Véhicule éolien

Les véhicules éoliens sont alimentés par des voiles, des cerfs-volants ou des rotors et ils roulent sur des roues (qui peuvent être liées à un rotor éolien) ou des coureurs. Qu’ils soient à voile, à cerf-volant ou à rotor, ces véhicules partagent un trait commun: à mesure que la vitesse du véhicule augmente, la surface aérodynamique en avancée rencontre un vent apparent croissant, avec un angle d’attaque de plus en plus réduit. Dans le même temps, ces véhicules sont soumis à une résistance à l’avancée relativement faible par rapport aux bateaux à voile traditionnels. De ce fait, ces véhicules peuvent souvent atteindre des vitesses supérieures à celles du vent.

Des exemples actionnés par rotor ont démontré des vitesses au sol supérieures à celles du vent, à la fois directement dans le vent et directement sous le vent en transférant la puissance via une transmission entre le rotor et les roues. Le record de vitesse entraîné par le vent a été enregistré par un véhicule à voile, Greenbird, dont la vitesse maximale enregistrée était de 202,9 km / heure (126,1 mi / h).

Parmi les autres moyens de transport à moteur éolien figurent les voiliers naviguant sur l’eau, ainsi que les ballons et les planeurs naviguant dans les airs, qui sortent tous du cadre de cet article.

À voile
Les véhicules propulsés par la voile se déplacent au-dessus de la terre ou de la glace lorsque la vitesse du vent apparent est supérieure à la vitesse du vent réel, au près sur la plupart des points de navigation. Les yachts terrestres et les bateaux à glace ont une faible résistance vers l’avant à la vitesse et une résistance latérale élevée aux mouvements latéraux.

Théorie
Les forces aérodynamiques exercées sur les voiles dépendent de la vitesse et de la direction du vent, ainsi que de la vitesse et de la direction de l’embarcation (VB). La direction dans laquelle l’engin se déplace par rapport au vent réel (la direction et la vitesse du vent à la surface – VT) s’appelle la pointe de la voile. La vitesse de l’engin en un point de voile donné contribue au vent apparent (VA) – la vitesse et la direction du vent mesurées sur l’engin en mouvement. Le vent apparent sur la voile crée une force aérodynamique totale, qui peut se résoudre en traînée – la composante de force dans la direction du vent apparent – et la portance – la composante de force normale (90 °) au vent apparent. Selon l’alignement de la voile avec le vent apparent, la propulsion prédominante est la portance ou la traînée. La force aérodynamique totale se résout également en une force motrice avant propulsive – résistante au milieu à travers lequel ou au-dessus duquel passe l’engin (par exemple dans l’eau, l’air, ou sur la glace, le sable) – en une force latérale résistante aux roues ou glaçons du véhicule.

Étant donné que les véhicules actionnés par le vent naviguent généralement selon des angles de vent apparent alignés avec le bord d’attaque de la voile, la voile agit comme une surface portante et la portance est l’élément principal de la propulsion. La faible résistance vers l’avant au mouvement, les vitesses élevées à la surface et la résistance latérale élevée contribuent à créer des vitesses de vent apparent élevées – avec un alignement plus étroit du vent apparent sur la route empruntée pour la plupart des points de navigation – et permettent aux véhicules à vent d’atteindre des vitesses supérieures que les voiliers conventionnels.

Yacht de terre
La voile terrestre est passée d’une nouveauté depuis les années 50 à un sport. Les véhicules utilisés en navigation sont connus comme des yachts de terre ou de sable. Ils ont généralement trois (parfois quatre) roues et fonctionnent un peu comme un voilier, sauf qu’ils sont actionnés en position assise ou couchée et dirigés par des pédales ou des leviers à main. La navigation sur terre convient mieux aux zones venteuses et plates; les courses ont souvent lieu sur les plages, les aérodromes et les fonds de lacs asséchés dans les régions désertiques.

Greenbird, un véhicule propulsé par la voile sponsorisé par Ecotricity, a battu le record du monde de vitesse sur terre pour un véhicule éolien avec une vitesse de pointe record de 202,9 kilomètres à l’heure (126,1 mi / h), battant le record précédent de 116 milles à l’heure (187 km / h), établi par Schumacher des États-Unis, sur Iron Duck en mars 1999.

