DE10217529B4

DE10217529B4 - Wirbelströmungskraftwerk

Info

Publication number: DE10217529B4
Application number: DE10217529A
Authority: DE
Inventors: Hasan Oezbey; Peter Rietbrock
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2002-04-19
Filing date: 2002-04-19
Publication date: 2011-06-09
Anticipated expiration: 2022-04-20
Also published as: DE10217529A1

Abstract

Wirbelströmungskraftwerk mit einer strahlungsdurchlässigen Hülle (14), die nach Art eines Kelchfußes geformt ist und einen eine Absorberfläche (12) überdeckenden bodennahen Teil (14a) und einen sich daran anschließenden zentrischen vertikalen Kaminteil (14b) aufweist, und mit einem im Bereich des Kaminteils angeordneten Turbinenteil (23), dadurch gekennzeichnet dass der Turbinenteil (23) an einer die Hülle (14) überspannenden Tragstruktur (17) befestigt und an der engsten Stelle am oberen Ende des Kaminteils (14b) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Wirbelströmungskraftwerk mit einer strahlungsdurchlässigen Hülle, die nach Art eines Kelchfußes geformt ist und einen eine Absorberfläche überdeckenden bodennahen Teil und einen sich daran anschließenden zentrischen vertikalen Kaminteil aufweist, und mit einem im Bereich des Kaminteils angeordneten Turbinenteil.
Bekannt sind Aufwindkraftwerke, in denen ein thermischer Aufwind erzeugt wird, welcher eine aufsteigende Thermik bildet. Die Energie der aufsteigenden Strömung wird zum Betrieb einer Turbine ausgenutzt, um Strom zu erzeugen. Ein derartiges Aufwindkraftwerk ist in DE 198 31 492 C2 beschrieben. Eine strahlungsdurchlässige Hülle wird von Luft unterströmt. Diese Luft heizt sich auf und wird aufsteigend unterhalb der Hülle in einen zentrisch angeordneten Kamin geleitet, in dem sie unter wachsender Beschleunigung aufsteigt. Der Turbinenteil ist hierbei am Fuß des Kamins angeordnet und der Kaminteil ist nach oben hin durch einen weitaufragenden Kaminschlauch verlängert. Der Turbinenteil ist in einem Bereich angeordnet, in dem die aufsteigende Luft nur Sogcharakter hat.
Aus DE 198 06 144 A1 ist ein Aufwindkraftwerk bekannt, das an den Hang eines Berges gebaut ist. Der Hang ist mit einer strahlungsdurchlässigen Haut bedeckt, unter der sich ein Hohlraum befindet, in welchem sich eine aufsteigende Thermik bildet. An dem oberen Ende des Hohlraums ist eine Kaminröhre mit einem Turbinenteil angeordnet.
Ein weiteres thermosolares Aufwindkraftwerk ist in DE 198 06 489 A1 beschrieben. Bestandteil dieses Kraftwerks ist eine Anhöhe, an der ein Aufwind erzeugt wird. Über der Kontur der Anhöhe ist eine strahlungsdurchlässige Hülle im Abstand angeordnet. Unter und auf der Hülle sind Leitwände vorgesehen, welche die Wärmeübergabe begünstigen sollen. Auf dem Gipfel der Anhöhe ist ein Gebläse angeordnet, das durch einen Motor angetrieben wird und für den Start und für einen zuverlässigen Ablauf des Prozesses sorgt. Eine Luftturbine ist in einem ringförmigen Raum unter der Fläche der Anhöhe angeordnet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Wirbelströmungskraftwerk mit verbesserter und effektiver Luftführung zu schaffen.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen. Hiernach ist der Turbinenteil an der engsten Stelle am oberen Ende des Kaminteils angeordnet und an einer die Hülle überspannenden Tragstruktur befestigt.
Durch die Erfindung wird ein stabiler Wirbel nach Art eines umgedrehten Tornados erzeugt, bevor die aufsteigende und rotierende Luft dem Turbinenteil zugeführt wird. Durch eine geeignete Ausbildung und Gestaltung der Hülle, wird die Luftströmung an derjenigen Stelle in mechanische und dann in elektrische Energie umgesetzt, an der der Luftstrom die größte Geschwindigkeit und die größte Energie hat. Außerdem wird der Luftwirbel an einer Stelle genutzt, an der er die größte Stabilität und Gleichmäßigkeit hat, so dass keine wesentlichen Druckstöße am Turbinenteil auftreten.
