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

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

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

7 Nabenhöhe: 135 m Rotor Ø: 127 m Größtes Windrad der Firma ENERCON Leistung: 7,5 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 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 20 kW

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

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

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 gleich drehenden Wirbeln im physikalischen Modell und in der Natur

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 Freilandversuchsanlagen (1984 – 1989)

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

38 Ergebnisse der Theorie Auftriebsbeiwert Flügelzahl Flügeltiefe Konzentratorbeiwert

39 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

40 Messung des ideellen Konzentrationsfaktors

41 Wie viel Energie kann man mit einer Windkraftanlage ernten ?

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

43 Leistungsbeiwert Theoretische Maximalleistung einer Windturbine Stirnflächenleistung

44 Anschaulich: Denken mit der Kontinuitätsgleichung

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

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

47 1. Klassische Windturbine D D 2. Konzentator-Windturbine Bei gleichem Stirndurchmesser D ist P2 maximal 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 0,33. 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.

49 Exotische Windkraftanlage Hat bestimmt keinen Wirkungsgrad über 85%

50 Das Berwian-Prinzip als Sauglüfter

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

52 Energie aus dem Golfstrom MHD-B ERWIAN im leitenden Meerwasser

53 Multirotor-BERWIAN

54 Windpark in den USA Zukunftsvision: Statt 200 Normalanlagen ein Multirotor-BERWIAN mit 1000 m Höhe Negative Vision des SPIEGELs

55 Zukunft: Offshore Windkraftanlagen

56 Ende


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