Rekord: DTU-vindbil kører hurtigere end modvinden
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.

Rekord: DTU-vindbil kører hurtigere end modvinden

Illustration: Racing Aeolus

For første gang er det lykkedes for en vindbil at køre hurtigere end vindens hastighed i konkurrencen Racing Aeolus. Bilen er dansk og lavet af winDTUrbineracer fra Danmarks Tekniske Universitet (DTU). Med en hastighed på 101,8 procent af vindhastigheden slog DTU den hidtidige rekord på 96,9 procent, sat af Canada i 2014 inden for denne kategori af vindbiler.

Artiklen fortsætter efter grafikken

Illustration: MI Grafik

Rekorden blev sat ved konkurrencen Racing Aeolus, den internationale konkurrence for kørsel i modvind, som har udspillet sig en gang årligt de seneste ni år. Den fandt sted i Den Helder, Holland, 18.-20. august. Deltagerne kom fra Tyskland, Holland, Tyrkiet, Canada og Danmark. Tilsammen stillede de op med syv hold og otte biler.

Spænding til det sidste

Dagene bød på meget forskellige vindforhold, hvilket gav blandede udfordringer for vindbilerne. Torsdag blæste det ca. 5-6 m/s, fredag ca. 2-4 m/s og lørdag 9-12 m/s. DTU’s hold, winDTUrbineracer, lavede de bedste tider torsdag med syv kørsler over 80 procent af vindhastigheden, andenpladsen gik til Stuttgart med kørsler omkring 70 procent. Fredag gik trægt, fordi vinden var skæv, og det lykkedes ikke for DTU’s vindbil at gennemføre. Det var kun holdet fra Stuttgart, der gennemførte om fredagen.

Det var derfor spændende lørdag, da Stuttgart og DTU begge kunne vinde. Med en frisk vind på 9-12 m/s og en god vindretning opnåede DTU-bilen rekorden på 101,8 procent af vindhastigheden. Det svarer til 33 km/t. Sejrene torsdag og lørdag gav også winDTUrbineracer den samlede sejr, og DTU vandt konkurrencen for andet år i træk.

Det er ikke sket før, at en vindbil af denne type har krydset 100 procent-grænsen, og det udløste derfor en otte år gammel pris fra den hollandske energiforskningsinstitution ECN. Det er gået stærkt inden for udviklingen af vindbiler de seneste ni år. Det første år var der en tysk professor, der udlovede en præmie på 1.000 euro til alle de biler, der kunne køre over 50 procent af vindens hastighed. Han havde regnet ud, at det var der ikke nogen, der kunne. Tre biler gjorde det i den første konkurrence afholdt for ni år siden, fortæller Mac Gaunaa, som er en af de drivende kræfter bag DTU’s vindbilsprojekt.

Vindmølle med hjul på

Senior scientist Mac Gaunaa og seniorforsker Robert Mikkelsen har været med til at udvikle på vindbilen sammen med studerende fra DTU, der vandt konkurrencen for tredje gang. Det gør Danmark til det mest vindende land inden for disciplinen.

Mac Gaunaa forklarer, at vindbilen er som en vindmølle med hjul på, men at man på vindbilen skal tage mere hensyn til modstand mod fremdriften.

»Vi får de høje bilhastigheder med et noget andet design end for en almindelig vindmølle,« siger Mac Gaunaa.

Vinder på aerodynamik

Robert Mikkelsen og Mac Gaunaa arbejder begge med aerodynamik på rotorer på vindmøller, og derfor har de måske haft mere fokus på det end de andre deltagere.

»For at vinden kan blive omsat til effekt, skal man tage energi ud af vinden, og så bliver vindhastigheden bag rotoren lavere. Det vil altså sige, at rotoren trykker på vinden mod vindens retning – og vinden trykker på rotoren i vindretningen. Det svarer til en kæmpestor luftmodstand. Så for at komme til at køre stærkt med en vindbil, handler det især om at have styr på, hvordan rotoren (bladene på ‘vindmøllen’, red.) og i vores tilfælde også diffusoren opfører sig,« siger Mac Gaunaa.

Fordi bilerne kører i modvind, er det en fordel at have godt styr på aerodynamik.

»På en vindbil vil man selvfølgelig gerne have meget effekt på rotoren, som man kan omdanne til fremdriftskraft ved de drivende hjul. Men hvis rotoreffekten bliver lavet ved at have en kraft, der virker imod bilens køreretning, så er det ikke nødvendigvis det smarteste at have så meget effekt på rotoren. Det gælder derimod om hele tiden at maksimere nettofremdriftskraften, det vil sige fremdriftskraften ved baghjulet minus luftmodstanden på rotoren/diffusoren,« siger Mac Gaunaa.

