DE102008018433A1 - Solar updraft tower for converting flow energy of air into drive energy of rotating machine, has heating zone integrated in driving region of air guide and operating in flow path in machine arrangement - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Aufwindkraftwerk mit Energiezufuhr zur strömenden Luft über Wärmetauscher im unteren Turmabschnitt und erreicht durch erhöhte Strömungsgeschwindigkeit als Folge hoher Lufterwärmung in Verbindung mit reduziertem Luftwiderstand eine hohe Leistungsdichte. Die auf die Leistung bezogenen Baukosten werden hierdurch reduziert. Durch die Begrenzung der Bauhöhe und Maßnahmen für den Turmaufbau wird die Windfestigkeit der Anlage gefördert.The The invention relates to a Aufwindkraftwerk with energy supply to the flowing Air over heat exchanger in the lower tower section and achieved by increased flow velocity as a result of high air heating in conjunction with reduced air resistance a high power density. The construction related costs are thereby reduced. By limiting the height and Measures for the tower construction will be the wind resistance promoted the plant.
Stand der TechnikState of the art
Aufwindkraftwerke basieren auf der Anwendung von Luft als Betriebsmittel und nutzen die Sonnenwärme als Energie zur Aufwinderzeugung in einem rohrförmigen Turm.Chimney power plants are based on the use of air as a resource and use the sun's heat as energy for generating wind in one tubular tower.
Es gilt die Regel, dass mit zunehmender Höhe des Turms das Druckangebot für die im unteren Bereich angeordnete Turbine gesteigert, die Strömungsgeschwindigkeit und mit ihr die Leistung erhöht werden können. Mit dieser Einschätzung stimmen verschiedene Vorschläge zur Optimierung überein. Es wurden Turmkonstruktionen mit Blechummantelung, ebenso wie preisgünstige Betonrohre und auch Kunststoffrohrelemente zum Bau hoher Türme in Erwägung gezogen. Nach Versuchen mit einer Prototypanlage in Spanien (Almeria) zeigte sich, dass bei hohen Turmkonstruktionen durchaus Rücksicht auf das sich verschärfende Problem der Windlasten zu nehmen ist und dies umso mehr, je schlanker der Turm ist.It The rule is that with increasing height of the tower the Print offer for the turbine arranged in the lower area increased, the flow velocity and with it the Performance can be increased. With this assessment There are several suggestions for optimization. There were tower structures with sheet metal coating, as well as inexpensive Concrete pipes and plastic pipe elements for the construction of tall towers considered. After experiments with a prototype system in Spain (Almeria) showed that at high tower constructions quite considerate of the aggravating Problem of the wind loads is to take and this all the more, the more slender the tower is.
Die Wärmezufuhr erfolgt bei der klassisch konzipierten Anlage nach Prof. Schlaich vor dem Lufteintritt in den Turm, in dessen unterem Bereich Turbine und Generator angeordnet sind. Eine Art Glas- oder Folienüberdachung vermittelt den Wärmeübertritt im horizontalen Bereich. Die notwendigerweise großflächige Anlage stellt für die strömende Luft einen nicht vernachlässigbaren Strömungswiderstand dar und zwingt für gegebene Leistung zu einer Steigerung der Turmhöhe. Erkennbar richten die niedrige Rate der Wärmeeinstrahlung und die Vorschaltung der Wärmeübertragung das Augenmerk zu sehr auf die Ausführung hoher Türme mit hohem Schlankheitsgrad, die aber offensichtlich in Folge der sich zuspitzenden Windkraftbelastung zu unwirtschaftlich hohen Anlagekosten führen.The Heat is supplied by the classically designed system according to Prof. Schlaich before the air enters the tower, in which lower area turbine and generator are arranged. A kind of glass or foil roofing conveys the heat transfer in the horizontal area. The necessarily large-scale Plant does not provide one for the flowing air negligible flow resistance and forces the tower height to increase for given performance. Visible align the low rate of heat radiation and the upstream of the heat transfer the Pay too much attention to the execution of tall towers with a high degree of slimming, but obviously as a result of itself peak wind load at uneconomically high investment costs to lead.
