Tường quạt
Một rotor khổng lồ hay một trăm ngàn rotor nhỏ bé? chúng tôi đang thử nghiệm xem liệu một bức tường quạt nhỏ, mỗi cái có kích thước bằng cái làm mát máy tính của bạn, có thể biến gió thành điện không. đây là phép toán, bao gồm cả những phần chưa hoạt động.
Mỗi tua bin gió mà bạn từng thấy đều tuân theo cùng một logic: xây dựng một rotor càng lớn càng tốt, đặt nó càng cao càng tốt, và để cho những cánh quạt khổng lồ quét qua bầu trời. Nó hoạt động rất tốt. Nó cũng cần cần cẩu, đường xá, đất trống, nhiều năm xin phép, và nó giết chim. Chúng tôi muốn kiểm tra ý tưởng ngược lại.
Ý tưởng
Ví dụ như quạt trục nhỏ làm mát máy tính. Đưa nó đi ngược lại: để gió quay rotor, và động cơ không brush bên trong trở thành một máy phát điện nhỏ. Put sixteen of them in a module the size of a pizza box, give each one a shaped funnel that speeds up the air, and cover a wall with thousands of modules.
Nếu một quạt bị hỏng, bức tường mất đi một phần trăm nghìn công suất của nó, và bất kỳ ai có một cái vít chìa khóa có thể thay thế nó. Các module được gửi bằng các gói thông thường. Chúng có thể ngồi trên một góc mái nhà, leo lên một góc tòa nhà hoặc thay thế các tấm của một hàng rào âm thanh đường cao tốc.
♪ Where it could shine ♪
Chim và dơi. Các tuabin lớn là một vấn đề thực sự cho động vật hoang dã: ước tính có khoảng 140.000 đến 328.000 con chim chết mỗi năm tại các tuabin độc cực ở Hoa Kỳ (Thất bại, Will và Marra, 2013). Một rotor 150 m quay với tốc độ 10 vòng/phút di chuyển các đầu lưỡi của nó tại π × 150 m × 10 / 60 s ≈ 79 m/s. Một quạt 120 mm đằng sau một lưới 10 mm quay đầu của nó với tốc độ đi bộ. Chưa ai đo được sự tương tác của chim với tường quạt vi mạch, vì vậy việc đo đạc là một phần trong chương trình của chúng tôi.
Siting. Gió tăng tốc ở nơi nó bị ép: trên một rìa mái nhà, quanh góc của tòa nhà, dọc theo một hẻm núi đường phố. Một rotor khổng lồ không thể theo những vùng đó. Một dãy mô-đun có thể bao phủ chính xác chúng.
Hậu cần và bảo trì. Không cần xe nâng, không cần chuyên gia, không cần phương tiện đặc biệt. Toàn bộ bức tường 1.800 m² có thể chứa khoảng 1.700 hộp, bốn hoặc năm thùng hàng hóa.
Gió và mặt trời cùng nhau. Gió thường thổi vào ban đêm và mùa đông, khi tấm pin mặt trời yếu. Trong cùng một tòa nhà, hai thứ này có thể bổ sung cho nhau.
Vật lý, với toán học
Công suất được mang bởi gió qua một diện tích A là P = ½ ρ A v³, trong đó ρ = 1.225 kg/m³ là mật độ không khí và v là tốc độ gió. Khối lập phương là tất cả: ở 6 m/s một mét vuông mang ½ × 1.225 × 6³ ≈ 132 W; tại 12 m/s nó mang 1.058 W, gấp tám lần nhiều hơn.
Không có rotor nào có thể bắt được tất cả chúng, vì không khí phải luôn di chuyển ra khỏi đường đi. - Đúng vậy. Giới hạn Betz nói rằng một rotor mở có thể tách ra nhiều nhất 16/27 ≈ 59% của năng lượng chảy qua nó.
Một rotor nhỏ không phải là một rotor lớn. Vật lý thay đổi.
Đây là vấn đề trung thực đầu tiên. Một cánh quạt 120 mm có một dây dài khoảng 2 cm. Ở tốc độ 6 m/s, số Reynolds của nó là Re = v × c / ν ≈ 6 × 0.02 / 0.000015 ≈ 8,000, một chế độ mà cánh quạt mất hầu hết lực nâng. Một rotor 2 cm được thiết kế như một tua bin tại Imperial College đạt đến hệ số công suất khoảng 9% (Howey, Bansal và Holmes, 2011). Quạt máy tính được thiết kế để đẩy không khí, chứ không phải bị nó đẩy. Do đó, chúng tôi giả sử một hiệu suất rotor là 5% (bi quan), 10% (trung tâm) hoặc 20% (lạc quan), và một chuỗi điện từ quạt đến lưới điện là 40, 55 hoặc 70%.
