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Technisches Gebiet.
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Die Erfindung betrifft ein Aufwindkraftwerk. Seine Eigenschaft umfasst die Umwandlung der Strömungsenergie von erwärmter Luft in elektrischen Strom, wobei ein Teil der Abwärme zurückgewonnen und als Nutzenergie wieder verwendet wird.
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Bekannter Stand der Technik.
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Wärmekraftwerke existieren seit 200 Jahren, Windkraftanlagen noch sehr viel länger. Die Gesetze der Wärmelehre sind allgemein bekannt, ebenso wie die Gesetze der Windkraftnutzung. Mit Wärmeenergie angetriebene Windkraftanlagen, Aufwindkraftanlagen genannt, sind seit über 100 Jahren bekannt.
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Bekannte Kraftwerke dieses Prinzips funktionieren meistens mit erwärmter Luft, welche durch ein vertikales Rohr hochsteigt, in welchem ein Rotor mit einem Generator gekoppelt ist und die Strömungsenergie der aufsteigenden Luft in elektrische Energie umgewandelt wird.
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Bekannt sind weltweit fast 100 Patentanmeldungen zu Aufwindkraftwerken, sowie seit Jahrzehnten auch Anwendungen.
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Bekannt ist außerdem, dass bei allen Windkraftanlagen immer die erzeugte Energie proportional zur dritten Potenz der Windgeschwindigkeit ansteigt.
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Die Patentanmeldung
DE 10 2008 013 141 A1 offenbart ein Wirbelstromkraftwerk, welches in der Zeichnung eine Wärmerückgewinnung von warmer Luft offenbart. In der Kurzfassung wird darauf hingewiesen, dass mit dieser Methode ein Teil der Abwärme der Aufwindkraftanlage sinnvoll genutzt werden könnte. Die Lehre dieses Dokuments ist insofern interessant, dass sie die Möglichkeit der Wärmerückgewinnung hervorhebt. Diese Methode der Abwärmenutzung scheint bei dieser Aufwindkraftanlage verbesserungswürdig. Das Patent
DE 10 2010 005 510 B4 offenbart ein Aufwindkraftwerk. Es wird in der Beschreibung und in der Darstellung auf die Wichtigkeit der Wärmerückgewinnung hingewiesen. Bei diesem Aufwindkraftwerk wird die Wärmerückgewinnung mittels Teilrückführung und Zusatzaufheizung von bereits genutzter Abluft empfohlen. Obwohl diese Patentanmeldung auf die Wichtigkeit der hohen Strömungsgeschwindigkeit hinweist, scheint die optimale Umsetzung bei der Methode der Wärmerückgewinnung noch verbesserungswürdig.
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Die Patentanmeldung
EP 1741927A offenbart eine Aufwindkraftanlage, die zwei vertikale und konzentrische Ansaugrohre umfasst, die eine ringförmige Passage für Luft bilden. Am unteren Ende des Außenrohrs ist eine Reihe von Düsen angeschlossen. Sie umfassen Heizelemente, um die Zuluft zu erwärmen. Weil eine Wärmerückgewinnung bei dieser Anlage nicht vorgesehen ist, erscheint auch der Wirkungsgrad dieser Anlage als verbesserungswürdig.
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In der Patentanmeldung
EP 14170685.3 wird ein hochwertiges Wirbelstromkraftwerk beschrieben, welches über eine Wärmerückgewinnung verfügt und einen eingebauten Schwungradspeicher aufweist.
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Nachteile des Standes der Technik.
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Die meisten Auftriebswindkraftanlagen nach dem Stand der Technik sind bezogen auf ihre Größe wenig leistungsfähig, weil die genutzten Windgeschwindigkeiten zu niedrig sind. Um höhere Geschwindigkeiten zu erreichen, wird des Öfteren vorgeschlagen, die Ablufttürme von Aufwindkraftanlagen sehr hoch zu bauen. Versuchsanlagen haben ergeben, dass hohe schlanke Turmkonstruktionen anfällig sind gegenüber den von außen wirkenden natürlichen Windlasten.
