DE102011121163A1

DE102011121163A1 - Kraftwerk sowie Verfahren zur Erzeugung von elektrischer Energie in einem Kraftwerk

Info

Publication number: DE102011121163A1
Application number: DE201110121163
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-12-16
Filing date: 2011-12-16
Publication date: 2013-06-20

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kraftwerk zur Erzeugung von elektrischer Energie mithilfe einer konvektionsbedingten Strömung eines gasförmigen Mediums, insbesondere Luft, mit mindestens einem innerhalb eines bevorzugt aufrechten Konvektionskanals (22) angeordneten Rotor (14a–d), bevorzugt einem Vertikalrotor, der durch die konvektionsbedingte Strömung eines gasförmigen Mediums in Rotation versetzbar ist, mit mindestens einem Generator, mit dem die mechanische Energie des Rotors (14a–d) in elektrische Energie wandelbar ist, und mit einer bevorzugt elektrisch betriebenen Einrichtung – insbesondere Maschine – zur Erzeugung von Wärme, mit der zur Erzeugung der konvektionsbedingten Strömung im Bereich einen Endes des Konvektionskanals (22) eine Wärmezone (20) erzeugbar ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung von elektrischer Energie in einem Kraftwerk (10), insbesondere einem Kraftwerk (10) gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, mithilfe einer in einem bevorzugt aufrechten Konvektionskanal (22) erzeugten, konvektionsbedingten Strömung eines gasförmigen Mediums, insbesondere einer Luftströmung, mit der mindestens ein innerhalb des Kanals (22) angeordneter Rotor (14a–d), bevorzugt ein Vertikalrotor, in Rotation versetzt wird, dessen mechanische Rotationsenergie mittels mindestens eines Generators in elektrische Energie gewandelt wird, wobei zur Erzeugung der konvektionsbedingten Strömung des gasförmigen Mediums im Bereich einen Endes des Konvektionskanals (22) befindliches gasförmiges Medium mittels einer bevorzugt elektrisch betriebenen Einrichtung – insbesondere Maschine – zur Erzeugung von Wärme unter Ausbildung einer Wärmezone erwärmt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung bzw. ein Kraftwerk sowie ein Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie.
Weltweit besteht Bedarf an Kraftwerken, die möglichst effizient, kostengünstig und ressourcenschonend elektrische Energie erzeugen können. Neben vielen anderen Kraftwerksarten sind unter anderem Aufwindkraftwerke bekannt. Bei solchen Aufwindkraftwerken wird Sonnenenergie eingesetzt, um Wärme zu erzeugen, mit der in einem nach oben hin offenen Turm Thermik erzeugt wird. Eine Turbine innerhalb des Turms wird durch die entsprechende thermikbedingte Luftströmung in Rotation versetzt. Mittels geeigneter Generatoren wird die Rotationsenergie in verwertbare elektrische Energie umgewandelt. Nachteilig bei solchen Aufwindkraftwerken ist unter anderem, dass deren Leistung von der Sonnenenergie abhängt. Da insbesondere nachts, aber auch an bewölkten Tagen nicht ausreichend Sonnenenergie zur Verfügung steht, um die notwendige Thermik zu erzeugen, produzieren solche Aufwindkraftwerke in diesen Situationen keinen Strom.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Kraftwerk sowie ein Verfahren anzugeben, mit dem möglichst effizient, möglichst kontinuierlich und möglichst ressourcenschonend elektrische Energie erzeugt werden kann.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Kraftwerk mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 20.
Entsprechend wird in einem sich bevorzugt von unten nach oben erstreckenden bzw. aufrechten Konvektionskanal des Kraftwerks eine konvektionsbedingte Strömung eines gasförmigen Mediums erzeugt, insbesondere eine Luftströmung, indem im Bereich eines Endes des Konvektionskanals – bei einem aufrechtem Konvektionskanal im Bereich des unteren Endes desselben – mittels einer Einrichtung zur Erzeugung von Wärme, insbesondere einer Maschine zur Erzeugung von Wärme, eine Wärmezone ausgebildet wird, in der das dort befindliche gasförmige Medium erwärmt wird.
Regelmäßig verfügt dabei die Einrichtung zur Erzeugung von Wärme, nachfolgend vereinfachend Wärmeerzeuger genannt, über mindestens einen geeigneten Wärmetauscher, der im Bereich der Wärmezone angeordnet ist und das gasförmige Medium dort erwärmt. Das erwärmte gasförmige Medium strömt dann konvektionsbedingt zu einer Kältezone im Bereich des anderen Endes des Konvektionskanals.
Innerhalb des Konvektionskanals sind eine oder mehrere Rotoren, besonders bevorzugt Vertikalrotoren, angeordnet. Die Rotationen, die der mindestens eine Rotor aufgrund der erzeugten, konvektionsbedingten Strömung des gasförmigen Mediums ausführt, werden mittels mindestens eines geeigneten, dem oder den Rotoren zugeordneten Generators in elektrische Energie umgewandelt. Vorzugsweise ist dabei – insofern mehrere Rotoren verwendet werden – jeweils einem Rotor jeweils mindestens ein Generator zugeordnet.
Im Hauptanwendungsfall der Erfindung wird Luft als gasförmiges Medium verwendet. Theoretisch denkbar ist aber auch, anstelle von Luft ein anderes geeignetes Gasgemisch oder ein anderes geeignetes Gas einzusetzen.
