Det spanska startföretaget Vortex Bladeless har utvecklat turbiner som utnyttjar vorticity, den snurrande rörelsen hos luft eller andra vätskor. När vinden passerar en av de cylindriska turbinerna skär den av cylinderns vindsida i en snurrande virvel eller vortex. Denna virvel utövar sedan kraft på cylindern och får den att vibrera. Den kinetiska energin i den oscillerande cylindern omvandlas till elektricitet genom en linjär generator som liknar dem som används för att utnyttja vågenergi.
David Yáñez, en av företagets medgrundare, kom först i kontakt med konceptet när han som student 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 enligt läroboken. Yáñez lärde sig dock en annan läxa. ”Det här är ett mycket bra sätt att överföra energi från en vätska till en struktur”, säger han.
Vortex lätta cylinderkonstruktion har inga kugghjul eller lager. Yáñez säger att den kommer att generera el för 40 procent mindre än kostnaden för el 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 system på fyra kilowatt under 2016 och en mycket större enhet på en megawatt runt 2018.
Vortexturbinen låter lovande, men precis som alla radikala nya alternativa energidesigns har blåslösa turbiner många skeptiker.
”Om du har ett vanligt vindkraftverk av propellertyp har du ett stort område som sveps av bladen”, säger Martin Hansen, vindenergispecialist vid Danmarks Tekniska Universitet. ”Här har man bara en stolpe.”
Förutom att de oscillerande cylindrarna fångar upp mindre energi kan de inte omvandla lika mycket av den energin till elektricitet, säger Hansen. Ett konventionellt vindkraftverk omvandlar vanligtvis 80 till 90 procent av den kinetiska energin från dess snurrande rotor till elektricitet. Yáñez säger att hans företags specialbyggda linjära generator kommer att ha en omvandlingseffektivitet på 70 procent.
Yáñez medger att den oscillerande turbinkonstruktionen kommer att svepa över ett mindre område och ha en lägre omvandlingseffektivitet, men säger att betydande minskningar av tillverknings- och underhållskostnader kommer att uppväga förlusterna.
När Vortex bygger större enheter som fångar upp vindar med högre hastigheter längre bort från marken, kommer man också att stöta på andra utmaningar som är inneboende i fysiken inom flödesmekaniken. Luft eller andra vätskor som rör sig vid låga hastigheter förbi cylindrar med liten diameter flyter i en jämn, konstant rörelse. Men om man ökar cylinderns diameter och hastigheten med vilken luften flödar över cylindern blir flödet turbulent och ger upphov till kaotiska virvlar. Det turbulenta flödet gör att cylinderns oscillerande frekvens varierar, vilket gör det svårt att optimera den för energiproduktion.
”Med mycket tunna cylindrar och mycket långsamma hastigheter får man sjungande telefonlinjer, en absolut ren frekvens eller ton”, säger Sheila Widnall, professor i flyg- och rymdteknik vid MIT. ”Men när cylindern blir mycket stor och vinden blir mycket kraftig får man ett frekvensspektrum. Du kommer inte att kunna få ut så mycket energi ur den som du vill eftersom svängningen i grunden är turbulent.”
Widnall ifrågasätter också företagets påstående att dess turbiner kommer att vara tysta. ”De oscillerande frekvenser som skakar cylindern kommer att ge upphov till ljud”, säger hon. ”Det kommer att låta som ett godståg som kommer genom ditt vindkraftverk.”
Oscillerande cylindrar är bara en av flera nya tekniker som syftar till att skörda mer av vinden för mindre pengar. Makani Power håller på att utveckla en ”energidrake” med koppel (se ”Flygande väderkvarnar”). Den flyger i en stor cirkel som liknar spetsen på ett konventionellt turbinblad samtidigt som den utnyttjar vindkraft via mindre turbiner ombord. Astro Teller, chef för Google X, Googles halvhemliga forskningsanläggning som förvärvade Makani 2013, sade i mars att företaget snart skulle påbörja tester av en fullskalig drake på 600 kilowatt.
John Dabiri, professor i flygteknik och bioteknik vid Caltech, testar olika konfigurationer av turbiner med vertikal axel, som i huvudsak är vindkraftverk som snurrar som en karusell i stället för på en horisontell axel som ett cykelhjul. Vanligtvis placeras vindkraftverk långt ifrån varandra för att optimera energiproduktionen. Med hjälp av samma principer som fiskar använder för att spara energi genom att hålla stim, fann Dabiri att turbiner som placeras nära varandra kan producera mer energi än turbiner som står långt ifrån varandra.
”Man kan samordna driften av flera vindkraftverk så att helheten blir större än summan av delarna”, säger han.
Dabiri säger att sådana synergieffekter också skulle kunna tillämpas på konventionella vindkraftverk med horisontell axel eller till och med oscillerande turbiner. De senare utgör en större utmaning eftersom kölvattnet från sådana turbiner är mycket kaotiskt, men också en potentiell fördel eftersom kölvattnet innehåller mycket energi, säger han.
Mycket återstår att se med Vortex oscillerande turbin, säger Dabiri, men han tillägger att han är entusiastisk över företagets koncept. ”Den som säger att den trebladiga turbinen är det bästa vi kan göra saknar visioner.”
Logga inPrenumerera nu