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Tirer parti du vent de face

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Tirer parti du vent de face

Message par filomat le Dim 15 Fév 2015 - 7:51

Le vent de face et le vélo ... électrique.

*****************************************************************************************************
I - Hélice en mode accessoire de propulsion :

Le rendement des hélices.

http://www.e-props.fr/EPHCalculateur.php

http://fr.wikipedia.org/wiki/H%C3%A9lice_a%C3%A9rienne
"Rendement de propulsion
La puissance propulsive fournie par l'hélice est de l'ordre de 75 à 85 % de la puissance fournie par le moteur ; cette valeur peut monter à 90 % pour des hélices contra-rotatives."

Sur un avion le moteur entraine l'hélice avec une puissance W(watts) et, en retour, l'hélice propulse l'avion à la vitesse V (m/s) en lui appliquant une force de propulsion F (Newtons).

Le rendement de l'hélice : r=F*V/W peut atteindre des valeurs de l'ordre de 80% ou plus dans les conditions optimales d'écoulement de l'air autour des pales de l'hélice.

Inversement si on déplace une hélice dans l'air à la vitesse V au moyen d'une force de propulsion F, cette hélice, fonctionnant alors comme une éolienne, est capable de restituer une puissance W avec un rendement r=W/(F*V) qui peut également atteindre une valeur de l'ordre de 80% puisque le fonctionnement est réversible, comme celui d'un moteur électrique à courant continu et aimants permanents fonctionnant en génératrice de courant (les équations de la mécanique des fluides présentant quelquefois des analogies avec les celles de l'électromagnétisme).

Si nous montons une hélice - couplée par exemple à une génératrice de courant - sur un véhicule se déplacant à la vitesse V, cette hélice opposera une résistance F (Newtons) supplémentaire à l'avancement du véhicule et, en contrepartie, restituera une puissance r*F*V sous forme par exemple de recharge d'une batterie, ou bien en complétant directement la puissance de propulsion du véhicule.

Dans ce cas (absence de vent) le bilan de montage de l'hélice sur le véhicule est négatif : Il faut plus d'énergie pour faire avancer l'hélice que celle qu'elle est capable de restituer (le rendement r est inférieur à l'unité).

Dans le cas d'un vent de face de vitesse v (m/s) qui s'ajoute à la vitesse V du véhicule par rapport au sol, la puissance W recue par l'éolienne sera la même que s'il n'y avait pas de vent mais que l'hélice se déplace à la vitesse (V+v), la force F nécessaire à faire avancer l'éolienne contre le vent est également la même que s'il n'y avait pas de vent mais que le véhicule se déplace à la vitesse (V+v) : La puissance recue par l'éolienne vaut r*F*(V+v) avec r<1, mais cette fois la puissance consommée pour faire avancer l'éolienne ne vaut que F*V (et non F*(V+v) comme ce serait le cas dans le cas d'un véhicule avançant à la vitesse (V+v) en l'absence de vent).

En présence du vent de face v, la consommation de puissance pour faire avancer l'éolienne à la vitesse V (par rapport au sol) est F*V alors que l'éolienne fournit une puissance r*F*(V+v), c'est à dire que le rendement entre la puissance consommée et la puissance fournie vaut : r*(V+v)/V.

Dès lors que la vitesse du vent de face est suffisante pour compenser le rendement inférieur à l'unité de l'hélice :
1+v/V > 1/r ou encore v > V * (1-r) / r, le bilan est positif.

Exemple hélice de rendement 0.8 (soit 80%), vitesse du "vélo" 10 km/h, le bilan est positif à partir d'un vent de face de 2.5 km/h ... Pour une hélice de rendement seulement 50% à partir d'un vent de face de 10 km/h ... Pour une hélice de mauvais rendement tombant jusqu'à 25% à partir d'un vent de face de 30 km/h.

On a donc, presque toujours (sauf si l'hélice a un très mauvais rendement et si le vent de face est très faible), intérêt à laisser tourner une hélice sur un véhicule terrestre (plus l'hélice est de grande dimension et plus grand sera le bénéfice).

Lorsque l'hélice est de dimension suffisante et que le vent de face est suffisamment fort par rapport à la vitesse d'avancement souhaitée pour le véhicule, la puissance de l'éolienne peut devenir suffisante pour propulser le véhicule.

