DE102023002734A1 - solar thermal air flow power plant - Google Patents
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Abstract
2.1 Technisches Problem
Die derzeit vorgesehenen Bau- und Ausführungsweisen von Aufwindkraftwerken ebenso wie die von Fallwindkraftwerken ermöglichen aktuell keine zufriedenstellende Wirtschaftlichkeit. Aktuell sind auch keine größeren Kaminhöhen durch die derzeit noch übliche Massiv- bzw. Stahlblechbauweise möglich, was jedoch für einen hohen Wirkungsgrad wesentlich ist.
2.2 Lösung
Das Solarthermische Luftstrom Kraftwerk ist ein Hybrid, bestehend aus einem Fallwindkraftwerk kombiniert und gekoppelt mit einem Aufwindkraftwerk. Die erfindungsgegenständliche grundlegende Neuheit der Vorrichtung liegt im gasdichten, geosymmetrisch und aerodynamisch günstigem Zusammenschluss beider Kraftwerkstypen zu einem neuen und leistungsstärkeren Kraftwerkssystem. Der Hauptvorteil der hier angemeldeten Erfindung besteht zum einen in der Kopplung der beiden Kraftwerkstypen zu einem einheitlichen geschlossenen System (ausgenommen die oberen Zu- und Abluftöffnungen) und zum anderen in der neuartigen Ausführung der sich gegenseitig aussteifenden gasgefüllten Turm- und Kaminbauwerke, mit der enorme Bauwerkshöhen möglich sind. Verbunden mit einigen baulichen Modifikationen der beiden Kraftwerksgrundtypen wird infolge eines hierdurch erhöhten wirksamen Systemdrucks eine erhebliche Wirkungsgradverbesserung gegenüber den bekannten Einzellösungen erzielt.
2.3 Anwendung
Die erfindungsgegenständliche Vorrichtung ermöglicht eine verbesserte Wirtschaftlichkeit bei der Energiegewinnung infolge eines höheren Gesamtwirkungsgrades als bei der Verwendung der Einzelkomponenten.
2.1 Technical problem
The currently planned construction and design methods for updraft power plants as well as for downdraft power plants do not currently allow for satisfactory economic efficiency. At present, larger chimney heights are also not possible due to the solid or sheet steel construction that is still common, which is essential for high efficiency.
2.2 Solution
The solar thermal airflow power plant is a hybrid consisting of a downdraft power plant combined and coupled with an updraft power plant. The fundamental novelty of the device that is the subject of the invention lies in the gas-tight, geosymmetrical and aerodynamically favorable combination of both power plant types to form a new and more powerful power plant system. The main advantage of the invention registered here is, on the one hand, the coupling of the two power plant types to form a uniform, closed system (except for the upper air inlet and outlet openings) and, on the other hand, the novel design of the mutually stiffening gas-filled tower and chimney structures, which allows for enormous building heights. Combined with some structural modifications to the two basic power plant types, a significant improvement in efficiency compared to the known individual solutions is achieved as a result of the increased effective system pressure.
2.3 Application
The device according to the invention enables improved economic efficiency in energy generation due to a higher overall efficiency than when using the individual components.
Description
1.0 Erfindungsgegenstand / Zusammenfassung1.0 Subject matter of the invention / Summary
Die Erfindung betrifft ein Solarthermisches Luftstrom Kraftwerk (1), in dem mittels einer innerhalb des Systems thermisch bewegten Luft-Volumenstromsäule über Rotoren Turbinen angetrieben werden, die elektrische Energie generieren.The invention relates to a solar thermal air flow power plant (1) in which turbines that generate electrical energy are driven via rotors by means of an air volume flow column that is thermally moved within the system.
Das Solarthermische Luftstrom Kraftwerk (1) ist ein Hybrid, bestehend aus einem Fallstromkraftwerk kombiniert mit einem Aufwindkraftwerk.The solar thermal airflow power plant (1) is a hybrid consisting of a downdraft power plant combined with an updraft power plant.