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Trotz des Wissens um die Energieausbeute, welche proportional zur Windgeschwindigkeit in der dritten Potenz verläuft, wird zu wenig Wert darauf gelegt, möglichst hohe Windgeschwindigkeiten beim Durchgang durch die Windturbine zu erreichen. Insbesondere die Formgestaltung erfährt eine zu geringe Aufmerksamkeit.
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Aufgabe der Erfindung.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die Leistung und die Wirtschaftlichkeit zu erhöhen durch eine Überwindung der oben genannten Nachteile.
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Die Lösung der Erfindung.
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Die Ansaugrohre der Erfindung sind überwiegend mit einem kontinuierlich nach oben verjüngendem Querschnitt geformt. Zwischen der Eingangsöffnung und der Ausgangsöffnung ist ein Verhältnis ihre Querschnittsflächen von mindestens 3 zu 1 bis maximal 30 zu 1. Messungen belegen, dass das Verhältnis der Höhe der Ansaugrohre (1) zu ihrem Umfang am Eingang, einem Verhältnis von mindestens einmal dem Umfang bis maximal zehnmal dem Umfang entsprechen sollte.
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Auf einem kleinen Raum, innerhalb eines konstruktiv einfachen, stabilen und preiswerten Aufwindkraftwerkes, eine möglichst hohe Strömungsgeschwindigkeit erreicht und zusätzlich sogenannte „Regelenergie” für das Stromnetz zu erzeugt, um die Effizienz und die Wirtschaftlichkeit zu steigern.
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Im Gegensatz zur Thermodynamik ist die Windkraft ein offenes System. Würde die Aerodynamik sich gleich verhalten wie die Thermodynamik, würde es bei jeder Windkraftanlage auf dem Rotor abgewandte Seite sehr kalt werden und zwar bis minus 175 Grad Celsius. Das Gegenteil ist der Fall: Auf der in Strömungsrichtung des Rotors abgewandten Seite wird die Luft sogar wärmer. Die Begründung dafür ist. Mit einem Windradrotor können nach Betz theoretisch maximal 16/27 = 59,26% an Strömungsenergie dem Wind entzogen werden. Hierzu muss der Wind um 2/3 seiner Geschwindigkeit abgebremst werden. Die verbleibende Geschwindigkeit von einem Drittel enthält nur noch 3,7% an maximal möglich zu entnehmender Energie. Demnach verbleiben der Luft bei Nutzung durch Abbremsung noch 37,15% an nicht nutzbarer Strömungsenergie übrig, welche durch Windkraftanlagen in Wärme umgewandelt wird. Im Gegensatz zur Thermodynamik ist es in der Aerodynamik möglich, mindestens einem Teil der Wärme, welche bereits einmal genutzt wurde, in Strömungsrichtung nach dem Rotor zu entziehen und in Strömungsrichtung vor dem Rotor wieder zuzuführen.
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In der Aerodynamik entstehen Luftbewegungen meistens durch Wärme. Durch Erwärmung wird die Luft ausgedehnt. Sie wird leichter und steigt nach oben. Weil das Luftvolumen nicht verändert wird, steigt gleichzeitig der Luftdruck an. Die höchsten Windgeschwindigkeiten entstehen in der Mitte des Weges zwischen dem Hoch- und dem Tiefdruckgebiet. Innerhalb von Aufwindkraftanlagen sind die Abstände zwischen dem Hoch- und dem Tiefdruckgebiet klein und deshalb entsteht dort sehr schnell überall der gleiche Druck. Die Luftbewegung würde geringer werden, würden man nicht dauernd die kühlere Frischluft aufheizen, wodurch die Luft sich nach oben ausdehnt. Für das physikalische Arbeitsprinzip von allen Windkraftanlagen ist es unerlässlich, dass die Luft sich um ein Drittel seines Volumen in Strömungsrichtung des Rotors bereits vor dem Rotor ausdehnen kann und um ein weiteres Drittel nach dem Durchqueren des Rotors auf der in Strömungsrichtung des Rotors abgewandten Seite. Nur hierdurch bleibt fast der gleiche atmosphärische Druck im gesamten Kraftwerk erhalten.
