DE3017303C2 - Vorrichtung zur Nutzbarmachung von Energie aus der Natur - Google Patents

Vorrichtung zur Nutzbarmachung von Energie aus der Natur

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Description

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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Nutzbarmachung von Energie aus der Natur, wie Sonnen- und/oder Windenergie nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
Es sind Sonnenkraftwerke bekannt (Süddeutsche Zeltung Nr. 19, 24. Januar 1979, Selten 34, 35 und 37), die Wind mit Hilfe der Sonneneinstrahlung über den Glashauseffekt erzeugen und über Turbinen in elektrischen Strom oder andere nutzbare Energieformen umwandeln. Das Kraftwerk weist ein glasbelegtes Zeltdach auf, das an einem Turm hängt. Die einstrahlende Sonnenwärme steigt unter dem Glasdach In den Kaminturm, wo sie Windräder In Bewegung setzt.
Aus der DD-PS 1 39 740 Ist eine Windenergieanlage bekannt, die aus einem kreisrunden, dem Durchmesser entsprechend hohen Gebäude besteht. Die luvseltlg einfließende Luft wird durch Luftstau vor geschlossenen Austrittsklappen einerseits und andererseits durch den nachfließenden Luftstrom zum Durchtritt durch die Ausirittsöffnung gezwungen. In der Mitte des Daches ist eine düsenartige Öffnung vorgesehen, in der sich mehrere Axialturbinen befinden.
In der US-PS 4017 205 ist eine Vorrichtung zur Ausnutzung von Horizontalwinden bekannt, die eine konusförmige Innenwand und ein domfflrmlges Dach aufweist, in dessen Mitte eine Turbine vorgesehen IsL Die Horizontalwände werden zwischen Konus und Dachhaut zu den Turbinenschaufeln geleitet. An der konusförmlgen Innenwand sind radial angeordnete Luftieitwände vorgesehen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Nutzbarmachung von Energie aus der Natur zu schaffen, bei der die Umwandlung der Energien mit gutem Wirkungsgrad erfolgt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs gelöst. Die erfindungsgemäße Vorrichtung, im folgenden Kraftwerk genannt, unterscheidet sich von den bekannten Kraftwerken dadurch, daß es Luftbewegung sowohl mit Hilfe des Glashauseffektes erzeugt, als auch die natürliche Luftbewegung (Wind) ausnutzt, wobei beide Kraftquellen kumulativ ausgenutzt werden können als auch einzeln und unabhängig voneinander, Indem das Kraftwerk folgendermaßen gebaut wird:
Das Kraftwerk hat eine zweckmäßigerweise runde Grundfläche, kann aber auch die Form eines beliebigen Polygons haben. Im nachfolgenden wird die runde Form beschrieben:
Es werden zwei ringförmige Mauern mit unterschiedlichem Radius errichtet. Beide Mauern haben denselben Mittelpunkt. Die Mauern werden so gebaut, daß sich zwischen Außenseite der Innenmauer und Innenseite der Außenmauer ein konstanter Abstand befindet. Zwischen den Mauern befindet sich also ein ringförmiger Schacht (Strömungsschacht).
Die äußere Ringmauer Ist mehrfach durchbohrt. Die Bohrungen können rund sein oder die Form eines Polygons haben.
Die Innere Ringmauer ist geschlossen. Sie Ist niedriger als die äußere Ringmauer.
Im Mittelpunkt der Ringmauern Ist eine Welle gelagert. Die Welle Ist mit radial angeordneten Tragarmen verbunden. Die Tragarme sind so angebracht, daß sie über die Innere Ringmauer hinausragen, aber nicht bis zur Innenseite der äußeren Ringmauer reichen. Sie sind fsrner so angebracht, daß sie sich mit der Welle drehen können, ohne die Mauerkrone der Inneren Mauer oder Teile der Außenmauer zu berühren.
Am Ende eines jeden Tragarms befindet sich ein Treibflügel. Dieser Ist auf dem Tragarm so befestigt, daß er annähernd die ganze Breite des ringförmigen Schachtes zwischen den Mauern überspannt. Er kann mit dem Tragarm drehbar oder starr verbunden sein. Der Treibllügel soll entlang seiner entsprechenden Schwerllnle auf dem Tragarm befestigt werden, damit In Leichtbauweise gearbeitet werden kann und für die Befestigung nur geringe Kräfte erforderlich sind.