Der Einsatz des bevorzugt in seiner Leistung steuerbaren Wärmeerzeugers ermöglicht es, die Leistung des Kraftwerks nach Bedarf zu steuern bzw. zu regeln.
In einer besonders wichtigen Ausführungsform der Erfindung ist dem Wärmeerzeuger mindestens eine, vorzugsweise elektrisch betriebene Wärmepumpe zugeordnet bzw. er verfügt über eine solche, insbesondere über eine Luftwärmepumpe oder eine Erdwärmepumpe, mit der die zur Erzeugung und/oder Aufrechterhaltung der Wärmezone notwendige Wärme erzeugt wird. in diesem Fall wird der Umgebung des Kraftwerks über die Wärmepumpe Wärme zum Betrieb des Kraftwerks entzogen.
Dabei ist die Wärmepumpe bevorzugt mit dem mindestens einen vorgenannten Generator des Kraftwerks stromleitend verbunden, so dass die zum Betrieb der Wärmepumpe benötigte elektrische Energie ganz oder mindestens teilweise unmittelbar von dem Kraftwerk bzw. von dem mindestens einen Generator des Kraftwerks erzeugt und der Wärmepumpe zugeführt wird.
Solche Wärmepumpen sind mittlerweile sehr effizient. Die Energiequelle des Kraftwerks, deren Energie dieses mithilfe der mindestens einen Wärmepumpe in elektrische Energie umwandelt, ist mithin die quasi unerschöpfliche Wärmeenergie der Kraftwerksumgebung, insbesondere der das Kraftwerk umgebenden Luft bzw. des angrenzenden Erdreichs.
Hierdurch ist es möglich, dem Kraftwerk, anders als dies bei stark diskontinuierlichen bzw. stark inkonstanten Primärenergiequellen der Fall ist, wie etwa bei der unmittelbaren Nutzung von Sonnenstrahlung, vergleichsweise konstantere Primärenergie zur Umwandlung zur Verfügung zu stellen, nämlich Umgebungswärme.
Es kann insgesamt auf diese Weise ein von äußeren Einflüssen ggf. nahezu unabhängiges Kraftwerk geschaffen werden, das hocheffizient und ressourcenschonend arbeitet. Die von diesem erzeugte elektrische Energie kann beispielsweise in ein übergeordnetes Stromnetz oder ein Insel-Stromnetz oder dergleichen eingespeist werden.
Gemäß einem weiteren wichtigen Aspekt der Erfindung sind in dem Konvektionskanal mindestens zwei, in Strömungsrichtung koaxial nacheinander angeordnete Rotoren, bevorzugt Vertikalrotoren, angeordnet. Diese sind vorzugsweise derart ausgebildet, angeordnet und aufeinander abgestimmt, dass sie gemeinsam einen (zusätzlichen) Sog zur Unterstützung der mit Hilfe des Wärmeerzeugers erzielten Konvektion erzeugen. Auch wenn im Einzelfall für das Kraftwerk nur ein Rotor verwendet werden sollte, ist dieser bevorzugt in einer Weise auszubilden, dass er den genannten Sog erzeugen kann.
Beim Einsatz von mehreren Vertikalrotoren sind diese zweckmäßigerweise derart ausgebildet, dass sie durch eine Strömung des gasförmigen Mediums, die im Wesentlichen parallel zur jeweiligen Rotationsachse des jeweiligen Vertikalrotors erfolgt, in Drehungen versetzt werden können. Auch für den Fall, dass nur ein Vertikalrotor verwendet wird, soll dieser in der genannten Weise durch eine Parallelströmung in Drehung versetzbar sein.
Was die Anordnung der Rotoren in dem Konvektionskanal betrifft, so verlaufen deren Rotationsachsen bevorzugt parallel oder wenigstens annähernd parallel zur Strömungsrichtung des gasförmigen Mediums. Die Rotationsachsen der Rotoren sind, wie bereits angedeutet, bevorzugt koaxial hintereinander angeordnet. Sie können dabei insbesondere drehbar auf einer gemeinsamen ortsfesten Achse sitzen, die innerhalb des Konvektionskanals angeordnet ist. Diese Achse ist bei einem aufrechten Konvektionskanal beispielsweise ebenfalls aufrecht innerhalb desselben positioniert.
Gemäß einer weiteren besonders wichtigen Ausführungsform der Erfindung ist zur Optimierung der Konvektion innerhalb des Konvektionskanals im Bereich des der Wärmezone entgegengesetzten Endes des Konvektionskanals, insbesondere stromab des in Strömungsrichtung letzten Rotors, mindestens eine bevorzugt in ihrer Leistung steuerbare Einrichtung zur Erzeugung von Kälte, insbesondere Maschine zur Erzeugung von Kälte, angeordnet. Vereinfachend wird diese Einrichtung nachfolgend Kälteerzeuger genannt.
Mit dem Kälteerzeuger kann eine Kältezone ausgebildet werden oder die Ausbildung einer solchen unterstützt werden.
