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 vor dem Wind

Windkraftnutzung in der Natur

Keine Qualle, sondern eine Polypenkolonie, die eine Gasblase mit bis zu 50 m langen Tentakeln bildet

Rotor zur Windkraftnutzung in der Natur ?

Ahornsamen

Was hat der Vogelflügel mit einer Windturbine zu tun

Vom Vogelflügel zur Windkraftanlage

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

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

Traum der Windkraftingenieure

Der Windkonzentrator !

Der Trichter als Windkonzentrator ?

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

Die Natur passt auf, dass keine Wunder geschehen

Der Trichter wird zum großen Teil umströmt

Aus der ZeitschriftSonnenenergie 6/86

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

48 kW !

Windleistung, die auf den Trichter trifft

Vom umgedrehten Trichter

zur Mantelturbine

K = 3,5

Als angestellten Flugzeugtragflügel deuten

Rotorleistung mit KonzentratorRotorleistung ohne Konzentrator

K Konzentrationsfaktor

Mantelturbine

Architekten Vision

Tornado

Windenergie aus Wirbeln ?

Wirbel am Deltaflügel

Deltaflügel als Windkonzentrator

Konzentrationsfaktor K = 1,7

Energiekonzentration eines Wirbels

Geschwindigkeitskonzentration eines Wirbels

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 ?

Die stärkste Konzentration eines Magnetfeldes ergibt sich, wenn der stromdurchflossene Draht zu einer Spule gewickelt wird

In der Elektrotechnik gilt:

Magnetspuleund

WirbelspulelwIH

lwv

H = Magnetfeldstärke

I = Stromstärke

v = Strömungsfeldstärke

= Wirbelstärke

w = Windungszahl

l = Länge der Spule

Konzentration des Geschwindigkeitsfeldes

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

_ __

+ + +

Muss zu einer Spule gewickelt werden

Rotierender Tragflügel mit Randwirbel erzeugt eine Wirbelspule

Doppelte Wirbelspule eines Propellers

Propellerstrahl

Gedeutet als eineGeschwindigkeits-konzentration, er-zeugt durch eineStrömungsspule.

Sichtbarwerdung der Propeller-Wirbelspule durch Kondensation feuchter Luft im Unterdruck-Kern der Propeller-Randwirbel

Kann man einen Wirbelfaden auch ohne mechanische Rotation zu einer Spule wickeln ?

Rabengeier am Zuckerhut

Vorbild Spreizung des Flügelendes

Wirbelspule an einem Spreizflügel

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).

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)

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

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

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

Messung des „ideellen“ Konzentrationsfaktors

Wie viel Energie kann man mit

einer Windkraftanlage ernten

?

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

))(( 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

Anschaulich:

Denken mit der Kontinuitätsgleichung

Windabbremsung

durch einen Rotorzu stark

zu schwach

optimalZusammenschnürung der Stirnfläche

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)

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 !

1. Klassische Windturbine

D

D

2. Konzentator-Windturbine

Bei gleichem Stirndurchmesser D ist P2 höchstens 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 0,30.

Hier kann BERWIAN nicht mit einer klassischen dreiflügelige Windkraftanlage konkur-rieren, die einen Beiwert von cp = 0,50 (85% des theoretischen Maximums) aufweist.

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

Multirotor-BERWIAN

Berwian Test 2014im Waldecker Land (Nordhessen)

Windpark in den USA

Zukunftsvision: Statt 200 Normalanlagen ein Multirotor-BERWIAN mit 800 m Höhe

Negative Vision des SPIEGELs

Weitere Ideen zur Nutzung des Prinzips

„Wirbelspule“

Das Berwian-Prinzip als Sauglüfter

Ein Rotierenlassen des Flügelsterns wickelt die Wirbelspule enger

Die Geschwindikeit wird nochmals erhöht

Das Foto entstand im Februar 2008. Bei einer besonderen Wetterkonstellation mit sehr feuchter Luft verursachten die Windräder Kondensationserscheinungen.

Könnte ein BERWIAN Wolken erzeugen ?

BERWIAN Klassik

MHD-BERWIAN

Ionisierungsgitter

Leistungsdichte p ~ (v B )2

Magnetfeldstärke

Strömungsgeschwindigkeit

Leitfähigkeit Strömungsmedium

Energie ausdem Golfstrom

MHD-BERWIAN im leitenden Meerwasser

Leistungsdichte p ~ (v B )2

Idee eines Wirbelspulen-Gitters

Drehrichtung der Wirbelspulen

+-

++- - -Sogseite Flügel

Druckseite Flügel

Flügelgitter

Wirbel-spule

Endewww.bionik.tu-berlin.de