Bateau de glace
Les bateaux à glace sont généralement soutenus par trois lames de patins appelées “patins” supportant un cadre triangulaire ou en forme de croix avec le patin de direction à l’avant. Les patins sont en fer ou en acier et affûtés au maximum, le plus souvent coupés à un angle de 90 degrés, qui se maintient sur la glace, empêchant ainsi les glissements latéraux dus à la force latérale du vent développée par les voiles. Une fois la force latérale compensée efficacement par le bord du coureur, la force restante de «levage de voile» aspire le bateau en avant avec une puissance significative. Cette puissance augmente à mesure que la vitesse du bateau augmente, ce qui lui permet d’aller beaucoup plus vite que le vent. Les limitations de la vitesse de la banquise sont la dérive, la friction, la cambrure de la voile, la solidité de la construction et la qualité de la surface de la glace. Les bateaux à glace peuvent naviguer aussi près que 7 degrés du vent apparent. Les bateaux à glace peuvent atteindre des vitesses aussi élevées que dix fois la vitesse du vent dans de bonnes conditions. Les bateaux à moteur DN internationaux atteignent souvent des vitesses de 48 nœuds (89 km / h; 55 mi / h) en course, et des vitesses aussi élevées que 59 nœuds (109 km / h; 68 mi / h) ont été enregistrées.

Kite-alimenté
Les véhicules à moteur à cerf-volant comprennent des poussettes dans lesquelles on peut monter et des planches sur lesquelles on peut se tenir debout alors qu’il glisse sur la neige et la glace ou roule sur des roues au-dessus de la terre.

Théorie
Un cerf-volant est une feuille d’air attachée qui crée à la fois une portance et une traînée, dans ce cas, ancrée à un véhicule avec une longe, qui guide la face du cerf-volant pour obtenir le meilleur angle d’attaque. La portance qui soutient le cerf-volant en vol est générée lorsque l’air circule autour de la surface du cerf-volant, produisant une pression basse au-dessus et une pression élevée en dessous des ailes. L’interaction avec le vent génère également une traînée horizontale dans la direction du vent. Le vecteur de force résultant des composants de force de portance et de traînée est opposé à la tension d’une ou plusieurs des lignes ou attaches auxquelles le cerf-volant est attaché, alimentant ainsi le véhicule.

Kite buggy
Une poussette de cerf-volant est un véhicule léger conçu à cet effet et propulsé par un cerf-volant de puissance. Il est monoplace et comporte une roue avant directrice et deux roues arrière fixes. Le conducteur est assis dans le siège situé au milieu du véhicule et accélère et ralentit en appliquant des manœuvres de direction en coordination avec les manœuvres en vol du cerf-volant. Les poussettes de cerf-volant peuvent atteindre 110 kilomètres à l’heure.

Planche de kite
Les planches de cerf-volant de description différente sont utilisées sur la terre ferme ou sur la neige. Le kite landboarding implique l’utilisation d’une planche de montagne ou d’une planche de terre, une planche à roulettes avec de grandes roues pneumatiques et des sangles pour les pieds. Le cerf-volant sur neige est un sport d’hiver en plein air où les gens utilisent le pouvoir du cerf-volant pour glisser sur une planche (ou des skis) sur la neige ou la glace.

À rotor
Les véhicules à rotor sont des véhicules à vent qui utilisent des rotors – au lieu de voiles – qui peuvent être entourés d’un carénage (ventilateur canalisé) ou constituer une hélice non carénée, et qui peuvent ajuster l’orientation pour faire face au vent apparent. Le rotor peut être connecté aux roues par l’intermédiaire d’une chaîne de traction ou à un générateur qui fournit de l’énergie électrique aux moteurs électriques qui entraînent les roues. D’autres concepts utilisent une éolienne à axe vertical avec des profils qui tournent autour d’un axe vertical.

Théorie
Gaunaa et al. décrire la physique des véhicules à rotor. Ils décrivent deux cas, l’un du point de vue de la Terre et l’autre du point de vue du flux d’air, et aboutissent aux mêmes conclusions à partir des deux référentiels. Ils concluent que (mis à part les forces qui résistent au mouvement vers l’avant):

Il n’y a pas de limite théorique supérieure à la vitesse à laquelle un engin entraîné par rotor peut aller directement au vent.
De même, il n’y a pas de limite théorique à la vitesse à laquelle un bateau à rotor peut aller directement sous le vent.

Ces conclusions valent aussi bien pour les bateaux de terre que pour les bateaux.

Requis pour les mouvements de véhicules à vent (ou bateaux):

Deux masses se déplaçant l’une par rapport à l’autre, par exemple l’air (sous forme de vent) et la terre (terre ou eau).
La possibilité de changer la vitesse de la masse avec une hélice ou une roue.

Dans le cas d’un véhicule à rotor, il existe une liaison d’entraînement entre le rotor et les roues. En fonction du cadre de référence (surface de la Terre ou mouvement avec la masse d’air), la description de l’énergie cinétique disponible alimentant le véhicule diffère:

Vu du point de vue de la Terre (par un spectateur, par exemple), le rotor (agissant comme une éolienne) ralentit l’air et entraîne les roues contre la Terre, qu’il accélère imperceptiblement.
Vu du point de vue du flux d’air (par exemple par un aérosteur), les roues gênent le véhicule – ralentissant la terre de manière imperceptible – et entraînent le rotor (agissant comme une hélice), ce qui accélère l’air et propulse le véhicule.