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Bei dieser Erfindung mit dem sich ausdehnendem Querschnitt des Sammelraumes bereits vor dem Rotor und des sich weiter ausdehnendem Umschließungskörper auf der in Strömungsrichtung des Rotors abgewandten Seite kann dieses Ziel erreicht werden. Für die Aufrechterhaltung des gleichen Druckes ist es unwichtig, ob es sich um gleichmäßig warme oder um aufgeheizte und wieder abgekühlte Luftströmung handelt. Mit der Aufheizung vor dem Rotor und Abkühlung auf der in Strömungsrichtung des Rotors abgewandten Seite mit Wärmerückgewinnung und deren Nutzung auf der in Strömungsrichtung des Rotors zugewandten Seite des Rotors wird die noch nicht bekannte Berechnung anwendbar für Maschinen dieses Arbeitsprinzips. Die theoretisch nutzbare Leistung ist proportional zur dritten Potenz der Windgeschwindigkeit zusätzlich zu einem nutzbaren Prozentsatz an bereits primär zugeführter Wärme.
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Die praktische Lösung der Erfindung.
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Die Ansaugluft wird mit einem oder mehreren eingebauten Ventilatoren (5) oder mit mindestens einer anderen technischen Unterstützung beschleunigt. Für die Erfindung ist es unwichtig, um welche Art von Vorrichtung zum Beschleunigen es sich handelt. z. B. Axialventilator, Radialventilator, Grenzschichtsaugstromventilator, usw. Die Wärmetauscher (6) sind an ihrem Eingang oder auf ihrer gesamten Wärmeübergangsfläche, mit einer Vorrichtung ausgestattet, welche die einfließende Luft in turbulente Bewegung versetzt um den Wärmeübergang zu verbessern. Am Ausgang (4) der Ansaugrohre (1) befindet sich ein Sammelraum (2), wobei bevorzugt dessen Innenwand sich in Strömungsrichtung verengt und dessen Außenwand sich weitet, so dass der Querschnitt für die beschleunigte Luftströmung in Strömungsrichtung zunehmen kann zur Aufrechterhaltung der aerodynamischen Gesetzen. Den am Ausgang des Sammelraumes angebrachten Wärmetauschern (8) wird mindestens ein Teil der Wärme entzogen. Diese Wärme wird den Wärmetauschern (6) welche sich in der Strömungsrichtung der dem Rotor zugewandte Seite innerhalb der Ansaugrohre befinden, als Nutzenergie wieder zugeführt. Bevorzugt wird mit dieser Wärme die zugeführte Luft vorgewärmt. Innerhalb der Ansaugrohre sind weitere Wärmtauscher (7) eingebaut, mit welchen die notwendige Betriebstemperatur erreicht wird.
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Die Wärmetauscher (8) am Ausgang des Sammelraumes (2) sind bevorzugt spiralförmig oder als einzelne Ringe mit unterschiedlichen Durchmessern gestaltet. Gemäß der Erfindung wird der Wärmeentzug am Ausgang des Sammelraumes von einer oder mehreren Wärmepumpen (9) oder einer anderen Maßnahme unterstützt. Die starke Luftabkühlung der ausgestoßenen Abluft hat eine Kompression der Luft zur Folge. Dadurch erfährt die aufsteigende Luft vom Eingang (3) der Ansaugrohre (1) an einen stärkeren Sog, was einerseits die Leistung am Rotor (10) erhöht. Durch diese starke Abkühlung entsteht andererseits eine langsamere Geschwindigkeit der ausgestoßenen Luft, was weniger Schall erzeugt.
