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DE102006029767A1 - Anlage und Verfahren zum Erzeugen von Elektroenergie in einem Gebäude - Google Patents

Anlage und Verfahren zum Erzeugen von Elektroenergie in einem Gebäude Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anlage zum Erzeugen von Elektroenergie mit einem Gebäude (4), das zumindest einen im Wesentlichen vertikalen Schacht (7) aufweist, in dem eine Turbine (10) auf einer Antriebswelle (5) axial angeordnet ist, die mit einem Generator (1) gekoppelt ist, wobei die Anlage eine Mehrzahl von in den Schacht (7) mündenden, separaten Luftzustromleitungen (8) aufweist, durch die erwärmte Luft in den Schacht (7) geführt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Anlage zum Erzeugen von Elektroenergie mit einem Gebäude, das zumindest einen im Wesentlichen vertikalen Schacht aufweist, in dem eine Turbine auf einer Antriebswelle axial angeordnet ist, die mit einem Generator gekoppelt ist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Erzeugen elektrischer Energie durch Sammeln erwärmter Luft und Zuführen der erwärmten Luft in einen im Wesentlichen vertikalen Schacht, in dem eine Turbine auf einer Antriebswelle angeordnet ist, die mit einem Generator gekoppelt ist und dies antreibt.
  • Aus dem Stand der Technik sind Thermik- bzw. Aufwindkraftwerke bekannt. Dabei werden Luftmassen von der Sonne erwärmt, die dann in einem Schacht aufsteigen. Dabei entsteht unter Ausnutzung des Kamineffektes eine künstliche Luftströmung, deren kinetische Energie unter Verwendung einer oder mehrerer Turbinen in elektrische Energie umgewandelt wird. Um dabei ein akzeptables Ergebnis zu erhalten, müssen entsprechend große Luftmassen erwärmt werden.
  • Moderne Aufwindkraftwerke bestehen neben dem als Kamin wirkenden Schacht aus einem flächenmäßig sehr großen lichtdurchlässigen Dach, dem Kollektor, der am Fuße des Schachtes angeordnet ist. Mittels Sonneneinstrahlung wird der Boden und die Luft unter dem Kollektor erwärmt, wobei ein Treibhauseffekt entsteht. Diese erwärmte Luft wird dann zur Erzeugung von Elektroenergie benutzt.
  • Nachteilig dabei ist, dass die Anlagen ein sehr großes Ausmaß annehmen, da die überdachte Fläche sehr groß sein muss, um genügend Luftmassen erwärmen zu können, so dass solche Anlagen meist nur in sehr dünn besiedelten Gebieten zu finden sind, die über das Jahr verteilt eine hohe Sonneneinstrahlung aufweisen. Des Weiteren weisen diese Anlagen sehr hohe Kosten für den Bau und den Transport der Bauelemente auf, so dass sich die Investitionen i.d.R. nicht lohnen. Außerdem entstehen statische Probleme bei der Konstruktion des Kamins, da dieser entsprechend hoch sein muss.
    •
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine verbesserte Anlage zur Erzeugung von Elektroenergie anzugeben.
  • Die Aufgabe wird mit der Anlage der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Anlage eine Mehrzahl von in den Schacht mündende Luftzustromleitungen aufweist, wobei erwärmte Luft durch die Luftzustromleitungen in den Schacht geführt und unter Ausnutzung des Kamineffektes die Turbine angetrieben wird.
  • Heutzutage befindet sich in den meisten modernen Gebäuden ein im Wesentlichen vertikaler Schacht, zum Beispiel ein Entlüftungsschacht. In einem solchen Schacht aufsteigende warme Luftmassen können dabei zur Erzeugung von Elektroenergie genutzt werden. Dazu wird in dem Schacht eine Antriebswelle geführt, auf der mindestens eine Turbine derart angeordnet ist, dass sie von der von unten anströmenden Luft in eine mechanische Drehbewegung umgesetzt wird. Des Weiteren ist die Antriebswelle mit einem Generator gekoppelt, damit aus der Drehbewegung der Antriebswelle Elektroenergie erzeugt werden kann. Damit dem Schacht genügend warme Luftmassen zugeführt werden können, um den Kamineffekt ausnutzen zu können, befinden sich in dem Gebäude Luftzustromleitungen, die in den Schacht münden und so dem Schacht warme Luftmassen zuführen.