Die Kältezone kann sich naturgemäß zusätzlich mindestens teilweise, im Extremfall vollständig, auch durch insofern natürliche Konvektionsprozesse ausbilden. Denn es besteht in der Regel die bekannte natürliche Tendenz, jedenfalls bei Luft in einem aufrechten Konvektionskanal, dass sich durch Erwärmung von im unteren Bereich des Konvektionskanals befindlicher Luft durch natürliche Konvektionsvorgänge eine Temperaturverteilung mit entsprechend weiter oben angeordneter Kältezone ausbildet.
Der oben genannte Kälteerzeuger verfügt zweckmäßigerweise über mindestens einen im Bereich der Kältezone angeordneten, geeigneten Wärmetauscher, mit dem in der Kältezone dem dort befindlichen gasförmigen Medium Wärme entzogen wird. Vorzugsweise kann auch dem Kälteerzeuger – wie auch dem Wärmerzeuger – hierzu mindestens eine insbesondere elektrisch betriebene Wärmepumpe zugeordnet sein bzw. er kann über eine solche verfügen. Auch hier handelt es sich vorzugsweise um eine Luftwärmepumpe oder eine Erdwärmepumpe. Diese verwendet in an sich bekannter Weise bevorzugt ebenfalls die Wärme der Kraftwerksumgebung, um in einem Kühlbetrieb der Wärmepumpe Kälte zur Erzeugung bzw. Aufrechterhaltung der Kältezone zu erzeugen bzw. in der Kältezone dem gasförmigen Medium über den geeigneten Wärmetauscher entsprechend Wärme zu entziehen.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Strömung des gasförmigen Mediums, die innerhalb des Konvektionskanals erzeugt wird, innerhalb eines gegenüber der Umgebung des Kraftwerks geschlossenen Bereichs desselben geführt wird. Zweckmäßigerweise wird hierfür ein gegenüber der Kraftwerksumgebung abgeschlossener, geschlossener Strömungskreis gebildet, entlang dem die Strömung des gasförmigen Mediums geführt wird.
In einem solchen Strömungskreis wird das erwärmte gasförmige Medium der Wärmezone zunächst innerhalb des Konvektionskanals konvektionsbedingt in Richtung der Kältezone strömen. Bei einem aufrechten Konvektionskanal strömt das gasförmige Medium dann dementsprechend entlang des Kanals nach oben.
Besonders bevorzugt wird das Medium dann im Bereich der Kältezone mittels des Kälteerzeugers zusätzlich gekühlt.
Im diesem Bereich des der Kältezone zugeordneten Endes des Konvektionskanals bzw. dann, wenn das gasförmige Medium den einen Rotor oder – bei dem Hauptanwendungsfall mehrerer Rotoren den in Strömungsrichtung letzten Rotor – durchströmt hat, also stromab desselben, wird das gasförmige Medium in dem Strömungskreis entlang mindestens eines Strömungskanals wieder zurück in die Wärmezone geführt. In der Wärmezone wird das gasförmige Medium dann erneut durch den Wärmeerzeuger des Kraftwerks erwärmt und der Prozess kann von vorne beginnen.
Bei geeigneter Ausbildung des Konvektionskanals, des Strömungskanals bzw. bei geeigneter Leistung des Wärmeerzeugers etc. kann das gasförmige Medium auf diese Weise mit hohen Geschwindigkeiten innerhalb des geschlossenen Strömungskreises geführt werden.
Das Kraftwerk kann zur Bildung des geschlossenen Strömungskreises über eine mindestens den Konvektionskanal des Kraftwerks gegenüber der Umgebung des Kraftwerks abschließende Hülle verfügen. Die abschließende Hülle ist bevorzugt gasdicht oder annähernd gasdicht. Sie kann beispielsweise aus ein oder mehreren Wänden, Decken, Kuppeln, Dächern etc. bestehen. Hier gibt es vielfältigste Möglichkeiten, auch hinsichtlich der hierfür verwendeten Materialien, wie etwa Stahl, Kunststoff, Beton etc.
Der Konvektionskanal kann in einer Ausführungsform der Erfindung seitlich mindestens bereichsweise von einer ersten, inneren Wandung umgeben sein, die den Konvektionskanal seitlich begrenzt. Die Wandung kann beispielsweise aus ein oder mehreren Einzelwänden aufgebaut sein.
Diese innere Wandung wiederum ist seitlich bevorzugt von einer zweiten, beabstandet zu dieser angeordneten, äußeren Wandung umschlossen. Diese zweite, äußere Wandung begrenzt den Raum zwischen innerer und äußerer Wandung nach außen hin.
In dieser Ausführungsform kann der Raum zwischen der äußeren und der inneren Wandung als Teil des geschlossenen Strömungskreises den Strömungskanal bilden, durch den des gasförmige Medium in Richtung der Wärmezone rückführbar ist.
Alternativ könnten zur Rückführung des gasförmigen Mediums bzw. als Strömungskanal auch ein oder mehrere Rohre verwendet werden.
Die innere Wandung verfügt zweckmäßigerweise über mindestens eine Öffnung bzw. einen Verbindungskanal, durch die das gasförmige Medium aus dem Strömungskanal in den Konvektionskanal strömen kann. Die Öffnung bzw. der Kanal befindet sich dabei bevorzugt auf Höhe der Wärmezone.
