DE102020113496B3

DE102020113496B3 - Turm zur Stromerzeugung

Info

Publication number: DE102020113496B3
Application number: DE102020113496.7A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2020-05-19
Filing date: 2020-05-19
Publication date: 2021-08-19
Anticipated expiration: 2040-05-20

Abstract

Ein Turm (1) zur Stromerzeugung umfasst ein Turmgerüst (2), an dem an einem oberen Ende eine Windmühle (4) mit einem drehbaren Rotor (6) angeordnet ist, und an mindestens einer Außenseite des Turmgerüstes (2) Photovoltaikmodule (7) festgelegt sind, die an einen Wechselrichter (8) angeschlossen sind, wobei das Turmgerüst (2) innen einen Aufwindkanal (9) umfasst, in dem eine Aufwindanlage (10) angeordnet ist, die von einer Luftströmung in dem Aufwindkanal (9) angetrieben ist. Dadurch können die einzelnen Module zur Stromerzeugung kombiniert werden, um die Zeitdauer der Stromerzeugung zu optimieren.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Turm zur Stromerzeugung, umfassend ein Turmgerüst, an dem an einem oberen Ende eine Windmühle mit einem drehbaren Rotor angeordnet ist, und an mindestens einer Außenseite des Turmgerüstes Photovoltaikmodule festgelegt sind, die an einen Wechselrichter angeschlossen sind, wobei das Turmgerüst innen einen Aufwindkanal umfasst, in dem eine Aufwindanlage angeordnet ist, die von einer Luftströmung in dem Aufwindkanal angetrieben ist.
Die DE 11 2014 003 958 T5 offenbart ein Wind-Stromerzeugungssystem, bei dem eine Windmühle an eine Stromwandlungsvorrichtung angeschlossen ist und zusätzlich die Abwärme der Windmühle an einen Wärmeakkumulator abgeführt wird, über den ein thermischer Stromgenerator angetrieben wird. Die Kombination mehrerer Module zur Stromerzeugung ist ein sinnvoller Ansatz, allerdings ist bei diesem System der bauliche Aufwand erheblich und die im Wärmeakkumulator zur Verfügung stehende Energie gering.
Die DE 201 005 11 U1 offenbart eine Windkraftanlage, bei der an einem Turm am Umfang über Halter Photovoltaikmodule angebracht werden. Dadurch kann der Turm der Windkraftanlage zur Stromerzeugung genutzt werden. Bei solchen Windkraftanlagen besteht das Problem, dass diese immer höher gebaut werden und daher ein großer Materialeinsatz an Beton und Stahl notwendig ist, was zu einem hohen Flächenverbraucht führt. Zudem ist die Lebensdauer solcher großen Windkraftanlagen wegen der Wechselbelastung an den Rotorblättern begrenzt, so dass größere Windkraftanlagen nicht wettbewerbsfähig sind und sich nur durch hohe Subventionen lohnen.
Die DE 20 2016 101 617 U1 offenbart eine Windkraftanlage mit einem Turm aus Stahlrohr oder Beton mit zusätzlichen Energieerzeugungsanlagen, wobei die Windkraftanlage mit einem Rotor ausgeführt ist und in dem Turm den Aufwind nutzende Energieerzeuger angeordnet sind.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Turm zur Stromerzeugung zu schaffen, der für den Eigenverbrauch optimiert ist und verschiedene Module zur Stromerzeugung nutzbar macht.
Diese Aufgabe wird mit einem Turm zur Stromerzeugung mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
