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

Windkraftnutzung in der Natur

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

Rotor zur Windkraftnutzung in der Natur ? Ahornsamen

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

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

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

Traum der Windkraftingenieure Der Windkonzentrator !

Der Trichter als Windkonzentrator ?

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

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

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

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

Architekten Vision Mantelturbine

Tornado

Windenergie aus Wirbeln ? Wirbel am Deltaflügel Windenergie aus Wirbeln ?

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

Energiekonzentration eines Wirbels Geschwindigkeitskonzentration eines Wirbels

G 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 Elektrotechnik Kupferdraht d s I Was mache Elektotechniker, wenn sie die Magnetfeldstärke erhöhen wollen ? a I sin a d H = d s r 4 p r 2 d H Strömungstechnik d s G Wirbelfaden a G sin a d v = d s r 4 p r 2 d v Das BIOT-SAVARTsche Gesetz

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

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

Strömungsbeschleunigende Wirbelsysteme Ringe Wirbel- Spule Strömungsbeschleunigende Wirbelsysteme

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

Rotierender Tragflügel mit Randwirbel erzeugt eine Wirbelspule

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

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

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

Rabengeier am Zuckerhut Vorbild Spreizung des Flügelendes

Wirbelspule an einem Spreizflügel

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

Wirbelspulen Vom Vogelflügel zum Windkonzentrator

Vom Windkonzentrator zur Konzentrator-Windturbine

Wirbelspule an einem Tragflügelstern

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

BERWIAN: Freilandversuche (1984 – 1988)

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

Ergebnisse der Theorie Flügeltiefe Auftriebsbeiwert Flügelzahl Konzentratorbeiwert

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

Messung des „ideellen“ Konzentrationsfaktors

Wie viel Energie kann man mit einer Windkraftanlage ernten ?

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

Theoretische Maximalleistung einer Windturbine Leistungsbeiwert Stirnflächenleistung Theoretische Maximalleistung einer Windturbine

Anschaulich: Denken mit der Kontinuitätsgleichung

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

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

Eine moderne Windkraftanlage hat einen cp -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 !

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

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 0,30. Hier kann BERWIAN nicht mit einer klassischen dreiflügelige Windkraftanlage konkur-rieren, die einen Beiwert von cp = 0,50 (85% des theoretischen Maximums) aufweist.

. . . . . Klein und schnell ist wesentlich besser als groß und langsam 16-Zylinder-Motor des Bugatti Veyron . . . . . 1 000 000 Modellflugdiesel wiegen so viel wie ein Schiffsdiesel und sie leisten 45-mal mehr Siehe 6. Vorlesung

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

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

Weitere Ideen zur Nutzung des Prinzips „Wirbelspule“

Das Berwian-Prinzip als Sauglüfter

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

Das Foto entstand im Februar 2008 Das Foto entstand im Februar 2008. Bei einer besonderen Wetterkonstellation mit sehr feuchter Luft verursachten die Windräder Kondensationserscheinungen.

Könnte ein BERWIAN Wolken erzeugen ?

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

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

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

Ende www.bionik.tu-berlin.de