************************************************************************************************************************
II - Hélice en mode principal de propulsion contre le vent :

Se servir du vent de face pour avancer :

Le principe est on ne peut plus simple : Si,en l'absence de vent, on déplace une éolienne à la vitesse V on exerce une force F proportionnelle au carré de la vitesse et on dépense une puissance F*V proportionnelle au cube de la vitesse.

En retour l'éolienne délivre une puissance électrique elle aussi proportionnelle au cube de la vitesse, soit r*F*V , avec un rendement r inférieur à l'unité (D'après le principe de la conservation de l'énergie on ne peut récupérer plus d'énergie que l'on en dépense).

Dans le cas où il y a un vent de face v qui vient s'ajouter à la vitesse V de déplacement par rapport au sol, la puissance à fournir pour faire avancer l'éolienne est proportionnelle au produit V*(V+v)² alors que la puissance électrique délivrée par l'éolienne est proportionnelle au cube de (V+v).

Si r est le rendement de l'éolienne, on reçoit une puissance électrique supérieure à la puissance nécessaire à la traction pourvu que r*(V+v)/V soit supérieur à 1.

Par exemple pour une éolienne de rendement 50% (rapport entre la puissance électrique obtenue et la puissance mécanique nécessaire à faire avancer l'éolienne lorsqu'il n'y a pas de vent), dès lors que la vitesse du vent de face devient supérieure à la vitesse du véhicule par rapport au sol,on bénéficie d'une puissance électrique supérieure à celle qui est nécessaire à faire avancer l'éolienne.

S'il y a un vent de face de 25 km/h et pour une éolienne de rendement 50% le véhicule ira, sans autre dépense d'énergie que celle du vent, à la vitesse de 25 km/h également par rapport au sol, pourvu que le véhicule soit entièrement (ou presque) "abrité" derrière l'éolienne (si le véhicule n'est pas complètement abrité il ira un peu moins vite que 25 km/h dans cet exemple car il freinera un peu l'éolienne par rapport au cas où elle serait seule, il faut également prendre en compte la résistance des pneus au roulement qui ralentiront un peu le véhicule par rapport au cas théorique d'une éolienne "seule").

La vitesse V d'équilibre d'une éolienne de rendement r qui roule contre un vent de face de vitesse v est :
r*V+r*v=V, soit V=v*(1-r)/r=v*(1/r-1), sachant que le rendement r de l'éolienne est compris entre 0 et 1.

Le rendement r est fonction des performances de l'éolienne et doit tenir compte également de la résistance de l'air sur les  parties du véhicule qui ne sont pas abritées par l'éolienne ainsi que de la résistance au roulement des pneus et de la pente du terrain, et également du rendement de conversion électromécanique dans le cas où l'éolienne n'est pas reliée directement et mécaniquement aux roues, mais par l'intermédiaire d'un moteur électrique et éventuellement de batteries tampon.

En prenant un valeur raisonnablement pessimiste de 0.10 (soit 10%) pour ce rendement global de l'éolienne couplée au véhicule, la vitesse V (par rapport au sol) d'équilibre du véhicule face au vent de vitesse v (par rapport au sol également) sera de l'ordre de v/9 : Pour que le véhicule avance de lui-même à la vitesse de 10 km/h il faudrait un vent de face de 90 km/h.

Si on arrive a augmenter la surface de l'éolienne et le couplage aux roues tout en carénant au besoin le véhicule on peut espérer se rapprocher d'un rendement global de l'ordre de 50%, donc une vitesse V égale à celle du vent : Pour que le véhicule avance de lui-même à la vitesse de 10 km/h par rapport au vent il suffit alors d'un vent de face de 10 km/h.

Les techniques de pointe utilisées par les expérimentations de Cavallo (financement google) et l'université de Stuttgard conduisent vraisemblablement à des rendements globaux supérieurs à 50%.

Lorsque l'on utilise une autre source d'énergie que le vent en combinaison avec l'éolienne celle-ci délivre une puissance proportionnelle à son rendement r et au cube de la vitesse relative du véhicule par rapport à l'air, tout en abritant une partie de celui-ci du vent relatif (diminuant sa trainée aérodynamique par rapport au cas sans éolienne puisque la vitesse de l'air est réduite, dans un proportion d'environ 2/3, entre l'aval et l'amont), supplément de puissance qui vient en déduction de celle apportée par la source d'énergie principale (ou secondaire si l'éolienne est suffisamment grande et le vent suffisamment fort).

