Безлопастной ионный ветрогенератор

Безлопастной ионный ветрогенератор или силовое ограждение — это устройство, которое генерирует электрическую энергию , используя ветер для перемещения заряженных частиц через электрическое поле .

Ионные ветрогенераторы коммерчески недоступны, хотя рабочие прототипы и доказательства концепции уже созданы . Несколько прототипов существуют в Нидерландах , один из которых находится в Делфтском технологическом университете , исследователи которого разработали некоторые из лежащих в основе технологий. ^{[ 1 ]} Ионные ветрогенераторы в настоящее время являются экспериментальными, тогда как обычные ветряные турбины являются наиболее распространенной формой производства энергии ветра . ^{[ 2 ]} Но ионные ветрогенераторы, у которых нет движущихся частей, могут использоваться в городских условиях , где ветряные турбины непрактичны из-за вибрационного шума, движущихся теней и опасности для птиц . ^{[ 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 выработки энергии посредством соответствующих принципов. Однако Гроза полагалась на силу гравитации и два противоположно заряженных резервуара для создания разницы напряжений . ^{[ 3 ]} Хотя они не идентичны по принципу действия, «Гроза лорда Кельвина» демонстрирует поведение воды и концепции электростатики, лежащие в основе современных ионных ветрогенераторов.

Проектирование и строительство

Теоретическая операция

Ионные ветрогенераторы используют силу ветра для перемещения заряженных частиц, обычно воды, против силы электрического поля. Это увеличивает потенциальную энергию частиц, что можно сравнить с перемещением массы вверх против силы тяжести . Метод сбора энергии зависит от реализации.

Конструкция ионных ветрогенераторов исключает промежуточное преобразование механической энергии , происходящее в ветряных турбинах. Ветровые турбины используют кинетическую энергию ветра для вращения нескольких лопастей вокруг ротора. ротора Механическая энергия преобразуется в электрическую энергию электрическим генератором .

Преобразование между различными формами энергии требует некоторой потери энергии либо в окружающую среду, либо в бесполезной форме, а меньшее количество преобразований улучшает теоретический результат. ^{[ 5 ]}

Упрощенная аналитическая модель

Исследователи из Делфтского технологического университета разработали уравнение для моделирования поведения капель воды при их движении в воздухе, чтобы математически оптимизировать систему и запустить компьютерное моделирование . Для целей модели предполагается простая конфигурация электродов и однородное электрическое поле, при этом электрическая сила, действующая на частицы, будет прямо противоположна силе ветра.

На каждую частицу действует сила гравитации ,

${\overset {\rightarrow }{F}}_{i,g}=m_{i}\cdot {\overset {\rightarrow }{g}}$

где $m_{i}$ это масса i ^й капелька и ${\overset {\rightarrow }{g}}$ - ускорение Земли . гравитационное Модель предполагает $m_{i}$ постоянна и не учитывает испарение . Атмосфера также оказывает силу в виде плавучести при падении капель.

${\overset {\rightarrow }{F}}_{i,B}=-\rho _{a}\cdot V_{d}\cdot {\overset {\rightarrow }{g}}$

где $V_{d}$ объем капли и $\rho _{a}$ это плотность воздуха . На капли также действует ветер.

${\overset {\rightarrow }{F}}_{i,w}={\frac {\pi }{8}}\cdot C_{d}\cdot \rho _{a}\cdot d^{2}\cdot \left|{\overset {\rightarrow }{v}}_{w}-{\overset {\rightarrow }{v}}_{d}\right|^{2}\cdot {\frac {{\overset {\rightarrow }{v}}_{w}-{\overset {\rightarrow }{v}}_{d}}{|{\overset {\rightarrow }{v}}_{w}-{\overset {\rightarrow }{v}}_{d}|}}$

где $C_{d}$ коэффициент лобового сопротивления , $v_{w}$ скорость ветра, а $v_{d}$ это скорость капли. Уравнение можно упростить в случаях ламинарного потока , что можно выразить с помощью числа Рейнольдса (Re), которое используется в механике жидкости для определения структуры потока. Течение считается ламинарным, если число Рейнольдса меньше 1.

