DE19831492C2

DE19831492C2 - Aufwindkraftwerk

Info

Publication number: DE19831492C2
Application number: DE19831492A
Authority: DE
Inventors: Arnold Wietrzichowski
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-08-25
Filing date: 1998-07-14
Publication date: 2001-03-01
Anticipated expiration: 2018-07-15
Also published as: DE29715254U1; DE19831492A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Aufwindkraftwerk nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aufwindkraftwerke sind grundsätzlich bekannt. Sie bestehen in der Regel aus einem aus Stahlrohren angefertigten Aufwindkanal, der bisher eine maximale Länge von einigen hundert Metern haben kann. Im Aufwindkanal unten ist mindestens eine Windturbine angebracht, die einen oder mehrere Elektrogeneratoren antreibt. Neben der Größe der abgedeckten Erwärmungsfläche bestimmt dabei die Höhe und der Durchmesser des Aufwindkanals wesentlich die abzugebende Leistung eines solchen Aufwindkraftwerks. In dem Artikel "Hohe Türme ohne Rauch" von W. Schiel in Sonnenenergie 3/98, Seiten 57-59 ist die Entwicklung der Aufwindkraftwerke bis zu diesem Zeitpunkt beschrieben. Außerdem sind darin grundsätzliche Gedanken für einen regelbaren kontinuierlichen Tag- und Nachtbetrieb durch Anpassung der Stromlieferung an den Bedarf bei etwa gleichen Stromentstehungskosten ausgeführt worden.

In dem Deutschen Gebrauchsmuster DE 296 00 325 U1 ist ein Aufwindkraftwerk beschrieben, dessen Leistung dadurch wesentlich erhöht wird, daß der Aufwindkanal solche Dimensionen annehmen kann, die bis dahin nicht für technisch realisierbar gehalten worden sind. Der Kaminschlauch besteht hier aus leichtem, hochfestem Gewebematerial bzw. aus einem hochfesten Kunststoffgewebe, insbesondere mit Gewebeeinlagen. Der Kaminschlauch wird von Ballonringen bzw. Ballonschläuchen, die vorzugsweise heliumgefüllt sind und außen an dem Kaminschlauch, insbesondere oben, angeordnet sind, gehalten und stabilisiert.

Bei den bisher bekanntgewordenen Formen von Aufwindkraftwerken bewirkt die Wärmespeicherung des Erdreiches eine geringe Stromleistung auch während der Nachtstunden, die jedoch nicht dem Bedarf entspricht. Der Leistungsbedarf während der Abend- und frühen Nachtstunden ist in den für diese Energiegewinnungsform hauptsächlich in Betracht kommenden Subtropen und Tropen gleich oder gar höher als am Tage. Es muß daher eine möglichst hohe Speicherkapazität der Erd- bzw. Absorberoberfläche angestrebt werden.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Aufwindkraftwerk zu schaffen, das eine wesentlich kontinuierlichere Abgabe von Elektroenergie ermöglicht und darüberhinaus noch den Wirkungsgrad verbessert.

Die Lösung der Aufgabe ist im Patentanspruch 1 charakterisiert.

Weitere Lösungen sowie Ausgestaltungen sind in den Patentansprüchen 2 bis 8 charakterisiert.

Bei den bekannten Aufwindkraftwerken mit einem Kamin ist an der Stahl- bzw. Stahlbetonkonstruktion für die Aufnahme der Windturbinen, der Getriebe und Generatoren vorzugsweise ein radial angeordnetes Tragsystem vorgesehen, auf dem sich eine Zelthaut befindet, die zwei Funktionen hat.

Die erste Funktion besteht darin, daß unter der möglichst großen, vorzugsweise kreisförmigen Zeltfläche die am Rand einströmende Luft durch die Sonneneinstrahlung erwärmt wird. Die zum Zentrum aufsteigende Zeltform bewirkt daher durch den Warmluftaufstieg und das größere Volumen im Zentrum optimale Strömungsgegebenheiten für die in die Windturbinen strömende Luft.

Die zweite Funktion besteht in der Ableitung des Regenwassers, das in einem umlaufenden Zysternenring aufgefangen wird. Zur Begehbarkeit für Wartungsarbeiten kann der Kernbereich mit der Kollektorfläche mit Trapezflächen mit Laufstegen versehen werden. Die Trapezblechdeckung bewirkt bei optimaler Einfärbung für die Solarabsorption und angemessenen Strömungshilfen eine deutliche Temperaturerhöhung der darunterströmenden Luft und damit eine Leistungssteigerung des Aufwindkraftwerkes. Um die Strahlungsverluste der Absorberflächen zu mindern, ist es sehr vorteilhaft, aufgedampfte Spezialbeschichtungen dafür zu wählen.