Plutot que de déplacer un véhicule "inerte" dans l'air il est beaucoup plus économique de lui donner la forme d'une éolienne de manière à ce qu'il sache "nager" dans l'air et profiter du vent de face pour avancer (alors qu'un véhicule inerte ne saurait que reculer contre un vent de face).
*****************************************************************************************
A titre indicatif et ordre de grandeurs (densité de l'air dans les conditions normales : 1.225 kg/m3) :

Puissance contenue dans un tube de vent 0.6*V**3 par m² de section avec V en m/s : exemple 600 watts pour un vent de 36 km/h (soit 10 m/s) ... La formule de Betz établit que seuls les deux tiers de cette puissance sont récupérables par une éolienne (il faut bien que l'air s'écoule en aval de l'éolienne, on ne peut l'arrêter complètement)... Compte tenu des autres pertes on peut compter récupérer environ 50% de l'énergie du tube de vent.

Force de résistance sur le mât de l'éolienne (si le tube de vent était complètement coupé) 0.6*V² soit 60 Newtons, c'est à dire le poids d'une masse d'environ 6 kg, pour 1 m² de section et un vent de 36 km/h (La formule de Betz doit également être prise en compte pour réduire cette valeur dans la proportion d'environ 2/3).

Piège (petit) : Ne pas confondre la définition du rendement de l'éolienne fixe (rapport entre la puissance qu'elle délivre et celle contenue dans le tube de vent amont) et qui, selon la théorie de Betz (quelquefois contestée) ne saurait dépasser 66%, avec la définition du rendement de l'hélice : rapport entre le produit de la force de traction par la vitesse et la puissance nécessaire à la rotation de l'hélice, rendement qui lui n'est pas limité par la condition de Betz.
**************************************************************************************************************

Véhicule à propulsion "electro-éolienne" expérimenté en Chine (photo) :


Cavallo (expérience financée par google)Expérience de Rick Cavallaro (2012)


Stuttgard (université) :


Dernière édition par filomat le Dim 15 Fév 2015 - 18:14, édité 2 fois (Raison : orthographe et complément sur définitions rendements hélice et éolienne)

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Re: Tirer parti du vent de face

Message par Silicium81 le Dim 15 Fév 2015 - 15:46

Merci pour ce post avec des éléments de calculs détaillés, c'est interessant, bien que difficilement utilisable 'en vrai'. As tu un lien pour l'expérience Cavallo ?
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Re: Tirer parti du vent de face

Message par filomat le Dim 15 Fév 2015 - 18:08

En fait (j'avais mis le nom Cavallo de mémoire) il s'agit de Rick Cavallaro.

Une recherche sur "upwind faster than the wind" mène au lien le plus souvent consulté :
http://www.wired.com/2012/07/wind-powered-car-upwind/

La situation s'est notablement compliquée quand on a prétendu pouvoir également aller "downwind faster than the wind", selon mon hypothèse il s'agirait d'un "hoax" destiné à alimenter un buzz profitable à google qui aurait participé au financement du premier projet (upwind) : Le upwind était connu depuis longtemps (depuis léonard de vinci) mais pas le downwind.

Le buzz a très bien fonctionné et fonctionne toujours.

Si on circule dans les régions venteuses on ne risque rien à ajouter une ou deux petites éoliennes au véhicule (voir la réalisation chinoise) : S'il n'y a pas de vent elles freineront très peu le véhicule en récupérant presque autant d'énergie que le surcroît de consommation qu'elles demandent, mais s'il y a du vent de face elles peuvent alors "rapporter gros" en énergie pour recharger les batteries aussi bien que si le véhicule était à l'arrêt ou bien alimenter directement le moteur électrique (l'université de Stuttgard s'orientait dans cette direction aux dernières nouvelles).

De plus, si on veut vraiment ne pas se pénaliser en l'absence de vent de face, on peut toujours replier l'hélice ou la mettre en drapeau. Une hélice en rotation ne gêne pas la visibilité (on peut voir à travers ... Sur les avions on peut même tirer à travers en synchronisant la mitrailleuse sur la rotation des pales  Very Happy ).