Các ống dẫn có thể giúp. Một ống phân tán với một bề mặt rộng, “thấu kính gió” được phát triển tại Đại học Kyushu, nhân công suất của một rotor có đường kính tương tự bằng khoảng 2 đến 5 (Ohya và Karasudani, 2010). Nhưng một ống dẫn cần không gian mặt trước: trích xuất nhiều hơn khoảng một nửa năng lượng vượt qua khu vực mặt trước của thiết bị chưa được chứng minh (Dighe et al., 2018). Mô hình của chúng ta kết thúc ở đó.
Với giả định trung tâm, toàn bộ bức tường tạo ra 7 kW tại 6 m/s, 34 kW tại 10 m/s và 114 kW tại 15 m/s. Kích thước quạt hầu như không thay đổi công suất, vì tất cả các kích thước bao phủ khoảng 55% của bức tường với cánh quay; nó thay đổi số lượng các bộ phận và chi phí. Các ống chỉ thắng nếu chúng gấp đôi công suất của mỗi rotor, vì chúng để lại không gian cho ít quạt hơn.
Bao nhiêu năng lượng trong một năm
Gió ở một địa điểm không bao giờ là ổn định. Chúng tôi mô hình ba địa điểm với một phân bố gió tiêu chuẩn (Rayleigh): một mái nhà thành phố trung bình 4 m / s, một hộp đèn đường cao tốc ở 4.5 m / s và một dọc bờ biển nhạy cảm ở 6.5 m / s. Gió đô thị thực sự yếu: UK Carbon Trust tìm thấy một số ít các công trình xây dựng đạt tới 5 m / s (Carbon Trust, 2008), và 26 tuabin vi mô được lắp đặt trong các tòa nhà ở Warwick Wind Trials có trung bình một yếu tố năng lượng là 0,85% (Encraft, 2009).
Đối với quy mô, một tua bin trên bờ 3 MW thông thường chạy ở một yếu tố công suất 35% sản xuất 3 MW × 8,760 h × 0.35 ≈ 9.2 GWh một năm: nhiều như khoảng 65 tường quạt ven biển.
Cái gì sẽ tốn tiền
Chúng tôi ước tính từng phần trên mỗi mét vuông: quạt chống thấm nước ở $3 to $8 mỗi khối lượng, khung và lưới, điện tử, và lắp đặt trên một tòa nhà hiện có. Toàn bộ bức tường sẽ $0.76 million to $2,43 triệu (trung tâm $1.38 triệu) không có ống dẫn. Phân bổ trong 20 năm với tỷ lệ giảm giá 7%, với bảo trì, cho chi phí của mỗi kilowatt-giờ.
Đọc trung thực: được xây dựng từ những chiếc quạt máy tính ngày nay, Fan Wall có giá khoảng $1.20 per kWh on a windy coast and about $5 trong một thành phố trong trường hợp trung tâm. Residential rooftop solar costs $0.12 to $0.28, utility-scale wind $0.03 to $0.07 (Lazard LCOE+, June 2024; IRENA, 2024). Là một nhà máy điện, khái niệm này không cạnh tranh ngày nay.
Điều gì phải là sự thật
Nghiên cứu có thể thay đổi những con số như thế này. Trên một địa điểm ven biển với các mô-đun ống dẫn và chuỗi điện 65%, chi phí trên kWh phụ thuộc vào hai điều chúng tôi có thể làm: mỗi rotor ống dẫn chuyển đổi gió tốt như thế nào (hiệu suất hiệu quả của nó) và một mét vuông tường có giá trị gì.
