Фан девори
Бир улкан роторми ёки юз мингта кичик роторлар? Биз ҳар бири компьютерингизни совитадигани каби катталикдаги кичик вентиляторларнинг девори шаҳар шамолини электрга айлантириши мумкинлигини текширмоқдамиз. Мана бу ҳисоб-китоб, ҳали ишламаëтган қисмларни ҳам ҳисобга олган ҳолда.
Сиз кўрган барча шамол турбиналари бир хил мантиқга амал қилади: имкон қадар катта ротор қуриш, уни имкон қадар баландроқ жойга қўйиш ва улкан барглар осмонни айланиб юришига йўл қўйиш. У ажойиб ишлайди. Бунинг учун ҳам кранлар, йўллар, очиқ ерлар, кўп йиллик рухсатномалар керак бўлади. Биз эса, аксинчасини исботлашни хоҳлаймиз.
Идея
Компьютерни совитувчи кичик осма вентиляторни олинг. Уни орқага юргизиб қўйинг, шамол роторини айлантирсин, ичида чангсиз мотор кичик генераторга айланади. Улардан ўн олтитасини пицца қутиси катталигидаги модулга жойланг, ҳар бирига ҳавони тезлаштирадиган қувур шаклидаги қувур беринг ва деворни минглаб модуллар билан қопланг.
Агар биронта совуқ ҳаво пуфлаб кетса, деворнинг юз мингдан бири йўқотилади. Бирор кишида бурғиловчи асбоб бўлса, уни алмаштириб қўяди. Модуллар оддий пакетларда жўнатилади. Улар томнинг четига ўтириб, бино бурчагига чиқиб ёки автомагистралнинг шовқинли деворини алмаштириши мумкин.
Унинг ёриши мумкин бўлган жой
Қушлар ва мушукчалар. Буюк турбиналар ҳайвонот дунёси учун ҳақиқий муаммодир: тахминан 140,000-328,000 қуш ҳар йили фақатгина қўшни АҚШда монопол турбиналарда ўлади (Loss, Will and Marra, 2013). 150 м ротор 10 rpm тезликда айланиб, унинг тишлари π × 150 m × 10 / 60 s ≈ 79 m/s да ҳаракатланади. 10 мм.ли тўр ортидаги 120 мм.ли ҳаво совутгичнинг учи юриш тезлигида айланиб туради. Ҳеч ким ҳали қушларнинг микро-вентилятор деворлари билан ўзаро таъсирларини ўлчаб кўрмаган, шунинг учун буни ўлчаш бизнинг дастуримизнинг бир қисмидир.
Siting. Шамол сиқиб чиқарилган жойда тезлашади: томнинг четидан, бино бурчагидан, кўча каньонидан. Буни улкан роторлар бажара олмайди. Модуллар мажмуаси уларни тўлиқ қоплай олади.
Логистика ва таъмирлаш. Кран йўқ, мутахассис йўқ, махсус транспорт йўқ. 1800 м²лик бутун девор 1700 та қоғоз қутига, тўрт ёки бешта юк контейнерига сиғиши мумкин.
Шум ва қуёш биргаликда. Шамол кўпинча кечаси ва қишда, қуёш панеллари заиф бўлганда эсади. Бу иккиси бир-бирини тўлдирувчидир.
Физика, математика билан
Шамол томонидан ҳудуд бўйлаб олиб борилган қувват A дан P = ½ ρ A v³, бу ерда ρ = 1.225 kg/m³ ҳавонинг зичлиги ва v шамол тезлиги. Кубик ҳамма нарса: 6 м/с тезликда бир квадрат метр ½ × 1.225 × 6³ ≈ 132 W ташийди; 12 м/с тезликда у 1,058 Вт ташийди, яъни саккиз марта кўп.
(Ушбу оятда Аллоҳ таоло Қуръони Каримнинг бир қисмини, яъни, ояти каримадаги «Албатта, сен Роббингга иймон келтирдинг» жумласини далил қилиб келтирмоқда.) Betz limit очиқ ротор уни ўтказиб ўтадиган кучнинг энг кўп 16/27 ≈ 59% сини олиши мумкинлигини айтади.
Бундай қилишингиз Аллоҳнинг азобидан сақлашингиз учундир. Физика ўзгаради.
Мана бу биринчи очиқ-ойдин муаммодир. 120 мм.ли ҳаво совутгичнинг қирраси 2 см.лик симга эга. 6 м/с да унинг Рейнольдс сони Re = v × c / ν ≈ 6 × 0.02 / 0.000015 ≈ 8,000, бу режимда тишлар ўз кўтарилиш кучини йўқотади. Империал коллежда турбина сифатида лойиҳалаштирилган 2 см ротор қувват коэффициентига 9% гача етди (Howey, Bansal and Holmes, 2011). Компьютер совитиш қурилмалари ҳавони тортиш учун шаклланган, у томонидан тортилмаслик учун эмас. We therefore assume a rotor efficiency of 5% (pessimistic), 10% (central) or 20% (optimistic), and an electrical chain from fan to grid of 40, 55 or 70%.
