AT508184B1 - Windkanalkraftanlage - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage mit einem Tunnel, der in einer Geländeerhebung angeordnet ist und mindestens zwei Öffnungen auf unterschiedlichen Seiten der Geländeerhebung aufweist, sowie mit einer Turbine, die im Tunnel angeordnet ist, um aus einer Luftströmung im Tunnel mechanische Energie zu erzeugen. Der Wirkungsgrad wir dadurch erhöht, dass beide Öffnungen des Tunnels trichterförmig erweitert sind.

Description

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage mit einem Tunnel, der in einer Geländeerhebung angeordnet ist und mindestens zwei Öffnungen auf unterschiedlichen Seiten der Geländeerhebung aufweist, sowie mit einer Turbine, die im Tunnel angeordnet ist, um aus einer Luftströmung im Tunnel mechanische Energie zu erzeugen.

[0002] Es ist schwierig, auf saubere Weise nutzbare Energie zu erzeugen.

[0003] Es sind Systeme bekannt, bei denen Windkraftanlagen in Rohrleitungen oder Tunneln angeordnet sind. Beispiele solcher Lösungen sind in der WO 2006/066 502 A, der FR 9 002 229 A oder der GB 2 417 527 A offenbart. Nachteilig ist der geringe Wirkungsgrad solcher Anlagen.

[0004] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Wirkungsgrad zu erhöhen.

[0005] Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass beide Öffnungen des Tunnels trichterförmig erweitert sind. Die vorliegende Erfindung macht sich natürliche Abweichungen im Luftdruck zunutze. Die maximale Umwandlung beträgt 60%.

[0006] Die erfindungsgemäße Anlage entsteht zwischen zwei bestimmten und permanenten Druckpunkten, so dass ein passender Kanal entsteht. Mittels des Kanals wird infolge der unterschiedlichen Druckpunkte ein starker Luftstrom erzeugt. Dort, wo die Geschwindigkeit des Luftstroms maximal ist, werden eine oder mehrere Windkraftanlagen positioniert. Dadurch kann die kinetische Energie in Strom umgewandelt werden.

[0007] Durch die trichterförmigen Erweiterungen in den Öffnungen des Tunnels kann dabei der Wirkungsgrad der Anlage erhöht werden.

[0008] Besonders vorteilhaft ist es in diesem Zusammenhang, wenn der Querschnitt des Tunnels an der engsten Stelle weniger als halb so groß ist als der Querschnitt der Öffnungen.

[0009] Insbesondere sollte dabei die Turbine im trichterförmigen Endbereich angeordnet sein.

[0010] In der Folge werden Details der Berechnung erläutert.

[0011] Die Figuren zeigen: [0012] Fig. 1 schematisch den Aufbau einer Windkraftanlage; [0013] Fig. 2 ein topographisches Bild der Situierung einer Anlage; [0014] Fig. 3 einen alternativen Aufbau entsprechend Fig. 1; [0015] Fig. 4 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Funktion; [0016] Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Anlage; [0017] Fig. 6 eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsvariante; und [0018] Fig. 7, 8 und 9 jeweils eine Grafik zur Erläuterung.

[0019] LAVAL-Werte: [0020] Nachdrücklich muss darauf hingewiesen werden, dass die aufgeführten Beziehungen aller LAVAL Werte (cpGL, cpA,L) exakt nur gelten, wenn die Zuströmungsgeschwindigkeit C1 vernachlässigbar ist. Die Tabelle 1-2 hilft durch PL eine passende Düse zu finden.

[0021] Tabelle (4-10) LAVAL-Werte von Gasen und Dämpfen.

FALLBEISPIEL MIT REALEN DATEN

[0022] (6-1) Zwischen Innsbruck und Patscherkofel besteht ein bestimmter, ständiger Abwei-chungsdruck. Wir erhalten zwischen diesen Orten einen Kanal, an dessen Ende sich eine Windkraftanlage befindet. Wir haben: [0023] Pi = Pinnsbruck = 989 Hpa [0024] P2 — P Patscherkofel — 701 Hpa

[0025] = TInnsbruck = 275K

[0026] Ci = 10 m/s [0027] m = 20,000 Kg/s [0028] In einem konsequenten Kanal 1, in dem eine Strömung entsprechend dem Pfeil 2 vorgelegt ist, ist ein Windrad 3 angeordnet.