Der Treibflügel muß so geformt sein, daß er bei einer Drehbewegung der Tragarme die Mauern nirgends berührt, den Zwischenraum zwischen den Mauern aber möglichst vollständig überspannt.
Der Treibflügel kann beliebig geformt sein: Er kann z. B. die Form eines Ringflächenausschnitts (entsprechend den Radien des Schachtes.) oder die eines elelch-
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schenkligen Trapezes haben. Eine Ebene des Treibflügels bildet mit der Horizontalen einen Winkel φ 0.
Die äußere Ringmauer ist so hoch, daß s;e die Oberkante eines Treibflügels überragt, um ihn vor unerwünschten Windströmungen zu schützen.
Zwischen den Ringmauern befinden sich Stege, die zweckmäßigerweise radial angeordnet sind. Die Stege sind so hoch, daß sie mindestens bis zur Oberkante der Löcher der äußeren Ringmauer reichen. Sie können höher sein, dürfen aber nicht so hoch sein, daß sie den Umlauf der Treibflügel behindern.
Der Raum des Ringschachtes 1st zwischen den Stegen etwa bis zur Unterkante der Löcher der äußeren Ringmauer mit Füllmaterial, ζ. Β. Sand, Lehm, Beton usw. aufzufüllen. Es 1st darauf zu achten, daß die Oberfläche der Auffüllung glatt 1st. Sie kann aus einer Betonschicht bestehen. Der Raum ist so aufzufüllen, daß Luft, welche durch die Löcher der äußeren Ringmauer durchtritt, strömungsgunstig nach oben abgelenkt wird.
Außerhalb der äußeren Ringmauer befinden sich Wände, die radial zum Mittelpunkt der Anlage angeordnet sind. Die Wände sind mit der äußeren Ringmauer strömungsdicht zu verbinden.
Die äußere Ringmauer wird von einer ringförmigen Anschüttung aus Lehm oder anderem Material bis zur Unterkante der Löcher umhüllt. Die vorerwähnten Wände verschwinden also teilweise In der Anschüttung.
Zwischen den vorerwähnten Wänden befinden sich jeweils ein oder mehrere radial verlaufende Zwischenwände, die jedoch nicht bis zur äußeren Ringmauer hinreichen, aber zweckmäßigerweise an der Peripherie der Anlage beginnen. Sie dienen als Luftleitschiene und zur Verbesserung des Dachauflagers. Mit zunehmender Größe der Anlage wird also auch die Zahl der Zwischenwände zunehmen.
Auf den Wänden liegt eine Dachhaut auf, die strömungsdicht mit den Wänden und der äußeren Ringmauer verbunden ist. Nach außen ist die Anlage also offen. Das Ganze erweckt äußerlich den Eindruck eines großen Zeltes.
Durch die Dachschräge wird eine Luftmasse, die durch den Glashauseffekt erwärmt worden 1st, nach dem Gesetz des geringsten Widerstandes In Richtung Mittelpunkt der Anlage zum Strömen veranlaßt.
Der Einlaßquerschnitt Ist größer als der Auslaßquer- « schnitt des Ringschachtes. Die Summe der Lochquerschnitte In der äußeren Ringmauer hat etwa dem Auslaßquerschnitt des Ringschachtes zu entsprechen. Da die am Einlaß eintretende Luftmasse das System auch wieder verlassen muß, nimmt die Strömungsgeschwindigkeit am Auslaß zu. Die Treibflügel werden daher stärker beaufschlagt, als es der Einlaßgeschwindigkeit entsprechen würde.
Will man den Glashauseffekt ausnutzen, muß die Dachhaut aus transparentem Material bestehen; will man dagegen nur den natürlichen Wind ausnutzen, kann die Glashaut aus beliebigem Material hergestellt sein.
Will man nur den natürlichen Wind ausnutzen, können die Wände bodenparallel verlaufen oder nach außen ansteigen, um den Einlaßquerschnitt zu vergrößern.
Die Anlage kann auch In folgender Form gebaut werden: In Abweichung von der unter I beschriebenen Anlage verlaufen die Wände vor der äußeren Ringmauer nicht radial, sondern sie bilden an der Stelle, wo sie auf die Ringmauer auftreffen einen Winkel mit Ihr, der ungleich 90° Ist.
