DE2931349A1 - Solar heat energy installation - has turbo-heater using ascending air current with earth as heat storage medium - Google Patents
Solar heat energy installation - has turbo-heater using ascending air current with earth as heat storage mediumInfo
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Abstract
Description
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Solarthermisches- Aufwind-Kraftwerk mit thermischem Erdboden-Energiespeicher.Solar thermal updraft power plant with thermal ground energy storage.
B. BESCHREIBUNGB. DESCRIPTION
Solarthermische und solarelektrische Kraftwerke erzeugen Nutzenergie zunächst nach dem Tagesgang der Sonne-mit einer mittäglichen Energiespitze. Daher sind diese dem tatsächlichen Energieverbrauch mit konstanter Leistung bis· in die Nacht hinein oder mit gezielten Bedarfs spit z en über den Tag verteilt, nicht angepasst. Zur Anpassung an den tatsächlichen Energieverbrauch müssen diese- Solarkraftwerke mit aufwendigen und teuren Energiespeichern versehen werden, die ähnlich hohe Kosten verursachen, wie das Kraftwerk selbst. Die Stromgestehungs— kosten bzw. Energiekosten steigen daher mit dem zusätzlichen Energiespeichersystem unwirtschaftlich an.Solar thermal and solar electric power plants initially generate useful energy according to the daily cycle of the sun a midday energy spike. Therefore these are the actual energy consumption with constant power until late at night or with specific needs Spread over the day, not adjusted. Need to adjust to actual energy consumption these- solar power plants with complex and expensive energy storage which cause costs similar to those of the power plant itself. Costs or energy costs therefore rise uneconomically with the additional energy storage system.
Es wurden bereits verschiedenste Wind- und Solarenergiekraftwerke vorgeschlagen, die die Sol&rener-gie indirekt über die Horizontalwinde oder über Spiegelkonzentration: und Dampferzeugung oder Gasturbinenprozesse, oder über photovoltaische Direktumwandlung in elektrischen Strom unwandeln. Je nach dem Grundprinzip verwendet man elektrische oder thermische Speicher.A wide variety of wind and solar power plants have already been proposed, which indirectly generate solar energy via the horizontal winch or via mirror concentration: and steam generation or gas turbine processes, or via convert photovoltaic direct conversion into electricity. Depending on the basic principle, electrical ones are used or thermal storage.
Erfindungsgemäss wurden jedoch auch bereits sogenannte atmosphärenthermische Vertikalwindkraftwerke vorgeschlagen, die unter einem grossen transparenten Vordach, wie bei einem Gewächshaus, warme Luft erzeugen, die in einem hohen Kamin in vertikale Luftgeschwindigkeit und über eine Luftturbine in elektrische Energie umgewandelt wird. Auch diese solaren Vertikalwindkraftwerke wiesen bisher die gleichen vorher genannten Energiespeicherprobleme auf.According to the invention, however, so-called Atmospheric thermal vertical wind power plants proposed under a large transparent canopy, such as at a greenhouse, generate warm air in one high chimney is converted into vertical air speed and into electrical energy via an air turbine. Even these solar vertical wind power plants have hitherto suffered from the same aforementioned energy storage problems.
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Erfindungsgemäss sollen diese Energiespeicherproblenie in kostengünstiger Form dadurch gelös.t werden, dass der von dem transparenten Vordach überspannte Erdboden selbst als Energiespeicher ohne nennenswerte zusätzliche Kosten herangezogen wird. Dieses Ziel wird dadurch erreicht, dass die zunächst unerwünscht in den Erdboden abflmessenden, und im Hormalfall durch Isoliermassnahmen daran behinderten Wärmemengen, mit entsprechender Zeitverzögerung wieder zur Erwärmung von Luft herangezogen werden.According to the invention, this energy storage problem should be solved in a cost-effective form in that the ground spanned by the transparent canopy is even used as an energy storage device without significant additional costs. This goal becomes thereby achieves that the initially undesirably flowing into the ground, and in normal cases by insulating measures the amount of heat hindered by it, with a corresponding time delay to heat the air again can be used.
