DE4114501A1 - Kraftwerk - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Kraftwerk mit einem zwischen der Erdoberfläche und einem darüber errichteten, für Sonnenstrahlung durchlässigen Dach begrenzten flachen Luft­ raum, einem von dem Dach fußseitig umgebenen vertikalen Kamin zur Führung der seitlich in den Luftraum eintretenden und darin sich aufheizenden Luft nach aufwärts und einem in dem Kamin angeordneten, von der Strömung um eine in der Strö­ mungsrichtung liegende Achse angetriebenen Rotor, der mit einem der Stromerzeugung dienenden Generator gekoppelt ist.

Derartige Kraftwerke sind unter der Bezeichnung "Auf­ windkraftwerk" bekannt. Eine Versuchsanlage ist beispiels­ weise in Manzanares/Spanien in Betrieb. Die elektrische Ener­ giegewinnung erfolgt hierbei mit verhältnismäßig einfacher Technologie in besonders umweltfreundlicher Weise. Unter dem für die Sonnenstrahlung durchlässigen Dach erwärmt sich die Luft unter dem Einfluß der Sonneneinstrahlung und strömt durch den Kamin, wodurch der mit seiner Drehebene horizontale Rotor um seine vertikale Achse angetrieben wird und der von dem Rotor angetriebene Generator elektrische Energie liefert.

Um mit einem derartigen Kraftwerk eine möglichst große Leistung zu erzielen, ist außer einer möglichst großen Höhe des Kamins auch eine möglichst große Flächenüberdeckung durch das Dach erforderlich. Für die elektrische Energieerzeugung im industriellen Maßstab werden daher große Areale benötigt. Wenngleich diese Kraftwerke aus Gründen einer möglichst hohen Sonneneinstrahlung üblicherweise in Wüstengebieten errichtet werden, in denen große freie Areale zu sehr niedrigen Kosten verfügbar sind, ist der Landbedarf für Großanlagen dennoch so erheblich, daß er für die Wirtschaftlichkeit und Realisier­ barkeit derartiger Kraftwerke von Bedeutung ist. Insbesondere müssen, wenn durch derartige Anlagen die bei heutigen Wärme­ großkraftwerken gängige Leistungsgrößenordnung von 1000 MW angestrebt wird, eine ganze Anzahl von Kaminen mit den zuge­ hörigen Dächern errichtet werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei der­ artigen Kraftwerken die elektrische Ausbeute pro überbauter Fläche zu erhöhen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß über dem Dach mit der Stromerzeugung dienenden Generatoren gekoppelte Windräder angeordnet sind.

Die Erfindung sieht also vor, auf ein und demselben Flächenareal ein Aufwindkraftwerk und eine mit herkömmlichen Windrädern versehene Windkraftanlage einander zu überlagern. Während ersteres die Wärmeenergie der Sonnenstrahlung aus­ nutzt, beruht bei letzterer die Energiegewinnung auf der Aus­ nutzung der Windenergie. Der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des ausschließlich unter Ausnutzung von Umweltenergien arbei­ tenden Kraftwerkes liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die örtliche Überlagerung der Windkraftanlage und des Aufwind­ kraftwerkes zu keiner nennenswerten gegenseitigen Beeinträch­ tigung führt. Da die Windräder mit ihren daran gekoppelten Generatoren wegen ihrer kleinen Oberfläche auf das Dach kei­ nen nennenswerten Schatten werfen, gelangt weiterhin die Son­ nenstrahlung praktisch unvermindert in den von dem Dach ab­ gedeckten Luftraum, so daß die Aufwindströmung in dem Kamin durch das Vorhandensein der Windräder nicht beeinträchtigt wird. Die Energieausbeute pro überbauter Flächeneinheit wird dadurch erheblich gesteigert, so daß das erfindungsgemäße Kraftwerk sowohl unter den Gesichtspunkten des Landschafts­ verbrauchs als auch der Wirtschaftlichkeit der Energieerzeu­ gung besonders vorteilhaft ist.