Fallwind- sowie Aufwindkraftwerke sind bereits seit Dekaden bekannt. Die erfindungsgegenständliche grundlegende Neuheit liegt im gasdichten, geosymmetrisch und aerodynamisch günstigem Zusammenschluss beider Kraftwerkstypen zu einem neuen und leistungsstärkeren Kraftwerkssystem.Downwind and updraft power plants have been known for decades. The fundamental innovation of the invention lies in the gas-tight, geosymmetrical and aerodynamically favorable combination of both power plant types to form a new and more powerful power plant system.
Die Synergie entsteht durch das direkte Zusammen- bzw. das Hintereinanderschalten der Luft-Volumenströme beider Kraftwerkstypen zu einem in sich abgeschlossenen kommunizierenden Kammersystem, abgesehen von den oberen Zuluft- und Ausströmöffnungen. Die Abluftmenge der Fallstromeinheit ist gleich die Zuluftmenge der Aufwindeinheit.The synergy is created by directly connecting or connecting in series the air volume flows of both power plant types to form a self-contained communicating chamber system, apart from the upper air inlet and outlet openings. The exhaust air volume of the downdraft unit is equal to the supply air volume of the updraft unit.
Durch das Zusammenwirken der verschiedenen Kräfte (der kalte Fallstrom „drückt“ nach unten und der warme Aufwind „zieht“ nach oben) innerhalb des in sich geschlossenen Drucksystems fördern und verstärken sich die beiden Phänomene über den sogenannten „wirksamen Druck“ gegenseitig. Durch diese sektorengekoppelte Leistungsverknüpfung wird der Wirkungsgrad erhöht und somit der Systemertrag gegenüber den Einzelanlagen gesteigert.Through the interaction of the various forces (the cold downdraft "pushes" downwards and the warm updraft "pulls" upwards) within the self-contained pressure system, the two phenomena promote and reinforce each other via the so-called "effective pressure". This sector-coupled power link increases the efficiency and thus the system yield compared to individual systems.
Ferner werden innerhalb der Teilsysteme neben der erfindungsgegenständlichen Hauptidee auch wesentliche Modifikationen und Innovationen an den bekannten Kraftwerksbauelementen vorgenommen, die für das Gesamtsystem weitere erhebliche Wirkungsgradsteigerungen bedeuten.Furthermore, within the subsystems, in addition to the main idea of the invention, significant modifications and innovations are made to the known power plant components, which mean further significant increases in efficiency for the overall system.
Die Gesamtleistung des erfindungsgegenständlichen neuen Kraftwerkssystems liegt infolge der oben genannten Synergien und nachbeschriebenen Innovationen in Summe höher als die Teilleistungen der Einzelkraftwerke.As a result of the above-mentioned synergies and the innovations described below, the total output of the new power plant system subject to the invention is higher than the partial outputs of the individual power plants.
2.0 Stand der Technik / Rechercheergebnisse2.0 State of the art / research results
Aufwindkraftwerke sind seit Dekaden bekannt. Sie bestehen in der Regel aus einem Kollektorschirm, einem Turbinenbauwerk und einem Abluftkamin. Hier wird der physikalische Effekt genutzt, dass warme Luft nach oben steigt.Updraft power plants have been known for decades. They usually consist of a collector screen, a turbine structure and an exhaust chimney. Here, the physical effect of warm air rising is used.
Das Funktionsprinzip ist wie folgt:The operating principle is as follows:
Die unter einem großflächigen Schirm gefangene Luft heizt sich durch die Sonneneinstrahlung auf, fließt infolge Auftriebes zum Turbinenhaus im Anlagenzentrum, treibt dort eine horizontal angeordnete Turbine an und entweicht als Aufwind über den Kamin, während am Kollektorschirmrand neue bodennahe Luft nachströmt. Je größer der Schirm und je höher der Kamin, desto besser ist der Wirkungsgrad der Anlage.The air trapped under a large screen heats up due to solar radiation, flows due to buoyancy to the turbine house in the center of the system, drives a horizontally arranged turbine there and escapes as an updraft via the chimney, while new air close to the ground flows in at the edge of the collector screen. The larger the screen and the higher the chimney, the better the efficiency of the system.