Wichtig für das erfindungsgemäße Kraftwerk bzw. das erfindungsgemäße Verfahren ist auch die Ausbildung der Rotoren. Wie Versuche des Anmelders gezeigt haben, werden besonders gute Ergebnisse erzeugt mit Vertikalrotoren mit mindestens einem Rotorblatt, vorzugsweise aber mehreren, insbesondere drei Rotorblättern. Besonders bevorzugt weist jedes Rotorblatt eine äußere, von der Rotordrehachse weg zeigende, insbesondere konvexe Oberseite auf sowie eine Innere, zur Rotordrehachse zeigende Unterseite. Zweckmäßigerweise ist die Unterseite dabei konvex ausgebildet oder konkav oder flach. Insofern sie konvex ausgebildet ist, weist die Unterseite eine im Gegensatz zur Oberseite geringere Wölbung auf.
Zudem ist bevorzugt jedes Rotorblatt in Längsrichtung, insbesondere von oben nach unten, verwunden. Vorzugsweise ist jedes Rotorblatt in einer insbesondere gekrümmten Ebene angeordnet, die wenigstens annähernd parallel zu der Rotordrehachse verläuft.
Innerhalb der jeweiligen Ebene ist jedes Rotorblatt im Wesentlichen parallel zur Rotordrehachse oder unter einem spitzen Winkel zur Rotordrehachse ausgerichtet. Dieser Winkel ist vorzugsweise kleiner als 45°.
Was das gasförmige Medium im Bereich der Wärmezone betrifft, so kann es zur Verbesserung der Leistung des Kraftwerks in Strömungsrichtung zusätzlich beschleunigt werden, insbesondere mittels einer geeigneten Strömungsmaschine, wie etwa mittels eines geeigneten Ventilators.
Vorteilhafterweise wird im Betrieb des Kraftwerks zur Anpassung der Leistung desselben die über den Wärmeerzeuger zugeführte Wärmemenge variiert und/oder ggf. die Kälteleistung des Kälteerzeugers und/oder ggf. die Leistung der Strömungsmaschine.
Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den beigefügten Patentansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie aus der beigefügten Zeichnung. Darin zeigt:
1 eine Prinzipskizze einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftwerks in Schnittdarstellung.
In 1 ist ein Kraftwerk 10 zur Erzeugung elektrischer Energie gezeigt, wobei einige Bestandteile aus Vereinfachungsgründen nicht dargestellt sind.
Das Kraftwerk 10 weist eine äußere Hülle 12 auf, die wichtige Bauteile des Kraftwerks 10 gegenüber der Außenumgebung abschließt, vorliegend im Wesentlichen gasdicht.
Die Hülle 12 im vorliegenden Ausführungsbeispiel verfügt im unteren Bereich über eine in diesem Fall aufrechte, umlaufende Wandung 12a, die vorliegend zylindrisch ausgebildet ist. Im Inneren der Wandung 12a befinden sich wesentliche Bauteile des Kraftwerks 10.
Nach oben hin ist die äußere Hülle 12 durch ein an die Wandung 12a anschließendes Dach 12b verschlossen. Nach unten hin ist das Kraftwerk 10 gegenüber der Umgebung durch einen Boden bzw. vorliegend eine Bodenplatte 13 abgeschlossen.
Das Dach 12b ist im vorliegenden Fall kuppelförmig ausgebildet.
Im Inneren der äußeren Hülle 12 sind vier Rotoren 14a–d, nämlich im vorliegenden Fall Vertikalrotoren, koaxial angeordnet.
Genauer gesagt sind die Rotoren 14a–d von unten nach oben nacheinander auf einer gemeinsamen vorliegend aufrechten, ortsfesten Achse 16 drehbar gelagert. Die ortsfeste Achse 16 erstreckt sich dabei im Wesentlichen von dem Boden 13 bis zur Innenseite des Dachs 12b der Hülle 12 und ist dort verankert.
Die jeweiligen Drehverbindungen zwischen der Achse 16 und den einzelnen Rotoren 14a–d erfolgen dabei jeweils über eine Nabe 18, wobei jede Nabe 18 über mindestens ein geeignetes Lager, insbesondere ein Wälzlager, drehbar mit der Achse 16 verbunden ist.
Die Naben 18 sind dabei Teil entsprechender Nabengeneratoren, die die Drehbewegungen der Rotoren 14a–d bzw. der Naben 18 jeweils in elektrische Energie bzw. elektrischen Strom/Spannung wandeln.
Oberhalb des Bodens 13 bzw. im unteren Bereich des Kraftwerks 12 ist mit der Bezugsziffer 20 eine Zone bezeichnet, in der sich Luft befindet, die durch einen nicht dargestellten Wärmeerzeuger bzw. eine Wärmemaschine erwärmt wird.
Der Wärmeerzeuger umfasst dabei eine Wärmepumpe, insbesondere eine Luftwärmepumpe oder eine Erdwärmepumpe, mit entsprechendem Wärmetauscher. Der ebenfalls nicht dargestellte Wärmetauscher ist im Bereich der Wärmezone 20 angeordnet.
Die elektrisch betriebene Wärmepumpe ist derart ausgebildet und angeordnet, dass sie der Umgebung des Kraftwerks 10 Wärme entziehen und zur Erzeugung der Wärmezone 20 nutzen kann.
Die Luft in der Wärmezone 20 wird durch den Wärmeerzeuger auf Temperaturen erwärmt, die es ermöglichen, in einem aufrechten Konvektionskanal 22 des Kraftwerks 10, in dem die Rotoren 14a–d angeordnet sind, eine konvektionsbedingte Luftströmung zu erzeugen.
