风扇墙

您所见过的每一台风力涡轮机都遵循相同的逻辑:一个转子尽可能大,尽可能高。 这个项目运作得很好,但需要起重机、开垦土地和多年的许可证。 我们的问题正好相反。 能否在城市已经存在的地方安装许多小型转子，以合理的价格生产电力？ 风扇墙的想法最初是在 Local Solar System 基金会内部于2020年提出的;此页面是其开放、更新的模型。

这个页面是为那些可能会资助、构建或测试这个想法的人而写的。 这是故意不是一个销售手册。 我们运行了第一个设计的数字,找出它的缺陷,重新设计它,并再次运行数字。 简单的说:墙面上的电脑风扇不能工作,在风大时屋顶边缘上安装一圈较大的管状转子可以产生真正的电力,而且它不会打败太阳能电池板的价格,除非我们能够测试出好几件事。 以下每个图片来自我们的开放模型(代码, 数据 ) 。

版本1,为什么它不工作

第一个想法是建筑物的立面,40 米长和 15 楼层高,覆盖在大约 110,000 风扇的 120 mm,每个运行后退,使其电机成为一个发电机。 是个可爱的画面。 按照重要性顺序，它失败的原因有三个。

**1. 空气无法穿过封闭的墙壁。 * * 涡轮从流经它的空气中获取能量。 在坚固的立面上,风停止(工程师称之为停滞)并向上、向下和侧向滑动。 即使每个风扇后面有30厘米的间隙,在侧面和顶部开放,连续性也设定了一个严格的限制:进入1800平方米风扇的所有空气都必须通过约39平方米的间隙离开,因此它可以以不超过2.2%的风速通过风扇。 功率与速度的立方体一起,所以墙壁将保持远低于0.01%的相同风扇会做什么自由站立。 真正的通风外墙后面的测量结果一致:在风速达到5 m/s时,腔体气流为0.2至0.6 m/s(Salonvaara等人,2007年 ) 。 将上面的3D模型切换到版本1,以便看到:风纹停在墙壁上并滑走。

**2. 微小的叶片工作不好。 * * 120 mm 风扇叶片有约 2 cm 的弦。 机翼周围的空气以接近10,000的雷诺数运动,在这个状态下,机翼失去了大部分的起阻比:平滑的翼型在临界雷诺数约70,000以上会改善“超过一个数量级 ” ( Lissaman, 1983 ) 。 测量到的厘米级涡轮机的功率系数达到9%左右(霍伊、班萨尔和霍姆斯，2011年) ; 一个10厘米的电脑风扇转子作为涡轮机提供28毫瓦在5米/秒,约4%的风力通过它的计算(费德尔施皮尔和陈,2003年). 电脑风扇的形状是为了推动空气,而不是被它推动。

**3. 数千台微小的发电机浪费了它们所产生的很少的能量。 * * 在几伏特时只提供一瓦特功率的一部分风扇马达,仅在二极管整流器中就会损失10%到40 % 。 我们对从风扇到电网的整个链条的中央估计值为54 % 。

即使完全忽略了第一个原因(一个独立的风扇墙 ) , 版本1将花费约 $4.20 per kWh on a windy coast and $18 在一个城市,价格是屋顶太阳能发电的二十到一百倍。

物理学,设置极限

风通过面积 A 传递的能量是 P = ½ ρ A v³,空气密度为 ρ = 1.225 kg/m³。 立方体是所有的一切:在6 m/s时,一平方米携带132 W,在12 m/s时携带1058 W。 平均在一年内,一个城市屋顶的4米/秒风提供了约 75瓦/平方米；暴露海岸速度约为6.5米/秒 321瓦/平方米.

无限制 没有开放转子可以提取超过 16/27 ≈ 59.3% 因为空气必须不断地移动,所以它的能量流经其区域。

第二个转子能够增加什么。 两个转子串联(如喷气发动机的级)最多可以达到 16/25 = 64% 一个转子的面积,和无穷多只 2/3 (纽曼，1986年). 喷气发动机堆叠级,因为它通过一个封闭的核心推空气与燃烧燃料巨大的压力差。 自由风不会产生这样的压力:每增加一级都会进一步减缓空气,并且慢速的空气在设备周围溢出。 反转风力转子的测量增益范围为0%至60 % , 但最近的控制良好的试验集中在 2%至10% (Adema等人，2026年审查).

什么定子叶片可以添加。 转子离开空气旋转,并且旋转是能量损失。 在小转子的低尖端速度比下,损耗很大:理想的格劳特转子在尖端速度比为1时达到0.42,在2时达到0.51,在5时达到0.57。 转子后面的固定叶片可以回收部分能量。 没有人测量过这样的风力涡轮机;在飞机螺旋桨上,这种叶片给出了 2%至5% (李等人,2017年).

