29 июня - День изобретателя и рационализатора.

День изобретателя и рационализатора был введен по предложению Академии наук СССР в конце 1950-х годов. Ежегодно праздник отмечается в России в последнюю субботу июня.

Как правило, любое изобретение или рационализаторское предложение проходит три этапа восприятия и оценки.

1. С точки зрения юмора.

2. С точки зрения теории и тестирования идеи.

3. С точки зрения практического использования.

Технологию "ветряк + автомобиль" можно рассмотреть с этих трех точек зрения, чтоб увидеть эту идею с разных сторон.

С точки зрения юмора… если исходить из глубокой древности применения ветра для движения транспортных средств подобную машину сделали в 1335 году! Средневековый французский изобретатель, врач и инженер  Гвидо да Виджевано предложил королю  Филиппу VI ряд военных машин для планируемого крестового похода.

Одна из них была — боевая ветряная мельница, которая в теории, получая привод от ветра могла ехать на врагов сминая их.

Об этом прямо сказано в переводе:

 «На пути к созданию второго фургона, который приводится в движение ветром без тягловых животных, и который яростно мчится по открытой местности, приводя в смятение все войска».

  Цитата из «Texaurus regis Francie» Гвидо фон Виджевано (1331 г.)

Так как король Филипп, так и не смог пойти в поход, эта машина так и осталась только на бумаге. Но в наше время историк Ульрих Алерц создав цифровую копию ветряной машины Гвидо смог доказать что она при небольших доработках в конструкции в виде лучшего передаточного числа колес и установкой рулевого механизма действительно могла бы двигаться по ровной и гладкой местности – при сильном ветре (дующем разумеется попутно направлению движения).

Поэтому, когда мы перечитываем Дон Кихота, и эпизод борьбы с ветряными мельницами главного героя… это вполне могло бы стать правдой в то время, если бы король пошел в поход, а ветряная мельница внезапно при атаке поехала бы обратно, повинуясь смене направления ветра.

 Еще более юмористический факт в том, что эта механическая самодвижущаяся повозка формально может восприниматься первым предком автомобилей, если не считать таковым пружинную машину для перевозки декорации Леонардо да Винчи в 1478 году.

Но от юмора далее следует перейти к теории и практике. И тут все также внешне юмористично, но при воплощении в конструкции для испытаний становится не так смешно.

Часто ли вы видели глупый вопрос может ли машина с приводом от ветра ехать быстрее этого самого ветра?

 С точки зрения теории и тестирования идеи эта история уже давно протестирована и доказана.

Нам лишь остается уточнить некоторые интересные детали.

Трехколесный автомобиль Blackbird построенный ради спора Дереком Мюллером с Youtube-канала Veritasium создан, по его словам, и как вызов на будущее. Чтобы и другие группы инженеров обратили внимание на возможность превышать скорость ветра за счет самого потока ветра при использовании современных технологий, и в дальнейшем пожелали приумножить существующий нынче коэффициент 2.8. (При попутном ветре в 21,73 км/ч разогнался до 61,93 км/ч, в 2,85 раза быстрее воздушного потока).

А если учитывать тот факт, что привод машины Blackbird исключительно механический. Шансы превысить коэффициент безусловно есть.

Тем более что Blackbird был далеко не первым… а первым был ветромобиль Эол на котором датская гоночная команда DTU в 2016 году оказалась быстрее ветра, разогнавшись до 101,76 процента скорости ветра. Год спустя канадская команда Chinook ETS достигла скорости ветра 102,45 процента, отодвинув датчан на второе место. И дальше гонка только нарастала, но была ограничена правилами соревнования по размеру и регламенту проведения соревнований.

Так что Blackbird был далеко не первый — но первый кто привлек внимание к теме (прямо как первый айфон).

И пока с точки зрения практики проводятся гонки ветромобилей... выглядят они не так громоздко, но более технологично.

Соревнования на скорость, проводят уже много лет участвуя в проекте Wind Racer Blue Dot и заезде гонке Aeolus Race (которая проводится на асфальтированной дамбе в Нидерландах с 2008 года).

