DE3023643A1

DE3023643A1 - Anlage zur ausnutzung der energie von in kaminzuegen aufsteigenden luftstroemen

Info

Publication number: DE3023643A1
Application number: DE19803023643
Authority: DE
Inventors: Gisberto Pretini
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1979-07-06
Filing date: 1980-06-24
Publication date: 1981-01-15
Also published as: FR2461120A1; GB2055980A; FR2461120B1; ES8102643A1; US4367627A; ES493609A0; GB2055980B; GR69633B

Description

Anlage zur Ausnutzung der Energie von in Kaminzügen aufsteigenden Luftströmen

Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Ausnutzung der Energie natürlicher Luftströme mit wenigstens einer Windkraftmaschine, die zumindest einen Rotor sowie eine Statorkonstruktion aufweist.

Bekanntlich entsteht in einem Kaminzug ein aufsteigender Luftstrom auf Grund der unterschiedlichen Höhe zwL sehen der unteren Eingangsöffnung des Kamins und seiner oberen Ausgangsöffnung (Druckgradient) sowie auf Grund der zwischen den beiden öffnungen herrschenden Temperaturdifferenz (thermischer Gradient). In einem Kamin, bei dem keine ausreichenden Vorkehrungen zur Erzeugung eines merklichen aufsteigenden Luftstromes durch diese beiden Gradienten getroffen sind, entsteht trotzdem ein aufsteigender Strom, wenn der Wind im Außenraum eine merkliche Geschwindigkeit ha-fc. Versuche· haben ergßben, d5ß eine direkte Abhängigkeit zwischen der Geschwindigkeit des aufsteigenden Stromes in dem Kaminzug und der Windgeschwindigkeit besteht. Versuche, die an einem auf einer Landebene stehenden vertikalen (gemauerten) Kaminzug von etwa 24 m Höhe durchgeführt wurden, bestätigen, daß bei Windstille praktisch kein, zumindest kein für die Energieerzeugung ausnutzbarer aufsteigender Strom auftritt. Der Druckgradient und der thermische Gradient haben bei einem Kaminzug dieser Höhe offensichtlich keinen Einfluß. Wenn der Wind jedoch eine merkliche Ge-

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schwindigkeit besitzt, stellt sich in dem Kaminzug ein aufsteigender Strom ein. Wenn die Windgeschwindigkeit wenigstens 1 m/s beträgt, hat der aufsteigende Luftstrom eine mittlere Geschwindigkeit von 2,50 m/s. Bei einer Windgeschwindigkeit von 4 m/s beträgt die Geschwindigkeit der aufsteigenden Luftströmung 7 m/s. Sie erreicht 8,20 m/s, wenn die Windgeschwindigkeit 5 m/s beträgt. Wenn man bei einer herkömmlichen Windkraftmaschine den Statorteil durch einen Kaminzug ersetzt und den beispielsweise als Flügelrad ausgebildeten Rotor an der Eingangsöffnung des Kamins anordnet, erhält man auf Grund der oben beschriebenen Geschwindigkeitsverhältnisse einen besseren Wirkungsgrad als bei einer herkömmlichen Windkraftmaschine mit einem Rotor gleicher Bauart. Dies ist darauf zurückzuführen, daß der Wind bei herkömmlichen Windkraftmaschinen auf den Rotor mit einem Druck einwirkt, der seiner Geschwindigkeit proportional ist, während der Kaminzug bei gleicher Windgeschwindigkeit einen aufsteigenden Luftstrom größerer Geschwindigkeit liefert, der offensichtlich einen besseren Wirkungsgrad ergibt, da er einen größeren Druck auf den Rotor ausübt. Wenn sich in dem Kamin durch die Wirkung des Druck- und/oder des thermischen Gradienten bereits ein aufsteigender Luftstrom einstellt, wird dieser durch die Einwirkung des äußeren Windes auf die Ausgangsöffnung des Kamins verstärkt, was zu einer entsprechenden Vergrößerung des Wirkungsgrades führt.