Der erfindungsgemäße Turm zur Stromerzeugung umfasst am oberen Ende eine Windmühle mit einem drehbaren Rotor, und an mindestens einer Außenseite des Turmgerüstes sind Photovoltaikmodule festgelegt, die an einen Wechselrichter angeschlossen sind, wobei das Turmgerüst zusätzlich einen Aufwindkanal umfasst, in dem eine Aufwindanlage angeordnet ist, die von einer Luftströmung in dem Aufwindkanal angetrieben ist. Das Turmgerüst ist aus einem Metallgerüst mit vertikalen Pfosten und Streben, die fachwerkartig über Befestigungsmittel oder Schweißen miteinander verbunden sind, gebildet, und die Innenseiten der Photovoltaikmodule bilden eine Innenwand des Aufwindkanals. Die Kombination verschiedener Module zur Stromerzeugung, wie der Windmühle, den Photovoltaikmodulen und der Aufwindanlage, ermöglicht die Nutzung unterschiedlicher Naturressourcen zur Stromerzeugung. Während die Windmühle über den unstetig zur Verfügung stehenden Wind und die Photovoltaikmodule nur bei Helligkeit Strom erzeugen, kann der Aufwindkanal einen Temperaturunterschied nutzen, um zumindest geringe Mengen an Strom zur Verfügung zu stellen. Die verschiedenen Module zur Stromerzeugung können unabhängig voneinander Strom erzeugen und beispielsweise an einen Stromspeicher angeschlossen sein, so dass zumindest für den Eigenverbrauch ausreichend Strom zur Verfügung gestellt werden kann.
Vorzugsweise ist die Aufwindanlage an einen Generator zur Stromerzeugung angeschlossen, der unabhängig von anderen Generatoren, beispielsweise der Windmühle, ist. Der Aufwindkanal kann dabei in einem unteren Bereich des Turmgerüstes Einströmöffnungen aufweisen, durch die Luft eingesaugt und dann im Aufwindkanal zur Aufwindanlage gefördert wird. Die Wände des Aufwindkanals können dabei durch die an mindestens einer Außenseite angeordneten Photovoltaikmodule erhitzt werden, so dass durch die Wärmeentwicklung der Aufwindkanal eine gewisse Kaminwirkung entfaltet.
Vorzugsweise ist das Turmgerüst auf einem Wärmespeicher aufgestellt. Ein solcher Wärmespeicher kann beispielsweise durch einen Fundamentkörper gebildet sein, der insbesondere Quarzsand aufweist. Zusätzlich kann an dem Fundamentkörper eine ORC (Organic Rankine Cycle) Anlage angeordnet sein. Eine solche ORC-Anlage kann über einen Druckluftmotor einen Stromgenerator antreiben, so dass ein viertes Modul zur Stromerzeugung eingesetzt wird. Durch die ORC-Anlage und den Wärmespeicher kann der Bereich unterhalb der Aufwindanlage erhitzt werden, um über die Wärme die Aufwindanlage zu betreiben, die unabhängig von den anderen Modulen zur Stromerzeugung betrieben werden kann.
Vorzugsweise ist der Flächenverbrauch des Fundamentkörpers kleiner als 10 m², insbesondere kleiner als 5 m². Der Fundamentkörper kann beispielsweise eine Fläche zwischen 1 bis 2 m² einnehmen, so dass ein minimaler Flächenverbrauch vorhanden ist.
Der Turm besitzt vorzugsweise eine Höhe kleiner 20 m, insbesondere zwischen 6 m bis 15 m. Dadurch kann das Turmgerüst mit geringem Materialeinsatz hergestellt werden, da die mechanischen Belastungen bei eher geringen Gewichten und Höhen nicht zu den Problemen heute gängiger Windkraftanlagen mit hohem Material- und Flächenverbrauch führen. Die geringe Höhe des Turmes ermöglicht ein Aufstellen auch unmittelbar neben Privathäusern, die den erzeugten Strom unmittelbar nutzen können zu vergleichsweise geringen Kosten erfolgen.
Die Photovoltaikmodule sind vorzugsweise an mindestens zwei Seiten, bevorzugt an drei oder vier Seiten des Turmgerüstes angeordnet. Das Turmgerüst kann im Querschnitt im Wesentlichen quadratisch ausgebildet sein, so dass die Außenfläche des Turmgerüstes bevorzugt an allen vier Seiten mit Photovoltaikmodulen belegt ist, die je nach Sonnenstand mehr oder weniger Strom erzeugen. Durch die Erhitzung der Photovoltaikmodule wird zudem die Luftströmung in dem Aufwindkanal erhöht, wobei der Wirkungsgrad der Photovoltaikmodule durch die Kühlung des Luftstromes in dem Aufwindkanal verbessert wird. Die Innenseiten der Photovoltaikmodule bilden erfindungsgemäß eine Innenwand des Aufwindkanals.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

