風力自動車
ベルギーのクラス3競技用陸上ヨット

風力車両は、帆、凧、またはローターから動力を得て、車輪（風力ローターに連結されている場合もある）またはランナーで走行します。帆、凧、ローターのいずれの動力源であっても、これらの車両には共通の特徴があります。車両の速度が上昇するにつれて、前進する翼は次第に小さな迎え角で見かけの風に遭遇します。同時に、これらの車両は従来の帆船と比較して、前方抵抗が比較的小さいです。その結果、これらの車両はしばしば風速を超える速度で走行することができます。

ローター駆動の例では、ローターと車輪の間の駆動系を介して動力を伝達することで、風上と風下の両方で、風速を超える対地速度を達成しています。風力による速度記録は、帆を張った車両「グリーンバード」によるもので、最高速度は時速202.9キロメートル（126.1マイル）です。

その他の風力輸送手段には、水上を航行する帆船、空中を航行する 気球やグライダーなどがありますが、これらはすべてこの記事の範囲外です。

帆船動力

帆走式車両は、陸上または氷上を、真風速よりも高い見かけの風速で航行し、ほとんどの帆走地点で風を寄せて航行します。陸上ヨットと氷上ボートはどちらも、速度に対する前方抵抗は低く、横方向への動きに対する横方向抵抗は高くなります。

理論

氷上船の見かけの風。氷上船が風から遠ざかるにつれて、見かけの風はわずかに増加し、船速はブロードリーチのCで最高となる。[ 1 ]

帆にかかる空気力は、風速と風向、および船の速度と方向 ( V B ) によって決まります。実際の風(地表上の風向と風速 - V T )に対する船の進行方向は、帆走点と呼ばれます。特定の帆走点での船の速度は、見かけの風( V A )、つまり移動中の船で測定される風速と風向に影響します。帆にかかる見かけの風は、総空気力を作り出します。この力は、見かけの風の方向の力成分である抗力と、見かけの風に対して垂直(90°)の力成分である揚力に分解できます。帆と見かけの風の向きに応じて、揚力または抗力が主な推進力成分になる場合があります。総空気力は、船が通過する媒体 (水、空気、氷、砂など) によって抵抗される前方への推進力と、船の車輪または氷滑走面によって抵抗される横方向の力にも分解されます。[ 2 ]

風力車両は通常、見かけの風の角度が帆の前縁と一致するように航行するため、帆は翼のように機能し、揚力が推進力の主な要素となります。[ 3 ]前方への抵抗が低く、表面上での速度が高く、横方向の抵抗が大きいため、見かけの風速が高くなり、ほとんどの帆走地点で見かけの風が航路に近くなり、風力車両は従来の帆船よりも高い速度を達成できます。[ 4 ] [ 5 ]

ランドヨット

ランドセーリングは1950年代以降、目新しいものからスポーツへと進化しました。セーリングに使用される乗り物は、ランドヨットまたはサンドヨットと呼ばれます。通常、3輪（場合によっては4輪）で、座った状態または横になった状態でペダルまたはハンドレバーで操縦します。ランドセーリングは風の強い平坦な場所に最適で、レースはビーチ、飛行場、砂漠地帯の乾燥した湖底で行われることがよくあります。[ 6 ]

陸上では、帆船動力車両に関する次のような記録が樹立されています。

  • 1999年：アイアンダック時速187キロメートル（116マイル）[ 7 ]
  • 2009年：グリーンバード時速202.9キロメートル（126.1マイル）[ 8 ]
  • 2022年:ホロヌクは時速222.4キロメートル (138.2マイル) [ 9 ]
  • 2023年:ホロヌク、時速225.6キロメートル (140.2マイル) [ 10 ]