На соревнованиях, как правило, поставлена задача ехать как можно быстрее против ветра, соревнуясь еще с 10-12 командами университетов. Ветромобили с небольшими ветряными турбинами представляют тут уменьшенные в масштабе версии современных ветряных турбин с площадью ротора не более 2 м2. И при этом ветряные машины оснащены как электрической, так и чисто механической трансмиссией, которые позволяют двигаться быстрее ветра при прямом встречном ветре. Причем при электрическом приводе изначально машины стартуют с разряженной батареей, чтобы соблюсти равные условия для всех участников. Подобное допущение электропривода приводит нас к другим примерам воплощения идеи использования энергии ветра.

Например, ветряк, заряжающий аккумуляторы настоящего полноценного автомобиля расположенный на крыше.

И ведь и правда почему бы нет?

Почему на крыши автомобилей массово не устанавливают ветряки?

С точки зрения юмора… ответ прост.

Апрельские выпуски журналов часто блещут шутками на эту тему. Например, одна из них - SEAT Aero-Tonto. Красивый пресс-релиз о концепции Aero-Tont от SEAT в очень реалистичном изображении, которое обмануло многих. Но если прочесть внимательно можно заметить, что слово «тонт» означает глупый!

В реальности давно ходят по сети разные фотографии с похожими конструкциями на крыше. Они все одинаково смешные для большинства, и имеют одинаковую конструкцию с горизонтальными ветрогенераторами.

Самый необычный отечественный пример этот запорожец, но есть и другие… более серьезные.

С точки зрения теории и тестирования идеи... более удобные в использовании конструкции... напоминают накрышные вентиляторы.

Одна из них — творение самарского изобретателя Виталия Третьякова. Сделано оно было еще при президентстве Медведева.

Сам изобретатель называет свою конструкцию диагональный ветрогенератор, и исходит он из того, как воздух заходит в него по диагонали.

Ветрогенератор Третьякова представляет собой воздухозаборник, который «улавливает» даже относительно слабые воздушные потоки. Он начинает вырабатывать энергию уже при скорости 1,4 м/с, а не при обычных 3–5 м/с у аналогов.

И удобств автор отмечает отсутствие необходимости дорогостоящего монтажа. Установку можно ставить не только на транспорт, но и здание, мачту, мост и так далее, а срок эксплуатации у нее в 2-3 раза больше, чем у европейских агрегатов.

Размеры - около метра в высоту, метр сорок в длину. КПД постоянный, составляет
около 52%. Мощность промышленного аппарата 5 Квт. На расстоянии 2 метров шум от
ветростанции менее 20 Дб. (Для сравнения: шум вентилятора - от 30 до 50 Дб.)

Но есть у ветрогенератора и недостаток. Он не рассчитан на движение на транспорте.
Поэтому установка на автомобиле это лишь демонстрация. Максимум, что может
выдержать ветрогенератор это движение транспорта со скоростью тихоходной баржи.

За границей исследования похожей конструкции, наоборот велось исходя из возможности использования на автотранспорте…

Так в университете Пердью профессор Шам Тику проводил исследование ветротурбин для автомобилей.

В аннотации к его исследованию сказано буквально следующее

«Более широкое использование бензина для приведения в действие автомобилей вызвало обеспокоенность экологическими проблемами, такими как загрязнение окружающей среды, глобальное потепление и истощение озонового слоя. Кроме того, использование автомобилей с бензиновым двигателем приводит к истощению природных ресурсов. В качестве возможного решения этих проблем некоторые компании представили электромобили и гибридные автомобили. Однако эти транспортные средства также имеют некоторые ограничения или недостатки из-за ограниченной емкости аккумуляторов. Согласно некоторым опубликованным отчетам, несколько автомобильных компаний работают над созданием автомобилей, которые будут работать от аккумуляторов или гибридных двигателей и будут проезжать 40-100 миль на одном заряде. А когда аккумуляторы разрядятся, бензиновый двигатель включится, чтобы запустить автомобиль и одновременно зарядить аккумуляторы. Однако для этого снова потребуется бензин для работы транспортного средства. Как упоминалось ранее, электромобили также могут использоваться в качестве альтернативы автомобилям с бензиновым двигателем, но эти автомобили также имеют определенные ограничения. Одним из ограничений этих транспортных средств является то, что заряд может длиться ограниченное время; после этого батареи необходимо перезарядить. Это приводит к необходимости в системе,
которая может постоянно заряжать батареи, чтобы транспортное средство работало
без перебоев. Принимая во внимание все эти ограничения, некоторые компании
разработали устройства, которые используют энергию ветра для выработки энергии
для зарядки аккумуляторов. Однако у этих устройств также есть некоторые недостатки, и поэтому проводится много исследований, чтобы импровизировать и придумать новые устройства для зарядки аккумуляторов. В продолжение этих усилий предлагаемая конструкция ветряной турбины может помочь решить некоторые из этих проблем. Эта ветряная турбина будет установлена в верхней части автомобиля так, чтобы ветер ударял по лопастям турбины, таким образом вырабатывая энергию, которую можно использовать для зарядки аккумуляторов автомобиля.»

