DE102010005510B4

DE102010005510B4 - Steigerung der Leistungsdichte beim Aufwindkraftwerk durch Rücklauf-Wärmetauscher

Info

Publication number: DE102010005510B4
Application number: DE102010005510A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-01-23
Filing date: 2010-01-23
Publication date: 2012-09-13
Anticipated expiration: 2030-01-24
Also published as: DE102010005510A1

Abstract

Aufwindkraftwerk zur Umsetzung von Strömungsenergie der Luft in Antriebsenergie rotierender Maschinen mit einer Wärmezufuhr, die über Wärmetauscher mit flüssigem oder dampfförmigem Wärmeträger im eintrittsnahen Bereich nach der Turbine angeordnet sind und einem rohrförmigen Anlagenteil in weitgehend senkrechter Position zur Antriebserzeugung, wobei im Heizbereich die Strömung ein Rücklaufteil ebenfalls mit Heizung durch Wärmetauscher aufweist, dessen Strömung sich hinter der Turbine mit dem Hauptteil der Strömung vereinigt, dort mischt und beim Durchlauf im Hauptstrang mit Wärmetauscher erwärmt wird, ehe wieder ein entsprechender Strömungsanteil in das Rücklaufteil umgeleitet wird.

Description

Stand der Technik
Aufwindkraftwerke lassen sich vorteilhaft dort zur Windkraftnutzung einsetzen, wo die Oberflächen-Windhäufigkeit gering und die Sonneneinstrahlung stark ist. Ihre Einführung kann gelingen, wenn ihr wirtschaftlicher Einsatz durch Beschränkung des Materialeinsatzes und Steigerung der Umsetzungsrate der Energie glückt. Die Heranziehung einer durch Auftrieb erzeugten Luftströmung zum Antrieb rotierender Maschinen ist nach einer verhältnismäßig einfachen Funktionskaskade ausgerichtet. Sie basiert auf den Wirkungsschritten Wärmezufuhr, Auftrieb durch Dichteunterschied bei thermischer Trennung der Strömung gegenüber der Umgebung sowie Nutzung der Strömung, d. h. Umsetzung der Windkraft in rotierenden Maschinen.
Die nach bisherigem Stand der Technik konzipierten Anlagen haben die grundsätzliche Möglichkeit der angestrebten Energiewandlung bestätigt. Es wird allerdings bemängelt, dass die nutzbare Antriebsleistung hinter den Erwartungen zurückliegt, und dass der erforderliche Bauaufwand im Verhältnis zur Leistung zu groß ist. Es gibt Vorschläge, die Wirtschaftlichkeit dadurch zu steigern, dass die Turmhöhe weiter vergrößert wird, um den Antrieb durch ein vergrößertes Luftvolumen zu intensivieren. Auch der barometrische Druckanteil soll dadurch stärker hervortreten. Wie sich jedoch zeigt, wirkt sich bei Verlängerung des Turms der damit verbundene proportional steigende Strömungswiderstand nachteilig aus. Eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit erfolgt hier nur in sehr geringem Umfang.
Zieht man die in einem bestimmten Turmvolumen umsetzbare Strömungsleistung und ihr Verhältnis, die Leistungsdichte, als Merkmal für den angestrebten wirtschaftlichen Einsatz heran, so ist offensichtlich, dass es darum geht, hohe Strömungsgeschwindigkeiten zu erzeugen. Um dies zu erreichen, sind die Maßnahmen zur Steigerung der Antriebskräfte der Strömung gefragt und ebenso Maßnahmen zur Begrenzung des Strömungswiderstandes. Dies bedeutet damit auch, dass die Energieübertragung an die Strömung so auszuführen ist, dass sie den Strömungswiderstand wenig beeinflusst. Sie soll also in einem begrenzten Abschnitt möglichst effizient vollzogen werden.
In DE 10 2008 018 433 A1 wird folgerichtig der Wärmetauscher im unteren Turmbereich angeordnet; der Wärmeträger bestehend aus heißer Flüssigkeit, weist dabei eine hohe Temperaturdifferenz gegenüber der strömenden Luft auf. Bei entsprechend vergrößerter Oberfläche lassen sich hohe Lufttemperaturen im Strömungsmedium und damit hohe Auftriebskräfte erzielen. Dies wiederum ist für die Steigerung des Wärmeübergangs ein positiver Effekt, da mm hohe Geschwindigkeiten der Strömung zu einer zusätzlichen Steigerung der Wärmeabgabe beitragen. In der genannten Anmeldung wird davon ausgegangen, dass der Wärmeträger in den Tauschern seine hohe Temperatur durch konzentriert, etwa über Spiegelrinnen eingestrahlte Solarenergie außerhalb des Turms aufnimmt.
Gegenüber anderen Vorschlägen und den ausgeführten Kraftwerken entfällt mit der Verlagerung der Wärmeübergabe in den Turmbereich die wenig effiziente Glasdachvorschaltstrecke mit ihrem Strömungswiderstand.
