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

Möve im Aufwind an einer Klippe

Albatros im dynamischen Segelflug

Die Portugiesische Galeere segelt am Wind

Was hat der Vogelflügel mit einer Windturbine zu tun

GROWIAN

Große Windkraft Anlage (1985)

Leistung = Drehmoment Drehzahl

Der „Fluch“ von Growian

18 U/min

( genau: P = M )

3 MW ?

Traum der Windkraftingenieure

Der Windkonzentrator !

v2v1

F2F1

Trichter Paradoxon

12 41 FF Aus folgt 12 4 vv (Kontinuitätsgleichung !)

16441 3

311

322

1

2

vF

vFPP Wenn der Wind den Trichter

nicht umströmen würde

Windleistung: FvFvvP 32

22

Aus der ZeitschriftSonnenenergie 6/86

Erfinder-LateinTrichterdurchmesser: 10 mWindgeschwindigkeit: 10 m/sNennleistung: 170 kW

20 kW

Vom

umgedrehten

Trichter

zur Mantelturbine

K = 3,5

Windenergie aus Wirbeln ?

Deltaflügel als Windkonzentrator

K = 1,7

r

dv

ds

sr

v dsin4

d 2

=

Strömungstechnik

r

dH

ds

I

sr

IH dsin4

d 2

=

Elektrotechnik

Das BIOT-SAVARTsche Gesetz

Kupferdraht

Wirbelfaden

Magnetspule

und

WirbelspulelwIH

lwv H = Magnetfeldstärke

I = Stromstärke

v = Strömungsfeldstärke

= Wirbelstärke

w = Windungszahl

l = Länge der Spule

Wirbel-Ringe

Wirbel-Spule

Strömungsbeschleunigende

Wirbelsysteme

Wie lässt sich eine Wirbelspule erzeugen ?

Wie lässt sich ein Wirbelfaden erzeugen ?

Randwirbel am Tragflügel

Wirbelintensität

tvca 021

Auftriebsbeiwert

Anströmgeschwindigkeit

Flügeltiefe

Rotierender Tragflügel mit Randwirbel erzeugt eine Wirbelspule

Doppelte Wirbelspule eines Propellers

Propellerstrahl

Rabengeier am Zuckerhut

Wirbelspule an einem Spreizflügel

Selbstwicklung einer Wirbelspule

im physikalischen Modell

und in der Natur

Wirbelspulen

Vom Vogelflügel

zum Windkonzentrator

zur Konzentrator-Windturbine

Vom Windkonzentrator

Wirbelspule an einem Tragflügelstern

BERWIAN – Berliner-Windkraft-Anlage

Auf der Bundesgartenschau in Berlin 1986 Auf dem Kaiser Wilhelm Koog

BERWIAN: Freilandversuche (1984 – 1988)

Freilandversuchsanlagen

(1984 – 1989)

v u

v

v

4

1

Wellenmodell der doppelten Wirbelschichtspule

aaaa

aaaa

aaaa

aaaa

iiii

iiii

iiii

iiii

wuwvwuwvwuwvwuwv

sin2/coscos2/sinsin2/coscos2/sinsin2/coscos2/sinsin2/coscos2/sin

4

4

3

3

2

2

1

1

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

D

v

0

0 v2

v1

D

d

u

u2

3

u4

u1

)/( 22201 11 Ddcvv

22202 /1 Ddcvv

23 vv

04 vv

01 u

cvu 02

Ddcvu /03

04 udztc

vdc a

20

Ergebnisse der Theorie

Auftriebsbeiwert Flügelzahl

Flügeltiefe

Konzentratorbeiwert

Definition - Konzentrationsfaktor

Rotorleistung mit KonzentratorRotorleistung ohne Konzentrator

K

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

Messung des „ideellen“ Konzentrationsfaktors

Windabbremsung

durch einen Rotor

zu stark

zu schwach

optimal

Die Theorie liefert maximalem Wirkungsgrad für:

0v 1v

01 31vv

F

0202 vvF

Pc

Fp Leistung treffendeflächeRotorstirn die auf hgeometrisc

)ideal( eWindturbin der tungWellenleis gewonnene

593,02716(max) pc

Wirkungsgrad (BETZscher Leistungbeiwert)

Multirotor-BERWIAN

1. Klassische Windturbine

D

D

2. Konzentator-Windturbine

Bei gleichem Stirndurchmesser D

ist P2 maximal ½ P1 (geschätzt)

BERWIAN Klassik

Akku

BERWIAN Fiktion

Ionen-BERWIAN

Windpark in den USA

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

Ende