Первоначальная концепция и дизайн ветряной турбины с вертикальной осью в основном состоял из нижней пластины, верхней пластины, верхнего дефлектора, передних дефлекторов, боковых дефлекторов и задних дефлекторов.

Эти компоненты в собранном виде образовывали корпус, в котором вращались лопасти турбины. Конструкция опытного образца была такова, что она делила корпус на две секции, левую секцию и правую секцию. Ветер, поступающий в правую часть ветряной турбины, с высокой скоростью ударяет непосредственно по лопастям и, таким образом, вызывал вращение лопастей против часовой стрелки. Ветер, поступающий в ветродвигатель в левой части, отклоняется в правую сторону и оказывает дополнительное давление на лопасти, усиливая тем самым вращение в направлении против часовой стрелки. Кроме того, передние дефлекторы предотвращают попадание ветра в левую часть турбины, и поэтому ветер, поступающий слева, не создает никакого сопротивления вращению турбины. Передние дефлекторы фактически отклоняли ветер под углом, который толкал лопасти в направлении против часовой стрелки. В результате давление начинало расти при -20 градусах, тем самым увеличивая эффективный цикл мощности.

В дополнение к ветру, поступающему спереди, боковые дефлекторы также облегчают проникновение ветра с боков ветряной турбины. Более того, форма прорезей в боковых дефлекторах направляла ветер на вход в турбину таким образом, что это увеличивало давление на лопатки турбины и заставляло их вращаться быстрее. Помимо ветра, поступающего в турбину спереди и сбоку, часть ветра, выходящего из турбины, также отклонялась обратно в турбину с помощью заднего правого и заднего левого дефлекторов. Следовательно, лопасти получали импульс к движению не только спереди и сбоку, но и сзади. Это заставляло лопасти вращаться намного быстрее, и генерировать больше энергии.

Исследования профессора показали ряд основных преимуществ ветряной турбины.

• Ветряная турбина будет продолжать генерировать энергию и заряжать батареи, даже если автомобиль припаркован, при условии, что ветра достаточно для вращения лопастей турбины.

• Если требуется большая мощность, ширину и длину лопастей турбины можно легко увеличить. Любое увеличение ширины лопатки турбины создаст больший крутящий момент и, следовательно, большую мощность.

• Увеличенная версия этой ветряной турбины может быть установлена под грузовиками, имеющими достаточный дорожный просвет для ее установки.

• Его также можно использовать для производства электроэнергии в домах, установив турбину на высокой конструкции, например на башне ветряками

• Конструкция турбины позволяет монтировать несколько турбин на одной и той же конструкции, что позволяет производить больше энергии с меньшими затратами.

• Неиспользованная мощность, которая накапливается в батареях, может быть преобразована в 110 В с помощью инвертора и продана коммунальным предприятиям или использована дома.

• Конструкция этой турбины может быть легко изменена для установки сбоку, спереди, сзади или в багажнике автомобиля.

• Как и ветер, поток воды также может использоваться для вращения турбины.

• Поскольку оборудование, используемое в этой конструкции, недорогое, стоимость производства будет ниже аналогов.

• Изогнутая форма лопастей ветряной турбины помогает увеличить воздействие ветра на лопасти. В результате максимальная кинетическая энергия ветра преобразуется в механическую энергию, что делает его намного более эффективным.

