羽根なしイオン風発生器

羽根なしのイオン風ジェネレーターまたはパワーフェンスは、風を使用して電界を横切って荷電粒子を移動することにより電気エネルギーを生成するデバイスです。

イオン風力発電機は市販されていませんが、実用的なプロトタイプと概念実証が作成されています。オランダにはいくつかのプロトタイプがあり、そのうちの1つはデルフト工科大学にあり、その研究者は基礎となる技術の一部を開発しました。イオン風力発電機は現在実験中ですが、従来の風力タービンは風力エネルギー生成の最も一般的な形式です。しかし、可動部品を持たないイオン風力発電機は、振動騒音、動く影、鳥にもたらされる危険のために風力タービンが実用的でない都市環境で使用できます。

歴史

ケルビンLordの雷雨

静電エネルギー生成の初期の例の1つは、1867年に発明されたケルビンLordのサンダーストームにあります。イオン風発電機と同様に、サンダーストームは水を使用して電荷を運び、関連する原理によってエネルギーを生成します。しかし、雷雨は重力と2つの反対に帯電したリザーバーに依存して電圧差を生成しました。動作は同一ではありませんが、ケルビンLordの雷雨は水の挙動と現代のイオン風発生器を支える静電気の概念を示しています。

設計・施工

理論上の操作

イオン風力発電機は、風の力を使用して、電場の力に逆らって荷電粒子、通常は水を動かします。これにより、粒子のポテンシャルエネルギーが増加します。これは、重力に逆らって質量を上方に移動させることに例えることができます。エネルギーの収集方法は実装によって異なります。

イオン風力発電機の設計により、風力タービンで受ける機械エネルギーの中間変換が不要になります。風力タービンは、風の運動エネルギーを使用して、ローターを中心に複数のブレードを回転させます。ローターの機械的エネルギーは、発電機によって電気エネルギーに変換されます。

異なる形式のエネルギー間の変換では、環境への、または役に立たない形式でのエネルギー損失が必要になり、変換が少なくなると理論的な出力が向上します。

簡略化された分析モデル

デルフト工科大学の研究者は、システムを数学的に最適化し、コンピューターシミュレーションを実行するために、空気中を移動する水滴の挙動をモデル化する方程式を考案しました。モデルの目的のために、単純な電極構成と均一な電界が想定されます。粒子に加えられる電気力は、風の力と正反対になります。

各粒子は重力の影響を受け、

F→i、g =mi⋅g→{\ displaystyle {\ overset {\ rightarrow} {F}} _ {i、g} = m_ {i} \ cdot {\ overset {\ rightarrow} {g}}}

ここで、mi {\ displaystyle m_ {i}}はi番目の液滴の質量、g→{\ displaystyle {\ overset {\ rightarrow} {g}}}は地球の重力加速度です。モデルは、mi {\ displaystyle m_ {i}}が一定であり、蒸発を考慮していないと想定しています。大気はまた、液滴が落下するにつれて浮力の形で力を発揮し、

F→i、B =-ρa⋅Vd⋅g→{\ displaystyle {\ overset {\ rightarrow} {F}} _ {i、B} =-\ rho _ {a} \ cdot V_ {d} \ cdot { \ overset {\ rightarrow} {g}}}

ここで、Vd {\ displaystyle V_ {d}}は液滴の体積であり、ρa{\ displaystyle \ rho _ {a}}は空気密度です。液滴は風の影響も受けますが、

F→i、w =π8⋅Cd⋅ρa⋅d2⋅| v→w−v→d |2⋅v→w−v→d | v→w−v→d | {\ 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} |}}}

ここで、Cd {\ displaystyle C_ {d}}は抗力係数、vw {\ displaystyle v_ {w}}は風速、vd {\ displaystyle v_ {d}}は液滴速度です。方程式は、層流の場合は単純化でき、レイノルズ数（Re）を使用して表現できます。レイノルズ数は、流体力学でフローパターンを決定するために使用されます。レイノルズ数が1未満の場合、フローは層流とみなされます。