氷上ボート

国際DNアイスボート

氷上ボートの設計は、一般的に「ランナー」と呼ばれる3枚のスケートブレードで支えられており、このブレードは三角形または十字形のフレームを支え、その前に操舵用のランナーが位置しています。ランナーは鉄または鋼で作られ、鋭利な刃先が付けられており、ほとんどの場合90度の角度にカットされています。ランナーは氷にしっかりと固定され、帆によって発生する風の横方向の力による横滑りを防ぎます。横方向の力がランナーの刃によって効果的に打ち消されると、残りの「帆揚力」がボートを大きな力で前方に押し出します。この力はボートの速度が上がるにつれて増大し、風よりもはるかに速く進むことができます。氷上ボートの速度を制限する要因は、風圧、摩擦、帆の形状のキャンバー、構造強度、そして氷面の質です。氷上ボートは見かけの風から7度まで接近して航行できます。[ 4 ]氷上ボートは、良好な気象条件下では風速の10倍もの速度に達することができます。国際DN氷上艇はレース中に48ノット（時速89km、時速55マイル）の速度を達成することが多く、最高59ノット（時速109km、時速68マイル）の速度が記録されたこともあります。[ 11 ]

凧揚げ

スノーカイトは雪や氷の上を移動します。

凧で動く乗り物には、人が乗って雪や氷の上を滑ったり、車輪で地面を転がったりできるバギーや立って乗れるボードなどがあります。

理論

凧は、揚力と抗力の両方を生み出す係留翼で、この場合は係留索で車両に固定され、凧の面を最適な迎え角に誘導します。[ 12 ]凧を飛行させる揚力は、凧の表面の周囲を空気が流れることで発生し、翼の上部に低圧、下部に高圧が生じます。[ 13 ]風との相互作用により、風向に沿って水平抗力も発生します。揚力と抗力の成分から生じる合力ベクトルは、凧が取り付けられている1つまたは複数のロープまたは係留索の張力によって抑制され、車両に動力を与えます。[ 14 ]

カイトバギー

カイトバギーは、パワーカイト（凧）で駆動する軽量の専用車両です。一人乗りで、操舵可能な前輪1つと固定された後輪2つを備えています。運転者は車体中央の座席に座り、カイトの飛行動作に合わせてステアリング操作を行うことで加減速を行います。カイトバギーは時速110キロメートル（68マイル）まで加速できます。

カイトボード

カイトボードには様々な種類があり、陸上または雪上で使用されます。カイトランドボーディングでは、マウンテンボードまたはランドボード（大型の空気圧式ホイールとフットストラップを備えたスケートボード）を使用します。スノーカイトは、カイトの力を利用してボード（またはスキー）で雪や氷の上を滑走する屋外ウィンタースポーツです。

ローター駆動

2008年のAeolus Raceでレースをするローター駆動のInVentus Ventomobile
小型風力タービンの発電量

ローター駆動車両は、帆の代わりにローターを使用する風力駆動車両であり、ローターは周囲にシュラウド（ダクトファン）が付いている場合もあれば、ダクトなしのプロペラで構成されている場合もあり、見かけの風に向きを調整して向きを変えることができる。ローターは駆動系を介して車輪に接続されるか、車輪を駆動する電動モーターに電力を供給する発電機に接続される。他のコンセプトでは、垂直軸を中心に回転する翼を持つ垂直軸風力タービンが使用される。 [ 15 ] 1904年のバージョンでは、大量生産された風車のローターを再利用し、そのギアを駆動輪に接続した。[ 16 ]

理論

車輪に機械的に接続されたブレード付きローターを備えた車両は、風上においても風下においても、風速よりも速い速度で走行するように設計することができます。風上では、ローターは風力タービンのように車輪を駆動し、風下ではプロペラのように車輪によって駆動されます。どちらの場合も、動力は車両のローターまたは車輪が受ける空気塊と地面の速度差から得られます。[ 17 ]

車両に対して、空気と地面はどちらも後方に流れている。しかし、風上に向かって移動する場合、空気は地面よりも速く車両に向かってくるのに対し、風下に向かって移動する場合、空気は地面よりも遅く車両に向かってくる。車両は、それぞれの場合において、2つの媒体のうち速い方から動力を引き出し、遅い方に動力を伝える。風上に向かって移動する場合、風から動力を引き出し、それを車輪に伝える。風下に向かって移動する場合、車輪から動力を引き出し、それをローターに伝える。いずれの場合も、媒体の速度に比例して、車両に対する相対的な速度が決定される。[ 17 ]

要約すると：[ 17 ]

  • 風上では、ローターが風力タービンと同様に、向かってくる空気からエネルギーを集めて車輪を駆動します。
  • 風下において、車両が風速よりも速く移動しているとき、地面は車両に対して最も速く移動する媒体であるため、車輪が動力を集めてローターに伝え、車両を推進します。[ 18 ]