Bei dem erfindungsgemäßen Wirbelströmungskraftwerk wird die Sonnenenergie durch eine transparente Hülle aus Glas oder Folie auf eine Absorberfläche gebracht und erwärmt diese mit einer Temperaturerhöhung von etwa 40 bis 60°C gegenüber der Außenluft. Es entsteht eine gewisse Thermik, wodurch die erwärmte Luft in den Kaminteil der Hülle aufsteigt. Zunächst handelt es sich um einen Aufwindturm, der aber einen geringen Wirkungsgrad hat. Die im Kamin rotierend aufsteigenden Luftmassen bewirken, dass am unteren Rand der trichterartigen Hülle Außenluft nachgezogen wird. Es bildet sich ein Wirbel, der der räumlichen Gestalt der Hülle folgt und der natürlichen Gestalt einer kleinen Trombe nachgebildet ist, jedoch ”auf dem Kopf stehend”. Da relativ viel Luftmasse in eine rotierende Bewegung gebracht wird, und diese den Gesetzen der Wirbelphysik folgend mit immer kleiner werdendem Durchmesser nach oben strebt, nimmt auch die periphere Drehgeschwindigkeit zu und es kommt zu einem rotationsschlauchähnlichen Effekt.
Diese Tragstruktur kann aus wenigen Tragelementen bestehen. An dem Turbinenteil kann der Kaminteil der Hülle aufgehängt sein. Dies sorgt für eine einfache, statisch unbedenkliche und kostengünstige Aufhängung der hyperbolischen Hülle.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Absorberfläche mit Wärmetauscherrohren in wärmeleitendem Kontakt steht, welche für einen sonnenlosen Betrieb mit einem Wärmeträgermedium durchströmbar sind. Auf diese Weise besteht die Möglichkeit, im Nachtbetrieb oder bei aus anderen Gründen geringer Sonneneinstrahlung, das Wirbelströmungskraftwerk in Betrieb zu halten, indem die dann unzureichende Strahlungswärme durch künstlich zugeführte Wärme ergänzt wird.
An dem umlaufenden Rand des bodennahen Teils der Hülle ist ein umlaufender Einlassspalt gebildet, in welchem einstellbare Flügeltore angeordnet sind. Diese ermöglichen, dass die einströmenden Luftmassen tangential in die Hülle eingesaugt werden. Ein Idealwert ist dabei eine Tangente. Ob die Flügeltore nach rechts oder nach links öffnend eingestellt werden müssen, hängt von der Windrichtung und vom Standort der Konstruktion ab. Mit den Flügeltoren ist auch eine Regelung des Luftmassenstromes möglich.
Zweckmäßigerweise ist der Einlassspalt mit einem im Abstand angeordneten Windschutzzaun umgeben. Dieser Windschutzraum kann auch aus beabstandeten Segmenten bestehen, die luftleitend wirken und die Luft in gerichteter Weise zum Wirbelströmungskraftwerk durchlassen. So ist es möglich, der Luft eine Richtungsvorgabe zur Erzeugung eines Spüreffekts zu erteilen.
Die Hülle besteht zweckmäßigerweise aus einem Fachwerk aus Stegen, zwischen denen sich Scheiben oder Folien befinden. Die Stege können starr oder auch flexibel sein. Bei flexiblen Stegen bildet die Hülle ein Netz.
Das Material der Hülle hat vorzugsweise einen thermischen Absorptionskoeffizienten von 8 bis 15%. Hierdurch wird erreicht, dass sich die Hülle erwärmt und dass sich unter der Hülle ein Gleitfilm aus Luft bildet. Auf diesem gleitet der zunächst langsam drehende Wirbel im unteren Außenbereich der Hülle auf einem Luftpolster bzw. einem Heißluftfilm. Dadurch werden die Reibungsverluste verringert.
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.
Es zeigen:
1 einen schematischen Vertikalschnitt durch das Wirbelströmungskraftwerk,
2 eine Draufsicht, jedoch unter Fortlassung des Generatorhauses, und
3 eine perspektivische Darstellung des Wirbelströmungskraftwerkes, jedoch ohne Darstellung des Windschutzraumes.
Das Wirbelströmungskraftwerk weist ein Fundament 10 auf, das im Boden errichtet ist und aus Beton besteht. Das Fundament 10 bildet eine starre horizontale Platte von runder Gestalt, die in ihrer Mitte eine Aufwölbung 11 aufweist. Auf der Oberseite des Fundaments 10 befindet sich eine Absorberfläche 12 aus einem Wärmestrahlung absorbierenden Material. Die Absorberfläche 12 ist mit Wärmetauscherrohren 13 unterlegt, mit denen sie in wärmeleitendem Kontakt steht. Zwischen den Wärmetauscherrohren 13 und dem Fundament 10 befindet sich eine thermische Isolierung 34.
Über der Absorberfläche 12 ist eine Hülle 14 aufgespannt, die die Form eines Kelchfußes hat. Die Hülle 14 weist einen die Absorberfläche 12 überdeckenden bodennahen Teil 14a auf, der ringförmig ist und im Wesentlichen horizontal verläuft, und einen darin zentrisch aufragenden vertikalen Kaminteil 14b. Der Kaminteil 14b bildet ein sich nach oben hin konisch verjüngendes Teil, das am oberen Ende den kleinsten Durchmesser hat. Der größte Durchmesser der Hülle 14 befindet sich am unteren Ende des bodennahen Teils 14a. Dieser größte Durchmesser ist um mindestens den Faktor Zehn größer als der kleinste Durchmesser am oberen Ende des Kaminteils.
