DE102013007836B3

DE102013007836B3 - Tornadokraftwerk

Info

Publication number: DE102013007836B3
Application number: DE201310007836
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-05-08
Filing date: 2013-05-08
Publication date: 2014-05-28
Anticipated expiration: 2033-05-09

Abstract

Aufgabe der Erfindung ist es, die in einem natürlichen Tornado herrschenden Bedingungen mit den Mitteln der Technik nachzubilden und für die Energiegewinnung zu nutzen. Es wird vorgeschlagen, einen Aufwindkamin ”leichter als Luft” um seine Hochachse in Rotation zu versetzen, mit einer Drehfrequenz, welche durch die Zentrifugalkraft seiner Wandungen, sowie der an seiner Innenseite mitgerissenen Luft die radial zum Zentrum des Kamins gerichtete Druckkraft der Umgebungsluft kompensiert. Der Kamin weist eine Lagerung auf, welche sein unteres Ende mit dem Boden drehbar und in seiner Hochachse zugfest verbindet. Diese Lagerung erfolgt vorzugsweise berührungslos, nach dem von Magnetschwebebahnen bekannten Prinzip, wodurch die Rotation des Kamins sowohl beschleunigt, als auch zur Gewinnung von elektrischer Energie abgebremst werden kann. Der Kamin besteht vorzugsweise aus dem Material VA-Edelstahlblech und ist mit dem Traggas H2 gefüllt.

