Windkraftfahrzeuge beziehen ihre Kraft aus Segeln, Drachen oder Rotoren und fahren auf Rädern – die mit einem Windrotor verbunden sein können – oder Läufern. Ob mit Segel, Kite oder Rotor angetrieben, diese Fahrzeuge haben ein gemeinsames Merkmal: Mit zunehmender Geschwindigkeit des Fahrzeugs stößt das vorrückende Strömungsprofil auf einen zunehmenden scheinbaren Wind in einem zunehmend kleineren Anstellwinkel. Gleichzeitig unterliegen solche Fahrzeuge im Vergleich zu traditionellen Segelbooten einem relativ geringen Vorwärtswiderstand. Infolgedessen sind solche Fahrzeuge häufig zu Geschwindigkeiten fähig, die über dem Wind liegen.

Beispiele für Rotorantriebe zeigten Bodengeschwindigkeiten, die die Windgeschwindigkeit übertreffen, und zwar sowohl direkt in den Wind als auch direkt vor dem Wind, indem die Kraft durch einen Antriebsstrang zwischen dem Rotor und den Rädern übertragen wird. Der Windgeschwindigkeitsrekord stammt von einem Fahrzeug mit einem Segel, Greenbird, mit einer aufgezeichneten Höchstgeschwindigkeit von 202,9 Stundenkilometern.

Andere windgetriebene Transportmittel umfassen Segelschiffe, die auf dem Wasser unterwegs sind, sowie Luftballons und Segelflugzeuge, die in der Luft unterwegs sind. All dies würde den Rahmen dieses Artikels sprengen.

Segelbetrieben
Segelgetriebene Fahrzeuge fahren über Land oder Eis mit scheinbaren Windgeschwindigkeiten, die über den wahren Windgeschwindigkeiten liegen und an den meisten Segelpunkten eng anliegen. Sowohl Landyachten als auch Eisboote haben einen geringen Vorwärtswiderstand gegen Geschwindigkeit und einen hohen seitlichen Widerstand gegen seitliche Bewegungen.

Theorie
Die aerodynamischen Kräfte auf den Segeln hängen von der Windgeschwindigkeit und -richtung sowie der Geschwindigkeit und Richtung des Schiffes (VB) ab. Die Richtung, in der sich das Fahrzeug in Bezug auf den echten Wind bewegt (Windrichtung und Geschwindigkeit über der Oberfläche – VT), wird als Segelpunkt bezeichnet. Die Geschwindigkeit des Flugzeugs an einem bestimmten Segelpunkt trägt zum scheinbaren Wind (VA) bei – die Windgeschwindigkeit und -richtung, die im fahrenden Fahrzeug gemessen wird. Der scheinbare Wind auf dem Segel erzeugt eine aerodynamische Gesamtkraft, die in Luftwiderstand (die Kraftkomponente in Richtung des scheinbaren Windes) und die Kraftkomponente normal (90 °) zum scheinbaren Wind aufgelöst werden kann. Abhängig von der Ausrichtung des Segels auf den scheinbaren Wind kann der Auftrieb oder der Widerstand die vorherrschende Antriebskomponente sein. Die gesamte aerodynamische Kraft löst sich auch in eine vorwärts gerichtete, treibende, treibende Kraft – widersetzt sich dem Medium, durch das oder durch das sich das Fahrzeug bewegt (z. B. durch Wasser, Luft oder über Eis, Sand) – und einer seitlichen Kraft, die von den Rädern oder dem Rad gehalten wird Eisläufer des Fahrzeugs.

Da windgetriebene Fahrzeuge normalerweise in scheinbaren Windwinkeln fahren, die auf die Vorderkante des Segels ausgerichtet sind, fungiert das Segel als Strömungsprofil und der Auftrieb ist der vorherrschende Bestandteil des Vortriebs. Ein niedriger Bewegungswiderstand nach vorne, hohe Geschwindigkeiten über der Oberfläche und ein hoher seitlicher Widerstand tragen dazu bei, hohe scheinbare Windgeschwindigkeiten zu erzeugen – mit einer näheren Ausrichtung des scheinbaren Windes auf den Kurs, der für die meisten Segelpunkte zurückgelegt wird – und Windkraftfahrzeugen ermöglichen, höhere Geschwindigkeiten zu erreichen als herkömmliche Segelboote.