• Лопасти расположены на роторе в шахматном порядке. Это делается для того, чтобы все лопасти принимали ветер и производили максимально возможную энергию.

• Простая конструкция устройства и его частей снижает потребность в квалифицированных операторах, а также резко снижает стоимость транспортировки. Кроме того, отдельные компоненты этого устройства могут быть легко собраны, а их обслуживание и ремонт намного проще.

На дорожных и ветровых испытаниях, а также серии тестов, проведенных в механическом цехе ветротурбина на автомобиле, доказала практическую работоспособность идеи.

Но все же оставался еще один вопрос - «Как быть с тем, что ветротурбина оказывает дополнительное сопротивление потоку воздуха на автомобиле, на преодоление которого и идут частично затраты энергии машины?»

Тут стоит воспользоваться выводами с точки зрения практики. Ведь редко какой автомобиль едет в режиме постоянной скорости долго, и тем более ускоряется. Обычно идет стандартный цикл разгон — движение с постоянной скоростью — торможение.

Т.е. 1/3 это как раз 100% потери кинетической энергии. А значит 2/3 времени потерь на ветряке вполне могут быть отбиты 1/3-ю при определенных условиях движения.

Поэтому несмотря на всю не очевидную выгоду в сети так много тестов различных институтов и изобретателей пытающихся найти идеальное сочетание сопротивления ветрогенератора, и его выработки энергии.

И это все без учета того факта, что в статичном положении ветряк может производить энергию вообще без негативного эффекта.

А с точки зрения практики… в сети можно найти упоминание попытки практического использования накрышного ветрогенератора на японских такси от таксомоторной компании Ecolo-Taxi.

В 2005 году компания запустила пробную услугу по зарядке мобильных телефонов пассажиров с помощью электричества, вырабатываемого ветряной турбиной, установленной на крыше такси. Эта услуга предназначалась для продвижения использования экологически чистой энергии после вступления в силу Киотского протокола. Ветряк на крыше такси имел встроенный генератор, который преобразовывал энергию ветра в электроэнергию, которая затем направлялась в аккумулятор автомобиля, и после в гнездо прикуривателя. Подключив зарядное устройство к розетке, пассажиры могли заряжать свои мобильные телефоны и прочие гаджеты.

Так как эта новость была размещена в апреле, конечно, есть сомнения в ее достоверности… но как мы уже видим из описания работы ветрогенераторов логика в такой технологии однозначно есть.

В конце концов на данный момент установленные на крыше «шашечки», LED экраны с рекламой, и оборудование для автономного вождения явно не добавляют аэродинамики.

И более того требует дополнительной энергии... которую частично и мог бы компенсировать ветрогенератор!

Но если подходить к вопросу принципиально можно найти еще одно место для установки ветрогенератора, так чтобы он не увеличивал лобовую площадь автомобиля.

Этот вариант — разместить ветрогенератор на переднем бампере машины!

Ветрогенератор на переднем бампере?

С точки зрения юмора… приведу популярный пример из Китая.

Там некий китайский умелец из района Тунчжоу в Пекине решил как-то удивить весь МИР своим смелым изобретением.

Суть его инновации была в том, что его электромобиль использовал для зарядки батарей ветер, а если быть ещё точнее, то с набором скорости вентилятор, установленный спереди начинал вращаться, и тем самым передавать энергию аккумуляторам. Это позволяло электромобилю по словам создателя развивать скорость аж до 135 км/ч!

В интернете этот изобретатель разошелся на мемы… но так ли все однозначно с выводами?

С точки зрения теории и тестирования идеи… все не так смешно, если машина настоящая, а не самодельная.

Есть ряд видео со схожими интересными выводами и результатами.

Тут все экспериментаторы пришли к однозначному выводу, что ветрогенератор установленный перед передним бампером снижает аэродинамическое сопротивление при скоростях до 60 км/ч!

Но это тесты… а что говорит теория?

В исследовании «Оптимизация положения турбин Савониуса, установленных на гибридном автомобиле, с помощью CFD-анализа» (International Journal of Green Energy, DOI: 10.1080/15435075.2021.1961262) провели компьютерное моделирование различных вариантов установки ветротурбин, где в том числе была установка ветрогенераторов на передней части автомобиля.