Quand le véhicule est abrité derrière l'hélice qui, quand elle est en mode récupération d'énergie, développe une surpression à l'amont et une dépression à l'aval, ce véhicule est en partie "aspiré" vers l'avant ... On pourrait presque se passer de propulsion par les roues  Idea

Les véhicules de Cavallaro et Stuttgard ont de grandes hélices non compatibles avec les conditions de circulation usuelles, mais ce sont des véhicules destinés à la compétition pour battre des records : A mon avis on devrait  déjà tirer parti du vent de face avec des hélices moins grandes par rapport aux dimensions du véhicule.

Le profit serait "spectaculaire" en cas de vent de face "fort" par rapport à la vitesse du véhicule (par rapport au sol).

Non seulement le véhicule serait capable d'avancer sans consommer d'énergie mais de plus il rechargerait la batterie pour les cas où le vent "tomberait" ! Cool

ps : J'ai vu passer il y a quelques semaines un post sur cyclurba de quelqu'un qui préparait un périple en amérique du sud en emportant une éolienne pliable pour recharger ses batteries à l'arrêt en cas de vent fort, mais qui pourrait aussi servir en roulant. Le projet paraissait appuyé par un fabricant d'éoiiennes.


Dernière édition par filomat le Lun 16 Fév 2015 - 8:10, édité 2 fois (Raison : post scriptum , orthographe)

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Re: Tirer parti du vent de face

Message par Nicolas974 le Lun 16 Fév 2015 - 8:50

Dans l'optique d'une adaptation sur un véhicule type VAE, que penserais-tu d'une éolienne à axe vertical (Rotor de Savonius, si je ne m'abuse)


Outre son encombrement relativement limité, cette éolienne me semble présenter un intérêt double :
1-être opérationnelle même par vent faible
2-être peu (voire pas ?) sensible à l'orientation du vent ni à ses sautes d'humeur. Parce que un lac salé de quelques km2, c'est sympa, mais dans la vraie vie les routes ont tendance à finir par tourner, et le vent aussi...

Pour le reste j'imagine que ça ne change pas grand chose aux calculs : tout dépend du rendement  de l'éolienne et du véhicule en général (aérodynamisme, frottement liés au roulement, etc.) ?

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Re: Tirer parti du vent de face

Message par filomat le Lun 16 Fév 2015 - 10:15

Il y a des avantages (insensible à la direction du vent) et des inconvénients (on ne voit pas à travers), controverses sur le rendement des savonius par rapport à celui des hélices etc...

Il y a un exemple de savonius sur un pousse-pousse en Inde (un gros tambour d'axe horizontal et transversal au dessus) : L'axe horizontal transversal permet le couplage direct aux roues, mais ne fonctionne qu'avec le vent de face (contrairement à l'axe vertical qui tourne pour toutes les directions du vent).

Je ne connais pas de réalisation avec savonius d'axe vertical, mais "pourquoi pas ?".

Je ne connais pas non plus d'avions ou d'hélicoptères qui volent avec des savonius, mais "pourquoi pas" ?

J'ai trouvé une étude (russe) qui démontrait que le rendement des savonius était meilleur que celui des hélices... Peut-être un hoax pour faire le buzz ? ... Mais cela paraissait très sérieux, les aérodynamiciens sont toujours sérieux ... Même si rarement d'accord entre eux! Very Happy

En gros on ne peut pas retirer plus de puissance du vent qu'il n'y en a dans le tube de vent intercepté et la surface de captation d'une hélice parait, à poids égal, plus importante que celle d'une savonius.

Je vais essayer de retrouver la photo du pousse pousse indien.

" />

L'éolienne de ce rickshaw est du type darrieus et non savonius, et il faut bien voir que le rendement que l'on utilise dans l'aspect propulsion n'a pas la même définition que lorsque l'éolienne est fixe : L'éolienne savonius engendre des turbulences et la force de résistance sur le mât est sans doute plus élevée que pour les autres types : Quand l'éolienne est fixe on se moque de la résistance sur le mât, ce qui compte c'est seulement la puissance qu'elle fournit, mais pour la propulsion d'un véhicule ce qui compte c'est le rapport entre la puissance fournie et la résistance sur le mât.