Landyacht
Das Landsegeln hat sich seit den 1950er Jahren aus einer Neuheit heraus in erster Linie zu einem Sport entwickelt. Die zum Segeln verwendeten Fahrzeuge sind als Land- oder Sandyachten bekannt. Sie haben normalerweise drei (manchmal vier) Räder und funktionieren ähnlich wie ein Segelboot, außer dass sie vom Sitzen oder Liegen aus bedient werden und durch Pedale oder Handhebel gesteuert werden. Landsegeln eignet sich am besten für windige flache Gebiete. Rennen finden oft an Stränden, Flugplätzen und trockenen Seebetten in Wüstenregionen statt.

Greenbird, ein Segelfahrzeug, das von Ecotricity gesponsert wurde, brach 2009 mit einer Höchstgeschwindigkeit von 202,9 Stundenkilometern den Geschwindigkeitsrekord für ein Windkraftfahrzeug aus Land und übertraf damit den bisherigen Rekord von 116 Meilen pro Stunde (187 km / h), eingestellt von Schumacher aus den USA, auf Iron Duck im März 1999.

Eisboot
Die Konstruktion von Eisbooten wird im Allgemeinen von drei Schlittschaufeln unterstützt, die als „Läufer“ bezeichnet werden und einen dreieckigen oder kreuzförmigen Rahmen tragen, wobei der Lenkkanal vorne liegt. Die Läufer bestehen aus Eisen oder Stahl und sind auf eine feine Kante geschärft. Meistens werden sie auf eine um 90 Grad geneigte Kante geschnitten, die sich auf dem Eis festsetzt und ein seitliches Abrutschen durch die seitliche Windkraft der Segel verhindert. Nachdem die Seitenkraft durch die Läuferkante wirksam entgegengewirkt wurde, saugt die verbleibende Kraft des „Segelns“ das Boot mit beträchtlicher Kraft nach vorne. Diese Leistung steigt mit zunehmender Geschwindigkeit des Bootes, wodurch das Boot viel schneller als der Wind fährt. Einschränkungen bei der Geschwindigkeit von Eisbooten sind Windschlag, Reibung, Wölbung der Segelform, Konstruktionsstärke und Qualität der Eisoberfläche. Eisboote können bis zu 7 Grad vor dem scheinbaren Wind segeln. Eisboote können unter guten Bedingungen Geschwindigkeiten erreichen, die das Zehnfache der Windgeschwindigkeit erreichen. Internationale DN-Eisboote erreichen beim Rennen oft Geschwindigkeiten von 48 Knoten (89 km / h), und Geschwindigkeiten von bis zu 59 Knoten (109 km / h) wurden aufgezeichnet.

Kite-powered
Kite-angetriebene Fahrzeuge umfassen Buggys, in denen man fahren kann, und Boards, auf denen man stehen kann, wenn sie über Schnee und Eis gleiten oder auf Rädern über Land rollen.

Theorie
Ein Drachen ist eine angebundene Luftfolie, die sowohl Auftrieb als auch Widerstand erzeugt. In diesem Fall ist er an einem Fahrzeug mit einem Haltegurt verankert, der das Gesicht des Drachens führt, um den besten Anstellwinkel zu erzielen. Der Auftrieb, der den Drachen während des Fluges trägt, wird erzeugt, wenn Luft um die Oberfläche des Drachens strömt und einen niedrigen Druck oberhalb und einen hohen Druck unterhalb der Flügel erzeugt. Die Wechselwirkung mit dem Wind erzeugt auch einen horizontalen Widerstand in Windrichtung. Dem resultierenden Kraftvektor aus der Auftriebs- und der Zugkraftkomponente steht die Spannung einer oder mehrerer der Leinen oder Gurte, an denen der Drachen befestigt ist, entgegen, wodurch das Fahrzeug angetrieben wird.

Kite Buggy
Ein Kite-Buggy ist ein leichtes, zweckmäßig gebautes Fahrzeug, das von einem Power-Kite angetrieben wird. Es ist einsitzig und hat ein lenkbares Vorderrad und zwei feste Hinterräder. Der Fahrer sitzt auf dem Sitz in der Mitte des Fahrzeugs und beschleunigt und verlangsamt sich, indem er Lenkmanöver in Abstimmung mit den Flugmanövern des Drachens vornimmt. Kite-Buggys können bis zu 110 Stundenkilometer erreichen.