При тестировании исследуемые ветрогенераторы могли генерировать максимальную скорость вращения ротора 400 об/мин и электрическую мощность примерно 150–200 Вт при скорости автомобиля 80 км/ч.

Похожие тесты проводили и другие с похожими результатами. Вывод был одинаков. Либо не замечено никакого отрицательного влияния, либо есть небольшое снижение аэродинамического сопротивления, а выходная мощность практически одинакова.

Но пояснения почему так происходит внятного так и не было дано. Есть только предположения, что этот эффект схож с эффектом движения машины в аэродинамическом мешке позади грузовика, только пониженное давление тут создает вращающейся винт.

Поэтому с точки зрения практики… теоретический пример показывает, что особых доработок тут не требуется. Разве что надо решить куда можно было бы направить переизбыток энергии?

В случае использования на электромобиле который сможет плавать как Tesla можно было бы использовать как морской винт, а при определенных доработках даже добывать энергию течения воды.(как и предполагалось делать с ветроустановкой на крыше).

Для обычных «земных» машин варианты более экзотические с похожим переходом от режима генератора к электродвигателю.

Например, можно было бы иногда переводить ветрогенератор в режим ветродвигателя и помогать при разгоне и… торможении.

Это не только бы снижало затраты основной батареи на ускорение, но и сокращало бы
тормозной путь. Попутно оба вида помощи при ускорении и торможении сказались бы
на экономии ресурса покрышек, о котором в последнее время переживают все чаще.

Остается только вопрос в безопасности таких открытых конструкций с винтом. И нельзя сказать, что эта проблема не стояла раньше и поэтому различные ограниченные решения тут возможны.

Но все же… не лучше ли разместить все необходимое внутри…

Ветрогенератор внутри автомобиля?

С точки зрения юмора… есть один яркий пример — электрокар Eolo!

Этот колумбийский электрокар с внутренним ветрогенератором появился как идея у Хавьера Рольдана еще в 2012 году, а после был реализован в виде тестового электромобиля.

В процессе развития проекта изобретатель собирал деньги на платформе Indiegogo под лозунгом «создать электромобиль, сделанный колумбийцами, и для колумбийцев».

Он предлагал вложится так же крупным компаниям. Хавьер сравнивал свой Eolo с Audi TT благодаря схожим габаритам. Его машина весила всего 1000 килограммов (на 100 меньше, чем Renault Sandero и на 700 меньше, чем Tesla, самая популярная из электрических моделей), имела КПД 80%, и мощность - 90 лошадиных сил, и максимальную скорость в 130 км/ч.

Но было еще одно сходство...

Например, на схожесть концепта 70-х годов и 2019 года. Но как видим по пропорциям и размером не очень похоже. Точнее форма старого концепта больше схожа с колумбийской машиной, а вот по размерам по соотношению к всему остальному явно сходства нет.

Устав оправдываться дизайнеры заявили, что…

«Мы хотим укрепить BMW как бренд с помощью двух суббрендов, которые играют разные роли. Но! Клиенты M4, i4 и 4-й серии имеют одну общую черту - все они любят BMW. Все, кто любит BMW, привыкнут к этому. Люди, которые критикуют, чаще всего просто не клиенты марки».

Ясно. Понятно. Но колумбийский след тут явно не прикрыть. И речь тут вовсе не о наркотиках.

С точки зрения теории и тестирования идеи… ситуация тоже… вызывает улыбку.

Так некоторые исследователи предлагают размещать ветрогенератор в трубе, проходящей сквозь всю машину!

Называется это по-научному так: «возможность извлечения энергии ветра из уникальных конфигураций, встроенных в движущиеся транспортные средства, с помощью микротурбинных устройств.»

Выглядит так.

По задумке ученых устройство с вентиляционной трубкой, соединяющей область застойного потока высокого давления в передней части автомобиля с областью низкого давления в задней части должно обеспечить дополнительную выработку энергии и…  уменьшить их лобовое сопротивление.

В исследовании говорится об этом так...