什么导管可以添加。 平面管道(九州大学的”风透镜 ” ) 降低了转子后方的压力,吸引更多的空气通过。 在风洞测试中,紧凑型边缘扩散器将功率系数从裸转子的0.37提高到0.7至0.88之间(相对于转子面积 ) , 但仅为整个边缘的0.48至0.54(相对于整个转子面积 ) 。Ohya和Karasudani，2010年). 这就是问题所在:每平方米的前面积,管道从未超过贝茨极限 , ” 在实践中功率增强系数高于3从未达到 ” , 而管道涡轮机已有”50多年。 迄今为止没有任何商业成功 ” ( van Bussel, 2007 ) 。 最近最昂贵的尝试,FloDesign/Ogin,在六个月内拆除了它的涡轮机并于2017年清算(Gipe, 2017 ) 。

因为雷诺数的大小重要。 我们使用叶片元件动量模型(带有尾翼旋转、尖端和轮毂损耗的 Glauert 最佳值,以及随雷诺数下降的升阻比)计算了每个尺寸的最佳转子。 塞利格SG6043):

转子直径	叶片,尖端速度比	雷诺数(75%半径)	最佳设计奖
4厘米	8, 1.25	4,500	0.23
12厘米(电脑风扇)	8, 1.5	12,000	0.29
25厘米	8, 2.0	20,000	0.36
50厘米(改进型模块)	第6至7条，2.5	43,000	0.39至0.40
1米	6, 3.0	74,000	0.42
7 m(小型涡轮机)	8, 4.5	265,000	0.49

这些是专门制造的叶片的上限，在实际损失之前。 作为检查,一个专门设计的39厘米便携式涡轮机测量了0.32,而我们的模型给出的大约是0.39(Kishore, Coudron and Priya, 2013 ) : 因此,我们假设第一硬件达到设计值的65%至90 % , 而对于层分离占主导地位的厘米转子来说要低得多。

风向 . 固定模块只使用吹入它的部分风。 对于开放转子,功率大致随着偏差角度的三次方而下降,对于管道则更加缓慢(Tamaro等人,2024; Richmond-Navarro等人,2022 ) 。 当风力适度时,面对风的模块保持约 47% 一个永远对齐的转子所能得到的能量。 版本1假设100%。

改进的设计:朝风的屋顶边缘上的冠

把上面所有的东西都考虑进去,设计几乎可以自动完成:更大的转子,雷诺数较小,在保护和加速它们的管道中,自由站立,空气可以通过,面对风向的地方,建筑物上的流量最强。 那个地方是屋顶边缘。 空气撞击立面上升并转向边缘;在一个向风的屋顶边缘上方,风速是屋顶高度的1.06至1.25倍,但当该边缘是下风时仅为0.38倍(2006年，梅尔滕斯).

每个模块的面积为725毫米方形:一个0.5米的七叶片转子,装在紧凑型风透镜管道中;五个定子叶片,用于回收一些涡流并携带一个50到300瓦发电机;一个不锈钢护网和一个密封的功率板,具有最大功率点跟踪功能。 两排树木在钢轨上构成了一个高达1.45米的冠状结构。 一个人可以将模块提出来并进行交换。

刀片不被猜测。 模型设计的雷诺数为实际所见,约为45000在6 m/s:弦距离根部62 mm,尖端缩窄至36 mm,扭曲从38°到10°,设计尖端速度比为2.5。 在6 m/s时转子以大约700 rpm旋转;在10 m/s的风中,转子尖端以大约30 m/s的速度移动,不到大型涡轮机尖端79 m/s的一半。

诚实的数字

按照每平方米的正面面积进行比较是公平的:立面、屋顶冠和高速公路屏障都在争夺同样的东西,即面向风的表面。 中心值,在 模型数据 中包含整个悲观到乐观范围。 能源包括风向、湍流(5%至15%的损失)和可用性(92%至97 % ) 。 能源成本:20年,实际折扣率为7 % , 每年维护费用占投资的2%至5 % 。