Sur le lien ci-dessous exposé de la différence entre éoliennes darrieus et savonius :

http://a.bouque.eurotech.free.fr/3/3_4_PROJET/2b_activites_projet_eole/activites/xynops_eolex100/seq02/C02L04.pdf

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Re: Tirer parti du vent de face

Message par hube68 le Lun 16 Fév 2015 - 21:20

j'aime bien le bolide chinois avec la soufflante dans le nez. Comme s'il avait un moteur à pétrole surdimensionné nécessitant un gros ventilo pour le radiateur. En tout cas ils ont mis leur "éolienne" au plus mauvais endroit: près du sol (peu de vent) et masqué par la carrosserie (rendement de crotte).
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Re: Tirer parti du vent de face

Message par Nicolas974 le Mar 17 Fév 2015 - 6:35

Peut-être qu'à l'intérieur il y a des pédales qui permettent de faire tourner l'hélice ! Laughing

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Re: Tirer parti du vent de face

Message par filomat le Mar 17 Fév 2015 - 7:23

hube68 a écrit:j'aime bien le bolide chinois avec la soufflante dans le nez. Comme s'il avait un moteur à pétrole surdimensionné nécessitant un gros ventilo pour le radiateur. En tout cas ils ont mis leur "éolienne" au plus mauvais endroit: près du sol (peu de vent) et masqué par la carrosserie (rendement de crotte).

Il est vrai que la vitesse du vent évolue considérablement en fonction de la hauteur par rapport au sol , mais pour ce qui est de masquer la carrosserie par l'hélice c'est bien là qu'il faut la mettre, à mon avis, pour que la carrosserie soit abritée du vent, derrière l'hélice-éolienne où la vitesse de l'air est beaucoup plus faible qu'à l'amont et ainsi la carrosserie est moins freinée par l'air que s'il n'y avait pas d'hélice (c'est l'hélice qui freine mais elle récupère l'énergie de freinage).

C'est pour cela que même s'il n'y a pas de vent (de face), une hélice-éolienne placée devant le véhicule aurait un bilan très peu négatif sur la propulsion (elle récupère une énergie électrique et elle diminue la trainée du véhicule).

Je suppose que les empennages papillon à l'arrière sont là pour récupérer une petite poussée en cas de vent latéral.

J'avais réussi à retrouver des bribes de l'article de china news dans lequel les performances indiquées étaient surprenantes mais pas invraisemblables.

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Re: Tirer parti du vent de face

Message par filomat le Mar 17 Fév 2015 - 7:32

Nicolas974 a écrit:Peut-être qu'à l'intérieur il y a des pédales qui permettent de faire tourner l'hélice !  Laughing

Avant l'électrique les premières applications étaient purement mécaniques : l'hélice-éolienne étant directement couplée aux roues avec la démultiplication adéquate, un peu comme sur le rickshaw népalais.

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Re: Tirer parti du vent de face

Message par filomat le Mar 17 Fév 2015 - 8:03

doublon


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Re: Tirer parti du vent de face

Message par hube68 le Mar 17 Fév 2015 - 10:05

L'engin "cavallo" a l'air beaucoup plus efficace, par contre pour passer sous les ponts ou se faufiler dans une rue étroite... Laughing Laughing Laughing Laughing
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Re: Tirer parti du vent de face

Message par Nicolas974 le Mer 18 Fév 2015 - 6:55

filomat a écrit:c'est bien là qu'il faut la mettre, à mon avis, pour que la carrosserie soit abritée du vent, derrière l'hélice-éolienne où la vitesse de l'air est beaucoup plus faible qu'à l'amont et ainsi la carrosserie est moins freinée par l'air que s'il n'y avait pas d'hélice (c'est l'hélice qui freine mais elle récupère l'énergie de freinage).
Ce que voulait dire Hube68 je pense c'est que pour que l'air circule correctement à travers une hélice, il faut qu'elle soit dégagée en amont ET en aval. On imagine aisément la performance d'une éolienne plaquée contre un mur, même face au vent !...

