Ingo Rechenberg
-
Upload
halee-atkins -
Category
Documents
-
view
54 -
download
3
description
Transcript of Ingo Rechenberg
Ingo Rechenberg
PowerPoint-Folien zur 4. Vorlesung „Bionik I“
Vom Vogelflügel zur Windturbine BERWIAN
Verstehen und Kopieren eines biologischen Prinzips
Windkraftnutzung
in der Natur
Möve im Aufwind an einer Klippe
Albatros im dynamischen Segelflug
Die Portugiesische Galeere segelt am Wind
GROWIAN
Große Windkraft Anlage (1985)
Leistung = Drehmoment Drehzahl
Der „Fluch“ von Growian
18 U/min
( genau: P = M )
3 MW Riesig groß
Höhe: 183 m
Rotor Ø: 126 m
Zurzeit größtes Windrad bei Brunsbüttel (Schleswig-Holstein)
Leistung: 5 MW
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
Als angestellten Flugzeugtragflügel deuten
Rotorleistung mit Konzentrator
Rotorleistung ohne KonzentratorK Konzentrationsfaktor
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
Konzentration des Geschwindigkeitsfeldes
Wie lässt sich eine Wirbelspule erzeugen ?
Wie lässt sich ein Wirbelfaden erzeugen ?
Randwirbel am Tragflügel
Wirbelintensität
tvca 021
Auftriebsbeiwert
Anströmgeschwindigkeit
Flügeltiefe
Sichtbarwerdung der Propeller-Wirbelspule durch Kondensation
feuchter Luft im Unterdruck-Kern der Propeller-Randwirbel
BERWIAN – Berliner-Windkraft-Anlage
Auf der Bundesgartenschau in Berlin 1986 Auf dem Kaiser Wilhelm Koog
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
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
F = Rotorstirnfläche
0v 1v
ΔpF
v
WpF Δ
4 Gleichungen zur Bestimmung
von LWvm ,,,vFm Mengenstrom
vWL Leistung
Lvvm )( 22
21
20 Energiesatz
Wvvm )( 10 Impulssatz
))(( 21
20104
1 vvvvFL
210 vvv
Luftvolumen
Newtons Grundgesetz im Stromfaden
Energie-Erhaltungssatz
Beachten Sie bei der Ableitung die Beziehung: )()()( 21
201010 vvvvvv
))(( 21
20104
1 vvvvFL
Leistungsbeiwert
0202 vvF
Lcp
)()( 20
21
0
1 1121
vv
vv
cp
vvcp 01max 31für 593,0
2716
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
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)
1. Klassische Windturbine
D
D
2. Konzentator-Windturbine
Bei gleichem Stirndurchmesser D
ist P2 maximal ½ P1 (geschätzt)
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 0,33.
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.
BERWIAN Klassik
MHD-BERWIAN
Ionisierungsgitter
Leistungsdichte p ~ (v B )2
Magnetfeldstärke
Strömungsgeschwindigkeit
Leitfähigkeit Strömungsmedium