Hvordan kan vindmøller nedbringe en færges luftmodstand?
more_vert
close

Få de daglige nyheder fra Version2 og Ingeniøren. Læs mere om nyhedsbrevene her.

close
Ved at tilmelde dig accepterer du vores Brugerbetingelser, og du accepterer, at Teknologiens Mediehus og IDA-gruppen lejlighedsvis kan kontakte dig om arrangementer, analyser, nyheder, job og tilbud m.m. via telefon og e-mail. I nyhedsbreve, e-mails fra Teknologiens Mediehus kan der forefindes markedsføring fra samarbejdspartnere.

Hvordan kan vindmøller nedbringe en færges luftmodstand?

Finn Schjøtt spørger: »Stena-færgen har fået monteret to vertikale vindmøller, som genererer strøm svarende til lyset på bildækkene. Derudover mindsker de luftmodstanden, således at der forventes en dieselbesparelse på 80-90 ton årligt. Hvordan kan de nedbringe luftmodstanden i den størrelsesorden?«

Mac Gaunaa, seniorforsker, Risø DTU, Vindenergidivisionen, Program for anvendt aeroelasticitet, svarer:

På trods af, at Stena Line har bedyret, at der ikke er tale om en forsinket aprilsnar, kunne man godt forledes til at tro dette om påstanden om, at man ved at opsætte vindmøller på færgen både kan producere elektricitet til lyset på bildækket og få en lavere samlet luftmodstand på færgen.

Som en lille forhistorie vil jeg nævne, at det kan bevises, at det ikke bare er teoretisk muligt at lade en båd sejle direkte op imod vinden ved brug af vindmøller alene, der eksisterer ikke engang en teoretisk øvre grænse for den opnåelige hastighed.

Så længe tabene i systemet bliver gjort mindre, vil fartøjets hastighed forøges uden en øvre grænse. I de designs, der er lavet til at opnå så høj opvindssejlhastighed som muligt ved vindens hjælp alene, vil bådens samlede vindmodstand (båd + mølle) dog forøges, når møllerne sættes på båden.

Dette ekstrabidrag til luftmodstanden er dog mindre end fremdriftskraften, som propelleren under vandet leverer fra effekten produceret af møllen. Det kan ved første øjekast virke som en evighedsmaskine, men nøglen til, at det til trods for virkelige tab er muligt, ligger i, at fluidens relative hastighed i forhold til vindmøllen er højere (vindhastighed + bådens hastighed) end fluidens hastighed i forhold til propelleren (bådens hastighed).

Forskellen i relativhastighederne for de to rotorer betyder, at det for den samme overførte effekt vil være muligt for propelleren at generere en større fremadrettet kraft end den bagudrettede kraft, som møllen genererer ved produktion af energien. I helt grove træk bunder alt dette i den grundlæggende relation mellem effekt, kraft og relativhastighed: P=F*Vrel. Hvis man i analysen af modvindsmøllebåden lader vindhastigheden falde til nul, er de relative hastigheder for propeller og mølle ens, og på grund af tab i systemet (møllerotor, transmission og propeller), vil den fremadrettede kraft fra propelleren blive mindre end den bagudrettede kraft fra møllen, hvorved båden vil stoppe.

Der er altså ikke tale om en evighedsmaskine, hvilket sikkert vil berolige en del termodynamikere og andre lærde mennesker. Hvis en vindmølledrevet båd sejler direkte i vindens retning, er den øvre grænse for hastigheden vindens egen hastighed. Bevæges båden hurtigere end dette, vil additionen af vindmølle-propeller-systemet altid indebære et tab.

Lad os nu vende tilbage til det interessante spørgsmål stillet foroven: Hvad kan være forklaringen på en reduktion af færgens samlede luftmodstand ved hjælp af møllerne?

Nøglen til dette tilsyneladende mysterium ligger i placeringen af møllerne på færgen. Hvis møllerne for eksempel havde været placeret oven på færgen, ville en lavere samlet luftmodstand have været umulig. Vindmøllerne er placeret på færgens fordæk (se billede nedenfor), hvorved vindmøllernes kølvand ved de fleste vindforhold rammer færgens 'hovedbygning' (på grund af færgens egen hastighed).

Det, der sandsynligvis sker, er, at luftmodstanden på resten af færgen bliver mindre, idet vindmøllerne populært sagt 'bryder vinden', så det første, vinden møder, ikke er færgens skrog, men den pude af langsom vind, som pga. møllerne findes over dækket. Det skyldes, at vindhastigheden i en vindmølles kølvand er mindre end den uforstyrrede vindhastighed, så man kan godt opfatte en vindmølle som en vindbryder. Spørgsmålet er så, om reduktionen i vindmodstanden på resten af færgen er større end den modstand, vindmøllerne yder, sådan som Stena Line hævder.

Et tilfælde, hvor en aerodynamisk anordning, der i sig selv har en anseelig luftmodstand, mindsker den totale luftmodstand, er den velkendte aerodynamiske 'hat' eller vindbryder på taget af lastbiler (se billede nedenfor). Det giver naturligvis en del luftmodstand på vindbryderen alene, men den overskygges af de gunstige effekter, det har på andre dele af lastbilen. Den totale luftmodstand på lastbilen nedsættes med cirka 15 pct. ved brug af en sådan vindbryder, når der ikke er sidevind.