Z.B. nachts, wenn die Sonne unter dem Vordach keine Luft mehr erwärmen kann, soll der vom Tage her erwärmte Erdboden' durch geeignete Wärmekapazitäten und Wärmeleitfähigkeiten, die in ihm gespeicherte Wärmeenergie wieder an die unter dem Vordach strömende Luft abgeben»E.g. at night when the sun has no air under the canopy can heat more, the ground warmed up by the day should 'by means of suitable heat capacities and thermal conductivities, the thermal energy stored in it again to the air flowing under the canopy »
Damit während der Zeit der Energiespeicherung nicht zuviel Energie ungenutzt durch Konvektion und Abstrahlung nach aussen und an die Atmosphäre verlorengeht, soll erfindungsgemäss eine doppelte transparente Vordachfläche verwendet werden, die eine besondere Transparenz im einstrahlenden Solarspektrum, aber eine nahezu Undurchlässigkeit in zurückstrahlender Wärmestrahlung z.B. bis_ loo 0C aufweist*So that during the time of energy storage too much energy is not lost unused through convection and radiation to the outside and to the atmosphere, a double transparent canopy surface is to be used according to the invention, which has a special transparency in the irradiating solar spectrum, but almost impermeability in reflected heat radiation, e.g. up to loo 0 C has *
Erfindungsgemäss soll diese" zweite transparente Vordachfläche zwischen einer äusseren transparenten Abdeckung und dem Erdboden angeordnet sein, um auch in normalem Tagesbetrieb durch eine Reflexion oder Absorption der Bodenwärmeabstrahlung den Solarkollektor-Wirkungsgrad zu erhöhen. Dabei soll erfindungsgemäss dem Wirkungsgrad zu Gute kommen.» dass der Strömungskanal von dieser zweiten transparenten Vordachfläche in einen heisseren unteren und einen weniger warmen oberen Teilkanal getrennt wird, so dass die KonvektionsVerluste an dieAccording to the invention, this "second transparent canopy surface be arranged between an outer transparent cover and the ground to also in normal Daily operation by a reflection or absorption of the Heat radiation from the ground to increase the solar collector efficiency. According to the invention, the efficiency should be come to good use. " that the flow channel from this second transparent canopy surface into a hotter one lower and a less warm upper partial channel separated so that the convection losses to the
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Atmosphäre reduziert werden. Ausserdem wird die durch. Absorption der Bodenwärmeabstrahlung in der mittleren transparenten Vordachfläche frei werdende Wärme wieder nutzbringend an den oberen, weniger warmen, Luftstrom konvektiv übertragen.Atmosphere can be reduced. In addition, the. Absorption of the heat emitted from the ground in the central transparent canopy surface usefully transferred convectively to the upper, less warm, air stream.
Das transparente Zwischendach kann z.B. aus normalem Fensterglas, aus besonders IR-Reflexion beschichtetem Glas wie z.B.Zink- oder Indium. Oxyd oder sogar aus Plastikfolien bestehen, dieThe transparent intermediate roof can, for example, be made of normal Window glass, made of specially coated IR reflection Glass such as zinc or indium. Oxide or even made of plastic sheeting that
_ ein IR-Absorptionsvermögen aufweisen, welches in Fig. 1 beispielhaft gezeigt wird. Das transparente Oberdach kann ebenso aus Fensteroder Drahtglas auch mit IR-Reflektionsschicht bestehen. Die Isolierwirkung der IR-Absorberschicht am transparenten Oberdach ist jedoch geringer, da durch die Wärmeleitung nach oben ein Teil der Energie direkt an die Atmosphäre verlorengeht._ have an IR absorption capacity which is shown in Fig. 1 by way of example. The transparent upper roof can also consist of windows or Wired glass is also made with an IR reflective layer. The insulating effect of the IR absorber layer on the transparent The upper roof, however, is less because the heat conduction upwards means that some of the energy is transferred directly to the Atmosphere is lost.
Dieses Oberdach kann erfindungsgemäss auch aus Plastikfolien bestehen, die durch UV-Licht Stabilisierung eine hohe Lebensdauer von 15 - 2o Jahren aufweisen und gegen Glas erheblich niedrigere Kosten verursachen. Zur Reduktion -der konvektiven Wärmeverluste durch, das Oberdach kann diese auch z.B. aus Luftpölsternoppen-Polien bestehen. .According to the invention, this upper roof can also consist of plastic films exist, which have a long lifespan of 15 - 20 years due to UV light stabilization and considerably shorter ones compared to glass Cause costs. To reduce the convective heat losses through, the upper roof can also e.g. consist of air cushion nub poles. .