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Die Wärmetauscher (6, 8,) sind in einem Kreislauf integriert. Eine Pumpe beziehungsweise ein Verdichter (9) befindet sich in Strömungsrichtung auf der dem Rotor abgewandten Seite. Je nach anzuwendendem Temperaturbereich des Kraftwerkes kann der Verdichter ein Wärmepumpenverdichter sein und der Kreislauf mit sogenanntem Kältemittel befüllt sein. Die zum Betrieb notwendige primäre Wärme zu den Wärmetauschern (7) wird bevorzugt über ein flüssiges Medium transportiert. Das flüssige Medium kann durch Solarkollektoren, Geothermie, Abwärme oder eigens erzeugte Wärme, sei es mit konventionellen oder mit erneuerbaren Energien erwärmt werden.
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Der oder die Rotoren sind mit einer mechanischen, elektrischen, piezoelektrischen oder hydraulischen Flügelverstellung ausgerüstet, welche stets den optimalen Auftrieb an den Flügeln des unterschiedlich schnell drehenden Rotors garantiert. So kann der Flügelwinkel selbst dann auf den optimale Auftrieb eingestellt werden, wenn absichtlich wegen der Anpassung an die Aufnahme oder Abgabe von kinetischer Energie von einem oder mehreren der installierten Schwungräder (12) an den Flügeln ein aerodynamisch ungünstigerer Schnelllauf, in 1 mit λ bezeichnet, der an dem oder den Rotoren gefahren wird. Das Auftriebskraftwerk kann mit einem oder mit mehreren dauernd oder zeitweise verbundenen oder getrennten Schwungrädern (12) an unterschiedlichen Orten ausgeführt sein. Die Schwungräder dienen als kombinierte Anlage zur Aufnahme und zur Speicherung von Bewegungsenergie bzw. Abgabe von „Regelenergie” ans Stromnetz. Werden parallel mehrere Schwungräder (12) betrieben, sind diese mittels Energiekupplungen getrennt anzuordnen, damit ein gemeinsamer und/oder ein unabhängiger Betrieb möglich ist, selbst dann, wenn ein Teil außer Betrieb ist. Das oder die Schwungräder (12) können ebenfalls neben dem Kraftwerk aufgebaut sein und mit einen getrenntem Netz betrieben werden. Werden das/die Schwungräder und der Rotor gemeinsam im gleichen Netz betrieben, ist eine elektrische Trennung zu jeder Zeit zu garantieren.
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Die Schwungräder (12) sind als viele einzelne Bewegungskörper ausgebildet, welche kraftschlüssig und gleichzeitig beweglich miteinander verbunden sind. Die Bewegungskörpern laufen mit Rädern in einem Schienensystem vergleichbar mit einer Achterbahn und werden mit elektrischen Motoren/Generatoren sowohl angetrieben wie abgebremst. Die Bewegungskörper können sich in mehreren überlagerten Ebenen bewegen und bilden bevorzugt eine endlose Kette. In einer anderen Ausführungsart können die Bewegungskörper auf Magnetfelder bewegt werden, welche bevorzugt aus supraleitenden Magneten gebildet werden. Der Antrieb, beziehungsweise der Abtrieb wird bevorzugt als Linearmotor/Generator ausgelegt.
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Durch den erfindungsgemäßen Aufbau einer gleichpoligen elektrostatischen Aufladung im Inneren der Ansaugrohre, am Fluid und am Rotor wird die aerodynamische Reibung verringert und die Leistung gesteigert. Parallel wird durch weitere, bereits bekannte und geeignete Maßnahmen, z. B. Beschichtungen mit Nanopartikel und/oder eine nachgebildete Oberflächenstruktur vergleichbar der Haifischhaut, die Leistung zusätzlich gesteigert. Mit einer eingebauten Sprinkleranlage kann durch Versprühen von Wasser, die Luft künstlich befeuchtet werden, was zusätzliche Leistung erbringt.