[0029] Gesucht werden folgende Werte: [0030] 1. Kanal wird auf einer Ebene erzeugt Θ = 5°-10° [0031] 2. Kanal wird bei einem Höhenunterschied von 2000m erzeugt Θ=0,4°-0,8° [0032] a) Ausströmung Typ [0033] b) Ausströmungsgeschwindigkeit der Luft [0034] c) Austrittszustand der Luft [0035] d) Ein/- Austrittsdurchmesser des Kanals [0036] e) Länge des Kanals mit Verengungswinkel Θ [0037] f) Die gesamte vorhandene Energie der Windkraftanlage und die umsetzbare Ener gie [0038] g) Mach-Zahl der Austrittsströmung [0039] a) Laval-Wert Tabelle

[0040] P2/Pi=0.708 größer als PL. Daraus ergibt sich ein konvergenter Kanal (einfache Düse). Unter kritische Laval-Werte [0041] b) Nach Gl. Die Geschwindigkeit reibungsbehafteter Strömung: [0042] C2,5=(C1*2+2. A/7s)«o ö [0043] =(C1a2+2.x/(x-1).P1.v1.(1-(P1/P2)a((x.1/x))a0.5 [0044] C2t5=(100+2* 1.4/0.4*287*275*(1-(0.708)λ(04/14)λ0.5 (mA2/sA2.j/(Kg.K).K)A0.5 [0045] C2,5=228m/s, Nach Gl. C2=cp.C2,5 [0046] C2=0.97*239.5 = 221m/s Die Geschwindigkeit des Stromfadens am Ende des sich auf einer Ebene befindlichen Kanals.

[0047] Nach Bernoly Gl. g.Z+P/p +C1*2/2+U=konstant und die potentielle Energie Berechnung ergibt sich: [0048] C2 = 106.5m/s Die Geschwindigkeit Stromfaden am Ende des Kanals mit unterschiedlicher 2000m Höhe

[0049] c) Nach Gl. Ausströmungstemperatur Ti:T2=Ti-Ah/CP

[0050] A/?=cp*2*A/7S und [0051] Nach Gl. Technische Arbeit: (Druckänderungsarbeit): [0052] A/7s = Wt.s=x/(x-1).R.T1.(1-(P2/P1)Ä(x.1)/x)) [0053] A/7s=1 .4/0.4*287*275(1 -(0.708)^0 4/14))(j/(Kg.K).K)=25952.4j/Kg [0054] A/7=0.97*25952.4=25173.8j/Kg

[0055] T2=275-25173.8/1005 = 149.9K , U=-23A°C

[0056] T2,5=Ti-A/?s/Cp [0057] T2,5=275-25952.4/1005 ((j/Kg)/j(Kg.K)) = 249.1 K oder [0058] T2,s nach Gl. Ί2,5=Τϊ·((Ρ2/Ρ1)*(χ-ι)/χ)) ergibt sich

[0059] T2,5 = 275*(0.708)λ(0 4/ι 4) = 249.1 K

[0060] Zwischen T2 und T2,5 besteht ein vernachlässigbarer Unterschied.

