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Ingo Rechenberg
PowerPoint-Folien zur 4. Vorlesung „Bionik I“
Vom Vogelflügel zur Windturbine BERWIAN
Verstehen und Kopieren eines biologischen Prinzips
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Windkraftnutzung in der Natur
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Möve im Aufwind an einer Klippe
Albatros im dynamischen Segelflug
Die Portugiesische Galeere segelt vor dem Wind
Windkraftnutzung in der Natur
Keine Qualle, sondern eine Polypenkolonie, die eine Gasblase mit bis zu 50 m langen Tentakeln bildet
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Rotor zur Windkraftnutzung in der Natur ?
Ahornsamen
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Was hat der Vogelflügel mit einer Windturbine zu tun
Vom Vogelflügel zur Windkraftanlage
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GROWIAN
Große Windkraft Anlage (1984)
Leistung = Drehmoment Drehzahl
Der „Fluch“ von GROWIAN
18 U/min
( genau: P = M )
3 MW Riesig groß
Rotor Ø: 100,4 m
Sehr klein
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Nabenhöhe: 135 mRotor Ø: 127 m
Großes Windrad der Firma
ENERCON
Leistung: 7,5 MW
Das zur Zeit größte Windrad hat Samsung entwickelt mit
162 m Rotor Ø
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Traum der Windkraftingenieure
Der Windkonzentrator !
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Der Trichter als Windkonzentrator ?
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v2v1
F2F1
Trichter Paradoxon
12 41 FF Aus folgt 12 4 vv (Kontinuitätsgleichung !)
16441 3
311
322
1
2
vFvF
PP Wenn der Wind den Trichter
nicht umströmen würde
Windleistung: FvFvvP 3222
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Die Natur passt auf, dass keine Wunder geschehen
Der Trichter wird zum großen Teil umströmt
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Aus der ZeitschriftSonnenenergie 6/86
Erfinder-LateinTrichterdurchmesser: 10 mWindgeschwindigkeit: 10 m/sNennleistung: 170 kW
48 kW !
Windleistung, die auf den Trichter trifft
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Vom umgedrehten Trichter
zur Mantelturbine
K = 3,5
Als angestellten Flugzeugtragflügel deuten
Rotorleistung mit KonzentratorRotorleistung ohne Konzentrator
K Konzentrationsfaktor
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Mantelturbine
Architekten Vision
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Tornado
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Windenergie aus Wirbeln ?
Wirbel am Deltaflügel
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Deltaflügel als Windkonzentrator
Konzentrationsfaktor K = 1,7
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Energiekonzentration eines Wirbels
Geschwindigkeitskonzentration eines Wirbels
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r dv
ds
srv dsin4d 2
=
Strömungstechnik
r dH
dsI
srIH dsin
4d 2
=
Elektrotechnik
Das BIOT-SAVARTsche Gesetz
Kupferdraht
Wirbelfaden
Was mache Elektotechniker,
wenn sie die
Magnetfeldstärke erhöhen
wollen ?
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Die stärkste Konzentration eines Magnetfeldes ergibt sich, wenn der stromdurchflossene Draht zu einer Spule gewickelt wird
In der Elektrotechnik gilt:
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Magnetspuleund
WirbelspulelwIH
lwv
H = Magnetfeldstärke
I = Stromstärke
v = Strömungsfeldstärke
= 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 ?
Randwirbel am Tragflügel
Wirbelintensität
tvca 021
Auftriebsbeiwert
Anströmgeschwindigkeit
Flügeltiefe
_ __
+ + +
Muss zu einer Spule gewickelt werden
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Rotierender Tragflügel mit Randwirbel erzeugt eine Wirbelspule
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Doppelte Wirbelspule eines Propellers
Propellerstrahl
Gedeutet als eineGeschwindigkeits-konzentration, er-zeugt durch eineStrömungsspule.
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Sichtbarwerdung der Propeller-Wirbelspule durch Kondensation feuchter Luft im Unterdruck-Kern der Propeller-Randwirbel
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Kann man einen Wirbelfaden auch ohne mechanische Rotation zu einer Spule wickeln ?
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Rabengeier am Zuckerhut
Vorbild Spreizung des Flügelendes
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Wirbelspule an einem Spreizflügel
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Selbstwicklung von zwei sich gleichsinnig
drehenden Wirbeln
So wie am gespreizten Vogelflügel
Es bildet sich eine WirbelspuleDas Drehfeld des grünen Wirbels
Das Drehfeld des blauen Wirbels
Beide Wirbel rotieren um ihren Schwerpunkt
stößt den blauen Wirbel nach links (grüner Pfeil).
stößt den grünen Wirbel nach rechts (blauer Pfeil).