| Hiệu quả rotor hút khí | 200 đô la một mét vuông. | 400 đô la một mét vuông. | 800 đô la một mét vuông. |
|---|---|---|---|
| 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 |
Chương trình nghiên cứu
| Pha | Chúng ta làm gì? | Chúng ta đo đạc | Chi phí ước tính |
|---|---|---|---|
| 0. Đọc sách | Mô phỏng máy tính của hình dạng ống dẫn, thiết kế lưỡi và bố trí điện | Hiệu quả và thiệt hại dự đoán | $15k to $30k |
| 1. Kiểm tra | 20 rotor chuẩn và 20 rotor tùy chỉnh trong đường hầm gió từ 3 đến 15 m/s | Đường cong hiệu suất, tốc độ khởi động, tiếng ồn | $30k to $60k |
| 2. Một mô-đun | Một mô-đun 16 quạt với các ống dẫn và điện tử năng lượng | Hiệu quả mô-đun, một năm ở ngoài trời | $25k to $50k |
| 3. 10 m² pilot | Một tấm bảng trên mái nhà với máy quay động vật hoang dã | Năng lượng, mất mát mạng lưới, khả năng sử dụng, chim và dơi. | $60k to $120k |
| 4. Thiết kế toàn bộ tường | Cấu trúc, chứng nhận, mô hình chi phí cuối cùng | Chi phí lắp đặt trên mỗi m², chi phí trên mỗi kWh | $50k to $100k |
Giai đoạn 0 đến 3 cần khoảng $130,000 to $260,000. Một bức tường đầy đủ chỉ có ý nghĩa nếu phi công xác nhận giả thiết. Tất cả các nghiên cứu được trả bởi Quỹ Kho bạc của Quỹ, tài trợ mọi thứ mà dự án cần, từ phòng thí nghiệm và nhà cung cấp đến máy chủ và người; quyên góp không thể được dành riêng cho một chương trình. Báo cáo kỹ thuật đầy đủ, mô hình và dữ liệu của nó là mở: dữ liệu mô hình và mẫu mã.
Bạn có thể giúp gì?
- Mang chuyên môn của anh. Chúng tôi cần những người biết về khí động học rotor nhỏ, đường hầm gió, điện tử năng lượng, kỹ thuật cấu trúc hoặc theo dõi chim. Tặng một nhiệm vụ.
- Tặng một mái nhà. Một mái nhà phẳng gió với tiếp cận an toàn có thể chứa phi công 10 m². Nói cho chúng tôi biết nó ở đâu và cảm thấy bị lộ ra như thế nào.
- Share wind data. Nếu bạn điều hành một trạm thời tiết trên mái nhà, bờ biển hoặc cầu, một năm đo gió giúp chúng tôi chọn địa điểm thí điểm.
- Kiểm tra ở nhà. Một quạt chống nước rẻ tiền, một cây cầu mạch và một thước đo trên ban công gió làm nên một dự án khoa học tuyệt vời. Đo điện áp và dòng điện ở các gió khác nhau và gửi chúng tôi số liệu.
- Hỗ trợ Quỹ. Tiền quyên góp sẽ được chuyển đến Quỹ và giữ cho tất cả các nghiên cứu của chúng tôi, bao gồm cả nghiên cứu này, tiếp tục tiến triển.
Nguồn
- Howey, D.A., Bansal, A. và Holmes, A.S. (2011). Thiết kế và hiệu suất của một turbine gió quy mô centimet bao phủ cho thu hoạch năng lượng. Smart Materials and Structures 20, 085021.
- Ohya, Y. và Karasudani, T. (2010). Một turbine gió được bao phủ tạo ra công suất xuất xứ cao với công nghệ thấu kính gió. Energies 3(4), 634-649.
- Dighe, V.V., de Oliveira, G., Avallone, F. and van Bussel, G.J.W. (2018). Ducted wind turbine optimization và nhạy cảm với vị trí rotor. Wind Energy Science 3, 221-229.
- Carbon Trust (2008). Small-scale wind energy: policy insights and practical guidance (bằng tiếng Anh).
- Encraft (2009). Warwick Wind Trials final report.
- Phòng thí nghiệm quốc gia Pacific Northwest (2024). Distributed Wind Market Report, 2024 edition: gió nhỏ trung bình $7.370 cho mỗi kW được lắp đặt và một yếu tố công suất 13% vào năm 2023.
- Lazard (June 2024). Chi phí năng lượng được cân bằng+.
- IRENA (2024). Chi phí sản xuất năng lượng tái tạo năm 2023.
- Tường Odyssey. Tiêu thụ điện trên một căn hộ, EU.
- US Energy Information Administration (2022). Trung bình sử dụng điện tại nhà.
- Loss, S.R., Will, T. và Marra, P.P. (2013). Ước tính về tỷ lệ tử vong do va chạm chim tại các cơ sở gió ở Hoa Kỳ liền kề. Biological Conservation 168, 201-209..