Die Hülle 14 besteht aus einem Fachwerk aus Stegen 15 oder Seilen. Die zwischen den Stegen oder Seilen gebildeten Fenster sind mit durchsichtigen Scheiben 16 oder Folien ausgefüllt.
Eine Tragstruktur 17 aus drei Streben 18, die nach Art eines Dreibeins angeordnet sind, trägt ein Generatorhaus 19. Die Streben der Tragstruktur 17 überspannen die darunter angeordnete Hülle 14 und sie sind auf dem Fundament 10 mit Fußplatten 20 abgestützt.
Das Generatorhaus 19, das über dem oberen Ende der Hülle 14 angeordnet ist, enthält ein Getriebe 21 und ein Stromgenerator 22. Unter dem Generatorhaus 19 ist der Turbinenteil 23 befestigt, der ein starres rohrförmiges Turbinengehäuse 24 und einen darin drehbar gelagerten Radialrotor 25 aufweist, der seine Energie aus der Rotation der Luftmassen bezieht. Der Radialrotor weist einstellbare Rotorschaufeln auf. Die Welle des Turbinenrades 25 ist mit dem Getriebe 21 verbunden. Am unteren Ende des Turbinengehäuses 24 ist mit einem Haltering 26 das obere Ende der Hülle 14 befestigt. Das Innere des Ringes 26 bildet die Einströmöffnung des Turbinengehäuses 24. Die Ausströmöffnung 27 befindet sich seitlich am oberen Ende des Turbinengehäuses.
Der untere weit auskragende Rand der Hülle 14 ist mit einer horizontalen Scheibe 28 versehen, die einen Reifen bildet, welcher die Hülle gespreizt hält. Zwischen dem Ring 28 und der Absorberfläche 12 befindet sich ein ringförmiger Einlassspalt 29. In dem Einlassspalt 29 sind Flügeltore 30 angeordnet, die einzeln verstellt werden können und geeignet sind, die einströmende Luft in eine bestimmte Richtung zu leiten. Die Flügeltore 30 können von einer radialen Mittelstellung um jeweils 90° nach jeder Seite geschwenkt werden, so dass sie insgesamt um 180° verstellbar sind und zwei Schließstellungen einnehmen können.
Um den Einlassspalt 29 herum ist mit radialem Abstand ein Windschutzzaun 31 angeordnet, der höher ist als der Einlassspalt. Durch den Windschutzzaun wird der Windeinfluss reduziert und störende Turbulenzen werden vermieden.
Beim Betrieb des Wirbelströmungskraftwerkes strahlt die Sonnenenergie durch die transparente Hülle 14 auf die Absorberfläche 12 und erwärmt diese mit einer Temperaturerhöhung von etwa 40 bis 60°C gegenüber der Außenlufttemperatur. Dadurch entsteht eine Thermik. Die erwärmte Luft wird in den Kaminteil 14b der Hülle hineingezogen. Die steigenden Luftmassen bewirken, dass unten durch den Lufteinlassspalt 29 am äußeren Rand der Hülle 14 Außenluft nachgezogen wird. Um diesen Effekt nicht durch die Windrichtung zu beeinflussen, ist der Windschutzzaun 31 vorgesehen, der den Bodenwind fernhält. Die Flügeltore 30 werden im Wesentlichen tangential zur Hülle 14 eingestellt, wobei der Winkel von der Höhe der Temperaturdifferenz abhängt und auch in Abhängigkeit von der konstant zu haltenden Leistung geregelt werden kann.
Durch die Richtungsbeeinflussung der Flügeltore 30 wird ein Luftwirbel in Form eines invertierten Tornados erzeugt. Um Reibungsverluste im Innern des formnachgebildeten Raumes zu minimieren, ist das Material der Hülle 14 so gewählt, dass sich die Scheiben 16 oder Folien leicht erwärmen. Dieses Material sollte einen thermischen Absorptionsfaktor von 8 bis 15% haben. So gleitet der zunächst langsam drehende Wirbel im unteren Außenbereich der Hülle auf einem Luftpolster aus einem Heißluftfilm. Am oberen Ende des Kaminteils 14b nimmt der Turbinenteil 23 die nun sehr schnelle Drehenergie ab und treibt den Generator 22 an.
Der absorbierende Boden ist mit der Aufwölbung 11 nur leicht gewölbt, um störenden Unterdruck zu vermeiden. Unter der Absorberfläche 12 befinden sich die Wärmetauscherrohre 13, die als Heizrohre für einen möglichen Nachtbetrieb oder sonnenlosen Betrieb verwendet werden. Dabei ist die den Wärmetauscherrohren zuzuführende Energie nur relativ gering. Sie muss ausreichen, um die höhere Reibung, die bei kalter Hülle auftritt, zu überwinden. Die Innenseite der Hülle ist besonders glatt und ebenmäßig.

