Folie 1

1
Ingo Rechenberg
PowerPoint-Folien zur 4. Vorlesung Bionik I
Vom Vogelflügel zur Windturbine BERWIAN
Verstehen und Kopieren eines biologischen
Prinzips
Weiterverwendung nur unter Angabe der Quelle
gestattet
2
Windkraftnutzung in der Natur
Die Portugiesische Galeere segelt am Wind
Möve im Aufwind an einer Klippe
Albatros im dynamischen Segelflug
3
Ahornsamen
Windkraftnutzung in der Natur ?
4
Die Kopierwut kennt keine Grenzen !
5
Vom Vogelflügel zur Windkraftanlage
Was hat der Vogelflügel mit einer Windturbine zu
tun
?
6
GROWIAN
Große Windkraft Anlage (1985)
18 U/min
Der Fluch von Growian
Leistung Drehmoment ? Drehzahl
( genau P M ? w )
?
3 MW
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Zurzeit größtes Windrad bei Brunsbüttel
(Schleswig-Holstein)
Höhe 183 m
Rotor Ø 126 m
Leistung 5 MW
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Traum der Windkraftingenieure
Der Windkonzentrator !
9
Der Trichter als Windkonzentrator ?
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Trichter Paradoxon
Aus
folgt
(Kontinuitätsgleichung !)
Windleistung
Wenn der Wind den Trichter nicht umströmen würde
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Aus der Zeitschrift Sonnenenergie 6/86
Trichterdurchmesser 10 m Windgeschwindigkeit
10 m/s Nennleistung 170 kW
Erfinder-Latein
? 20 kW
12
K 3,5
Als angestellten Flugzeugtragflügel deuten
Vom umgedrehten Trichter
zur
Mantelturbine
13
Mantelturbine
14
Tornado
15
Windenergie aus Wirbeln ?
16
Konzentrationsfaktor K 1,7
Deltaflügel als Windkonzentrator
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Energiekonzentration eines Wirbels
Geschwindigkeitskonzentration eines Wirbels
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Elektrotechnik
Kupferdraht
d
s
I
a
I
sin
a
d
d
s

H
r
r
4
p
2
d
H
Strömungstechnik
d
s
a
Wirbelfaden
sin
a
G
s
v
d
d

r
r
4
2
p
v
d
Das BIOT-SAVARTsche Gesetz
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Magnetspule und Wirbelspule
H Magnetfeldstärke I Stromstärke v
Strömungsfeldstärke G Wirbelstärke
w Windungszahl l Länge der Spule
Konzentration des Geschwindigkeitsfeldes
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Wirbel-
Ringe
Wirbel-
Spule
Strömungsbeschleunigende
Wirbelsysteme
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Wie lässt sich eine Wirbelspule erzeugen ?
Wie lässt sich ein Wirbelfaden erzeugen ?
Wirbelintensität
Anströmgeschwindigkeit
Auftriebsbeiwert
Flügeltiefe
Randwirbel am Tragflügel
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Rotierender Tragflügel mit Randwirbel erzeugt
eine Wirbelspule
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Propellerstrahl
Doppelte Wirbelspule eines Propellers
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Kann man einen Wirbelfaden auch ohne mechanische
Rotation zu einer Spule wickeln ?
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Rabengeier am Zuckerhut
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Wirbelspule an einem Spreizflügel
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Selbstwicklung von zwei gleich drehenden Wirbeln
im physikalischen Modell
und in der Natur
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Wirbelspulen
Vom Vogelflügel
zum Windkonzentrator
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Vom Windkonzentrator
zur Konzentrator-Windturbine
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Wirbelspule an einem Tragflügelstern
31
Auf der Bundesgartenschau in Berlin 1986
Auf dem Kaiser Wilhelm Koog
BERWIAN Berliner-Windkraft-Anlage
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BERWIAN Freilandversuche (1984 1988)
33
Freilandversuchsanlagen (1984 1989)
34
Kinematische Bedingungen
4
3
2
Randbedingungen
1
Wirbelbedingungen
BERWIAN -Theorie
Wellenmodell der doppelten Wirbelschichtspule
35
Ergebnisse der Theorie
Flügeltiefe
Auftriebsbeiwert
Flügelzahl
Konzentratorbeiwert
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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
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Messung des ideellen Konzentrationsfaktors
38
Wie viel Energie kann man mit einer
Windkraftanlage ernten
?
39
F Rotorstirnfläche
40
Leistungsbeiwert
Theoretische Maximalleistung einer Windturbine
41
zu stark
zu schwach
optimal
Windabbremsung durch einen Rotor
42
F
Albert Betz (1885 1968)
Die Theorie liefert maximalen Wirkungsgrad für
43
D
D
Bei gleichem Stirndurchmesser D ist P2 maximal ½
P1 (geschätzt)
1. Klassische Windturbine
2. Konzentator-Windturbine
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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 Geschwindigkeitskonzent
ration 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.
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Multirotor-BERWIAN
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Ionen-BERWIAN
BERWIAN Klassik
BERWIAN Fiktion
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Windpark in den USA
Zukunftsvision Statt 200 Normalanlagen ein
Multirotor-BERWIAN mit 1000 m Höhe
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Ende