Zu den die Wirtschaftlichkeit bestimmenden Bauaufwendungen zählt allerdings nach wie vor der Anteil der Wärmeübertragungsstrecke in Zuge der Strömung. Der erwähnte Optimierungsschritt, bei dem eine erhöhte Temperaturdifferenz und eine hohe Geschwindigkeit zur Begrenzung der Wärmeübertrittsflächen genutzt werden, ist als sehr wichtig anzusehen. Es kann allerdings auch als Nachteil angesehen werden, dass die Wärmetauscher oberhalb des Maschinenteils im Turm dazu beitragen, die bloße Röhrenkonstruktion zum Einbau der Tauscher erweitern und im Sinne der Stabilisierung ergänzen zu müssen. Es erscheint zusätzlich nachteilig, dass zum Vollzug der Wärmeübertragung ein beträchtliches Maß an Turmlänge benötigt wird, das nicht vollständig zur Auftriebserzeugung mit Höchsttemperatur zur Verfügung steht. So muss es vorteilhaft erscheinen, den Übertragungsteil der Röhre weitgehend bodennah anzuordnen und die den Auftrieb erzeugende Turmregion nicht durch den Einbau der Tauscher mechanisch zu belasten. Gleichwohl ist dafür zu sorgen, dass in dem vorgeschalteten Röhrenbereich die Wärme auf möglichst kurzer Strecke übertragen wird.
In DE 10 2008 013 141 A1 wird ein aufwandsarmes Aufwindkraftwerk mit dem Merkmal einer zusätzlichen Wärmezufuhr im Turmbereich beschrieben. Diese extrasolare Wärme wird z. B. als Abwärme anderer Wärmequellen verfügbar und kann im Turmbereich über einen Wärmetauscher dem Luftstrom zugeführt werden. Eine Rückführung eines Teils des Luftstroms ist nicht vorgesehen.
Auch bei US 3 936 652 A handelt es sich um die Nutzung zusätzlich verfügbarer Energie, die einem horizontalen Teil der Anlage mit Hilfe von Wärmetauschern dem Luftstrom (ohne Rückstromeinrichtung) zugeführt werden soll.
Die in der EP 2 083 169 A1 beschriebenen technischen Merkmale gelten der Frage des Wärmeentzugs aus dem Aufwindkraftwerk. Es wird mit Hilfe eines geschlossenen Teilkreislaufs auf der Basis einer geeigneten Flüssigkeit als Wärmeträger ein Druckunterschied erzeugt, der zum Antrieb einer (Wärmekraft-)Turbine herangezogen wird. Auch die WO 93/19 294 A1 beschäftigt sich mit der Nutzung der Windenergie in einem Tunnelbereich.
Es stellt sich somit die erfindungsgemäße Aufgabe darin, die Strömungsführung in die Hauptabschnitte Energienutzung, Energieübertragung und Auftriebserzeugung zu gliedern und dabei die beiden ersten Bereiche für horizontale Strömung anzuordnen, während nur das Auftriebsteil in einer senkrechten Röhre wirkt, und die Energieübertragungsstrecke durch besondere Maßnahmen möglichst kurz ausgeführt wird. Auf diese Weise wird die Anordnung den Optimierungsschritten für erhöhte Leistungsdichte bei begrenztem Bauaufwand angepasst.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst, vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Beschreibung
Mit den auf hohe Leistungsdichte zielenden Maßnahmen zur Konzeption einer Aufwindkraftanlage sollen der Bauaufwand reduziert und ihr Gesamtwirkungsgrad gesteigert werden. In dem Anlagenbereich Energienutzung wird von der Anwendung von Windturbinen ausgegangen. Ihr Einsatz ist nicht vom thermischen Wirkungsgrad wie bei Wärmekraftwerken klassischer Art abhängig. Wie bei bekannten Windkraftanlagen lassen sich damit Wirkungsgrade von etwa 50%, unabhängig von der Betriebstemperatur der Luft in einer einstufigen Anlage, also mit einer verhältnismäßig einfachen Propelleranordnung erzielen. Die Umsetzung der auf diese Weise in Kräfte eines rotierenden Systems verwandelten Windkraft ist Stand der Technik. Ein mit der Propellerwelle verbundener Generator dient zur Erzeugung elektrischer Energie. Auch hierbei sind hohe Wirkungsgrade erzielbar.
Die Zufuhr von Wärmeenergie mit Hilfe von Wärmetauschern soll im Bereich hinter der Turbine erfolgen, so dass diese nicht von heißer Luft durchströmt wird.
In horizontaler Anordnung durchströmt sind die beiden ersten Anlagenteile bodennah ausführbar. Die Abstützung der Maschinenteile und Wärmetauscher und ihre Fundamentierung kann mit geringem Aufwand durchgeführt werden.
Der dritte Anlagenteil besteht aus einer 90°-Umlenkung, d. h. einem Krümmer und einer vertikal angeordneten Röhre. Letztere ist im einfachsten Falle ohne Heizungseinrichtung ausgeführt.
Der erforderliche Auftrieb entsteht hauptsachlich in dem aufgerichteten Röhrenteil und ergibt sich vorwiegend durch den Gewichtsuntersdchied zwischen der erwärmten Luft gegenüber der nicht erwärmten Außenluft. Bei begrenzter Turmhöhe gelten die barometrischen Einflüsse dagegen als sehr gering. Die quantitative Wirkung des Dichteunterschiedes wurde in DE 10 2008 018 431 A1 beschrieben und lässt sich in Büchern der Strömungslehre nachvollziehen. Wie sich zeigt, haben Temperaturerhöhungen im Bereich zwischen 0 und 100°C eine größere Wirkung als gleiche Temperaturerhöhungen im höheren Bereich. Dennoch besteht die Aussage, dass große Temperaturerhöhungen sich als starke Antriebswirkung erweisen und die Quelle der erforderlichen Druckdifferenzen darstellen. Es wurde bereits erwähnt, dass effiziente Lösungen hohe Temperaturdifferenzen mit begrenzter Turmhöhe verbinden sollten und nicht kleine Temperaturdifferenzen mit hohen Türmen zu kombinieren sind. Das Ziel ist die Steigerung der Strömungsgeschwindigkeit.