«В теории ветряные турбины очень редко подвергаются воздействию 26,7 мс−1 (60 миль в час). ветер, и когда оно есть, большинство из них закрываются, чтобы защитить их структурную целостность. Основная проблема при разработке и проектировании такой движущейся системы состоит в том, чтобы использовать эту обильную энергию ветра с минимально возможными потерями энергии из-за дополнительного сопротивления, вызванного воздействием ветра на генератор. Плотность мощности этого движения воздуха оказывается пропорциональной 1/2ρU 3, что для транспортного средства, движущегося со скоростью 26,7 мс-1 (60 миль в час), дает поток энергии 11 кВт/м-2. Если устройство с эффективной площадью сечения 0,1−0,2м2 используется для преобразования части этой мощности в электроэнергию, может быть выработано и доступно около 1,1–2,2 кВт мощности.

Эта мощность составляет до 10% мощности, обеспечиваемой двигателем для преодоления аэродинамического сопротивления и сил трения между колесами и землей.

Таким образом, прогнозируемый экономический эффект от такого устройства может быть огромным.

Численное моделирование показало, что в случае движения автомобиля со скоростью 11 мс−1 , область более высокого давления формируется в условиях стагнации вблизи передней маски автомобиля, где наблюдается до 440 Па, тогда как сзади автомобиля наблюдается противодавление около -100 Па.

Эта разница давлений на типичной длине автомобиля 5,4 м дает градиент давления 100 Па·м-1, что достаточно для поддержания потока, если воздуховод соединяет две области экстремального давления.

Известно, например, что пассивные вентиляционные каналы вдоль обтекаемых тел в виде сфер практически снижают силу лобового сопротивления более чем на 60 % по сравнению со случаем без вентиляции.

Кроме того, в этом случае было измерено 20-процентное увеличение скорости внутри канала по сравнению со скоростью приближающегося набегающего потока. Принудительная вентиляция представляет собой метод управления потоком, который модифицирует след тела обтекания, направляя поток вверх по течению для возбуждения следа и включает обратную связь изменений потока вниз по течению с параметрами потока вверх по течению.

Подобная глобальная модификация структуры следа была достигнута там, где в тело обтекания был введен вентиляционный канал. Дымовая визуализация следа показала струю, выходящую из вентиляционного канала, которая изменяет базовое давление и общее сопротивление.

В результате коэффициент аэродинамического сопротивления снижается на 20 % по сравнению с невентилируемым корпусом. Эта идея была проверена путем проведения расчетов с использованием модели вычислительной гидродинамики (CFD) и экспериментов в аэродинамической трубе с использованием тела Ахмеда, упрощенной геометрии транспортного средства.

Экспериментальные данные показали заметное снижение коэффициента лобового сопротивления на 20–48% за счет простого введения круглого вентиляционного канала. Однако в данном случае ожидается, что наличие вращающейся турбины внутри вентиляционного канала несколько увеличит общее сопротивление автомобиля.

Наши расчеты, зависящие от времени, в которых вращательное движение турбины также разрешалось с учетом ее динамического уравнения движения, показали, что это снижение сопротивления составляет около 2,6% от общего сопротивления в случае обычных грузовиков. Сопротивление трения, обычно создаваемое на внутренней поверхности воздуховода, также было оценено путем интегрирования напряжения стенки по этой поверхности и оказалось, что оно составляет менее 1% от общего сопротивления при относительно небольшом отношении длины к диаметру.

Таким образом, эти потери сопротивления меньше, чем исходное снижение сопротивления давления из-за эффекта вентиляции, и, следовательно, чистый эффект избытка энергии в системе может быть в принципе возможен!

В конце концов, такая встроенная система использования энергии ветра должна быть интегрирована с другими автомобильными системами, особенно с системами под капотом, где необходимо оптимизировать поток воздуха, чтобы не возникало дополнительных потерь на сопротивление.

Подобные системы могут быть установлены в грузовом отсеке грузовых автомобилей без особых проблем с интеграцией.

Теоретическая основа: расширение теории импульса для включения движущейся системы отсчета. Если микротурбина с горизонтальной осью устанавливается внутри воздуховода, как предполагалось в теории, то следует предусмотреть некоторые дополнительные методы регулирования потока, поскольку такая установка представляет собой отход от классических ветряных турбин, работающих на открытом воздухе при атмосферном давлении.

