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Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 4. Vorlesung „Bionik I“ Vom Vogelflügel zur Windturbine BERWIAN Verstehen und Kopieren eines biologischen Prinzips.

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1 Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 4. Vorlesung „Bionik I“ Vom Vogelflügel zur Windturbine BERWIAN Verstehen und Kopieren eines biologischen Prinzips

2 Windkraftnutzung in der Natur

3 Möve im Aufwind an einer Klippe Albatros im dynamischen Segelflug Die Portugiesische Galeere segelt vor dem Wind Windkraftnutzung in der Natur Keine Qualle, sondern eine Polypenkolonie, die eine Gasblase mit bis zu 50 m langen Tentakeln bildet

4 Rotor zur Windkraftnutzung in der Natur ? Ahornsamen

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

6 GROWIAN Große Windkraft Anlage (1984) Leistung = Drehmoment  Drehzahl Der „Fluch“ von GROWIAN 18 U/min ( genau: P = M    ) 3 MW Riesig groß Rotor Ø: 100,4 m Sehr klein

7 Nabenhöhe: 135 m Rotor Ø: 127 m Großes Windrad der Firma ENERCON Leistung: 7,5 MW Das zur Zeit größte Windrad hat Samsung entwickelt mit 162 m Rotor Ø

8 Traum der Windkraftingenieure Der Windkonzentrator !

9 Der Trichter als Windkonzentrator ?

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

11 Die Natur passt auf, dass keine Wunder geschehen Der Trichter wird zum großen Teil umströmt

12 Aus der Zeitschrift Sonnenenergie 6/86 Erfinder-Latein Trichterdurchmesser: 10 m Windgeschwindigkeit: 10 m/s Nennleistung: 170 kW 48 kW ! Windleistung, die auf den Trichter trifft

13 Vom umgedrehten Trichter zurMantelturbine K = 3,5 Als angestellten Flugzeugtragflügel deuten Rotorleistung mit Konzentrator Rotorleistung ohne Konzentrator K K  Konzentrationsfaktor

14 Mantelturbine Architekten Vision

15 Tornado

16 Windenergie aus Wirbeln ? Wirbel am Deltaflügel

17 Deltaflügel als Windkonzentrator Konzentrationsfaktor K = 1,7

18 Energiekonzentration eines Wirbels Geschwindigkeitskonzentration eines Wirbels

19  r d v d s s r v d sin 4 d 2   = Strömungstechnik  r d H d s I s r I H d sin 4 d 2   = Elektrotechnik Das B IOT -S AVART sche Gesetz Kupferdraht Wirbelfaden  Was mache Elektotechniker, wenn sie die Magnetfeldstärke erhöhen wollen ?

20 Die stärkste Konzentration eines Magnetfeldes ergibt sich, wenn der stromdurchflossene Draht zu einer Spule gewickelt wird In der Elektrotechnik gilt:

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

22 Wirbel- Ringe Wirbel- Spule Strömungsbeschleunigende Wirbelsysteme

23 Wie lässt sich eine Wirbelspule erzeugen ? Wie lässt sich ein Wirbelfaden erzeugen ? Randwirbel am Tragflügel Wirbelintensität Auftriebsbeiwert Anströmgeschwindigkeit Flügeltiefe _ _ _ Muss zu einer Spule gewickelt werden

24 Rotierender Tragflügel mit Randwirbel erzeugt eine Wirbelspule

25 Doppelte Wirbelspule eines Propellers Propellerstrahl Gedeutet als eine Geschwindigkeits- konzentration, er- zeugt durch eine Strömungsspule.

26 Sichtbarwerdung der Propeller-Wirbelspule durch Kondensation feuchter Luft im Unterdruck-Kern der Propeller-Randwirbel

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

28 Rabengeier am Zuckerhut Vorbild Spreizung des Flügelendes

29 Wirbelspule an einem Spreizflügel

30 Selbstwicklung von zwei sich gleichsinnig drehenden Wirbeln So wie am gespreizten Vogelflügel Es bildet sich eine Wirbelspule Das Drehfeld des grünen Wirbels Das Drehfeld des blauen Wirbels Beide Wirbel rotieren um ihren Schwerpunkt stößt den blauen Wirbel nach links (grüner Pfeil). stößt den grünen Wirbel nach rechts (blauer Pfeil).