Ikke så meget lir

Netop ovenstående beregning mener Robert Mikkelsen og Mac Gaunaa er grunden til rekordsættelsen.

»Vi tror, at en del af hemmeligheden bag årets succes, er en kombination af en mekanisk meget enkel bil og så et godt aerodynamisk design af rotor og diffusor-kombinationen. Bilen ville ikke have kunnet køre over 100 procent uden at have en rotor og diffusor, der var nøje designet til både formålet og til hinanden,« siger Mac Gaunaa.

Det har også betydet, at de ikke har arbejdet på at gøre bilen liret – nærmere omvendt.

»Mange af de andre deltageres biler ser meget flottere ud end vores. Der er også mange af dem, som har meget mere lirede styresystemer, fancy koncepter og lækker finish, end vi har. I mange af de første år af konkurrencen kørte vi også med diverse forskellige typer af gearkasser, men det vi har gjort de senere år er, at vi gradvis har gjort bilen simplere og simplere. Vi har taget alle de fancy, men ikke strengt nødvendige, dele ud, fordi de skabte et unødvendigt tab. Så vores bil har nu relativt få komponenter, og det betyder, at der er få steder, hvor der er tab.«

Robert Mikkelsen og Mac Gaunaa ser dog kun vindbilen som en sjov øvelse for de studerende. Den har ikke potentiale til at kunne blive allemandseje, men er god til at få de studerende til at tænke originalt og ud af boksen.

sortSortér kommentarer
  • Ældste først
  • Nyeste først
  • Bedste først

Som skildret i artiklen forekommer det mig, at man, i vindstille vejr, burde kunne give bilen et kraftigt skub, hvorefter bilen triller fremad.
Hvad har jeg misforstået?

  • 1
  • 3

Som det ses af billedet, så gælder: P_ind = (V_vind + V_bil) x F_vind
Da du ikke har V_vind i vindstille vejr, vil jeg gætte på, at det er derfor du ikke kan opnå fremdrift.

  • 1
  • 0

Hvis man nu havde opnået sammen effektforhold vha. generator/elmotor kunne det blive særdeles interessant. Så ville man kunne montere dette på en elbil og få mere energi til motoren end energitabet ved modstande der skal overvindes.
Jeg tænker at det nok skal lykkes en dag, men jeg er også optimist.

  • 1
  • 3

Hejsa,

Hvis der ikke er nogen vind (V_vind=0) fås af relationerne i illustrationen at der i det ideelle tilfælde bliver produceret præcis det samme på rotoren som der skal bruges til fremdrift på baghjulet: P_ind=P_ud.

Det er så tabene i den virkelige verden verden (fra en ikke uendelig stor rotor, et endeligt antal vinger, transmissionstab, rulletab, luftmodstand på rotor, luftmodstand på bil, for gammel wunderbaum, etc) der gør at man i tilfældet V_vind=0 har mindre effekt ud fra rotoren end man skulle bruge til at drive bilen fremad for at holde hastigheden konstant. Så uden vind ender den puffede bil med at stå stille igen efter lidt tid.

Faktisk er det sådan at bilens hastighedsforhold i forhold til vinden er et udtryk for hvor effektiv bilen er. Det er også derfor det er hastighedsforholdet der bliver brugt til at måle bilernes "godhed" i konkurrencen. Det sjove (på den nørdede måde) med denne type modvindsdrevne fartøj er at så længe tabene mindskes, så øges bilens hastighedsforhold. Og faktisk også uden en definitiv øvre grænse. så ud over at være et skønt rundt tal så er der egentlig ikke noget magisk ved de 100%. Der er i teorien heller ikke noget galt med at køre 500% af vindens hastighed. (Men selv 500%-bilen ville heller ikke kunne køre uden vind).

Der har i forbindelse med vores success været lidt opmærksomhed om bilen, så der er også en anden artikel om den, med lidt andre forklaringer ovre på videnskab.dk
http://videnskab.dk/teknologi-innovation/d...

God weekend

  • 8
  • 0

vindhastighed 33km relativ til ground
vindhastighed 66 km relativ til køretøj
ergo bilen opnår 50% af vindhastighed relativ til køretøj , omsat til køretøjets hastighed relativ til ground
Det er nok på det punkt omtalte professor har glemt en mellemregning eller udtrykt sit væddemål forkert

  • 0
  • 0

Hej Keld,

Det var ikke det der var hans fejl.