Description

Aus Messungen im Zentrum von Tornados ist bekannt, dass dort der Druckabfall Werte über 170 mbar erreichen kann. Diese entstehen dadurch, dass sich ein Luftstrudel bildet, welcher von der Wolkenbasis bis zum Boden reicht.
Die Wolkenbasis ist dadurch gekennzeichnet, dass dort der Taupunkt unterschritten wird, die Luftfeuchte also zu flüssigem Wasser kondensiert. Die damit verbundene, starke Verkleinerung des Gasvolumens führt zu diesem Druckabfall, der sich bis zum Boden fortpflanzt, wenn er in einer Art „Kamin” aus sehr schnell rotierender Luft von der Umgebungsluft isoliert ist.
Der Druckabfall, und damit auch die Absenkung der Temperatur ist dann bereits am Boden so gross, dass dort der Taupunkt unterschritten wird. Die nach oben steigende Luft wird durch ihre adiabate Entspannung und den dadurch fortgesetzten Temperaturabfall v. ca. 0,5°K/100 m laufend weiter entfeuchtet.
Aus dem Wasserdampf wird also ein Nebel aus flüssigem Wasser, dessen Volumen um den Faktor 1,6 k kleiner ist. Dadurch verkleinert sich das Gesamtvolumen kontinuierlich, wodurch der Tornado seine maximale Kraft entfaltet.
Die Fliehkräfte der in diesem Strudel rotierenden Luftmassen müssen gleich gross, aber entgegengesetzt zum Umgebungsdruck sein, damit der Luftstrudel nicht unter diesem Druck kollabiert. Daraus ergeben sich die von Tornados bekannten Windgeschwindigkeiten von bis zu 500 km/h, welche einer Drehfrequenz des Luftstrudels an seiner Basis v. 0,3/sec → 17 U/min entsprechen, wenn sein innerer, als Nebel sichtbarer Durchmesser dort 150 m beträgt.
Da bei solchen Tornados der Klasse F5 beobachtet wurde, dass PKW in diesem Luftstrudel in die Höhe gerissen werden, lässt sich daraus folgern, dass auch die vertikale Windgeschwindigkeit innerhalb des Tornados in etwa gleich gross ist, und dementsprechend auch die Leistungsdichte.
Aufgabe der Erfindung ist es, die in einem natürlichen Tornado herrschenden Bedingungen mit den Mitteln der Technik nachzubilden und für die Energiegewinnung zu nutzen und dazu ein Tornadokraftwerk vorzuschlagen, dessen 3000 m hoher Aufwindkamin ohne zusätzliche Versteifungs- und Sicherungselemente auskommt.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1.
Die mit herkömmlichen Mitteln des Ingenieurbaus erreichbaren Kaminhöhen für Aufwindkraftwerke von maximal 1000 m erzeugen nur eine Druckdifferenz von ca. 17 mbar zwischen Kamineinlass und -ausgang, entsprechend gering ist der Wirkungsgrad von ca. 3%.
Zur Erzeugung eines künstlichen Tornados ist jedoch ein Kamin mit einer Höhe erforderlich, die unter den am Standort vorherrschenden klimatischen Bedingungen bis zur Wolkenbasis reicht.
In den hauptsächlich als Standorte für ein Tornadokraftwerk in Frage kommenden subtropischen und tropischen Gebieten liegt diese in einer Höhe v. ca. 3000 m.
Zudem muss dieser Kamin eine ausreichende Festigkeit besitzen, um den hohen Druckkräften von ca. 1700 kp/m², welche dann auf Meereshöhe radial von aussen auf ihn wirken, standzuhalten.
Es hat sich gezeigt, dass bei den bekannten Konzepten für Aufwindkraftwerke die Kosten für den Kollektor sehr schnell die Kosten für den Kamin übersteigen, was sie ab einer gewissen Grösse unwirtschaftlich werden lässt.
Ein Kollektor ist für das erfindungsgemässe Tornadokraftwerk nicht erforderlich, da dieses ebenso wie ein natürlicher Tornado seine Energie fast ausschliesslich aus der kondensierenden Luftfeuchte der Umgebungsluft bezieht, ohne dass diese zuvor erwärmt werden muss.
Es wird deshalb vorgeschlagen, ihn an seinem unteren Ende lediglich mit einem relativ kleinen Einlauftrichter zu versehen, unter dessen Rand die Umgebungsluft angesaugt wird.
Wenn ein Aufwindkraftwerk auf dem Festland in einem ariden Wüstengebiet betrieben wird, entsteht in ihm eine vertikale Luftströmung, welche lediglich durch die Temperaturdifferenz zwischen der Luft in Bodennähe und dem oberen Ende des Kamins bestimmt wird.
Vor allem während der Nachtstunden, in denen sich die Luft am Boden abkühlt, wird deshalb auch diese Differenz kleiner, und damit die Leistung des Aufwindkraftwerks.