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Wirbelspulen
Vom Vogelflügel
zum Windkonzentrator
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zur Konzentrator-Windturbine
Vom Windkonzentrator
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Wirbelspule an einem Tragflügelstern
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BERWIAN – Berliner-Windkraft-Anlage
Auf der Bundesgartenschau in Berlin 1986 Auf dem Kaiser Wilhelm Koog
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BERWIAN: Freilandversuche (1984 – 1988)
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v u
v
v
4
1
Mechanisches 4-Wellenmodell der doppelten Wirbelschichtspule
aaaa
aaaa
aaaa
aaaa
iiii
iiii
iiii
iiii
wuwvwuwvwuwvwuwv
sin2/coscos2/sinsin2/coscos2/sinsin2/coscos2/sinsin2/coscos2/sin
44332211
v v v v u u4 0 2 3 4 10 0 , , ,
)sin(/ ii d )sin(/ aa D
Kinematische Bedingungen
Randbedingungen
Wirbelbedingungen
1
2
3
4
BERWIAN -Theorie
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D
v
0
0 v2
v1
D
d
u
u2
3u4
u1
)/( 22201 11 Ddcvv
22202 /1 Ddcvv
23 vv
04 vv
01 u
cvu 02
Ddcvu /03
04 u dztc
vdc a
20
Ergebnisse der Theorie
Auftriebsbeiwert Flügelzahl
Flügeltiefe
Konzentratorbeiwert
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Definition - Konzentrationsfaktor
Rotorleistung mit KonzentratorRotorleistung ohne KonzentratorK
3)( / WindSpuletheor vvK
2/3222 )/(11 DdcK theor mit dztcc a
2
ca = Auftriebsbeiwert des Konzentratorflügelst = 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
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Wie viel Energie kann man mit
einer Windkraftanlage ernten
?
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F = Rotorstirnfläche
0v 1v
ΔpF
v
WpF Δ
4 Gleichungen zur Bestimmung von LWvm ,,,
vFm Mengenstrom
vWL Leistung
Lvvm )( 2221
20 Energiesatz
Wvvm )( 10 Impulssatz
))(( 21
20104
1 vvvvFL
210 vvv
Luftpaket
Newtons Grundgesetz im Stromfaden
Energie-Erhaltungssatz
Beachten Sie bei der Ableitung die Beziehung: )()()( 21
201010 vvvvvv
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))(( 21
20104
1 vvvvFL
Leistungsbeiwert
0202 vvF
Lcp
)()( 20
21
01 112
1vv
vvcp
vvcp 01max 31für 593,027
16
0 ,1
0 ,2
0 ,3
0 ,4
0 ,5
0 ,6
0 ,1 0 ,2 0 ,3 0 ,4 0 ,5 0 ,6 0 ,7 0 ,8 0 ,90
0 1
pc
01/vv
Theoretische Maximalleistung einer Windturbine
Stirnflächenleistung
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Anschaulich:
Denken mit der Kontinuitätsgleichung
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Windabbremsung
durch einen Rotorzu stark
zu schwach
optimalZusammenschnürung der Stirnfläche
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Die Theorie liefert maximalen Wirkungsgrad für:
0v 1v
01 31vv
F
0202 vvF
Lc Fp Leistung treffendeflächeRotorstirn die auf hgeometrisc
)ideal( eWindturbin der tungWellenleis gewonnene
593,02716(max) pc
Wirkungsgrad (BETZscher Leistungsbeiwert)
Albert Betz (1885 – 1968)
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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 !
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1. Klassische Windturbine
D
D
2. Konzentator-Windturbine
Bei gleichem Stirndurchmesser D ist P2 höchstens ½ P1
(geschätzt)
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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 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.
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Klein und schnell ist wesentlich besser als groß und langsam
1 000 000 Modellflugdiesel wiegen so viel wie
. . . . .. . . . .. . . . .
. . . . .
und sie leisten 45-mal mehr Siehe 6. Vorlesung
ein Schiffsdiesel
16-Zylinder-Motor des Bugatti Veyron
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Multirotor-BERWIAN
Berwian Test 2014im Waldecker Land (Nordhessen)
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Windpark in den USA
Zukunftsvision: Statt 200 Normalanlagen ein Multirotor-BERWIAN mit 800 m Höhe
Negative Vision des SPIEGELs
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Weitere Ideen zur Nutzung des Prinzips
„Wirbelspule“
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Das Berwian-Prinzip als Sauglüfter
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Ein Rotierenlassen des Flügelsterns wickelt die Wirbelspule enger
Die Geschwindikeit wird nochmals erhöht
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Das Foto entstand im Februar 2008. Bei einer besonderen Wetterkonstellation mit sehr feuchter Luft verursachten die Windräder Kondensationserscheinungen.
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Könnte ein BERWIAN Wolken erzeugen ?
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BERWIAN Klassik
MHD-BERWIAN
Ionisierungsgitter
Leistungsdichte p ~ (v B )2
Magnetfeldstärke
Strömungsgeschwindigkeit
Leitfähigkeit Strömungsmedium
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Energie ausdem Golfstrom
MHD-BERWIAN im leitenden Meerwasser
Leistungsdichte p ~ (v B )2
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Idee eines Wirbelspulen-Gitters
Drehrichtung der Wirbelspulen
+-
++- - -Sogseite Flügel
Druckseite Flügel
Flügelgitter
Wirbel-spule
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Endewww.bionik.tu-berlin.de