PowerPoint-Folien zur 4. Vorlesung „Bionik I“

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1 PowerPoint-Folien zur 4. Vorlesung „Bionik I“
Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 4. Vorlesung „Bionik I“ Vom Vogelflügel zur Windturbine BERWIAN Verstehen und Kopieren eines biologischen Prinzips Weiterverwendung nur unter Angabe der Quelle gestattet

2 Windkraftnutzung in der Natur Möve im Aufwind an einer Klippe
Die Portugiesische Galeere segelt am Wind Möve im Aufwind an einer Klippe Albatros im dynamischen Segelflug

3 Ahornsamen Windkraftnutzung in der Natur ?

4 Die „Kopierwut“ kennt keine Grenzen !

5 ? Vom Vogelflügel zur Windkraftanlage
Was hat der Vogelflügel mit einer Windturbine zu tun ?

6 GROWIAN ? Große Windkraft Anlage (1985) 18 U/min
Der „Fluch“ von Growian Leistung = Drehmoment  Drehzahl ( genau: P = M  w ) 3 MW ?

7 Zurzeit größtes Windrad bei Brunsbüttel (Schleswig-Holstein)
Höhe: 183 m Rotor Ø: 126 m Leistung: 5 MW

8 Traum der Windkraftingenieure
Der Windkonzentrator !

9 Der Trichter als Windkonzentrator ?

10 Trichter Paradoxon Aus folgt (Kontinuitätsgleichung !) Windleistung:
Wenn der Wind den Trichter nicht umströmen würde

11 Erfinder-Latein Trichterdurchmesser: 10 m Windgeschwindigkeit: 10 m/s
Aus der Zeitschrift Sonnenenergie 6/86 Trichterdurchmesser: 10 m Windgeschwindigkeit: 10 m/s Nennleistung: 170 kW Erfinder-Latein  20 kW

12 Vom umgedrehten Trichter zur Mantelturbine K = 3,5 K =
Rotorleistung mit Konzentrator Rotorleistung ohne Konzentrator K = Konzentrationsfaktor Als angestellten Flugzeugtragflügel deuten Vom umgedrehten Trichter zur Mantelturbine

13 Architekten Vision Mantelturbine

14 Tornado

15 Windenergie aus Wirbeln ?

16 Deltaflügel als Windkonzentrator
Konzentrationsfaktor K = 1,7 Deltaflügel als Windkonzentrator

17 Energiekonzentration eines Wirbels
Geschwindigkeitskonzentration eines Wirbels

18 r r a a I sin a d = d 4 p r G sin a d v = d s 4 p r d s I s d d s d v
Elektrotechnik Kupferdraht d s I a I sin a d H = d s r 4 p r 2 d H Strömungstechnik d s Wirbelfaden a G sin a d v = d s r 4 p r 2 d v Das BIOT-SAVARTsche Gesetz

19 Magnetspule und Wirbelspule Konzentration des Geschwindigkeitsfeldes
H = Magnetfeldstärke I = Stromstärke v = Strömungsfeldstärke G = Wirbelstärke w = Windungszahl l = Länge der Spule Konzentration des Geschwindigkeitsfeldes

20 Strömungsbeschleunigende Wirbelsysteme
Ringe Wirbel- Spule Strömungsbeschleunigende Wirbelsysteme

21 Wie lässt sich eine Wirbelspule erzeugen ?
Wie lässt sich ein Wirbelfaden erzeugen ? Wirbelintensität Anströmgeschwindigkeit Auftriebsbeiwert Flügeltiefe Randwirbel am Tragflügel

22 Rotierender Tragflügel mit Randwirbel erzeugt eine Wirbelspule

23 Doppelte Wirbelspule eines Propellers
Propellerstrahl Doppelte Wirbelspule eines Propellers

24 Kann man einen Wirbelfaden auch ohne mechanische Rotation zu einer Spule wickeln ?

25 Rabengeier am Zuckerhut

26 Wirbelspule an einem Spreizflügel

27 Selbstwicklung von zwei gleich drehenden Wirbeln
im physikalischen Modell und in der Natur

28 Wirbelspulen Vom Vogelflügel zum Windkonzentrator

29 Vom Windkonzentrator zur Konzentrator-Windturbine

30 Wirbelspule an einem Tragflügelstern

31 BERWIAN – Berliner-Windkraft-Anlage
Auf der Bundesgartenschau in Berlin 1986 Auf dem Kaiser Wilhelm Koog BERWIAN – Berliner-Windkraft-Anlage

32 BERWIAN: Freilandversuche (1984 – 1988)

33 Freilandversuchsanlagen
(1984 – 1989)

34 Wellenmodell der doppelten Wirbelschichtspule
4 Kinematische Bedingungen 3 2 Randbedingungen 1 Wirbelbedingungen BERWIAN -Theorie Wellenmodell der doppelten Wirbelschichtspule

35 Ergebnisse der Theorie
Flügeltiefe Auftriebsbeiwert Flügelzahl Konzentratorbeiwert

36 K = Definition - Konzentrationsfaktor mit
Rotorleistung mit Konzentrator K = Rotorleistung ohne Konzentrator mit ca = Auftriebsbeiwert des Konzentratorflügels t = Tiefe des Konzentratorflügels z = Zahl der Konzentratorflügel d = Durchmesser der inneren Wirbelspule D = Durchmesser der äußeren Wirbelspule

37 Messung des „ideellen“ Konzentrationsfaktors

38 Wie viel Energie kann man mit einer Windkraftanlage ernten
?

39 F Δp F = Rotorstirnfläche Leistung 4 Gleichungen zur Bestimmung
Luftvolumen Δp F F = Rotorstirnfläche Leistung Mengenstrom 4 Gleichungen zur Bestimmung von Impulssatz Energiesatz

40 Theoretische Maximalleistung einer Windturbine
Leistungsbeiwert Theoretische Maximalleistung einer Windturbine

41 zu stark zu schwach optimal Windabbremsung durch einen Rotor

42 F Die Theorie liefert maximalen Wirkungsgrad für:
Albert Betz (1885 – 1968) Die Theorie liefert maximalen Wirkungsgrad für: Wirkungsgrad (BETZscher Leistungsbeiwert)

43 Bei gleichem Stirndurchmesser D ist P2 maximal ½ P1 (geschätzt)
1. Klassische Windturbine 2. Konzentator-Windturbine

44 Quintessenz: Die sich selbst wickelnde Wirbelspule ist gegenwärtig das wirksamste Prinzip, um in einer freien Strömung ein lokal beschleunigtes Strömungsfeld zu erzeugen. Die nach diesem Prinzip funktionierende Konzentator-Windturbine BERWIAN kann durch eine Geschwindigkeitsverdoppelung die Leistung eines Windrotors ver8fachen. Die Geschwindigkeitskonzentration ist jedoch nicht zum Nulltarif zu erhalten. Der bisher beste BERWIAN besaß einen auf die Stirnfläche bezogenen cp-Wert von 0,33. Hier kann BERWIAN nicht mit einer klassischen dreiflügelige Windkraftanlage konkur-rieren, die einen Beiwert von cp = 0,50 (85% des theoretischen Maximums) aufweist. Durch weitere Entwicklungsarbeiten zur optimalen Formgebung von BERWIAN sollte der Leistungsbeiwert auf 0,4 gesteigert werden können.

45 Multirotor-BERWIAN

46 Ionen-BERWIAN BERWIAN Klassik U BERWIAN Fiktion

47 Windpark in den USA Zukunftsvision: Statt 200 Normalanlagen ein Multirotor-BERWIAN mit 1000 m Höhe

48 Ende