DE102008013141A1

DE102008013141A1 - Wirbelströmungskraftwerk

Info

Publication number: DE102008013141A1
Application number: DE102008013141A
Authority: DE
Inventors: Rudolf Dr. Faymonville; Peter-Michael Dipl.-Ing. Rietbrock (FH)
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2008-03-07
Filing date: 2008-03-07
Publication date: 2009-09-10

Abstract

Das Wirbelströmungskraftwerk weist eine hohle Hülle (11) auf, die in ihrem unteren Bereich (11a) mit Einlässen (12) für Außenluft versehen ist und in ihrem oberen Bereich (11b) einen Turbinenteil (19) enthält. In dem Mittelbereich (11c) der Hülle sind Zuströmöffnungen (25) vorgesehen, durch die ein Nebenstrom (NS) von außen in die Hülle eingesaugt wird. Damit wird ein Hauptstrom (HS) mit großer Luftmasse erzeugt, der den Turbinenteil (19) antreibt. Die Abwärme externer Energieerzeuger oder -verbraucher kann sinnvoll genutzt werden, um die Thermik der Luftströmung zu erhöhen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Wirbelströmungskraftwerk mit einer sich von unten nach oben verengenden Hülle, die im unteren Bereich mindestens einen Einlass aufweist und im oberen Bereich einen Turbinenteil enthält.
Ein Wirbelströmungskraftwerk der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art ist beschrieben in DE 102 17 529 A1 (DIR). Das bekannte Wirbelstromkraftwerk weist eine strahlungsdurchlässige Hülle auf, die von Luft unterströmt wird. In der Hülle wird ein stabiler Wirbel nach Art eines umgedrehten Tornados erzeugt, bevor die aufsteigende und rotierende Luft einem Turbinenteil zugeführt wird. An den unteren Einlässen der Hülle befinden sich verstellbare Flügeltore, die die einströmende Luft mit tangentialer Komponente einleiten.
In DE 198 21 659 A1 ist ein Aufwindkraftwerk beschrieben, bei dem die zuströmende Luft durch Oberflächenkühler beheizt wird, die von einer außerhalb des Aufwindkraftwerks gelegenen, Wärme abgebenden Einrichtung erwärmt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Wirbelströmungskraftwerk mit verbesserter Energieausnutzung zu schaffen.
Das Wirbelströmungskraftwerk nach der Erfindung ist durch den Patentanspruch 1 definiert. Es ist dadurch gekennzeichnet, dass in einem zwischen dem unteren und dem oberen Bereich befindlichen Mittelbereich der Hülle Zuströmöffnungen vorgesehen sind, durch die ein Nebenstrom von außen in die Hülle eingesaugt wird.
Durch die Erfindung wird erreicht, dass der in den unteren Bereich eintretende und in der Hülle in einen Wirbel versetzte Hauptstrom einen Nebenstrom ansaugt, der den Hauptstrom kräftig verstärkt, so dass ein rotierender Gesamtstrom von großer Luftmasse entsteht, der den Turbinenteil antreibt. Der Nebenstrom wird mit Außenluft gespeist und teilweise auch mit warmer Luft, die aus dem oberen Ende der Hülle aufsteigt und durch die Zuströmöffnungen wieder eingesaugt wird.
Das Wirbelströmungskraftwerk erzeugt durch Thermik einen hochenergetischen Luftstrom von großer Masse, der den Turbinenteil treibt. Der Turbinenteil ist mit einem Generatorteil zur Stromerzeugung verbunden.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind in den Einlässen Flügeltore angeordnet, die einströmende Luft mit tangentialer Komponente einleiten. Diese Flügeltore stehen vorzugsweise über die Wand der Hülle nach innen vor. Dadurch wird erreicht, dass der Wirbel im unteren Bereich der Hülle einen Wandabstand einhält, so dass die Rotation nicht durch Wandreibung gebremst wird. Darüber hinaus wird erreicht, dass der rotierende Wirbel auch im Bereich der Zuströmöffnungen einen Wandabstand einhält.
Zweckmäßigerweise sind die Flügeltore Bestandteil eines Abwärmekreislaufs, durch den Abwärme eines externen Energieerzeugers abgeführt wird. Ein solcher Energieerzeuger kann beispielsweise ein Kraftwerk oder eine zu kühlende Antriebsmaschine sein. Dadurch gelingt es, abzuführende Wärme für die Wirbelbildung auszunutzen und ohne aufwändige Energierückgewinnungseinrichtungen für die Stromerzeugung zu verwenden. Die Flügeltore haben die zusätzliche Funktion von Wärmetauschern zum Aufheizen der den Wirbelstrom speisenden Zuluft.
Der Generatorteil zur Stromerzeugung ist vorzugsweise im unteren Bereich innerhalb der Hülle oder unter dieser angeordnet. Er ist mit dem Turbinenteil über eine Welle, die sich durch den Wirbelstromkanal hindurch erstreckt, verbunden. Auf diese Weise kann der schwergewichtige und große Generatorteil am Boden angeordnet werden, so dass er nicht von dem die Hülle bildenden Turm getragen werden muss.
Die Hülle des Turmes kann aus geeigneten Werkstoffen wie Beton, Holz oder Stahl errichtet werden. Zweckmäßigerweise ist an der Innenseite der Hülle eine Vorrichtung zur Reibungsverminderung vorgesehen, um die Bildung und Aufrechterhaltung des Wirbels zu begünstigen. Diese Vorrichtung kann eine thermische Isolierung oder Heizvorrichtung sein, die eine als Grenzschicht wirkende Luftschicht bildet. Eine andere Möglichkeit besteht darin, an der Innenseite der Hülle Wasser oder Dampf einzudüsen, um eine entsprechende Grenzschicht zu erzeugen. Im Falle einer Heizvorrichtung kann diese ebenfalls mit der Abwärme einer externen Anlage gespeist werden.