Канал ёрдам бера олади. Кюсю университетида яратилган кенг бурчакли диффузор, “шамол линзаси” бир хил диаметри бўлган роторнинг қувватини тахминан 2-5 марта кўпайтирди (Ohya and Karasudani, 2010). Аммо канал фронтал жойни эгаллайди: қурилманинг фронтал ҳудудидан ўтадиган қувватнинг ярмидан кўпроқини олиш намойиш этилмаган (Dighe et al., 2018). Бизнинг моделимиз шуни ифодалайди.
Марказий тахминлар билан бутун девор 6 м/с тезликда 7 кВт, 10 м/с тезликда 34 кВт ва 15 м/с тезликда 114 кВт ҳосил қилади. Вентилятор ҳажми кучни деярли ўзгартирмайди, чунки барча ҳажмлар айланувчи қирралар билан деворнинг 55% ни қоплайди; бу қисмлар сони ва нархини ўзгартиради. Агар улар ҳар бир роторнинг чиқарилишини икки баробардан ортиқроқ қилсалар, каналлар фақатгина ғолиб бўлади. Чунки улар камроқ мухлисларга жой қолдирадилар.
Бир йилда қанча энергия сарфланади
Унинг бир жойи доимо ўзгариб туради. Биз учта жойни стандарт (Rayleigh) шамол тақсимланиши билан моделлаштирамиз: шаҳар томи ўртача 4 м/с, автойўл тўсиғи 4.5 м/с ва очиқ соҳил 6.5 м/с. Асосий шаҳар шамоли заиф: UK Carbon Trust баъзи бинолар сайтларида 5 м/с гача етиб борганини аниқлади (Carbon Trust, 2008), ва Warwick Wind Trials’даги 26 бинога ўрнатилган микро турбиналарнинг ўртача қуввати 0.85% ни ташкил қилди (Encraft, 2009).
Масштаб учун, бир оддий 3 МВт қувватли қуруқликдаги турбина 35% қувватлилик коэффициентида ишлайди ва 3 MW × 8,760 h × 0.35 ≈ 9.2 GWh йилига ишлаб чиқаради: бу 65 та соҳил фанари деворларига тенг.
Қанча туради
Биз ҳар бир квадрат метр учун ҳар бир қисмни ҳисоблаб чиқдик: сув ўтказмайдиган $3 to $8 дона вентилатор, рамкалар ва тўсиқлар, электроника ва мавжуд бинога ўрнатиш. Барча деворлар $0.76 million to $2.43 миллион (марказий $1.38 миллион) канализациясиз келади. 20 йил давомида 7% лик чегирма билан, ҳар бир киловатт-соат учун харажатни берадиган таъмирлаш билан.
Аҳиллик билан ўқиш: бугунги компьютер мухлисларидан қурилган, Fan Wall марказий ҳолатда шаҳарда $1.20 per kWh on a windy coast and about $5га тушади. Уй-жой томидаги қуёш энергияси қиймати $0.12 to $0.28, хизмат кўрсатиш миқёсида шамол $0.03 to $0.07 (Lazard LCOE+, июнь 2024; IRENA, 2024). Бугунги кунда бу концепция электр станцияси сифатида рақобатга кириша олмайди.
Нима ҳақиқат бўлиши керак?
Бу каби рақамларни ўзгартириш учун тадқиқотлар мавжуд. Каналлаштирилган модуллар ва 65% электр занжири билан соҳил ҳудудида, бир кВт/соатлик харажат биз ишлай оладиган икки нарсага боғлиқ: ҳар бир каналлаштирилган ротор шамолни қанчалик яхши айлантира олади (фаол самарадорлиги) ва ўрнатилган деворнинг квадрат метрига қанча сарфланиши.
