DE19532032A1 - Verfahren zum Erzeugen von Energie - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen von Energie durch ein Kraftwerk und/oder aus einem Luftstrom, insbesondere aus einem Wind- und/oder Abgasstrom, mittels einem Flügelrad, sowie eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens.

Kraftwerke sind heutzutage in vielfältiger Form und Ausführung bekannt und gebräuchlich. Sie dienen als Anlagen meist zur Erzeugung von elektrischer Energie, wobei chemische, nukleare, thermische oder potentielle mechanische Energie Kraftwerken zugeführt wird, die zunächst in mechanische Energie umgewandelt und zum Antrieb elektrischer Generatoren, in der Regel Drehstromgeneratoren, verwendet wird.

Kraftwerke sind aufgrund ihrer physikalischen Bedingungen auch verschieden einsetzbar und haben unterschiedliche Probleme. Dampf- und Kernkraftwerke sind beispielsweise nur begrenzt regelbar. Sie werden daher, wie auch Laufwasser­ kraftwerke an Flüssen, als Grundlastkraftwerke beschrieben. Zur Deckung von Lastspitzen werden dagegen Spitzenkraft­ werke, wie Wasserkraftwerke, Pumpspeicherwerke, Luftspei­ chergasturbinenwerke und dgl. eingesetzt. Außerdem sind geothermische Kraftwerke bekannt, die aus großer Tiefe der Erde Wärme entziehen, die weiterverarbeitet bzw. genutzt werden kann.

Ferner sind verschiedene Windkraftmaschinen bekannt, die über Rotoren angetrieben werden und durch Generatoren Strom erzeugen. Zu erwähnen sind auch Sonnenkraftwerke, bei denen die Sonnenstrahlung über ein Paraboloid gebündelt und in einem Brennturm ein Wärmetauscher erhitzt wird. Sonnen­ energie kann auch auf chemischem Wege umgesetzt werden.

Nachteilig an diesen herkömmlichen Kraftwerken ist, daß sie meist sehr komplex und aufwendig gebaut sind und von nur einem oder wenigen Stoffen bzw. von nur einem Medium betrieben werden können. Beispielsweise können Kohlekraftwerke nur mit Kohle, Steinkohle, Braunkohle ggfs. mit Heizöl betrieben werden. Dagegen werden Kernkraftwerke nur mit Plutonium bzw. schwerem Wasser betrieben, wobei zur Kühlung genügend Wasser vorhanden sein muß. Auch Wasserkraftwerke benötigen einen günstigen Standort, um genügend Energie erzeugen zu können. Auch hier ist ein Betrieb nur mit erheblichen Mengen an Wasser möglich. Ähnliches gilt auch für Solaranlagen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, welche die o.g. Nachteile beseitigen, bei denen ein universeller Einsatz auch im kleineren Umfeld möglich ist und welche mehrere Energieformen zur Erzeugung von Energie nutzen.

Zur Lösung dieser Aufgabe führt, daß der Wind- und/oder Abgasstrom durch einen Kanal mit einer Mehrzahl von hintereinander angeordneten Flügelräder geleitet wird.

Hierdurch ist die Möglichkeit gegeben, daß ein Wind- und/oder Abgasstrom mehrfach genützt wird. Dies ist vor allem wichtig, um die Effizienz des Verfahrens zu steigern.

Wird der Kanal einem Windstrom ausgesetzt, so ist es wichtig, daß der Kanal die richtige Ausrichtung zu dem Windstrom hat. Er sollte möglichst mit seiner Längsachse in der Windrichtung liegen, damit er ordnungsgemäß, möglichst mit geringen Turbulenzen durchströmt werden kann.

Um den Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Verfahrens und der Vorrichtung zu verbessern, ist daran gedacht, den Kanal mit düsenartigen Einschnürungen zu versehen, zwischen deren engsten Querschnitt die Flügelräder eingesetzt sind. Dabei sind die Konturen der Einschnürungen lavaldüsenartig ausgebildet, um verlustarme Strömungsverhältnisse im Kanal zu erzeugen. Der Volumenstrom, insbesondere der Wind- und Abgasstrom, wird im engsten Querschnitt der Einschnürung maxiert, so daß eine wesentlich höhere Drehzahl des Flügelrades erreicht wird.