Til gengæld var der en hel del andre fejl i hans analyse. Han havde ikke kraftbalance i sin analyse af bilens tophastighed, havde ikke energibalance i sin analyse, og hans hovedargument var baseret på en grundlæggende misforståelse af begrebet kinetisk energi :)

Men formuleringen af 50%-grænsen for hans væddemål var nu klar nok.

I øvrigt kørte hans universitets bil kun 5% af vindhastigheden. Det kunne ellers have været skægt hvis de selv havde slået 50% grænsen...

  • 4
  • 0

Korrekt - men mon ikke en hel del velkendte ligninger ikke ville have set dagens lys, hvis deres respektive menneskelige ophav havde været blottet for evnen til at tænke intuitivt(?)

Uha, jeg ved snart ikke. Det kommer nok an på hvad du mener? Intuition omkring hvad?
Det er nok ikke godt med "intuition" om hvad slutresultatet bliver
Til gengæld er det nok godt med intuition omkring hvad vi ved med sikkerhed og derfor kan basere vores analyse på.

2 eksempler.
- Newton mente at han viste tre ting med sikkerhed, som han udtrykte i Newtons tre bevægelsesligninger.
Derefter kom så analysen. Intuitivt have mange nok gættet at kinetisk energi var ligefrem proportional med hastigheden...men nej.
- Einstein mente at vide en ting med sikkerhed. At lysets hastighed var ens i alle referencesystemer. Herefter viste hans analyser så nogle ting der stred imod enhver intuition..men som var korrekte.

Så at tro på hvad der intuitivt lyder rigtigt? Det er nok ikke lige vejen frem!...intuitivt mener mange nok også at jorden er flad som en pandekage.

  • 1
  • 1

Uha, jeg ved snart ikke. Det kommer nok an på hvad du mener? Intuition omkring hvad?


Jeg mener såmænd bare dette:
Intuition + nysgerrighed + hårdt arbejde kan i visse tilfælde føre til innovativ nytænkning.

Dine eksempler med Newton og Einstein er vel glimrende eksempler herpå.

Jeg håber ikke du troede at jeg mener, at intuition på nogen måde skulle kunne være det direkte grundlag for videnskabelige konklusioner. Og det skrev jeg vidst heller ikke.

Så intuition er således mest værdifuld, hvis den udfordrer vanetænkning og det 'åbenbare'.

Professoren med de 1000 euro - nævnt i artiklen - kunne man godt have mistænkt for umiddelbart, at have ophøjet sin intuition til en videnskabelig sandhed. Og så hopper kæden jo uundgåeligt af.

  • 2
  • 0

Dagene bød på meget forskellige vindforhold, hvilket gav blandede udfordringer for vindbilerne

  • i praksis varierer vinden jo hele tiden, i retning såvel som i fart (og nogle gange mere end andre); det virker derfor overraskende, at køretøjets fart (er det iøvrigt topfart eller gennemsnitsfart over en strækning, der angives?) kan opgives så præcist ift. vindens!?
  • 1
  • 0

Er også interesseret i måle metoden og hvordan de sikrer at et vindstød 5 sekunder før, ikke har lagret noget svinghjuls energi i rotoren eller bilen, som stadig er der, når vinden løjer af igen.

Hvis de over 100% er rigtige må det være vindmodstanden i selve kabinen, der forhindrer bilen i at accelerere uendeligt, indtil noget i bilen ikke længere kan holde til kræfterne.

Som der før bliver nævnt, hvis man skubber bilen op på 10km/t i vindstille vejr, må bilen mærke 10km/t modvind og bilen vil vel derfor kunne holde farten.

  • 2
  • 2

Jeg tænkte også det er da løgn, at man overhovedet kan køre mod vinden, men det gør sejlbåde altså også. Og det er nok der, at forklaringen på at det kan lade sig gøre skal findes. Vingerne på rotoren står jo ikke lige imod vinden, de står skråt, og dermed gør de det samme som skibet der krydser op imod vinden.

  • 1
  • 1

Hvis betz lov forhindrer bilen i at holde farten, hvordan kan den så køre hurtigere end vinden?
Jeg er skeptisk overfor deres målemetode, men håber da de er rigtige.

"Diffuseren", som jeg aldrig har hørt blivet brugt før, som et ord for en indkapslet rotor, er med til at forhindre at luften smutter ved siden af rotor spidserne uden at presse på bladet. Effektiviteten forøges og luften er sikkert også mere stabil omkring rotoren.

  • 1
  • 0

"Diffuseren", som jeg aldrig har hørt blivet brugt før, som et ord for en indkapslet rotor, er med til at forhindre at luften smutter ved siden af rotor spidserne uden at presse på bladet. Effektiviteten forøges og luften er sikkert også mere stabil omkring rotoren.