Zu diesem Zweck muss sich zwischen der Wärmezone 20 und einer unter dem Dach 12b im oberen Bereich der Hülle 12 bzw. im Bereich des anderen Ende des Konvektionskanals 22 angeordneten Zone kälterer Luft 24 – Kältezone – ein geeignetes Temperaturgefälle ausbilden bzw. dort herrschen. Je größer dieses Temperaturgefälle ist, desto stärker ist die konvektionsbedingte Luftströmung, die im vorliegenden Fall von unten nach oben gerichtet ist (Pfeilrichtung).
Vorliegend wird die Ausbildung der Kältezone 24 unterstützt mittels eines nicht dargestellten, im Bereich der Kältezone 24, insbesondere im Dach 12b oder an dem Dach 12b angeordneten Wärmetauschers eines in der Leistung steuerbaren Kälteerzeugers bzw. einer Kältemaschine.
Auch der Kälteerzeuger verfügt über eine Wärmepumpe. Diese verwendet ebenfalls die Wärme der Kraftwerksumgebung, um in einem Kühlbetrieb der Wärmepumpe Kälte zur Ausbildung bzw. zur Unterstützung der Ausbildung der Kältezone zu erzeugen bzw. genauer gesagt der Luft in der Kältezone mittels des Wärmetauschers entsprechend Wärme zu entziehen.
Die den Rotoren 14a–d zugeordneten Generatoren sind mit der oder mit den elektrisch betriebenen Wärmepumpen über geeignete Stromleitungen verbunden.
Mithilfe der einen oder der mehreren Wärmepumpen wird – wie oben bereits angedeutet – über geeignete Aggregate zum einen der nicht dargestellte Wärmetauscher des Wärmeerzeugers mit Wärme zur Erzeugung der Wärmezone 20 versorgt. Zum anderen mittels mindestens einer Wärmepumpe im Kühlbetrieb derselben der im Bereich der Kältezone 24 des Kraftwerks 10 angerordnete Wärmetauscher des Kälteerzeugers geeignet betrieben, um die Kältezone 24 auszubilden bzw. die Ausbildung derselben zu unterstützen.
Die Rotoren 14a–d bzw. der Konvektionskanal 22 sind seitlich umlaufend von einer vorliegend aufrechten, ebenfalls zylindrischen Wandung 26 umgeben, die mit Abstand zur äußeren Hülle 12 bzw. zur umlaufenden Wandung 12a der Hülle 12 weiter innen im Inneren derselben angeordnet ist. Die Wandung 26 endet nach oben hin mit Abstand zum Dach 12b der Hülle 10.
Zwischen der umlaufenden Wandung 26 und der umlaufenden Wandung 12a der Hülle 12 ist ein innerhalb der Hülle 12 nach oben hin offener bzw. von oben her zugänglicher, umlaufender Freiraum 28 gebildet, der in nachfolgend näher beschriebener Weise als Strömungskanal 28 für die Luft dient. Der Strömungskanal 28 ist dementsprechend ebenfalls umlaufend ausgebildet und umgibt den Konvektionskanal 22 daher vollständig über einen Bereich von 360°.
Allgemein gesprochen sind der Strömungskanal 28 einerseits und der Konvektionskanal 22 anderseits in einem Bereich stromab des letzten Rotors 14d miteinander verbunden.
Im unteren Bereich der Wandung 26 ist in der Wand 26 ein ebenfalls umlaufender Verbindungskanal 30 zu erkennen, der den Strömungskanal 28 im Bereich der Wärmezone 20, also allgemein gesprochen stromauf des ersten Rotors 14a, mit dem Konvektionskanal 22 verbindet. Anstelle eines solchen umlaufenden Verbindungskanals 30 könnten grundsätzlich auch ein oder mehrere einzelne Verbindungskanäle verwendet werden.
Was die Rotoren 14a–14d betrifft, so verfügt jeder Rotor jeweils über drei Rotorblätter 32, die über Verbindungsstreben 34 mit der Nabe 18 verbunden sind.
Die einzelnen Rotorblätter 32 sind, wie in 1 gezeigt, jeweils in ihrer Längsrichtung verwunden und verlaufen jeweils in einer gekrümmten, zur jeweiligen Rotationsachse der Rotoren 14a–d bzw. zur ortsfesten Achse 16 wenigstens annähernd parallelen Ebene.
Innerhalb der jeweiligen Ebene sind die Rotorblätter 32 unter einem Winkel α leicht schräg zur Achse 16 bzw. zur Rotationsachse der jeweiligen Rotoren 14a–d gestellt.
Jedes Rotorblatt 32 weist eine äußere bzw. nach außen zeigende Oberseite 36 auf, die konvex gewölbt ist. Die jeweilige nach innen zeigende Unterseite 38 jedes Rotorblattes 32 ist dagegen flach oder leicht konkav ausgebildet.
Die beschriebene Ausbildung der Rotoren 14a–d führt im Betrieb des Kraftwerks bzw. bei Rotation der Rotoren 14a–d letztlich zu einer im Wesentlichen kontinuierlichen Luftströmung sowie einer Sogwirkung, die die konvektionsbedingte Luftströmung unterstützt und weiter beschleunigt.