Selbstverständlich liegt im Rahmen der Erfindung, daß mehrere solche Einschnürungen mit Flügelrädern in einem Kanal nacheinander angeordnet sind. Denkbar ist eine unterschiedliche Ausgestaltung und Anordnung der Einschnürung, wobei hierdurch unterschiedliche Flügelräder mit unterschiedlichen Drehzahlen individuell eingesetzt werden können.

Es ist auch daran gedacht, die Flügel der Flügelräder zu verschwenken bzw. zu verdrehen, so daß sich eine Steigung der Flügel zur Drehachse ändert, um eine wählbare Rota­ tionsgeschwindigkeit und damit einen regelbaren elektrischen Strom zu bekommen. Damit läßt sich einerseits die Drehzahl der Flügelräder und andererseits die Geschwindigkeit des Volumenstromes im Kanal regeln, da dieser eine Mindestgeschwindigkeit aufweisen sollte.

Mit der vorliegenden Erfindung soll auch ein Kraftwerk geschaffen werden, bei dem ein oben beschriebener Kanal bevorzugt senkrecht angeordnet ist und über eine Leitung mit einer Heizeinrichtung in Verbindung steht. Ein Abgasstrom von der Heizeinrichtung wird in diesen Kanal geführt und strömt auch infolge von Temperaturunterschieden nach außen, so daß mehrere Flügelräder im Kanal angetrieben werden können, um zusätzlich elektrische Energie zu erzeugen.

Eine Besonderheit der vorliegenden Erfindung ist, daß die Heizeinrichtung mit allen nur denkbaren Brennstoffen betrieben werden kann. So hat jede Gemeinde, jedes kleinere Dorf, jede Stadt die Möglichkeit, die ihr zur Verfügung stehende Energie umzuwandeln.

Als Brennstoffe sollen in erster Linie solche verwendet werden, die möglichst kostenlos und meist ungenutzt zur Verfügung stehen. Dazu zählen nicht aufgearbeitete Bäume aus den umliegenden Wäldern, Gartenabfälle und sonstige Gemeindeabfälle. Aus diesen Stoffen kann nicht nur Energie erzeugt werden, sondern gleichzeitig werden auch die Wälder saubergehalten und die Abfälle sinnvoll genutzt. Es ist auch daran gedacht, schnellwachsende Pflanzen durch sinnvolle Nutzung von Agrarflächen anzubauen und später als Brennstoff zu verwenden. Dies könnte der Landwirtschaft zusätzliche Gewinne bringen.

Ferner ist es möglich, das Abgas aus Faultürmen als Brennstoff zu verwenden. In Faultürmen werden durch Bakterien aus Klärschlamm und Jauch od. dgl. Methangas erzeugt, welches sich hervorragend als Brennstoff eignet.

Ferner können Teile eines Kompostes nach ausreichender Trocknung, beispielsweise in Lagerhallen, zur Energieerzeugung verwendet werden, wobei ebenfalls ein Abfallproblem gelöst wird.

Im übrigen kann aber auch an die Nutzung von fossilen Brennstoffen, wie Erdöl und Erdgas, gedacht sein.

Damit ein solches Kraftwerk nicht nur auf fossile Brennstoffe angewiesen ist, sind zusätzlich an dem als Kamin ausgebildeten Kanal Windkraftmaschinen angeordnet, die sich gegen den Wind ausrichten ggfs. in den Wind gedreht oder die Windkraftmaschine ausgerichtet wird.

Ferner werden nicht genutzte Flächen des Kraftwerkes und insbesondere die Gebäudeflächen mit Solarzellen versehen, um auch dort Energie zu erzeugen.

Insgesamt entsteht ein Kraftwerk, welches unterschiedliche Energien ausnutzt und wesentlich leichter regelbar ist.

So können beispielsweise mittels regelbarer Flügelräder durch regelbare Heizvorgänge Lastunterschiede kompensiert werden, wobei Windenergie und Sonnenenergie eine Basis und zusätzliche Unterstützung bilden.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in

Fig. 1 eine schematisch dargestellte Ansicht eines erfindungsgemäßen Kraftwerks zum Erzeugen von Energie;

Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kanal des Kraftwerkes nach Fig. 1;

Fig. 3 zeigt einen Längsschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel des Kanals gemäß Fig. 2.

