Tidigt aprilskämt - Grön el från vinden på banvallen

[Göran]

Nu säger jag som tompaiuppsala, nu måste jag ha lite starkt kaffe, för även om jag förstår, så öppnar ju det här för tankar kring perpetuum mobile.
Tåget har ju en viss frontarea och ett visst luftmotstånd och sätter man upp hinder vid sidan av banan ser jag det som ett sätt att öka tågets frontarea. Nej, det här kräver en kopp starkt kaffe.

[JasonCW]

Hej Göran,
Jag menar inte att du har fel i princip, för om man tänker sig raden av vindkraftverk som en tät tunnelvägg så kommer luftmotståndet på tåget naturligtvis att öka dramatiskt precis som i en tunnel. I verkligheten så motsvarar dock inte dessa små och glest placerade vindkraftverk något större hinder för tågen aerodynamiskt sett och du om någon bör veta att ett vindkraftverk främst bromsar vinden när det med hög verkningsgrad utvinner energi ur densamma. Ett vindkraftverk utgör alltså inte något stort hinder för vinden när det står stilla eller snurrar med ett varvtal som ger ett dåligt löptal, vilket kan förväntas bli fallet vid tågfrontens mycket kortvariga vindstöt.

Endast en mindre del av luftmotståndet på ett långt fordon som ett tåg uppstår sedan vid dess front, då merparten uppstår utmed dess sidor och vid dess långt ifrån tillräckligt aerodynamiska bak.
Just när det gäller aerodynamiken på tåg som X2000 så trycks merparten av den anströmmande luften undan uppåt och endast en bråkdel går ut åt sidorna precis där de små vindkraftverken sitter. Detta gör att vindstöten vid sidan av fronten på tåget i höjd med snurrorna har begränsad styrka och att vinden vid sidan av spåret blir som kraftigast först efter att hela tåget har passerat och merparten av den på högre höjd accelererade luften sugs in i vaken bakom tåget. En stor del av luftmotståndet på ett modernt tåg uppstår också i tågets underrede där det är mycket svårt att få till en effektiv luftströmning, men vinden som uppstår från denna förlust bromsas inte nämnvärt av vindkraftverken under den korta tid som tåget passerar.

Att den kraftigaste vinden från tågets aerodynamiska förluster kommer först efter tåget framgår för den som inte tror på mig extremt tydligt i filmen på http://www.orioninfra.se/orionkraft.html och den bromsande effekt som vindkraftverket då har på densamma påverkar naturligtvis inte nämnvärt det tåg som redan passerat. Däremot så är uppbromsning av fartvinden som hinner ske innan ett tåg kommer i motsatt riktning en ren vinst för dess luftmotstånd.

[Göran]

Hej, JasonCW!
Nej, så länge vindkraftverket bara snurrar utan att man utvinner någon energi är det inget hinder att tala om, det förstår jag också, men när vindkraftverket kommer upp i löptal och bromsar vinden, vill jag se det som att den uppbromsade vinden suger fast tåget. Nu ser man ju på filmen att effekten av det förbipasserande tåget inte blir den förväntade. Själv ser jag resultatet som förväntat, att varken den lilla frontstöten, eller turbulensen längs tågets sidor får vindkraftverket att sätta fart. Att vindkraftverket tappar fart när tåget passerat har jag lite svårare att förstå. Jag tycker att det borde ha gjort några varv extra i baksuget, men å andra sidan handlar det väl mest bara om turbulens och bladen hinner heller inte gå upp i varv.

Om jag släpper alla tankar på hur hela det här förloppet skulle se ut i vindtunnel, utan istället försöker tänka mig in i hur Einstein skulle ha tänkt (vilket sannerligen inte är lätt ), kommer jag fram till följande.