Der aufsteigende Luftstrom kann noch verstärkt werden, indem durch entsprechende Vorkehrungen die Lufttemperatur an der Eingangsöffnung erhöht wird, indem beispielsweise Sonnenstrahlung auf eine Sandschicht konzentriert wird, die um die Basis des Kamins angeordnet ist oder indem die Sonnenstrahlung (bis zu einer gewissen Höhe) auf den Kamin selbst konzentriert wird. Eine andere Möglichkeit besteht darin, daß die Wandungen des Kamins aus einem Material ausgeführt sind, das die Sonnenwärme absorbieren kann.

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Die den Gegenstand der Erfindung bildende Anlage zur Ausnutzung der Energie natürlicher Luftströme mit wenigstens einer Windkraftmaschine, die zumindest einen Rotor sowie eine Statorkonstruktion aufweist ist dadurch gekennzeichnet, daß die Statorkonstruktion der Windkraftmaschine mit wenigstens einem Kaminzug kombiniert ist, der sich von einer unteren Eingangsöffnung zu einer oberen vom Wind beeinflußbaren Ausgangsöffnung erstreckt, derart daß der Wind in dem Kaminzug einen aufsteigenden Luftstrom hervorruft, der den Rotor der Windkraftmaschine antreibt.

Der Kaminzug kann sich entlang eines natürlichen Kügelreliefs erstrecken und ist in diesem Fall vorteilhafterweise mit einem oberen vertikal aufragenden Endteil versehen.

Der Rotor ist vorzugsweise vor der Eingangsöffnung des Kaminzuges angeordnet.

Die Anlage kann auch mehrere Seite an Seite angeordnete Kaminzüge und einen gemeinsamen Schaufelrotor mit transversaler Achse umfassen, der längs der frontal miteinander fluchtenden Eingangsöffnungen der Kamine angeordet ist.

Dem Rotor ist vorzugsweise eine Deflektorvorrichtung zugeordnet, die den Luftstrom zu der aktiven Bewegungsbahn der Rotorschaufeln lenkt.

Gemäß einer anderen Ausführungsform kann der Rotor auch als Flügelrad ausgebildet sein. Vorzugsweise in diesem Fall, jedoch auch bei anderen Ausführungsformen kann der Rotor im Abstand von der Eingangsöffnung in der Bahn des Luftstromes im Kamin angeordnet sein.

Im folgenden sei die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert:

Fig. 1 zeigt schematisch eine Frontansicht einer Anlage ge-

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maß der Erfindung,

Fig. 2 zeigt einen Horizontalschnitt längs der Linie II-II von Fig. 1,

Fig. 3 zeigt einen Vertikalschnitt längs der Linie III-III von Fig. 1,

Fig. 4 und 5 zeigen in Frontansicht bzw. in einer Schnittzeichnung eine Anlage mit mehreren Kaminzügen,

Fig. 6 zeigt eine Schemadarstellung einer Anlage mit grosser em Leistungsvermögen.