Drachenbrett
Drachenbretter unterschiedlicher Beschreibung werden auf trockenem Land oder auf Schnee eingesetzt. Beim Kite-Landboarding wird ein Mountainboard oder ein Landboard verwendet – ein Skateboard mit großen Lufträdern und Fußriemen. Snowkiten ist eine Wintersportart im Freien, bei der Menschen Kite-Power verwenden, um auf einem Brett (oder Ski) über Schnee oder Eis zu gleiten.

Rotor angetrieben
Mit Rotoren betriebene Fahrzeuge sind windbetriebene Fahrzeuge, die anstelle von Segeln Rotoren verwenden, die eine Ummantelung haben (Gebläselüfter) oder einen unduierten Propeller darstellen und die Ausrichtung an den scheinbaren Wind anpassen können. Der Rotor kann über einen Antriebsstrang mit Rädern oder mit einem Generator verbunden sein, der Elektromotor, der die Räder antreibt, mit elektrischer Energie versorgt. Andere Konzepte verwenden eine Vertikalachsen-Windkraftanlage mit Strömungsprofilen, die um eine vertikale Achse rotieren.

Theorie
Gaunaa et al. beschreiben die Physik von Rotorfahrzeugen. Sie beschreiben zwei Fälle, einen aus Sicht der Erde und den anderen aus Sicht des Luftstroms und kommen aus beiden Bezugsrahmen zu den gleichen Schlussfolgerungen. Sie schließen daraus (außer von Kräften, die der Vorwärtsbewegung widerstehen):

Es gibt keine theoretische Obergrenze dafür, wie schnell ein rotationsgetriebenes Fahrzeug direkt gegen den Wind fahren kann.
Ebenso gibt es keine theoretische Obergrenze dafür, wie schnell ein rotationsgetriebenes Fahrzeug direkt gegen den Wind fahren kann.

Diese Schlussfolgerungen gelten sowohl für Land- als auch für Wasserfahrzeuge.

Für Windkraftfahrzeuge (oder Wasserfahrzeuge) sind folgende Bewegungen erforderlich:

Zwei zueinander bewegte Massen, z. B. die Luft (als Wind) und die Erde (Land oder Wasser).
Die Fähigkeit, die Geschwindigkeit entweder der Masse mit einem Propeller oder einem Rad zu ändern.

Bei einem Rotorfahrzeug besteht eine Antriebsverbindung zwischen dem Rotor und den Rädern. Je nach Bezugsrahmen – der Erdoberfläche oder der Bewegung mit der Luftmasse – wird beschrieben, wie sich die verfügbare kinetische Energie des Fahrzeugs unterscheidet:

Aus der Sicht der Erde (z. B. von einem Zuschauer) aus gesehen, verlangsamt der Rotor (der wie eine Windkraftanlage wirkt) die Luft und treibt die Räder gegen die Erde, die er unmerklich beschleunigt.
Aus der Sicht des Luftstroms (z. B. von einem Ballonfahrer) aus gesehen, behindern die Räder das Fahrzeug, wodurch die Erde unmerklich abgebremst wird, und der Rotor (der wie ein Propeller wirkt), der die Luft beschleunigt und das Fahrzeug antreibt.

Die Verbindung zwischen den Rädern und dem Rotor bewirkt, dass sich der Rotor mit zunehmender Fahrzeuggeschwindigkeit schneller dreht, wodurch es den Rotorblättern ermöglicht wird, den Vorwärtshub des Windes (vom Boden aus gesehen) fortzusetzen oder das Fahrzeug anzutreiben (vom Wind aus gesehen) Luftstrom).

2009 brachte Mark Drela, ein MIT-Professor für Luft- und Raumfahrttechnik, die ersten Gleichungen auf und demonstrierte die Machbarkeit von „Dead-Downwind – schneller als der Wind (DDWFTTW)“. Andere Autoren sind zu dem gleichen Schluss gekommen.