Emnet sidevind er også interessant i færgetilfældet, idet den samlede luftmodstand på skibet ikke kan blive reduceret, hvis kølvandet fra møllerne ikke rammer noget andet på færgen. Muligheder for sidevind af denne størrelse afhænger af færgens hastighed samt af vindforholdene som færgen arbejder under.

Luftmodstandens størrelse på en typisk færge er cirka 3 pct. af modstanden fra vandet ved vindstille forhold. Hvis færgen sejler direkte imod en vind med samme hastighed i forhold til det stillestående vand som færgens hastighed i forhold til vandet, vil luftmodstanden derimod udgøre cirka 12 pct., idet aerodynamiske kræfter med en god tilnærmelse skalerer med kvadratet på hastigheden.

Idet luftmodstanden derfor udgør en mindre del af de samlede tab på en færge, og mange andre hensyn spiller ind ved designet af færgen, er det muligt at reduktion af luftmodstanden ikke har fået særligt meget prioritet. Det er derfor muligt at en betydelig reduktion af luftmodstanden kan opnås.

Som eksempler på hvor meget tilsyneladende små designændringer kan betyde for luftmodstanden kan nævnes, at luftmodstanden på en gammeldags lastbil kan reduceres med 30 pct. ved runding (rundingsradius = 0.2 * bredde) af hjørnerne der grænser op mod den forreste flade på lastrummet. En lignende reduktion i modstandskoefficienten for personbilen Mini er opnået mellem modellerne fra 1978 (Rover Mini) og 2008 (Cooper Mini) på trods af, at de umiddelbart ligner hinanden en del.

Overslagsberegninger af undertegnede indikerer, at såfremt reduktionen i luftmodstand på Stena Jutlandica faktisk er de 10 pct., som Stena Line hævder, kan det godt svare til de angivne 80-90 tons brændstof på et år.

Idet de ligninger, der beskriver strømninger, selv ved hjælp af massiv computerkraft er meget svære at løse præcist, og løsningen af de forskellige delelementer er stærkt koblede, er det svært på en simpel måde at afgøre, hvorvidt Stena Lines estimat af luftmodstandsreduktionen er korrekt.

Dette spørgsmål er naturligvis nemmest for Stena Line at besvare, efter skibet har fungeret med den nye konfiguration en tid, sådan at ændringen brændstofforbruget er blevet kvantificeret. Lad os håbe at tallene vil blive publiceret.

Uanset hvad, er det, i lyset af ønsket om reduktion i kuldioxidudledning samt stigende brændstofpriser, ikke en dårlig ide at tænke nye tanker angående brændstofbesparende foranstaltninger i transportsektoren.

Dokumentation

Læs mere og stil dine egne spørgsmål

sortSortér kommentarer
  • Ældste først
  • Nyeste først
  • Bedste først

Jeps,

jeg er også enig med analyserne der viser at det er muligt at sejle/køre i vindretningen hurtigere end vinden selv. Faktiskt kan det vises at det er den samme mekanisme der ligger bag i begge tilfældene (direkte imod vinden OG direkte med vinden hurtigere end vindhastigheden). medierne bytter dog funktion i de to tilfælde, sådan at man med modvindsbilen/båden producerer energien i luften og bruger den til fremdrift på jorden/i vandet. For hurtigere-end-vinden-i-vindens-rening fartøjet går energistrømmen den anden vej: energien skal produceres ved jorden/vandet og bruges til fremdrift i luften for at få et til at virke. Så for hurtigere-end-vinden-i-vindens-retning fartøjerne vil det altså ikke virke med en vindmølle på taget. Det skal være en propeller. I det tilfælde vil en vindmølle kun give tab.
Grunden til dette ligger helt grundlæggende i den ideelle relation mellem effekt, relativ hastighed og kraft: P=F*Vrel. Set fra fartøjet (der i de to cases set to medier med forskellig hastighed kommende fra samme side) skal man derfor producere effekten i det medium der bevæger sig hurtigst, og lave fremdriftskraften i det medium der bevæger sig langsomt. For modvindsbilen eller båden skal man altså producere sin effekt i luften og lave fremdrift mod jorden/vandet. For hurtigere-end-vinden-i-vindens-retning fartøjerne er det luften der har den lave relative hastighed, og derfor det medie man skal skabe sin fremdrift i. Så der er brug for en propeller.
For eventuelt interesserede kan jeg henvise til reference [61] på wikipediasiden i Rasmus' post foroven, hvori mine medforfattere og jeg (blandt andet) har prøvet at forklare disse mekanismer på en mere eller mindre videnskabelig måde.
Af relateret stof skal jeg nævne at DTU's modvindsbil, der virker efter de ovenstående principper, for nyligt vandt Racing Aeolus konkurrencen for modvindsbiler i den Helder i Holland.
http://www.windenergyevents2011.com/ (eventets hjemmeside med løbsresultaterne på)
http://www.youtube.com/watch?v=wrro4MxNr7Y (Klip med alle deltagende biler)
http://www.youtube.com/watch?v=gf2A3-TRf1A (Video med optagelser fra dagen hvor vi slog hastighedsrekorden)

VH
-Mac Gaunaa

  • 0
  • 0
Bidrag med din viden – log ind og deltag i debatten