Diffusoren bliver ikke brugt om en indkapslet rotor, men om indkapslingen af rotoren. Altså diffusoren er kun den ring, som ses omkring rotoren.

Og en aerodynamisk diffusor fungerer ved, at den spreder den udgående luft. Og når luften spredes falder trykket naturligvis - altså samme vægtmæssige mængde luft bringes til at fylde mere på det volumen mæssige område.

Men derudover kan jeg kun sige, at jeg er altså, ligesom flere andre, stadig lidt svimmel over, at det kan lade sig gøre, at køre hurtigere end vinden - i modvind - kun ved vindens hjælp.

Dette er dog en behagelig form for svimmelhed, da den har udfordret min intuition og vakt min nysgerrighed.
;o)

  • 1
  • 0

De 58% maks er den energi der kan nyttiggøres af den vind der bevæger sig gennem rotorplanet. Når vi flytter køretøjet og der med også rotoren mod vindretning øger vi vindgennemstrømningen i rotorplanet.

Og energimængden der nyttiggøres stiger ikke liniært med gennemstrømningshastigheden.

  • 0
  • 0

Tak for info, Michael.

Og jeg tolker dette, som, at diffusoren skal gøre plads til mere luft forfra - og altså hen over vingerne(?)

Og så siger du:

»Og energimængden der nyttiggøres stiger ikke liniært med gennemstrømningshastigheden.«

Det lyder mærkeligt

  • 0
  • 0

"Var betingelsen for 100% præmien ikke, at der skulle være præcis modvind? En windsurfer f.eks. kan sejle over vindens hastighed ved sidevind."

Jo, en betingelse for 100% præmien udlovet af ECN/Leo Machielse, er at vindretningen er indenfor 30 grader stik modvind, og desuden at køretøjet falder indenfor Racing Aeolus konkurrencens regler om køretøjet, dvs blandt andet at fremdriften skal ske ved brug af en mølle.

Hvis der er nogle der er interresserede kan reglerne findes på eventets hjemmeside
http://www.windenergyevents.com/the-race/r...

Hvis der i øvrigt er folk derude med gode ideer til at løse opgaven om den hurtigste vindbil indenfor regnerne er det bare at bygge en selv. Det kunne være skønt med flere danske vindbilshold! Konkurrencen blev faktisk i 2013 vundet af et meget lille hold (stort set kun en mand) fra Holland, som ikke havde noget med nogle universiteter at gøre, men som havde stor mekanisk snilde og gåpåmod.

  • 1
  • 0

i praksis varierer vinden jo hele tiden, i retning såvel som i fart (og nogle gange mere end andre); det virker derfor overraskende, at køretøjets fart (er det iøvrigt topfart eller gennemsnitsfart over en strækning, der angives?) kan opgives så præcist ift. vindens!?

Ja, jeg er faktisk ikke klar over helt præcis hvad nøjagtigheden ender med at være. Det er måske lige lovlig at gå til den at angive hastighedsforholdene med tienddedels procent nøjagtighed.
Løbet foregår således at bilen kan skubbes igang (5m) hvorefter der er en 100 m accelerationsstrækning så bilen når den kører over startlinien til tidstagningen er i (eller i hvert fald tæt på) sin tophastighed. Distancen som bilens hastighed måles på er 500m, og der er langs denne tre sonic-anemometre (målehøjde ca 3 m som jeg husker det) sådan at der kan måles et forholdsvist godt bud på den effektive middelhastighed i den periode hvor bilen er på 500m strækningen.
På denne måde er det iden at det hastighedsforhold der kommer ud til sidst er et bud på hvad bilens hastighedsforhold ville være "på en lang strækning" med de givne vindforhold.

Der køres i øvrigt på veje udenfor digerne i Den Helder i Holland, og det gode ved den location er at der er flere ret lige strækninger med forskellige retninger man kan vælge imellem sådan at det oftest er muligt at få ret tæt på direkte modvind. På dagen hvor vi kørt stærkest havde vi ret tæt på eksakt modvind. Mit gæt er under 15 graders forskel (10 min middel) mellem køreretning og vindretning hele dagen.

  • 3
  • 0

Ville man kunne krydse tættere mod vinden med sådan en fætter på skruen i stedet for sejl.

