Vaneless ионный генератор ветра или мощности забор представляет собой устройство , которое генерирует электрическую энергию с помощью ветра для перемещения заряженных частиц поперек электрического поля .
Ионные ветряные генераторы коммерчески недоступны, хотя уже созданы рабочие прототипы и доказательства концепции . В Нидерландах существует несколько прототипов , один из которых находится в Делфтском технологическом университете , исследователи которого разработали некоторые из основных технологий. [1] Ионные ветряные генераторы в настоящее время являются экспериментальными, в то время как обычные ветряные турбины являются наиболее распространенной формой выработки энергии ветра . [2] Но ионные ветряные генераторы, у которых нет движущихся частей, могут использоваться в городских условиях, где ветряные турбины непрактичны из-за вибрационного шума, движущихся теней., и опасность, представляемая птицам . [3]
История
Гроза лорда Кельвина
Один из самых ранних примеров генерации электростатической энергии можно найти в «Грозе» лорда Кельвина , устройстве, изобретенном в 1867 году. Подобно ионным ветрогенераторам, «Гроза» использовала воду для переноса зарядов и генерации энергии с помощью связанных принципов. Однако Гроза полагалась на силу тяжести и два противоположно заряженных резервуара для создания разности напряжений . [3] Хотя они не идентичны в работе, «Гроза» лорда Кельвина демонстрирует поведение воды и концепции электростатики, лежащие в основе современных ионных ветрогенераторов.
Дизайн и конструкция
Теоретическая операция
Ионные ветряные генераторы используют силу ветра для перемещения заряженных частиц, обычно воды, против силы электрического поля. Это увеличивает потенциальную энергию частиц, что можно сравнить с движением массы вверх против силы тяжести . Метод сбора энергии зависит от реализации.
Конструкция ионных ветрогенератор исключает промежуточное преобразование из механической энергии претерпела в ветровых турбинах. Ветряные турбины используют кинетическую энергию ветра для вращения нескольких лопастей вокруг ротора. Механическая энергия ротора преобразуется в электрическую энергию электрическим генератором .
Преобразование между различными формами энергии требует некоторых потерь энергии либо в окружающую среду, либо в бесполезной форме, а меньшее количество преобразований улучшает теоретический выход. [5]
Упрощенная аналитическая модель
Исследователи из Делфтского технологического университета разработали уравнение для моделирования поведения капель воды при их движении по воздуху, чтобы оптимизировать систему математически и запустить компьютерное моделирование . Для целей модели предполагается простая конфигурация электродов и однородное электрическое поле, в котором электрическая сила, действующая на частицы, будет прямо противоположной силе ветра.
На каждую частицу действует сила тяжести ,
где масса i- й капли иэто ускорение силы тяжести на Земле . Модель предполагаетпостоянна и не учитывает испарение . Атмосфера также проявляет силу в виде плавучести, когда капли падают,
где объем капли и это плотность воздуха . На капли также действует ветер,
где - коэффициент лобового сопротивления,скорость ветра, а скорость капли. Уравнение можно упростить в случаях ламинарного потока , который можно выразить с помощью числа Рейнольдса (Re), которое используется в механике жидкости для определения структуры потока. Течение считается ламинарным, если число Рейнольдса меньше 1,
где является вязкость воздуха . Когда поток действительно ламинарный, силу сопротивления можно вычислить , используя закон Стокса ,
где - поправочный коэффициент скольжения Каннингема , который принимается равным 1 для частиц диаметром более 1 мкм.
На электрическую силу, действующую на капли, влияет как внешнее электрическое поле () электродов прибора,
где - заряд i- й капли, а электрические поля других заряженных капель,
где - расстояние между каплей i и j . Сумма этих сил представляет собой полное уравнение исследователей:
где полная сила, действующая на i- ю каплю, иявляется ускорение из я - й капли. Работа делается на я - й капелька может быть вычислена с использованием предыдущего уравнения,
где - смещение капли . Исследователи используют это, чтобы вычислить разность потенциальной энергии капли. Сумма работы, проделанной над каждой каплей, дает общую энергию, генерируемую ветром. [4]
Реализации
Есть два основных варианта реализации ионных ветряных генераторов. Первое, запатентованное Элвином Марксом в 1977 году, представляло собой двойное устройство, включающее систему зарядки и отдельный коллектор. EWICON является производным от конструкции, которая позволяет системе функционировать без необходимости в отдельном коллекторе.
Патент Элвина Маркса
Заземленная система зарядки производит облако заряженных частиц. Ветер переносит частицы к изолированному коллектору. Хотя коллектор изначально нейтрален, частицы передают свой заряд при контакте, увеличивая потенциальную энергию коллектора.