Eine hinsichtlich ihres Aufbaus vorteilhafte Ausfüh­ rungsform besteht darin, daß die Windräder auf vertikalen Masten angeordnet sind, an denen das Dach abgestützt ist. Hierbei werden die zur vertikalen Abstützung der Windräder ohnehin erforderlichen Masten gleichzeitig als Träger für das Dach nutzbar gemacht, wodurch wenigstens für einen Teil der zur Abstützung des Daches erforderlichen Träger eine Auf­ wandsersparnis eintritt.

Bei dem erfindungsgemäßen Kraftwerk besteht auch ein besonderer Vorteil darin, daß oftmals die Windenergie gerade dann in hohem Maße zur Verfügung steht, wenn die verfügbare Sonnenenergie beispielsweise in den frühen Morgenstunden und am Abend gering ist oder nachts ganz fehlt. Da also oftmals die Ausbeute an elektrischer Energie aus den Windrädern dann hoch ist, wenn die Ausbeute aus dem vom Aufwind im Kamin ge­ triebenen Generator zurückgeht oder ausfällt, ergibt sich so­ wohl eine längere Betriebszeit als auch ein gleichmäßigerer Anfall der gesamten erzeugten Leistung.

Der Umstand, daß die von den Windrädern angetriebenen Generatoren in der Regel dann elektrische Leistung liefern, wenn der Rotor mangels ausreichender Kaminwirkung seinen Ge­ nerator noch nicht antreibt, ermöglicht eine besonders zweck­ mäßige Ausführungsform, die darin besteht, daß der Rotor mit einem aus der in den von den Windrädern angetriebenen Genera­ toren erzeugten elektrischen Energie speisbaren Antriebsmotor gekoppelt ist.

Wenn bei Tagesbeginn die Sonneneinstrahlung einsetzt, ist der Kamin zunächst noch wirkungslos, da infolge seines Strömungswiderstandes die Luftströmung nicht sofort in Gang kommt. Wird nun der Rotor mit Hilfe der aus den Windrädern zur Verfügung stehenden elektrischen Energie in dieser Über­ gangszeit vor dem Einsetzen der Kaminwirkung in Drehung ge­ bracht, so setzt die Strömung in dem Kamin früher ein und wird nach ihrem Einsetzen durch die bereits verfügbare Son­ neneinstrahlung weiter aufrechterhalten. Der mit dem Rotor gekoppelte Generator beginnt daher zu einem früheren Zeit­ punkt mit seiner Energielieferung, wodurch die Energiebilanz des Kraftwerkes insgesamt positiv beeinflußt wird.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfin­ dung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und der Zeichnung, auf die bezüglich einer erfindungswesentlichen Of­ fenbarung aller in der Beschreibung nicht erwähnten Einzel­ heiten ausdrücklich hingewiesen wird.

In der Zeichnung ist in deren mit (a) bezeichneten Teil ein Vertikalschnitt des gesamten Kraftwerks dargestellt, wäh­ rend der mit (b) bezeichnete Teil der Zeichnung einen Hori­ zontalschnitt im Bereich der Grundfläche des Kraftwerks und der mit (c) bezeichnete Teil einen vergrößerten Ausschnitt aus den Schnittdarstellungen (a) und (b) wiedergibt.

Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, weist das Kraft­ werk ein beispielsweise in der Wüste über der Erdoberfläche errichtetes, kreisförmiges, im wesentlichen horizontales Dach 1 auf, das für Sonnenstrahlung durchlässig ist. Dieses Dach 1 begrenzt zwischen sich und der Erdoberfläche einen flachen Luftraum 2 in den, wie durch einen Pfeil 3 angedeutet, seit­ lich von den äußeren Rändern des Daches 1 her Luft eintritt. Die in dem Luftraum 2 befindliche Luft wird durch die einfal­ lende Sonnenstrahlung aufgeheizt. Etwa im Zentrum des Luft­ raums 2 ist auf der Erdoberfläche ein vertikaler Kamin 4 errichtet, in dem die aufgeheizte Luft nach aufwärts geführt wird. Im Fußbereich dieses Kamins 4 ist mindestens ein durch die Strömungswirkung der Luft um eine vertikale Achse ange­ triebener Rotor 5 angeordnet, der mit einem der Stromerzeu­ gung dienenden Generator gekoppelt ist. In dem dargestellten Beispiel ist der Rotor 5 mit dem Generator als Baueinheit ausgeführt.