Bekannt sind unter der IPC-Nummer F03D Aufwindkraftwerke in verschiedensten Varianten und Ausführungen.Solar updraft power plants in various variants and designs are known under the IPC number F03D.
Beispielhaft sind hier zu nennen:
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DE202008005501U1 DE19831492A1 -
DE29917453U1 DE29715254U1 -
AT000000510280A4 DE102013007836B3 -
DE000019831492C2 DE000019821659A1 -
DE000019601156A1 DE000010300092A1 -
DE29622549U1
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DE202008005501U1 DE19831492A1 -
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DE000019601156A1 DE000010300092A1 -
DE29622549U1
Fallstromkraftwerke oder Abwindkraftwerke sind ebenfalls seit längerem in unterschiedlichen Varianten bekannt. Fallstromkraftwerke bestehen im Wesentlichen aus einem Turmbauwerk mit großem Durchmesser, an dessen unterem bodennahen Kreisrand sich radial die vertikal angeordneten Auslassöffnungen mit einer Vielzahl von Turbinen befinden. Hier wird der physikalische Effekt genutzt, dass kalte Luft zu Boden fällt.Downdraft power plants or downdraft power plants have also been known for a long time in different versions. Downdraft power plants essentially consist of a tower structure with a large diameter, on the lower edge of which, close to the ground, there are vertically arranged outlet openings with a large number of turbines. Here, the physical effect of cold air falling to the ground is used.
Das Funktionsprinzip ist wie folgt:The operating principle is as follows:
Die Temperatur der sich im Turm befindenden Luft wird mittels im oberen Turmbereich eingetragenem Wasser abgekühlt. Hierdurch steigt die Dichte der Turmluft, sie fällt Richtung Turmbasis und wird dort nach außen zu den Turbinen hin ab- und ausgeleitet. Je größer der Turmdurchmesser und je höher der Turm, desto besser ist der Wirkungsgrad der Anlage.The temperature of the air in the tower is cooled by water introduced into the upper part of the tower. This increases the density of the tower air, it falls towards the base of the tower and is then discharged outwards to the turbines. The larger the tower diameter and the higher the tower, the better the efficiency of the system.
Bekannt sind unter der IPC-Nummer F03B aber auch unter F03D Fallwindkraftwerke bzw. Abwindkraftwerke in verschiedensten Varianten und Ausführungen.Downwind power plants in various variants and designs are known under the IPC number F03B but also under F03D.
Beispielhaft sind hier zu nennen:
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DE102014008881A1 US020120261918A1 -
DE000010220055A1 US3894393A
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DE102014008881A1 US020120261918A1 -
DE000010220055A1 US3894393A
Fazit:Conclusion:
Eine Ahnlichkeit oder gar Übereinstimmung von bereits veröffentlichten Anmeldungen mit der erfindungsgegenständlichen Anmeldung bezüglich dem Hauptanspruch konnte vom Verfasser nicht festgestellt werden.The author was unable to establish any similarity or even agreement between previously published applications and the application subject to the invention with regard to the main claim.
3.0 Formulierung der Probleme3.0 Formulation of the problems
Aufwindkraftwerk: Die derzeit angedachten Bau- und Ausführungsweisen versprechen aktuell keine zufriedenstellende Wirtschaftlichkeit.Updraft power plant: The currently envisaged construction and execution methods do not promise satisfactory economic efficiency.
Das Prinzip des Aufwindkraftwerkes beruht primär auf den Eintrag von Sonnenenergie. Nachts kann die Anlage praktisch nicht mehr wirtschaftlich betrieben werden.The principle of the solar updraft power plant is based primarily on the input of solar energy. At night, the plant can practically no longer be operated economically.
Derzeit ist kein ungehinderter homogener Luftstromfluss im Treibhauskollektor durch die notwendigen Schirmstützen in der Fläche möglich, wodurch der Wirkungsgrad durch Verwirbelungen gehemmt wird.Currently, an unhindered homogeneous air flow in the greenhouse collector is not possible due to the necessary umbrella supports in the area, which inhibits the efficiency due to turbulence.