TJm /bei horizontalen Winden ein Heiaus blasen der Warmluft— und Bodenwärmeenergien unter dem Vordach zu vermeiden, wird erfindungsgemäss eine radiale Segmentierung des Vordaches durch 4-8 vertikale Trennwände vorgenommen, - ' - . - TJm / to avoid blowing the warm air and ground heat energies under the canopy with horizontal winds, according to the invention, a radial segmentation of the canopy is carried out by 4-8 vertical partition walls, - '-. -
Fig. 2 zeigt schematisch ein atmosphärenthermisches Vertikalwindkraftwerk mit einem inneren doppelten Vordach. Die solare Einstrahlung dringt durch die obere und mittlere transparente Vordachschicht bis zum Erdboden und erwärmt diesen.Fig. 2 shows schematically an atmospheric thermal vertical wind power plant with an inner double canopy. The solar radiation penetrates through the upper and middle transparent canopy layer down to the ground and heats it.
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Der Erdboden gibt die Wärme an die darüberliegenden Luftschichten ab, die dadurch das Bestreben haben, durch, den Turm aufzusteigen. Dadurch werden neue Luftmengen vom Aussenrand des Vordaches angesogen und strömen kontinuierlich unter das äussere einfache Vordach. Dort wird die Luft am Erdboden vorgewärmt und strömt weiter nach innen, in den unteren Vordachkanal zwischen Erdboden-Zwischendach und in den oberen Vordachkanal zwischen oberes Vordach-Zwischendach.;The ground gives the heat to those above Layers of air, which thereby have the tendency to ascend through the tower. This creates new amounts of air sucked in from the outer edge of the canopy and flow continuously under the outer simple canopy. There the air on the ground is preheated and flows further inwards, into the lower canopy between the ground roof and into the upper canopy between the upper canopy intermediate roof .;
Im untreren Vordachkanal erwärmt sich die Luft weiter am Erdboden bis zur Maximaltemperatur am Turmeintritt. Der Luft—Anteil,der durch den oberen Kanal strömt, erwärmt sich nur durch die Konvektxonsverluste vom unteren Kanal und IE-Strahlungsverluste vom Erdboden. Dadurch kommt diesem oberen Kanal- und Luftteil eine besondere Isolations-, Wirkungsgrad- und leistungserhöhende Wirkung zu.The air in the lower canopy heats up further on the ground up to the maximum temperature at the tower entrance. The air that flows through the upper duct is heated only through the convection losses from the lower channel and IE radiation losses from the ground. This gives this upper duct and air part a special insulation, efficiency and performance-increasing effect Effect too.
Ohne besondere Massnahmen wirkt der Erbοden jedoch nur als passiver Energiespeicher und bewirkt eine zeitverschobene Energieausbeute gegenüber der Solareinstrahlung. Fig. 3 skizziert diesen Vorgang mit einer Verschiebung des prozentualen Energiemaximum Von 12.00 Uhr auf ca* 13· - 14-.00 Uhr, während der Abfall der Leistung bis weit in die Nacht hinein, aber ständig abfallend erfolgt.Without special measures, however, the soil only works as a passive energy store and causes a time-shifted Energy yield compared to solar radiation. Fig. 3 outlines this process with a shift of the percentage energy maximum From 12 p.m. to approx * 1pm - 2pm, during the drop in performance up well into the night, but steadily sloping.
Erfindungsgemäss soll hier ein gezieltes Leistungsprofil möglich sein, wenn die verstellbaren Leitschaufeln und/oder Laufschaufeln der Luftturbine morgens und/oder über Mittag so gedrosselt werden, dass der Erdboden-Wärmeenergiespeicher zusätzlich aufgeheizt wird» indem weniger oder keine Kühlluft über ihn hinwegströmt. So könnte nach Fig. 3 ab etwa lo.oo Uhr eine konstante Leistung von z.B. 3o - 5o % erzeugt werden, während die überschussenergie der Mittagszeit in den Speicher fliesst.According to the invention, a targeted performance profile is intended here be possible if the adjustable guide vanes and / or blades of the air turbine in the morning and / or be throttled over midday so that the ground heat energy storage it is additionally heated »by less or no cooling air flowing over it. Thus, according to FIG. 3, a constant value could be obtained from about ten o'clock Output of e.g. 3o - 5o% can be generated, while the excess energy at midday flows into the storage tank.
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Sinkt ab 15· - 17·οο Uhr die solare Einstrahlung unter den Wert von 5o öder 3o %, wird für eine konstante Leistung die Luftturbinen-Beschaufelung wieder langsam und stetig entdrosselt bis gegen späten abend auf ein noch geringeres, aber falls erforderlich, konstantes Leistungsniveau bis zum nächsten morgen umgeschaltet wird. If the solar irradiation falls below 5o or 3o% from 3pm to 5pm, the output is constant the air turbine blading again slowly and steadily de-throttled until late in the evening to an even lower, but if necessary, constant level of performance until the next morning.