Umgekehrt wird eine Verbindung von Energie-Übertragungsbereich mit dem Strömungssystem des Turms zu Vorteilen für die Strömung führen. Mit geringerem Druckverlust besteht dann die Möglichkeit bei kleinerer Turmhöhe dieselbe Leistung zu erreichen. Auch gegen den Nachteil, der durch die niedrige Energieübertragungsdichte gegeben ist, sind Maßnahmen zu treffen.Vice versa is having a connection of energy transfer area with the flow system of the tower to benefits for lead the flow. With lower pressure loss then there is the possibility for smaller tower height to achieve the same performance. Also against the disadvantage of having the low energy transfer density is given are To take action.
Es besteht somit die erfindungsgemäße Aufgabe darin, die Aufwind-Kraftwerksanlage zur Senkung der Anlagekosten dadurch zu optimieren, dass die Energiezufuhr zur strömenden Luft überwiegend in den Turmbereich, nach dem Austritt der Luft aus der Turbine, verlagert wird und somit eine Reduzierung des Strömungswiderstandes erfolgt; zusätzlich eine Intensivierung der Wärmeübergabe durch verschiedene Maßnahmen vorgesehen ist, so dass bei begrenzter Turmhöhe eine Steigerung des Druckangebots zustande kommt und durch die Wahl eines großen hydraulischen Durchmessers der Strömung das Ziel hoher Geschwindigkeit und damit hoher Leistungsdichte unterstützt wird.It Thus, the object of the invention is to the updraft power plant to reduce the investment costs thereby to optimize that the supply of energy to the flowing air predominantly in the tower area, after the exit of the air from the turbine, relocated and thus a reduction of the flow resistance he follows; in addition, an intensification of heat transfer provided by various measures, so that with limited Turmhöhe an increase in the print offer comes about and by choosing a large hydraulic diameter the flow the target of high speed and thus high power density is supported.
Die Sammlung der Wärmeeinstrahlung erfolgt dabei außerhalb des Turms in einer gesonderten Anlage durch Zuhilfenahme eines Wärmeträgers, der bevorzugt Wasser oder Wasserdampf oder ein anderes geeignetes Medium sein wird, das auf eine Temperatur gebracht wird, die merklich höher ist als die Temperatur der am Ort strömenden Luft im Turm. Innerhalb des Turms dienen Wärmetauscher dem effizienten Übertritt der Wärme vom Wärmeträger zum Strömungsmedium. Sie sind in den Wandbereich integriert und tragen nur geringfügig zur Erhöhung des Strömungswidertands bei.The Collection of heat radiation takes place outside of the tower in a separate plant by means of a heat carrier, the preferably water or steam or other suitable medium which will be brought to a temperature that is noticeably higher is the temperature of the locally flowing air in the tower. Within of the tower, heat exchangers serve the efficient transfer the heat from the heat transfer medium to the flow medium. They are integrated into the wall area and carry only slightly to increase the flow resistance at.
Gegenüber bisher beschriebenen Lösungen wird eine deutliche Steigerung der Leistungsdichte durch erhöhte Strömungsgeschwindigkeit bei gleichzeitiger Verringerung des Verhältnisses von Turmhöhe zu Durchmesser angestrebt.Across from previously described solutions will be a significant increase the power density due to increased flow velocity while reducing the ratio of tower height aimed at to diameter.
Ausführungsbeispieleembodiments
Die Lösung der Aufgabe wird durch eine ausführliche Textdarstellung und anhand mehrerer Figuren erläutert.The Solution of the task is through a detailed Text representation and explained with reference to several figures.
Die Merkmale der AufwindanlageThe characteristics of the updraft
Das Ziel einer hohen Leistungsdichte bei begrenzter Turmhöhe kann, wie erwähnt, durch Verringerung des Strömungswiderstandes und gleichzeitiger Erhöhung des Wärmeeintrags für ein begrenztes Strömungsvolumen erreicht werden.The Aim of high power density with limited tower height can, as mentioned, by reducing the flow resistance and simultaneously increase the heat input be achieved for a limited flow volume.
Wie
Die im Abschnitt A2 des Turmes vorgesehene Heizzone umfasst mehrere Teilabschnitte, wobei die einzelnen Bereiche sowohl dem Innenmantel von M2 als auch den 4 Mittelstegen Sh mit der entsprechenden Austauschfläche Hs zugeordnet sind. Hierdurch vergrößert sich die Heizfläche um etwa den Faktor 1 + π/4. Die Mittelstege Sh verbessern darüber hinaus die Biege- und Knicksteifigkeit des Turms. Es lassen sich somit bei großen Durchmessern Dr mit begrenztem Materialaufwand deutlich erhöhte Festigkeitsdaten erzielen.The heating zone provided in section A2 of the tower comprises a plurality of sections, wherein the individual sections are assigned to both the inner shell of M2 and the four central webs Sh with the corresponding exchange surface Hs. This increases the heating surface by about a factor of 1 + π / 4. The middle bridges Sh also improve the bending and buckling resistance of the tower. Thus, with large diameters D r , significantly increased strength data can be achieved with limited material expenditure.