Gemäß Fig. 1 weist ein erfindungsgemäßes Kraftwerk R eine Heizeinrichtung 1 auf, die bevorzugt mit Brennstoffen 2 betrieben wird. Die Brennstoffe 2 werden in der Heizeinrichtung 1 durch Verbrennen in thermische Energie umgewandelt. Dabei werden fossile Brennstoffe, aber auch Bäume, Sträucher etc. verwendet, die in Wäldern geerntet und sonst nicht genutzt werden. Außerdem können Brennstoffe 2 durch sinnvolle Nutzung von Agrarflächen angebaut werden, wobei an schnell wachsende Pflanzen gedacht ist. Dadurch wird ein großer Beitrag zum Umweltschutz geleistet, da ansonsten ungenutzte Brennstoffe 2 beispielsweise aus Wäldern oder Abfall, zur Energiegewinnung genutzt werden.

Die entstandene Wärme kann über hier nicht gezeigte Wärmetauscher weiter genutzt werden, wobei erfindungsgemäß ein Abwärmestrom, insbesondere ein Abgasstrom 3, durch eine Leitung 4 in einen erfindungsgemäßen Kanal 8 geführt wird. Dieser ist dem Kraftwerk R schornsteinartig aufgesetzt und deshalb bevorzugt senkrecht angeordnet.

In diesen Kanal 8 ist zumindest ein Flügelrad 9.1, 9.2, 9.3 eingesetzt, wobei die einzelnen Flügelräder 9.1, 9.2, 9.3 im Kanal 8 aufeinanderfolgend angeordnet sind.

Der als Abgasstrom 3 ausgebildete Volumenstrom wird in dem Kanal 8 nach oben durch die einzelnen Flügelräder 9.1, 9.2 und 9.3 geführt, die dadurch angetrieben werden. Den Flügelräder 9.1, 9.2, 9.3 sind Generatoren zugeordnet, welche die rotatorische Energie in elektrische Energie umwandeln können.

Ferner sind dem Kanal 8 Windkraftmaschinen 5.1, 5.2 zugeordnet, die außerhalb des Kanals 8 angeordnet sind und durch ihre Drehbarkeit in Windrichtung ausgerichtet werden können. Diese Windkraftmaschinen 5.1 und 5.2 bestehen bevorzugt ebenfalls aus einem Kanal 8.1 bzw. 8.2, in den jeweils Flügelräder 9.4 und 9.5 eingesetzt sind. Diese Flügelräder 9.4 und 9.5 sind wiederum mit nicht näher gezeigten Generatoren verbunden und erzeugen durch einen Windstrom 6 Energie. Jede Windkraftmaschine 5.1 bzw. 5.2 ist über eine Halterung 15.1 und 15.2 mit einem Drehkranz 16 verbunden, so daß sich die Windkraftmaschinen 5.1 und 5.2 gegenüber dem Kanal 8 drehen und in den Wind stellen können. Diese Drehung ist durch den Pfeilring 17 angedeutet.

Zusätzlich sind dem Kraftwerk R auf ungenutzten Flächen, wie Dächern od. dgl. Solarzellen 7 zugeordnet, um diese ungenutzten Flächen zur Energiegewinnung zu verwenden.

Damit der Abgasstrom die Umwelt nicht belastet und zusätzlich die Flügelräder 9.1-9.5 nicht verschmutzt werden, sind in die Leitung 4 hier nicht gezeigte Filteranlagen eingeschaltet, die den Abgasstrom von Verunreinigungen befreien.

Gemäß Fig. 2 ist ein Ausschnitt aus dem Kanal 8 mit mehreren Flügelrädern 9.1 bis 9.3, 9.6 gezeigt, wobei ein Flügelrad 9.1 bis 9.3, 9.6 mehrere Flügel 11 aufweist, die an einer Nabe 10 befestigt und dort drehbar gelagert sind.

Es ist daran gedacht, diese Flügel 11 zu verdrehen, so daß eine Steigung gegenüber einer Drehachse 12 veränderbar ist, um die Drehgeschwindigkeit zu variieren und an den Volumen­ strom, insbesondere den Abgasstrom 3 und den Windstrom 6, anzupassen.

