B1Fol3 - Bionik TU

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Ingo Rechenberg
PowerPoint-Folien zur 3. Vorlesung „Bionik I“
Vom Vogelflügel zur Windturbine BERWIAN
Technische Kopie eines biologischen Prinzips
Weiterverwendung nur unter
Angabe der Quelle gestattet
Windkraftnutzung
in der Natur
Die Portugiesische Galeere segelt am Wind
Möve im Aufwind an einer Klippe
Albatros im dynamischen Segelflug
Was hat der Vogelflügel mit
einer Windturbine zu tun
?
GROWIAN
Große Windkraft Anlage (1985)
18 U/min
Der „Fluch“ von Growian
Leistung = Drehmoment  Drehzahl
(genau: P = M  w )
3 MW
?
Traum der Windkraftingenieure
Der Windkonzentrator !
Trichter Paradoxon
v1
v2
F2
F1
Aus
F2  1 F1
4
Windleistung:
v2  4  v1
folgt
P  v

2
2
v F
P2 F2  v23 1 3

  4  16
3
P1 F1  v1 4

2
(Kontinuitätsgleichung !)
v3 F
Wenn der Wind den Trichter
nicht umströmen würde
Aus der Zeitschrift
Sonnenenergie 6/86
Erfinder-Latein
Trichterdurchmesser: 10 m
Windgeschwindigkeit: 10 m/s
Nennleistung: 170 kW  20 kW
K = 3,5
Vom
umgedrehten
Trichter
zur
Mantelturbine
Windenergie aus Wirbeln ?
K = 1,7
Deltaflügel als Windkonzentrator
Elektrotechnik
ds
Kupferdraht
I
a
r
dH
sin a
dH = I
ds
2
4p r
Strömungstechnik
ds
Wirbelfaden
a
r
dv
Das BIOT-SAVARTsche Gesetz
dv =
G sin a ds
2
4p r
H
I w
l
G
w
v
l
Magnetspule
und
Wirbelspule
H = Magnetfeldstärke
I = Stromstärke
v = Strömungsfeldstärke
G = Wirbelstärke
w = Windungszahl
l = Länge der Spule
WirbelRinge
WirbelSpule
Strömungsbeschleunigende
Wirbelsysteme
Wie lässt sich eine Wirbelspule erzeugen ?
Wie lässt sich ein Wirbelfaden erzeugen ?
Wirbelintensität
Anströmgeschwindigkeit
G  1 cav0 t
2
Auftriebsbeiwert
Flügeltiefe
Randwirbel am Tragflügel
Rotierender Tragflügel mit Randwirbel
erzeugt eine Wirbelspule
Propellerstrahl
Doppelte Wirbelspule eines Propellers
Rabengeier am Zuckerhut
Wirbelspule an einem Spreizflügel
Selbstwicklung einer Wirbelspule
im physikalischen Modell
und in der Natur
Wirbelspulen
Vom Vogelflügel
zum Windkonzentrator
Vom Windkonzentrator
zur Konzentrator-Windturbine
Wirbelspule an einem Tragflügelstern
Auf der Bundesgartenschau in Berlin 1986
Auf dem Kaiser Wilhelm Koog
BERWIAN – Berliner-Windkraft-Anlage
BERWIAN: Freilandversuche (1984 – 1988)
Freilandversuchsanlagen
(1984 – 1989)
v4
4
3
v
u
2
Kinematische Bedingungen
v1   wi sin i   i / 2 cos i
u1   wi cos i   i / 2 sin i
v2   wi sin i   i / 2 cos i
u2   wi cos i   i / 2 sin i
v3   wa sin a  a / 2 cos a
u3   wa cos a  a / 2 sina
v4   wa sin a  a / 2 cos a
u4   wa cos a  a / 2 sina
Randbedingungen
1
v4  v 0 , v2  v 3 , u4  0 , u1  0
v1
Wirbelbedingungen
BERWIAN -Theorie
i  G /(p d sin i )
a  G /(p D sin a )
Wellenmodell der doppelten Wirbelschichtspule
u4
v0
D0
v2
u3
Ergebnisse
der Theorie
D
v1
u1
d
u2
Flügeltiefe
v1  v0 1  c2 (1  d2/ D2 )
u1  0
v2  v0 1  c2  d2/ D2
u2  v0  c
v3  v2
u3  v0  c d /D
v4  v0
u4  0
Auftriebsbeiwert
Flügelzahl
c tz
c G  a
p d v0 2 pd
Konzentratorbeiwert
Definition - Konzentrationsfaktor
K
Rotorleistung mit Konzentrator
Rotorleistung ohne Konzentrator
Ktheor  (vSpule / vWind )3


Ktheor  1  c (1  d / D )
2
2
2
3/ 2
mit
ca = Auftriebsbeiwert des Konzentratorflügels
t = Tiefe des Konzentratorflügels
z = Zahl der Konzentratorflügel
d = Durchmesser der inneren Wirbelspule
D = Durchmesser der äußeren Wirbelspule
c
ca t z
2 pd
Messung des „ideellen“ Konzentrationsfaktors
zu stark
zu schwach
optimal
Windabbremsung
durch einen Rotor
v0
F
v1
Die Theorie liefert maximalem Wirkungsgrad für:
v1  1 v0
3
Wirkungsgrad (BETZscher Leistungbeiwert)
cp 
P
gewonnene Wellenleis tung der Windturbin e (ideal )
 
geometrisc h auf die Rotorstirn fläche F treffende Leistung
2
cp (max)  16  0,593
27
2
F v0 v0
Multirotor-BERWIAN
D
Bei gleichem Stirndurchmesser D
ist P2 maximal ½ P1 (geschätzt)
1. Klassische Windturbine
2. Konzentator-Windturbine
Ionen-BERWIAN
BERWIAN Klassik
Akku
BERWIAN Fiktion
Windpark in den USA
Zukunftsvision: Statt 200 Normalanlagen ein
Multirotor-BERWIAN mit 1000 m Höhe
Ende
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