与えられた風速が車両をどちらの方向にもどれだけ速く推進できるかは、タービンブレードの効率、駆動トレインの損失、そしてタービン自体の抗力以外の車両の空気抵抗によってのみ制限される。 [ 17 ]

同じ原理は、風力タービンを使用して水中のスクリュープロペラを風上に駆動する船舶にも適用されます。 [ 19 ]また、水力タービンを使用して気流中のプロペラを風下に駆動する船舶にも適用されます。[ 20 ]

固定コース車両

競技用ローター駆動車両：VentomobileとWinD TUrbineがドラッグレースに出場

ローターで動く自動車の競技会は数多く開催されている。中でも注目に値するのが、オランダで毎年開催されるイベント「レーシング・アイオロス」だ。参加大学が車両を製作し、最速・最優秀の風力自動車を決定する。[ 21 ]ルールは、自動車は車輪の上を走行し、運転手１人が車輪に連結されたローターで推進される。レース開始時にエネルギーが空であれば、一時的なエネルギー貯蔵が認められる。貯蔵装置の充電もレース時間としてカウントされる。レースは風に向かって行われる。自動車は最速走行、革新性、一連のドラッグレースの結果によって審査される。[ 22 ] 2008年の参加者は、シュトゥットガルト大学、フレンスブルク専門大学、オランダエネルギー研究センター、デンマーク工科大学、キール専門大学、キール・クリスチャン・アルブレヒト大学であった。[ 23 ]最も優れた2台は「ヴェントモービル」とスピリット・オブ・アムステルダム（1位と2位）でした。

ヴェントモービル

ヴェントモービルは、シュトゥットガルト大学の学生が設計した風力駆動の軽量三輪車です。風に向くカーボンファイバー製のローター支持部と、風速に応じてピッチが可変するローターブレードを備えています。ローターと駆動輪間の動力伝達は、2つの自転車用ギアボックスと自転車用チェーンを介して行われます。 [ 24 ] 2008年8月にオランダのデン・ヘルダーで開催されたレーシング・アイオロスで優勝しました。[ 23 ]

アムステルダムの精神

風力陸上車両「スピリット・オブ・アムステルダム」と「スピリット・オブ・アムステルダム2」は、アムステルダム応用科学大学（アムステルダム大学）によって製造された。2009年と2010年に、スピリット・オブ・アムステルダムチームはデンマークで開催されたレーシング・アイオロスで優勝した。[ 25 ]スピリット・オブ・アムステルダム2は、アムステルダム応用科学大学によって製造された2台目の車両である。この車両は風力タービンを使用して風速を捉え、機械力で風に逆らって車両を推進した。この車両は、秒速10メートル（22マイル）の風で秒速6.6メートル（15マイル）で走行することができた。搭載コンピューターが自動的にギアをシフトし、最適なパフォーマンスを実現した。[ 26 ]

直線車両

風力自動車「ブラックバード」は、風下において風よりも速く走れるように設計された。

一部の風力車両は、例えば、卓越風速よりも速く風上または風下に進む能力など、限定された原理を実証するためだけに製造されています。

1904年、サウスダコタ州ウェブスターのジョージ・フィリップスは、風に逆らって走行できるプロペラ駆動の乗り物を実証した。[ 27 ]

1969年、ダグラス・エアクラフト社の風洞技術者アンドリュー・バウアーは、風速よりも速く風下に向かって進むことができるプロペラ駆動の乗り物を製作し、実演しました。その様子はビデオに記録されました。[ 28 ]彼は同年、このコンセプトを発表しました。[ 29 ]

2006年、ジャック・グッドマンは同様の自家製設計のビデオを公開し、それを「風よりも速く風下に直接飛ぶ」（DDFTTW）と表現した。[ 30 ] 2008年、航空宇宙エンジニアでコンピュータテクノロジストのリック・カヴァラロは、その設計に基づいてトレッドミルに収まるおもちゃのモデルを作り、そのビデオをMythbustersビデオチャレンジに提出した。[ 31 ]