设计	前额区域的CP	千瓦时每平方米每年, 风景区 / 城市	容量系数,风/城市	每平方米安装成本	每千瓦时的成本, 风大 / 城市	简单回报率为0.19美元/千瓦时
A. 版本1，标配的120毫米风扇(独立式)	0.045	23 / 5	5.2% / 1.2%	$765	$4.21 / $18.0	从来没有
A2. 定制120毫米转子	0.089	45 / 11	5.2% / 1.2%	$805	$2.23 / $9.45	从来没有
B0. 0.5米开放式转子，表冠	0.148	125 / 34	9.3% / 2.5%	$1,192	$1.19 / $4.37	从来没有
B. 改进: 0.5 m管道,定子,冠	0.164	159 / 43	10.7% / 2.9%	$1,074	$0.84 / $3.10	从来没有 (最佳情况:4.5年风)
B2. 如B加上反转转子	0.174	168 / 46	10.7% / 2.9%	$1,245	$0.92 / $3.40	从来没有
B3. 作为独立障碍物的B	0.164	128 / 32	8.6% / 2.2%	$944	$0.92 / $3.66	从来没有
同一建筑物屋顶太阳能		225	12%	$410	$0.19	10.6年
南面的太阳能		139	7.6%	$630	$0.47	31年
10 kW 涡轮机,转子长度为 7 m,安装在 18 至 30 米的桅杆上	转子上0.35	每台涡轮机31,600/10,300千瓦时	36% / 12%	每千瓦小时$8,910	$0.35 / $1.08	27年风

表格中说明:

• 管道赢得了它的位置,只是。 每前面平方米,管道模块(B)打败相同的转子在开放(B0)约10至30 % , 主要是因为他们容忍风向更好。 他们还给予了一个警卫,一个安静的尖端和定子的地方。
• 第二个转子不支付。 它增加了约6%的能量,16%的成本更多。 喷气式发动机式多级风力模块受物理学的限制，而不是野心的限制。
• 只有向风模块支付。 与向风侧相比,围绕屋顶的冠状结构每个模块只能获得55 % , 因为其他两侧大多数时间都面对着不受主风影响的方向。 在我们的参考建筑(40 × 20 m,高度 45 m)上,有效的顶部仅在向风侧: 60平方米,约64,000美元,在风大的地方每年约9,500千瓦时,城市中为2,600千瓦时。 屋顶太阳能的同样的钱买大约155平方米的面板,使大约35000千瓦时一年。
• 在城市里它无法竞争。 建筑物上安装的微风能有着不好的记录:在沃里克风力试验中,26台涡轮机平均产能系数为0.85 % (2009年，《创造力》) , 以及伦敦的三个涡轮机 斯特拉塔塔 因噪音和振动投诉而关闭。

在规模方面,美国小型风力发电机组的平均产能系数为14%至16 % , $6,680 to $2024年和2025年安装的每千瓦9,630美元PNNL 分布式风力报告). 我们的冠状土地在约6300美元每千瓦额定, 在同一范围内, 这是一个迹象成本估计不是幻想.

什么是证明,合理和推测

证明(教科书或测量)： 风力和贝茨限制;两个转子的16/25上限;管道提高每个转子面积的功率,但不超过每个正面面积的贝茨;雷诺数低于70,000的小叶片失去效率;封闭墙壁没有通流;屋顶边缘加速向风流;建筑物安装在城市微型涡轮机表现差。

合理(支持,但未测量此设计 ) : 为雷诺45000设计的0.5米转子,在紧凑型边缘管道中达到大约0.3裸电功率系数和转子面积上0.55;从转子到电网的链效率为75 % , 使用50至300瓦发电机和模块级MPPT;第一个项目的安装成本接近每平方米1000美元。

Speculative (must be measured): 并排装载的管道相互损失多少(我们假设10到30 % ) ;给定建筑物的真实加速度和涡流;数千个轴承在20年的阵风、冰雪和灰尘下的耐用性;传入建筑物的噪音和振动;野生动物与网状管道的互动(在美国,大型涡轮机每年估计会杀死140,000至328,000只鸟类(Loss, Will and Marra, 2013 ) ) ;玻璃建筑造成365至988百万人死亡(Loss et al., 2014)；没有人有网状屋顶边模块的数据)

什么必须是真实的

对于风速为6.5 m/s的场地上的冠状结构,电力成本取决于我们能够做到的两个方面:每平方米前端面积提供多少电力以及安装费用。

前额区域的CP	每平方米300美元	每平方米500美元	每平方米800美元	每平方米$1,100
0.15	$0.24	$0.40	$0.63	$0.87
0.20	$0.18	$0.30	$0.47	$0.65
0.25	$0.14	$0.24	$0.38	$0.52
0.30	$0.12	$0.20	$0.32	$0.43

哪里可以赢,哪里不能

它可以赢得:

• 风高楼和沿海站点,作为补充太阳能:在屋顶边缘的风峰在夜间,冬天和暴风雨时,当太阳能电池板产生很少。
• 屋顶已经满或阴影。 冠使用边缘,而不是屋顶面积,并不与板、植物或露台竞争。
• 离网电源,电缆费用昂贵: 传感器、照明、电信设备、桥梁、桅杆和沿海结构上的气象站。
• 已经存在的障碍： 公路和铁路噪音屏障,海堤和桥梁护栏,在这里结构是付费的。
• 知名度和教育。 旋转的皇冠是一种公开声明,而太阳能电池板则不是;学校、博物馆和地标建筑都重视这一点。