[0061] v2= R*T2/P2=287*249.9/70100 ((j/(Kg.K).K)/N(m*2) = 1,02312nWKg [0062] v2,5=R*T2,5/P3=1 ,01985m*3/Kg [0063] v^R^/P! ((j/(Kg.K).K)/(n/rn*2))=079802m*3/Kg [0064] d) Nach Gl. Massen Strömung:m=A.C/v [0065] A1=m*Vi/Ci=20.000*079802/10 (Kg.s.m*3)/(s.m.Kg) = 1596m*2 [0066] D1=(4*A1/TT )λ0 5=45m [0067] A2=89.7m2 und für Ebene [0068] D2 = 10.8m und für Ebene [0069] A2=151m*2 für 2000m Höhe [0070] D2 = 13.8m für 2000m Höhe [0071] e) nach Gl. Länge des Kanals: L=(D1-D)/2*1/(tan(0/2)) [0072] L=196.6m auf einer Ebene mit Θ = 5°-10° [0073] L=2105.5m mit unterschiedlicher 2000m Höhe und ©=0.4°-0.8° [0074] f) nach Gl. Die Leistung: Berechnung der von einer Windkraftanlage maximal umsetzbare Energie: P=mAh [0075] P=20.000*25173.8(Kg/s.J/Kg) [0076] P=503MW Die gesamt vorhandene Windenergie am Endes des Kanals.

[0077] Fig. 9. Zeigt schematisch relevante Geschwindigkeiten in einer Windkraftanlage.

[0078] Nach Gl. P Windkraftanlage- 1 6/27 . P«anal = 0.6PKanal [0079] Pumsetzbar=0.6*503 = 302MW Die 60% umsetzbare Energie. Die Windkraftanlage kann am Ende des Kanals gewinnen bei Ebene.

[0080] Nach Gl. P=m.Y P=1 OOMW für 2000m Höhe [0081] Natürlich kann die Leistung noch gesteigert werden. Dafür muss der Massenstrom vergrößert werden.

[0082] g) Nach Gl. Mach-Zahl: Ma=c/a und a/(x.FLT)A0.5 [0083] a2=316.8m/s Ma2=0.69 Für Ebene [0084] a2=316.3m/s Ma2=0.42 Für Höhe 2000m [0085] Fig. 2. zeigt ein topographisches Bild zwischen Innsbruck und Patscherkofel.

[0086] (6-2) Zwischen Salzburg (Stadt) und Sonnblick besteht ein bestimmter, ständiger Abwei-chungsdruck (Bild (6-3)). Wir erhalten zwischen diesen Orten einen Kanal, an dessen Ende sich eine Windkraftanlage befindet.

[0087] P-| = PSalzburg = 1028HPa [0088] P2 = Psonnbiick = 690HPa [0089] M = 20.000Kg/s [0090] Ci = 10m/s

[0091] T1 =T 1 Salzburg = 276K

[0092] ©=0.3°-0.6° [0093] Fig. 3 zeigt ein Schema von Windkanalkraftanlagen [0094] Gesucht werden folgende Werte: [0095] 1. Kanal wird auf einer Ebene erzeugt [0096] 2. Kanal wird bei einem Höhenunterschied von 2500m erzeugt [0097] a) Ausströmung Typ [0098] b) Ausströmungsgeschwindigkeit der Luft [0099] c) Austrittszustand der Luft [00100] d) Ein/-Austrittsdurchmesser des Kanals [00101] e) Länge des Kanals mit Verengungswinkel 0.3°-0.6° [00102] f) Leistung oder Energiestrom der Windkraftanlage [00103] g) Totale Leistung von beiden Fallbeispielen [00104] h) Totale Produktion im Jahr, wenn als Energiepreis 2.7720 Cent/KWh angenom men wird [00105] i) Mach-Zahl der Austrittsströmung [00106] a) Aus Laval-Werte Tab.

[00107] P2/Pi=0.671 größer als PL- Daraus ergibt sich ein konvergenter Kanal (einfache Düse).

[00108] b) Nach Gl. Die Geschwindigkeit reibungsbehafteter Strömung: [00109] C2j5 = (Ci*2+2. Ä/?s)*o.5 [00110] = (Ο1Λ2+2.χ/(χ-1).Ρ1.ν1.(1-(Ρι/Ρ2)Λ((χ_1/χ))Λ0.5 [00111] C2,5=(100+2* 1.4/0.4*287*276*(1-(0.671 )λ(04/14)λ0.5 (mA2/sA2.j/(Kg.K).K)A0.5 [00112] C2,5=244.6m/s [00113] Nach Gl. C2=cp.C2,5 [00114] C2=0.97*244.6=237.2m/s Die Geschwindigkeit der Luftströmung am Ende des Kanals.