Aktuell sind auch keine großen Kaminhöhen durch die derzeit noch übliche Massiv- bzw. Stahlblech bauweise möglich (der Wirkungsgrad ist direkt proportional zur Kaminhöhe). Ferner ist aufgrund von Wartung, Reparatur oder gar Havarie die Betriebssicherheit und somit die Betriebsleistung nicht vorteilhaft, da für die Zeit der Reparatur / Instandsetzung / Instandhaltung immer gleich die gesamte Anlage ausfällt.At present, large chimney heights are not possible due to the solid or sheet steel construction that is still common (the efficiency is directly proportional to the chimney height). Furthermore, due to maintenance, repairs or even breakdowns, operational reliability and thus operating performance are not advantageous, as the entire system is always out of action for the duration of the repair/maintenance/upkeep.
Bei der derzeit aktuellen Ausführungsweise entstehen noch hohe Reibungsdruckverluste durch die zunehmenden Windgeschwindigkeiten und die daraus resultierenden Luftverwirbelungen im Bereich des zentralen Turbinenhauses. Das resultiert aus der Verjüngung des vertikalen Höhenprofils und der gleichzeitigen radialhorizontalen Verengung zum Zentrum der Anlage hin infolge dem Zusammentreffen ungeführter Luftströme.The current design still results in high friction pressure losses due to the increasing wind speeds and the resulting air turbulence in the area of the central turbine house. This results from the tapering of the vertical height profile and the simultaneous radial-horizontal narrowing towards the center of the system as a result of the convergence of unguided air flows.
Die an den vorgesehenen Standorten meist aride Luft fließt am Schirmrand zu und erwärmt sich während der Schirmdurchströmung der relativen Luftfeuchte entsprechend und dem damit einhergehenden Energieaufnahmepotentials nur mäßig, was den Systemwirkungsgrad begrenzt.The air, which is usually arid at the intended locations, flows in at the edge of the screen and heats up only moderately as it flows through the screen, depending on the relative humidity and the associated energy absorption potential, which limits the system efficiency.
Des Weiteren können sich Vögel und Insekten in den Schirm verirren und kommen ab einer bestimmten Schirmtiefe nicht mehr gegen den Windsog an und können im Turbinenhaus verenden.Furthermore, birds and insects can get lost in the canopy and, once the canopy reaches a certain depth, they can no longer fight against the wind suction and can die in the turbine house.
Darüber hinaus ist die Schirmkante bei stärkeren Stürmen stets der Gefahr von Beschädigungen ausgesetzt. Außerdem können schon bei geringen Sand- und Staubstürmen diese Verunreinigungen über das Turbinenhaus und den Kamin in mehrere Hundert Meter Höhe geleitet werden, was weder für die Turbineneinheit noch für das Lokalklima vorteilhaft ist.In addition, the edge of the canopy is always at risk of damage during strong storms. In addition, even minor sand and dust storms can carry these contaminants several hundred meters up the turbine housing and chimney, which is neither beneficial for the turbine unit nor for the local climate.
Fallwindkraftwerk: Auch hier versprechen die derzeit üblichen Bau- und Ausführungsweisen keine hinreichende Wirtschaftlichkeit. Um hier eine wirtschaftliche Anlage betreiben zu können, wären nach Expertenmeinung Turmdurchmesser von bis zu 400 m und Turmhöhen von bis zu 1.500 m von Nöten. Der Turm kann wegen der derzeit üblichen Massivbauweise (Beton und / oder Stahl) jedoch nur relativ geringe Höhen erreichen, wird dann aber mit zunehmender Bauhöhe extrem teuer und wegen der großen starren Angriffsflächen anfällig für Stürme und Erdbeben.Downdraft power plant: Here too, the current construction and design methods do not promise sufficient economic efficiency. According to experts, tower diameters of up to 400 m and tower heights of up to 1,500 m would be necessary to operate an economical plant. However, due to the currently common solid construction method (concrete and/or steel), the tower can only reach relatively low heights, but then becomes extremely expensive as the construction height increases and is susceptible to storms and earthquakes due to the large rigid attack surfaces.