Re =ρa⋅d⋅| v→w−v→d |ηa1 {\ displaystyle Re = {\ frac {\ rho _ {a} \ cdot d \ cdot | {\ vec {v}} _ {w} -{\ vec {v}} _ {d} |} {\ eta _ {a}}} 1}

ここで、ηa{\ displaystyle \ eta _ {a}}は空気の粘度です。流れが実際に層流である場合、抗力はストークの法則を使用して計算できます。

F→i、w =3π⋅ηa⋅d⋅（v→w−v→d）Cc {\ displaystyle {\ overset {\ rightarrow} {F}} _ {i、w} = {\ frac {3 \ pi \ cdot \ eta _ {a} \ cdot d \ cdot（{\ vec {v}} _ {w}-{\ vec {v}} _ {d}）} {C_ {c}}}}

ここで、Cc {\ displaystyle C_ {c}}はCunninghamスリップ補正係数であり、直径が1μmを超える粒子の場合は1と想定されます。

液滴に作用する電気力は、デバイスの電極の外部電界（Eext {\ displaystyle E_ {ext}}）の両方の影響を受けます。

F→i、E =qi⋅E→ext {\ displaystyle {\ vec {F}} _ {i、E} = q_ {i} \ cdot {\ vec {E}} _ {ext}}

ここで、qi {\ displaystyle q_ {i}}はi番目の液滴の電荷、および他の帯電した液滴の電界です。

F→i、j =14πε0⋅qiqjri、j2⋅r^ ij {\ 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}}

ここで、ri、j {\ displaystyle r_ {i、j}}は、ドロップレットiとドロップレットjの間の距離です。これらの力の合計は、研究者の完全な方程式を表しています。

F→i = F→i、g + F→i、B + F→i、w + F→i、B + F→i、E + ∑j≠iiF→i、j =mi⋅a→i {\ 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}}

ここで、Fi {\ displaystyle F_ {i}}はi番目の液滴にかかる合計力で、ai {\ displaystyle a_ {i}}はi番目の液滴の加速度です。 i番目の液滴で行われた作業は、前の方程式を使用して計算できます。

Wi =∫（F→i−F→i、w）⋅dl→{\ displaystyle W_ {i} = \ int（{\ vec {F}} _ {i}-{\ vec {F}} _ {i 、w}）\ cdot d {\ vec {l}}}

ここで、dl {\ displaystyle dl}は液滴の変位です。研究者はこれを使用して、液滴のポテンシャルエネルギー差を計算します。各液滴で行われた作業の合計は、風から生成された総エネルギーをもたらします。

実装

イオン風発生器には主に2つの実装があります。 1977年にAlvin Marksが特許を取得した最初のものは、充電システムと個別のコレクターを備えた2重のデバイスでした。 EWICONは、別個のコレクターを必要とせずにシステムが機能できるようにする設計の派生物です。

アルビンマークスの特許

接地充電システムは、帯電粒子の雲を生成します。風は粒子を断熱されたコレクターに運びます。コレクターは最初は中性ですが、粒子は接触すると電荷を移動し、コレクターの位置エネルギーを増加させます。

帯電した粒子と、今や帯電したコレクターは、風の反対方向に粒子に力を加える電界を形成します。風の力は最初は電界の力を超えますが、粒子の連続的な流れは電界の力を増加させます。この力は、粒子を帯電システムに戻すのに十分なほど強くなるか、単にコレクターを通り過ぎる場合があります。コレクターに到達しない粒子は、正味のエネルギー生成には寄与しません。

すべての粒子がコレクターに到達すると、システムは最大効率で実行されます。風速やコレクターサイズなどの変数を調整すると、システムのパフォーマンスを向上させることができます。