| Эффектив каналлаштирилган ротор самарадорлиги | квадрат метр учун $200 | квадрат метр учун $400 | квадрат метр учун $800 |
|---|---|---|---|
| 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 |
Тадқиқот дастури
| Фаза | Биз нима қиламиз | Биз нимани ўлчаймиз | Тахминий қиймати |
|---|---|---|---|
| 0. Иш столи | Канал шакллари, қирра дизайни ва электр схемасининг компьютер симуляцияси | Тахминий самарадорлик ва йўқотишлар | $15k to $30k |
| 1. Bench tests | 3-дан 15 м/сгача бўлган шамол туннели учун 20 та тайёр ва 20 та мослаштирилган ротор | Эффективлик қирралари, бошланиш тезлиги, шовқин | $30k to $60k |
| 2. Бир модул | 16-вентиляторли модул, каналлар ва куч электроникалари билан | Модул самарадорлиги, бир йил ташқарида | $25k to $50k |
| 3. 10 м² пилот | Ёввойи табиат камераси билан жиҳозланган том панели | Энергия, ареали йўқотишлар, мавжудлиги, қушлар ва ўргимчаккана | $60k to $120к |
| 4. тўлиқ девор дизайни | Таркиби, сертификати, якуний қиймати модели | Ҳар квадрат метр учун ўрнатилган қиймат, ҳар кВт/соат учун қиймат | $50k to $100k |
Фазалар 0 дан 3 гача тахминан $130,000 to $260,000 керак. Фақатгина агар пилот гипотезани тасдиқласа, тўлиқ девор маънога эга бўлади. Барча тадқиқотлар Фонднинг Хазинаси ҳисобидан молиялаштирилади, бу фонд лойиҳага зарур бўлган барча нарсаларни, лабораториялардан тортиб, етказиб берувчиларгача, серверларга ва одамларгача молиялаштиради; хайриялар бирор дастур учун ажратилиши мумкин эмас. Тўғри техник ҳисобот, модел ва унинг маълумотлари очиқ: модель маълумотлари ва модел коди.
Қандай ёрдам беришингиз мумкин
- Ўз билимларингизни келтиринг. Бизга кичик ротор аэродинамикаси, шамол туннеллари, электр энергияси электроника, конструкция инжиниринг ёки қушларни кузатиш бўйича билимга эга одамлар керак. Масалан, бир вазифани таклиф қилинг.
- Дахли бор. Хавфсиз кириш йўли билан шамолга чидамли текис дахл 10 м² пилотни қабул қилиши мумкин. Бизга уни қаерда эканини ва қандай пайдо бўлганини айт.
- Шум маълумотларини ўртоқлаш. Агар сиз том, соҳил ёки кўприк устида об-ҳаво станциясини бошқараётган бўлсангиз, бир йиллик шамол ўлчовлари бизга пилот жойни танлашга ёрдам беради.
- Уйда синовдан ўтказинг. Арзон сувга чидамли вентилятор, кўприк тўғриловчиси ва шамол кўтарилган балкондаги мультиметр яхши илмий лойиҳани ташкил этади. Ҳар хил шамоллардаги кучланиш ва токни ўлчаб, бизга рақамларни юборинг.
- Фондни қўллаб-қувватланг. Донорлик маблағлари Хазратхонага кетади ва бу билан бирга, барча тадқиқотларимиз давом этади.
Манбалар
- Howey, D.A., Bansal, A. ва Holmes, A.S. (2011). Энергияни йиғиш учун сантиметр-масштабли ўралган шамол турбинасининг дизайни ва ишлаш қобилияти. Smart Materials and Structures 20, 085021.
- (Оятдаги «ва» ҳарфининг маъноси «ва», «у» эса «у».) (2010). Шамол линзаси технологияси билан юқори қувватли шамол турбинасини яратиш. Energies 3(4), 634-649.
- Диге, В.В., де Оливейра, Г., Аваллоне, Ф. ва ван Буссел, Г.Ж.В. (2018). Дукланган шамол турбинасини оптималлаштириш ва ротор ўрнига сезгирлик. Wind Energy Science 3, 221-229.
- Ўзбекистон халқ артисти (2008). Катта миқёсли шамол энергияси: сиёсат тушунчалари ва амалий йўл-йўриқлар.
- 2009 йил). Warwick Wind Trials якуний ҳисоботи.
- Тинч океанининг шимоли-ғарбий миллий лабораторияси (2024). Distributed Wind Market Report, 2024 edition: кичик шамолнинг ўртача қуввати 7370 кВт ва 2023 йилдаги қуввати 13%ни ташкил этади.
- Лазард (2024 йил июнь). Энергиянинг қийматини пасайтирилган.
- IRENA (2024). 2023 йилда қайта тикланувчи энергия манбаларидан электр энергияси ишлаб чиқариш харажатлари.
- Одиссей девори. Ҳар бир уй учун электр энергияси истеъмоли, ЕИ.
- US Energy Information Administration (2022). Оддий уй электр энергияси.
- Лос, С.Р., Уил, Т. ва Марра, П.П. (2013). АҚШнинг қўшни ҳудудларидаги шамол станцияларида қушларнинг ҳалок бўлиши бўйича тахминий маълумотлар. Биологик сақлаш 168, 201-209.