风力驱动车辆

风力驱动车辆(Wind-powered vehicle)从风帆,风筝或转子获得动力并乘坐轮子 – 这可能与风力转子或转轮连接。 无论是由帆,风筝还是转子提供动力,这些车辆都具有共同特征:随着车辆速度的增加,前进翼型遇到越来越小的迎角的明显风。 同时,与传统帆船相比,这种车辆的前向阻力相对较小。 结果,这种车辆的速度通常超过风速。

转子动力示例已证明地面速度超过风速,直接通过风转动,直接通过转子和车轮之间的传动系传递动力。 风力速度记录是由一辆带有风帆的车辆Greenbird记录的,最高时速为202.9公里(126.1英里/小时)。

其他风力交通工具包括在水上行驶的帆船,以及在空中行进的气球和滑翔机,所有这些都超出了本文的范围。

帆动力
风力驱动的车辆在陆地或冰上行驶的风速明显高于真实的风速,在大多数航行点上都是近距离运输。 陆地游艇和冰船都具有低的前向阻力和侧向运动的高侧向阻力。

理论
风帆上的气动力取决于风速和风向以及飞行器的速度和方向(VB)。 飞行器相对于真风(风向和表面上的速度 – VT)的行进方向称为航行点。 在给定的航行点处飞行器的速度有助于表观风(VA) – 在移动的飞行器上测量的风速和风向。 帆上的明显风产生了总的空气动力,可以将其分解为阻力 – 在视在风和升力方向上的力分量 – 力分量法向(90°)到视在风。 取决于帆与明显风的对齐,升力或阻力可能是主要的推进部件。 总的空气动力也可以分解成一种向前的,推进的驱动力 – 由飞行器通过的介质(例如通过水,空气,或冰,沙)通过 – 以及侧向力,由车轮抵抗或车辆的冰上跑步者。

因为风力驱动的车辆通常以与帆的前缘对齐的明显的迎风角航行,所以帆充当翼型并且升力是推进的主要组成部分。 对运动的低前向阻力,在地面上的高速度以及高的横向阻力有助于产生高的视在风速 – 使风能与大多数航行点的行驶路线更紧密地对齐 – 并允许风力车辆实现更高的速度比传统的帆船工艺。

陆地游艇
自20世纪50年代以来,陆地航行已从一种新颖的东西发展成为一项运动。 在帆船中使用的车辆被称为陆地或沙滩游艇。 它们通常具有三个(有时四个)轮子,其功能与帆船非常相似,不同之处在于它们通过坐姿或卧姿操作并由踏板或手柄操纵。 陆地航行最适合有风的平坦区域; 比赛经常在沙漠地区的海滩,机场和干涸的湖床上进行。

Greenbird是一款由Ecotricity赞助的风力飞行器,于2009年打破了风速车辆的陆地速度世界纪录,最高记录速度为每小时202.9公里(126.1英里/小时),超过之前的每小时116英里的记录(187公里/小时),由美国舒马赫设定,于1999年3月乘坐铁鸭。

冰船
冰箱设计通常由三个称为“跑步者”的滑冰刀片支撑,所述滑冰刀片支撑三角形或十字形框架,前方具有转向滑道。 流道由铁或钢制成,并且磨成细边缘,最常切割成90度的倾斜边缘,其保持在冰上,防止侧面滑动由风帆产生的风的侧向力。 一旦横向力被跑步者边缘有效地抵消,剩余的“升力”力就会以很大的力量向船前方吸尘。 随着船速的增加,这种力量会增加,从而使船比风速更快。 对冰船速度的限制是风阻,摩擦,帆形状的弯度,结构的强度和冰面的质量。 冰船可以在明显的风中靠近7度航行。 在良好的条件下,冰船可以达到风速的十倍。 国际DN冰艇在比赛时通常达到48节(89公里/小时; 55英里/小时)的速度,并且记录的速度高达59节(109公里/小时; 68英里/小时)。

风筝供电
风筝动力车辆包括可以骑行的手推车和人们可以站立的板子,因为它在雪地和冰上滑行或在陆地上的轮子上滚动。

理论
风筝是一种系留的空气箔,可以产生升力和阻力,在这种情况下,锚定在带有系绳的车辆上,该系绳引导风筝的表面以获得最佳的迎角。 当空气在风筝表面流动时产生维持风筝飞行的升力,在机翼下方产生低压和高压。 与风的相互作用也沿着风的方向产生水平阻力。 来自升力和曳力分量的合力矢量与风筝所附着的一条或多条线或系绳的张力相对,从而为车辆提供动力。

风筝车
风筝车是一种由电动风筝提供动力的轻型专用车。 它是单座的,有一个可转向的前轮和两个固定的后轮。 驾驶员坐在位于车辆中间的座椅中,通过与风筝的飞行操纵协调应用转向操纵来加速和减速。 风筝手推车可以达到每小时110公里(68英里每小时)。

风筝板
不同描述的风筝板用于旱地或雪地。 风筝登陆涉及使用山板或陆地板 – 带有大型气动轮和脚带的滑板。 雪地风筝是一种户外冬季运动,人们使用风筝动力在雪或冰上滑板(或滑雪板)。