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Das Auftriebskraftwerk kann mit einem oder mehreren Rotoren aufgebaut sein, sowie mit einem oder mehreren Schwungrädern, wobei die Lager der Rotoren und der Schwungräder mit Magnetfeldern (13), bevorzugt mit supraleitenden Magnetlagern gebildet sind. Diese Magnetfelder werden zur Lagerung und zur Erregung des oder der Generatoren (11) und/oder der Linearmotoren genutzt.
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Der Rotor (10), der Generator (11) und die Schwungräder (12) drehen in derjenigen Umdrehungsrichtung, in welcher die Corioliskraft eine Kraftverstärkung in Drehrichtung erzeugt.
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Eine andere Bauart ist besonders geeignet, eine ausgedehnte laminare Strömung der aufsteigenden Luft innerhalb der Ansaugrohre zu erreichen, was die Leistung erhöht. Hierzu sind zusätzliche technische Maßnahmen eingebaut. In den konischen Ansaugrohren sind im Inneren mehreren Grenzschichtstromventilatoren in verschiedenen Ebenen eingebaut. Die Luftzuführung für die Funktionsweise der Grenzschichtstromventilatoren wird mit erwärmter Luft generiert. Die bereits erwärmte und im Kreislaufbewegte Luft wird bevorzugt in abgestuften Temperaturbereichen durch von außen angebrachte Leitungen, den Ventilatoren mit Grenzschichtströmung innerhalb der Ansaugrohren zugeführt. Das Aufwärmen dieser Luft entsteht durch Wärmetauscher, welche innerhalb der Transportleitungen eingebaut sind. Um noch zusätzlich die Aufrechterhaltung der laminaren Strömung in den Ansaugrohren zu unterstützen, sind in dieser Ausführungsart die Ansaugrohre doppelwandig ausgeführt und die Innenwand besitzt viele kleine Bohrungen. Zwischen den Wänden ist ein dauernder Unterdruck vorhanden. Dadurch wird laufend eine geringe Menge Luft im Inneren der Ansaugrohre abgesaugt, wodurch verhindert wird, dass die aufsteigende Luft sich reibungsbedingt in turbulente Strömung umwandeln kann.
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Vorteile der Erfindung.
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Insbesondere durch die erfindungsgemäße Formgestaltung werden sehr hohe Windgeschwindigkeiten in relativ einfachen und preisgünstigen Aufwindkraftanlagen wirksam. Durch mehrere weitere technische Maßnahmen der Anlage wird die bestmögliche Einhaltung der aerodynamischen Bedingungen erreicht.
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Ausführungsbeispiel.
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In einem bevorzugten Ausführungsbespiel sind mehrere trapezförmige Ansaugrohre (1) zu einer Einheit ringförmig um ein gemeinsames Zentrum zusammengefasst und bilden den selbstragenden Grundaufbau des Aufwindkraftwerkes. Um eine optimale Beschleunigung der Luft am Ausgang der Rohre zu erreichen, sind die Flächen des Querschnittes zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Ansaugrohres um den Faktor 10 bis 14 verkleinert. Die nach oben offenen Ansaugrohre (1) geben gemeinsam die erwärmte Luft in einen aerodynamisch, optimal angepassten Sammelraum (2) ab, in welchem sich mindestens ein Rotor (10) mit Generator (11) befindet. Die Strömungsenergie wird in elektrischen Strom umgewandelt. Der/die Rotoren (10) sind elektrisch kombiniert mit einem oder mehreren Schwungrädern (12) zur Speicherung und Abgabe von Regelenergie. Die Wärmetauscher (6, 8,) sind in einem Kreislauf integriert. Eine Pumpe beziehungsweise ein Verdichter (9) ist im Kreislauf eingebaut. Je nach anzuwendendem Temperaturbereich des Kraftwerkes ist der Verdichter ein Wärmepumpenverdichter und der Kreislauf ist mit sogenanntem Kältemittel befüllt. Dem oder den am Ausgang des Sammelraumes angebrachten Wärmetauchen (8) wird mindestens ein Teil der Wärme entzogen. Diese Wärme wird den Wärmetauchern (6) welche sich in der Strömungsrichtung dem Rotor zugewandte Seite befinden, als Nutzenergie wieder zugeführt. Diese zurückgewonnene Wärme dient zum Vorwärmen der Frischluft und erhöht so den Wirkungsgrad des Kraftwerkes.
