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Ingo Rechenberg. PowerPoint-Folien zur 4. Vorlesung „Bionik I“. Vom Vogelflügel zur Windturbine BERWIAN Verstehen und Kopieren eines biologischen Prinzips. Windkraftnutzung in der Natur. Die Portugiesische Galeere segelt am Wind.

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Presentation Transcript
slide1

Ingo Rechenberg

PowerPoint-Folien zur 4. Vorlesung „Bionik I“

Vom Vogelflügel zur Windturbine BERWIAN

Verstehen und Kopieren eines biologischen Prinzips

slide2

Windkraftnutzung

in der Natur

Die Portugiesische Galeere segelt am Wind

Möve im Aufwind an einer Klippe

Albatros im dynamischen Segelflug

slide4

Vom Vogelflügel zur Windkraftanlage

Was hat der Vogelflügel mit einer Windturbine zu tun

?

slide5

GROWIAN

Große Windkraft Anlage (1985)

18 U/min

Der „Fluch“ von Growian

Leistung = Drehmoment  Drehzahl

(genau: P = Mw)

Riesig groß

3 MW

slide6

Zurzeit größtes Windrad bei Brunsbüttel (Schleswig-Holstein)

Höhe: 183 m

Rotor Ø: 126 m

Leistung: 5 MW

slide7

Traum der Windkraftingenieure

Der Windkonzentrator !

slide9

Trichter Paradoxon

folgt

Aus

(Kontinuitätsgleichung!)

Windleistung:

Wenn der Wind den Trichter nicht umströmen würde

slide10

Die Natur passt auf, dass keine Wunder geschehen

Der Trichter wird zum großen Teil umströmt

slide11

Aus der Zeitschrift

Sonnenenergie 6/86

Trichterdurchmesser: 10 m

Windgeschwindigkeit: 10 m/s

Nennleistung: 170 kW

Erfinder-Latein

20 kW

slide12

Rotorleistung mit Konzentrator

K=

Konzentrationsfaktor

Rotorleistung ohne Konzentrator

K = 3,5

Als angestellten Flugzeugtragflügel deuten

Vom

umgedrehten

Trichter

zur

Mantelturbine

slide13

Architekten Vision

Mantelturbine

slide15

Windenergie aus Wirbeln ?

Wirbel am Deltaflügel

slide16

Konzentrationsfaktor K = 1,7

Deltaflügel als Windkonzentrator

slide17

Energiekonzentration eines Wirbels

Geschwindigkeitskonzentration eines Wirbels

slide18

Elektrotechnik

Kupferdraht

d

s

I

a

sin

I

a

d

d

s

=

H

r

4

r

p

2

d

H

Strömungstechnik

d

s

G

a

Wirbelfaden

G

sin

a

d

v

d

s

=

r

4

r

2

p

v

d

Das BIOT-SAVARTsche Gesetz

slide19

Magnetspule

und

Wirbelspule

H= Magnetfeldstärke

I= Stromstärke

v= Strömungsfeldstärke

G= Wirbelstärke

w = Windungszahl

l= Länge der Spule

Konzentration des Geschwindigkeitsfeldes

slide20

Wirbel-

Ringe

Wirbel-

Spule

Strömungsbeschleunigende

Wirbelsysteme

slide21

Wie lässt sich eine Wirbelspule erzeugen ?

Wie lässt sich ein Wirbelfaden erzeugen ?

Wirbelintensität

Anströmgeschwindigkeit

Auftriebsbeiwert

Flügeltiefe

Randwirbel am Tragflügel

slide23

Propellerstrahl

Doppelte Wirbelspule eines Propellers

slide24

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

slide26

Rabengeier am Zuckerhut

Vorbild Spreizung des Flügelendes

slide28

Selbstwicklung von zwei gleich drehenden Wirbeln

im physikalischen Modell

undin der Natur

slide29

Wirbelspulen

Vom Vogelflügel

zum Windkonzentrator

slide30

Vom Windkonzentrator

zur Konzentrator-Windturbine

slide32

Auf der Bundesgartenschau in Berlin 1986

Auf dem Kaiser Wilhelm Koog

BERWIAN–Berliner-Windkraft-Anlage

slide35

4

Kinematische Bedingungen

3

2

Randbedingungen

1

Wirbelbedingungen

BERWIAN-Theorie

Mechanisches 4-Wellenmodell der doppelten Wirbelschichtspule

slide36

Ergebnisse der Theorie

Flügeltiefe

Auftriebsbeiwert

Flügelzahl

Konzentratorbeiwert

slide37

Definition - Konzentrationsfaktor

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

slide40

Luftvolumen

F

Δp

Leistung

4 Gleichungen zur Bestimmung

von

Mengenstrom

Impulssatz

Energiesatz

F= Rotorstirnfläche

Newtons Grundgesetz im Stromfaden

Energie-Erhaltungssatz

Beachten Sie bei der Ableitung die Beziehung:

slide41

Leistungsbeiwert

Stirnflächenleistung

Theoretische Maximalleistung einer Windturbine

slide42

Windabbremsung

durch einen Rotor

zu stark

zu schwach

optimal

Zusammenschnürung

der Stirnfläche

slide43

Wirkungsgrad (BETZscher Leistungsbeiwert)

F

Albert Betz (1885 – 1968)

Die Theorie liefert maximalen Wirkungsgrad für:

slide44

D

D

Bei gleichem Stirndurchmesser D ist P2 maximal ½ P1 (geschätzt)

2. Konzentator-Windturbine

1. Klassische Windturbine

slide45

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.

slide47

BERWIAN Klassik

Ionisierungsgitter

Strömungsgeschwindigkeit

Magnetfeldstärke

Leistungsdichte p ~ (v B)2

Leitfähigkeit Strömungsmedium

MHD-BERWIAN

slide48

Energie aus

dem Golfstrom

MHD-Berwianim leitenden Meerwasser

slide50

Windpark in den USA

Zukunftsvision: Statt 200 Normalanlagen ein Multirotor-BERWIAN mit 1000 m Höhe

slide51

Ende

www.bionik.tu-berlin.de