[00115] Nach Gl. g.Z+P/p +CW2+U=konstant [00116] C2=104.8m/s für die Höhe 2500m [00117] c) Ah=cp*2-Ahs [00118] Nach Gl. Technische Arbeit: (Druckänderungsarbeit): [00119] Ahs = W„ = x/(x-1 ).^.(1-(Ρ,/ΡιΚχ.η/χ)) [00120] ä/7s=1.4/0.4*287*276*(1-(0.671 )λ(0.4/ι.4)) (j/(Kg.K).K) [00121] Ähs=29869.6j/Kg [00122] Δ/7=0.97*29869.6 = 28104.3j/Kg

[00123] Nach Gl. Ausströmungstemperatur T2: T2=Ti-Ag/CP

[00124] T2 = 276-28104.3/1005 = 248K , U = -25

[00125] T 2 5=T 1 -A/7S/Cp=246.2K

[00126] Oder nach Gl. AusströmtemperaturT^T^T^P^P^x^/x)) es gibt sich:

[00127] T2,5=275*(0.671 )a(0.4/i 4)=246.2K

[00128] v2= R*T2/P2 (j/(Kg.K).K)/N(mA2) = 1,03153nWKg [00129] v2,5=R*T2,5/P2 = 1,02405nWKg [00130] v1=R*T1/P1=0.77054mA3/Kg [00131] d) Nach Gl. Massen Strömung: m=A.C/v [00132] Ai=m*Vi/Ci (Kg/s.nWKg)/(m/s) = 1541.08mA2 [00133] D1=(A1*4/TT)A05=44.3m [00134] A2=m*v2/c2(Kg/s.mA3/Kg)/(m/s)=87mA2 [00135] D2=10.5m Für Ebene [00136] A2 = 1 95.3γτιλ2 für die Höhe 2500m [00137] D2= 15.7m für die Höhe 2500m [00138] e) nach Gl. Länge des Kanals: L=(DrD)/2*1/(tan(0/2)) [00139] L=3227m für Ebene [00140] L=2731m für die Höhe 2500m [00141] f) nach Gl. Die Leistung: Berechnung der von einer Windkraftanlage maximal umsetzbare Energie: P=m.Ah

[00142] PWindkanai=20.000*28104.3(Kg/s.J/Kg)=562MW

[00143] Die gesamte vorhandene Energie der Windkanalkraftanlage.

[00144] Nach Gl. Pwindkraftanlage-1 6/27.P«anal—0.6P|<anal

[00145] P Umsetzbar=P 0.6 = 562*0.6=337.2MW

[00146] Die %60 umsetzbare Energie, die Windkraftanlage kann am Ende des Kanals gewinnen in Ebene.

[00147] Und für die Höhe 2500m Pumsetzbar=97MW

[00148] g) P,ot=Pwind,i+Pwind,2=100+97 = 197MW für 2000m-2500m [00149] h) [00150] Produktion im Jahr in MWh für Ebene=638*8760(MW*h/Jahr)=558*10MMWh/Jahre [00151] Produktion im Jahr in MWh für Höhe = 197*8760MWh/Jahr=172*10MMWh/Jahr [00152] Produktion in € per Jahr = 5580000*27.720(MWh/Jahr=Cent/KWh.€/Cent.K/M) = 154.000.000€/Jahr [00153] Und für Höhe 2500m Produktion in € per Jahr = 47000,000€/Jahr [00154] i) Nach Gl. Mach-Zahl:Ma2=C2/a2 und a2=(x.R.T2)A0.5 [00155] a2=(1.4*287*248) A0.5 = 315.6m/s [00156] Ma2=0.7 für Ebene [00157] a2=205.2m/s für 2500m Höhe und [00158] Ma2=0.5 für 2500m Höhe [00159] Das Ziel dieser Erfindung ist die Darstellung einer Methode zur kostengünstigen und umweltfreundlichen Energiegewinnung, ohne Zuhilfenahme von Brennstoffen oder Kohlendioxid.