Значение и заключительные замечания

В таких подвижных средах удельная мощность движения воздуха гораздо больше и менее прерывистая, чем в стационарных ветряных турбинах, закрепленных на земле и работающих в открытых атмосферных условиях.

Отношение соответствующих удельных выходных мощностей устройства, движущегося со скоростью 97 км/ч (60 миль/ч) а для классической стационарной ветровой турбины, работающей при наиболее частой скорости ветра 24 км/ч (15 миль/ч), будет ≈(60/15)3=64. Таким образом, если проблемы, связанные с разработкой такого устройства, будут решены, ожидается значительный выигрыш в производстве электроэнергии, хотя ожидаемая полезная вырабатываемая мощность будет составлять от 0,1 до 1 кВт.

Причина в том, что энергия ветра будет использоваться миллионами транспортных средств, которые составят обширную распределенную децентрализованную систему производства электроэнергии. Если предположить, что только 1 % из 250 миллионов легковых и грузовых автомобилей, находящихся в эксплуатации в Соединенных Штатах, находится в движении и что 50-процентный КПД связан с процессом преобразования электричества, который до сих пор не рассматривался, то количество около 1 ГВт мощности может быть произведено в данный момент времени. В настоящем исследовании мы впервые изучили перспективы использования энергии ветра от движущихся транспортных средств, анализируя поток через и вокруг общего тела Ахмеда. Это было достигнуто путем выполнения нескольких экспериментальных, теоретических и вычислительных задач, которые осветили некоторые проблемы, связанные с перспективами новых технологий, извлекающих энергию из ветра в движущейся системе координат.

Работа ясно показала преимущества, обнаруженные при добавлении воздуховода к тестируемому транспортному средству, что связано с уменьшением лобового сопротивления не только за счет изменения площади поперечного сечения модели, но и за счет повторного возбуждения следа потоком выхлопных газов. через воздуховод. Коэффициент мощности, достигаемый в настоящей конфигурации, составляет 3,26 по отношению к аналогичной автономной ветровой турбине в открытой атмосфере. Движущей силой потока через устройство явно является градиент давления, вызванный условиями застоя спереди и отрицательным противодавлением сзади. В идеале, чем больше разница давлений между передним и обратным давлением, тем выше должна быть скорость внутри воздуховода. Таким образом, транспортные средства с более низким отрицательным противодавлением и, следовательно, более высоким лобовым сопротивлением могут обеспечить лучшие условия для захвата потоков с более высоким массовым расходом через воздуховод. Однако этому противодействуют возникающие на внутренней поверхности канала силы трения, пропорциональные L/dp , а также взаимные помехи между потоком через воздуховод и распределением давления вокруг транспортного средства, особенно противодавлением, которое может препятствовать началу увеличения скорости потока через механизм обратной связи, уменьшающий первоначальную разницу давлений.

Как упоминалось ранее, большая часть сопротивления обтекаемых кузовов и особенно транспортных средств связана с сопротивлением давления, которое создается на заднем конце. Структура следа, влияющего на противодавление, очень сложная, с отрывной зоной и отходящими от боковых кромок встречно вращающимися вихрями, сила которых в основном определяется углом базовой поверхности. Значения коэффициента давления на заднем конце тел обтекания cpb могут составлять от -1,2 в двумерных (2D) цилиндрах или от -0,125 до -0,65. в трехмерных телах обтекания.

Следует дополнительно изучить оптимизацию размера воздуховода и секции Вентури, которые ограничены ограниченным пространством, а также конструкцию диффузора, который регулирует выходное давление вентиляционного потока. Желательно захватить максимально возможный расход внутри вентиляционного канала. Поэтому мы предполагаем, что нижняя часть моторного отсека будет герметизирована, чтобы воздух, поступающий в область под капотом, в конечном итоге направлялся к вентиляционному каналу, где будет располагаться ветряк.»

Текст, конечно, длинный… но сократить его — только портить общие выводы.

А они таковы — лучше всего ветряк может работать не снаружи, а внутри автомобиля, что и было доказано практикой дальше.

С точки зрения практики…  еще в 60-х годах гонщиком Смоки Юнником был произведен эксперимент где он избавился от своего генератора с ременным приводом на машине для гонок, и вместо него использовал генератор с приводом от вентилятора, для общего снижения нагрузки на двигатель, что привело к немного большей доступной мощности и увеличению расстояния между пит-стопами.

