı düz bir çatıda 10 m²’lik pilot yer alabilir. Nerede olduğunu ve ne kadar açık hissettiğini söyle.
- Rüzgar verilerini paylaşın. Eğer bir çatıda, kıyıda veya köprüde bir hava istasyonu işletiyorsanız, bir yıllık rüzgar ölçümleri bize pilot siteyi seçmemize yardımcı olur.
- Evde test et. Rüzgarlı bir balkonda ucuz su geçirmez bir fan, köprü düzleştirici ve multimetre harika bir bilim projesi yapar. Değişik rüzgarlarda voltaj ve akım ölçüp bize rakamları gönder.
- Vakfı destekle. Bağışlarımız… Hazine Ve bu da dahil olmak üzere tüm araştırmalarımızı devam ettirmek.
Kaynaklar
- Howey, D.A., Bansal, A. ve Holmes, A.S. (2011). Enerji toplamak için santimetre ölçekli bir rüzgar türbininin tasarımı ve performansı. Smart Materials and Structures 20, 085021.
- Ohya, Y. ve Karasudani, T. (2010). Rüzgar-lens teknolojisiyle yüksek çıkış gücünü üreten bir rüzgar türbini. Energies 3(4), 634-649.
- Dighe, V.V., de Oliveira, G., Avallone, F. ve van Bussel, G.J.W. (2018). Ducted rüzgar türbini optimizasyonu ve rotor pozisyonuna duyarlılık. Wind Energy Science 3, 221-229.
-
- ile birliktedir. Küçük ölçekli rüzgar enerjisi: politika görüşleri ve pratik rehberlik.
- (İngilizce) ^ Encraft, (2009). Warwick Wind Trials final report.
- Pacific Northwest National Laboratory (2024). Dağıtılmış Rüzgar Pazar Raporu, 2024 basımı: küçük rüzgar ortalama olarak kurulu kW başına $ 7.370 ve 2023’te %13 kapasite faktörüne sahiptir.
- Lazard (Haziran 2024). Levelized Cost of Energy+.
- NGC 2024 (İngilizce). 2023’te Yenilenebilir Enerji Üretim Maliyetleri.
- Odyssey Duvarı. Elektrik tüketimi, ev başına, AB.
- US Energy Information Administration (2022). Ortalama evsel elektrik kullanımı.
- (İngilizce) ^ a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v w x y z (2013). Kuzey Amerika’da bulunan rüzgar santrallerindeki kuş çarpışma ölümlerinin tahminleri. Biyolojik Koruma 168, 201-209.