[00160] Der Apparat und die Methode (Windkanalkraftanlage) nutzt die natürlichen Abweichungen des Luftdrucks zur Energiegewinnung mit Hilfe eines passenden Kanals (konvergenter Kanal, Divergenzkanal, Düsen, Nazzle, Jet, Venturi).

[00161] Zwischen zwei bestimmten und permanenten Druckpunkten kann der Druck (als potentielle Energie) weitgehend verlustlos in kinetische Energie umgewandelt werden. Die vorhandene kinetische Energie wird am Ende des Kanals durch die Windkraftanlage in Strom umgewandelt. Die maximale Umwandlungsleistung (=Output) liegt bei 59%.

[00162] Eine Windkanalkraftanlage umfasst einen passenden Kanal mit einem oder mehreren Windrädern zwischen zwei bestimmten und permanenten Druckpunkten.

[00163] Die Form des Kanals ist abhängig vom Abweichungsdruck und dem Gefälle zwischen Punkt 1 und 2.

[00164] Ist (P2/Pi) größer als 0.5, erhält man einen konvergenten Kanal (vgl. Fig.5). Die Windräder werden, dort wo die maximale Strömungsleistung entsteht, angebracht (am Ende des Kanals montiert die Windkraftanlage für (P2/Pi) größer als 0.5).

[00165] Wenn die (P2/Pi) kleiner als 0.5 sein, dann die Situation über kritische LAVAL-Wert ist, erhält man eine Venturi statt LAval Düse um Druckabfall hinter dem Windrad zu vermeiden (vgl.Fig.6) sollte: P!>P2>P2 und (P2/Pi) kleiner als 0.5 [00166] Durch den Kanal wir eine Luftströmung erzeugt. Bei maximaler Geschwindigkeit dieser Strömung werden ein oder mehrere Windräder positioniert. Die kinetische Energie kann maximal bis zu 60% in Strom umgewandelt werden.

[00167] Zu beachten ist, dass die Querschnittsvergrößerung (Ai) und die Länge (L) (zwischen Punkt 1 und 2) durch (D^O.ö in direkter Proportionalität stehen. Je größer der Querschnitt (A^, desto größer die Länge (L). Das bedeutet aber, dass der Maßstrom (m) als Output abhängig ist vom Querschnitt (A^, da sich - anders als bei Laborbedingungen - die Druckverhältnisse nicht geändert werden können. Wir können somit festhalten, dass die Menge der erzeugten Energie (E) von der Querschnittsvergrößerung (A^ (maß) des Windkanals abhängig ist.

[00168] Fig. 7 zeigt anhand eines Musterkanals, was zwischen Bergen und Tal in der Natur passiert. Fig. 8 zeigt einen Gebirgszug 4 mit einem Windstrahl 5 in einem Kanal 6.

[00169] Fig. 1 Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage mit einem Tunnel, der in einer Gelän-deerhebung angeordnet ist und mindestens zwei Öffnungen auf unterschiedlichen Seiten der

Geländeerhebung aufweist, sowie mit einer Turbine, die im Tunnel angeordnet ist, um aus einer Luftströmung im Tunnel mechanische Energie zu erzeugen.

Claims (4)

Patentansprüche

1. Windkraftanlage mit einem Tunnel, der in einer Geländeerhebung angeordnet ist und mindestens zwei Öffnungen auf unterschiedlichen Seiten der Geländeerhebung aufweist, sowie mit einer Turbine, die im Tunnel angeordnet ist, um aus einer Luftströmung im Tunnel mechanische Energie zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass beide Öffnungen des Tunnels trichterförmig erweitert sind.

2. Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Tunnels an der engsten Stelle weniger als halb so groß ist als der Querschnitt der Öffnungen.

3. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine im trichterförmigen Endbereich angeordnet ist. Hierzu

4 Blatt Zeichnungen