Die Luftklappen, die den Nebenstrom in die Hülle einlassen, sind in Abhängigkeit von der Drehzahl des Turbinenteils gesteuert. Hierzu kann ein Fliehkraftregler oder ein anderer drehzahlabhängiger Regler vorgesehen sein. Dieser Regler verhindert ein zu schnelles Drehen des Turbinenteils und sichert andererseits eine möglichst große Strömungsmasse. Der Regler kann auch die Steuerung für den Anfahrbetrieb und den Dauerbetrieb übernehmen.
Der Turbinenteil entzieht der aufsteigenden Wirbelströmung die Rotationsenergie und wandelt die Strömung in eine Konvektionsströmung um. Am oberen Ende der Hülle können Strömungsabrissteile vorgesehen sein, beispielsweise in Form von Zacken, um eine gerichtete Ausströmung aus der Hülle zu vermeiden. An den Zuströmöffnungen sind zweckmäßigerweise Vogelschutzgitter vorgesehen.
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Wirbelströmungskraftwerks,
2 einen Schnitt entlang der Linie II-II von 1,
3 einen Schnitt entlang der Linie III-III von 1,
4 eine alternative Ausführungsform zu 3 und
5 eine Darstellung des oberen Endes der Hülle.
Gemäß 1 ist ein Turm 10 vorgesehen, der ähnlich einem Kühlturm aus einer hohlen Hülle 11 besteht, deren Innendurchmesser sich von unten nach oben stetig verringert. Die Hülle 11 weist einen unteren Bereich 11a von großer Weite und einen oberen Bereich 11b von verringerter Weite auf. Dazwischen befindet sich der Mittelbereich 11c. Die Hülle ist rotationssymmetrisch und ihre Gestalt ist etwa glockenförmig.
Im unteren Bereich 11a der Hülle befinden sich seitliche Einlässe 12. Das obere Ende ist offen und bildet den zentralen Auslass 13. An den Einlässen 12 befinden sich Flügeltore 14, die einströmende Luft mit tangentialer Komponente in das Innere der Hülle leiten. Die Flügeltore 14 sind im Winkel verstellbar. Jedes der Flügeltore 14 bildet einen Wärmetauscher, der an eine Vorlaufleitung VL und eine Rücklaufleitung RL angeschlossen ist. Die Vorlaufleitungen und die Rücklaufleitungen sind Bestandteil eines Abwärmekreislaufs 15 eines externen Wärmeerzeugers. Die Flügeltore bewirken eine Aufheizung der einströmenden Luft, die innerhalb der Hülle 11 in einen Wirbel 16 versetzt wird, welcher durch die Thermik rotierend aufsteigt.
Am unteren Ende befindet sich im Inneren des Turmes 10 der Generatorteil 18, der von dem am oberen Ende 13 befindlichen Turbinenteil 19 über eine Welle 20 angetrieben wird. Die Welle 20 verläuft koaxial im Inneren der Hülle 11. Der Turbinenteil 19 ist in einem Leitkörper 21 untergebracht, welcher die seitlich einströmende Luft strömungsgünstig aufwärts leitet.
Im Mittelbereich 11c der Hülle befinden sich Zuströmöffnungen 25, an welchen Luftklappen 26 angeordnet sind. Durch die Zuströmöffnungen 25 wird ein Nebenstrom NS aus Außenluft in den Hauptstrom HS, welcher den Wirbel 16 bildet, eingesaugt. Dadurch entsteht ein Gesamtstrom GS, der rotierend aufsteigt und den Generatorteil 18 treibt. Da die kinetische Energie des Hauptstroms HS bei der Einleitung des Nebenstroms NS bereits sehr groß ist, ist die Luftmenge des Nebenstroms NS viel größer als diejenige des Hauptstroms.
Der Nebenstrom NS wird unter anderem aus der aufsteigenden Konvektionsströmung 28 gespeist, die das obere Ende des Turms 10 verlassen hat, so dass die Temperatur dieser Strömung zur Erhöhung der Aufstiegskräfte ausgenutzt wird.
2 zeigt eine der Luftklappen 26 zum gesteuerten Verschließen der Zuströmöffnungen 25, die in der Wand 30 der Hülle 11 vorgesehen sind. Die Klappe 26 kann zwischen einer maximalen Öffnungsstellung und einer vollständigen Schließstellung verstellt werden.
3 zeigt eine Vorrichtung 32 zur Reibungsverminderung der Wandreibung der Hülle 11. Die Vorrichtung 32 besteht hier aus einer Heizvorrichtung 33 in Form einer Heizschlange, die mit Abwärme aus einer externen Wärmequelle gespeist wird. Dadurch bildet sich in Wandnähe eine warme Luftschicht, die eine Schmierung für den aufsteigenden Wirbel bildet.
Eine andere Vorrichtung 32 zur Reibungsverminderung ist in 4 dargestellt. Diese Vorrichtung weist Düsen 34 auf, die in der Wand 30 vorgesehen sind und einen Sprühnebel erzeugen, welcher durch Verdampfung eine Schmierungsschicht für den Luftwirbel bildet.
In 5 ist das obere Ende 13 der Hülle 11 dargestellt. Hier befinden sich am Rand der Hülle Strömungsabrissteile 35 in Form von Zacken, die nach Art einer Turmrandkrone angeordnet sind. Sie verhindern das Abspringen des Restwirbels als unkontrollierter Tornado bei Sturm und anderen ungünstigen Wetterlagen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 10217529 A1 [0002]
- DE 19821659 A1 [0003]