La liaison entre les roues et le rotor entraîne une rotation plus rapide du rotor lorsque la vitesse du véhicule augmente, permettant ainsi aux pales du rotor de continuer à se soulever vers le vent (vu du sol) ou à propulser le véhicule (vu de l’avant). flux d’air).

En 2009, Mark Drela – professeur d’aéronautique et d’astronautique au MIT – a publié les premières équations, démontrant la faisabilité de “Dead-Down Wind Wind Faster Than The Wind” (DDWFTTW). D’autres auteurs sont arrivés à la même conclusion.

Véhicules à parcours fixe
Plusieurs compétitions ont été organisées pour les véhicules à rotor. Parmi ceux-ci, le Racing Aeolus, organisé chaque année aux Pays-Bas. Les universités participantes créent des entrées pour déterminer le véhicule éolien le meilleur et le plus rapide. Les règles sont que les véhicules roulent sur des roues, avec un conducteur, propulsé par un rotor, couplé aux roues. Le stockage temporaire d’énergie est autorisé s’il est vide au début de la course. Charger le périphérique de stockage est compté comme temps de course. La course a lieu vers le vent. Les véhicules sont jugés en fonction de leur course la plus rapide, de l’innovation et des résultats d’une série de courses de dragsters. En 2008, les candidats étaient originaires des universités suivantes: Université de Stuttgart, Université des sciences appliquées de Flensburg, Centre de recherche sur l’énergie des Pays-Bas, Université technique du Danemark, Université des sciences appliquées de Kiel et Université Christian Albrechts de Kiel. “Ventomobile” et Spirit of Amsterdam (1 et 2) ont été les deux pays les plus performants.

Ventomobile
Le Ventomobile était un trois-roues léger et éolien conçu par des étudiants de l’Université de Stuttgart. Il comportait un support de rotor en fibre de carbone orienté dans le vent et des pales de rotor à inclinaison variable qui s’adaptaient à la vitesse du vent. La transmission de la puissance entre le rotor et les roues motrices se faisait via deux boîtes de vitesses pour vélos et une chaîne pour vélos. Il a remporté le premier prix au Racing Aeolus qui s’est tenu à Den Helder, aux Pays-Bas, en août 2008.

Esprit d’Amsterdam
Les véhicules terrestres à énergie éolienne Spirit of Amsterdam et Spirit of Amsterdam 2 ont été construits par la Hogeschool van Amsterdam (université des sciences appliquées d’Amsterdam). En 2009 et 2010, l’équipe d’Esprit d’Amsterdam a remporté le premier prix au Racing Aeolus qui s’est tenu au Danemark. Le Spirit of Amsterdam 2 était le deuxième véhicule construit par la camionnette Hogeschool d’Amsterdam. Il utilisait une éolienne pour capturer la vitesse du vent et utilisait une puissance mécanique pour propulser le véhicule contre le vent. Ce véhicule était capable de rouler à 6,6 mètres par seconde (15 mph) avec un vent de 10 mètres par seconde (22 mph). Un ordinateur de bord a automatiquement changé de vitesse pour obtenir des performances optimales.

Véhicules en ligne droite
Certains véhicules éoliens sont construits uniquement pour démontrer un principe limité, par exemple la capacité de monter au vent ou au vent plus rapidement que la vitesse du vent dominante.

En 1969, Mark Bauer – un ingénieur en soufflerie pour la Douglas Aircraft Company – a construit et démontré qu’un véhicule pouvait aller directement sous le vent plus rapidement que la vitesse du vent, qui a été enregistrée dans une vidéo. Il a publié le concept la même année.

En 2010, Rick Cavallaro – ingénieur en aérospatiale et informaticien – a construit et testé un véhicule à turbine à vent, Blackbird, en coopération avec le département de l’aviation de l’Université de San Jose State, dans le cadre d’un projet parrainé par Google, afin de démontrer la faisabilité d’aller directement sous le vent plus vite que le vent. Il a atteint deux jalons validés, allant directement au vent et au vent plus rapidement que la vitesse du vent dominant.

Sous le vent – En 2010, Blackbird a établi le premier record du monde certifié en matière d’assistance directe au vent plus rapide que le vent, en utilisant uniquement l’énergie éolienne. Le véhicule a atteint une vitesse sous le vent d’environ 2,8 fois la vitesse du vent. En 2011, un Blackbird profilé avait presque trois fois la vitesse du vent.
Au près – En 2012, Blackbird a établi le premier record du monde certifié en matière de navigation directe au vent plus rapide que le vent, en utilisant uniquement de l’énergie éolienne. Le véhicule a atteint une vitesse au vent morte d’environ 2,1 fois la vitesse du vent.