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 Möve im Aufwind an einer Klippe Die Portugiesische Galeere segelt am Wind Möve im Aufwind an einer Klippe 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 18 U/min Der „Fluch“ von Growian Leistung = Drehmoment Drehzahl ( genau: P = M w ) 3 MW Riesig groß
Größtes Windrad der Firma ENERCON Nabenhöhe: 135 m Rotor Ø: 127 m Leistung: 7,5 MW
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 Trichterdurchmesser: 10 m Windgeschwindigkeit: 10 m/s Nennleistung: 170 kW Erfinder-Latein 20 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 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 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 gleich drehenden Wirbeln im physikalischen Modell und in der Natur
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)
Freilandversuchsanlagen (1984 – 1989)
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 Luftvolumen 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)
Bei gleichem Stirndurchmesser D ist P2 maximal 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 0,33. 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.
Hat bestimmt keinen Wirkungsgrad über 85% Exotische Windkraftanlage
Das Berwian-Prinzip als Sauglüfter
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
Multirotor-BERWIAN
Negative Vision des SPIEGELs Windpark in den USA Zukunftsvision: Statt 200 Normalanlagen ein Multirotor-BERWIAN mit 1000 m Höhe
Zukunft: Offshore Windkraftanlagen
Ende www.bionik.tu-berlin.de