Der Betrieb des Kraftwerks 10 läuft folgendermaßen ab:
Zunächst wird die Wärmezone 20 erzeugt. Zu diesem Zweck wird zunächst die mindestens eine, dem Wärmerzeuger zugeordnete Wärmepumpe mittels Strom aus einem externen Stromnetz, aus einer Batterie oder einem Akkumulator oder dergleichen aktiviert bzw. betrieben. Analog wird die Wärmepumpe des Kälteerzeugers in Betrieb gesetzt.
Im Zuge der Erzeugung der Wärmezone 20 und der Ausbildung der Kältezone 24 wird aufgrund des sich ergebenden Temperaturgradienten zwischen diesen Zonen der durch die Wandung 26 begrenzte Konvektionskanal 22 gebildet. Mit anderen Worten strömt warme Luft von der Wärmezone 20 entlang des Konvektionskanals 22 nach oben zur Kältezone 24.
Durch diese Luftströmung werden die Rotoren 14a–d in Drehbewegungen versetzt. Durch die Drehung der einzelnen Rotoren 14a–d wird in den diesen zugeordneten Generatoren elektrischer Strom erzeugt. Dieser wird im Betrieb nachfolgend teilweise genutzt, um den Betrieb der Wärmepumpe(n) aufrechtzuerhalten.
Der übrige Teil der elektrischen Energie kann als Output des Kraftwerks 10 frei verwendet werden, beispielsweise in ein übergeordnetes Stromnetz eingespeist werden oder direkt einem Nutzer zugeführt werden.
Die Luftströmung, die den in Strömungsrichtung letzten Rotor 14d durchströmt hat, wird im Bereich der Kältezone 24 gekühlt und strömt über die Verbindung von Konvektionskanal 22 und Strömungskanal 28 in den Strömungskanal 28.
Innerhalb des Strömungskanals 28 strömt die Luft zwischen Wandlung 26 und Wandung 12a nach unten in Richtung Boden 13.
Durch den Verbindungskanal 30 zwischen Strömungskanal 28 und Konvektionskanal 22 strömt die abgekühlte Luft anschließend erneut auf Höhe der Wärmezone 20 in den Konvektionskanal 22. Dort wird sie erneut erwärmt.
Der vorbeschriebene Prozess kann von neuem beginnen. Insgesamt wird ein geschlossener Strömungskreis gebildet, in dem die Luft mehrfach bzw. gegebenenfalls kontinuierlich umlaufen bzw. strömen kann.
Die Luftströmung in dem geschlossenen Strömungskreis wird durch die weiter oben beschriebene, besondere Ausbildung der Rotoren 14a–d bewirkt oder mindestens unterstützt oder aufrecht erhalten. Denn die Rotoren 14a–d sind so ausgebildet, dass sie gemeinsam zunächst in dem Konvektionskanal 22 einen Sog von unten nach oben erzeugen. Mit anderen Worten strömt die Luftströmung in dem Konvektionskanal 22 nicht nur konvektionsbedingt von unten nach oben. Die rotorbedingte Sogwirkung führt letztlich dazu, dass die Luft in dem gesamten geschlossenen Strömungskreis während des Betriebs mit hoher Umlaufgeschwindigkeit umgetrieben wird.
Durch Steuerung der Wärmemenge, die zur Erzeugung bzw. Aufrechterhaltung der Wärmezone 20 notwendig ist und/oder durch Steuerung der Kälte, die in der Kältezone 24 erzeugt wird bzw., genauer gesagt, Beeinflussung derjenigen Wärmemenge, die im Bereich der Kältezone 24 der dort befindlichen Luft entzogen wird, kann die Leistung des Kraftwerks 10 in weiten Grenzen bedarfsweise gesteuert oder geregelt werden.
Weiter kann vorgesehen sein, im Bereich der Wärmezone 20 ein oder mehrere Strömungsmaschinen bzw. Ventilatoren anzuordnen, die die Luftströmung in Richtung der Kältezone 24, also vorliegend nach oben hin, verbessern.
Wie der Fachmann des Standes der Technik erkennt, gibt es eine Vielzahl von Abwandlungen des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Beibehaltung der Grundprinzipien desselben.
Beispielsweise kann alternativ oder zusätzlich vorgesehen sein, die Luft aus dem Bereich der Kältezone durch Absaugorgane abzusaugen, um auf diese Weise die Aufrechterhaltung eines geeigneten Temperaturgradienten zu unterstützen oder ggf. zu gewährleisten.
Die Luft könnte dann beispielsweise, insofern notwendig, extern gekühlt und wieder dem Strömungskreis zugeführt werden.
Grundsätzlich ist zumindest theoretisch auch denkbar, auf einen geschlossenen Strömungskreis zu verzichten und die Luft im oberen Bereich – ggf. ohne zusätzliche Kühlung – einfach abzusaugen und weg zu transportieren. In einem solchen Fall ist aber mit deutlich geringeren Leistungen des Kraftwerks zu rechnen.