Claims

Wirbelströmungskraftwerk mit einer sich von unten nach oben verengenden Hülle (11), die im unteren Bereich (11a) Einlässe (12) aufweist und im oberen Bereich (11b) einen Turbinenteil (19) enthält, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zwischen dem unteren und dem oberen Bereich befindlichen Mittelbereich (11c) der Hülle Zuströmöffnungen (25) vorgesehen sind, durch die ein Nebenstrom (NS) von außen in die Hülle (11) eingesaugt wird.
Wirbelströmungskraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an den Einlässen (12) Flügeltore (14) angeordnet sind, die einströmende Luft mit tangentialer Komponente einleiten.
Wirbelströmungskraftwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Flügeltore (14) über die Wand (30) der Hülle (11) nach innen vorstehen.
Wirbelströmungskraftwerk nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Flügeltore (14) Bestandteil eines Abwärmekreislaufs (15) sind.
Wirbelströmungskraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass an den Zuströmöffnungen (25) steuerbare Luftklappen (26) angeordnet sind.
Wirbelströmungskraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im unteren Bereich (11c) ein Generatorteil (18) angeordnet ist, der durch eine Welle (20) mit dem Turbinenteil (19) verbunden ist.
Wirbelströmungskraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass an der Hülle (11) eine Vorrichtung (32) zur Reibungsverminderung vorgesehen ist.
Wirbelströmungskraftwerk nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (32) eine thermische Isolierung oder eine Heizvorrichtung (33) aufweist.
Wirbelströmungskraftwerk nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (32) Sprühdüsen (34) zum Versprühen von Wasser aufweist.
Wirbelströmungskraftwerk nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftklappen (26) in Abhängigkeit von der Drehzahl des Turbinenteils (19) gesteuert sind.
Wirbelströmungskraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass am oberen Ende (13) der Hülle (11) Strömungsabrissteile (35) vorgesehen sind.