In
In
Mit der auf das Strömungsvolumen der Luft bezogenen Massenverringerung gegenüber dem nicht erwärmten Volumen gleicher Größe kann die erzeugte Auftriebskraft bzw. ein entsprechender Auftriebsdruck ermittelt werden.With the mass reduction related to the flow volume of the air equal to the unheated volume Size can be the generated buoyancy force or a corresponding buoyancy pressure can be determined.
Der
im Betriebspunkt der Turbine zur Verfügung stehende Druck
fällt, entsprechend
Die Leistungsdichte der AnlageThe power density of the system
In
Tafel 1 sind die zwischen Kräften und Strömungsgeschwindigkeit
bestehenden Zusammenhänge in den Formelzeilen 1–4
aufgeführt. In Formelzeile 1 wird die Auftriebskraft Fo abhängig von dem spezifischen
Gewicht γ der Luft und den Turmabmessungen sowie dem Auftriebsbeiwert ε dargestellt. Dem
Diagramm
Die der Strömung zugeordnete Leistung Ps folgt aus dem Produkt von wirksamer Kraft (Fo – Fr) und vs.The power P s associated with the flow follows from the product of effective force (F o -F r ) and v s .
Mit Berücksichtigung des Turbinen- und des Generatorwirkungsgrades ηT und ηG lässt sich die abgegebene Generatorleistung zu PG = ηT·ηG·Ps ermitteln.Taking into account the turbine and generator efficiency η T and η G , the output generator power can be determined to be P G = η T · η G · P s .
Vorteilhaft erscheint dabei, dass die Luftturbine in ihrem Wirkungsgrad nicht durch den Carnot-Prozess limitiert wird. ηT kann somit für schnelllaufende Windturbinen bei etwa 60% liegen.It is advantageous that the air turbine is not limited in its efficiency by the Carnot process. η T can thus be about 60% for high-speed wind turbines.
Bezieht man die Strömungsleistung Ps auf das Volumen des Turms, so folgt die Gleichung in Formelzeile 5 für die „Leistungsdichte” des Kraftwerks. Sieht man vom Energiebereitstellungsteil ab, so ist der Bauaufwand des Kraftwerks näherungsweise dem Volumen des Turms proportional anzusetzen. Die Gleichung der Leistungsdichte gibt somit auch Hinweise auf die wichtigsten Optimierungsgrößen bezüglich der Anlagekosten. Hierbei ist zu beachten, dass vs eine mit ε0,5 zunehmende Funktion ist, und außerdem der Quotient l/DH sowie der Reibbeiwert λ möglichst kleine Werte annehmen sollen.If one relates the flow rate P s to the volume of the tower, the equation in formula line 5 follows for the "power density" of the power plant. Apart from the energy supply part, the construction cost of the power plant is approximately proportional to the volume of the tower. The power density equation thus also gives indications of the most important optimization variables with regard to the system costs. It should be noted that v s is a function that increases with ε 0.5 and, in addition, the quotient l / D H and the coefficient of friction λ should assume the smallest possible values.
