AT510624B1 - Windkraftanlage - Google Patents

Abstract

Es wird eine Windkraftanlage mit einem Aufwindkamin (1) und mit einem den Aufwindkamin (1) umgebenden Kranz von Strömungskanälen (4) zwischen radial zum Aufwindkamin (1) verlaufenden, einen Tragring (3) für den Aufwindkamin (1) aufnehmenden Stützwänden (2) beschrieben. Um zusätzliche Wärmequellen nützen zu können, wird vorgeschlagen, dass die Strömungskanäle (4) Wärmetauscher (10) aufweisen, die eine obere Verteilerleitung (11) und eine untere Sammelleitung (12) für einen Wärmeträger und zwischen der Verteilerleitung (11) und der Sammelleitung (12) parallelgeschaltete Wärmetauscherleitungen (13) im Strömungsweg der Strömungskanäle (4) umfassen.

Description

österreichisches Patentamt AT510 624B1 2012-07-15

Beschreibung [0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Windkraftanlage mit einem Aufwindkamin und mit einem den Aufwindkamin umgebenden Kranz von Wärmetauscher aufweisenden Strömungskanälen zwischen radial zum Aufwindkamin verlaufenden, einen Tragring für den Aufwindkamin aufnehmenden Stützwänden.

[0002] Windkraftanlagen mit einem Aufwindkamin nützen den Dichteunterschied zwischen kalter und erwärmter Luft aus, um die kinetische Energie der sich durch den Dichteunterschied im Aufwindkamin ergebenden Strömung für den Antrieb wenigstens einer Windturbine zu nützen. Zur Erwärmung der dem Aufwindkamin zuströmenden Luft wird der Aufwindkamin von einem Kollektorraum umschlossen, in dem die Luft über das lichtdurchlässige Kollektordach mit Hilfe der Sonnenenergie erwärmt wird. Es wurde aber auch bereits vorgeschlagen, für die Erwärmung der Luft im Bereich des Kollektorraums zusätzliche Wärmequellen, beispielsweise die Abwärme aus industriellen Anlagen und Verbrennungseinrichtungen, zu nützen, damit gegebenenfalls die Windkraftanlage auch während der Nachtstunden betrieben werden kann. Zu diesem Zweck ist es bekannt (DE 198 21 659 A1), innerhalb des Kollektorraums Wärmetauscher in Form von Rohrschlangen für einen Wärmeträger, vorzugsweise Wasser, vorzusehen, der von einer außerhalb der Windkraftanlage angeordneten Wärmequelle erwärmt wird. Diese Wärmequelle kann auch als zusätzlicher Sonnenkollektor ausgebildet sein (DE 100 23 424 B4). Nachteilig bei diesen bekannten Wärmetauschern ist allerdings, dass sie einen erheblichen Konstruktionsaufwand mit sich bringen, einen erheblichen Strömungswiderstand darstellen und keine gleichmäßige Erwärmung der Luftströmung erlauben.

[0003] Darüber hinaus ist es bekannt, Wärmetauscher in den einzelnen Strömungskanälen vorzusehen, die den Aufwindkamin kranzförmig umgeben. Diese Wärmetauscher werden entweder in Form von Kühltürmen, bei denen Wasser durch einen porösen Körper rieselt, der quer zur Wasserströmung von der zu erwärmenden Luft durchströmt wird (WO 2008/014596 A1, DE 10 2008 013 141 A1), oder in Form von Plattenwärmetauschern (US 4 157 368 A) eingesetzt, was wiederum zu erheblichen Beeinträchtigungen hinsichtlich der Kanalströmungen führt.

[0004] Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Windkraftanlage der eingangs geschilderten Art mit vergleichsweise einfachen Konstruktionsmitteln so auszugestalten, dass die Luft für die Aufwindströmung im Wärmeaustausch mit einem Wärmeträger möglichst gleichmäßig erwärmt werden kann, ohne den Strömungswiderstand unnötig zu erhöhen.

[0005] Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, dass die Wärmetauscher eine obere Verteilerleitung und eine untere Sammelleitung für einen Wärmeträger und zwischen der Verteilerleitung und der Sammelleitung parallelgeschaltete, die jeweiligen Strömungskanäle durchsetzende Wärmetauscherleitungen im Strömungsweg der Strömungskanäle umfassen.

[0006] Zufolge dieser Maßnahme können die durch den Kranz von Strömungskanälen in den Aufwindkamin geführten Teilströme der Aufwindströmung mit einem vergleichsweise einfachen Konstruktionsaufwand einheitlich erwärmt werden, wenn diese Teilströme an den im Strömungsweg der Strömungskanäle vorgesehenen, parallelgeschalteten Wärmetauscherleitungen vorbeiströmen, sodass der von der Verteilerleitung über die Wärmetauscherleitungen zur Sammelleitung strömende Wärmeträger seine Wärme an die vorbeiströmende Luft abgeben kann. Durch die Verteilungsdichte der parallelen Wärmetauscherleitungen lassen sich die eingesetzten Wärmetauscher an die konstruktiv vorgegebenen Parameter ohne weiteres anpassen.