EWICON（静電風力エネルギーコンバーター）

EWICONは以前の実装と同じ原理を使用して機能しますが、コレクターを放棄します。代わりに、EWICONは地球から絶縁されており、荷電粒子を大気中に放出します。最初に中性のシステムからの負に帯電した粒子の分散は、そのポテンシャルエネルギーを増加させます。帯電システムが粒子の極性と反対の極性になると、引力が働きます。風が少ない場合、力は粒子を帯電システムに戻し、その分散から得られる正味のエネルギーを失う可能性があります。

EWICONシステムは、すべての粒子が帯電システムを離れて地球に到達するときに最大の効率で動作します。地球は、二次システムの代わりにコレクターとして機能します。

デルフト工科大学の研究者グループがシステムを考案しました。デバイスのプロトタイプの1つが大学のキャンパスに設置され、さらに2つのプロトタイプがロッテルダムにあるStadstimmerhuis 010ビルの上に設置されました。プロトタイプは、デルフトの地元の建築会社であるMecanooによって設計されました。

オランダの風車

Dutch Windwheelは、EWICONテクノロジーを組み込むことが期待される建物設計です。この計画は、2022年までに建物が完成することを期待しているオランダのWindwheel Corp.を通じて3つのロッテルダム企業のパートナーシップによって提案されました。この構造は、雨水捕捉、湿地水ろ過、ソーラーエネルギー。円形の建物の中心は、EWICONの実装に基づいた大規模なイオン風力発電機の使用による風力発電用に確保されています。このような規模でのシステムの効率と発電量は不明ですが、Dutch Windwheel Corp.は、建物が消費するよりも多くのエネルギーを生成することを期待しています。

風力タービンとの比較

イオン風力発電機と風力タービンは、同じ長所と短所を共有しています。どちらも風の状態に左右され、天候が良好でない場合は発電できません。これは、より一貫した風速のエリアにデバイスを戦略的に配置することで、ある程度緩和できます。

長所

通常、イオン風力発電機は風力タービンよりもはるかに小型です。多くの風力タービンモデルは、高さが400フィート（122 m）を超えています。そのサイズと複雑さにより、高いメンテナンスコストが発生し、運用コストと組み合わせると、キロワット時あたりの総コストの4分の1を占める可能性があります。風力タービンは、近隣の居住者を混乱させる可能性のある騒音も生成します。風力タービンの翼の空力特性と内部の機械的作用により騒音が発生しますが、イオン風力発電機には両方の機能がありません。静かな運用により、研究者は都市環境でのテクノロジーの使用を検討するようになりました。イオン風力発電機のブレードレス設計は、現在の「風力発電所は鳥の死亡のリスクを表している」ため、風力をより環境に優しいものにすることができます。風力タービンの最大動作速度は、設計によって異なります。風力タービンは、損傷を防ぐために「カットアウト」速度を超えるとシャットダウンします。そのため、タービンは性能の範囲を超える高速風でエネルギーを生成することができませんが、イオン風発電機は理論的には動作を継続できます。

欠点

この技術はまだ初期段階にあり、イオン風力発電機は従来の風力タービンほど効率的ではありません。 2005年に実施されたテスト中、EWICONは風力タービンの出力に合わせることができませんでした。研究者は、「風力エネルギーの7％が電気エネルギーに変換されるのに対し、従来の風力タービンシステムは定格速度で45％の効率を発揮します。EWICONの効率につながる改善が提案されました。 25〜30％。」 2005年の未来の電力システムに関する国際会議で、将来の進歩に対する提案には、電気流体力学的霧化またはエレクトロスプレーの方法の変更、およびノズルのより高密度の配列の設計が含まれていました。テストでは、この技術が風力タービンの効率に匹敵するほど十分に開発されたことをまだ示していません。テストと実験のためにいくつかのプロトタイプが作成されましたが、研究者はより大きな出力でより大きなデバイスを作成したいと考えています。現在のレベルの開発は風力タービンの効率を上回っていませんが、この技術は風力タービンが実用的ではない都市環境でのエネルギーミックスに貢献する可能性があります。