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Die primäre Wärme wird mittels einer Trägerflüssigkeit in einem geschlossenen Kreislauf den Wärmetauschern (7) zugeführt. Die primäre Aufheizung der Trägerflüssigkeit erfolgt außerhalb der Ansaugrohre. Das Aufheizen kann sowohl mit erneuerbaren Energien, wie mit konventioneller Energie, wie mit Abfallwärme aus der Industrie oder der Landwirtschaft, sowie extra für diese Anwendung hergestellte Wärme erfolgen. Der Rotor ist mit einen Stromgenerator (11) oder mit anderen Geräten zur Energieumwandlung z. B. Pumpe, Kompressor usw. gekoppelt. Zusätzlich kann die Anlage mit thermoelektrischen Batterien/Generatoren ausgerüstet sein, um mit der Wärme Strom erzeugen.
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In einem anderen Ausführungsbeispiel wird der Luft auf der dem Rotor (10) abgewandten Seite mittels Wärmetauscher (8) teilweise abgekühlt, wobei ein großer Teil der zugeführten Energie zurückgewonnen werden kann und bevorzugt als Vorwärmer (6) genutzt wird. Um die Kühlflächen der Wärmetauscher möglichst klein zu halten und so die Reibung zu reduzieren, wird der Wärmeentzug mit einer Wärmepumpe (9) unterstützt.
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Höhere Effizienz wird auch erreicht beim Ansaugen der Frischluft, welche durch zusätzliche technische Maßnahmen z. B. Ventilatoren (5) beschleunigt wird. Der Wärmeübergang an die aufsteigende Luft wird durch eine Unmenge von kleinen, gezielt produzierten Turbulenzen an den Wärmeübergangsflächen der Wärmetauscher (6, 7,) erhöht. Durch weitere Maßnahmen in den Ansaugrohren entsteht dann in den Ansaugrohren wieder ausgedehnte laminare Strömung.
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Durch den Einsatz von einem oder mehreren dauernd mitlaufenden Schwungrädern (12) kann die Wirtschaftlichkeit wesentlich erhöht werden. Parallel und/oder separat mitlaufende Schwungräder (12) können kinetische Energie aufnehmen, speichern und später abgeben. Mit dem Einsatz von einem oder mehreren Schwungrädern handelt es sich um verschiedene Arten der Energieumwandlung in einer Anlage, welche auch getrennt nebeneinander installiert werden können. Durch den Einsatz von mindestens einem Schwungrad kann man den elektrischen Strom als „Regelenergie” zu einem teureren Preis verkaufen. Die Masse der Schwungräder (12) ist bevorzugt so groß, dass diese zusätzlich überschüssigen Strom von anderen fluktuierenden Kraftwerken aufnehmen kann, ihn in Bewegung von Masse speichert, um zu einem späteren Zeitpunkt wieder Strom abzugeben.