[0007] Besonders einfache Konstruktionsbedingungen ergeben sich, wenn die Verteilerleitungen und die Sammelleitungen der den einzelnen Strömungskanälen zugehörigen Wärmetauscher zu an einen Vorlauf und einen Rücklauf für den Wärmeträger angeschlossenen Ringkanälen zusammengeschlossen werden. In diesem Fall brauchen die den einzelnen Strömungskanälen zugeordneten Wärmetauscher nicht gesondert mit den jeweiligen Wärmequellen verbunden zu werden. Der Ringkanal für die Verteilerleitung kann dabei vorteilhaft entlang des Tragrings für den Aufwindkamin geführt werden, sodass sich für einen solchen Ringkanal sonst erforderliche, gesonderte Tragkonstruktionen erübrigen. 1 /9 österreichisches Patentamt AT510 624B1 2012-07-15 [0008] Durch eine strömungsgünstige Querschnittsform der die Strömungskanäle durchsetzenden Wärmetauscherleitungen kann der durch die Wärmetauscherleitungen bedingte zusätzliche Strömungswiderstand beschränkt werden. Es ist aber auch möglich, für die Strömungsführung vorgesehene Leiteinrichtungen als Träger für Wärmetauscherleitungen einzusetzen, was besonders günstige Bedingungen für den Wärmeaustausch mit sich bringt, wenn die Leitwände dieser Leiteinrichtungen aus einem gut wärmeleitenden Werkstoff hergestellt und wärmeleitend mit den Wärmetauscherleitungen verbunden sind, sodass diese Leitwände als zusätzliche Wärmetauscherflächen genützt werden können. Weisen die Strömungskanäle Leitwände zur Strömungsumlenkung auf, so kann zumindest eine dieser Leitwände mit in Strömungsrichtung verlaufenden Wärmetauscherleitungen versehen werden. Gleiches gilt für einen im Bodenbereich des Aufwindkamins vorgesehenen, zum Kranz der Strömungskanäle zentrischen, Strömungskörper, der sich nach oben zum Umlenken der radialen Kanalströmungen in eine axiale Aufwindströmung verjüngt und entlang seines Mantels in Strömungsrichtung verlaufende Wärmetauscherleitungen tragen kann.

[0009] Für die erfindungsgemäße Anordnung der Wärmetauscher in den einzelnen Strömungskanälen des den Aufwindkamin umgebenden Kranzes von Strömungskanälen ist es nicht maßgebend, ob eine koaxial im Aufwindkamin gelagerte Windturbine vorgesehen ist oder den einzelnen Strömungskanälen jeweils gesonderte Windturbinen zugeordnet werden. Weisen die Strömungskanäle axial durchströmte Windturbinen auf, so können zur Konstruktionsvereinfachung die die jeweiligen Strömungskanäle durchsetzenden Wärmetauscherleitungen den Windturbinen nachgeordnet werden. Durch diese Anordnung der Wärmetauscher auf der Abström-seite der Windturbinen bleiben die Zuströmbedingungen zu den Windturbinen durch die Strömungskanäle von den Wärmetauschern unberührt.

[0010] Da die Wärmetauscher den einzelnen Strömungskanälen zugeordnet werden, bedarf es zum Betreiben einer erfindungsgemäßen Windkraftanlage keines den Aufwindkamin umgebenden Kollektorraums, sodass auch Windkraftanlagen, die lediglich vorgegebene Windströmungen ausnützen, mit solchen Wärmetauschern ausgerüstet werden können. Außerdem könnten Windkraftanlagen gebaut werden, die die Aufwindströmung ausschließlich durch eine Lufterwärmung mit Hilfe von Wärmequellen erzeugen, die im Bereich industrieller Anlagen, Verbrennungseinrichtungen, Erdkollektoren oder einer Kombination dieser Wärmequellen außerhalb der Windkraftanlage liegen.

[0011] In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt. Es zeigen [0012] Fig. 1 eine erfindungsgemäße Windkraftanlage ausschnittsweise im Bereich eines

Strömungskanals in einem schematischen Axialschnitt, [0013] Fig. 2 diese Windkraftanlage in einem Schnitt nach der Linie ll-ll der Fig. 1, [0014] Fig. 3 eine der Fig. 1 entsprechende Darstellung einer Konstruktionsvariante einer erfindungsgemäßen Windkraftanlage, [0015] Fig. 4 eine der Fig. 3 entsprechende Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Windkraftanlage und [0016] Fig. 5 einen Schnitt nach der Linie V-V der Fig. 4.