Um auf begrenzter Strömungslänge eine möglichst hohe Wärmemenge zuführen zu können, müssen für den Wärmetauscher günstige Bedingungen bestehen. Bei ausreichend großer Übertrittsfläche sind eine hohe Temperaturdifferenz und hohe Geschwindigkeit anzubieten. Auf der Luftseite erweist sich turbulente Strömung als günstig. Auf der Flüssigkeitsseite erfolgt der Wärmeübergang dank der höheren Dichte der Flüssigkeit bei kleineren Temperaturdifferenzen im Tauscher und ist weniger problematisch.
Mit dem Wärmestromschema, entsprechend 1, das einen Rückführzweig der Strömung enthält, kann auf begrenzter Länge eine maximale Erwärmung erzielt werden.
Der Lufteintrittstemperatur δ_v steht die Austrittstemperatur δ_a gegenüber. Dem Luftstrom Q wird am ersten Knoten der Luftstromanteil Q_r zugeführt, der bereits auf δ₂ erwärmt ist und im Hauptstrang der Strömung bis zum zweiten Knoten mitgeführt und dort zusammen mit dem Anteil Q auf die Temperatur δ_a gebracht wird. Der Strömungsanteil Q_r wird am zweiten Knoten der Strömung wieder abgeführt. Seine Zuführung am Knoten 1 bedeutet, dass dort durch den Mischvorgang eine Temperaturzunahme für Q von δ_v auf δ_e entsteht. Durch die Rückführung und die Erwärmung in beiden Teilsträngen tritt eine Mehrfacherwärmung auf, die je nach Ausführung deutliche Steigerungen der Austrittstemperatur gegenüber einer Einfacherwärmung konventioneller Art zur Folge hat.
Zur Klärung der quantitativen Zusammenhänge zeigt die entsprechend 1 angesetzte Erwärmungsrechnung die in der Tabelle von 1a dargestellten Beträge der einzelnen Erwärmungswerte. Hierbei wurde zur Vereinfachung die Eintrittstemperatur δ_v = 0 und das Verhältnis der Strömungsmengen Q_r/Q = s gesetzt.
Auf der rechten Seite der Tabelle 1a sind die Ergebnisse für den Sonderfall s = 1, d. h. Q_r = Q und Δδ₁ = Δδ₂ dargestellt.
Die Ergebnisse zeigen, dass das Erwärmungskonzept mit Rückführstrang und beidseitiger Heizung, die gegenüber der klassischen Lösung stark erhöhte Austrittstemperatur von δ_a = 3Δδ erzielen lässt. Für den Fall der einflach durchströmten Wärmetauscher mit der Strömungsmenge Q entsteht hingegen die Austrittstemperatur δ_a = Δδ. Die Temperatursteigerung kommt durch die Rückführung von Q_r zustande, das in beiden Wärmetauschern erhitzt wird und seine Wärme zum Teil auf den Strömungsanteil Q überträgt.
Dem Erwärmungsschema entsprechend zeigt 2 ein Anlagenschema, wobei Strömungsmengen und Temperaturen zur Orientierung mit eingetragen sind.
3 zeigt für den Sonderfall entsprechend 1a das zugehörige Temperaturdiagramm mit den ortsabhängig auftretenden Verläufen.
Ähnlich wie in 1 ist angenommen, dass im Einlaufbereich sich der Rücklaufstrom Q_r mit dem aus der Turbine T kommenden Hauptstrom mischt. Die Mischzone mit ihrer Außen- und Innenkontur M_a/M_i besitzt eine besondere Formgebung. Die gemeinsame Strömung Q + Q_r tritt danach in den Wärmetauscher Ht 1 ein, der die Erwärmung auf δ_a erzeugt. Es ist angedeutet, dass die Wärmezufuhr über ein bevorzugt flüssiges Heizmedium, das z. B. die Spiegelrinnen Sr, angetrieben von einer Pumpe Ps, durchläuft, erfolgt. Die Energieübertragung vollzieht sich innerhalb des Erwärmungsbereiches H1.
Im Rücklaufstrang wirkt ein entsprechendes Heizsystem H2 mit dem Wärmetauscher Ht2. Der Abzweig Ak zum Rückführteil befindet sich am Einlauf in den Rohrkrümmer. An ihn schließt sich der nicht gezeichnete senkrechte Auftriebsteil des Turms an. Bevor die Rücklaufströmung Q_r über Rk in die Mischzone M_a/M_i eintritt, ist mit Pr angedeutet, dass für den Antrieb der Teilströmung Q_r ein Druckgefälle, z. B. durch eine Strömungspumpe, bereitzustellen ist.
Es liegt allerdings nahe, anstelle einer Strömungsmaschine die Saugwirkung der Hauptströmung zur Bereitstellung der Druckdifferenz einzusetzen. Hierzu soll die Formgebung des Einlaufteils M_a/M_i nach dem Turbinenaustritt herangezogen werden. Die angedeutete plötzliche Querschnittserweiterung im Anschluss an eine Querschnittsverengung vermittelt den zu erzeugenden Unterdruck. Vor dem Eintritt in den Wärmetauscher Ht 1 wird der Strömungsquerschnitt wieder den normalen Strömungsverhältnissen angepasst. Entsprechende Antriebsverfahren findet man bei Strahlpumpen im Einsatz. Der erwähnte Druckverlauf findet sich auch bei sogenannten Venturi-Düsen als Folge der beschriebenen Querschnittsgebung.
Es kann somit gezeigt werden, dass durch Einsatz einer Strömung mit Rücklaufteil und deren zusätzliche Heizwirkung eine deutliche Steigerung der Wärmezufuhr bei gegebener Strömungslänge erzielt werden kann. Der Antrieb der Rücklaufströmung kann über die Hauptströmung und damit über die durch Auftrieb erzeugte Antriebsenergie ohne den Einsatz rotierender Maschinen gedeckt werden. Das Ergebnis der nun gesteigerten Energiezufuhr entspricht der vorliegenden Aufgabenstellung zur Steigerung der Leistungsdichte eines Aufwindkraftwerkes.