Bezugszeichenliste

10: Kraftwerk
12: Hülle
12a: Wandung
12b: Dach
13: Boden
14a–d: Vertikalrotor
16: Achse
18: Nabe
20: Wärmezone
22: Konvektionskanal
24: Kältezone
26: Wandung
28: Strömungskanal
30: Verbindungskanal
32: Rotorblatt
34: Verbindungsstrebe
36: Oberseite
38: Unterseite

Claims

Kraftwerk zur Erzeugung von elektrischer Energie mithilfe einer konvektionsbedingten Strömung eines gasförmigen Mediums, insbesondere Luft, mit mindestens einem innerhalb eines bevorzugt aufrechten Konvektionskanals (22) angeordneten Rotor (14a–d), bevorzugt einem Vertikalrotor, der durch die konvektionsbedingte Strömung eines gasförmigen Mediums in Rotation versetzbar ist, mit mindestens einem Generator, mit dem die mechanische Energie des Rotors (14a–d) in elektrische Energie wandelbar ist, und mit einer bevorzugt elektrisch betriebenen Einrichtung – insbesondere Maschine – zur Erzeugung von Wärme, mit der zur Erzeugung der konvektionsbedingten Strömung im Bereich einen Endes des Konvektionskanals (22) eine Wärmezone (20) erzeugbar ist.
Kraftwerk gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Konvektionskanal (22) mindestens zwei, in Strömungsrichtung nacheinander angeordnete, koaxial ausgerichtete Rotoren (14a–d) angeordnet sind.
Kraftwerk gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Rotor (14a–d) derart ausgebildet ist, dass er innerhalb des Konvektionskanals (22) einen Sog zur Unterstützung der Konvektion erzeugen kann, oder dass die mindestens zwei Rotoren (14a–d) derart ausgebildet, angeordnet und aufeinander abgestimmt sind, dass sie gemeinsam einen solchen Sog erzeugen können.
Kraftwerk gemäß einem oder mehreren der weiteren Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftwerk (10) über eine Einrichtung – insbesondere Maschine – zur Erzeugung von Kälte verfügt, mit der im Bereich des anderen Endes des Konvektionskanals (22) eine Kältezone (24) ausbildbar ist oder mit der in diesem Bereich die Ausbildung einer solchen Kältezone (24) unterstützbar ist, wobei die Kältezone (24) bevorzugt stromab des Rotors (14a–d) bzw. stromab des in Strömungsrichtung letzten Rotors (14a–d) angeordnet ist.
Kraftwerk gemäß einem oder mehreren der weiteren Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine oder jeder Rotor (14a–d) derart angeordnet ist, dass dessen Rotationsachse parallel oder annähernd parallel zur Strömungsrichtung verläuft.
Kraftwerk gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der oder jeder Rotor (14a–d) über mehrere, bevorzugt drei, Rotorblätter (32) verfügt, wobei jedes Rotorblatt (32) eine äußere, von der Rotordrehachse weg zeigende, insbesondere konvexe Oberseite (36) aufweist und eine innere, zur Rotordrehachse zeigende Unterseite (38).
Kraftwerk gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterseite (38) konvex ausgebildet ist, bevorzugt mit im Gegensatz zur Oberseite (36) geringerer Wölbung, oder konkav oder flach.
Kraftwerk gemäß Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Rotorblatt (32) in Längsrichtung verwunden ist.
Kraftwerk gemäß Anspruch 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Rotorblatt (32) jeweils in einer insbesondere gekrümmten Ebene angeordnet ist, die wenigstens annähernd parallel zu der Rotordrehachse verläuft.
Kraftwerk gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Rotorblatt (32) in der jeweiligen Ebene im Wesentlichen parallel zur Rotordrehachse oder unter einem spitzen Winkel zur Rotordrehachse ausgerichtet ist, insbesondere unter einem Winkel, der kleiner als 45° ist.
Kraftwerk gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Erzeugung von Wärme über mindestens eine, insbesondere die in der Umgebung des Kraftwerks (10) befindliche Wärme nutzende, bevorzugt elektrisch betriebene Wärmepumpe verfügt, insbesondere über eine Luftwärmepumpe oder eine Erdwärmepumpe.
Kraftwerk gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Wärmepumpe mit dem mindestens einen Generator stromleitend verbunden ist, sodass die zum Betrieb der Wärmepumpe notwendige elektrische Energie ganz oder teilweise von dem Generator zuführbar ist.
Kraftwerk gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Erzeugung von Kälte aber mindestens bevorzugt eine elektrisch betriebene, vorzugsweise die in der Umgebung des Kraftwerks (10) vorhandene Wärme nutzende Wärmepumpe verfügt, insbesondere über eine Luftwärmepumpe oder eine Erdwärmepumpe, mit der in einem Kühlbetrieb der Wärmepumpe die Kälte erzeugbar ist.
Kraftwerk gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftwerk (10) über eine mindestens den Konvektionskanal (22) des Kraftwerks (10) gegenüber der Kraftwerksumgebung insbesondere gasdicht oder im Wesentlichen gasdicht abschließende Hülle (12) verfügt.
Kraftwerk gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Strömungskanal (28) vorgesehen ist, über den das gasförmige Medium, nachdem es den oder die Rotoren (14a–d) durchströmt hat, in Richtung der Wärmezone (20) rückführbar ist.
Kraftwerk gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Konvektionskanal (22) seitlich mindestens bereichsweise von einer ersten, vorzugsweise wenigstens abschnittsweise zylindrischen, inneren Wandung (26) umgeben ist, die wiederum seitlich von einer zweiten, beabstandet zu dieser angeordneten, äußeren, vorzugsweise ebenfalls wenigstens abschnittsweise zylindrischen Wandung (12a) umschlossen ist, und dass zwischen der äußeren und der inneren Wandung (12a, 26) der bevorzugt umlaufende Strömungskanal (28) gebildet ist, durch den das gasförmige Medium in Richtung der Wärmezone (20) rückführbar ist.
