Bladlösa vindkraftverk kan erbjuda mer form än funktion

Vindkraft har blivit en legitim energikälla under de senaste decennierna eftersom större, mer effektiva turbinkonstruktioner har producerat ständigt ökande mängder kraft. Men även om industrin såg en global investering på 99,5 miljarder dollar under 2014, kan turbintillväxten nå sina gränser.

Vortex säger att dess bladlösa turbiner kommer att generera el för 40 procent mindre än kostnaden för kraft från konventionella vindkraftverk.

Transporter blir allt mer utmanande på grund av komponenternas storlek: individuella blad och tornsektioner kräver ofta specialiserade lastbilar och raka, breda vägar. Dagens vindkraftverk är också otroligt topptunga. Generatorer och växellådor som sitter på stödtorn 100 meter från marken kan väga mer än 100 ton. När vikten och höjden på turbiner ökar, minskar materialkostnaderna för bredare, starkare stödtorn, såväl som kostnaderna för att underhålla komponenter som är inhysta så långt från marken, effektivitetsfördelarna med större turbiner.

Den alternativa energiindustrin har upprepade gånger försökt lösa dessa problem utan resultat. Men det senaste inlägget lovar en radikalt annorlunda typ av vindturbin: en bladlös cylinder som svänger eller vibrerar.

Spanska startupen Vortex Bladeless har utvecklat turbiner som utnyttjar virvel, snurrande rörelse av luft eller andra vätskor. När vinden passerar en av de cylindriska turbinerna klipps den av cylinderns medvindssida i en snurrande virvel eller virvel. Den virveln utövar sedan kraft på cylindern, vilket får den att vibrera. Den kinetiska energin hos den oscillerande cylindern omvandlas till elektricitet genom en linjär generator som liknar den som används för att utnyttja vågenergin.

David Yáñez, en av företagets medgrundare, kom först över konceptet som en student som studerade kollapsen av Tacoma Narrows Bridge i Washington. Bron kollapsade 1940 på grund av överdrivna vibrationer som bildades av vindens snurrande rörelse när den blåste förbi bron och är ett tekniskt misslyckande i läroboken. Yáñez lärde sig dock en annan läxa. Det här är ett väldigt bra sätt att överföra energi från en vätska till en struktur, säger han.

Vortex lätta cylinderdesign har inga växlar eller lager. Yáñez säger att det kommer att generera el för 40 procent mindre än kostnaden för kraft från konventionella vindkraftverk. Företaget har fått 1 miljon dollar i privat kapital och statlig finansiering i Spanien och söker ytterligare 5 miljoner dollar i riskkapitalfinansiering. Yáñez säger att företaget planerar att släppa ett fyra kilowatt-system 2016 och en mycket större enhet på en megawatt runt 2018.

Vortex-turbinen låter lovande, men som alla radikala nya alternativa energikonstruktioner har bladlösa turbiner många skeptiker.

Om du har ett vanligt vindkraftverk av propellertyp har du ett stort område som sopas av bladen, säger Martin Hansen, en vindenergispecialist vid Danmarks Tekniske Universitet. Här har du bara en stolpe.

Förutom att fånga mindre energi kan oscillerande cylindrar inte omvandla så mycket av den energin till elektricitet, säger Hansen. En konventionell vindturbin omvandlar vanligtvis 80 till 90 procent av den kinetiska energin hos sin roterande rotor till elektricitet. Yáñez säger att hans företags specialbyggda linjärgenerator kommer att ha en konverteringseffektivitet på 70 procent.

Yáñez medger att den oscillerande turbindesignen kommer att svepa en mindre yta och ha en lägre konverteringseffektivitet, men säger att betydande minskningar av tillverknings- och underhållskostnader kommer att uppväga förlusterna.

När Vortex bygger större enheter som fångar upp snabba vindar längre från marken, kommer den också att möta andra utmaningar som är inneboende i vätskemekanikens fysik. Luft eller andra vätskor som rör sig med låga hastigheter förbi cylindrar med liten diameter strömmar i en jämn, konstant rörelse. Öka cylinderns diameter och hastigheten med vilken luften strömmar över den, och flödet blir turbulent, vilket skapar kaotiska virvlar eller virvlar. Det turbulenta flödet gör att cylinderns oscillerande frekvens varierar, vilket gör det svårt att optimera för energiproduktion.

Med mycket tunna cylindrar och mycket långsamma hastigheter får du sjungande telefonlinjer, en absolut ren frekvens eller ton, säger Sheila Widnall, en flyg- och astronautikprofessor vid MIT. Men när cylindern blir väldigt stor och vinden blir väldigt hög får man en rad frekvenser. Du kommer inte att kunna få ut så mycket energi av det som du vill eftersom svängningen är i grunden turbulent.

Widnall ifrågasätter också företagets påstående att dess turbiner kommer att vara tysta. De oscillerande frekvenserna som skakar cylindern kommer att göra ljud, säger hon. Det kommer att låta som ett godståg som kommer genom din vindkraftspark.

Oscillerande cylindrar är bara en av flera nya teknologier som syftar till att skörda mer av vinden för mindre. Makani Power utvecklar en tjudrad energidrake (se Flygande väderkvarnar ). Den flyger i en stor cirkel som liknar spetsen på ett konventionellt turbinblad samtidigt som det utnyttjar vindkraft via mindre ombordturbiner. Astro Teller, chef för Google X, Googles halvhemliga forskningsanläggning som förvärvade Makani 2013, sa i mars att företaget snart skulle börja testa en fullskalig drake på 600 kilowatt.

John Dabiri, professor i flygteknik och bioteknik vid Caltech, testar olika konfigurationer av turbiner med vertikala axlar, som i huvudsak är väderkvarnar som snurrar som en karusell snarare än på en horisontell axel som ett cykelhjul. Vanligtvis placeras vindkraftverk långt ifrån varandra för att optimera energiproduktionen. Utifrån samma principer som fiskar använder för att spara energi genom skolgång, fann Dabiri att turbiner placerade nära varandra kunde producera mer energi än de som är långt ifrån varandra.

Man kan samordna driften av flera vindkraftverk så att helheten är större än summan av dess delar, säger han.

Dabiri säger att sådana synergistiska effekter också kan gälla för konventionella väderkvarnar med horisontell axel eller till och med oscillerande turbiner. De senare utgör en större utmaning eftersom kölvattnet av sådana turbiner är väldigt kaotiskt men också en potentiell fördel eftersom kölvattnet packar mycket energi, säger han.

Mycket återstår att se med Vortex oscillerande turbin, säger Dabiri, men han tillägger att han är exalterad över företagets koncept. Den som säger att den trebladiga turbinen är det bästa vi kan göra saknar syn.

Dölj