  • Es ist vorteilhaft, wenn die Luftzustromleitungen über Mittel verfügen, um die darin befindliche Luft zu erwärmen und so dem Schacht warme Luftmassen zuzuführen. Dies könnten zum Beispiel Heizschlangen sein, die vorzugsweise mit Elektroenergie aus Photovoltaik- und/oder Akkumulatoreinheiten gespeist werden. Denkbar ist aber auch, dass die Erwärmung der in den Luftzustromleitungen befindlichen Luft durch Solarthermieeinheiten erfolgt. So ist es zum Beispiel besonders vorteilhaft, wenn durch die Solarthermieeinheiten Wärmeenergie in einem Medium gespeichert wird, die dann zur Erwärmung der in den Luftzustromleitungen befindlichen Luft genutzt werden kann. Des Weiteren ist es aber auch denkbar, dass bei fehlender Sonneneinstrahlung die Heizmittel durch Akkumulatoreinheiten gespeist werden, die während intensiver Sonneneinstrahlungszeiten aufgeladen werden. Vorteilhafterweise werden dabei die Photovoltaikeinheiten bzw. die Solarthermikeinheiten an der Gebäudeaußenseite installiert.
  • Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn sich der Schacht nach oben hin verjüngt. Dadurch kann der Kamineffekt verstärkt werden, in dem eine höhere Strömungsgeschwindigkeit am Ende des Schachtes erreicht wird, wodurch mehr Energie erzeugt werden kann.
  • Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die in den Schacht mündenden Luftzustromleitungen in dem Gebäude etagenweise angeordnet sind, so dass über die gesamte Höhe des Schachtes kontinuierlich warme Luft in den Schacht geführt wird. Dabei können die Luftzustromleitungen über Schließklappen verfügen, um den in den Schacht strömenden Luftstrom kontrollieren zu können.
  • Unter Berücksichtigung der veränderlichen Drehzahl der Antriebswelle und der Turbine ist es besonders vorteilhaft, wenn der Generator ein Gleichstromgenerator ist. Mittels eines Wechselrichters bzw. Inverters kann aus dem so erzeugten Gleichstrom der für den Haushaltsstrom erforderliche Wechselstrom transformiert werden. Der Wechselrichter kann dabei mit dem Gebäude- und/oder Versorgerstromnetz gekoppelt sein, die erzeugte Elektroenergie an dem Ort zu verbrauchen, an dem sie ent standen ist. Denkbar ist auch, dass die erzeugte Elektroenergie in das Versorgerstromnetz eingespeist wird.
  • Um die Antriebswelle im laufenden Betrieb vom Generator trennen zu können, ist es günstig, wenn die Antriebswelle über Kupplungselemente verfügt. Dies könnte z. B. immer dann notwendig werden, wenn am Generator Wartungsmaßnahmen durchgeführt werden müssen. Dabei erstreckt sich die Antriebswelle durch den gesamten Schacht hindurch, um z. B. die Turbine am oberen Ende des Schachtes anzuordnen.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Schacht in einem im Wesentlichen vertikalen Gebäudeschacht des Gebäudes angeordnet ist. Dadurch wird es möglich, die Anlage in verschiedenen Gebäudeschächten mit unterschiedlichen Größen zu installieren.
  • Die Aufgabe wird auch mit dem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass erwärmte Luft in den Schacht durch eine Mehrzahl separat in den Schacht mündender Luftzustromleitungen zugeführt und die Luftzufuhr in den Schacht durch betätigbare Schließklappen gesteuert oder geregelt wird.
  • Vorteilhafterweise wird die Luft in den Luftzustromleitungen erwärmt, so dass keine zusätzlichen Anlagen erforderlich sind, um warme Luft bereitzustellen und in die Luftzustromleitungen zu befördern. Die Luftzufuhr kann dabei in Abhängigkeit von der Temperatur der in den Luftzustromleitungen erwärmten Luft erfolgen. So ist z. B. denkbar, dass die Zufuhr in den Schacht erst dann beginnt, wenn die Lufttemperatur in den Luftzustromleitungen einen bestimmten Grenzwert überschritten hat. Denkbar ist aber auch, dass die Luftzufuhr in Abhängigkeit einer Lufttemperaturdifferenz zwischen der Luft in den Luftzustromleitungen und der Umgebungstemperatur erfolgt, um sicherzustellen, dass die in den Schacht strömende Luft immer um einen Mindestbetrag wärmer ist, als die Umgebungstemperatur. Dadurch wird die Funktionsfähigkeit zu unterschiedlichen Tages- und Nachtzeiten sowie zu unterschiedlichen Jahreszeiten gewährleistet.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn immer mindestens eine Luftzustromleitung warme bzw. erwärmte Luft in den Schacht führt, damit die Luftströmung in dem Schacht kon tinuierlich aufrechterhalten wird. Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn eine Luftzustromleitung die Zufuhr beendet, während eine benachbarte Luftzustromleitung mit der Zufuhr beginnt. Dies setzt voraus, dass die Luftzustromleitungen auf einer Ebene bzw. Etage um den Schacht angeordnet sind. So wird der Reihe nach die Luft in den Schacht geführt. Ist die Anordnung der Luftzustromleitungen auf einer Ebene bzw. Etage um den Schacht auf mehreren Ebenen bzw. Etagen zu finden, so ist es denkbar, wenn mindestens eine Luftzustromleitung auf jeder Etage bzw. Ebene dem Schacht zu einer bestimmten Zeit Luft zuführt, wobei die Zufuhr durch die Luftzustromleitungen etagenweise versetzt erfolgt. So kann sichergestellt werden, dass immer gleichmäßig ein möglichst großes Volumen in den Schacht geführt wird, um die Turbine optimal antreiben zu können.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.