Fahrzeuge mit festem Kurs
Es wurden mehrere Wettbewerbe für Rotorfahrzeuge durchgeführt. Bemerkenswert ist unter anderem die Veranstaltung Racing Aeolus, die jährlich in den Niederlanden stattfindet. Die teilnehmenden Universitäten erstellen Einträge, um das beste und schnellste Windkraftfahrzeug zu ermitteln. Die Regeln besagen, dass die Fahrzeuge auf Rädern fahren, wobei ein Fahrer von einem Rotor angetrieben wird, der mit den Rädern gekoppelt ist. Die vorübergehende Speicherung von Energie ist zulässig, wenn sie zu Beginn des Rennens leer ist. Das Laden des Speichergeräts wird als Rennzeit gezählt. Das Rennen findet gegen den Wind statt. Die Fahrzeuge werden nach ihrem schnellsten Lauf, ihrer Innovation und den Ergebnissen einer Reihe von Drag-Rennen beurteilt. Die Teilnehmer kamen 2008 aus der Universität Stuttgart, der Hochschule Flensburg, dem Energieforschungszentrum der Niederlande, der Technischen Universität Dänemark, der Fachhochschule Kiel und der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel. Zwei Top-Performer waren „Ventomobile“ und „Spirit of Amsterdam“ (1 und 2).

Ventomobile
Das Ventomobile war ein windbetriebenes, leichtes Dreirad, das von Studenten der Universität Stuttgart entworfen wurde. Es hatte eine Kohlenstofffaser-Rotorhalterung, die in den Wind gerichtet war, und variabel gesteuerte Rotorblätter, die sich der Windgeschwindigkeit anpassen. Die Kraftübertragung zwischen dem Rotor und den Antriebsrädern erfolgte über zwei Fahrradgetriebe und eine Fahrradkette. Es gewann den ersten Preis bei den Racing Aeolus im August 2008 in Den Helder, Niederlande.

Geist von Amsterdam
Die Windkraftfahrzeuge Spirit of Amsterdam und Spirit of Amsterdam 2 wurden von der Hogeschool van Amsterdam (Hochschule für angewandte Wissenschaften Amsterdam) gebaut. 2009 und 2010 gewann das Spirit of Amsterdam Team den ersten Preis bei der Racing Aeolus in Dänemark. Der Spirit of Amsterdam 2 war das zweite Fahrzeug des Hogeschool Van, Amsterdam. Mit einer Windkraftanlage wurde die Windgeschwindigkeit erfasst und mit mechanischer Kraft das Fahrzeug gegen den Wind gefahren. Dieses Fahrzeug konnte 6,6 Meter pro Sekunde (15 Meilen pro Stunde) mit einem Wind von 10 Metern pro Sekunde (22 Meilen pro Stunde) fahren. Ein Bordcomputer schaltet automatisch um, um eine optimale Leistung zu erzielen.

Gerade Fahrzeuge
Einige Windkraftfahrzeuge werden nur nach einem begrenzten Prinzip gebaut, z. B. die Möglichkeit, schneller als die vorherrschende Windgeschwindigkeit vorwärts oder rückwärts zu fahren.

Im Jahr 1969 baute und baute Mark Bauer – ein Windkanalingenieur für die Douglas Aircraft Company – ein Fahrzeug, um schneller als die in einem Video aufgezeichnete Windgeschwindigkeit direkt vor dem Wind zu fahren. Er veröffentlichte das Konzept noch im selben Jahr.

Im Jahr 2010 baute und testete Rick Cavallaro – ein Luftfahrtingenieur und Computertechnologe – in Zusammenarbeit mit der Luftfahrtabteilung der San Jose State University in einem von Google gesponserten Projekt die Windkraftanlage Blackbird, um die Durchführbarkeit eines direkten Projekts zu demonstrieren Abwind schneller als der Wind. Er erreichte zwei bestätigte Meilensteine, die sowohl direkt vor dem Wind als auch gegen den Wind schneller sind als die Geschwindigkeit des vorherrschenden Windes.

Abwind – 2010 setzte Blackbird den weltweit ersten zertifizierten Rekord auf, da der Wind direkter als der Wind ist und nur Windkraft verwendet wird. Das Fahrzeug erreichte eine tote Windgeschwindigkeit von etwa dem 2,8-fachen der Windgeschwindigkeit. Im Jahr 2011 erreichte eine stromlinienförmige Blackbird die dreifache Windgeschwindigkeit.
Upwind – 2012 hat Blackbird den weltweit ersten zertifizierten Rekord aufgestellt, da der Wind direkter als der Wind ist und nur Windkraft verwendet wird. Das Fahrzeug erreichte eine Aufwindgeschwindigkeit von etwa dem 2,1-fachen der Windgeschwindigkeit.