.Erfindungsgemäss kann auch ein Leistungsprofil beliebiger Art mit gezielten Spitzen nach Bedarf gefahren werden, solange die Summe der Tagesleistung nicht überfordert wird.According to the invention, any performance profile can also be Art can be driven with targeted peaks as required, as long as the sum of the daily output is not overwhelmed will.
Erfindungsgemäss kann auch ein.Teil der Leistung in den folgenden Tag usw. mit hineingeschoben werden, um z.B. eine besondere Wochenspitze beispielsweise gegen Montag abzudecken.According to the invention, a part of the performance in the the following day, etc., to e.g. a special weekly peak, for example around Monday to cover.
Erfindungsgemäss kann sogar eine gewisse jahreszeitliche Energieverschiebung über die tieferen Erdbodenschichten erfolgen.According to the invention, even a certain seasonal Energy shift takes place over the deeper layers of the earth.
/Während tageszeitliche Verschiebungen nur 1 bis 2 m in den Erdboden dringen, erfolgen jahreszeitliche Bodentemperaturverschiebungsn bis zu etwa 2o m Tiefe. : Allerdings sind diese Effekte stark von der Bodenbeschaffenheit wie z.B. Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität abhängig./ While the time of day shifts only 1 to 2 m in penetrate the soil, seasonal soil temperature shifts occur up to about 20 m depth. : However, these effects are strongly dependent on the nature of the soil such as thermal conductivity and heat capacity dependent.
Erfindungsgemäss sollen hier gezielte Massnahmen erfolgen, wie z.B. unterschiedlicher Feuchtigkeitsgrad des Bodens und ggfs. bei hoher Bodenfeuchtigkeit, der die Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität erhöht, soll eine Abdeckung des Bodens mit schwarzer und/οder transparenter Folie partiell oder ganz erfolgen, um eine erneute Austrocknung zu verhindern.According to the invention, targeted measures are to be taken here, such as different degrees of moisture in the soil and, if necessary, in the case of high soil moisture, which increases the thermal conductivity and heat capacity, a cover should be used of the floor with black and / or transparent foil partially or completely in order to prevent further drying out to prevent.
Erfindungsgemäss können unter dem Vordach auch [meist abgedeckte] Wasserbecken angeordnet sein, die eine schnelle und intensive Energieaufnahme und Abgabe durchAccording to the invention can also [mostly covered] water basins that allow rapid and intensive energy absorption and release
Konvektion innerhalb der Wasserbecken bewirken und eine grössere Wärmespeicherkapazität als der Erdboden aufweisen. " - _Cause convection within the water basin and a have greater heat storage capacity than the ground. "- _
Dabei sollen anstatt Wasserbecken auch dünnwandige Wasserschläuche verwendet werden, die nur am jeweiligen Ende gefüllt werden. Diese Plastikschläuche können erfindungsgemäss transparent oder schwarz, oder sogar oben transparent, unten schwarz sein. Es kann auch eine gefärbte, absorbierende Flüssigkeit in die voll transparenten Schläuche gefüllt werden. :Instead of water basins, thin-walled water hoses should also be used used, which are only filled at the respective end. These plastic tubes can according to the invention transparent or black, or even transparent at the top, black at the bottom. It can also be a colored, absorbent liquid can be filled into the fully transparent tubes. :
Erfindungsgemäss kann die schwarze und/oder transparente zusätzliche Bodenabdeckung je nach dem Energiebedarf aufgerollt oder abgerollt werden.According to the invention, the black and / or transparent additional floor cover can be rolled up depending on the energy requirement or unrolled.
Dabei sind weniger die kurzfristigen Energiespitzen während ein oder 2 Stunden am Tage angesprochen, sondern mehr vom Tage in die Nacht hinein oder über Tage, hinweg oder sogar die saisonal bedingten Schwankungen Sommer zu Winter, die das grossflächige zyklische Verändern einer zusätzlichen Bodenfolie rechtfertigen würde.There are less short-term energy peaks during addressed one or two hours a day, but more from day into night or across days, or even the seasonal fluctuations from summer to winter, which would justify the large-scale cyclical changing of an additional floor membrane.