Claims

Wirbelströmungskraftwerk mit einer strahlungsdurchlässigen Hülle (14), die nach Art eines Kelchfußes geformt ist und einen eine Absorberfläche (12) überdeckenden bodennahen Teil (14a) und einen sich daran anschließenden zentrischen vertikalen Kaminteil (14b) aufweist, und mit einem im Bereich des Kaminteils angeordneten Turbinenteil (23), dadurch gekennzeichnet dass der Turbinenteil (23) an einer die Hülle (14) überspannenden Tragstruktur (17) befestigt und an der engsten Stelle am oberen Ende des Kaminteils (14b) angeordnet ist.
Wirbelströmungskraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Turbinenteil (23) einen Radialrotor (25) aufweist.
Wirbelströmungskraftwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorberfläche (12) im Wesentlichen horizontal angeordnet ist und im Mittelbereich unter dem Kaminteil (14b) eine Aufwölbung (11) aufweist.
Wirbelströmungskraftwerk nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorberfläche (12) mit Wärmetauscherrohren (13) in wärmeleitendem Kontakt steht, welche für einen sonnenlosen Betrieb mit einem Wärmeträgermedium durchströmbar sind.
Wirbelströmungskraftwerk nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass am umlaufenden Rand des bodennahen Teils (14a) der Hülle (14) ein umlaufender Einlassspalt (29) gebildet ist, in welchem einstellbare Flügeltore (30) angeordnet sind.
Wirbelströmungskraftwerk nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlassspalt (29) mit einem im Abstand angeordneten Windschutzzaun (31) umgeben ist.
Wirbelströmungskraftwerk nach einem der Ansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülle (14) an dem Turbinenteil (23) aufgehängt ist.
Wirbelströmungskraftwerk nach einem der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülle (14) aus einem Fachwerk aus Stegen (15) besteht, zwischen denen sich Scheiben (16) oder Folien befinden.
Wirbelströmungskraftwerk nach einem der Ansprüche 1–8, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülle (14) eine glatte Innenfläche aufweist.
Wirbelströmungskraftwerk nach einem der Ansprüche 1–9, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Hülle (14) einen thermischen Absorptionskoeffizienten von 8 bis 15% hat.