[0017] Gemäß dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 und 2 ist ein Aufwindkamin 1 vorgesehen, der auf einem von radialen Stützwänden 2 getragenen Stützring 3 aufruht, der vorzugsweise ein lastabtragendes Gewölbe zwischen den einzelnen Stützwänden 2 bildet. Die radialen Stützwände 2 schließen zwischen sich Strömungskanäle 4 ein, die unten durch einen Boden 5 und oben durch eine Decke 6 begrenzt werden. Diese Strömungskanäle bilden einen strömungsgünstigen, düsenartigen Einlauf und einen diffusorartigen Auslauf für je eine in den einzelnen Strömungskanälen 4 vorgesehene, axial durchströmte Windturbine 7. Die Windturbinen 7 sind über radiale Träger 8 an den Stützwänden 2 lastabtragend abgestützt. Zur Unterstützung der Umlenkung der bezüglich des Aufwindkamins 1 radial in die Strömungskanäle 4 einströmenden Teilströme in eine axiale Aufwindströmung können die Strömungskanäle 4 mit entsprechenden Leitwänden 9 versehen sein. 2/9 österreichisches Patentamt AT510 624 B1 2012-07-15 [0018] Zur Erwärmung der die Strömungskanäle 4 durchsetzenden Teilströme des Aufwindstroms durch den Aufwindkamin 1 sind den einzelnen Strömungskanälen 4 Wärmetauscher 10 zugeordnet, die jeweils aus zwischen einer Verteilerleitung 11 und einer Sammelleitung 12 parallel geführten Wärmetauscherleitungen 13 aufgebaut sind. Diese Verteilerleitungen 11 und Sammelleitungen 12 sind zu Ringkanälen zusammengeschlossen, die mit wenigstens einem Vorlauf 14 und mit wenigstens einem Rücklauf 15 für einen Wärmeträger verbunden sind. Da die Wärmetauscherleitungen 13 die Strömungskanäle 4 in einer Verteilung durchsetzen, die eine weitgehend gleichmäßige Erwärmung der Teilströme durch die einzelnen Strömungskanäle 4 erlaubt, kann über den erwärmten Wärmeträger die Aufwindströmung zur Verbesserung des Aufwinds vorteilhaft zusätzlich erwärmt werden, wobei es nicht auf die Art der Wärmequelle ankommt.

[0019] Wie sich aus den Fig. 1 und 2 entnehmen lässt, ist der Ringkanal für die Verteilerleitungen 11 der einzelnen Wärmetauscher 10 entlang des Tragrings 3 des Aufwindkamins 1 geführt, sodass die Wärmetauscher 10 lastabtragend an diesem Tragring 3 montiert werden können. Voraussetzung hierfür ist, dass die Wärmetauscher 10 auf der Abströmseite der Windturbinen 7 angeordnet sind, was den zusätzlichen Vorteil mit sich bringt, dass die Einlaufbedingungen für die Windturbinen 7 durch die Wärmetauscher 10 nicht beeinträchtigt werden.

[0020] Zum Unterschied zu der Ausführungsform nach den Fig. 1 und 2 zeigt die Windkraftanlage nach der Fig. 3 nicht den einzelnen Strömungskanälen 4 zugeordnete Windturbinen 7, sondern eine Windturbine 16, die koaxial zum Aufwindkamin 1 auf einem Strömungskörper 17 gelagert ist und einen Generator 18 antreibt. Außerdem schließt sich an den Kranz von Strömungskanälen 4 radial nach außen ein Kollektorraum 19 mit einem lichtdurchlässigen Kollektordach 20 an, sodass die in den Kollektorraum 19 einströmende Luft im Kollektorraum 19 über die Sonneneinstrahlung erwärmt werden kann. Da im Übergang vom Kollektorraum 19 zu den einzelnen Strömungskanälen 2 Wärmetauscher 10 vorgesehen sind, kann die über den Kollektorraum 19 in den Aufwindkamin 1 strömende Luft im Wärmeaustausch mit einem außerhalb des Kollektorraums 19 erwärmten Wärmeträger erwärmt werden, um die Luft zusätzlich oder beispielsweise während der Nachstunden zu erwärmen. Die den einzelnen Strömungskanälen 4 zugeordneten Wärmetauscher 10 sind analog zu den in den Fig. 1 und 2 dargestellten Wärmetauschern 10 aufgebaut und setzen sich aus Wärmetauscherleitungen 13 zusammen, die zwischen einer Verteilerleitung 11 und einer Sammelleitung 12 parallel geführt sind und die Strömungskanäle 4 in einer Verteilung durchsetzen, die eine im Wesentlichen gleichmäßige Erwärmung der durch die Strömungskanäle 4 strömenden Teilströme der Aufwindströmung erlauben.

