羽根なしイオン風力発電機

羽根なしイオン風力発電機またはパワーフェンスは、風を利用して電界を横切って荷電粒子を移動させることにより電気エネルギーを生成する装置です。

イオン風力発電機は市販されていないが、実用的なプロトタイプと概念実証は作成されている。オランダにはいくつかのプロトタイプが存在し、そのうちの1つはデルフト工科大学にあり、同大学の研究者が基礎技術の一部を開発した。^[1]イオン風力発電機は現在実験段階であり、従来の風力タービンが風力エネルギー生成の最も一般的な形式である。 ^[2]しかし、可動部品のないイオン風力発電機は、振動ノイズ、動く影、鳥への危険のために風力タービンが実用的ではない都市部で使用できる可能性がある。^[3]

静電気エネルギー生成の最も初期の例の1つは、1867年に発明された装置であるケルビン卿のサンダーストームに見られます。イオン風力発電機と同様に、サンダーストームは水を使用して電荷を運び、同様の原理でエネルギーを生成します。ただし、サンダーストームは重力と2つの反対に帯電したリザーバーを使用して電圧差を生成します。^[3]動作は同一ではありませんが、ケルビン卿のサンダーストームは、現代のイオン風力発電機の基礎となる水の挙動と静電気の概念を示しています。

イオン風力発電機は、風の力を利用して、荷電粒子（通常は水）を電界の力に逆らって動かします。これにより粒子の位置エネルギーが増加し、質量が重力に逆らって上向きに動くのと似ています。エネルギーを集める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、風力タービンで行われる機械的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、ローターの周りの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。

異なる形態のエネルギー間の変換には、環境または役に立たない形態へのエネルギー損失が必要であり、変換が少ないほど理論的な出力が向上します。^[5]

デルフト工科大学の研究者らは、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た。このモデルの目的のため、粒子に及ぼされる電気力は風の力と正反対になる、単純な電極構成と均一な電界が想定されている。

各粒子は重力の作用を受け、

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

ここで、はi^番目の液滴の質量、 は地球の重力加速度です。このモデルでは が一定であると仮定し、蒸発は考慮しません。また、大気は液滴が落下するときに 浮力という形で力を発揮します。${\displaystyle m_{i}}$${\displaystyle {\overset {\rightarrow }{g}}}$${\displaystyle m_{i}}$

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

ここで は液滴の体積、は空気の密度です。液滴は風の影響を受けるため、 ${\displaystyle V_{d}}$${\displaystyle \rho _{a}}$

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

ここで、は抗力係数、は風速、 は液滴の速度です。この式は層流の場合に簡略化することができ、これは流体力学で流れのパターンを決定するために使用されるレイノルズ数(Re)を使用して表すことができます。レイノルズ数が 1 未満のとき、流れは層流であるとみなされます。 ${\displaystyle C_{d}}$${\displaystyle v_{w}}$${\displaystyle v_{d}}$

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

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

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

ここで、はカニンガムの滑り補正係数であり、直径が1μmを超える粒子の場合は1であると仮定されます。 ${\displaystyle C_{c}}$

液滴に作用する電気力は、デバイスの電極の 外部電界（ ）と、${\displaystyle E_{ext}}$

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

ここでi番目の^液滴の電荷と他の帯電液滴の電界は、 ${\displaystyle q_{i}}$

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

ここで、液滴iと液滴jの間の距離である。これらの力の合計は研究者の完全な方程式を表す。 ${\displaystyle r_{i,j}}$

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

ここで、はi^番目の液滴に作用する全力であり、はi^番目の液滴の加速度である。i^番目の液滴に行われた仕事は、前の式を使用して計算できる。 ${\displaystyle F_{i}}$${\displaystyle a_{i}}$

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

ここで、 は液滴の変位です。研究者はこれを用いて液滴の位置エネルギー差を計算します。各液滴に対して行われた仕事の合計が、風から生成される総エネルギーとなります。^[4]${\displaystyle dl}$

イオン風力発生器には、2 つの主流の実装方法があります。1 つ目は、 1977 年に Alvin Marks が特許を取得した、充電システムと別のコレクターで構成される 2 重デバイスです。EWICON は、別のコレクターを必要とせずにシステムを機能させる設計の派生です。

接地された充電システムは、荷電粒子の雲を生成します。風が粒子を導電性コレクターに向かって運びます。コレクターは非導電性の機械的サポートによって絶縁されています。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が増加します。