Mit steigender Turmhöhe nehmen dann aber auch die Strömungsverluste der innen herabfallenden Luft infolge sich addierender Wandreibung zu, was den Ertrag negativ beeinflusst. Um das für die notwendige Verdunstungskälte bereitzustellende Prozesswasser auf die Höhe der Turmmündung zu pumpen, muss heute noch bis zu 50% der erwirtschafteten Energie zurückinvestiert werden.As the tower height increases, however, the flow losses of the air falling inside also increase due to the increasing wall friction, which has a negative impact on the yield. In order to pump the process water required for the evaporative cooling to the height of the tower mouth, up to 50% of the energy generated must still be reinvested.
Ein Fallwindkraftwerk erzielt auch deshalb mit dem derzeitigen Stand der Technik nur etwa ein Drittel der Leistung eines vergleichbar großen Aufwindkraftwerks.This is also why, with the current state of technology, a downdraft power plant only achieves about a third of the output of a comparably large updraft power plant.
Fazit: Beide Kraftwerkstypen sind unbestritten großartige, äußerst innovative, inspirierende und zukunftsweisende Erfindungen, für die diese Erfindung aus der Sicht des Autors einen neuen Entwicklungsschritt darstellt.Conclusion: Both types of power plants are undoubtedly great, extremely innovative, inspiring and forward-looking inventions, for which this invention represents a new development step from the author's point of view.
4.0 Vorteile des Solarthermischen Luftstrom Kraftwerks (SLK)4.0 Advantages of the Solar Thermal Airflow Power Plant (SLK)
4.1 Wirkungsgradverbesserung4.1 Efficiency improvement
Die Haupt-Neuheit und der Haupt-Vorteil der hier angemeldeten Erfindung besteht in der Kopplung der beiden Kraftwerkstypen zu einem einheitlichen geschlossenen System (ausgenommen die oberen Zu- und Abluftöffnungen). Verbunden mit einigen baulichen Modifikationen der beiden Kraftwerksgrundtypen wird eine erhebliche Wirkungsgradverbesserung gegenüber den bekannten Einzellösungen erzielt.The main innovation and the main advantage of the invention registered here is the coupling of the two power plant types into a uniform closed system (excluding the upper air inlet and exhaust openings). Combined with some structural modifications to the two basic power plant types, a significant improvement in efficiency is achieved compared to the known individual solutions.
Durch einen Feuchtigkeitseintrag in die Luft der Fallstromeinheit (FSE) wird diese kälter und dichter und sinkt somit schneller zu Boden. Gleichzeitig kann diese feuchte Fallluft dann beim Durchströmen der Aufwindeinheit (AWE) mehr Solarenergie aufnehmen und somit den wirksamen Systemdruck positiv erhöhen, was wiederum zu einer Wirkungsgradsteigerung führt. Durch die geschlossene Bauweise kann dem System nur einmal Feuchtigkeit zugeführt werden und wird dann doppelt genutzt.When moisture is introduced into the air of the downdraft unit (FSE), it becomes colder and denser and thus sinks to the ground more quickly. At the same time, this moist falling air can absorb more solar energy as it flows through the updraft unit (AWE), thereby positively increasing the effective system pressure, which in turn leads to an increase in efficiency. Due to the closed design, moisture can only be added to the system once and is then used twice.
Durch die Fusion der beiden Anlagentypen (FSE+AWE) kann auch nachts Energie erzeugt werden, da die Fallwindeinheit eben auch nachts funktioniert und durch das geschlossene System die Aufwindeinheit mit antreibt (dann natürlich mit reduziertem Wirkungsgrad).By merging the two types of systems (FSE+AWE), energy can also be generated at night, since the downdraft unit also works at night and, thanks to the closed system, also drives the updraft unit (but then, of course, with reduced efficiency).
