风扇墙
一个巨大的转子,还是十万个小的转子? 我们正在测试一堵由小风扇组成的墙壁,每个风扇大小都和你的电脑冷却器相当,能否将城市风变为电力。
你所见过的每一台风力涡轮机都遵循相同的逻辑:尽可能建造一个最大的转子,把它放在尽可能高的地方,让巨大的叶片扫清天空。 它工作出色。 它还需要起重机、道路、开阔的土地、多年的许可证，而且它会杀死鸟类。 我们想检验相反的观点。
 high, 1,800 m² covered in about 110,000 fans of 120 mm, grouped in 6,900 plug-in modules. Local Solar System 基础概念图 。 ”
想法
以冷却电脑的小轴向风扇为例。 反向运行:让风转动转子,内部的无刷电机变成一个微小的发电机。 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.
如果一个风扇断裂,墙壁失去了其输出的十万分之一,任何人都可以用螺丝刀替换它。 模块以普通包裹运送。 他们可以坐在屋顶边缘,爬上建筑物的角落或替换高速公路隔音墙的板材。
在那里它可以发光
鸟类和蝙蝠。 大型涡轮机是野生动物的真正问题:估计140,000至328,000鸟类每年死于单极涡轮机在毗邻的美国(失去,意志和马拉,2013年). 150 m 转子以 10 rpm 旋转,其叶片尖端在 π × 150 m × 10 / 60 s ≈ 79 m/s 处移动。 在10毫米网格后面的120毫米风扇以步行速度旋转。 迄今为止,还没有人测量过鸟类与网状微风扇墙的互动情况,因此测量它是我们计划的一部分。
位置 风在被挤压的地方加速:从屋顶边缘上方、建筑物角落周围、沿着街道峡谷。 一个巨大的转子不能跟随这些区域。 一个模块化阵列可以完全覆盖它们。
! [ 一排风扇墙模块在一个城市建筑的护栏上,风从屋顶边缘升起。 ] ( /wind/rooftop.svg “屋顶边缘:沿着护栏的模块坐在屋顶上方的加速区域。 概念图 。 ”
! [ 办公大楼向风角的扇墙模块垂直条纹 ] ( /wind/facade.svg “建筑物角:在建筑物周围流动加速的全高条纹。 概念图 。 ”
! [ 用风扇墙模块制成的高速公路声屏障的横截面。 ] ( /wind/highway-barrier.svg “高速公路声屏障:噪音墙已经存在;模块增加了发电量。 概念图 。 ”
后勤和维护。 没有起重机,没有专家,没有特殊的运输。 整个1,800平方米的墙体可以容纳大约1,700个纸箱、四到五个运输集装箱。
! [ 一个装有四个风扇墙模块的纸箱,尺寸为55x55x40厘米。 ] ( /wind/shipping.svg “运输:每个55×55×40厘米的纸箱中装有四个模块,约15公斤,由一人搬运。 概念图 。 ”
风和太阳一起。 风经常在夜间和冬天吹,当太阳能电池板是弱的。 在同一建筑物上,两者可以互相补充。
物理,数学
风通过面积A传递的能量是P = ½ ρ A v³,其中ρ = 1.225 kg/m³是空气密度和v是风速。 立方体是一切:在6 m/s时,一平方米携带½ × 1.225 × 6³ ≈ 132 W;在12 m/s时,它携带1,058 W,多出八倍。
没有转子能够捕捉到所有的空气,因为空气必须不断移动。 Betz 极限说明一个开放转子最多可以提取流过它的功率16/27 ≈ 59%。
一个小转子不是小大转子。 物理变化。
这里是第一个诚实的问题。 一个120毫米的风扇叶片有约2厘米的弦。 在6 m/s时,它的雷诺数为Re = v × c / ν ≈ 6 × 0.02 / 0.000015 ≈ 8,000,在这个状态下叶片失去了大部分的升力。 一个2厘米的转子设计为涡轮机在帝国学院达到了约9%的功率系数(Howey、Bansal和Holmes，2011年). 电脑风扇的形状是为了推动空气,而不是被它推动。 因此,我们假设转子效率为5 % ( 悲观 ) 、 10%(中央)或20%(乐观 ) , 从风扇到电网的电链为40 % 、 55%或70 % 。
管道可以有所帮助。 九州大学开发的宽边扩散器”风透镜 ” ( wind lens)将直径相同转子的功率增加了2至5倍(Ohya and Karasudani, 2010 ) 。 但是,管道占用了前端空间:尚未证明能够抽取超过半数的功率穿越设备的前端区域(Dighe et al . , 2018 ) 。 我们的模型就是这样。
与中央假设整个墙壁使 6米/秒时7千瓦、10米/秒时34千瓦和15米/秒时114千瓦. 风扇尺寸几乎不会改变功率,因为所有尺寸的旋转叶片都覆盖了约55%的墙面;它会改变零件数量和成本。 管道只有在每个转子的输出超过一倍时才能获胜,因为它们为更少的风扇留下了空间。
多少能量在一年
一个地点的风从来不是恒定的。 我们模拟了具有标准(瑞利)风分布的三个站点:平均风速为 4 m/s 的 城市屋顶、平均风速为 4.5 m/s 的 高速公路屏障 和平均风速为 6.5 m/s 的 暴露海岸。 真正的城市风是弱的:英国碳信托发现几个建筑物甚至达到5米/秒(碳信托,2008 ) , 在沃里克风力试验中的26座建筑物安装微型涡轮机平均容量因数为0.85 % ( Encraft,2009 ) 。