$Re={\frac {\rho _{a}\cdot d\cdot |{\vec {v}}_{w}-{\vec {v}}_{d}|}{\eta _{a}}}<1$

где $\eta _{a}$ это вязкость воздуха . Когда поток действительно ламинарный, силу сопротивления можно рассчитать с помощью закона Стокса :

${\overset {\rightarrow }{F}}_{i,w}={\frac {3\pi \cdot \eta _{a}\cdot d\cdot ({\vec {v}}_{w}-{\vec {v}}_{d})}{C_{c}}}$

где $C_{c}$ – 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 ( $E_{ext}$ ) электродов аппарата,

${\vec {F}}_{i,E}=q_{i}\cdot {\vec {E}}_{ext}$

где $q_{i}$ это заряд я ^й капля и электрические поля других заряженных капель,

${\vec {F}}_{i,j}={\frac {1}{4\pi \varepsilon _{0}}}\cdot {\frac {q_{i}q_{j}}{r_{i,j}^{2}}}\cdot {\hat {r}}_{ij}$

где $r_{i,j}$ расстояние между каплей i и каплей j . Сумма этих сил представляет собой полное уравнение исследователей:

${\vec {F}}_{i}={\vec {F}}_{i,g}+{\vec {F}}_{i,B}+{\vec {F}}_{i,w}+{\vec {F}}_{i,B}+{\vec {F}}_{i,E}+\sum _{j\neq i}^{i}{\vec {F}}_{i,j}=m_{i}\cdot {\vec {a}}_{i}$

где $F_{i}$ полная сила, действующая на i ^й капелька и $a_{i}$ это ускорение i  ^й капелька. Работа , проделанная на i ^й каплю можно рассчитать с помощью предыдущего уравнения,

$W_{i}=\int ({\vec {F}}_{i}-{\vec {F}}_{i,w})\cdot d{\vec {l}}$

где $dl$ капли – смещение . Исследователи используют это для расчета разности потенциальной энергии капли. Сумма работы, совершаемой над каждой каплей, дает полную энергию, вырабатываемую ветром. ^{[ 4 ]}

Реализации

Существует две основные реализации ионных ветрогенераторов. Первое, запатентованное Элвином Марксом в 1977 году, представляло собой двойное устройство, состоящее из системы зарядки и отдельного коллектора. EWICON — это модификация конструкции, позволяющая системе функционировать без необходимости использования отдельного коллектора.

Патент Элвина Маркса

Заземленная система зарядки создает облако заряженных частиц. Ветер переносит частицы к проводящему коллектору. Коллектор изолирован своей непроводящей механической опорой. Хотя коллектор изначально нейтрален, частицы передают свой заряд при контакте, увеличивая потенциальную энергию коллектора.

Заряженные частицы и коллектор, теперь тоже заряженный, образуют электрическое поле, которое воздействует на частицы в направлении, противоположном ветру. 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 системе зарядки, 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 таких переменных, как скорость ветра и размер коллектора, может улучшить производительность системы. ^{[ 4 ]}

EWICON (электростатический преобразователь энергии ветра)

EWICON функционирует по тем же принципам, что и предыдущая реализация, но не использует коллектор. Вместо этого EWICON изолирован от Земли и выбрасывает заряженные частицы в воздух. Рассеяние отрицательно заряженных частиц из изначально нейтральной системы увеличивает ее потенциальную энергию. Когда полярность зарядной системы противоположна полярности частиц, возникает сила притяжения. Если ветер слабый, 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 Систему разработала . Один прототип устройства был установлен в университетском кампусе, а еще два находятся на крыше здания Stadstimmerhuis 010, расположенного в Роттердаме . Прототипы были разработаны Mecanoo , местной архитектурной фирмой в Делфте . ^{[ 1 ]}

Голландское ветряное колесо

Голландское ветроколесо — это проект здания, в котором, как ожидается, будет использована технология EWICON. Планы были предложены партнерством трех роттердамских компаний через голландскую Windwheel Corp., которая ожидала, что здание будет завершено к 2022 году, но еще не приступила к строительству. Конструкция предназначена для демонстрации множества экологически чистых технологий, включая улавливание дождевой воды, фильтрацию воды водно-болотных угодий и солнечную энергию. Центр круглого здания отведен для производства энергии ветра за счет использования крупномасштабного ионного ветрогенератора на основе реализации EWICON. Эффективность и выработка электроэнергии системы в таком масштабе неизвестны, но голландская корпорация Windwheel Corp. ожидает, что здание будет генерировать больше энергии, чем потребляет. ^{[ 6 ]}^{[ 7 ]}

Сравнение с ветряными турбинами

Ионные ветрогенераторы и ветряные турбины имеют одни и те же преимущества и недостатки. Оба зависят от ветровых условий и не могут производить электроэнергию, если погодные условия неблагоприятны. Это можно в некоторой степени смягчить за счет стратегического размещения устройств в районах с более постоянной скоростью ветра. ^{[ 8 ]}