Ponera att det är vindstilla och på banvallen finns inget tåg. Vindkraftverket står därför helt stilla.
I nästa stund passerar ett tåg och vindkraftverket sätter fart enligt uppfinnarens planer.
- Vad är det som driver vindkraftverket? Tåget förstås och tar man ut energi ur vindkraftverket är det tåget som som står för energin, allt annat borde tala mot termodynamikens lagar. Eftersom verkningsgraden hos vindkraftverket bara är 25% är det dessutom en extra dålig affär.
Jag förstår ditt sätt att resonera, att bromsa den motvind tåget möter, men att bana fri väg för tåget måste kosta energi, som jag ser det.

Att små och glest placerade vindkraftverk skulle inverka märkbart på elräkningen när ett tåg med en förbrukning på 1.500 kW susar förbi, tror inte jag heller. Nu är det dags för mer starkt kaffe.

[Karro]

Om jag förstår saken rätt, vilket inte alls är säkert i det här fallet, så skapas en vortex (virvel), eller kanske flera, efter tåget. Dessa virvlar klingar normalt sakta ut och avger sin energi till luften. Tanken är nog att utvinna denna energi, som annars bara går förlorad. Virvlarna bromsar tåget, men de finns där oberoede av om det finns vindturbiner där eller inte.

[Jonas L]

Jag är ingen expert på aerodynamik, men det känns som den här tråden går i cirklar (eller virvlar ). Som jag skrev tidigare:

När ett tåg rusar fram bildas det antagligen en hel massa turbulens bakom det, och det är inte säkert att man bromsar tåget genom att ta energi ur dessa virvlar. Det skulle behöva omfattande simuleringar för att bekräfta det. Men det kanske de har gjort.

[JasonCW]

Nu är det ju så att den energi som redan gått förlorad i form av strömmande luft långt bakom tåget i många avseende är så gott som helt gratis att utvinna eftersom förlusten redan är ett faktum, men bara förutsatt att det görs med relativt sett låg effekt. Om man tänker sig att man utvinner energi med den effekt som finns i hela vindstöten så kommer man såklart påverka undertrycket i vaken bakom tåget och därmed bromsa detsamma, men redan något hundratal meter efter tåget så bör man kunna stoppa luften helt utan att det påverkar tillståndet nämnvärt i vaken närmast tåget.
Förvisso är det underljudshstigheter vi talar om här och därför kan information i form av de bromsande vindkraftverken teoretiskt förmedlas ifatt tåget över långa sträckor, men redan vid några tiotal meter så bör det knappt ens gå att mäta någon förändring i vaken om man bromsar vakvinden med betydligt högre effekt än vad som är aktuellt med dessa små vindkraftverk som vid tidpunkten har helt fel varvtal.

Vad gäller snurran i filmen så tycker jag mig se att den ökar farten något precis efter att tåget passerat och avtar sedan till ett varvtal som är klart lägre än före tåget.
Som jag ser det så är det orimligt att tro att ett vindkraftverk på ett effektivt sett skall utvinna energi ur den snabba transienta och högst turbulenta vind som uppstår när och efter ett tåg passerar. Dess varvtal hinner helt enkelt inte anpassa sig till de i turbulensen snabbt varierande vindarna. Främst måste alltså målet vara att utvinna energi ur den naturliga vinden på platsen.
Skälet till att snurran minskar i varvtal en stund efter att tåget passerat kan som jag tänker bero på att den storskaliga luftrörelsen efter tåget är riktad motsatt den naturliga vinden. Vinden kan till exempel ha gått från 5 m/s nordlig före det (som vi antar) norrgående tåget, visat en mycket kortvarig spik mot ostlig vid tågets front, minskat till noll-vind någonstans utmed tågets sida och efter tåget gått upp till kanske 30 m/s "sydlig" för att sedan relativt snabbt åter sjunka mot noll innan den naturliga vindriktningen återfås. Under perioder så kan alltså fartvinden från det passerade tåget göra att vinden är svagare än den naturliga som fanns före tåget. Sedan tycks man ha satt 12 m/s som gräns för då snurrorna skall vara aktiva, så merparten av vindstöten efter tågen kan mycket väl vara långt utanför det designade löptalet.