In einem weiteren Ausführungsbeisiel gemäß Fig. 3 ist ein Kanal 8.1 dargestellt, dessen Kanalwand 13 mehrere düsenartige Einschnürungen 14.1, 14.2 aufweist, in die Flügelräder 9.1, 9.2 eingesetzt sind. Diese Einschnürungen 14.1, 14.2 verlaufen wellenartig in dem Kanal 8.3, so daß zwischen einer Einschnürung 14.1, 14.2 die Strömungsge­ schwindigkeit am größten ist, welche das Flügelrad 9.1, 9.2 ausnutzt, um Energie zu erzeugen.

Mit diesen höheren Strömungsgeschwindigkeiten werden wesentlich höhere Rotationsgeschwindigkeiten der Flügelräder 9.1 bis 9.3, 9.6 erreicht, was zu einer besseren Energieausnutzung führt. Durch die Möglichkeit, eine Innenwand 13 des Kanals 8.3 düsen- bzw. wellenartig auszuformen und durch eine entsprechend einstellbare Steigung der Flügel 11 gegenüber der Nabe 10 kann eine exakte Einstellung und Regelung des zu erzeugenden elektrischen Stromes vorgenommen werden, so daß im Betrieb eine erzeugte elektrische Spannung konstant gehalten werden kann.

Dabei sind die Einschnürungen 14.1, 14.2 vor und/oder nach dem engsten Querschnitt lavaldüsenartig ausgebildet, um Strömungsverluste, insbesondere laminare und turbulente Strömungsverluste auf ein Minimum zu reduzieren.

Auch hier liegen andere Formen und Ausgestaltungen von Einschnürungen 14.1 und 14.2 im Rahmen der vorliegenden Erfindung, wobei auch daran gedacht ist, einzelne Einschnürungen unterschiedlich stark auszubilden, um verschiedene Flügelräder mit unterschiedlichen Leistungs­ stufen einsetzen zu können.

Dabei können diese Flügelräder von oben nach unten bzw. unten nach oben unterschiedlich, oder kontinuierlich verändert werden, um den Abgasstrom 3 und Windstrom 6 an jeder Stelle im Kanal 8.3 optimal auszunutzen, da sich deren Geschwindigkeit und Temperatur innerhalb des Kanales ändern kann.

Claims (11)

1. Verfahren zum Erzeugen von Energie durch ein Kraftwerk und/oder aus einem Luftstrom, insbesondere aus einem Wind- und/oder Abgasstrom, mittels einem Flügelrad, dadurch gekennzeichnet, daß der Wind- und/oder Abgasstrom durch einen Kanal mit einer Mehrzahl von hintereinander angeordneten Flügelräder geleitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal für das Leiten des Windstromes in die Windrichtung gedreht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der Wind- oder der Abgasstrom durch Einschnürun­ gen im Kanal beschleunigt und anschließend durch Erweitern des Kanales expandiert wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Heizeinrichtung erzeugte Wärme in einem Wärmetauscher zu Energie umgewandelt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Kraftwerk mittels Solarzellen zusätzliche Energie erzeugt wird.

6. Vorrichtung zum Erzeugen von Energie durch ein Kraftwerk und/oder aus einem Luftstrom, insbesondere aus einem Wind- und/oder Abgasstrom, mittels einem Flügelrad, dadurch gekennzeichnet, daß in einem von dem Luftstrom (3, 6) durchströmten Kanal (8, 8.3) wenigstens ein Flügelrad (9.1-9.3, 9.6) angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügelräder (9.1-9.3, 9.6) in dem Kanal (8, 8.3) hintereinander angeordnet sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß dem Kanal (8, 8.3) Einschnürungen (14.1, 14.2) eingeformt sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß in einem engsten Querschnitt einer Verjüngung (14.1, 14.2) zumindest ein Flügelrad (9.1 bis 9.3, 9.6) eingesetzt ist.

10. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß an eine der Heizeinrichtung (1) eine Leitung (4) angeschlossen ist, die Wärme und/oder ein Abgasstrom (3) dem Kanal (8) zuführt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß um den Kanal (8) ein Drehkranz (16) drehbar vorgesehen und an diesen zumindest eine Windkraftmaschine (5.1, 5.2) zur Stromerzeugung angeordnet ist, welche ebenfalls aus einem Kanal (8.1, 8.2) mit darin angeordneten Flügelrädern (9.4, 9.5) besteht.