4.2 Multilokale Energieentnahme / Multiturbinensystem4.2 Multilocal energy extraction / multi-turbine system
Aufgrund der radial-symmetrischen Ausführung der Hybrid-Anlage (1) entstehen neben dem großen zentralen Fallstromkraftwerk auch mehrere (z.B. 6, vorzugsweise jedoch 8 oder 12) kleinere Satelliten-Aufwindkraftwerksmodule. Infolge des geschlossenen Systems und dem damit verbundenen ungestörten gerichteten Volumenstrom kann an mehreren Stellen im System Strömungsenergie über Turbinen abgegriffen und in elektrische Energie gewandelt werden.Due to the radially symmetrical design of the hybrid system (1), several (e.g. 6, but preferably 8 or 12) smaller satellite updraft power plant modules are created in addition to the large central downdraft power plant. As a result of the closed system and the associated undisturbed, directed volume flow, flow energy can be tapped via turbines at several points in the system and converted into electrical energy.
4.3 Witterungsresilienz4.3 Weather resilience
Das Solarthermische Luftstrom Kraftwerk (1) ist weitgehend resistent gegen Stürme, da das System infolge der leichten und elastischen Bauweise grundsätzlich gut witterungstolerant ist. Die Turmbauwerke sind über gedämpfte Zugbandvorrichtungen lagegesichert und können deshalb im Sturm mitgehen und wieder zurückschwingen. Da ferner die Aufwindkamine sowohl an dem Fallstromturm als auch an die beiden Nachbarkamine entlang der gesamten Höhe angeheftet sind, wirken diese gegenseitig aussteifend (analog Sandwich-Bauweise), was den vertikalen Bauwerken statisch eine gewisse Zähigkeit verleiht und größere Bauhöhen ermöglicht. Das Kraftwerk muss also systembedingt bei Sturm nicht leistungsreduziert oder gar abgeschaltet werden, sondern kann den Betrieb ohne Beeinträchtigungen weiterführen.The solar thermal airflow power plant (1) is largely resistant to storms, as the system is generally very weather-tolerant due to its light and elastic construction. The tower structures are secured in position using dampened tension bands and can therefore move with the storm and swing back again. Furthermore, as the updraft chimneys are attached to both the downdraft tower and the two neighboring chimneys along the entire height, they reinforce each other (similar to a sandwich construction), which gives the vertical structures a certain static toughness and enables greater construction heights. Due to the nature of the system, the power plant does not have to reduce its output or even shut down during a storm, but can continue to operate without any problems.
4.4 Wartungs- und Reparaturfreundlichkeit4.4 Ease of maintenance and repair
Das Solarthermische Luftstrom Kraftwerk (1) kann für Wartungs- und Reparaturzwecke sequenziell über Schleusenvorrichtungen (analog 25) abgeschaltet, d.h. strömungsfrei gehalten werden, ohne dass die Restanlage hierdurch unbeeinträchtigt ist.The solar thermal air flow power plant (1) can be switched off sequentially for maintenance and repair purposes via lock devices (analog 25), i.e. kept flow-free, without affecting the rest of the system.
Selbst umfangreichere Reparaturen infolge Havarie (Naturkatastrophen oder destruktive Handlungen) sind bei diesem Kraftwerkstyp vergleichsweise kurzfristig zu bewerkstelligen, da die meisten Bauteile aus standardisierten Luftkissen (21, 22, 30) bestehen. Darüber hinaus könnten bei Bedarf auch alle Turmbauwerke (2+3) komplett und kurzfristig über Seilwinden eingeholt und nach unten gezogen werden.Even more extensive repairs due to accidents (natural disasters or destructive actions) can be carried out relatively quickly with this type of power plant, as most of the components consist of standardized air cushions (21, 22, 30). In addition, if necessary, all tower structures (2+3) can be completely and quickly retrieved and pulled down using cable winches.