Ein weiterer Erfindungsgedanke betrifft die Beschichtung des Erdbodens selbst ^mit selektiven Farben oder Lacken, die eine hohe Absorption im Solarspektrum, aber nur eine mehrfach verringerte Emission im infraroten Wärmebereich aufweist. Derartige Lacke und Farben sind bereits heute für 1 — 2 DM/m2 auftragbar, allerdings nur auf befestigten Böden stabil. Die Wirkung dieser selektiven Schwarzlacke unterstützt insbesondere die Speicherwirkung bzw. reduziert die Wärmeverluste während der Nacht, erhöht aber auch die Kollektorwirkungsgrade am Tage.Another idea of the invention relates to the coating of the soil itself ^ with selective paints or varnishes, which has a high absorption in the solar spectrum, but only one Multiple reduced emissions in the infrared heat range having. Such varnishes and paints are already available today Can be applied for 1 - 2 DM / m2, but only stable on paved floors. The effect of these selective black lacquers in particular supports the storage effect or reduces heat losses during the night, but increases it also the collector efficiency during the day.
Ein weiterer Erfindungsgedanke mit landwirtschaftlicher Nutzung des Erdbodens unter dem Vordach schliesst die vorgenannte Massnahme aus. Eine landwirtschaftliche Bodennutzung soll erfindungsgemäss unter dem Vordach unter dem Gesichtspunkt erhöhter Boden- und LufttemperaturenAnother inventive idea with agricultural Use of the ground under the canopy rules out the aforementioned measure. An agricultural land use should according to the invention under the canopy under the aspect of increased ground and air temperatures
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sowie entsprechend schnellerem Wachstum erfolgen. Dabei soll, falls für den entsprechenden Pflanzenwuchs erforderlich, die Boden- oder Lufttemperatur nahezu konstant durch die verstellbaren Lauf- und/oder Leitschaufeln der LuftturMne geregelt werden können.as well as correspondingly faster growth. If necessary for the corresponding plant growth, the ground or air temperature almost constant thanks to the adjustable blades and / or guide vanes the air tower can be regulated.
Analog zu der genannten landwirtschaftlichen Bodennutzung soll erfindungsgemäss eine hydrologische Ausnutzung der oben erwähnten Wasserbecken durch Fischzucht erfolgen. Wenn die Wasserbecken zur Vermeidung von Verdunstungswärme-Verlusten mit einer transparenten Folie abgedeckt werden, soll eine entsprechende Säuerstoffanreichung des Wassers mit Druckluft-Einblasung erfolgen, die wiederum eine wärmeverteilende Wirkung innerhalb des Wasserbeckens übernehmen kann.Analogous to the agricultural land use mentioned, according to the invention, a hydrological use of the above-mentioned water basins are made by fish farming. When the water basin to avoid evaporative heat losses be covered with a transparent film, a corresponding oxygen enrichment should of the water with compressed air injection, which in turn has a heat-distributing effect within the Can take over the water basin.
Die Wirkung der in Io. genannten verstellbaren Turbinenschaufeln kann erfindungsgemäss teilweise 'auch von grossen Endklappen der unter 6. genannten radiale Trennwände vorgenommen werden, die die radialen Kanäle an der engsten Stelle vor der Turbine partiell oder ganz verschliessen können.The effect of the in Io. called adjustable turbine blades can, according to the invention, partly also from large end flaps of the radial partition walls mentioned under 6 be made, which partially or completely close the radial channels at the narrowest point in front of the turbine can.
Dadurch können wahlweise auch segmentartige Teile des Vordaches zur Speicherung mit geschlossener Endklappe. verwendet, während gleichzeitig andere Vordachsegmente mit offenen Endklappen und durchströmender Luft zur Energieerzeugung herangezogen werden,As a result, segment-like parts of the canopy can optionally also be stored with the end flap closed. used, while at the same time other canopy segments with open end flaps and air flowing through Energy generation are used,
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{ NAOK6ERSICHT {NAOK6E RSICHT
Die vorgenannten Eigenschaften des Erdbodens zusammen
mit einer transparenten Überdachung einen grossen thermischen
Energiespeicher darzustellen, sind erfindungsgemäss
nicht auf Vertikalwindkraftwerke beschränkt,
sondern auf sämtliche thermische Kraftwerksvarianten
anwendbar, die mit derartigen Luftkollektorsystemen und die die damit erzeugbaren Temperaturen verarbeiten können.
·The aforementioned properties of the soil together
To represent a large thermal energy store with a transparent roof is not limited according to the invention to vertical wind power plants,
but on all thermal power plant variants
applicable to those with such air collector systems and which can process the temperatures that can be generated with them. ·
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Legal Events
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8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
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8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |