Стіна вентилятора
Один гігантський ротор або сто тисяч крихітних? Ми перевіряємо, чи може стіна з маленьких вентиляторів, кожен з яких має розмір того, що охолоджує ваш комп’ ютер, перетворити міський вітер на електрику. Ось математична формула, у тому числі і ті частини, які ще не працюють.
Кожна вітряна турбіна, яку ви коли-небудь бачили, слідує тій же логіці: побудувати один ротор якомога більший, поставити його якомога вище і дозволити величезним лопатям розкидати небо. Він працює блискуче. Для цього потрібні крани, дороги, відкрита земля, багато років розгляду дозволів і вбивство птахів. Ми хочемо перевірити протилежну ідею.
Ідея
Візьмемо маленький осевий вентилятор, який охолоджує комп’ютер. Запустите его в обратном направлении: пусть ветер повернет ротор, и бесщеточный двигатель внутри станет крошечным генератором. Покладіть шістнадцять з них в модуль розміром з коробку піци, дайте кожному форму воронки, яка прискорює повітря, і покрийте стіну тисячами модулів.
Якщо один вентилятор зламався, стіна втрачає одну сотню тисячу своєї потужності, і будь-хто з відверткою може його замінити. Модулі відправляються в звичайних пакетах. Вони можуть сидіти на краю даху, підніматися по кутах будівель або замінювати панелі звукоізоляції автострад.
Де воно могло б засвітитися
Птахи і кажани. Великі турбіни є реальною проблемою для дикої природи: за оцінками від 140,000 до 328,000 птахів гинуть щороку на монополічних турбінах в одних лише сусідніх Сполучених Штатах («Втрата», Вілл і Марра, 2013). Ротор 150 м, що обертається зі швидкістю 10 об/хв, рухає кінці лопатей на π × 150 m × 10 / 60 s ≈ 79 m/s. 120-мм вентилятор за 10-мм сеткой поворачивает свои наконечники с шаговой скоростью. Никто еще не измерял взаимодействие птиц с сетчатыми микровентиляторными стенами, так что измерение этого является частью нашей программы.
Розташування. Вітер прискорюється там, де його стискають: над краєм даху, навколо кутка будівлі, уздовж вуличної долини. Гігантський ротор не може слідувати за цими зонами. Модульна масивність може покрити їх саме.
Логістика і обслуговування. Ні крану, ні спеціаліста, ні спеціального транспорту. Вся стіна площею 1800 м² вміщує близько 1700 картонних коробів, чотири або п’ять транспортних контейнерів.
Вітер і сонце разом. Вітер часто дме вночі та взимку, коли сонячні батареї слабкі. В одному і тому ж будинку, вони можуть доповнювати один одного.
Фізика, з математикою
Сила, яку переносить вітер через область A дорівнює P = ½ ρ A v³, де ρ = 1.225 kg/m³ є щільністю повітря і v швидкістю вітру. Куб є всім: на 6 м/с один квадратний метр переносить ½ × 1.225 × 6³ ≈ 132 W; на 12 м/с він переносить 1,058 Вт, у вісім разів більше.
Жоден ротор не може захопити все це, тому що повітря має рухатися з дороги. - Це… Обмеження Беца каже, що відкритий ротор може витягувати максимум 16/27 ≈ 59% силою, що тече через неї.
Маленький ротор не є малим великим ротором. Фізика змінюється.
Ось перша справедлива проблема. Лопать вентилятора діаметром 120 мм має струну довжиною близько 2 см. При 6 м/с його число Рейнольдса Re = v × c / ν ≈ 6 × 0.02 / 0.000015 ≈ 8,000, режим, в якому лопаті втрачають більшу частину свого підйому. 2-сантиметровий ротор, розроблений як турбіна в Імперському коледжі досяг коефіцієнта потужності близько 9% (Howey, Bansal and Holmes, 2011). Комп’ютерні вентилятори створені для того, щоб тискати повітря, а не бути тисненими ним. Тому ми приймаємо ефективність ротора 5% (песимістичний), 10% (центральний) або 20% (оптимістичний), і електричний ланцюг від вентилятора до мережі 40, 55 або 70%.
Водопроводи могут помочь. Дифузор з широким краєм, «лінза вітру», розроблена в Університеті Кюсю, помножила потужність ротора того ж діаметра приблизно на 2-5 (Ohya and Karasudani, 2010). Але канал займає фронтальний простір: витягування набагато більше, ніж близько половини потужності, що перетинає фронтальну область пристрою, не було продемонстровано (Dighe et al., 2018). Наша модель завершує це.
З центральними припущеннями вся стіна виробляє 7 кВт на швидкості 6 м/с, 34 кВт на 10 м/с і 114 кВт на 15 м/с. Розмір вентилятора мало змінює потужність, оскільки всі розміри покривають близько 55% стіни обертаючимися лопатями; це змінює кількість частин і вартість. Канали перемагають тільки якщо вони більше ніж удвічі збільшують потужність кожного ротора, тому що вони залишають місце для меншої кількості вентиляторів.
Скільки енергії за рік
Вітер на місці ніколи не є постійним. Ми моделюємо три місця зі стандартним (Рейлі) розподілом вітру: міський дах в середньому 4 м/с, бар’єр на автостраді на 4.5 м/с і відкрите узбережжя на 6.5 м/с. Справжній міський вітер слабкий: UK Carbon Trust виявив декілька будівельних майданчиків, що досягають навіть 5 м/с (Carbon Trust, 2008), і 26 мікротурбін, встановлених на будівлях у Warwick Wind Trials, мали в середньому коефіцієнт потужності 0,85% (Encraft, 2009).
Для масштабу, одна звичайна 3-МВт берегова турбіна, що працює на 35% коефіцієнта потужності виробляє 3 MW × 8,760 h × 0.35 ≈ 9.2 GWh за рік: так багато, як близько 65 прибережних вентиляторних стін.
Скільки це коштуватиме
Ми оцінили кожну частину на квадратний метр: водонепроникні вентилятори по $3 to $8 об’єму, рамки і сітки, електроніку та кріплення до існуючої будівлі. Вся стіна коштує $0.76 million to $2,43 мільйона (центральний $1,38 мільйонів) без каналізації. Розподілене на 20 років з 7% дисконтною ставкою, з обслуговуванням, що дасть вартість кожної кіловатогодини.
Чесне читання: побудований з сучасних комп’ютерних вентиляторів, стіна вентилятора коштує близько $1.20 per kWh on a windy coast and about $5 в місті у центральному випадку. Житлові сонячні панелі на даху коштують $0.12 to $0.28, вітер у масштабах об’єкта $0.03 to $0.07 (Lazard LCOE+, червень 2024; IRENA, 2024). Як електростанція, концепція не конкурує сьогодні.
Що має бути правдою
Існують дослідження, щоб змінити такі цифри. На прибережному сайті з канальними модулями і 65% електричним ланцюгом, вартість за кВт·год залежить від двох речей, над якими ми можемо працювати: наскільки добре кожен канальний ротор перетворює вітер (її ефективна ефективність) і які квадратні метри стіни коштують встановлення.
| Ефективність ротора з каналом | $200 за м² | $400 за кв.м | $800 за кв.м |
|---|---|---|---|
| 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 |
Програма досліджень
| Фаза | Що ми робимо | Що ми вимірюємо | Оцінена вартість |
|---|---|---|---|
| 0. Навчальний стіл | Комп’ ютерне моделювання форм каналів, конструкцій лопатей і електричних схем | Прогнозована ефективність і втрати | $15k to $30к |
| 1. Тести | 20 стандартних і 20 спеціальних роторів у аеродинамічному тунелі від 3 до 15 м/ с | Криві ефективності, швидкість запуску, шум | $30k to $60к |
| 2. Один модуль | Модуль з 16 вентиляторами, каналами і електроживленням | Ефективність модуля, один рік на відкритому повітрі | $25k to $50к |
| 3. 10 м² пілот | Панель на даху з камерою для спостереження за дикої природою | Енергія, втрати масиву, доступність, птахи і кажани | $60k to $120к |
| 4. Дизайн повної стіни | Структура, сертифікація, модель кінцевої вартості | Встановлена вартість на м², вартість на кВт· год | $50k to $100к |
Фази від 0 до 3 потребують приблизно $130,000 to $260,000. Полная стена имеет смысл только если пилот подтвердит эту гипотезу. Всі дослідження оплачуються з Фонду Скарбниці, який фінансує все, що потрібно проекту, від лабораторій і постачальників до серверів і людей; пожертви не можуть бути зарезервовані для однієї програми. Повний технічний звіт, модель і її дані є відкритими: дані моделі і код моделі.
Як ви можете допомогти
- Принесите свои знания. Нам потрібні люди, які знають аеродинаміку малих роторов, аеродинамічні тунелі, енергетичну електронику, структурну інженерію або моніторинг птахів. Запрошує завдання.
- Предложить крышу. Плоский, ветреный дах с безопасным доступом мог бы принять пилота площадью 10 м². Скажи нам, где он и как он себя чувствует.
- Поділитися даними щодо вітру. Якщо ви запустили метеостанцію на даху, узбережжі або мосту, рік вимірювань вітру допоможе нам обрати місце для експерименту.
- Перевірте вдома. Дешевий водонепроникний вентилятор, мостовий випрямитель і мультиметр на вітряному балконі — це чудовий науковий проект. Виміряйте напругу і струм при різних вітрах і надішліть нам цифри.
- Підтримуйте Фонд. Пожертвування надходять до Казначейства і підтримують всі наші дослідження, включаючи цей проект.
Джерела
- С., А. А. Білоус, В. І. Степанов, І. (2011). Розробка та виготовлення вітрових турбін для виробництва електроенергії з використанням сонячної енергії. Smart Materials and Structures 20, 085021.
- О., Карасєв А., І. (2010). Закрита вітряна турбіна, що генерує високу потужність за допомогою технології вітрової лінзи. Energies 3(4), 634-649.
- В. В. Діге, Г. Г. де Олівейра, Ф. Авалоне та Г. Дж. В. ван Буссел. (2018). Оптимізація каналізованих вітрових турбін і чутливість до положення ротора. Wind Energy Science 3, 221-229.
- Карпатський фонд (2008). Маломасштабна енергія вітру: політичні взірці і практичні рекомендації.
- Світлана (2009). Завершальний звіт про випробування вітру у Ворвіку.
- Тихоокеанська північно-західна національна лабораторія (2024). Ринковий звіт про розподілений вітер, видання 2024: малий вітер в середньому становив $7370 за встановлений кВт і 13% коефіцієнт потужності в 2023 році.
- Лазард (червень 2024). Вища вартість енергії+.
- IRENA (2024). Renewable Power Generation Costs in 2023.
- Стіни Одеси. Споживання електроенергії на одне житло, ЄС.
- US Energy Information Administration (2022). Среднее потребление электроэнергии в жилых домах.
- Лосс, С.Р., Уіл, Т. і Марра, П.П. (2013). Оцінки смертності від зіткнення птахів на вітряних електростанціях в сусідніх США. Biological Conservation 168, 201-209.