Безлопаточный ионный ветрогенератор - Vaneless ion wind generator

А безлопаточный ионный ветрогенератор или же силовой забор это устройство, которое генерирует электроэнергия используя ветер двигаться заряженные частицы через электрическое поле.

Ионных ветряных генераторов нет в продаже, но они работают. прототипы и доказательства концепции были созданы. Несколько прототипов существуют в Нидерланды, один из которых находится в Делфтский технологический университет, исследователи которого разработали некоторые из основных технологий.^[1] Ионные ветряные генераторы в настоящее время являются экспериментальными, а обычные Ветряные турбины являются наиболее распространенной формой ветряная энергия поколение.^[2] Но ионные ветряные генераторы, у которых нет движущихся частей, могут быть использованы в городские настройки где ветряные турбины нецелесообразны из-за вибрационного шума, движущихся тени, и опасность для птицы.^[3]

История

Гроза лорда Кельвина направляет противоположно заряженные капли воды в металлические резервуары, чтобы создать разницу напряжений.

Гроза лорда Кельвина

Основная статья: Капельница Кельвина

Один из самых ранних примеров электростатический производство энергии находится в Гроза лорда Кельвина, устройство, изобретенное в 1867 году. Подобно ионным ветрогенераторам, Гроза использовала воды нести обвинения и генерировать энергию с помощью связанных принципов. Однако Гроза полагалась на силу тяжести и два противоположно заряженных резервуара, чтобы создать Напряжение разница.^[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

Ветер воздействует на положительно заряженную частицу в направлении положительного электрода. Его потенциальная энергия увеличивается, поскольку ветер работает против электрического поля.^[4]

Ионные ветряные генераторы используют силу ветра для перемещения заряженных частиц, обычно воды, против силы электрического поля. Это увеличивает потенциальная энергия частиц, что можно сравнить с движением массы вверх против силы сила тяжести. Метод сбора энергии зависит от реализации.

Конструкция ионных ветрогенераторов исключает промежуточные преобразование из механическая энергия претерпел в ветряных турбинах. Ветряные турбины используют кинетическая энергия ветра, чтобы вращать несколько лопастей вокруг ротора. Ротора механическая энергия преобразуется в электрическую энергию электрический генератор.

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

Упрощенная аналитическая модель

Исследователи из Делфтский технологический университет разработал уравнение для моделирования поведения капель воды при их движении по воздуху, чтобы оптимизировать систему математически и запустить компьютерное моделирование. Для целей модели простой электрод предполагается конфигурация и однородное электрическое поле, при этом электрическая сила, действующая на частицы, будет прямо противоположна силе ветра.

Две капли под воздействием ветра и однородного электрического поля, равные заряды которых отталкиваются друг от друга.^[4]

На каждую частицу действует сила сила тяжести,

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

куда ${\displaystyle m_{i}}$это масса я^th капля и ${\displaystyle {\overset {\rightarrow }{g}}}$ это гравитационное ускорение из земной шар. Модель предполагает ${\displaystyle m_{i}}$ постоянно и не принимает испарение в учетную запись. Атмосфера также оказывает влияние в виде плавучесть как капли падают,

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

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

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

куда ${\displaystyle C_{d}}$ это тащить коэффициент, ${\displaystyle v_{w}}$скорость ветра, а ${\displaystyle v_{d}}$скорость капли. Уравнение можно упростить в случае ламинарный поток, который можно выразить через Число Рейнольдса (Re), который используется в механика жидкости для определения режимов потока. Течение считается ламинарным, если число Рейнольдса меньше 1,

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

куда ${\displaystyle \eta _{a}}$ это вязкость воздуха. Когда поток действительно ламинарный, силу сопротивления можно рассчитать с помощью Закон Стокса,

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

куда ${\displaystyle C_{c}}$ это 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 (${\displaystyle E_{ext}}$) электродов прибора,

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

куда ${\displaystyle q_{i}}$ это ответственность я^th капля, и электрические поля других заряженных капель,

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

куда ${\displaystyle r_{i,j}}$ это расстояние между каплями я и капля j. Сумма этих сил представляет собой полное уравнение исследователей:

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

куда ${\displaystyle F_{i}}$ это общая сила, приложенная к я^th капля и ${\displaystyle a_{i}}$ это ускорение из я^th капелька. В работай сделано на я^th каплю можно рассчитать, используя предыдущее уравнение,

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

куда ${\displaystyle dl}$ это капля смещение. Исследователи используют это, чтобы вычислить разность потенциальной энергии капли. Сумма работы, проделанной над каждой каплей, дает общую энергию, генерируемую ветром.^[4]

Реализации

Существует два основных варианта реализации ионных ветряных генераторов. Первый, запатентованный Алвин Маркс в 1977 году представлял 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

Упрощенная модель реализации ионного ветрогенератора. Система зарядки заряжает и высвобождает частицы, которые ветер уносит к коллектору.^[4]

Заземленная система зарядки производит облако заряженных частиц. Ветер уносит частицы к изолированный коллектор. 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 большой, 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 таких переменных, как скорость ветра и размер коллектора, может улучшить производительность системы.^[4]

EWICON (электростатический преобразователь энергии ветра)

EWICON использует Землю в качестве коллектора. Система зарядки высвобождает заряженные частицы, что увеличивает их потенциальную энергию.^[4]

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. Когда система зарядки имеет полярность, противоположную полярности частиц, возникает сила притяжения. Если ветер слабый, сила может переносить частицы обратно в систему зарядки, теряя чистую энергию, полученную при их рассеянии.