Die Bohrungen durch die Ringmauer verlaufen dementsprechend nicht senkrecht durch die Mauer, sondern schräg entsprechend der Strömungsrichtung. Zwischen den Ringmauern entfallen die Stege.
Wird das System von außen angeblasen, entsteht im Ringschacht eine umlaufende Strömung.
Die Trelbflügel müssen bei dieser Ausführung senkrecht oder annähernd senkrecht von den Tragannen nach unten weisen, um möglichst rechtwinklig von der in dem Strömungsschacht eintretenden Luft beaufschlagt zu werden.
Diese Anordnung hat den Vorteil, daß die Luft im Strömungsschacht nicht nach oben abgelenkt werden muß und dabei einen Teil ihrer Energie verliert. Andererseits ist nicht zu verkennen, daß die Befestigung der Trelbflügel auf den Tragarmen Schwierigkeiten bereiten dürfte. Ferner müßte die innere Ringmauer aus statischen Gründen wesentlich verstärkt werden. Außerdem eignet sich diese Bauweise weniger zur Ausnutzung des Glashauseffektes, da die warme Luft nach Durchtritt durch die Löcher der Ringmauer eher die Neigung zum Aufstelgen statt zum Umlaufen hat.
Ferner ist nicht auszuschließen, daß luv- und leeseitige Strömungen sich bis zu einem gewissen Grad behindern können.
Ausführungsbeispiel
Die Ringmauer R, umschließt den Strömungsschacht 5 und die Ringmauer R2. Zwischen /?, und R1 befindet sich die Lehmanschüttung L2, außerhalb von R, die Lehmanschüttung Z.,. Die Ringmauer Λ, hat die Löcher Dn.
Zwischen Rx und R2 befinden sich die Stege Sin.
Im Mittelpunkt der Anlage ist die Welle W drehbar gelagert. Sie ist mit dem Treibrad TrR fest verbunden.
Mit dem Treibrad TrR sind die Tragarme TrA, an deren Ende sich die Trelbflügel TrF befinden, verbunden. Die Trelbflügel bilden mit der Horizontalen einen Winkel φ 0.
Das Dach Da lagert auf radial verlaufenden Wänden Wd und den Zwischenwänden LL, die zugleich als Luftleitschlene dienen, strömungsdicht auf, so daß sich außerhalb der Ringmauer Rt ein nach außen zum Einlaß E hin offener Raum H ergibt.
Durch den Einlaß E strömt die Luft horizontal ein und wird durch die Anschüttung Li sowie durch den In der Ringmauer R, befindlichen Durchbruch Dn und die Lehmanschüttung L2 nach oben abgelenkt, wo sie bei A wieder ins Freie tritt.
Die Stege St verhindern, daß die Luft um die Innere Ringmauer R2 herumlaufen kann.
Die radial verlaufenden Wände Wd verändern, daß der Wind In der Vorkammer H um die äußere Ringmauer R ι herumlaufen kann.
Besteht Da aus transparentem Material, so gilt folgendes:
a) bei Windstille:
Kurzwelliges Sonnenlicht durchdringt das transparente Dach, verwandelt sich beim Auftreffen auf festem oder flüssigem Intransparenten Untergrund In langwellige Strahlung, die vom Glas reflektiert wird, also Im Raum unter dem Dach verbleibt, dessen Boden, Wände usw. aufgeheizt werden, so daß die dort befindliche Luft ebenfalls aufgeheizt wird und geringere Dichte als die Umgebungsluft enthält.
Infolge der Dachschräge entsteht eine zur Mitte hin gerichtete Strömung, die im Strömungsschacht nach oben abgelenkt wird und das Treibrad über die Treibflügel in Bewegung setzt.
Die Strömungen der verschiedenen Sektoren können sich infolge der radial In der Heizkammer H verlaufenden Wände Wd und der Im Strömungsschacht radial angeordneten Trennstege St nicht gegenseltigt behindern, so daß im ringförmigen Strömungsschacht 5 über volle 360° verteilt gleichzeitig viele ringförmig angeordnete Vertikalströmungen entstehen.
b) bei Horizontalwind
Der Vorgang unter a) wiederholt sich, wird aber einseitlg überlagert von der Windströmung, die durch die In H radial verlaufenden Wände Wd trichterartig auf den Strömungsschacht hin und hler vertikal nach oben abgelenkt wird.
