Aufgabe 3 - Bionik und Statik von Stabtragwerken · Abitur NRW Technik GK · Haupttermin 2022

b) Erläutern Sie, wie die Planung beim Bottom-Up-Ansatz und wie sie beim Top-Down-Ansatz der Bionik grundsätzlich abläuft. Leiten Sie danach aus Ihren Ausführungen ab, welche Methode für dieses Projekt geeignet ist.

Lösung: Bottom-Up: Biologisches Phänomen/Grundlagenforschung -> Abstraktion -> technische Anwendung/Produkt. Top-Down: Technische Problemstellung -> Suche nach biologischen Vorbildern/Analogien -> Analyse der biologischen Lösung -> Übertragung auf technisches Produkt. Für dieses Projekt eignet sich der Top-Down-Ansatz.

c) Erläutern Sie mithilfe der Materialien M 2 und M 3, in welchen Form- und Funktionsanalogien der Kollektor seinem natürlichen Vorbild entspricht. Nennen Sie die Vorteile, die aus dieser bionischen Entwicklung resultieren.

Lösung: Formanalogie: Verästelung/fraktale Netzstruktur der Blattadern analog zum Kanalsystem auf der Absorberoberfläche. Funktionsanalogie: Optimierung der Druckverteilung und gleichmäßige Durchströmung/Wärmeübertragung über die Fläche. Vorteile: Höhere Energieeffizienz, besserer Wirkungsgrad, Minderung des Verbrauchs fossiler Brennstoffe durch geringeren Pumpeneinsatz, ökologische und ökonomische Vorteile.

d) Skizzieren Sie anhand der vorgegebenen Sonnenstandsdaten in Material M 5 die Einfallswinkel zur Mittagszeit bei einer Aufständerung von 30° und von 60°.

Lösung: Skizze der mittäglichen Sonnenstände (Juni: $62^\circ$, März/September: $38^\circ$, Dezember: $15^\circ$) bezogen auf die Kollektorflächen mit $60^\circ$ und $30^\circ$ Neigung inklusive Kennzeichnung der Abweichungsbereiche ($50^\circ$ und $70^\circ$).

d) Interpretieren Sie, bei welcher Neigung die Effizienzunterschiede voraussichtlich stärker ausfallen. Ordnen Sie jeder der beiden Kollektorneigungen mit Begründung ein sinnvolles Einsatzszenario zu.

Lösung: Größere Effizienzunterschiede bei 30° Aufständerung (besonders im Winter/Übergangszeiten mit großen Abweichungen von 50° bis 70°, wo der bionische Kollektor 72 % gegenüber 53 % erreicht). Einsatzszenario 30°: Hohe Erträge im Sommer (z. B. Energiedorf mit saisonalem Speicher). Einsatzszenario 60°: Ganzjährige Unterstützung und bessere Wintererträge bei geringeren Speicherkapazitäten.