它不能赢得:

• 作为一个廉价的散装电力来源。 大型风能和太阳能发电场的成本 $0.04 to $每千瓦时0.10;建筑物上没有任何东西能够接近这一数字。
• 在遮蔽的城市街道和低层郊区,其中平均风速在屋顶高度不到4至5米/秒。
• 在立面上的平面。 无论转子是如何设计的,封闭的墙壁都没有通风。

发展路线图及其费用

阶段	工作	决定它能够	估计费用	时间
0. 设计研究	叶片和管道设计,一个模块和3×3阵列的CFD,电气拓扑,与制造商的成本模型	在阵列中,前面积上 Cp 值高于 0.2 是否合理?	$30k to $60千	3至4个月
1. 风洞	三个转子,三个管道,定子开关,然后是3×3阵列;3至15 m/s,偏心0至45°	测量的 Cp、阵列损耗、启动速度、噪声	$60k to $120千	4至6个月
2. 原型模块	发电机、电源板、密封模块;耐久性、冰雪、雨水和声学测试(IEC 61400-11方法)	模块效率和耐用性	$50k to $100k	6个月
3. 屋顶试点	10至20个模块在向风边缘,超声波风速计或激光雷达,一年的数据,野生动物摄像头	实际每平方米的千瓦时,可用性,建筑物中的噪音	$80k to $150千	12个月
4. 产品路径	结构和立面工程,IEC 61400-2设计基础,英国 MCS 006 或美国 ACP 101-1 认证,电气和防火合规性,保险	建筑业主可以购买的产品	$100k to $250千	12至18个月

0至3阶段大约需要 $220,000 to $430,000 两年。 每个阶段都有一个明确的停止点:如果风洞在阵列中没有显示靠近 0.2 的前端 Cp,我们就会停止并发布原因。

我们需要谁

• 具有低雷诺德和管道转子经验的空气动力学家,设计和审查叶片、管道和定子。
• 大学或商业风洞, 与 CFD 工程师一起规划测试和建模阵列交互。
• 电力电子工程师 适用于小型永磁发电机、有源整流、MPPT 和来自多个模块的直流集电器。
• 结构和立面工程师 对于风荷载(EN 1991-1-4 / ASCE 7 ) 、 固定件、冰和疲劳。
• 声学家 对于传入建筑物的音调噪音和振动。
• 城市风力专家 在建造任何东西之前测量并模拟候选屋顶边缘的风。
• 认证和合规:小风标准(IEC 61400-2, -11, -12-1 ) 、 电气和消防法规,以及愿意承保试验的保险公司。
• 生态学家设计鸟类和蝙蝠监测。
• 制造合作伙伴 注塑或旋转成型,以定价叶片和管道的数量。

更好的想法是受欢迎的

风扇墙是对一个更广泛问题的答案:人们已经居住的地方如何能够比今天生产、储存或节约更多清洁能源? 如果本页上的数字说服您,采取不同的方法会更好,我们希望听到它。 屋顶太阳能也产生热量, 热储存, 从水管回收的能源, 废热或更聪明的需求时机都可以打败许多建筑物上的风冠。 idea radar 对它们进行了比较,每篇文章都以我们在这里所应用的同样诚实的方式写成。

基金会的一些成员可能有可以听到投票的联系人。 要想被提出,一个想法需要一个工作的、真实的模型,它实际上产生电力,其输出在仪器上测量,而不是声称;这正是为什么本页结束于风洞和屋顶试验而非绘图。 我们也欢迎您的论文想法:如果物理和数字是坚实的,我们可以在这里发布它们。 但没有一个工作模式,筹集资金是非常困难的,这里没有什么是融资、回报或介绍的承诺。 这个标准就是这个页面试图满足的:显示数字,说出什么会证明你错了,并提出最便宜的测试。

您可以如何帮助

• 带来你的专业知识。 如果你在上述任何领域工作, 提供一个任务. 即使是用一个小时来审查我们的模型也是有价值的。
• 提供一个风的屋顶。 一个位于海岸、山丘或开阔平原上有安全屋顶通道的高楼可以容纳试点。 告诉我们它在哪里,风通常从哪个方向吹。
• 分享风力数据。 一年来从屋顶、桥梁或沿海桅杆进行的风测量帮助我们选择试点站点。
• 查看我们的数学。 该 模型 开放。 如果你发现错误,请告诉我们:我们宁愿现在就被纠正,而不是试验后。
• 提出一个更好的想法。 通过以下方式发送 捐款表 用它解决的问题,物理检查,每千瓦时的大致成本和最便宜的测试可以证明它是错误的。

来源

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