4.5 Frei von Gefahren für die Umwelt4.5 Free from environmental hazards
Das Solarthermische Luftstrom Kraftwerk (1) verursacht in Bodennähe infolge der geschlossenen Systembauweise keinen Abluftwindzug und keine visuellen oder akustischen rotor- oder turbinenbedingten Beeinträchtigungen, die Nutzer oder Anwohner sowie vorhandene ortsansässige Flora und Fauna stören könnten. Durch die geschlossene Bauweise können keine Insektenschwärme, Vögel oder Nager in die Anlage gelangen, die dort dann verenden würden. Abstandsregeln zu Wohngebieten könnten hier also entfallen.Due to the closed system design, the solar thermal airflow power plant (1) does not cause any exhaust air drafts near the ground and no visual or acoustic rotor or turbine-related impairments that could disturb users or residents or existing local flora and fauna. Due to the closed design, no swarms of insects, birds or rodents can enter the plant, which would then die there. Distance rules from residential areas could therefore be dispensed with here.
Das Solarthermische Luftstrom Kraftwerk (1) stellt weder im Bau noch im Betrieb noch im Unterhalt oder im Rückbau in keinster Weise irgendeine Gefahr für die Bevölkerung, die Atmosphäre oder die Biosphäre dar, da nur erprobte Baumaterialien verwendet werden und keine Gefahrstoffe zur Anwendung kommen.The solar thermal airflow power plant (1) does not pose any danger to the population, the atmosphere or the biosphere, neither during construction, operation, maintenance or dismantling, since only tested construction materials are used and no hazardous substances are applied.
Die Luft aus den entnommenen Atmosphärenschichten wird auch wieder dorthin zurückgeführt.The air from the extracted atmospheric layers is also returned there.
4.6 Beitrag zur Klimaverbesserung4.6 Contribution to climate improvement
Das Solarthermische Luftstrom Kraftwerk (1) trägt durch den Betrieb zur Klimaverbesserung bei, da das betriebsnotwendige Prozesswasser, das in das System eingebracht wird, über die Abluftkamine (3) in Form von Luftfeuchtigkeit wieder in die Atmosphäre entlassen wird, was besonders in ariden Klimazonen langfristig vorteilhaft werden könnte.The solar thermal airflow power plant (1) contributes to climate improvement through its operation, since the process water required for operation, which is introduced into the system, is released back into the atmosphere in the form of air humidity via the exhaust chimneys (3), which could be particularly beneficial in arid climates in the long term.
4.7 Beitrag zur Luftreinigung4.7 Contribution to air purification
Jedes Solarthermische Luftstrom Kraftwerk (1) kann infolge der prozessanfänglichen Luftbefeuchtung im Fallstromturm (2) einen Beitrag zur Luftreinhaltung leisten, da Feststoffverunreinigungen und Schwebepartikel dort dann kurzfristig wassergebunden, ausgewaschen, nach unten transportiert und am Basisbauwerk (4) aufgefangen, gesammelt und über Schlitzrinnen der Entsorgung zugeführt werden.Each solar thermal airflow power plant (1) can contribute to air pollution control as a result of the initial air humidification in the downdraft tower (2), since solid contaminants and suspended particles are then bound to water for a short time, washed out, transported downwards and caught at the base structure (4), collected and disposed of via slotted gutters.
So können im Jahr ca. 50.000 bis 70.000 km3 Luft von Schwebstoffen gereinigt werden.In this way, approximately 50,000 to 70,000 km3 of air can be cleaned of suspended particles each year.
4.8 Systemschutz im Betrieb4.8 System protection during operation
Infolge des geschlossenen Systems des Solarthermischen Luftstrom Kraftwerks (1) können keine systembeeinträchtigenden Schadwirkungen infolge Windböen, Sand- und Staubwolken, Insektenschwärme, Vögel oder Nager hervorgerufen werden. Hierdurch werden Schäden verhindert und Reinigungs-, Reparatur- sowie Wartungszyklen verlängert und Betriebsausfälle verringert. Ferner wird hierdurch vermieden, dass diese Luftverunreinigungen (bodennahe Schwebstoffe) über die Kamine in die unteren Atmosphärenschichten transportiert werden und klimabelastend wirken können.Due to the closed system of the solar thermal air flow power plant (1), no damaging effects can be caused to the system by gusts of wind, clouds of sand and dust, swarms of insects, birds or rodents. This prevents damage and extends cleaning, repair and maintenance cycles and reduces downtime. Furthermore, this prevents these air pollutants (suspended particles close to the ground) from being transported via the chimneys into the lower layers of the atmosphere and having a negative impact on the climate.