2010年、カヴァラロは、サンノゼ州立大学航空学部と協力し、 Googleがスポンサーとなったプロジェクトで、風力駆動車両「ブラックバード」を製作・操縦し、[ 32 ]風よりも速く風下に向かう可能性を実証した。[ 33 ]彼は、卓越風の速度よりも速く 風下と風上に向かうという、2つの検証済みのマイルストーンを達成した。

  • 風下— 2010年、ブラックバードは風力のみを使用して、風よりも速く風下に向かう世界初の認定記録を樹立しました。[ 28 ]この車両は風速の約2.8倍の速度を達成しました。[ 34 ] [ 35 ] [ 36 ] 2011年には、流線型のブラックバードが風速の3倍近くに達しました。[ 33 ]
  • 風上— 2012年、ブラックバードは風力のみを使用して、風速よりも速く風上に向かう世界初の認定記録を樹立しました。この車両は、風速の約2.1倍の速度を達成しました。[ 34 ]

ブラックバードはそれ以来、研究論文[ 37 ]や2013年の国際物理オリンピック[ 38 ]で何度も分析されており、 2021年には3Dプリントの説明書付きのおもちゃのモデルが再現されました。[ 39 ]

参照

参考文献

  1. ^キンボール、ジョン (2009). 『セーリングの物理学』CRCプレス. p. 296. ISBN 978-1466502666。
  2. ^ Clancy, LJ (1975).空気力学. ロンドン: Pitman Publishing Limited. p. 638. ISBN 0-273-01120-0。
  3. ^ジョブソン、ゲイリー（1990年）『チャンピオンシップ・タクティクス：誰でもより速く、より賢く、そしてレースに勝つ方法』ニューヨーク：セント・マーチンズ・プレス、  323頁、ISBN 0-312-04278-7。
  4. ^ a bベスウェイト、フランク（2007年）。『ハイパフォーマンスセーリング』。アドラード・コールズ・ノーティカル。ISBN 978-0-7136-6704-2。
  5. ^ギャレット、ロス (1996). 『セーリングの対称性：ヨットマンのためのセーリングの物理学』シェリダンハウス社 p. 268. ISBN 9781574090000。
  6. ^ 「サンドヨット選手権開幕」 BBCニュース、英国。2007年9月16日。 2017年1月28日閲覧。8カ国から100人以上のパイロットが、最高時速60マイル（約97キロ）のスピードで砂浜を駆け抜けるレースに出場する。
  7. ^ 「記録破りの風力発電車が未来を垣間見せる」 EngioneerLive.com 2013年2月21日 2017年1月28日閲覧。
  8. ^ 「風力発電車が記録を破る」 BBCニュース、英国。2009年3月27日。 2017年1月28日閲覧。
  9. ^ Verdon, Michael (2022年12月12日). 「このアメリカズカップチームがランドヨットで世界速度記録を樹立」 . Robb Report . 2023年4月3日閲覧。
  10. ^ Johnstone, Duncan (2023年4月13日). 「Team NZ break world land speed record again」 . Stuff . stuff.co.nz . 2023年4月23日閲覧。
  11. ^ディル、ボブ（2003年3月）「最高速度を実現するセーリングヨットの設計」（PDF）第16回チェサピーク・セーリングヨットシンポジウム。アナポリス：SNAME。
  12. ^エデン・マクスウェル (2002). 『凧の素晴らしい本：デザイン、構築、楽しみ、そして飛行の探求』 ニューヨーク: スターリング・パブリッシング・カンパニー, Inc. p. 18. ISBN 9781402700941。
  13. ^ 「航空学初心者ガイド」 NASA . 2012年10月3日閲覧。
  14. ^ウォグロム、ギルバート・トッテン (1896).パラカイト：科学目的およびレクリエーションのための尾なし凧の製作と飛行に関する論文. パトナム. OCLC 2273288. OL 6980132M .  
  15. ^カセム・ユセフ、チャムール・フセイン（2015年3月）。「3枚の大型Cセクションブレードを搭載した風力タービン駆動車」（PDF）。国際航空・製造工学会議。ドバイ。
  16. ^ポピュラーメカニクス第6巻ハーストマガジン1904年10月1009ページ。
  17. ^ a b c d Gaunaa, Mac; Øye, Stig; Mikkelsen, Robert (2009).エネルギー変換にローターを用いた流体駆動車両の理論と設計(PDF) . EWEC 2009. マルセイユ.
  18. ^ 「科学系YouTuber、物理学者との風力発電カー争奪戦で1万ドルを勝ち取る」 News18 、 2021年7月2日。 2021年7月2日閲覧。