In Fig. 1 bis 3 ist die Basis eines Kamins mit 1 bezeichnet. Mit 3 ist der eigentliche Kamin bezeichnet. Dieser besitzt einen Kanal 5» der in dem mit 5A bezeichneten Bereich der Basis 1 beginnt. Die Basis 1 des Kaminzuges sei auf einer Landebene installiert. Auf dem Niveau dieser Ebene befindet sich die mit 7 bezeichnete Eingangsöffnung. Die obere Ausgangsöffnung des Kaminzuges 5 ist mit 9 bezeichnet. Es sei angenommen, daß die Höhe des Kamins 3 so gering ist, daß der Druckgradient und der thermische Gradient im Innern des Kamins keinen merklichen aufsteigenden Luftstrom erzeugen. In diesem Fall arbeitet die Anlage unter Ausnutzung der Wirkung des Windes. Falls die Höhe des Kamins so groß ist, daß die genannten Gradienten bereits zu einem aufsteigenden Luftstrom führen, wird dieser durch die Einwirkung des Windes auf die hochgelegene Ausgangsöffnung des Kaminzuges erhöht und verstärkt. Der Rotor kann ,jedoch in diesem Fall auch bei Windstille durch den von den genannten Gradienten bestimmten aufsteigenden Luftstrom betätigt werden. Der im vorliegenden Fall als Flügelrad ausgebildete Rotor der Windkraftmaschine ist im Innern des Kamins an einer Stelle installiert, die den besten Wirkungsgrad ergibt«, Bei der in Fig. 1 bis 3 dargestellten Anlage ist das mit 10 bezeichnete Flügelrad mit horizontaler parallel zu dem Luftstrom verlaufender Achse in der Eingangsöffnung 7 angebracht.

In Fig. 4 bis 6 ist eine windelektrische Anlage mit drei

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Kaminzügen 2OA, 2OB und 2OC dargestellt, die sich in der Praxis, insbesondere bei großen Anlagen, gegen eine Bodenerhebung R (Fig. 6) oder ein gemauertes Bauwerk abstützen. Das beispielhaft mit 21B bezeichnete Endteil ist vorteilhafterweise vertikal ausgebildet, damit der Wind an der Spitze des Kamins eine Saugwirkung auf den aufsteigenden Luftstrom ausüben und damit dessen Geschwindigkeit vergrößern kann. Mit 22 ist der Rotor bezeichnet. Er ist mit konkaven Schaufeln ausgerüstet und besitzt eine transversale Achse 22A, die sich vor den Eingangsöffnungen 23A, 23B und 23C befindet. Die genannten Öffnungen sind in der tragenden Konstruktion 24 der Kaminzüge ausgebildet. Der Rotor befindet sich auf der Frontseite der horizontal miteinander fluchtenden Eingangsöffnungen. Die an dem Rotor angebrachten Schaufeln 22B verlaufen parallel zur horizontal liegenden Rotorachse 22A. Sie sind konkav nach Art der Schaufeln von Windgeschwindigkeitsmessern ausgebildet. Der Wirkungsgrad des Rotors kann durch eine Luftleitvorrichtung 26 verbessert werden, die so installiert ist, daß sie den von außen kommenden Luftstrom frontal auf den aktiven konkaven Teil der Schaufeln lenkt. Gleichzeitig schirmt die Luftleitvorrichtung den konvexen Teil der Schaufeln gegen den Luftstrom ab. Auch die Eingangsöffnungen 23A, 23B und 23c können so angeordnet sein, daß sie im Bereich des aktiven Teils der Bewegungsbahn der Schaufeln liegen.

Der Rotor ist mit einem oder mehreren Generatoren zur Erzeugung der gewünschten Energie verbunden.

Der Statorteil ist - wie erwähnt - mit mehreren Kaminzügen kombiniert, die aus röhrenförmigen Elementen bestehen, die sich bis zu einer der gewünschten Leistung entsprechenden vorbestimmten Höhe erheben und dabei vorzugsweise gegen den Abhang der Bodenerhebung R abstützen.

Die Leistung und der Wirkungsgrad einer Anlage der vorangehend beschriebenen Art hängt im wesentlichen von dem Hö-