    •
  • Es zeigen:
  • 1 – Eine schematische Darstellung der Anlage in einem Gebäude;
  • 2 – Eine schematische Darstellung eines horizontalen Querschnitts durch den Schacht;
  • 3: – Eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf den Generatorraum.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung der Anlage in einem Gebäude 4. Am Fuße des Gebäudes 4 ist der Generator 1 installiert. Der Generator 1 ist über Kupplungen 6 mit einer Antriebswelle 5 verbunden, die mittels Wellenlagerungen 9 in dem Schacht 7 geführt ist. Am oberen Ende der Antriebswelle 5 befindet sich eine Turbine 10, die mit der Antriebswelle 5 verbunden ist. Seitlich des Schachtes 7 befinden sich die Luftzustromleitungen 8, die in den Schacht führen. Dabei ist zu erkennen, dass die Luftzustromleitungen 8 etagenweise in dem Gebäude 4 angeordnet sind. Des Weiteren besitzen die Luftzustromleitungen 8 Schließklappen 11, um den Luftstrom in den Schacht 7 kontrollieren zu können. Außerdem befinden sich in diesem Ausführungsbeispiel in den Luftzustromleitungen 8 Heizschlangen 12, die die in den Luftzustromleitungen 8 befindliche Luft erwärmen sollen, um dann in dem Schacht 7 aufsteigen zu können. Am Fuße des Gebäudes 4, wo der Generator 1 angeordnet ist, befindet sich des Weiteren ein Wechselrichter bzw. Inverter 2, der den vom Generator 1 erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom transformiert. Außerdem sind Akkumulatoreinheiten 3 installiert, um bei Bedarf die Heizschlangen 12 mit Elektroenergie zu speisen.
  • Durch die Heizschlangen 12 in den Luftzustromleitungen 8 wird die darin befindliche Luft erwärmt und in den Schacht 7 geführt. Aufgrund des Kamineffektes entsteht in dem Schacht 7 eine Luftströmung, welche die Turbine 10 am oberen Ende des Schachtes 7 antreibt. Durch die Drehbewegung der Turbine 10 wird die Antriebswelle 5 angetrieben, wodurch der mit der Antriebswelle 5 verbundene Generator 1 Strom erzeugt. Bei einem Gleichstromgenerator kann dann mittels des Wechselrichters 2 der so erzeugte Gleichstrom in Wechselstrom transformiert und den entsprechenden Haushalten in dem Gebäude 4 zur Verfügung gestellt werden.
  • 2 zeigt eine schematische Darstellung eines horizontalen Querschnitts durch den Schacht auf einer bestimmten Etage. In diesem Ausführungsbeispiel ist deutlich der Gebäudeschacht 4a zu erkennen, innerhalb dessen der Kamin bzw. Schacht 7 geführt ist. In einer sternförmigen Anordnung münden die Luftzustromleitungen 8a, 8b in den Schacht 7. Vor der Einmündung in den Schacht 7 befinden sich die Schließklappen 11. Dahinter sind dann eine Mehrzahl von Heizschlangen 12 in der Luftzustromleitung 8a, 8b angeordnet.
  • Das beanspruchte Verfahren wird anhand dieses Ausführungsbeispiels beschrieben. In der rechten Luftzustromleitung 8a befindet sich erwärmte Luft. Durch öffnen der entsprechenden Schließklappe 11 an der Luftzustromleitung 8a wird die erwärmte Luft in den Schacht 7 geführt. Währenddessen befindet sich in den restlichen drei Luftzustromleitungen 8b Luft, die erwärmt wird. Folglich sind die dazugehörigen Schließklappen 11 geschlossen. Ist die erwärmte Luft aus der Luftzustromleitung 8a in den Schacht geströmt, so schließt sich die entsprechende Schließklappe 11 und es wird damit begonnen, erneut nachströmende Luft aufzuwärmen. Unterdessen wurde die Schließklappe 11 der im Uhrzeigersinn nachfolgenden Luftzustromleitung geöffnet, so dass diese die erwärmte Luft in den Schacht 7 strömen lassen kann. Durch Wiederholen der entsprechenden Schritte wird sichergestellt, dass dem Schacht 7 kontinuierlich warme Luft zugeführt wird, so dass die entsprechende Strömungsgeschwindigkeit in dem Schacht 7 konstant gehalten werden kann. Statt in den Luftzustromleitungen 11 kann die Luft auch in Wohnräumen oder im Gebäude erwärmt und durch die Luftzustromleitungen 11 in den Schacht geführt werden.