Kraftwerk gemäß Anspruch 14 und 16, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite, äußere Wandung (12a) Teil der das Kraftwerk (10) nach außen abschließenden Hülle (12) ist.
Kraftwerk gemäß Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Strömungskanal (28) und dem Konvektionskanal (22) mindestens ein Verbindungskanal (30) angeordnet ist, insbesondere ein bevorzugt umlaufender Kanal oder eine bevorzugt umlaufende Öffnung in der ersten Wandung (26), durch den das gasförmige Medium aus dem Strömungskanal (28) in den Konvektionskanal (22) strömen kann, insbesondere in die Wärmezone (20).
Kraftwerk mindestens gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotoren (14a–d) jeweils insbesondere drehbar auf einer Achse gelagert sind, insbesondere sämtliche Rotoren (14a–d) auf einer gemeinsamen ortsfesten Achse (16).
Verfahren zur Erzeugung von elektrischer Energie in einem Kraftwerk (10), insbesondere einem Kraftwerk (10) gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, mithilfe einer in einem bevorzugt aufrechten Konvektionskanal (22) erzeugten, konvektionsbedingten Strömung eines gasförmigen Mediums, insbesondere einer Luftströmung, mit der mindestens ein innerhalb des Kanals (22) angeordneter Rotor (14a–d) bevorzugt ein Vertikalrotor, in Rotation versetzt wird, dessen mechanische Rotationsenergie mittels mindestens eines Generators in elektrische Energie gewandelt wird, wobei zur Erzeugung der konvektionsbedingten Strömung des gasförmigen Mediums im Bereich einen Endes des Konvektionskanals (22) befindliches gasförmiges Medium mittels einer bevorzugt elektrisch betriebenen Einrichtung – insbesondere Maschine – zur Erzeugung von Wärme unter Ausbildung einer Wärmezone erwärmt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung mehrere Rotoren (14a–d), insbesondere Vertikalrotoren, hintereinander angeordnet sind.
Verfahren gemäß Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass bevorzugt mittels einer Einrichtung – insbesondere Maschine – zur Erzeugung von Kälte das stromab des Rotors bzw. bei Einsatz mehrerer Rotoren (14a–d) das stromab des in Strömungsrichtung letzten Rotors (14d) befindliche gasförmige Medium unter Ausbildung einer Kältezone gekühlt wird bzw. diesem Wärme entzogen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 20, 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass das gasförmige Medium, das durch den Rotor bzw. durch den in Strömungsrichtung letzten Rotor (14d) geströmt ist, entlang mindestens eines Strömungskanals (28) in den Bereich der Wärmezone (20) rückgeführt wird.
Verfahren gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 20–23, dadurch gekennzeichnet, dass gasförmige Mediums innerhalb eines bevorzugt gegenüber der Umgebung des Kraftwerks (10) abgeschlossenen, geschlossenen Strömungskreises geführt wird, in dem das gasförmige Medium mehrfach umläuft.
Verfahren gemäß Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass das gasförmige Medium in einem Umlauf zunächst in der Wärmezone erwärmt wird, dann konvektionsbedingt entlang des Konvektionskanals (22) strömt, bevorzugt dann in der Kältezone gekühlt wird, und dann zurück in die Wärmezone (20) geführt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Umlauf des gasförmigen Mediums durch Ausbildung eines Sogs innerhalb des Strömungskreises, insbesondere innerhalb des Konvektionskanals (22), bewirkt oder unterstützt wird, bevorzugt durch Ausbildung eines Sogs, der durch Rotation des oder der einen solchen Sog erzeugenden Rotors/Rotoren (14a–d) bewirkt wird.
Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 20–26, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung des gasförmigen Mediums im Bereich der Wärmezone (20) und/oder Kühlung desselben im Bereich der Kältezone (24) unter Verwendung einer Wärmepumpe erfolgt, insbesondere einer bevorzugt elektrisch betriebenen Luftwärmepumpe oder Erdwärmepumpe, bevorzugt einer Wärmepumpe, die der Umgebung des Kraftwerks (10) Wärme entzieht.
Verfahren gemäß Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Energie zum Betrieb der Wärmepumpe von dem von dem mindestens einen Rotor (14a–d) angetriebenen Generator stammt.
Verfahren gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 20–28, dadurch gekennzeichnet, dass das erwärmte, gasförmige Medium im Bereich der Wärmezone (20) in Strömungsrichtung beschleunigt wird, insbesondere mittels einer geeigneten Strömungsmaschine, wie etwa einem geeigneten Ventilator.
Verfahren gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 20–29, dadurch gekennzeichnet, dass im Betrieb des Kraftwerks (10) zur Anpassung der Leistung desselben die über die Einrichtung zur Erzeugung von Wärme der Wärmezone (20) zugeführte Wärmemenge variiert wird und/oder die der Kältezone (24) zugeführte Kälteleistung der Einrichtung zur Erzeugung von Kälte und/oder die über die Strömungsmaschine zugeführte Strömungs- bzw. Bewegungsenergie.