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Durch den Einsatz von einem oder mehreren dauernd betriebsfähigem Dauerspeicher (14) zur Speicherung von Energie in Fluidform oder in fester Form zum Beispiel von Wasserstoff oder von Methanhydrazin kann das Aufwindkraftwerk während einem größeren Zeitraum betrieben werden, was für die Lieferung von Regelenergie einen entscheidenden finanziellen Vorteil für die Wirtschaftlichkeit bietet. Insbesondere ein Wasserstoff-Speicher als Dauerspeicher (14) erfüllt eine vergleichbare Funktion wie ein Schwungradspeicher (12). Er kann permanent bis zu seiner minimalen oder maximalen Möglichkeit nachgefüllt und oder entleert werden.
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Beschreibung der technischen Zeichnungen.
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1 zeigt in einem Schema den Wirkungsgradverlauf an Flügel von Windkraftanlagen.
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2 zeigt den Aufbau eines Aufwindkraftwerkes als vertikalen Querschnitt in einer bevorzugten Ausführungsart.
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3 zeigt den Aufbau eines vergleichbaren Aufwindkraftwerkes als vertikalen Querschnitt in einer anderen Ausführungsart.
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4 zeigt den horizontalen Querschnitt eines Kraftwerkes in der Draufsicht.
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5 zeigt in einer grafischen Darstellung ein Aufwindkraftwerk.
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6 zeigt in einer grafischen Darstellung einen Dauerspeicher.
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Gemäß 1 ist das absichtliche Verändern des „optimalen” Schnelllaufes, in der Horizontale eingezeichnet und mit dem Buchstaben Lambda λ bezeichnet. Durch das Abbremsen oder Beschleunigen des Rotors um 25% bzw. 23%, entsteht am Wirkungsgrad der Flügel, in der Vertikalen in Prozenten eingezeichnet, nur etwa ein Verlust von 0,6% Prozent an produzierbarer Leistung.
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Wird gleichzeitig ein Windrad mit einem oder mehreren Schwungräder (12) oder mit einem Schwungradspeicher (14) kombiniert, kann dieser gleichzeitig bei 50% mehr oder weniger Umdrehungsgeschwindigkeit, die doppelte Leistung an kinetische Energie aufnehmen oder abgeben, weil bei einem Schwungrad die Leistung proportional zur Umdrehungszahl im Quadrat steigt und fällt.
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Die Speicherung von kinetischer Energie in einem Schwungrad und die anschließende Lieferung von wieder zurück produziertem Strom als sogenannte „Regelenergie” ist sehr zweckdienlich und gewinnbringend. Die Energiespeicher in Form von Schwungrädern auf Supraleitern (13) haben die erforderliche enorm kurze Reaktionszeit. 2 zeigt einen Querschnitt durch den Aufbau in Seitenansicht einer bevorzugten Ausführungsart. Sie umfasst einen unteren Turmaufbau, welcher gebildet ist aus mindestens zwei, bevorzugt mit mehreren kreisförmig angeordneten Ansaugrohren (1), einem Sammelraum (2) mit sich weitenden Umschließungen, einem elektrischem Generator am Rotor (10), einer Kombination von Generator und Motor am Schwungrad (12), Ventilatoren (5) zum Ansaugen und Beschleunigen der angesaugten Luft, Wärmetauscher (6) zur Wärmerückgewinnung und weiteren Wärmetauscher zum Aufheizen der Luft (7) mit Primärenergie. Das/die Schwungräder dienen dazu, den erzeugten Strom als Regelenergie zu liefern. Für den Antrieb und Abtrieb des/der Schwungräder werden Generatoren/Motoren (11) verwendet, welche bei Bedarf zusätzlich Energie von anderen fluktuierenden Energieerzeugern aufnehmen. In 2 ist ein Linearmotor/Generator (11) im Boden des Schwungrades integriert. Das/die Schwungräder laufen bevorzugt auf Magnetfelder (13) welche ebenfalls einen Teil des Lineargenerators/Motors bilden. Durch den parallelen Dauerbetrieb auf halber Leistung von Generator und Motor, kann ein Schwungrad-Speicher wesentlich schneller, theoretisch in Bruchteilen von Sekunden, „Regelenergie” zur Verfügung stellen, als ein Pumpspeicherkraftwerk, wo erst einmal die Wassermassen beschleunigt werden müssen.