Aber auch tagsüber liegt sie um mehrere Grössenordnungen unter denen eines Tornadokraftwerks, der Unterschied ist vergleichbar zwischen dem eines sogen. „Staubteufels” und einem Tornado.
Anders ist das bei einem Standort auf dem Meer. Dieses kühlt auch in den Nachtstunden nicht ab, und ermöglicht so einen Betrieb des Tornadokraftwerks mit konstanter Leistung.
Es wird vorgeschlagen, den Kamin aus einem oder mehreren mit Traggas gefüllten Hohlkörpern zu bilden, welche ein ausreichend grosses Volumen besitzen, um in der Umgebungsluft einen Auftrieb grösser als ihre Gewichtskraft zu entwickeln.
Ein solcher Aufwindkamin wird als Floating solar chimney in der US 7735483 B2 beschrieben.
Allerdings kann der dort beschriebene Aufwindkamin bei dem hier vorgeschlagenen Tornadokraftwerk diese Aufgabe nicht lösen, da er gegen die auf ihn von aussen wirkenden Druckkräfte bei einer Druckdifferenz zur Umgebungsluft, wie sie für Tornados typisch ist, in einem Ausmaß versteift werden müsste, welches ihn weitaus schwerer als Luft werden lässt.
In den Druckschriften DE 20 2009 008 627 U1 , DE 101 27 398 A1 , DE 29 600 325 U1 , WO 2004/036 039 A1 , DE 103 00 092 A1 und DE 27 55 959 A1 werden weitere Aufwindkraftwerke beschrieben.
Es wird deshalb vorgeschlagen, den erfindungsgemässen Aufwindkamin um seine Hochachse in Rotation zu versetzen, mit einer Drehfrequenz, welche durch die Zentrifugalkraft seiner Wandungen, sowie der an seiner Innenseite mitgerissenen Luft die radial zum Zentrum des Kamins gerichtete Druckkraft der Umgebungsluft kompensiert.
Der Kamin weist eine Lagerung auf, welche sein unteres Ende mit dem Boden und/oder dem Kollektor/Einlauftrichter drehbar und in seiner Hochachse zugfest verbindet.
Diese Lagerung erfolgt vorzugsweise berührungslos, nach dem von Magnetschwebebahnen bekannten Prinzip, wodurch die Rotation des Kamins sowohl beschleunigt, als auch zur Gewinnung von elektrischer Energie abgebremst werden kann.
Der Kamin besteht vorzugsweise aus dem Material VA-Edelstahlblech und ist mit dem Traggas H2 gefüllt.
Ebenso ist aber auch eine gasdichte Kunststoff- Alu-Verbundfolie möglich, z. B. aus dem Werkstoff Polyethylenterephthalat, welcher sich sowohl durch seine mechanischen Eigenschaften, als auch durch seinen günstigen Preis dafür empfiehlt.
Beispielrechnung für einen 'Great-Man-Made-Twister'
Höhe 3000 m, Innendurchmesser 150 m, Durchmesser Torusquerschnitt 20 m.
Traggas H2, spez. Auftrieb in Luft 1,2 kp/m³.
Material Hülle VA-Blech, Dicke 0,5 mm.
Überschuss Auftriebskraft:
Ü3000 = 663 Mp/3000 m Kaminhöhe
Dieser Überschuss Auftriebskraft ist als Gegenkraft zur seitlich angreifenden Windscherung
erforderlich.
Bei einer vertikalen Geschwindigkeit der Luftströmung 150 m/sec
ergibt sich eine eine Leistungsdichte v. ~2 MW/m²
Und damit bei einer Querschnittsfläche des Kamins mit Innendurchmesser 150 m => 17662 m² die Gesamtleistung 35 GW.
Dieser Wert erscheint auf den ersten Blick doch recht hoch, und berücksichtigt auch nicht den Wirkungsgrad der technischen Umsetzung in elektrischen Strom.
Für deren Abschätzung wird die Leistung eines modernen Mantelstrahltriebwerks für Verkehrsflugzeuge gegenüber gestellt.
Fandurchmesser 3 m, Schub 300 kN bei 300 m/sec.
Auf den Querschnitt des Tornadokraftwerks und dessen Strömungsgeschwindigkeit skaliert ergeben sich ~11,5 GW.
Das deckt sich in der Dimension mit dem Wert für die Leistungsdichte des Tornadokraftwerks, und damit dessen möglicher elektrischer Leistung bei einem Umsetzungsgrad v. ~30%.
Wenn der geneigte Leser dem Verfasser bis hier gefolgt ist, soll nun die technische Machbarkeit des 'Great-Man-Made-Twister' untersucht werden.
Zwar wäre es durchaus möglich, einen Tornadokamin mit einem Innendurchmesser v. 150 m, wie er für die o. a. Rechnung angenommen wird, zu fertigen.
Interessanter ist aber die Frage, wie klein er denn sein darf, um trotzdem noch die erforderliche Eigenschaft ”leichter als Luft”, mit einem Auftriebsüberschuss zur Stabilisierung seiner Rotation um die Hochachse zu haben.
Der limitierende Faktor ist dabei die Wanddicke seiner Hülle, bzw. deren Gewicht und Zugfestigkeit in Bezug auf das von ihr umschlossene Volumen.