31 Wirbelspulen Vom Vogelflügel zum Windkonzentrator

32 zur Konzentrator-Windturbine Vom Windkonzentrator

33 Wirbelspule an einem Tragflügelstern

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

35 BERWIAN: Freilandversuche (1984 – 1988)

36 Mechanisches 4-Wellenmodell der doppelten Wirbelschichtspule Kinematische Bedingungen Randbedingungen Wirbelbedingungen BERWIAN -Theorie

37 Ergebnisse der Theorie Auftriebsbeiwert Flügelzahl Flügeltiefe Konzentratorbeiwert

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

39 Messung des „ideellen“ Konzentrationsfaktors

40 Wie viel Energie kann man mit einer Windkraftanlage ernten ?

41 F = Rotorstirnfläche ΔpΔp F 4 Gleichungen zur Bestimmung von Mengenstrom Leistung Energiesatz Impulssatz Luftpaket Newtons Grundgesetz im Stromfaden Energie-Erhaltungssatz Beachten Sie bei der Ableitung die Beziehung:

42 Leistungsbeiwert Theoretische Maximalleistung einer Windturbine Stirnflächenleistung

43 Anschaulich: Denken mit der Kontinuitätsgleichung

44 Windabbremsung durch einen Rotor zu stark zu schwach optimal Zusammenschnürung der Stirnfläche

45 Die Theorie liefert maximalen Wirkungsgrad für: F Wirkungsgrad (B ETZ scher Leistungsbeiwert) Albert Betz (1885 – 1968)

46 Eine moderne Windkraftanlage hat einen c p -Wert von 0,50 Das ist 85% des theoretischen Maximums Wenn hoher Wirkungsgrad das einzige Ziel wäre, würde man gewiss auch 90% erreichen Aber bestimmt nicht so !

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

48 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 B ERWIAN kann durch eine Geschwindigkeitsverdoppelung die Leistung eines Windrotors ver8fachen. Die Geschwindigkeitskonzentration ist jedoch nicht zum Nulltarif zu erhalten. Der bisher beste B ERWIAN besaß einen auf die Stirnfläche bezogenen c p -Wert von 0,30. Hier kann B ERWIAN nicht mit einer klassischen dreiflügelige Windkraftanlage konkur- rieren, die einen Beiwert von c p = 0,50 (85% des theoretischen Maximums) aufweist.

49 Klein und schnell ist wesentlich besser als groß und langsam Modellflugdiesel wiegen so viel wie..... und sie leisten 45-mal mehr Siehe 6. Vorlesung ein Schiffsdiesel 16-Zylinder-Motor des Bugatti Veyron

50 Multirotor-BERWIAN Berwian Test 2014 im Waldecker Land (Nordhessen)

51 Windpark in den USA Zukunftsvision: Statt 200 Normalanlagen ein Multirotor-BERWIAN mit 800 m Höhe Negative Vision des SPIEGELs

52 Weitere Ideen zur Nutzung des Prinzips „Wirbelspule“

53 Das Berwian-Prinzip als Sauglüfter

54 Ein Rotierenlassen des Flügelsterns wickelt die Wirbelspule enger Die Geschwindikeit wird nochmals erhöht

55 Das Foto entstand im Februar Bei einer besonderen Wetterkonstellation mit sehr feuchter Luft verursachten die Windräder Kondensationserscheinungen.

56 Könnte ein BERWIAN Wolken erzeugen ?

57 B ERWIAN Klassik MHD-B ERWIAN Ionisierungsgitter Leistungsdichte p ~  (v  B ) 2 Magnetfeldstärke Strömungsgeschwindigkeit Leitfähigkeit Strömungsmedium

58 Energie aus dem Golfstrom MHD-B ERWIAN im leitenden Meerwasser Leistungsdichte p ~  (v  B ) 2

59 Idee eines Wirbelspulen-Gitters Drehrichtung der Wirbelspulen Sogseite Flügel Druckseite Flügel Flügelgitter Wirbel- spule

60 Ende


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