Det er muligt at sejle direkte op mod vinden hvis man lader en mølle producere den effekt der bruges på propelleren. Det er grundlæggende den samme mekanisme der er tale om uanset hvilke to medier der bevæger sig i forhold til hinanden. Men tabene når man gør det på en båd er langt større end på vores modvindsbiler, så hastighedsforholdet bliver meget lavere end for bilerne.
Der er så vidt jeg ved folk der har býgget vindmølledrevne både der kan sejle direkte op i vinden:
https://en.wikipedia.org/wiki/Windmill_ship

  • 0
  • 0

Selv på min Diva 39 fra 1986 har jeg ofte oplevet at sejle hurtigere end vindens hastighed. Dog mangler den endnu at kunne sejle direkte mod vinden.
På både opererer man med VMG (hastigheden mod vinden). På VMG er der et stykke op til de 100%.

  • 0
  • 0

Der er så vidt jeg ved folk der har býgget vindmølledrevne både der kan sejle direkte op i vinden:


Det er smart, for så kan man sejle den lige vej. Et sejlskib som krydser er dog mere effektivt, tænk blot på de mange tons som der flyttes. Og selv med vinden, kommer et sejlskib ikke op på samme hastighed som vinden. Det er kun fordi man har så lette køretøjer det kan lade sig gøre.

Som et supplement til en motor kan møllen dog være interessant.

  • 0
  • 0

Jeg tror nu at måleusikkerheden på udstyret (sonics), som er udlånt fra ECN's vindenergiafdeling, er ret høj. Jeg vil umiddelbart tro at der er mere usikkerhed forbundet med at estimere hvad den præcise middelvind har været på bilens koordinater (i tid) langs de 500 m ved at måle på de tre faste positioner langs ruten. Det er helt sikkert muligt at udregne et estimat af usikkerheden, men det er ikke helt lige til da det blandt andet må være afhængig af vindens middelhastighed, turbulensgrad og i øvrigt længdeskalaer (rumlig koheræns) i strømningen...
Det er dog den fineste version af hastighedsestimatet for vinden vi har haft i løbets historie. I starten arbejdede vi med en enkeltpunkts måling.

  • 0
  • 0

Info:
Rick Cavallaro og company har med modvindsversionen af deres bil kørt omkring 210% af vindhastigheden, så de 100% er slet ikke tæt på hvor hurtigt det kan gå. Deres bil var dog ikke bygget under de restriktioner som Aeolus bilerne arbejder under (bl.a restriktioner på rotorareal), og det er (forhåbentlig) derfor vi er så langt fra 210%. Endnu.
Her er wiki-siden for Rick's blackbird.

https://en.wikipedia.org/wiki/Blackbird_(l...

Reference 11 fra siden er vores bidrag til at forklare fænomenet fra en videnskabelig vinkel. I paperet er fokus i første halvdel på at forklare hvordan det hele hænger sammen, og hvordan modvindsbilerne og de langt mere brainteaser-agtige hurtigere-end-vinden-i-vindens-retning egentlig er drevet af samme princip: energien som kan høstes fra to medier der bevæger sig i forhold til hinanden.

Anyway, det jeg ville sige er at 100% på ingen måde er en øvre grænse. Heller ikke ude i den virkelige verden.

Og her skal jeg huske at præcisere at det der menes med "vindhastighed" (V_vind på grafikken fra artiklen) er den vindhastighed man måler når man står stille. Jeg kan se en del kommentarer i tråden hvor der lader til at have været tvivl om dette. V_vind ændres ikke selv om man fra bilen ser en relativ hastighed der er højere end dene (i bilen ser man jo som angiver V_vind+V_bil).
Hvis der er vindstille er V_vind stadig nul selvom man skubber sin bil fremad. Og idet bilens hastighed er et antal procent af denne hastighed vil alle vindbilers tophastighed i vindstille situationer være nul. Alt andet ville være perpetuum mobile, som som bekendt ikke er muligt.

  • 2
  • 0

Ganske imponerende, men hvor hurtigt kan man så køre med vinden?
Hvis man når 100% af vindhastigheden, så vil rotoren jo opleve vindstille?

Jeg er lidt bange for at åbne en pandoras æske med kommentarer om dette emne, for resultaterne i første omgang virker fornuftsstridige. På trods af at man i medvindsretningen jo rigtignok har nul relativ vind når man kører lige så hurtigt som vinden, er det faktisk muligt ved vindens hjælp alene at køre hurtigere end vinden i vindens retning. Rick Cavallaro's Blackbird har kørt i omegnen af 280% af vindhastigheden.