Die der Windseite abgekehrte Seite der Anlage arbeitet weiterhin thermisch, so daß sich auch auf dieser Seite im Strömungsschacht 5 eine vertikale Luftbewegung aufbaut. Infolge der radial angeordneten Wände Wd und Trennstücke St Ist es gleichgültig, aus weicher Richtung der Wind bläst.
Zu a) und b)
Da der Querschnitt des Strömungsschachtes S gegenüber dem Einlaßquerschnitt E kleiner 1st, ergibt sich im Strömungsschacht S eine höhere Luftgeschwindigkeit als am Einlaß E, und zwar etwa im Verhältnis von Einlaßquerschnitt zum Querschnitt des Strömungsschachtes. Diese Tatsache wirkt sich nach dem Gesetz von Bernoulli! im Bereich der Treibflügel leistungserhöhend aus.
Durch die oben erwähnte Anordnung der Anlage wird u. a. erreicht, daß sich sogar Strömungen, die im Vorfeld vor der äußeren Ringmauer gegenläufig gerichtet sind (etwa durch künstlich hervorgerufene Solarströmungen), nicht gegenseitig behindern können.
Weiterhin wird durch die erwähnte Anordnung eine fast vollständige Wartungsfreiheit der Anlage erreicht.
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Abkürzungen = Auslaß 45 Hierzu ! Blatt Zeichnungen 55
= Dach
A = Durchbruch
Da = Einlaß
Dn = Vorkammer = Heizkammer
E = Lehmanschüttung außerhalb der äußeren 50 60
H Ringmauer
U = Lehmanschüttung zwischen den Ringmauern
Li = Zwischenwand, Luftleltschlene
LL = äußere Ringmauer
R, = innere Ringmauer
Ri = Strömungsschacht
S = Trennstege
St = Tragarme
TrA = Tragflügel
TrF = Treibrad
TrR = Welle
W = Wände
Wd

Claims (5)

Patentansprache:
1. Vorrichtung zur Nutzbarmachung von Energie aus der Natur, wie Sonnen- und/oder Windenergie, unter Ausnutzung des GlashausefTektes, wobei zentrisch in einem zeltartigen Dach ein Luftaustritt vorgesehen ist, der durch wenigstens eine Ringmauer begrenzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringmauer (Λι) allseitig durch das Mauerwerk umschlossene Durchbrüche (Dn) aufweist und daß sich innerhalb der Ringmauer (R t) In an sich bekannter Weise eine zweite Ringmauer (R2) befindet, die denselben Mittelpunkt wie die äußere Ringmauer (Ri), aber einen geringeren Radius als diese hat, wobei zwischen den beiden Ringmauern (Äi, Ri) ein StrömuKgsschacht (S) gebildet ist, dessen oberer umlenkfreier Austritt über seine Breite von Treibflügeln (TrF) eines Trelbrades (TrR) abergriffen ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen den Ringmauern (R1, R2) angeordnete Stege (St) befinden, die die durch die äußere Ringmauer (Ri) hindurchfileßende Luft daran hindern, um die Innere Ringmauer (R2) herumzufließen, und die Luft nach oben hin abzulenken.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Im Vorfeld der äußeren Ringmauer (Ri) Wände (Wd) vorgesehen sind, die radial oder In einem Winkel + 90° auf die äußere Ringmauer (Ri) zulaufen und mit Ihr strömungsdicht verbunden sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Im Vorfeld vor der äußeren Ringmauer (Rx) befindlichen Wände (Wd) das Dach (Da) tragen, mit welchem sie strömungsdicht verbunden sind und daß das Dach (Da) mit der äußeren Ringmauer (Λ,) gleichfalls strömLngsdicht verbunden ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Treibrad (TrR) Innerhalb der Inneren Ringmauer (R2) konzentrisch auf einer vertikalen Welle (W) gelagert ist, wobei aus dem Treibrad (TrR) sternförmig Tragarme (TrA) herausragen, an deren Ende jeweils ein Treibflügel (TrF) derart angeordnet Ist, daß er durch die im Strömungsschacht (S) nach oben abgelenkte Luft In Drehbewegung versetzt wird.
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