1 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Turmes zur Stromerzeugung.

Ein Turm 1 zur Stromerzeugung umfasst ein Turmgerüst 2, das beispielsweise aus einem Metallgerüst ausgebildet ist mit vertikalen Pfosten und Streben, die fachwerkartig über Befestigungsmittel oder Schweißen miteinander verbunden sind. Das Turmgerüst 2 ist auf einem Fundamentkörper 3 gebaut, das auch als Wärmespeicher dient und Quarzsand oder andere Speichermaterialien umfassen kann. Die Höhe des Turmgerüstes 2 vom Fundamentkörper 3 bis zu einer Oberseite 15 beträgt vorzugsweise zwischen 6 bis 15 m, so dass der Turm 1 auch in der Nähe von Wohnhäusern aufgestellt werden kann.
Auf der Oberseite 15 des Turmgerüstes 2 ist eine Windmühle 4 montiert, die eine Achse 5 und einen Rotor 6 umfasst, wobei durch Drehung des Rotors 6 ein Stromgenerator 14 antreibbar ist. Die Windmühle 4 ist hier mit vertikaler Achse 5 dargestellt, wobei optional auch eine Windmühle 4 mit horizontale Achse 5 festgelegt sein kann, die um eine vertikale Drehachse einstellbar ist, um die Ausrichtung der Achse 5 entsprechend der Windrichtung vornehmen zu können.
Das Turmgerüst 2 ist an der Außenseite an einer oder mehreren Seiten mit Photovoltaikmodulen 7 belegt. Vorzugsweise ist das Turmgerüst 2 im Querschnitt im Wesentlichen quadratisch ausgebildet, und an mindestens zwei, vorzugsweis an drei oder vier Seiten, sind jeweils Photovoltaikmodule 7 festgelegt. Die Photovoltaikmodule 7 sind an einen Wechselrichter 8 angeschlossen, der optional an einen Batteriespeicher oder an einen elektrischen Verbraucher angeschlossen ist.
Das Turmgerüst 2 ist innen hohl ausgebildet und umfasst einen Aufwindkanal 9, der eine aufsteigende Luftströmung zu einer Aufwindanlage 10 strömt. Die Aufwindanlage 10 kann einen drehbaren Rotor umfassen, der einen Stromgenerator 11 an einer vertikalen Achse 12 antreibt. Die vertikale Achse 12 ist an einer Halterung 13 am Turmgerüst 2 festgelegt. Die aufsteigende Luftströmung in dem Aufwindkanal 9 kann an einer oberen Auslassöffnung entweichen, wobei optional die Strömungsrichtung der aufsteigenden Luftströmung so gelenkt wird, dass die Windmühle 4 zusätzlich angetrieben wird. Hierfür kann die Auslassöffnung als Schnecke ausgebildet sein oder ein entsprechendes Leitelement aufweisen.
Am unteren Ende des Turmgerüstes 2 sind eine oder mehrere Einströmöffnungen 16 vorgesehen, mittels denen die Luft in den Aufwindkanal 9 eingeleitet wird. In dem Aufwindkanal 9 kann die Luft über die Photovoltaikmodule 7 erwärmt werden, wenn diese sich durch Sonneneinstrahlung erhitzen.
An dem Fundamentkörper 3 ist eine ORC-Anlage 20 (ORC = Organic Rankine Cycle) angeordnet, die eine oder mehrere Stahlflaschen mit Kältegasen aufweisen kann. Die Flaschen können über eine elektrische Heizungsspirale erhitzt werden, um über einen Druckluftmotor einen Stromgenerator anzutreiben. Das expandierte Kältegas kann dann in einem Kondensator verflüssigt werden, wobei der Kondensator beispielsweise im oberen Bereich des Turmgerüstes 2 im Bereich der Aufwindanlage 10 angeordnet, um vor dem Entweichen der Luft das Kondensat zu erhitzen. Das so erhitzte Kondensat kann dann wieder zu der ORC-Anlage 20 am Fundamentkörper 3 geleitet werden.
Das Turmgerüst 2 kann für eine bessere Zugänglichkeit zu der Aufwindanlage 10 klappbar ausgebildet sein, so dass das Turmgerüst an einer Seite ein Klappgelenk aufweist, um einen Zugang zu dem Aufwindkanal 9 und der Aufwindanlage 10 zu schaffen.
Durch die relativ geringe Höhe des Turmgerüstes 2 von weniger als 20 m, beispielsweise zwischen 6 bis 15 m, ist der Flächenverbrauch durch den Fundamentkörper 3 gering, insbesondere kleiner als 10m², bevorzugt kleiner 5m².
Bezugszeichenliste