Hele projektet med at bygge Blackbird blev også startet af Rick for at vise nogle meget hårdnakkede personer (trolls?) på diverse fora at det rent faktisk kan lade sig gøre. Og i den forbindelse kom jeg i kontakt med ham pga vores arbejde med modvindsbilen. Derfor er der også input fra vores lejr til at forklare hvordan det hele egentlig hænger sammen (reference 11 fra wiki siden er både et paper fra EWEC2009 samt et seks-delt foredrag som Rick bad mig lægge op på youtube. Desværre er kvaliteten ikke så god som man godt kunne have kunne ønsket sig...)

Se på wiki siden for mere info
https://en.wikipedia.org/wiki/Blackbird_(l...

Det der er det typiske argument for folk der på forhånd har bestemt sig for at det ikke kan lade sig gøre at køre hurtigere end vinden i vindens retning, er at når man kører lige så hurtigt som vinden så har man "taget energien ud af vinden".
Det man skal huske på er dog at det der med "hvor energien ligger" er et mere tricky spørgsmål end man umiddelbart skulle tro. Hvis vi snakker kinetisk energi er det bestemt af hvordan man ser på det (dvs i hviket inertialsystem vi observerer situationen fra). Hvis man sidder på jorden og observerer en blæsevejrsdag vil man sige at der er en masse kinetisk energi i luftmassen. Men hvis man derimod befinder sig i et referencesystem der bevæger sig med luftens (middel) hastighed vil man se samme situation som om at al jordmassen har en masse kinetisk energi.
Nøglen til at forstå hvordan hurtigere-end-vinden-i-vindens-retning-bilerne egentlig virker, og at det der får dem til at virke egentlig er præcis den samme mekanisme der gør at modvindsbilerne virker, er grundlæggende at finde i definitionen af arbejde.
Arbejde=kraft X vej. (X betyder "gange" her)
Hvis man ser på et referencesytem (vinddrevet fartøj) der vekselvirker med to medier der begge bevæger sig i samme retning, så kan man indse at denne situation faktisk er den man har både for modvindsbilerne og for hurtigere-end-vinden-i-vindens-retning-bilerne. For modvindsbilen er det luften der bevæger sig hurtigst (V-vind+V_bil) og vejen der bevæger sig langsomt (V_bil). I det andet tilfælde er det vejen der bevæger sig hurtigt (V_bil) og luften der bevæger sig langsomt (V_bil-V_vind). I begge tilfælde er der i tophastigheden ligevægt mellem de kræfter der virker på bilen, dvs kræfterne fra vinden og kræfterne fra underlaget skal balancere. Hvis man så ser på det nyttearbejde man ideelt kan udvinde ved det hurtigt-bevægende medium ved denne kraft, og ser på det arbejde der ideelt set skal bruges for at generere samme kraft ved det langsomtbevægende medium, bliver det klart at der i det ideelle tilfælde kan udvindes mere arbejde i vekselvirkningen med det hurtige medium end der skal bruges i vekselvirkningen med det langsomme medium (idet "vej per tid" er hastighed). Arbejdsdifferencen er så det der spildes ved bilens ikke.idealitet (rotortab, transmissionstab, rullemodstand, etc). (Side-info til forståelse af ligningen brugt i illustrationen til artiklen foroven: Hvis man tager arbejdsligningen og dividerer med tidsrummet fås ligningen Effekt=Kraft X V_rel der er brugt i artikelillustationen. (X betyder igen "gange" her)).
Dette betyder da at hvis man vil have disse maskiner til at virke bliver man nødt til at generere sin brugbare effekt i det medie der bevæger sig hurtigt i forhold til bilen, og at man så bruger effekt på at generere en fremdriftskraft i det medie der bevæger sig langsomt i forhold til bilen.
Dette betyder i tilfældet modvindsbil at man skal generere sit arbejde/sin effekt i vinden (der bevæger sig hurtigt i forhold til bilen) og skubbe sig fremad på jorden (der bevæger sig langsomt i forhold til bilen). Derfor har den type biler en mølle på taget til at udvinde energi med, som så går til tab + fremdrift via baghjulene.
For det umiddelbart lidt mere brainteaseragtige tilfælde med hurtigere-end-vinden-i-vindens-retning-bilen har man da at man skal generere sin effekt i vekselvirkningen med "det hurtige medium", dvs i vekselvirkning med jorden (så "generatoren" skal være på hjulene); og at man skal bruge den tilgængelige effekt på at skubbe sig fremad i luften, som jo er det langsomme medium set fra bilen. Derfor har man på hurtigere-end-vinden-i-vindens-retning-bilerne en propeller på taget, og ikke en vindmølle. Og propelleren er drevet af effekt genereret ved hjulene.
Dette lyder for de fleste ret underligt først, men det giver god mening hvis man giver sig tid til at tænke det igennem i ro og mag, uden for mange forudfattede ideer/konklusioner. Begge typer biler virker helt grundlæggende ved at de udvinder energi mellem to medier der bevæger sig i forhold til hinanden. Og det sjove er at det kan ske imellem hvilke to medier der måtte have en hastighedsforskel. Sågar i teorien også mellen to zoner af den samme type medie med en hastighedsforskel. (Og også mellem vind og vand, som nævnt tidligere; dog er der næsten sikkert for stort tab i det tilfælde til at lave en hurtigere-end-vinde-i-vindens-retning-båd)
Jeg har på mit kontor en simpel legomodel der kan drives frem af bevægelsen mellem to plader. Hvis man vender den den ene vej kører den i den modsatte retning af hvad den øverste plade bevæger sig. Hvis man vender samme legomodel om, kører den i den modsatte retning, i pladens retning, hurtigere end pladen selv. Denne bil er et eksempel på at det rent faktisk er præcis samme mekanisme der driver begge typer fartøj. Og begge typer fartøj er drevet af den eller det der giver pladerne sin hastighedsforskel.
Jeg har også, efter Rick Cavallaro's opskrift, bygget en lille model af en hurtigere-end-vinden-i-vindens-retning-bil, som når man sætter den ned på et tændt løbebånd i et vindstille rum skal holdes tilbage for ikke at accelerere og køre fremover ud over løbebåndet. Denne situation svarer til at løbe i vindhastigheden og sætte bilen på jorden, og se den accelerere op til hastigheder hurtigere end vindens.
Der er en video af min modelbil på et løbebånd et eller andet sted i en af de seks (!) dele af mit foredrag om dette emne på youtube
https://www.youtube.com/watch?v=4ZjX_DIosM8
Men der er flere sådanne modeller på youtube hvis man leder lidt.