Заряженные частицы и коллектор, теперь также заряженные, образуют электрическое поле, которое оказывает на частицы силу, противоположную направлению ветра. Хотя сила ветра изначально превышает силу электрического поля, непрерывный поток частиц увеличивает силу электрического поля. Сила может стать достаточно сильной, чтобы переместить частицы обратно к зарядной системе, или они могут просто пройти мимо коллектора. Частицы, которые никогда не достигают коллектора, не вносят вклад в выработку чистой энергии.
Система работает с максимальной эффективностью, когда все частицы достигают коллектора. Регулировка переменных, таких как скорость ветра и размер коллектора, может улучшить производительность системы. [4]
EWICON (электростатический преобразователь энергии ветра)
EWICON работает по тем же принципам, что и предыдущая реализация, но отказывается от сборщика. Вместо этого EWICON изолирован от Земли и выбрасывает заряженные частицы в воздух. Распространение отрицательно заряженных частиц из изначально нейтральной системы увеличивает ее потенциальную энергию. Как только система зарядки имеет полярность, противоположную полярности частиц, возникает сила притяжения. При слабом ветре сила может переносить частицы обратно в систему зарядки, теряя чистую энергию, полученную в результате их рассеивания.
Система EWICON работает с максимальной эффективностью, когда все частицы покидают систему зарядки и достигают Земли, которая действует как коллектор вместо вторичной системы. [4]
Группа исследователей из Делфтского технологического университета разработала систему. Один прототип устройства был установлен в университетском городке, а еще два находятся на крыше здания Stadstimmerhuis 010 в Роттердаме . Прототипы были разработаны Mecanoo , местной архитектурной фирмой в Делфте . [1]
Голландское ветровое колесо
Голландское ветровое колесо - это конструкция здания, которая, как ожидается, будет включать технологию EWICON. Эти планы были предложены партнерством трех роттердамских компаний через голландскую Windwheel Corp., которые ожидают, что строительство будет завершено к 2022 году. В конструкции предполагается использовать несколько экологически чистых технологий, включая улавливание дождевой воды, фильтрацию воды из заболоченных земель и солнечную энергию. энергия. Центр круглого здания зарезервирован для выработки энергии ветра за счет использования крупномасштабного ионного ветряного генератора на основе реализации EWICON. Эффективность и выработка электроэнергии системы в таком масштабе неизвестны, но голландская Windwheel Corp. ожидает, что здание будет вырабатывать больше энергии, чем потребляет. [6] [7]
Сравнение с ветряками
Ионные ветряные генераторы и ветряные турбины имеют одни и те же преимущества и недостатки. Оба подвержены ветровым условиям и не могут вырабатывать электроэнергию, если погодные условия неблагоприятны. Это можно в некоторой степени смягчить путем стратегического размещения устройств в районах с более постоянной скоростью ветра. [8]
Преимущества
Ионные ветряные генераторы обычно намного меньше ветряных. Высота многих моделей ветряных турбин превышает 400 футов (122 м). [9] Их размер и сложность приводят к высоким затратам на техническое обслуживание, которые в сочетании со стоимостью эксплуатации могут составлять четверть общих затрат на киловатт-час. [10] Ветровые турбины также производят шум, который может беспокоить жителей в окрестностях. [11] В аэродинамические свойства лопастей ветровых турбин [11] и внутренних механических выработок [12] производят шума, но обе эти особенности не присутствуют в ионно - ветряные генераторы. Более тихая работа побудила исследователей рассмотреть возможность использования этой технологии в городских условиях . Безлопастная конструкция ионных ветряных генераторов может сделать энергию ветра более экологически чистой , поскольку нынешние «ветряные электростанции представляют собой риск гибели птиц». [13] Ветровые турбины имеют максимальную скорость работы, которая зависит от конструкции. Ветровые турбины отключаются при превышении скорости отключения, чтобы предотвратить повреждение. [14] Таким образом, турбины не могут генерировать энергию при высокоскоростном ветре, выходящем за пределы рабочего диапазона, в то время как ионные ветряные генераторы теоретически могут продолжать работать. [15]
Недостатки
Технология все еще находится на стадии становления, и ионные ветряные генераторы не так эффективны, как обычные ветряные турбины. Во время испытаний, проведенных в 2005 году, EWICON не смог соответствовать мощности ветряной турбины. Исследователи смогли продемонстрировать «преобразование 7% энергии ветра в электрическую энергию, в то время как обычные системы ветряных турбин имеют КПД 45% при их номинальных скоростях. Предлагаются улучшения, которые могут привести к повышению эффективности EWICON в диапазоне 25–30% ». [15] На Международной конференции по энергетическим системам будущего в 2005 г. предложения по дальнейшему развитию включали изменения в методе электрогидродинамического распыления, или электроспрея , и разработку более плотного набора форсунок. [15] Тесты еще не показали, что технология достаточно развита, чтобы конкурировать с ветряными турбинами по эффективности. Было построено несколько прототипов для испытаний и экспериментов , но исследователи надеются создать более крупное устройство с большей выходной мощностью. [16] Несмотря на то, что текущий уровень развития не превосходит ветряные турбины по эффективности, технология может внести свой вклад в структуру энергопотребления в городской среде, где ветряная турбина может оказаться непрактичной.