Hohe Leistungsdichten lassen sich offenbar beim intensiv beheizten Turm begrenzter Höhe mit verhältnismäßig großem DH erzielen. Zunächst unabhängig von der Turbine spricht dies auch für den Einsatz großvolumiger Anlagen und großer Gesamtleistung. So lässt sich z. B. mit einer Turmhöhe von hr = 250 m und einem Innendurchmesser Dr = 100 m bei einer Temperatursteigerung Δϑm = 150 K mit ε = 0,35 eine Strömungsgeschwindigkeit von etwa 75 m/s erzielen, was zu einer Strömungsleistung von Ps = 480 MW führt. Die Leistungsdichte beträgt für dieses Beispiel 120 W/m3, und bei Annahme eines Wirkungsgrades von ηT·ηG = 0,5 folgt die elektrische Leistungsdichte zu 60 W/m3. Die nach diesen Entwurfsvoraussetzungen ermittelten Leistungsdaten zeigen das Potential einer sehr deutlichen Leistungssteigerung und Leistungsdichteerhöhung bei begrenzter Turmhöhe. Durch hohe Strömungsgeschwindigkeit mit Hilfe intensivierter Energiezufuhr innerhalb des Turmbereichs lässt sich auch der Kostenanteil je Leistungseinheit stark reduzieren.High power densities can obviously be achieved with the intensively heated tower of limited height with relatively large D H. Initially, independent of the turbine, this also speaks for the use of large-volume systems and great overall performance. So can be z. B. with a tower height of h r = 250 m and an inner diameter D r = 100 m at a temperature increase Δθ m = 150 K with ε = 0.35 achieve a flow rate of about 75 m / s, resulting in a flow rate of P s = 480 MW leads. The power density is 120 W / m 3 for this example, and assuming an efficiency of η T · η G = 0.5, the electric power density follows 60 W / m 3 . The performance data determined according to these design requirements show the potential of a very significant increase in performance and power density increase with limited tower height. Due to the high flow rate with the help of intensified energy supply within the tower area, the cost share per power unit can be greatly reduced.
Ergebnisse von Entwurfsuntersuchungen und weitere MerkmaleResults of design studies and more features
Die in Tafel 1 hergeleiteten Gleichungen und insbesondere die Gleichung für die Leistungsdichte zeigen Vorteile für Anlagen mit begrenztem Verhältnis l/DH. Da die Enwärmung erst nach dem Turbinenaustritt wirksam wird, steht der Anwendung hoher Auftriebskennwerte ε grundsätzlich nichts im Wege. Die Grenze findet dieser Intensivierungsansatz allerdings dort, wo durch hohe Temperaturen der Luft und des Wärmeträgers die Wärmebeständigkeit des Materials oder die mit der Temperatur verbundene Druckbeanspruchung durch den Wärmeträger zu Problemen führt. Wie sich zeigt, ist die Darstellbarkeit der Wärmeübertragung im Abschnitt A2 durch die Tatsache begünstigt, dass offensichtlich sehr hohe Luftgeschwindigkeiten und mit ihnen sehr hohe Wärmeübergangszahlen zwischen heißer Wand und turbulent strömender Luft erzielt werden. Sie liegen im Bereich von 180–200 W/m2K, so dass die Übertragung mit verhältnismäßig kleinen Flächen stattfinden kann. Vom wandnahen Bereich wird die Wärme durch intensiven Impulsaustausch zwischen den strömenden Wirbelpaketen schnell zur Strömungsmitte hin übertragen. Für die Gestaltung der inneren Rohrarchitektur ist dem Gedanken der Rohrversteifung wie dem zusätzlichen Einbau von Elementen des Wärmetauschers Raum zu geben.The equations derived in Table 1, and in particular the equation for power density, show advantages for systems with limited ratio I / D H. Since the warm-up only takes effect after the turbine outlet, there is basically nothing to prevent the use of high buoyancy characteristics ε. The limit, however, finds this intensification approach where high temperatures of the air and the heat transfer medium, the heat resistance of the material or the pressure associated with the temperature by the heat transfer medium leads to problems. It can be seen that the depiction of the heat transfer in section A2 is favored by the fact that apparently very high air velocities and with them very high heat transfer coefficients between hot wall and turbulent flowing air are achieved. They are in the range of 180-200 W / m 2 K, so that the transmission can take place with relatively small areas. From the area close to the wall, the heat is quickly transferred to the center of the flow through intensive exchange of momentum between the flowing vortex packets. For the design of the inner pipe architecture, the idea of pipe stiffening, such as the additional installation of elements of the heat exchanger, must be given space.
Die Herauslösung der Lufterwärmungsstrecke aus dem horizontalen Turmvorfeld und ihre Verlegung ins Innere des Turms erweist sich als wichtige Maßnahme zur Leistungssteigerung und erlaubt die Verdichtung der Wärmezufuhr und ihre Beschränkung auf das untere Turmteil. Sie eröffnet weiterhin die freie Wahl für die Art der Energiezufuhr für den Energieträger.The Separation of the air heating section from the horizontal turret and its installation inside the tower proves to be an important measure to increase performance and allows the compression of the heat supply and their restriction on the lower part of the tower. It continues to open the free Choice of the type of energy supply for the energy source.