Pyyh en lang svada.... Jeg tror at det korteste svar på dit spørgsmål er: i teorien i det tabsfrie tifælde uendeligt hurtigt. Og i virkelighedens verden (uden restriktioner på rotor osv) i hvert fald 280% indtil videre.

  • 1
  • 0

Sejlsportsfolk ved udemærket at man kan sejle med vinden hurtigere end vinden blæser, hvis man nøjagtigt som når man krydser op imod vinden "krydser" med vinden (alle hurtige joller gør det og også nogle hurtige flerskrogsbåde og nogle hurtige kølbåde), da man dag sikrer sig energi fra et større overstrøget areal. Dem som har forsøgt at lancere flyvende "spilere" til skibsfarten lader dem derfor flyve i ottetaller for at forøge det overstrøgne areal - og det ville kunne man selvfølgelig også gøre for et skib, der sejler direkte imod vinden, med den tvist at det så skulle være en Makanin lignende vindmølle man brugte, da den indhøstede energi jo skulle transmitteres til en skrue som driver skibet fremad.

Når jeg ser på designet undrer jeg mig lidt over at i ikke bruger pladehjul, der ved afvigelse fra direkte modvind begynder at levere netto fremdrift og ved direkte modvind har mindre vindmodstand. Ditto er der en norsk virksomhed, der har designet skibe som i sig selv virker som et gigantisk sejl og efter simuleringer skal kunne holde en gennemsnitsfart på 17knob alene for vinden. (har kun stor fredrift ved skæring til agten for tværs).

  • 0
  • 0

Når jeg ser på designet undrer jeg mig lidt over at i ikke bruger pladehjul, der ved afvigelse fra direkte modvind begynder at levere netto fremdrift og ved direkte modvind har mindre vindmodstand.

Det er helt sikkert at vi ville kunne forbedre bilens aerodynamik og vinde lidt hastighed der. Der er altid mange ting at tage fat på, så vi har i udviklingen af bilen altid prøvet at gå efter hvad ingeniørmæssig analyse (kombineret med lidt mavefornemmelse & i visse tilfælde også kærlighed til lidt anderledes løsninger) har peget på som havende mest "bang for the bucks" i forhold til sluthastighedsforøgelse i forhold til "udgift". Her kan "udgift" være både timeantal, kroner eller en kombination.
I tilfældet med pladehjul har vores beregninger faktisk vist at der i det store regnskab ikke er så forfærdeligt meget at hente, men nu er det måske ved at være på tide. Mange bække små gør jo som bekendt en stor å.

