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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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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 Weiterverwendung nur unter Angabe der Quelle gestattet

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

3 Windkraftnutzung in der Natur ? Ahornsamen

4 Die Kopierwut kennt keine Grenzen !

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

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

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

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

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

13 Mantelturbine Architekten Vision

14 Tornado

15 Windenergie aus Wirbeln ?

16 Deltaflügel als Windkonzentrator Konzentrationsfaktor K = 1,7

17 Energiekonzentration eines Wirbels Geschwindigkeitskonzentration eines Wirbels

18 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

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

20 Wirbel- Ringe Wirbel- Spule Strömungsbeschleunigende Wirbelsysteme

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

22 Rotierender Tragflügel mit Randwirbel erzeugt eine Wirbelspule

23 Doppelte Wirbelspule eines Propellers Propellerstrahl

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 zur Konzentrator-Windturbine Vom Windkonzentrator

30 Wirbelspule an einem Tragflügelstern

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

32 BERWIAN: Freilandversuche (1984 – 1988)

33 Freilandversuchsanlagen (1984 – 1989)

34 Wellenmodell der doppelten Wirbelschichtspule Kinematische Bedingungen Randbedingungen Wirbelbedingungen BERWIAN -Theorie

35 Ergebnisse der Theorie Auftriebsbeiwert Flügelzahl Flügeltiefe Konzentratorbeiwert

36 Definition - Konzentrationsfaktor Rotorleistung mit Konzentrator Rotorleistung ohne Konzentrator 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

37 Messung des ideellen Konzentrationsfaktors

38 Wie viel Energie kann man mit einer Windkraftanlage ernten ?

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

40 Leistungsbeiwert Theoretische Maximalleistung einer Windturbine

41 Windabbremsung durch einen Rotor zu stark zu schwach optimal

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

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

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 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 0,33. 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. Durch weitere Entwicklungsarbeiten zur optimalen Formgebung von B ERWIAN sollte der Leistungsbeiwert auf 0,4 gesteigert werden können.

45 Multirotor-BERWIAN

46 Ionen-B ERWIAN U B ERWIAN Fiktion B ERWIAN Klassik

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

48 Ende


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