Da letzteres sich um eine Grössenordnung schneller ändert, als die Oberfläche, gibt es eine solche praktische Untergrenze.
Wenn man davon ausgeht, dass Edelstahlblech mit einer Dicke v. 0,1 mm, welche der Wanddicke von Getränkedosen entspricht, noch problemlos zu der Hülle eines solche Toruswendels verschweisst werden kann, ergibt sich für einen Tornadokamin mit einem
Innendurchmesser 20 m und einem
Torusdurchmesser 3 m
mit dem Traggas H2 ein Auftriebsüberschuss v. 68 kp/360°Toruswendel.
Pro 1000 m Kaminhöhe sind das ca. 23 Mp, welche als Rückstellkraft gegen den seitlichen Winddruck, sowie zur Stabilisierung seiner Rotation ausreichend sein sollten.
Ausserdem spielt auch noch die Zugfestigkeit der Hülle eine entscheidende Rolle.
Die Tangentialspannung in der Hülle beträgt für diesen kleinen Tornadokamin in einer Höhe v. 3000 m, bei ~700 mb Umgebungsdruck 500 N/mm², also etwa 1/2 Sigma zul. für VA-Blech.
Mit den Werten der eingangs angeführten Leistungsabschätzung für einen Tornadokamin mit 150 m Durchmesser ergibt sich so für dieses kleinstmögliche Tornadokraftwerk eine elektrische Leistung von 200 MW.
Diese wird auch für ein Aufwindkraftwerk mit einem aus Beton bestehenden Kamin einer Höhe V. 1000 m und einem Durchmesser v. 160 m, welcher über einer Kollektorfläche v. 38 Mio m² bis zum Jahr 2007 in Australien errichtet werden sollte, angenommen.
Zu einer Verwirklichung dieses Vorhabens wird es nicht mehr kommen, da die Stromgestehungskosten für solarthermische Kraftwerke, und auch für die Photovoltaik inzwischen unter seine Wirtschaftlichkeitsgrenze gefallen sind.
Für den 'Great-Man-Made-Twister sind die Baukosten weitaus geringer, vor allem auch, weil er keinen überdachten Kollektor benötigt, sondern ebenso, wie ein natürlicher Tornado seine Energie fast ausschliesslich aus der Kondensation der Luftfeuchte bezieht. – Womit sich der Kreis zu der atmosphärischen Dampfmaschine des Thomas Newcomen schliesst. :-)
Im Folgenden wird anhand der Abbildungen der Entstehungsmechanismus eines natürlichen Tornados erläutert, sowie dessen technische Umsetzung in einem Tornadokraftwerk.
Voraussetzung für die Bildung eines Tornados ist ein um seine Hochachse rotierender Luftwirbel.
Das lässt sich an natürlichen Tornados gut beobachten, welche stets als konusförimige Ausbauchung der Wolkenunterseite ihren Anfang nehmen, die sich dann nach unten verlängert, bis dieser ”Rüssel” den Boden erreicht.
Dort saugt er dann fortlaufend warme feuchte Luft an, deren Feuchtigkeit auskondensiert und somit diesen Vorgang kontinuierlich unterhält.
Er wird in der Abbildung Blatt 3 Figur 4, I–III gezeigt.
Das erfindungsgemässe Tornadokraftwerk besitzt einen um seine Hochachse drehbaren Aufluftkamin, der in einem Linearmotor nach dem von Magnetschwebebahnen bekannten Prinzip berührungslos gelagert ist.
Er wird in der Abbildung Blatt 3 Figur 5 gezeigt.
Sobald seine Drehgeschwindigkeit gross genug ist, dass durch die Zentrifugalkraft der axial nach aussen drängenden Luft in seinem Zentrum die Luftfeuchte auskondensiert, setzt sich dieser Vorgang durch die starke Volumenreduktion bei der Umwandlung von Wasserdampf in flüssiges Wasser selbstverstärkend fort.
Bei Inbetriebnahme wird der Kamin zusammen mit der darin befindlichen Luft durch einen Linearmotor in Rotation versetzt, wodurch sich in seinem Zentrum ein Unterdruck ggüber der Umgebungsluft bildet, welcher zuerst an seinem oberen Ende, durch den Temperaturgradienten der Atmosphäre zur Kondensatbildung führt.
Von dort pflanzt sich dieser Vorgang dann in der für den natürlichen Tornadobeschriebenen Weise nach unten fort, bis der Druck auch am Einlass des Kamins niedrig genug ist, um die dort fortlaufend angesaugte Luftfeuchte kondensieren zu lassen.
Im Zentrum des Kamins herrscht damit über seine gesamte Höhe der Druck am oberen Auslass, welcher hauptsächlich durch die Höhe des Kamins bestimmt wird.
Die Energie der unten nachströmenden Luft wird mittels einer Turbine in Strom umgewandelt.
Bezugszeichenliste
Blatt 1 Fig. 1