Преимущества

Ионные ветрогенераторы обычно намного меньше ветряных турбин. Многие модели ветряных турбин имеют высоту более 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 общей стоимости киловатт-часа. ^{[ 10 ]} Ветровые турбины также производят шум, который может беспокоить жителей поблизости. ^{[ 11 ]} Аэродинамические . свойства лопастей ветряных турбин ^{[ 11 ]} и внутренняя механическая работа ^{[ 12 ]} производят шум, однако обе функции отсутствуют в ионных ветрогенераторах. Более тихая работа побудила исследователей рассмотреть возможность использования этой технологии в городских условиях . Безлопастная конструкция ионных ветрогенераторов может сделать ветроэнергетику более экологически чистой , поскольку нынешние «ветряные электростанции представляют собой риск гибели птиц». ^{[ 13 ]} Ветровые турбины имеют максимальные рабочие скорости, которые различаются в зависимости от конструкции. Ветровые турбины отключаются при превышении «предельных» скоростей, чтобы предотвратить повреждение. ^{[ 14 ]} Поэтому турбины не могут генерировать энергию при высокоскоростных ветрах, которые выходят за рамки диапазона производительности, в то время как ионные ветрогенераторы теоретически могут продолжать работать. ^{[ 15 ]}

Недостатки

Эта технология все еще находится в зачаточном состоянии, и ионные ветрогенераторы 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 традиционные системы ветряных турбин имеют эффективность 45% на номинальных скоростях. Предлагаются улучшения, которые могут привести к повышению эффективности EWICON в этом диапазоне. 25–30%». ^{[ 15 ]} На Международной конференции по будущим энергетическим системам 2005 года предложения о будущих достижениях включали изменения в методе электрогидродинамического распыления или электрораспыления , а также разработку более плотного набора сопел. ^{[ 15 ]} Испытания еще не показали, что технология достаточно развита, чтобы конкурировать по эффективности с ветряными турбинами. было построено несколько прототипов Для испытаний и экспериментов , но исследователи надеются создать более крупное устройство с большей выходной мощностью. ^{[ 16 ]} Хотя нынешний уровень развития не превосходит ветряные турбины по эффективности, эта технология может внести свой вклад в структуру энергетики в городских условиях , где ветряные турбины могут оказаться непрактичными.

См. также

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б «Безлопастная ветряная турбина EWICON вырабатывает электроэнергию, используя заряженные капли воды» . newatlas.com . Проверено 17 октября 2018 г.
^ Ирфан, Умайр. «Работают ли альтернативные конструкции ветряных турбин?» . Научный американец . Проверено 17 октября 2018 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б Лондонский, Эдинбургский и Дублинский философский журнал и научный журнал . Тейлор и Фрэнсис. 1867. с. 391 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г Джайрам, Дхирадж (2008). Электростатический преобразователь энергии ветра: электрические характеристики высоковольтного прототипа . [Sl]: [sn] ISBN 9789085594826 . OCLC 839641603 .
^ «Потери энергии – Энергетическое образование» . Energyeducation.ca . Проверено 31 октября 2018 г.
^ «Голландское ветроколесо» . Dutchwindwheel.com . Проверено 3 ноября 2018 г.
^ «Голландское ветроколесо — круговой преобразователь энергии ветра» . www.altenergy.org . Проверено 3 ноября 2018 г.
^ Родман, Лаура К.; Меентемейер, Росс К. (1 октября 2006 г.). «Географический анализ размещения ветряных турбин в Северной Калифорнии». Энергетическая политика . 34 (15): 2137–2149. дои : 10.1016/j.enpol.2005.03.004 . ISSN 0301-4215 .
^ «Национальная ветряная стража | Размер промышленных ветряных турбин» . Национальная служба ветров . Проверено 15 октября 2018 г.
^ «Затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание ветрогенерации» . www.wind-energy-the-facts.org (на французском языке) . Проверено 15 октября 2018 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б Вагнер, С. (1996). Шум ветряных турбин . Барейсс, Р. (Райнер), 1965-, Гуидати, Г. (Джанфранко), 1968-. Берлин: Шпрингер. ISBN 978-3540605928 . OCLC 34546907 .
^ Кришнаппа, Г. (1984). «Измерения шума и вибрации коробки передач ветряной турбины с вертикальной осью мощностью 50 кВт». Инженерный журнал по контролю шума . 22 (1): 18. Бибкод : 1984NCE....22...18K . дои : 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. дои : 10.1111/j.1365-2664.2004.00876.x . hdl : 10261/39773 . ISSN 0021-8901 .
^ «Как ветряные турбины выдерживают сильные штормы?» . Energy.gov.ru . Проверено 15 октября 2018 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Джайрам, Д.; Хубач, АН; Моршуис, ФХФ; Марийнисен, JCM; Смит, Джей-Джей (2005). «Разработка электростатического преобразователя энергии ветра (ЭВИКОН)». 2005 Международная конференция по энергетическим системам будущего . стр. 4 стр.–4. дои : 10.1109/FPS.2005.204208 . ISBN 90-78205-02-4 . S2CID 45083070 .
^ «Безлопастная ветряная турбина EWICON вырабатывает электроэнергию, используя заряженные капли воды» . newatlas.com . Проверено 15 октября 2018 г.