1: Turm
2: Turmgerüst
3: Fundamentkörper
4: Windmühle
5: Achse
6: Rotor
7: Photovoltaikmodul
8: Wechselrichter
9: Aufwindkanal
10: Aufwindanlage
11: Stromgenerator
12: Achse
13: Halterung
14: Stromgenerator
15: Oberseite
16: Einströmöffnung
20: ORC-Anlage

Claims

Turm (1) zur Stromerzeugung, umfassend ein Turmgerüst (2), an dem an einem oberen Ende eine Windmühle (4) mit einem drehbaren Rotor (6) angeordnet ist, und an mindestens einer Außenseite des Turmgerüstes (2) Photovoltaikmodule (7) festgelegt sind, die an einen Wechselrichter (8) angeschlossen sind, wobei das Turmgerüst (2) innen einen Aufwindkanal (9) umfasst, in dem eine Aufwindanlage (10) angeordnet ist, die von einer Luftströmung in dem Aufwindkanal (9) angetrieben ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Turmgerüst (2) aus einem Metallgerüst mit vertikalen Pfosten und Streben, die fachwerkartig über Befestigungsmittel oder Schweißen miteinander verbunden sind, ausgebildet ist, und die Innenseiten der Photovoltaikmodule (7) eine Innenwand des Aufwindkanals (9) bilden.
Turm nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufwindanlage (10) an einen Generator (11) zur Stromerzeugung angeschlossen ist.
Turm nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufwindkanal (9) in einem unteren Bereich des Turmgerüstes (2) Einströmöffnungen (16) aufweist.
Turm nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Turmgerüst (2) auf einem Fundamentkörper (3) als oder mit einem Wärmespeicher aufgestellt ist.
Turm nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher (3) einen Fundamentkörper mit Quarzsand aufweist.
Turm nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass an einem Fundamentkörper (3) eine ORC-Anlage (20) angeordnet ist.
Turm nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die ORC-Anlage (20) über einen Druckluftmotor einen Stromgenerator antreibt.
Turm nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Flächenverbrauch eines Fundamentkörpers (3) für den Turm (1) kleiner als 10m², insbesondere kleiner 5 m², ist.
Turm nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Turm (1) eine Höhe ohne Windmühle (4) kleiner 20 m, insbesondere zwischen 6 bis 15 m, besitzt.
Turm nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an mindestens zwei Seiten, bevorzugt an drei Seiten des Turmgerüstes (2) Photovoltaikmodule (7) angeordnet sind.
Turm nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Turmgerüst (2) im Querschnitt im Wesentlichen quadratisch ausgebildet ist.