Natürlich liegt es nahe, an die Anwendung der Strahlungsenergie der Sonne zu denken und dabei die bereits als effizient erkannte Parabolspiegelrinne als Energiekonzentrator einzusetzen. Sie ist in den USA und in Deutschland durch die DLR erprobt worden. Hierbei wird die Strahlung auf ein wasser- oder wasserdampfführendes Metallrohr, das im Brennpunktbereich der Rinne geführt ist, konzentriert. Die Temperaturzuwächse lassen sich durch die Fließgeschwindigkeit des Wärmeträgers regeln. Durch Hintereinanderschaltung mehrerer Abschnitte ergeben sich hohe Temperaturen bei hohen Drucken. Richtwerte für die benötigte Projektionsfläche der bestrahlten Rinnen sind abhängig von den bekannten geografischen Faktoren und der Ausrichtung der Rinne zur Sonne. Eine dem Sonnenstand folgende Lagenachführung lässt sich bei Rinnen in horizontaler Anordnung verhältnismäßig einfach ausführen.Naturally it is obvious to the application of the radiation energy of the sun to think with the already recognized as efficient parabolic trough to be used as energy concentrator. She is in the USA and in Germany been tested by DLR. Here, the radiation is on Water or steam-carrying metal tube, the focal point area the gutter is led, concentrated. The temperature increases can be determined by the flow rate of the heat carrier regulate. By connecting several sections result high temperatures at high pressures. Guide values for the required projection area of the irradiated Gullies are dependent on the known geographical factors and the orientation of the gutter to the sun. A following the position of the sun Location tracking can be found in grooves in a horizontal arrangement relatively easy to do.
Der Vorteil der Energieumsetzung in einem Aufwindkraftwerk mit Windturbine liegt gegenüber dem Dampfturbinenkonzept, das an den Carnot-Wirkungsgrad gebunden ist, am Wegfall dieser Begrenzung und an der verhältnismäßig einfachen Maschinenausrüstung.Of the Advantage of energy conversion in a wind turbine with wind turbine lies opposite the steam turbine concept, which is based on the Carnot efficiency is bound to the abolition of this limit and to the relative simple machine equipment.
In
Um mit begrenzter Masse bei sehr großem Maschinendurchmesser einen hohen Umsetzungswirkungsgrad zur Erzeugung der elektrischen Energie sicherzu stellen, empfehlen sich besondere Magnetkreisanordnungen nach 10 2007 042 935.7 und 10 2007 016 879,0 15. Hierbei werden durch Anwendung von Permanentmagneten in Flusskonzentrationsform besonders hohe magnetische Felddichten verfügbar. Sie sind die Grundlage für eine Effizienzsteigerung der Energieumsetzung.Around with limited mass with very large machine diameter a high conversion efficiency for generating the electrical Ensuring energy, special magnetic circuit arrangements are recommended after 10 2007 042 935.7 and 10 2007 016 879.0 15. Here are by using permanent magnets in flux concentration form especially high magnetic field densities available. you are the basis for increasing the efficiency of energy conversion.
Aufwindkraftwerk mit WärmespeicherAufwindkraftwerk with heat storage
Die
nach
Der Wärmeträger beider Teilsysteme ist dabei derselbe. Die Zuschaltung eines Speichers erfordert Stellorgane, wie Ventile oder Schieber zum Öffnen und Schließen von Warmwasser führenden Leitungen. Weiter liegt es nahe, die als Beispiel beschriebene Technik der Strahlungskonzentration in Form von Spiegelrinnen zur Bereitstellung des Wärmevorrats im Speicher heranzuziehen. Es ist damit nicht ausgeschlossen, zur Erwärmung des Speichermediums auch zusätzliche Möglichkeiten der Vorwärmung einzusetzen. Die Kopplung des Kraftwerks mit einem wirksamen Wärmespeicher erhöht die Funktionalität und die Einsatzmöglichkeiten in hohem Maße.Of the Heat transfer medium of both subsystems is the same. The connection of a memory requires actuators, such as valves or slide to open and close hot water leading lines. Further, it is obvious, as an example described technique of radiation concentration in the form of mirror grooves to provide the storage of heat in the store. It is not excluded, for heating the storage medium also additional possibilities of preheating use. The coupling of the power plant with an effective heat storage increases the functionality and the possibilities of use to a great extent.
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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- - L. Prandtl, Strömungslehre, Vieweg und Sohn Braunschweig, 1949 [0017] - L. Prandtl, Fluid Mechanics, Vieweg and Son Braunschweig, 1949 [0017]
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Legal Events
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---|---|---|---|
OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8131 | Rejection |