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henunterschied zwischen der auf Bodenniveau liegenden Eii:- gangsöffnung der Kaminzüge und der hochgelegenen Ausgangsöffnung ab. Dieser Höhenunterschied bewirkt in dem Kaninzug einen Luftstrom, dessen Geschwindigkeit dem Druck- und thermischen Gradienten und in zweiter Linie der Temperatur an der Basis des Kamins proportional ist. Diese Temperatur an der Basis kann auf verschiedene Art erhöht werden, in^dem beispielsweise Sonnenstrahlung auf eine Sandschicht konzentriert wird, die im Bereich der Basis ausgebreitet ist, oder in^dera Sonnenstrahlung (bis zu einer gewissen Höhe) auf die Kaminzüge selbst konzentriert wird und deren Wandungen so ausgebildet sind, daß sie die Scnnenwärme aufnehmen und absorbieren. Durch senkrechte Gestaltung des oberen Endbereiches der Kamine kann der aufsteigende Luftstrom verstärkt werden. Auf diese Weise bewirkt der Wind an den Spitzen der Kamine einen Unterdruck, der seiner Geschwindigkeit proportional ist und der eine entsprechende Saugwirkung auf den aufsteigenden Luftstrom ausübt und damit dessen Geschwindigkeit vergrößert.

Die aufsteigenden Luftströme, die sich in den Kaminzügen ausbilden, treiben den Rotor an, der bei kleinen und mittleren Anlagen direkt mit einem elektrischen Generator verbunden sein kann. Bei großen Anlagen kann der Rotor mit mehreren Generatoren aus unterschiedlicher Leistung, verbunden sein, die sich in Abhängigkeit von der Größe der von dem Rotor gelieferten Leistung automatisch und alternativ an- oder abkuppeln. Das An- und Abkuppeln der elektrischen Generatoren erfolgt in Abhängigkeit von der Drehzahl des Rotors über ein automatisches Getriebe, wobei bei einer Drehzahl, die zum Antrieb eines elektrischen Generators höherer Leistung ausreicht, letzterer mittels einer elektrischen oder elektropneumatisehen von der wachsenden Drehzahl steuerbaren Wählvorrichtung aktiviert wird.

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Claims

Patentansprüche

\Λ.) Anlage zur Ausnutzung der Energie natürlicher Luftströme mit wenigstens einer Windkraftmaschine, die zumindest einen Rotor sowie eine Statorkonstruktion aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorkonstruktion der Windkraftmaschine mit wenigstens einem Kaminzug (5) kombiniert ist, der sich von einer unteren Eingangsöffnung (7) zu einer oberen vom Wind beeinflußbaren Ausgangsöffnung (9) erstreckt, derart daß der Wind in dem Kaminzug (5) einen aufsteigenden Luftstrom hervorruft, der den Rotor (10) der Windkraftmaschine antreibx.
2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kaminzug (z.B. 20B) sich entlang einer Bodenerhebung (R) erstreckt und ein vertikal aufragendes oberes Endteil (21B) besitzt.
3. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (22) vor der Eingangsöffnung (23A, 23B, 23C) des Kaminzuges (2OA, 2OB, 20C) angeordnet ist.
4. Anlage nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von nebeneinander angeordneten Kaminzügen (2OA, 2OB, 20C) vor deren frontal miteinander fluchtenden Eingangsöffnungen (23A, 23B, 23C) ein einziger Schaufelrotor (22) mit transversaler Achse angeordnet ist.
5. Anlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Rotor (22) eine Deflektorvorrichtung (26) zugeordnet ist, die den Luftstrom zu der aktiven Bewegungsbahn der Rotorschaufeln (22B) lenkt.
6. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (10) ein Flügelrad beinhaltet.

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L INSPECTED
7. Anlage nach Anspruch 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor im Abstand von der Eingangsöffnung in der Bahn des Luftstromes in dem Kaminzuj angeordnet ist.
8. Anlage nach Anspruch 1 gekennzeichnet durch Mittel zur Erwärmung der Atmosphäre im Bereich der unteren Eingangsöffnung.
9. Anlage nach Anspruch 1 gekennzeichnet durch Mittel zur Absorption der Wärme an der Außenseite der Kaminzüge.
10. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (22) selektiv mittels vorzugsweise automatischer Kupplungseinrichtungen mit verschiedenen Generatoren kombinierbar ist.

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