就规模而言,一台普通的3兆瓦陆上涡轮机以35%的容量系数运行,每年产生3 MW × 8,760 h × 0.35 ≈ 9.2 GWh:相当于大约65座沿海风扇墙。
它会花费多少
我们估算了每平方米的每个部件:防水风扇,每个体积为 $3 to $8、框架和网格、电子设备以及安装在现有建筑物上。 $0.76 million to $整个墙面来到243万(中央138万美元)不管道。 以7%的折扣率分摊20年,并进行维护,这样就可以计算出每千瓦小时的成本。
诚实的阅读:从今天的电脑风扇建成,风扇墙花费约$1.20 per kWh on a windy coast and about $5在一个城市中央情况下。 Residential rooftop solar costs $0.12 to $0.28, utility-scale wind $0.03 to $0.07 (Lazard LCOE+, June 2024; IRENA, 2024). 作为一个发电厂,这个概念不竞争今天。
什么必须是真实的
研究是为了改变这样的数字。 在一个配有管道模块和65%电力链的沿海场地,每千瓦时的成本取决于两个方面:每个管道转子转换风能的效率(其有效效率)以及安装一平方米墙壁的成本。
| 有效的管道转子效率 | 每平方米200美元 | 每平方米400美元 | 每平方米800美元 |
|---|---|---|---|
| 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 |
研究方案
| 阶段 | 我们做什么 | 我们衡量什么 | 估计费用 |
|---|---|---|---|
| 0. 案头研究 | 管道形状、叶片设计和电气布局的计算机模拟 | 预测效率和损失 | $15k to $30千 |
| 1. 实验室测试 | 20个现成转子和20个定制转子在3至15 m/s的风洞中 | 效率曲线、启动速度、噪音 | $30k to $60千 |
| 2. 一个模块 | 带有管道和功率电子元件的16扇风扇模块 | 模块效率,一年户外 | $25k to $50千 |
| 3. 10平方米试点 | 带有野生动物摄像头的仪表屋顶面板 | 能量、阵列损失、可用性、鸟类和蝙蝠 | $60k to $120千 |
| 4. 全墙设计 | 结构、认证、最终成本模型 | 安装成本每平方米, 成本每千瓦时 | $50k to $100k |
阶段0至3需要大约 $130,000 to $260,000. 只有在试验确认了假设的情况下,全墙才有意义。 所有的研究费用都由基金会财务部支付,该部为项目所需的一切提供资金,从实验室和供应商到服务器和人员;捐款不能专门用于一个项目。 完整的技术报告,模型及其数据是开放的:模型数据和模型代码。
您可以如何帮助
- 带来您的专业知识。 我们需要了解小型转子空气动力学、风洞、功率电子、结构工程或鸟类监测的人员。 提供一个任务。
- 提供一个屋顶。 风平面的屋顶与安全访问可以容纳10平方米的试点。 告诉我们它在哪里,它是如何暴露的感觉。
- 共享风力数据。 如果您在屋顶、海岸或桥梁上运行气象站,一年的风测量将有助于我们选择试点地点。
- 在家里测试。 一个便宜的防水风扇,一个桥式整流器和一个万用表在一个多风的阳台上做一个很好的科学项目。 测量不同风速的电压和电流,并将数字发送给我们。
- 支持基金会。 捐款将转到财务部,并保持我们所有的研究,包括这一项在内,不断前进。
来源
- Howey, D.A . , Bansal, A. 和霍姆斯, A.S. (2011). 用于能源采集的厘米尺寸封闭式风力涡轮机的设计和性能。 智能材料与结构 20, 085021.
- Ohya, Y. 和Karasudani, T. 关于人权的国际法律文书 (2010). 采用风透镜技术产生高输出功率的封闭式风力涡轮机。 《能源》，3(4)，634-649.
- Dighe, V.V.、de Oliveira, G.、Avallone, F. 和van Bussel, G.J.W. 的研究报告 (2018). 管道式风力涡轮机优化和转子位置敏感性。 风能科学 3, 221-229.
- 碳信托(2008年)。 小规模风能:政策见解和实际指导.
- 林文輝（2009年）。 华威风力试验最终报告.
- 太平洋西北国家实验室(2024年)。 分布式风能市场报告,2024年版:小型风电平均每千瓦安装7370美元,2023年的容量系数为13 % 。
- Lazard (June 2024). 能源的成本水平化+.
- 可再生能源机构(2024年)。 可再生能源发电成本在2023年.
- 奥德修斯墙 人均住房电力消耗, 欧盟.
- 美国能源信息管理局(2022年)。 平均住宅用电量。
- 洛斯,S.R.,威尔,T. 和马拉,PP (2013). 美国邻国风力发电厂鸟类碰撞死亡率估计。 生物保护 168, 201-209.