转子供电
转子动力车辆是使用转子而不是风帆的风力车辆,其可以在它们周围设置护罩(管道风扇)或构成无引导螺旋桨,并且可以调整方向以面对明显的风。 转子可以通过传动系连接到车轮或发电机,发电机为驱动车轮的电动机提供电力。 其他概念使用垂直轴风力涡轮机,其具有围绕垂直轴旋转的翼型。

理论
Gaunaa,et al。 描述转子动力车辆的物理特性。 他们描述了两种情况,一种来自地球的有利位置,另一种来自气流的有利位置,并从两个参考框架得出相同的结论。 他们的结论是(除了抵抗前方运动的力量):

转子驱动的飞行器直接逆风的速度没有理论上限。
同样,转子驱动的飞行器直接顺风的速度也没有理论上限。

这些结论同时适用于陆地和水上工艺。

风力车辆(或水上运输)运动所需的运动是:

两个质量相对于彼此移动,例如空气(如风)和地球(陆地或水)。
能够用螺旋桨或车轮改变质量的速度。

在转子驱动的车辆的情况下,在转子和车轮之间存在驱动连杆。 根据一个人的参考框架 – 地球表面或随着空气质量移动 – 描述车辆可用的动能如何为车辆提供动力:

从地球的有利位置(例如通过旁观者)可以看出,转子(像风力涡轮机一样)使空气减速并驱动车轮抵靠地面,它不知不觉地加速。
从气流的有利位置(例如通过气球驾驶员)可以看出,车轮阻碍车辆 – 不知不觉地使地球减速 – 并驱动转子(起到螺旋桨的作用),这加速了空气并推动了车辆。

车轮和转子之间的连接使得转子随着车速的增加而更快地旋转,从而允许转子叶片继续从风中获得向前提升(从地面看)或推进车辆(从气流)。

2009年,麻省理工学院航空航天学教授马克·德雷拉(Mark Drela)制作了第一个方程式,展示了“比风更快的风 – 风(DDWFTTW)”的可行性。 其他作者得出了同样的结论。

固定课程车辆
已经为转子动力车辆举行了几场比赛。 其中值得注意的是赛车风神,每年在荷兰举办一次。 参与的大学建立条目,以确定最好和最快的风力车辆。 规则是车辆乘坐车轮,一个驱动器由转子推动,与车轮连接。 如果在比赛开始时为空,则允许临时存储能量。 对存储设备充电被计为竞赛时间。 赛车发生在风中。 车辆以其最快的速度,创新和一系列阻力赛的结果来评判。 2008年,参赛者来自:斯图加特大学,弗伦斯堡应用科学大学,荷兰能源研究中心,丹麦技术大学,基尔应用科学大学和基尔基督教Albrechts大学。 两位表现最好的人是“Ventomobile”和阿姆斯特丹精神(1和2)。

Ventomobile
Ventomobile是由斯图加特大学学生设计的风力轻型三轮车。 它有一个碳纤维转子支架,直接进入风中,可变桨距转子叶片可根据风速进行调节。 转子和驱动轮之间的动力传递是通过两个自行车变速箱和一个自行车链条。 它赢得了2008年8月在荷兰Den Helder举行的Racing Aeolus的一等奖。

阿姆斯特丹精神
风力陆地车辆阿姆斯特丹精神和阿姆斯特丹精神2由Hogeschool van Amsterdam(阿姆斯特丹应用科学大学)建造。 在2009年和2010年,阿姆斯特丹精神团队在丹麦举行的Racing Aeolus获得一等奖。 阿姆斯特丹精神2号是阿姆斯特丹Hogeschool货车建造的第二辆汽车。 它使用风力涡轮机来捕获风速并使用机械动力来推动车辆抵抗风。 这种车能够以每秒10米(22英里/小时)的风速以每秒6.6米(15英里/小时)的速度行驶。 车载计算机自动换档以获得最佳性能。

直线车辆
一些风力发电车辆仅仅是为了展示有限的原理而构建的,例如,能够比盛行的风速更快地逆风或顺风。

1969年,道格拉斯飞机公司(Douglas Aircraft Company)的风洞工程师马克鲍尔(Mark Ba​​uer)建造并展示了一种比风速更快地顺风进入的车辆,该风速记录在视频中。 他在同一年发表了这个概念。

2010年,Rick Cavallaro–一位航空航天工程师和计算机技术专家 – 在由Google赞助的项目中与圣何塞州立大学航空部门合作,建造并测试了风力转子动力车Blackbird,以证明直接前进的可行性顺风比风速快。 他实现了两个经过验证的里程碑,直接顺风和逆风都比盛行风的速度更快。

顺风 – 在2010年,Blackbird创造了世界上第一个仅使用风力发电的直接顺风比风速更高的认证记录。 该车辆的顺风速度约为风速的2.8倍。 2011年,流线型黑鸟的速度接近风速的3倍。
逆风 – 在2012年,Blackbird创造了世界上第一个仅使用风力发电直接逆风而不是风的认证记录。 该车辆的逆风速度约为风速的2.1倍。