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 Делфтский технологический университет разработал систему. Один прототип устройства был установлен в университетском городке, а еще два находятся на крыше здания Stadstimmerhuis 010, расположенного в Роттердам. Прототипы были разработаны Mecanoo, местная архитектурная фирма в Делфт.^[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. Структура предназначена для демонстрации нескольких экологически чистых технологий, включая улавливание дождевой воды, фильтрацию воды из заболоченных мест 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 электричество, если Погода условия не благоприятные. Это может быть в некоторой степени смягчено стратегическим размещением устройств в районах с более постоянной скоростью ветра.^[8]

Преимущества

Ионные ветряные генераторы обычно намного меньше ветряных. Многие модели ветряных турбин превышают высоту 400 футов (122 м).^[9] Их размер и сложность приводят к высоким поддержание затраты, которые в сочетании с стоимость операции, может составлять четверть общей стоимости киловатт-часа.^[10] Ветровые турбины также производят шум, который может беспокоить жителей в окрестностях.^[11] В аэродинамический свойства лопастей ветряных турбин^[11] и внутренние механические работы^[12] производят шум, но в ионных ветрогенераторах нет обеих функций. Более тихая работа побудила исследователей рассмотреть возможность использования этой технологии в городская среда. Безлопастная конструкция ионных ветрогенераторов может сделать энергию ветра более мощной. экологически чистый, 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] Следовательно, турбины не могут генерировать энергию при высокоскоростном ветре, выходящем за пределы диапазона производительности, тогда 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 номинальной скорости вращения. 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 электрогидродинамический распыление, или электроспрей, и разработка более плотного набора сопел.^[15] Тесты еще не показали, что технология достаточно развита, чтобы конкурировать с ветряными турбинами по эффективности. Было построено несколько прототипов для тестирования и экспериментирование, но исследователи надеются создать более крупное устройство с большей выходной мощностью.^[16] Несмотря на то, что текущий уровень развития не превосходит по эффективности ветряные турбины, данная технология может способствовать энергобаланс в городская среда где ветряная турбина может оказаться непрактичной.

Смотрите также

• Возобновляемая энергия
• Эффективность преобразования энергии
• Распределенная генерация
• Электрогидродинамика
• Электрораспыление
• Электрораспылительная ионизация

Рекомендации

1. «Безлопастный ветряк EWICON вырабатывает электричество, используя заряженные капли воды». newatlas.com. Получено 2018-10-17.
2. ClimateWire, Умайр Ирфан. "Работают ли альтернативные конструкции ветряных турбин?". Scientific American. Получено 2018-10-17.
3. Лондонский, Эдинбургский и Дублинский философский журнал и научный журнал. Тейлор и Фрэнсис. 1867. с.391.
4. Дхирадж., Джайрам (2008). Электростатический преобразователь энергии ветра: электрические характеристики прототипа высокого напряжения. [S.l.]: [s.n.] ISBN  9789085594826. OCLC  839641603.
5. «Энергетические потери - Энергетическое образование». energyeducation.ca. Получено 2018-10-31.
6. Варден, Родеск | Джаспер Рудейн и Барт ван дер. "Голландское ветроколесо". dutchwindwheel.com. Получено 2018-11-03.
7. «Голландское колесо ветра - круговой преобразователь энергии ветра». www.altenergy.org. Получено 2018-11-03.
8. Родман, Лаура С .; Минтемейер, Росс К. (01.10.2006). «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. Часы, Национальный ветер. "Национальная ветряная вахта | Размер промышленных ветряных турбин". Национальная ветровая дозора. Получено 2018-10-15.
10. «Затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание ветроэнергетики». www.wind-energy-the-facts.org (На французском). Получено 2018-10-15.
11. 1937-, Вагнер, С. (Зигфрид) (1996). Шум ветряной турбины. Барейсс, Р. (Райнер), 1965-, Гуидати, Г. (Джанфранко), 1968-. Берлин: Springer. ISBN  978-3540605928. OCLC  34546907.
12. Кришнаппа, Г. (1984). «Измерение шума и вибрации редуктора ветряной турбины с вертикальной осью мощностью 50 кВт». Журнал инженерного контроля шума. 22 (1): 18. Bibcode: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 переживают сильные штормы?». Energy.gov. Получено 2018-10-15.
15. Джайрам, Д .; Hubacz, A.N .; Morshuis, P.H.F .; Marijnisen, J.C.M .; Смит, Дж. Дж. (2005). «Разработка электростатического преобразователя энергии ветра (EWICON)»: 4 стр. – 4. Дои:10.1109 / FPS.2005.204208.
16. «Безлопастный ветряк EWICON вырабатывает электричество, используя заряженные капли воды». newatlas.com. Получено 2018-10-15.

Патенты

* Патент США 4206396 : Генератор заряженных аэрозолей с одноэлектродным источником (Alvin Marks)

• Патент США 4433248 : Заряженный аэрозольный ветрогенератор / электрогенератор с солнечной и / или гравитационной регенерацией (Alvin Marks)