Патенты

* Патент США 4,206,396 : Генератор заряженного аэрозоля с одноэлектродным источником (Элвин Маркс).

Патент США № 4,433,248 : Ветрово-электрический генератор с заряженным аэрозолем и солнечной и/или гравитационной регенерацией (Элвин Маркс).

[:3-1] Перейти обратно: ^а ^б «Безлопастная ветряная турбина EWICON вырабатывает электроэнергию, используя заряженные капли воды» . newatlas.com . Проверено 17 октября 2018 г.

[2] Ирфан, Умайр. «Работают ли альтернативные конструкции ветряных турбин?» . Научный американец . Проверено 17 октября 2018 г.

[:4-3] Перейти обратно: ^а ^б Лондонский, Эдинбургский и Дублинский философский журнал и научный журнал . Тейлор и Фрэнсис. 1867. с. 391 .

[:2-4] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г Джайрам, Дхирадж (2008). Электростатический преобразователь энергии ветра: электрические характеристики высоковольтного прототипа . [Sl]: [sn] ISBN 9789085594826 . OCLC 839641603 .

[5] «Потери энергии – Энергетическое образование» . Energyeducation.ca . Проверено 31 октября 2018 г.

[6] «Голландское ветроколесо» . Dutchwindwheel.com . Проверено 3 ноября 2018 г.

[7] «Голландское ветроколесо — круговой преобразователь энергии ветра» . www.altenergy.org . Проверено 3 ноября 2018 г.

[8] Родман, Лаура К.; Меентемейер, Росс К. (1 октября 2006 г.). «Географический анализ размещения ветряных турбин в Северной Калифорнии». Энергетическая политика . 34 (15): 2137–2149. дои : 10.1016/j.enpol.2005.03.004 . ISSN 0301-4215 .

[9] «Национальная ветряная стража | Размер промышленных ветряных турбин» . Национальная служба ветров . Проверено 15 октября 2018 г.

[10] «Затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание ветрогенерации» . www.wind-energy-the-facts.org (на французском языке) . Проверено 15 октября 2018 г.

[:0-11] Перейти обратно: ^а ^б Вагнер, С. (1996). Шум ветряных турбин . Барейсс, Р. (Райнер), 1965-, Гуидати, Г. (Джанфранко), 1968-. Берлин: Шпрингер. ISBN 978-3540605928 . OCLC 34546907 .

[12] Кришнаппа, Г. (1984). «Измерения шума и вибрации коробки передач ветряной турбины с вертикальной осью мощностью 50 кВт». Инженерный журнал по контролю шума . 22 (1): 18. Бибкод : 1984NCE....22...18K . дои : 10.3397/1.2827623 . ISSN 0736-2501 .

[13] 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. дои : 10.1111/j.1365-2664.2004.00876.x . hdl : 10261/39773 . ISSN 0021-8901 .

[14] «Как ветряные турбины выдерживают сильные штормы?» . Energy.gov.ru . Проверено 15 октября 2018 г.

[:1-15] Перейти обратно: ^а ^б ^с Джайрам, Д.; Хубач, АН; Моршуис, ФХФ; Марийнисен, JCM; Смит, Джей-Джей (2005). «Разработка электростатического преобразователя энергии ветра (ЭВИКОН)». 2005 Международная конференция по энергетическим системам будущего . стр. 4 стр.–4. дои : 10.1109/FPS.2005.204208 . ISBN 90-78205-02-4 . S2CID 45083070 .

[16] «Безлопастная ветряная турбина EWICON вырабатывает электроэнергию, используя заряженные капли воды» . newatlas.com . Проверено 15 октября 2018 г.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]

v т и Энергия ветра
Wind power	Airborne wind energy By country History Land vehicles Offshore Turbines on public display Windmill panemone
Wind farms	Lists of wind farms Community-owned Offshore farms Onshore farms
Wind turbines	Aerodynamics Airborne Crosswind kite Design Floating Nacelle Pitch bearing QBlade Small Unconventional Vertical-axis Savonius Darrieus Yaw system bearing drive
Wind power industry	Consulting companies Manufacturers Software
Manufacturers	Enercon GE Wind Energy including GE Offshore Wind Goldwind Nordex Senvion Siemens Gamesa Suzlon Vestas
Concepts	2020s in wind power research Betz's law Blade element momentum theory Capacity factor Energy return on investment Energy storage grid Energy subsidy HVDC Hybrid power Laddermill Net energy gain Tip-speed ratio Variable renewable energy Virtual power plant Wind power forecasting Wind profile power law Wind resource assessment
Wind power portal Category Commons Additional portals: Renewable energy Energy