Введение
Ионный ветрогенератор без лопастей, или силовой забор, – это устройство, генерирующее электрическую энергию, используя ветер для перемещения заряженных частиц в электрическом поле. Ионные ветрогенераторы пока не поступают в коммерческую продажу, хотя рабочие прототипы и подтверждения концепции уже созданы. Несколько прототипов существуют в Нидерландах, один из которых находится в Делфтском технологическом университете, где исследователи разработали часть базовых технологий. В настоящее время ионные ветрогенераторы находятся на экспериментальной стадии, в то время как традиционные ветровые турбины являются наиболее распространенным способом получения энергии ветра. Однако ионные ветрогенераторы, не имеющие движущихся частей, могут найти применение в городских условиях, где использование ветровых турбин затруднено из-за вибрационного шума, мерцающих теней и опасности для птиц. Хотя принцип их работы не идентичен, явление "Буря лорда Кельвина" демонстрирует поведение воды и концепции электростатики, которые лежат в основе современных ионных ветрогенераторов.
Теоретическая работа
Ионные ветрогенераторы используют силу ветра для перемещения заряженных частиц, как правило воды, против силы электрического поля. Это увеличивает потенциальную энергию частиц, что аналогично перемещению массы вверх против силы тяжести. Способ сбора энергии зависит от конкретной реализации. Конструкция ионных ветрогенераторов позволяет избежать промежуточного преобразования механической энергии, которое необходимо в ветровых турбинах. Ветровые турбины используют кинетическую энергию ветра для вращения лопастей вокруг ротора. Механическая энергия ротора преобразуется в электрическую энергию электрогенератором. Преобразование между различными формами энергии неизбежно влечет за собой потери энергии, рассеиваемые в окружающую среду или превращающиеся в бесполезную форму, и уменьшение числа преобразований повышает теоретическую эффективность.
Упрощенная аналитическая модель
Исследователи из Технологического университета Делфта разработали уравнение для моделирования поведения капель воды при движении в воздухе, чтобы математически оптимизировать систему и провести компьютерное моделирование. В рамках модели предполагается простая конфигурация электродов и однородное электрическое поле, в котором электрическая сила, действующая на частицы, направлена прямо противоположно силе ветра. [[Файл:Венеробезопасный ионный генератор ветра отталкивает капли. Две капли, на которые действуют ветер и однородное электрическое поле, с одинаковыми зарядами, отталкивающимися друг от друга.
Сравнение с ветровыми турбинами
Ионные ветрогенераторы и ветротурбины обладают рядом общих преимуществ и недостатков. Оба зависят от условий ветра и не способны вырабатывать электроэнергию при неблагоприятной погоде. Однако, стратегическое размещение устройств в районах с более стабильной скоростью ветра может частично смягчить эту проблему.
Преимущества
Ионные ветрогенераторы обычно намного меньше ветряных турбин. Многие модели ветряных турбин превышают 400 футов (122 метра) в высоту. Их размер и сложность приводят к высоким затратам на техническое обслуживание, которые, вместе с эксплуатационными расходами, могут составлять четверть от общей стоимости за киловатт-час. Ветряные турбины также производят шум, который может беспокоить жителей близлежащих районов. Этот шум возникает из-за аэродинамических свойств лопастей турбин, однако обе эти особенности отсутствуют в ионных ветрогенераторах. Более тихая работа побудила исследователей рассмотреть возможность применения этой технологии в городских условиях. Безлопастная конструкция ионных ветрогенераторов может сделать ветроэнергетику более экологичной, поскольку существующие ветроэлектростанции представляют риск гибели птиц. Ветряные турбины имеют максимальные рабочие скорости, которые зависят от конструкции. Для предотвращения повреждений турбины отключаются при превышении предельной скорости, поэтому они не могут вырабатывать энергию при сильном ветре, выходящем за пределы диапазона их эффективности, в то время как ионные ветрогенераторы теоретически могут продолжать работать.
Недостатки
Технология все еще находится в зачаточном состоянии, и ионные ветрогенераторы не так эффективны, как традиционные ветряные турбины. В ходе испытаний, проведенных в 2005 году, EWICON не смог достичь показателей мощности ветряной турбины. Исследователям удалось продемонстрировать "преобразование 7% энергии ветра в электрическую энергию, в то время как традиционные системы ветряных турбин имеют эффективность 45% при номинальной скорости. Предлагаются усовершенствования, которые могут повысить эффективность EWICON до 25–30%". Несмотря на то, что текущий уровень развития не превосходит эффективность ветряных турбин, эта технология может внести вклад в энергетический баланс в городских условиях, где установка ветряной турбины может быть нецелесообразной.