Сам винт был 2-х лопастной, и относительно небольших размеров. А гонка была стандартная кольцевая, где скорость не сильно менялась в процессе.

Сам Генри «Смоки» Юник (25 мая 1923 г. - 9 мая 2001 г.) скорее всего после этой хитрости получил стандартный запрет на доработку, как до этого получал за прочие инновации(смещенное шасси, фальшполы, спойлеры на крыше, впрыск закиси азота и другие модификации, которые часто соответствовали букве свода правил, но не совпадали с «духом» соревнований).

Эта доработка, пожалуй, была самая безобидная из всех тех, что он делал ранее… но в отличие от многих других у нее был пример использования и на других видах транспорта.

Сама идея использования потока транспортным средством в движении не нова.

У Самолетов подобная технология называется «выдвижной аварийный ветрогенератор».

Ветродвигатель (RAT) выпускается вручную или автоматически. Автоматический выпуск производится с помощью соленоида замка убранного положения в случае отказа двух приводов-генераторов при неработающем генераторе ВСУ и скорости самолета более 92,6 km/h. Ручной выпуск с замка убранного положения производится вытягиванием рычага троса ручного выпуска, находящегося на центральном пульте в кабине экипажа.

Как правило, габариты пропеллера RAT лежат в пределах 80-90 см. На военных машинах они еще меньше. Мощность генератора в зависимости от модели самолета варьируется от 5 до 70 кВт.

 

У морских кораблей тоже может быть ветрогенератор для аналогичных функций… и даже гидроэлектрический генератор, направленный против движения судна!

Это наиболее распространенный тип яхтенных "гидростанций" по той причине, что один и тот же генератор можно использовать как на ходу — с приводом от погруженной в воду крыльчатки, так и на стоянке, заменив привод на воздушный винт.

Причем в обоих режимах генератор тормозит лодку, но в подводном буксируемый генератор создает сопротивление около 15 кг на скорости 6 узлов, что создает прямое противоречие не хуже схемы «ветряк+автомобиль». Ведь с одной стороны для работы генератора будет требоваться определенная скорость, а с другой стороны он сам будет тормозить лодку!

Но оба примера как в воздушном, так и водном транспорте сейчас используются на практике без каких-либо сомнений в эффективности и необходимости… возможно с ветряками на автомобиле со временем произойдет тоже самое.

 

И вот возвращаясь к BMW…

В пакете технологий BMW EfficientDynamics есть отключаемый от привода двигателя генератор.

Работает он следующим образом. Как только водитель перестает нажимать на педаль газа, включается генератор и преобразует избыток кинетической энергии в электричество. После полной зарядки аккумулятора генератор отключается от двигателя. Это позволяет разгрузить двигатель при разгоне.

P.S. - Один из японских патентов как раз предполагает использование обычного генератора в автомобиле в гибридном режиме. По задумке создателей у их генератора есть два варианта заряда для транспортного средства.

Первый традиционный для генераторов через шкив привода от ДВС, а второй реализуются через электромагнитную муфту, которая соединяет и разъединяет генератор с ветряной турбиной, установленной на переднем бампере автомобиля.

За счет такого гибридного привода расход топлива можно снизить по заявлениям авторов.

В теории делают акцент на том, что генератор переключаясь на привод от ветряной турбины, в то время как транспортное средство движется со стабильной скоростью по дороге.

Переключения на ветро-привод будут происходить в момент, когда скорость автомобиля будет выше 50, и до 120км. А в обычном режиме генератор будет работать только при остановке и при падении скорости ниже 50 км/ч.

Наибольшая эффективность в ходе дорожных экспериментов была достигнута при скорости автомобиля около 80 километров (снижение расхода топлива около 15%)

Published in: 2018 IEEE International Conference on Applied System Invention (ICASI)

Date of Conference: 13-17 April 2018. Date Added to IEEE Xplore: 25 June 2018

ISBN Information: INSPEC Accession Number: 17875626

DOI: 10.1109/ICASI.2018.8394544 Publisher: IEEE. Conference Location: Chiba, Japan