1: Aufwindkamin
2: Basis
3: Einlauftrichter
4: Verankerung
5: Luftsströmung
6: Wasserströmung

7: Ausgelenkter Kamin
8: Komprimierter Torus
9: Kondensat

10: Stator
11: Rotor Kamin
12: Turbine
13: Rotor Turbine

Die Erfindung wird anhand der Bezugszeichen detailliert beschrieben.
Blatt 1 Fig. 1
Der Kamin 1 besteht aus einem, oder mehreren mit Traggas leichter als Luft gefüllten Hohlkörpern, welche ein ausreichend grosses Volumen besitzen, um in der Umgebungsluft einen Auftrieb grösser als ihre Gewichtskraft zu entwickeln.
Er ist an seiner Basis 2 mit vorzugsweise berührungslosen Magnetlagern drehbar gelagert.
Diese Basis kann am oberen Ende eines Einlauftrichters 3 angeordnet sein und wird bei einem Standort über einer Wasserfläche dort mit Ankern 4 gehalten.
Unter dem Rand dieses Einlauftrichters strömt feuchte Umgebungsluft 5 in den Kamin, wobei die Oberfläche des Wassers abkühlt und dieses als Tiefenströmung 6 wieder vom Zentrum weg nach aussen abfliesst. Das kontinuierlich von der Umgebungsluft zum Zentrum geförderte, warme Oberflächenwasser führt dem Tornadokraftwerk laufend neue Energie zu.
Die berührungsfreie magnetische Lagerung, sowie der Linearmotor, und der Generator für die Windturbine, welche sich in der Basis, Detail Z befinden, werden auf
Blatt 2 3 näher beschrieben.
Der Stator 10 ist mit dem Einlauftrichter verbunden.
In ihm ist der Rotor 11, der sich am unteren Ende des Kamins 1 befindet, drehbar und berührungslos gelagert. Zudem kann er, nach dem von Magnetschwebebahnen bekannten Antriebsprinzip den Kamin in Umdrehung versetzen.
Die Turbine 12 ist ebenfalls in diesem Stator berührungslos gelagert, und ihr Rotor 13 bildet zusammen mit dem Stator 10 einen Generator, durch welchen die Energie der vertikalen Luftströmung im Kamin in Strom umgewandelt wird.
Blatt 2 Figur 2
zeigt den erfindungsgemässen Tornadokamin welcher durch den seitlich wirkenden Wind in die Position 7 ausgelenkt wird. Gegen diese Auslenkung wirkt die horizontale Komponente Rückstellkraft der vertikal wirkenden Auftriebskarft.
Detail Y zeigt die Verformung der Wandung des Kamins, welcher an der windabgewandten Seite 8 komprimiert wird, bzw. dieser Kompression durch seinen Innendruck entgegenwirkt.
Diese räumliche Darstellung des Kamins zeigt auch seine Konstruktion als gewendelter Torus, welcher als umlaufende Endlosspirale aus Edelstahlblech gewickelt wird.
Detail X zeigt Durchlässe zwischen den Windungen des gewendelten Torus, durch welche das Kondenswasser 9 nach aussen abgeführt wird.
Blatt 3 4 zeigt die Entstehung eines natürlichen Tornados.
In Phase I bildet sich an der Wolkenunterseite ein trichterförmiger Bereich, in welchem die Luftfeuchte kondensiert. Diese Kondensation wird durch die Rotation der spiralförmig vom Boden aufsteigenden, feuchten Umgebungsluft hervorgerufen, welche im Zentrum dieses Wirbels zu einer Absenkung des Luftdrucks unter den Taupunkt führt.
Dieser Vorgang setzt sich, wie in den Phasen II und III gezeigt solange fort, bis der trichterförmige Bereich den Boden, bzw. den Einlass des dort ebenfalls abgebildeten Tornadokraftwerks erreicht hat.
Blatt 3 5
zeigt die Basis des Tornadokraftwerks, mit der durch die Rotation seines Kamins um die Hochachse in verschiedene Druckbereiche getrennten Luftmasse.
Während der äussere Bereich ggüber der nachströmenden Umgebungsluft einen Überdruck ausbildet, wird der Luftdruck im Zentrum dieses Wirbels unter den Taupunlkt abgesenkt, wodurch der in ihm mitgeführte Wasserdampf unter starker Verkleinerung seines Volumens um den Faktor ~1600 zu einem grauen Nebel aus flüssigem Wasser kondensiert.
Dieser kontinuierlich ablaufende Vorgang führt zu einer starken vertikalen Luftströmung im Kamin, da in seinem Zentrum, in diesem Nebel nun über die gesamten Höhe der Luftdruck an der Wolkenbasis herrscht, welcher bei einer Höhe v. 3000 m um 170 mbar unter dem Normaldruck auf Meereshöhe liegt.

Claims

Tomadokraftwerk mit einem 3000m hohen Aufwindkamin leichter als Luft, welcher aus einem oder mehreren Hohlkörpem besteht, die mit einem Traggas, vorzugsweise Wasserstoff oder Helium gefüllt sind, dadurch gekennzeichnet dass dieser Aufwindkamin an seiner Basis zugfest um seine Hochachse drehbar gelagert ist, und mit einem geeigneten Antrieb in Rotation mit einer Drehfrequenz versetzt wird.
Tornadokraftwerk nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerung des Aufwindkamins in seiner Basis berührungsfrei erfolgt, und nach dem von Magnetschwebebahnen bekannten Prinzip zugleich seine Rotation um die Hochachse antreibt.
Tornadokraftwerk nach Anspruch 1 u. 2 dadurch gekennzeichnet, dass sich im Inneren des Aufwindkamins eine Windturbine befindet, welche um seine Hochachse rotiert, und einen Rotor antreibt, welcher zusammen mit einem in der Basis angeordneten Stator einen Generator bildet, der die kinetische Energie der im Aufwindkamin aufsteigenden Luftströmung in elektrischen Strom umwandelt.
Tomadokraftwerk nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine mit dem Aufwindkamin ganz oder teilweise kraftschlüssig verbunden wird, um ihn in Rotation zu versetzen.