PowerPoint-Folien zur 4. Vorlesung „Bionik I“

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1 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

2 Windkraftnutzung in der Natur

3 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

4 Rotor zur Windkraftnutzung in der Natur ?
Ahornsamen

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

6 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

7 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

8 Traum der Windkraftingenieure
Der Windkonzentrator !

9 Der Trichter als Windkonzentrator ?

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

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

12 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 !

13 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

14 Architekten Vision Mantelturbine

15 Tornado

16 Windenergie aus Wirbeln ?
Wirbel am Deltaflügel Windenergie aus Wirbeln ?

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

18 Energiekonzentration eines Wirbels
Geschwindigkeitskonzentration eines Wirbels

19 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

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

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

22 Strömungsbeschleunigende Wirbelsysteme
Ringe Wirbel- Spule Strömungsbeschleunigende Wirbelsysteme

23 + _ 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

24 Rotierender Tragflügel mit Randwirbel erzeugt eine Wirbelspule

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

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
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

31 Wirbelspulen Vom Vogelflügel zum Windkonzentrator

32 Vom Windkonzentrator zur Konzentrator-Windturbine

33 Wirbelspule an einem Tragflügelstern

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

35 BERWIAN: Freilandversuche (1984 – 1988)

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

37 Ergebnisse der Theorie
Flügeltiefe Auftriebsbeiwert Flügelzahl Konzentratorbeiwert

38 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

39 Messung des „ideellen“ Konzentrationsfaktors

40 Wie viel Energie kann man mit
einer Windkraftanlage ernten ?

41 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:

42 Theoretische Maximalleistung einer Windturbine
Leistungsbeiwert Stirnflächenleistung Theoretische Maximalleistung einer Windturbine

43 Anschaulich: Denken mit der Kontinuitätsgleichung

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

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

46 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 !

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

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 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.

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

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

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

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

56 Könnte ein BERWIAN Wolken erzeugen ?

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

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

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

60 Ende