Race-track bliver i Den Helder udlagt så man så vidt muligt får vinden ind ret forfra, og fartvinden fra bilens egenbevægelse gør at den relative vindvektor får en endnu mindre vinkel i forhold til bilen, så det er min mavefornemmelse at den fremadrettede kraft fra liftkraftskomponenten fra pladehjul ikke vil gøre meget til eller fra i det store regnskab... Men det er en god ide at regne på det igen og medtage effekten fra skæv anstrømning.
En anden ting man kunne gøre på bil-aerodynamiksiden var at lave et nyt chassis med et mindre projiceret areal end det vi har på nuværende tidspunkt. Vores er en af de biler med det største projiceret areal. Det der er lidt bøvlet ved den slags ideer er at der ud over al arbejdet ved at støbe nye chassiser også er bøvlet med at skrabe penge nok sammen til at få lavet en støbeform. Vores nuværende støbeform koster ca 100.000,-, så man skal virkelig tro på at bilen bliver hurtigere for at gøre det!

Men det kan være at vores gode resultat i år kan være med til både at skaffe flere ihærdige studerende samt at få eventuelle sponsorer til at underlette den financielle side af sagen.

  • 0
  • 0

Interesting article. With the energy balance you presented you can predict the speed of the vehicle at different wind speeds. However for the calculation you need 4 important parameters as there is:
-The overall wind resistances of the vehicle (CDA).
-The rolling resistance (in combination with the weight) of the vehicle.
- The gear efficiency.
- The wind turbine efficiency in combination with the rotor area.
I have done the calculation for the vehicle Impuls, who joined Racing Aeolus in 2010, based on the parameters presented by ECN. I also made the calculation for the Blackbird, a vehicle with a rotor diameter of 5 meter who reached a top speed of 2.1 times the wind speed with headwind. The parameters where presented by Rick Cavallaro the creator of the Blackbird. I was wondering whether you know the parameters for the DTU wind car and if you are willing to make them public. The calculations for the Impuls and the Blackbird you can find on my website http://windwheeler.com . There you also find the model where you only have to fill in the parameters.

  • 0
  • 0

I was wondering whether you know the parameters for the DTU wind car and if you are willing to make them public.

Hi Frank,
There's nothing secret about the overall dimensions or general specs for our car. The thing is, however, that we are not too sure of many of the key specifications because they are tricky/expensive/exceedingly cumbersome to measure (and our setup change over time).
In the course we are giving on the wind car at DTU, the first assignment we give the students is to make an analysis pretty much exactly as the one you outline on your website.
Based on engineering guesstimates our drag area is somewhere in the vicinity of Acar X CDcar=0.4 m^2 (X signifies multiplication here...)
The rolling resistance coefficient we are not too sure about, but the mass of the vehicle alone is 180kg. And the fastest run was made with a driver of approx 80kg in a mean wind speed of 7m/s. For wind speeds higher than this the speed ratio was dropping again due to slippage issues in the clutch and possibly also due to general deformation of parts in the transmission system resulting in increased losses. (At the very high wind speeds we had to operate the car in a "thrust-reducing" mode because the excessive forces at the "flatter" pitch settings made the chain skip a few teeth on the sprockets!)
For the gear efficiency, which together with the rotor/shroud design, is an absolute key ingredient in making this type of vehicle fast, we do not have a too good idea for this years car. We did measure the transmission efficiency (Prearaxle=Protoraxle X etatrans) a couple of years ago, and this was etatrans=0.75 for the most efficient gear in our setup at that time. For this years vehicle, however, the transmission is somewhat simpler, so my guess is that it might be around 0.85-0.90 or so(?). The rotor area is A=pi X 0.96^2=2.9m^2, but the rotor performance parameters in real life has not been measured. The design of the rotor/shroud combination was done in axisymmetric CFD, so the interaction between them should be designed to be reasonably favourable, but since we do not have a good idea about the reduction of all the non-axisymmetric effects (tip effects, and the corresponding non-axisymmetric effect on the shroud) the uncertainty of these parameters are too big for it to make sense to supply these. Note that if you use the 1Dmomentum theory on your site to estimate the parameters, that the effect of the shroud is in essence to increase the effective area of the rotor a bit....
I hope some of these ramblings may be interesting for you.

  • 0
  • 0

I hope some of these ramblings may be interesting for you.

Thanks Mac for the useful data and background information. As far I can judge the performance of the wind turbine is near optimal. So further improvement , as you already mentioned, has to come from the transmission and the vehicle itself. For the transmission the Blackbird used, as far I could see from the pictures, a long twisted bicycle chain. That is probably the reason for the high estimated transmission efficiency of 95%. For the design of the Windwheeler I used the data of the velomobile Quest, a streamlined trick, as reference. The weight of the Quest is about 45 kg and the CDA=0.11. Of course the Quest has no wind turbine on the roof however some improvement for the DTU wind car seems to be possible. Good luck with you next record attempt.

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