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Re: Tirer parti du vent de face

Message par filomat le Mer 18 Fév 2015 - 11:23

Nicolas974 a écrit:
filomat a écrit:c'est bien là qu'il faut la mettre, à mon avis, pour que la carrosserie soit abritée du vent, derrière l'hélice-éolienne où la vitesse de l'air est beaucoup plus faible qu'à l'amont et ainsi la carrosserie est moins freinée par l'air que s'il n'y avait pas d'hélice (c'est l'hélice qui freine mais elle récupère l'énergie de freinage).
Ce que voulait dire Hube68 je pense c'est que pour que l'air circule correctement à travers une hélice, il faut qu'elle soit dégagée en amont ET en aval. On imagine aisément la performance d'une éolienne plaquée contre un mur, même face au vent !...

Justement ce n'est pas un mur, c'est un carénage qui laisse passer l'air derrière l'éolienne, au-moins sur les cotés ou s'il y a un tuyau ou autre dans le véhicule... D'après la théorie de Betz sur les éoliennes il faut réduire la vitesse du vent de 2/3 entre l'aval et l'amont.
Si on met ce carénage derrière l'éolienne le vent est presque trois fois moins fort qu'à l'amont, donc la résistance à l'air presque dix fois moins forte que si le carénage était à coté de l'éolienne (hors de son sillage).

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Re: Tirer parti du vent de face

Message par Nicolas974 le Mer 18 Fév 2015 - 13:03

Oui oui, je comprends bien l'intérêt pour le véhicule, qui se trouve à l'abri du vent lié à son déplacement, lequel vent ayant été utilisé à faire tourner l'hélice et donc ses roues !
Mais par contre j'ignorais la théorie de Betz (à moins que ce ne soit celle de Mercedes Razz ) avec cette réduction de 2/3 de la vitesse du vent à l'arrière de l'éolienne. Mais du coup, pourquoi les éoliennes industrielles ne sont-elles pas équipées d'un système de déflecteurs et de ralentissement de l'air à l'arrière des pales, puisque cela serait censé améliorer leur rendement ? Idea

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Re: Tirer parti du vent de face

Message par hube68 le Mer 18 Fév 2015 - 14:58

y-a comme un bug, si le vent est réduit des 2/3, cela veut dire qu'il circule sur une section multipliée par 3. Or la section est au contraire réduite par l'obstacle de la voiture. Il y a donc forcément des mégaturbulences tout autour. Sans compter que le véhicule a certainement été optimisé en soufflerie, mais un peu moins bien que ce qu'on fait avec une boite à chaussures... Laughing
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Re: Tirer parti du vent de face

Message par filomat le Mer 18 Fév 2015 - 16:30

Je vous l'avais bien dit que les aérodynamiciens ne sont jamais d'accord entre eux  ! Very Happy

Me reste plus qu'à me faire embaucher par Apple pour mettre une hélice devant Titan afin de minimiser la consommation d'énergie en profitant du vent de face Very Happy

Down Wind Faster Than the Wind


Dernière édition par filomat le Dim 22 Fév 2015 - 10:08, édité 2 fois (Raison : Apple)

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Re: Tirer parti du vent de face

Message par filomat le Lun 9 Mar 2015 - 19:55

Je lis (sur le site de bfmbusiness) que goodyear propose un pneu qui récupère de l'énergie électrique pour les voitures électriques (par effet piezoélectrique et aussi avec des cellules solaires sur le pneu).
Chaque fois que le déplacement du véhicule génère une transformation d'énergie mécanique en chaleur il est possible d'intercepter une partie de cette énergie sous forme électrique au moyen d'un dispositif adapté :

Il en est ainsi déjà de l'énergie de freinage (utilisée pour recharger les batteries), mais on a certainement aussi déjà imaginé de remplacer les amortisseurs passifs à huile par des amortisseurs actifs électriques, les pneus ont aussi un rôle d'amortissement qui les échauffe et il en est de même de la résistance aérodynamique qui échauffe l'air ... à moins que le véhicule ne s'abrite derrière une hélice qui récupère une partie de cette énergie comme le fait une dynamo de freinage connectée à la roue.
C'est un peu le système de la cogénération généralisé : Chaque fois qu'on produit de la chaleur on peut fabriquer de l'électricité en même temps.

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Re: Tirer parti du vent de face

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