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 sina v4 wa sin a a / 2 cos a u4 wa cos a a / 2 sina 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