Der unvermeidbare Energieverlust durch die Erwärmung der Luft über den Absorbtionsflächen wird insofern ausgenutzt, als der ringsum aufsteigende Luftstrom zur Stabilisierung des Kamins beiträgt und genutzt wird. Der Abstrahlungs anfall und die Warmluft von der Absorberfläche unterstützen den Auftrieb im Kamin selbst.

Um ein Stagnieren der Heißluft in den Hohlräumen der aufgebrachten Trapezfläche auszuschließen, ist es vorteilhaft, unterhalb und in die Trapezblechzone eingreifend strömungstechnisch optimierte Leitbleche anzuordnen.

Beim Nachtbetrieb würde dem Warmluftstrom unter der Trapezblechdeckung erheblich Energie entzogen werden, weshalb dieser Bereich durch eine horizontale Trennschicht auf halber Höhe zwischen dem jeweiligen Boden und der Trapezblechdeckung in zwei Rundum-Kanäle getrennt ist. Durch die Anordnung von großformatigen und motorisch betriebenen Klappen ringsum am Rande der Kernzone ist erstmalig eine Steuerung des Luftstromes durch diese Konstruktion möglich geworden. Dies hat den Vorteil, daß am Tag die Luft oberhalb der obengenannten Trennschicht und nachts unterhalb dieser geführt wird und damit Wärmeverluste während des Nachtbetriebs vermieden werden.

Bei der bisher bekannten Form von Aufwindkraftwerken bewirkt die Wärmespeicherung des Erdreiches eines geringe Stromleistung auch während der Nachtstunden, die jedoch nicht dem Bedarf entspricht. Der Leistungsbedarf während der Abend- und frühen Nachtstunden ist in den für diese Energiegewinnungsform hauptsächlich in Betracht kommenden Subtropen und Tropen gleich oder gar höher als am Tage. Daher muß eine möglichst hohe Speicherkapazität der Erd- bzw. Absorberfläche angestrebt werden. Die Speicher kapazität der Absorberfläche wurde bereits beschrieben. Dabei ist die Speicherform dann optimal, wenn die größte Wärmeabgabe bis ca. 24.00 Uhr erfolgt und zwar mit nur geringer Reserve für die weiteren Nachtstunden. Eine günstige Form der Wärmespeicherung wurde durch die besondere Anordnung von Steinen oder dergleichen geschaffen, wie noch später anhand der Fig. 3A-3E näher beschrieben wird.

Die Erfindung wird nun anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben. In der Zeichnung bedeuten:

Fig. 1 eine prinzipielle Darstellung eines Aufwindkraftwerkes im Schnitt;

Fig. 2 ein Trägersystem für eine Folien- oder Glasdeckung und

Fig. 3A-3E eine Anordnung von Steinen als Wärmespeicher bzw. einen Steintafelabsorber.

In der Beschreibung, in den Patentansprüchen und in der Zeichnung werden gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. Bezeichnungen gemäß der nachfolgenden Liste verwendet.

Bezugszeichenliste

1. 1 Gebäude oder Einbauten
2. 2 Turbinen
3. 3 Kaminschlauch
4. 4 Ballonring
5. 5 Aufwind
6. 6 Rundum-Kanal für Luftaufströmung am Tage
7. 7 Rundum-Kanal für Luftaufströmung bei Nacht
8. 8 Stellklappe
9. 9 wärmegedämmte Trennfläche
10. 10 Trapezblechabdeckung
11. 11 Folien- oder Glasdeckung
12. 12 Gitterträger
13. 13 Querträger
14. 14 Rinne
15. 15 Abspannseil
16. 16 höhenverstellbare Stützen

Das in Fig. 1 prinzipiell dargestellte Aufwindkraftwerk besteht aus dem Gebäude oder Einbauten 1, den Turbinen 2, dem Kaminschlauch 3 aus leichtem hochfesten Gewebe, einer hochfesten Kunststoffolie oder einer mit Gewebe versehenen Kunststoffolie. Der Kaminschlauch 3 verläuft nach oben konisch auseinander, um optimale Strömungsgegebenheiten zu schaffen und um Faltraum für das zusammengezogene System zu gewinnen. Außerdem ist der Kaminschlauch 3 an bestimmten Stellen mit nicht dargestellten Stütz- bzw. Druckringen ausgestattet, um den Kaminschlauch stabil kreisrund zu halten. Um den Kaminschlauch in die gewünschte Höhe zu bringen bzw. in der gewünschten Höhe zu halten, sind in Abständen heliumgefüllte Ballonringe bzw. -schläuche 4 an der Außenhaut des Kaminschlauchs 3 angeordnet. Außerdem ist ein Tragsystem für eine Folien- oder Glasdeckung 11 vorhanden, die detailliert in Fig. 2 dargestellt ist.