Смотрите также
- Возобновляемая энергия
- Эффективность преобразования энергии
- Распределенная генерация
- Электрогидродинамика
- Электрораспыление
- Ионизация электрораспылением
Рекомендации
- ^ a b «Безлопастный ветряк EWICON вырабатывает электричество, используя заряженные капли воды» . newatlas.com . Проверено 17 октября 2018 .
- ^ ClimateWire, Умайр Ирфан. "Работают ли альтернативные конструкции ветряных турбин?" . Scientific American . Проверено 17 октября 2018 .
- ^ а б Лондонский, Эдинбургский и Дублинский философский журнал и научный журнал . Тейлор и Фрэнсис. 1867. с. 391 .
- ^ Б с д е е г Дхирадж., Джайрам (2008). Электростатический преобразователь энергии ветра: электрические характеристики прототипа высокого напряжения . [Sl]: [sn] ISBN 9789085594826. OCLC 839641603 .
- ^ «Энергетические потери - Энергетическое образование» . energyeducation.ca . Проверено 31 октября 2018 .
- ^ Варден, Родеск | Джаспер Рудейн и Барт ван дер. «Голландское ветроколесо» . dutchwindwheel.com . Проверено 3 ноября 2018 .
- ^ «Голландское колесо ветра - круговой преобразователь энергии ветра» . www.altenergy.org . Проверено 3 ноября 2018 .
- ^ Родман, Лаура С .; Минтемейер, Росс К. (01.10.2006). «Географический анализ размещения ветряных турбин в Северной Калифорнии». Энергетическая политика . 34 (15): 2137–2149. DOI : 10.1016 / j.enpol.2005.03.004 . ISSN 0301-4215 .
- ^ Часы, Национальный ветер. "Национальная ветряная вахта | Размеры промышленных ветряных турбин" . Национальная ветряная вахта . Проверено 15 октября 2018 .
- ^ «Затраты на эксплуатацию и обслуживание ветроэнергетики» . www.wind-energy-the-facts.org (на французском языке) . Проверено 15 октября 2018 .
- ^ а б 1937-, Вагнер, С. (Зигфрид) (1996). Шум ветряной турбины . Барейсс, Р. (Райнер), 1965-, Гуидати, Г. (Джанфранко), 1968-. Берлин: Springer. ISBN 978-3540605928. OCLC 34546907 .CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
- ^ Кришнаппа, Г. (1984). «Измерение шума и вибрации редуктора ветряной турбины с вертикальной осью мощностью 50 кВт». Журнал "Инженерный контроль шума" . 22 (1): 18. Bibcode : 1984NCE .... 22 ... 18K . DOI : 10.3397 / 1.2827623 . ISSN 0736-2501 .
- ^ Барриос, Луис; Родригес, Алехандро (12 февраля 2004 г.). «Поведенческие и экологические корреляты смертности парящих птиц на береговых ветряных турбинах». Журнал прикладной экологии . 41 (1): 72–81. DOI : 10.1111 / j.1365-2664.2004.00876.x . hdl : 10261/39773 . ISSN 0021-8901 .
- ^ «Как ветряные турбины переживают сильные штормы?» . Energy.gov . Проверено 15 октября 2018 .
- ^ а б в Джайрам, Д .; Hubacz, AN; Morshuis, PHF; Марийнисен, JCM; Смит, JJ (2005). «Разработка электростатического преобразователя энергии ветра (EWICON)»: 4 стр. – 4. DOI : 10.1109 / FPS.2005.204208 . Цитировать журнал требует
|journal=
( помощь ) - ^ «Безлопастный ветряк EWICON вырабатывает электричество, используя заряженные капли воды» . newatlas.com . Проверено 15 октября 2018 .
Патенты
- Патент США 4,433,248 : Заряженный аэрозольный ветро / электрический генератор энергии с солнечной и / или гравитационной регенерацией (Элвин Маркс).