帯電粒子と、帯電したコレクターは電界を形成し、風と反対方向に粒子に力を及ぼします。風の力は最初は電界の力を上回りますが、粒子の連続的な流れによって電界の力が増大します。この力は、粒子を充電システムに戻すほど強くなる場合もあれば、単にコレクターを通り過ぎる場合もあります。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。

全ての粒子がコレクターに到達したときに、システムは最大の効率を発揮します。風速やコレクターのサイズなどの変数を調整することで、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。^[4]

EWICON は、以前の実装と同じ原理で機能しますが、コレクターは不要です。代わりに、EWICON は地球から絶縁され、帯電粒子を空気中に放出します。最初は中性であったシステムから負に帯電した粒子が分散すると、その位置エネルギーが増加します。帯電システムが粒子と反対の極性を持つと、引力が働きます。風がほとんどない場合、この力によって粒子が帯電システムに戻され、分散によって得られた正味エネルギーが失われる可能性があります。

EWICONシステムは、すべての粒子が充電システムを離れて地球に到達したときに最大の効率を発揮し、二次システムの代わりにコレクターとして機能します。^[4]

このシステムを考案したのはデルフト工科大学の研究者グループです。デバイスのプロトタイプ1台は大学のキャンパスに設置され、さらに2台はロッテルダムにあるStadstimmerhuis 010ビルの上に設置されています。プロトタイプはデルフトの地元建築会社Mecanooによって設計されました。^[1]

Dutch Windwheel は、EWICON 技術を取り入れる予定の建物設計です。この計画は、Dutch Windwheel Corp. を通じてロッテルダムの 3 社のパートナーシップによって提案されました。同社は、建物が 2022 年までに完成すると予想していましたが、建設はまだ始まっていません。この構造は、雨水捕集、湿地水ろ過、太陽エネルギーなど、複数の環境に優しい技術を展示することを目的としています。円形の建物の中央は、EWICON 実装に基づく大規模なイオン風力発電機を使用した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、建物が消費するエネルギーよりも多くのエネルギーを生成すると予想しています。^{[6] [7]}

イオン風力発電機と風力タービンには、共通する長所と短所がいくつかあります。どちらも風の条件に左右され、気象条件が好ましくない場合は発電できません。これは、風速がより一定している地域に装置を戦略的に配置することで、ある程度緩和できます。^[8]

イオン風力発電機は通常、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) を超えます。^[9]そのサイズと複雑さにより、メンテナンス費用が高くなり、運用コストと合わせると、キロワット時あたりの総コストの 4 分の 1 を占める場合があります。^[10]風力タービンは騒音も発生し、近隣住民の迷惑になることがあります。^[11]風力タービンのブレードの空気力学的特性^[11]と内部の機械的動作^[12]が騒音を発生させますが、イオン風力発電機にはその両方の特徴がありません。より静かな動作のため、研究者は都市環境での技術の使用を検討しています。イオン風力発電機のブレードレス設計により、風力発電はより環境に優しいものになる可能性があります。現在の「風力発電所は鳥の死亡リスクを伴う」ためです。^[13]風力タービンには、設計によって異なる最大動作速度があります。風力タービンは、「カットアウト」速度を超えると、損傷を防ぐために停止します。^[14]そのため、タービンは性能ウィンドウを超える高速風ではエネルギーを生成することができませんが、イオン風力発電機は理論的には動作し続けることができます。^[15]

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ない。2005年に実施されたテストでは、EWICONは風力タービンの出力に匹敵できなかった。研究者らは「従来の風力タービンシステムの定格速度での効率が45%であるのに対し、風力エネルギーの7%を電気エネルギーに変換できる」ことを実証できた。「EWICONの効率を25～30%にまで高める改善が提案されている。」^[15] 2005年の国際未来電力システム会議では、将来の進歩に向けた提案として、電気流体力学的噴霧法、つまりエレクトロスプレー法の変更や、より高密度のノズル配列の設計などがあった。^{[15]テストでは、この技術が効率の点で風力タービンに匹敵するほど十分に進歩したとはまだ示されていない。テストと}実験用にいくつかのプロトタイプが構築されているが、研究者らはより大きな出力の装置を製作したいと考えている。^[16]現在の開発レベルでは効率の点で風力タービンを上回ることはないが、この技術は風力タービンが実用的ではない 都市環境におけるエネルギーミックスに貢献できる可能性がある。