[0021] Die in den Fig. 4 und 5 dargestellte Ausführungsvariante zeigt einen grundsätzlichen Anlagenaufbau, wie er im Wesentlichen auch aus der Fig. 3 hervorgeht. Zum Unterschied zur Fig. 3 zeigen die Fig. 4 und 5 jedoch entlang von Leiteinrichtungen verlegte Wärmetauscher 10, die wiederum eine obere Verteilerleitung 11, eine untere Sammelleitung 12 und parallelgeschaltete Wärmetauscherleitungen 13 zwischen den Verteiler- und Sammelleitungen 11,12 umfassen. Die Wärmetauscherleitungen 13 der einen Wärmetauschergruppe sind jedoch in Strömungsrichtung entlang einer der Leitwände 9 verlegt, während die Wärmetauscherleitungen 13 der anderen Wärmetauschergruppe entlang des zentralen, sich konisch verjüngenden Strömungskörpers 17 zur Umlenkung der radialen Kanalströmungen in die axiale Aufwindströmung verlaufen. Für beide Wärmetauschergruppen gilt, dass durch die Leitwände 9 bzw. den Mantel des Strömungskörpers 17 die zur Verfügung stehende Wärmetauscherfläche erheblich vergrößert werden kann, wenn die Leitwände 9 bzw. der Mantel des Strömungskörpers aus einem gut wärmeleitenden Werkstoff gefertigt sind.

[0022] Es braucht wohl nicht besonders hervorgehoben zu werden, dass Wärmetauscher 10 der in den Fig. 1 bis 3 gezeigten Art auch in Verbindung mit Wärmetauschern 10 nach den Fig. 4 und 5 gemeinsam in einer Windkraftanlage eingesetzt werden können. Aus Übersichtlichkeitsgründen ist dies jedoch in der Zeichnung nicht dargestellt. 3/9

Claims (7)

1. österreichisches Patentamt AT510 624B1 2012-07-15 Patentansprüche 1. Windkraftanlage mit einem Aufwindkamin (1) und mit einem den Aufwindkamin (1) umgebenden Kranz von Wärmetauscher (10) aufweisenden Strömungskanälen (4) zwischen radial zum Aufwindkamin (1) verlaufenden, einen Tragring (3) für den Aufwindkamin (1) aufnehmenden Stützwänden (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscher (10) eine obere Verteilerleitung (11) und eine untere Sammelleitung (12) für einen Wärmeträger und zwischen der Verteilerleitung (11) und der Sammelleitung (12) parallelgeschaltete, die jeweiligen Strömungskanäle (4) durchsetzende Wärmetauscherleitungen (13) im Strömungsweg der Strömungskanäle (4) umfassen.
2. 2. Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilerleitungen (11) und die Sammelleitungen (12) der den einzelnen Strömungskanälen (4) zugehörigen Wärmetauscher (10) zu an einen Vorlauf (14) und einen Rücklauf (15) für den Wärmeträger angeschlossenen Ringkanälen zusammengeschlossen sind.
3. 3. Windkraftanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringkanal für die Verteilerleitungen (11) entlang des Tragrings (3) für den Aufwindkamin (1) geführt ist.
4. 4. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskanäle (4) axial durchströmte Windturbinen (7) aufweisen und dass die die jeweiligen Strömungskanäle (4) durchsetzenden Wärmetauscherleitungen (13) den Windturbinen (7) nachgeordnet sind.
5. 5. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskanäle (4) Leitwände (9) zur Strömungsumlenkung aufweisen und dass zumindest eine Leitwand (9) der Strömungskanäle (4) mit in Strömungsrichtung verlaufenden Wärmetauscherleitungen (13) versehen ist.
6. 6. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Bodenbereich des Aufwindkamins (1) ein zum Kranz der Strömungskanäle (4) zentrischer, sich nach oben verjüngender Strömungskörper (17) zum Umlenken der radialen Kanalströmungen in eine axiale Aufwindströmung vorgesehen ist und dass entlang des Mantels des Strömungskörpers (17) in Strömungsrichtung verlaufende Wärmetauscherleitungen (13) vorgesehen sind.
7. 7. Windkraftanlage nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitwände (9) und der Mantel des zentralen Strömungskörpers (17) aus einem gut wärmeleitenden Werkstoff gefertigt und mit den zugehörigen Wärmetauscherleitungen (13) wärmeleitend verbunden sind. Hierzu 5 Blatt Zeichnungen 4/9