Verket, som är ett så kallat hybridverk startar redan vid låga 3 sekundmeter av naturlig vind och genererar effekt upp till 13 sekundmeter, när det blåser kraftigare eller förbipasserande tåg susar förbi. Vid mellan 11 – 12 sekundmeter bromsas verken automatiskt ner.

Jag är alltså mer benägen att i stort ifrågasätta nyttan av dessa mycket små snurror än att gå in på teorier om att de skulle bromsa tågen mer än de själva ger.

[JasonCW]

Om jag släpper alla tankar på hur hela det här förloppet skulle se ut i vindtunnel, utan istället försöker tänka mig in i hur Einstein skulle ha tänkt (vilket sannerligen inte är lätt ), kommer jag fram till följande.

Ponera att det är vindstilla och på banvallen finns inget tåg. Vindkraftverket står därför helt stilla.
I nästa stund passerar ett tåg och vindkraftverket sätter fart enligt uppfinnarens planer.
- Vad är det som driver vindkraftverket? Tåget förstås och tar man ut energi ur vindkraftverket är det tåget som som står för energin, allt annat borde tala mot termodynamikens lagar. Eftersom verkningsgraden hos vindkraftverket bara är 25% är det dessutom en extra dålig affär.
Jag förstår ditt sätt att resonera, att bromsa den motvind tåget möter, men att bana fri väg för tåget måste kosta energi, som jag ser det.

Jag vill tro att Einstein hade resonerat som så att det bör vara gratis att bromsa den av förlusten uppkomna vinden när avståndet mellan den bromsande snurran och fordonet ur aerodynamisk synvinkel är stort. På relativt kort tid sprids dock förlustenergin ut i en stor luftvolym som därmed är svår att återvinna utan att införa så stora anordningar att dessa kommer bromsa vinden långt innan tåget genom tillryggalagd sträcka har hunnit göra sig fri från negativ inverkan.

Vad gäller att bromsa den naturliga vinden och den av andra fordon uppkomna motvinden så tror jag att Einstein hade hållt med mig. Vinden i vaken bakom ett fordon kan man förenklat se som en konstgjord medvind, vid möte så medför denna medvind momentant en lika stor motvind på det mötande fordonet. Naturligtvis är det inte så lätt att räkna på hur stor vinsten är att bromsa bort den konstgjorda motvinden, men förutsatt att det inte sker med alltför hög effekt så bör det kunna ske utan att det kostar något för tåget som skapat den.

Låt oss titta på ett räkneexempel för naturlig vind:
Två fordon färdas i 200 km/h, detta ger ett totalt luftmotstånd (effekt) som är proportionellt mot två gånger 171468 (hasigheten [m/s] i kubik).
Vi tänker oss nu att det blåser 10 m/s medvind för det ena tåget och således lika mycket motvind för det andra som färdas i motsatt riktning.
För fordonet med medvind blir den virtuella hastigheten 164 km/h, vilket ger ett luftmotstånd som är proportionellt mot 94542.
För fordonet med motvind blir den virtuella hastigheten 236 km/h, vilket ger ett luftmotstånd som är proportionellt mot 281727.
Det totala luftmotståndet för de två fordonen ökar alltså med 9,74% på grund av att det blåser 10 m/s vind i ena spårets riktning.
Så utöver att man gratis kan utvinna energi ur den naturliga vinden så kan man alltså vid 10 m/s teoretiskt spara upp till (1500*9,74%) 146 kW i genomsnitt för framdrift per fordon om man tar bort all naturlig vind runt spåren, antaget att effekten för framdrift är 1500 kW enbart för att övervinna luftmotståndet. Naturligtvis är det inte rimligt att bromsa bort all naturlig vind, men det är bara av godo totalt sett, vilket rimligtvis även gäller långsam (med låg effekt) bromsning av fartvind efter tåg innan den drabbar mötande fordon.