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Veröffentlicht von:Engelram Natzke Geändert vor über 10 Jahren
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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
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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
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Ahornsamen Windkraftnutzung in der Natur ?
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Die „Kopierwut“ kennt keine Grenzen !
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? Vom Vogelflügel zur Windkraftanlage
Was hat der Vogelflügel mit einer Windturbine zu tun ?
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GROWIAN ? Große Windkraft Anlage (1985) 18 U/min
Der „Fluch“ von Growian Leistung = Drehmoment Drehzahl ( genau: P = M w ) 3 MW ?
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Zurzeit größtes Windrad bei Brunsbüttel (Schleswig-Holstein)
Höhe: 183 m Rotor Ø: 126 m Leistung: 5 MW
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Traum der Windkraftingenieure
Der Windkonzentrator !
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Der Trichter als Windkonzentrator ?
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Trichter Paradoxon Aus folgt (Kontinuitätsgleichung !) Windleistung:
Wenn der Wind den Trichter nicht umströmen würde
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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
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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
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Architekten Vision Mantelturbine
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Tornado
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Windenergie aus Wirbeln ?
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Deltaflügel als Windkonzentrator
Konzentrationsfaktor K = 1,7 Deltaflügel als Windkonzentrator
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Energiekonzentration eines Wirbels
Geschwindigkeitskonzentration eines Wirbels
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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
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Magnetspule und Wirbelspule Konzentration des Geschwindigkeitsfeldes
H = Magnetfeldstärke I = Stromstärke v = Strömungsfeldstärke G = Wirbelstärke w = Windungszahl l = Länge der Spule Konzentration des Geschwindigkeitsfeldes
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Strömungsbeschleunigende Wirbelsysteme
Ringe Wirbel- Spule Strömungsbeschleunigende Wirbelsysteme
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Wie lässt sich eine Wirbelspule erzeugen ?
Wie lässt sich ein Wirbelfaden erzeugen ? Wirbelintensität Anströmgeschwindigkeit Auftriebsbeiwert Flügeltiefe Randwirbel am Tragflügel
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Rotierender Tragflügel mit Randwirbel erzeugt eine Wirbelspule
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Doppelte Wirbelspule eines Propellers
Propellerstrahl Doppelte Wirbelspule eines Propellers
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Kann man einen Wirbelfaden auch ohne mechanische Rotation zu einer Spule wickeln ?
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Rabengeier am Zuckerhut
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Wirbelspule an einem Spreizflügel
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Selbstwicklung von zwei gleich drehenden Wirbeln
im physikalischen Modell und in der Natur
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Wirbelspulen Vom Vogelflügel zum Windkonzentrator
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Vom Windkonzentrator zur Konzentrator-Windturbine
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Wirbelspule an einem Tragflügelstern
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BERWIAN – Berliner-Windkraft-Anlage
Auf der Bundesgartenschau in Berlin 1986 Auf dem Kaiser Wilhelm Koog BERWIAN – Berliner-Windkraft-Anlage
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BERWIAN: Freilandversuche (1984 – 1988)
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Freilandversuchsanlagen
(1984 – 1989)
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Wellenmodell der doppelten Wirbelschichtspule
4 Kinematische Bedingungen 3 2 Randbedingungen 1 Wirbelbedingungen BERWIAN -Theorie Wellenmodell der doppelten Wirbelschichtspule
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Ergebnisse der Theorie
Flügeltiefe Auftriebsbeiwert Flügelzahl Konzentratorbeiwert
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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
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Messung des „ideellen“ Konzentrationsfaktors
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Wie viel Energie kann man mit einer Windkraftanlage ernten
?
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F Δp F = Rotorstirnfläche Leistung 4 Gleichungen zur Bestimmung
Luftvolumen Δp F F = Rotorstirnfläche Leistung Mengenstrom 4 Gleichungen zur Bestimmung von Impulssatz Energiesatz
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Theoretische Maximalleistung einer Windturbine
Leistungsbeiwert Theoretische Maximalleistung einer Windturbine
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zu stark zu schwach optimal Windabbremsung durch einen Rotor
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F Die Theorie liefert maximalen Wirkungsgrad für:
Albert Betz (1885 – 1968) Die Theorie liefert maximalen Wirkungsgrad für: Wirkungsgrad (BETZscher Leistungsbeiwert)
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Bei gleichem Stirndurchmesser D ist P2 maximal ½ P1 (geschätzt)
1. Klassische Windturbine 2. Konzentator-Windturbine
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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.
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Multirotor-BERWIAN
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Ionen-BERWIAN BERWIAN Klassik U BERWIAN Fiktion
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Windpark in den USA Zukunftsvision: Statt 200 Normalanlagen ein Multirotor-BERWIAN mit 1000 m Höhe
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Ende
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