  19. ^ Blackford, BL (1978年10月). 「引っ張って押すボートの物理学」(PDF) . American Journal of Physics . 46 (10).
  20. ^ Drela, Mark. 「Dead-Downwind Faster Than The Wind (DFTTW) Analysis」（PDF） . 2010年11月16日時点のオリジナル（PDF）からアーカイブ。 2010年6月15日閲覧。
  21. ^ 「風力発電車が風上に向かって走行」 CANニュースレターオンライン. CAN in Automation (CiA). 2016年12月. 2017年1月28日閲覧。
  22. ^ Mües, Suell (2014年10月). 「Aeolus 2015 レースルール」(PDF) . www.windenergyevents.com . Wind Energy Events . 2017年1月29日閲覧.
  23. ^ a bハンロン、マイク（2008年9月7日）「風力発電車両にとって注目すべき初のレース」 newatlas.com . New Atlas . 2016年1月27日閲覧。
  24. ^シュトゥットガルト大学 (2008年8月28日). 「風力発電の『ヴェントモービル』がレースで優勝」 . ScienceDaily.com . 2008年8月30日閲覧。
  25. ^ Gaunaa, Mac; Mikkelsen, Robert; Skrzypinski, Witold. 「Wind Turbine Race Report 2010」（PDF） .オリジナル（PDF）から2022年4月3日時点のアーカイブ。 2011年6月8日閲覧。
  26. ^ Faculty (2017). 「テクニカルコンピューティング」アムステルダム応用科学大学 アムステルダム大学. 2017年1月28日閲覧。スピリット・オブ・アムステルダム2号は、アムステルダム大学が製造した2番目の車両です。風力タービン（元々は「ドンチー・アーバン・ウィンドミル」が設計）を使用して風速を捉え、機械力で風に逆らって車両を推進します。
  27. ^ポピュラーメカニクス 1904年 第6巻 第10号 1009ページ
  28. ^ a b Cavallaro, Rick (2010年8月27日). 「風より速く風下に向かう、長く奇妙な旅」 . Wired . 2010年9月14日閲覧。
  29. ^バウアー、アンドリュー (1969). 「風よりも速く」(PDF) . カリフォルニア州マリナ・デル・レイ：第1回AIAAセーリングシンポジウム.カートに乗ったバウアーの写真 2016年3月15日アーカイブウェイバックマシン
  30. ^ DDFTTW . 2021年7月8日閲覧– YouTube経由。
  31. ^ Downwind Faster than the Wind (DWFTTW) Myth Challenge . 2021年12月21日時点のオリジナルよりアーカイブ。2021年7月8日閲覧– YouTubeより。
  32. ^バリー・キース（2013年6月3日）「販売中：記録破りのダウンウィンドカート。走行距離は短く、プロペラは新型」WIRED . 2018年3月22日閲覧。
  33. ^ a bアダム・フィッシャー (2011年2月28日). 「風力に打ち勝つための一人の男の探求」 . Wired.
  34. ^ a b「Direct Downwind Record Attempts」 NALSA、2010年8月2日。 2010年8月6日閲覧。
  35. ^ Cort, Adam (2010年4月5日). 「Running Faster than the Wind」 . sailmagazine.com. 2013年6月10日時点のオリジナルよりアーカイブ。2010年4月6日閲覧。
  36. ^バリー・キース（2010年6月2日）「風力発電車、風よりも速く風下を走行」 wired.com 2010年7月1日閲覧。
  37. ^ 「ダウンウィンドプロペラ機の解析」（PDF） . International Journal of Scientific and Research Publications、第3巻、第4号. 2013年4月1日.
  38. ^ 「2013年米国物理オリンピック解答」(PDF) .
  39. ^物理学教授が私に1万ドル賭けた。私が間違っている。2021年12月21日時点のオリジナルよりアーカイブ。2021年7月8日閲覧- YouTubeより。
「 https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=風力発電車両&oldid= 1326332624」より取得