Die Höhe des Kamins 4 und die Flächenausdehnung des in verhältnismäßig niedriger Höhe über der Erdoberfläche errich­ teten Daches 1 sind beträchtlich. Schon bei in herkömmlicher Weise ausgeführten Versuchsanlagen weist der Kamin 4 eine Höhe von 200 m und einen Radius von 5 m auf. Der Luftraum 2 besitzt einen mittleren Durchmesser von etwa 240 m. Planungen sehen eine Kaminhöhe von etwa 500 m und darüber sowie einen Luftraum mit einem Durchmesser von über 1000 m vor. Am äuße­ ren Rand liegt die Dachhöhe bei 2,50 m und steigt in Richtung zum Kamin 4 hin leicht an.

Über dem Dach 1 ist eine große Anzahl von Windrädern 6 angeordnet. Wie insbesondere aus dem Teil (b) der Zeichnung ersichtlich ist, in dem die Fußpunkte 7 von die Windräder 6 abstützenden vertikalen Masten 8 schematisch dargestellt sind, sind die Windräder 6 über die gesamte von dem Dach 1 überbaute Grundfläche verteilt. Der gegenseitige Abstand der Windräder 6 ist so klein bemessen, wie es deren wirkungsvol­ ler Betrieb gerade noch erlaubt. Hierdurch wird die von dem Dach 1 überdeckte Fläche maximal ausgenutzt.

Die die Windräder 6 tragenden Masten 8 dienen gleich­ zeitig zur Abstützung des Daches 1. Im Bereich der Masten 8 brauchen daher keine gesonderten Stützen für das Dach 1 vor­ handen zu sein.

Jedes der Windräder 6 ist mit einem der Stromerzeugung dienenden Generator gekoppelt. Diese Generatoren sind, ebenso wie die Rotorflügel des Windrades 6 jeweils an dem oberen Ende der Masten 8 angeordnet. Die von den Windrädern 6 ge­ lieferte Antriebskraft wird somit unmittelbar auf die An­ triebswellen der Generatoren übertragen.

Der Rotor 5 ist mit einem in der Zeichnung nicht darge­ stellten Antriebsmotor gekoppelt. Durch diesen Antriebsmotor wird der Rotor 5 gestartet, wenn beispielsweise bei Tagesbe­ ginn die auf das Dach 1 einfallende Sonneneinstrahlung zur Überwindung des Strömungswiderstandes in dem Kamin 4 noch nicht ausreichend ist und daher die Kaminwirkung noch nicht eingesetzt hat. Durch den vorübergehenden Antrieb des Rotors 5 beginnt dann die Strömung in dem Kamin 4, so daß ein Bet­ rieb des Rotors 5 mit positiver Energiebilanz früher statt­ findet. Die für den Antriebsmotor benötigte elektrische An­ triebsenergie kann beispielsweise aus der von den Windrädern 6 erzeugten elektrischen Energie entnommen werden, wobei die Energielieferung durch die mit den Windrädern 6 gekoppelten Generatoren zu den Zeiten, wo der Rotor 5 zweckmäßigerweise gestartet werden soll, mit hoher Wahrscheinlichkeit zur Ver­ fügung steht.

Claims (3)

1. Kraftwerk mit einem zwischen der Erdoberfläche und einem darüber errichteten, für Sonnenstrahlung durchlässigen Dach begrenzten flachen Luftraum, einem von dem Dach fuß­ seitig umgebenen vertikalen Kamin zur Führung der seitlich in den Luftraum eintretenden und darin sich aufheizenden Luft nach aufwärts und einem in dem Kamin angeordneten, von der Strömung um eine in der Strömungsrichtung liegende Achse an­ getriebenen Rotor, der mit einem der Stromerzeugung dienenden Generator gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß über dem Dach (1) mit der Stromerzeugung dienenden Generatoren gekop­ pelte Windräder (6) angeordnet sind.

2. Kraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Windräder (6) auf vertikalen Masten (8) angeordnet sind, an denen das Dach (1) abgestützt ist.

3. Kraftwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Rotor (5) mit einem aus der in den von den Windrädern (6) angetriebenen Generatoren erzeugten elektri­ schen Energie speisbaren Antriebsmotor gekoppelt ist.