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In dieser Ausführungsart nach 2 kann auf eine Flügelregelung des Rotors verzichtet werden. Die Wärmerückgewinnung wird durch gestrichelte Linien dargestellt. In der Wärmerückgewinnung wird mindestens eine Wärmepumpe (9) eingebaut, wobei diese hier symbolisch durch einen in der Leitung eingebauten Rotationskompressor dargestellt wird. Wegen der besseren Übersicht wurde auf die Darstellung von Luftfilter, Fliehkraftabscheider bzw. Trägheitsabscheider sowie vergleichbare Maßnahmen, sowie auf die thermische Wärmedämmung des Aufwindkraftwerkes verzichtet.
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Eine vergleichbare Anlage ohne Ventilatoren, ohne Wärmepumpe und ohne Schwungrad wäre ebenfalls funktionsfähig. Eine solche Ausführungsart wäre nur dann finanziell sinnvoller, wenn die zugeführte Menge an Primärenergie gering ist.
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3 zeigt einen vertikalen Querschnitt durch den Aufbau einer weiteren bevorzugten Ausführungsart. Diese ist gleich aufgebaut wie die Anlage in 2 mit Ausnahme, dass das Schwungrad an dem Rotor und dem Generator angeflanscht ist und dauernd mit der gleichen Umdrehungszahl wie der Rotor arbeitet. Die Herstellung von Strom als „Regelenergie” erzeugt durch die Änderungen der Umdrehungsgeschwindigkeit und den sich ändernden Schnelllauf am Rotor eine unterschiedliche Leistung. Weil die zugeführte erwärmte Luft nicht diesen wechselnden Anforderungen folgen kann, ist in dieser Ausführungsart eine Flügelverstellung der Rotorblätter (nicht eingezeichnet) empfehlenswert. So entstehen am Rotor geringere Leistungseinbußen. Die Wärmerückgewinnung usw. ist dann wieder vergleichbar wie in 2.
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4 zeigt einen horizontalen Querschnitt in Bodennähe, wie in dem Ausführungsbeispiel von 3. dargestellt. Das Aufwindkraftwerk wird durch 12 trapezförmige Röhren (1) gebildet, welche ringförmig angeordnet sind. Wegen der besseren Übersichtlichkeit wurde in der 4 auf die Darstellung der Wärmetauscher und der Ventilatoren verzichtet. Ebenso wurde auch in 4 genau wie bereits in 3 auf die Darstellung von Luftfilter, Fliehkraftabscheider, Trägheitsabscheider oder vergleichbare Maßnahmen, sowie auf die thermische Wärmedämmung des Aufwindkraftwerkes verzichtet.
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5 zeigt ein Aufwindkraftwerk in der Perspektive schräg von oben vergleichbar mit den Ausführungen in 2, 3 und 4, wobei der Einfachheit halber sowohl der Lufteingang, wie der Luftausgang als schwarze Fläche dargestellt sind.
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6 zeigt einen skizzierten dauernd betriebsfähigen Energiespeicher in der Perspektive schräg von oben. Der Energie-Speicher nach 6 kann mit einem getrennten Netz wie auch mit dem gleichen Stromnetz betrieben werden wie das Aufwindkraftwerk, wobei im zweiten Falle darauf zu achten ist, dass der Strom getrennt ab-und zu-geschaltet werden kann. Der Energiespeicher (6) und das Aufwindkraftwerk (5) können miteinander oder nebeneinander als elektrisch getrennt aufgebauten Zweckdienlichkeiten separat betrieben werden, selbst dann, wenn ein Teil der Anlage abgestellt ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008013141 A1 [0006]
- DE 102010005510 B4 [0006]
- EP 1741927 A [0007]
- EP 14170685 [0008]