Zu Begehbarbeit zum Beispiel für Wartungsarbeiten ist der mit einer Trapezblechdeckung 10 versehene Kernbereich der Kollektorfläche mit Laufstegen ausgerüstet. Wie bereits ausgeführt, kann die Trapezblechdeckung 10 bei optimaler Einfärbung für die Solarabsorption und angemessenen Strömungshilfen eine deutliche Temperaturerhöhung der darunterströmenden Luft und damit eine Leistungssteigerung des Aufwindkraftwerkes bewirken. Um ein Stagnieren der Heißluft in den Hohlräumen der Trapezfläche auszuschließen, können unterhalb und in die Trapezblechzone eingreifend strömungstechnisch optimierte Leitbleche angeordnet werden. Mit den Pfeilen ist symbolisch der Aufwind dargestellt, der durch den Rundum-Kanal für die Luftströmung am Tage 6 oder durch den Rundum-Kanal für die Luftströmung bei Nacht 7 erzeugt wird. Bei Nachtbetrieb würde dem Warmluftstrom unter der Trapezblechdeckung 10 erheblich Energie entzogen werden, weshalb in diesem Bereich eine horizontale Trennschicht bzw. wärmegedämmte Trennfläche 9 angeordnet ist. Diese besteht vorzugsweise aus beschichteten Dämmplatten, die vorzugsweise auf halber Höhe zwischen dem jeweiligen Boden und der Trapezblechdeckung 10 angeordnet ist. Außerdem sind zur Steuerung des Luftstromes für den Tag- bzw. Nachtbetrieb großformatige motorisch betriebene Stellklappen 8 ringsum am Rande der Kernzone angeordnet. Am Tage wird die Luft oberhalb der genannten wärmegedämmten Trennfläche 9 und nachts unterhalb geführt, um Wärmeverluste während des Nachtbetriebs zu vermeiden. Die Trapezblechdeckung 10, die Folien- oder Glasdeckung 11, die Gitterträger 12 und die Querträger 13 werden anhand der Fig. 2 näher beschrieben.

In Fig. 2 ist ein Trägersystem für die Folien- oder Glasdeckung 11 und die Trapezblechdeckung 10 gezeigt. Es besteht grundsätzlich aus Gitterträgern 12, höhenverstellbaren Stützen 16 und Querträgern 13. Die Folien- oder Glasdeckung 11 bildet in der Mitte jeweils eine Rinne 14 zur Ableitung von Wasser. Die höhenverstellbaren Stützen und die Rinne 14 werden durch Abspannseile 15 gegenseitig verspannt und gehalten. Die höhenverstellbaren Stützen 16 sind im jeweiligen Gelände bzw. Fundamenten befestigt.

Zur oberflächigen Wasserableitung (Regen, Tau) und zur Förderung der Warmluftströmung hat die Abdeckung vorzugsweise ein Gefälle von mindestens 2-3° nach außen. Damit unter dieser Bedingung keine übermäßigen Stützhöhen auftreten, ist für den Standort des Aufwindkamins vorzugsweise ein natürlicher oder künstlicher Hügel - gegebenenfalls mit Einbauten für technisch-wirtschaftliche Nutzung im Kernbereich - zu wählen.

Anhand der Fig. 3A-3E wird nun ein Wärmespeicher beschrieben, der die Leistung während der Abend- und der frühen Nachtstunden erhöht.

Wie bereits ausgeführt, ist der Leistungsbedarf während der Abend- und frühen Nachtstunden in den für die Nutzung der Aufwindkraftwerke hauptsächlich in Betracht kommenden Subtropen und Tropen gleich oder gar höher als am Tage. Daher muß eine möglichst hohe Speicherkapazität der Erd- bzw. Absorberfläche angestrebt werden. Die Speicherform ist dann optimal, wenn die größte Wärmeabgabe bis ca. 24.00 Uhr erfolgt mit nur geringer Reserve für die weiteren Nachtstunden. Eine günstige Form des Wärmespeichers ist mit der Anordnung von dünnen, dunkelfarbigen Steintafeln, wie sie zum Beispiel in Schiefersteinbrüchen anfallen, in Reihen mit Abständen von 10 bis 40 cm gemäß den Fig. 3A-3E gegeben. Durch die Vergrößerung der Oberfläche für die Sonneneinstrahlung (Energieaufnahme) und für die Energieabgabe werden diese Vorgänge intensiviert. Mit der Dicke der Platten ist die Wärmekapazität und damit die Zeit der Wärmeabgabe steuerbar. Auch die Ausrichtung der Steintafeln wird sich nach der jeweils gewünschten Optimierung der Speicherungszeiten richten. Zum Beispiel eine reine Nord/Süd-Ausrichtung oder radial, das heißt in Strömungsrichtung der einströmenden Luft. Zur Herstellung der Steintafelabsorber werden nach Fig. 3A in den Boden Rillen eingebracht bzw. gefräst, in die die Steintafeln eingesteckt und gegebenenfalls festgestampft werden. Bei harten Bodenoberflächen ist es vorteilhaft, die Tafeln zwischen festgestampften Schotter oder Erdreich aufzustellen, wie es in Fig. 3C dargestellt ist. In Fig. 3D ist eine Alternative dargestellt, bei der Betonsteine oder Trockenziegel oder ähnliches Material als Abstandshalterung der Steintafeln verwendet wird.