  • 3 zeigt einen horizontalen Querschnitt bzw. eine Draufsicht durch den Generatorraum in dem Gebäude. In der Mitte ist der Generator 1 aufgebaut, an dem vertikal nach oben die Antriebswelle (nicht abgebildet) angeordnet ist.
  • Seitlich davon befinden sich die Akkumulatoreinheiten 3, sowie ein Wechselrichter 2, um die vom Generator 1 erzeugte Elektroenergie den entsprechenden Haushalten im Gebäude zukommen zu lassen oder in das Versorgerstromnetz einzuspeisen.

Claims (22)

  1. Anlage zum Erzeugen von Elektroenergie mit einem Gebäude (4), das zumindest einen im Wesentlichen vertikalen Schacht (7) aufweist, in dem eine Turbine (10) auf einer Antriebswelle (5) axial angeordnet ist, die mit einem Generator (1) gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage eine Mehrzahl in den Schacht (7) mündende, separate Luftzustromleitungen (8) aufweist, durch die erwärmte Luft in den Schacht (7) geführt wird.
  2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schacht (7) sich nach oben verjüngt.
  3. Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schacht (7) ein Versorgungs- und/oder Entlüftungsschacht des Gebäudes (4) ist.
  4. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (1) ein Gleichstromgenerator ist.
  5. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftzustromleitungen (8) Heizmittel (12) zum Erwärmen der in den Luftzustromleitungen (8) befindlichen Luft aufweisen.
  6. Anlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizmittel (12) als Heizschlangen ausgebildet sind.
  7. Anlage nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizmittel (12) mit Photovoltaik- und/oder Akkumulatoreinheiten gekoppelt sind.
  8. Anlage nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftzustromleitungen und/oder Heizmittel (12) mit Solarthermieeinheiten gekoppelt sind.
  9. Anlage nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Photovoltaikeinheiten und/oder Solarthermieeinheiten an der Gebäudeaußenseite angeordnet sind.
  10. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in den Schacht (7) mündenden Luftzustromleitungen (8) in dem Gebäude (4) etagenweise angeordnet sind.
  11. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftzustromleitungen (8) Schließklappen (11) aufweisen, mittels derer der Luftstrom in den Schacht kontrolliert wird.
  12. Anlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Schließklappen (11) an der Einmündung zum Schacht angeordnet sind.
  13. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (1) mit einem Wechselrichter (2) und der Wechselrichter (2) mit dem Gebäude- und/oder Versorgerstromnetz gekoppelt ist.
  14. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebswelle (5) sich durch den gesamten Schacht (7) hindurch erstreckt.
  15. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebswelle (5) Kupplungselemente (6) aufweist.
  16. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gebäude einen im Wesentlichen vertikalen Gebäudeschacht (4a) aufweist, in dem der Schacht (7) angeordnet ist.
  17. Verfahren zum Erzeugen elektrischer Energie durch Sammeln erwärmter Luft und Zuführen der erwärmten Luft in einen im Wesentlichen vertikalen Schacht (7), in dem eine Turbine (10) auf einer Antriebswelle (5) angeordnet ist, die mit einem Generator (1) gekoppelt ist und diesen antreibt, dadurch gekennzeichnet, dass erwärmte Luft in den Schacht (7) durch eine Mehrzahl separat in den Schacht (7) mündender Luftzustromleitungen (8) zugeführt und die Luftzufuhr in den Schacht (7) durch betätigbare Schließklappen (11) gesteuert oder geregelt wird.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Luft in den Luftzustromleitungen (8) erwärmt wird.
  19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von der Lufttemperatur in den Luftzustromleitungen (8) die Luftzufuhr gesteuert oder geregelt wird.
  20. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftzufuhr derart gesteuert oder geregelt wird, dass immer zumindest eine Luftzustromleitung (8) dem Schacht (7) erwärmte Luft zuführt
  21. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftzufuhr derart gesteuert oder geregelt wird, dass eine Luftzustromleitung (8) die Zuführung erwärmter Luft beendet, während eine benachbarte Luftzustromleitung (8) die Zuführung beginnt, wobei die Luftzustromleitungen (8) auf gleicher Ebene um den Schacht (7) angeordnet sind.
  22. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftzufuhr derart gesteuert oder geregelt wird, dass eine Luftzustromleitung (8) die Zuführung erwärmter Luft beendet, während eine benachbarte Luftzustromleitung (8) die Zuführung beginnt, wobei die Luftzustromleitungen (8) auf mehreren Ebenen um den Schacht (7) angeordnet sind.
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