Claims

Aufwindkraftwerk zur Umsetzung von Strömungsenergie der Luft in Antriebsenergie rotierender Maschinen mit einer Wärmezufuhr, die über Wärmetauscher mit flüssigem oder dampfförmigem Wärmeträger im eintrittsnahen Bereich nach der Turbine angeordnet sind und einem rohrförmigen Anlagenteil in weitgehend senkrechter Position zur Antriebserzeugung, wobei im Heizbereich die Strömung ein Rücklaufteil ebenfalls mit Heizung durch Wärmetauscher aufweist, dessen Strömung sich hinter der Turbine mit dem Hauptteil der Strömung vereinigt, dort mischt und beim Durchlauf im Hauptstrang mit Wärmetauscher erwärmt wird, ehe wieder ein entsprechender Strömungsanteil in das Rücklaufteil umgeleitet wird.
Aufwindkraftwerk mit intensiver Wärmezufuhr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Turbine und Heizteil in weitgehend horizontaler Strömungsanordnung wirken, die Strömung anschließend über einen Krümmer in eine weitgehend senkrecht stehende Röhre, innerhalb der die Auftriebswirkung stattfindet, umgeleitet wird.
Aufwindkraftwerk mit intensiver Wärmezufuhr nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Antriebswirkung für die Strömung im Rücklaufteil das sogenannte Strahlpumpen-Konzept mit der zugeordneten Querschnittsgebung im Hauptstrang eingesetzt wird, und die Antriebsenergie aus der Auftriebsenergie des Hauptstrangs gedeckt wird.