Als einfachste Lösung zur Optimierung der Wärmespeicherung unter der Kollektorabdeckung bietet sich die gleichmäßige Verteilung von Bruchstücken aus Basalt, Lava oder ähnlichen dunklem bis schwarz gefärbten Gestein, insbesondere Gestein mit sehr zerklüfteter Oberfläche, wie es Fig. 3E prinzipiell zeigt. Das Volumen der Steinbrocken ist so abzustimmen, daß die wesentliche Energieabgabe innerhalb der Zeit des größten Strombedarfs erfolgt.

Claims

1. Aufwindkraftwerk mit einem Kamin als Aufwindluftkamin, in dem Windturbinen auf einem Fundament angeordnet sind, die direkt oder über ein Getriebe mit Elektrogeneratoren gekoppelt sind, mit einem von einem flachen Dach als Kollektorfläche abgedeckten Raum zur Aufheizung der einströmenden Luft, dadurch gekennzeichnet, daß in dem durch ein Trägersystem für eine im wesentlichen kreisförmige, zum Mittelpunkt steigende Zelthaut bzw. Folien- oder Glasdeckung (11) gebildeten Raum eine wärmegedämmte Trennfläche (9) angeordnet ist, die einen Rundum-Kanal für die Luftströmung am Tage (6) und einen Rundum-Kanal für die Luftströmung bei Nacht (7) bildet, die ihrerseits an der Lufteintrittsöffnung bzw. Frontseite der Rundum-Kanäle (6, 7) durch eine Anordnung motorisch betriebener Stellklappen (8) ringsum in Abschnitten am Rande der Kernzone abgeschlossen und steuerbar und verstellbar ausgebildet sind.

2. Aufwindkraftwerk nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Kernbereich um den Aufwindkamin anstelle der Folien- oder Glasdeckung (11) eine Trapezblechdeckung (10) angeordnet ist, die aus schwarzen oder absorptionsoptimal eingefärbten Trapezblechen besteht.

3. Aufwindkraftwerk nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß unter der durch Gitterträger (12) und Querträger (13) gehaltenen Folien- oder Glasdeckung (11) zur Wärmespeicherung dünne, dunkelfarbige Steintafeln, in gleichmäßiger Verteilung angeordnete Bruchstücke aus Basalt, Lava oder dergleichen Gestein mit sehr zerklüfteter oder poröser Oberfläche ringsum angeordnet sind.

4. Aufwindkraftwerk nach einem der Patentansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die Überdeckung der Kollektorfläche vorzugsweise weitgespannte Gitterträger (12) auf höhenverstellbaren Stützen vorzugsweise radial angeordnet sind, auf die im Kernbereich um den Aufwindkamin herum Querträger (13) für die Trapezblechdeckung (10) aufgebracht sind.

5. Aufwindkraftwerk nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im transparenten Deckungsbereich eine Folien- oder Glasdeckung (11) über Obergurte der Träger gelegt ist und in der Mitte zwischen den Trägern an einer eingearbeiteten Rinne (14) gegen den Untergurt der Träger mit einem Abspannseil (15) abgespannt ist.

6. Aufwindkraftwerk nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Rinne (14) Träger entsprechend dem Folienverlauf verbunden sind, auf denen Glasflächen oder lichtdurchlässige Kunststofflächen überschuppend angeordnet sind.

7. Aufwindkraftwerk nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Trapezblechabdeckung (10) Stege zur Begehbarkeit angeordnet sind.

8. Aufwindkraftwerk nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb und in die Trapezblechzone eingreifend strömungstechnisch optimierte Leitbleche zur Verhinderung eines Staus von Heißluft in den Hohlräumen angeordnet sind.

9. Aufwindkraftwerk nach einem der Patentansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmegedämmte Trennfläche (9) als horizontal verlaufende Trennschicht an dem Trägersystem der Trapezblechabdeckung (10) abgehängt ist und vorzugsweise aus beschichteten Dämmplatten besteht, die zwischen dem jeweiligen Boden und der Trapezblechdeckung (10) angeordnet ist.

10. Aufwindkraftwerk nach einem der Patentansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die motorisch gesteuerten Stellklappen (8), die am Tag den unteren und in der Nacht den oberen Rundum- Kanal oder Strömungsbereich abdecken, als leichte Metall- oder Kunststoffklappen ausgeführt sind.