Bladeløse vindmøller kan tilbyde mere form end funktion

Vindkraft er blevet en legitim energikilde i løbet af de sidste par årtier, da større, mere effektive mølledesign har produceret stadigt stigende mængder strøm. Men selvom industrien så en rekordstor global investering på 99,5 milliarder dollars i 2014, kan turbinevæksten være ved at nå sine grænser.

Vortex siger, at deres vingeløse turbiner vil generere elektricitet til 40 procent mindre end prisen på strøm fra konventionelle vindmøller.

Transport er stadig mere udfordrende på grund af komponenternes størrelse: individuelle vinger og tårnsektioner kræver ofte specialiserede lastbiler og lige, brede veje. Nutidens vindmøller er også utrolig toptunge. Generatorer og gearkasser, der sidder på støttetårne ​​100 meter fra jorden, kan veje mere end 100 tons. Efterhånden som turbinernes vægt og højde stiger, skærer materialeomkostningerne ved bredere, stærkere støttetårne, såvel som omkostningerne ved at vedligeholde komponenter anbragt så langt fra jorden, ned på effektivitetsfordelene ved større turbiner.

Den alternative energiindustri har gentagne gange forsøgt at løse disse problemer uden held. Men det seneste indlæg lover en radikalt anderledes type vindmølle: en vingeløs cylinder, der svinger eller vibrerer.

Spansk startup Vortex Bladeless har udviklet turbiner, der udnytter hvirvler, den roterende bevægelse af luft eller andre væsker. Når vinden passerer en af ​​de cylindriske turbiner, klipper den af ​​med vindsiden af ​​cylinderen i en snurrende hvirvel eller hvirvel. Den hvirvel udøver derefter kraft på cylinderen, hvilket får den til at vibrere. Den kinetiske energi af den oscillerende cylinder omdannes til elektricitet gennem en lineær generator svarende til dem, der bruges til at udnytte bølgeenergi.

David Yáñez, en af ​​virksomhedens medstiftere, stødte først på konceptet som en studerende, der studerede sammenbruddet af Tacoma Narrows Bridge i Washington. Broen kollapsede i 1940 på grund af overdrevne vibrationer dannet af vindens snurrende bevægelse, da den blæste forbi broen og er en teknisk fejl i lærebogen. Yáñez lærte dog en anden lektie. Dette er en meget god måde at overføre energi fra en væske til en struktur, siger han.

Vortex' lette cylinderdesign har ingen gear eller lejer. Yáñez siger, at det vil generere elektricitet til 40 procent mindre end prisen på strøm fra konventionelle vindmøller. Virksomheden har modtaget $1 million i privat kapital og statslig finansiering i Spanien og søger yderligere $5 millioner i venturekapitalfinansiering. Yáñez siger, at virksomheden planlægger at frigive et fire-kilowatt-system i 2016 og en meget større en-megawatt-enhed omkring 2018.

Vortex-turbinen lyder lovende, men som ethvert radikalt nyt alternativ energidesign, har bladløse turbiner masser af skeptikere.

Hvis du har en almindelig vindmølle af propeltypen, har du et stort område, der bliver fejet af vingerne, siger Martin Hansen, der er specialist i vindenergi ved Danmarks Tekniske Universitet. Her har du bare en stang.

Ud over at opfange mindre energi, kan oscillerende cylindre ikke omdanne så meget af den energi til elektricitet, siger Hansen. En konventionel vindmølle omdanner typisk 80 til 90 procent af dens roterende rotors kinetiske energi til elektricitet. Yáñez siger, at hans virksomheds specialbyggede lineære generator vil have en konverteringseffektivitet på 70 procent.

Yáñez indrømmer, at det oscillerende turbinedesign vil feje et mindre område og have en lavere konverteringseffektivitet, men siger, at betydelige reduktioner i fremstillings- og vedligeholdelsesomkostninger vil opveje tabene.

Efterhånden som Vortex bygger større enheder, der fanger vind med højere hastighed længere fra jorden, vil den også støde på andre udfordringer, der er forbundet med fluidmekanikkens fysik. Luft eller andre væsker, der bevæger sig ved lave hastigheder forbi cylindre med lille diameter, strømmer i en jævn, konstant bevægelse. Øg cylinderens diameter og hastigheden, hvormed luften strømmer hen over den, og strømmen bliver turbulent, hvilket producerer kaotiske hvirvler eller hvirvler. Det turbulente flow får cylinderens oscillerende frekvens til at variere, hvilket gør det vanskeligt at optimere til energiproduktion.

Med meget tynde cylindre og meget langsomme hastigheder får du syngende telefonlinjer, en absolut ren frekvens eller tone, siger Sheila Widnall, en aeronautik- og astronautikprofessor ved MIT. Men når cylinderen bliver meget stor, og vinden bliver meget høj, får du en række frekvenser. Du vil ikke kunne få så meget energi ud af det, som du ønsker, fordi svingningen er fundamentalt turbulent.

Widnall sætter også spørgsmålstegn ved virksomhedens påstand om, at dets turbiner vil være tavse. De oscillerende frekvenser, der ryster cylinderen, vil støje, siger hun. Det vil lyde som et godstog, der kommer gennem din vindmøllepark.

Oscillerende cylindre er blot en af ​​flere nye teknologier, der sigter mod at høste mere af vinden for mindre. Makani Power er ved at udvikle en bundet energidrage (se Flyvende vindmøller). Den flyver i en stor cirkel svarende til spidsen af ​​en konventionel vindmøllevinge, mens den udnytter vindkraften via mindre møller ombord. Astro Teller, leder af Google X, Googles halvhemmelige forskningsfacilitet, der købte Makani i 2013, sagde i marts, at virksomheden snart ville begynde at teste en fuldskala, 600 kilowatt drage.

John Dabiri, en aeronautik- og bioingeniørprofessor ved Caltech, tester forskellige konfigurationer af turbiner med lodret akse, som i det væsentlige er vindmøller, der snurrer som en karusell snarere end på en vandret akse som et cykelhjul. Typisk placeres vindmøller langt fra hinanden for at optimere energiproduktionen. Ved at trække på de samme principper, som fisk bruger til at spare energi ved skolegang, fandt Dabiri ud af, at turbiner placeret tæt på hinanden kunne producere mere energi end dem, der er langt fra hinanden.

Man kan koordinere driften af ​​flere vindmøller, så helheden er større end summen af ​​dens dele, siger han.

Dabiri siger, at sådanne synergistiske effekter også kan gælde for konventionelle vindmøller med horisontal akse eller endda oscillerende turbiner. Sidstnævnte udgør en større udfordring, fordi kølvandet på sådanne møller er meget kaotisk, men også en potentiel fordel, fordi kølvandet pakker meget energi, siger han.

Der er meget tilbage at se med Vortex’ oscillerende turbine, siger Dabiri, men han tilføjer, at han er begejstret for virksomhedens koncept. Enhver, der siger, at den tre-bladede turbine er det bedste, vi kan gøre, mangler udsyn.

skjule