4.9 Potentieller Offshore-Betrieb4.9 Potential offshore operations
Das Solarthermische Luftstrom Kraftwerk (1) kann nicht nur an Land sondern auch auf einem Schwimmponton im Off-Shore-Bereich betrieben werden, da sich die weiche Bauart tolerant gegenüber Wind- und Wellenenergie verhält. Hierdurch würde dann auch eine riesige Wasserfläche für das Sonnenlicht unerreichbar bleiben, wodurch über die Verschattung dann zumindest hier keine weitere Erwärmung in das Gewässer eingetragen werden kann.The solar thermal air flow power plant (1) can be operated not only on land but also on a floating pontoon in the offshore area, as the soft construction is tolerant of wind and wave energy. This would also mean that a huge area of water would remain inaccessible to sunlight, meaning that no further warming can be introduced into the water through shading, at least here.
4.10 Verbessertes Betriebsflächenmanagement 14.10 Improved
Durch die Hybridlösung wird Betriebsgelände gespart bzw. effektiver genutzt, da auf der Fläche eines konventionellen Aufwindkraftwerkes gleichzeitig und flächenparallel ein Fallstromkraftwerk vorgesehen und integriert ist und die gesamte Anlage hierdurch wirtschaftlicher betrieben werden kann. Ferner können auf und in die Kissenbauteile flexible bifaciale Solarzellen appliziert werden, über die zusätzlich Solarstrom erzeugt werden kann. Insofern besteht für die Betriebsfläche sogar eine 3-fach-Nutzung.The hybrid solution saves on operating space or uses it more effectively, as a downdraft power plant is planned and integrated on the area of a conventional solar updraft power plant at the same time and parallel to the area, meaning the entire plant can be operated more economically. Furthermore, flexible bifacial solar cells can be applied to and in the cushion components, which can be used to generate additional solar power. In this respect, the operating space can even be used in three ways.
4.11 Verbessertes Betriebsflächenmanagement 24.11 Improved
Das Solarthermische Luftstrom Kraftwerk (1) kann über den Punkt 4.9 hinaus durch eine aufgeständerte Bauweise der Aufwindeinheit eine land- und forstwirtschaftliche Bodennutzung ermöglichen. Insofern besteht für die Betriebsfläche durch diese Variante dann sogar eine 4-fach-Nutzung.In addition to point 4.9, the solar thermal airflow power plant (1) can enable agricultural and forestry land use through a raised construction of the updraft unit. In this respect, the operating area can even be used four times with this variant.
4.12 Zuverlässige Volatilität4.12 Reliable volatility
Der Kraftwerkstyp (1) besitzt aufgrund einer hohen Betriebssicherheit (in Bezug auf die notwendigen Wartungsintervalle, der hohen Standzeiten der Anlagenbauteile, der vergleichsweise unkomplizierten Reparatur- und Bauteilersatzmaßnahmen und die Versorgungssicherheit mit Sekundärenergie bei ungünstiger Witterung) eine gute, sichere und zuverlässige Energieverfügbarkeit und Volatilität (Planbarkeit der Erträge) mit relativ geringen Schwankungen, da die Anlage erfindungsgemäß auch mit diffusem Sonnenlicht und dank zuschaltbarer Wärmepumpen aus der Vorfeldeinheit (47) auch nachts und bei Schlechtwetterperioden mehrtägig gut und zuverlässig funktioniert. Bei normalen Stürmen muss die Anlage üblicherweise auch nicht abgeschaltet werden.Due to a high level of operational reliability (in relation to the necessary maintenance intervals, the long service life of the plant components, the comparatively uncomplicated repair and component replacement measures and the security of supply with secondary energy in adverse weather conditions), the power plant type (1) has good, safe and reliable energy availability and volatility (predictability of yields) with relatively low fluctuations, since the plant according to the invention also functions well and reliably with diffuse sunlight and thanks to switchable heat pumps from the apron unit (47) even at night and during periods of bad weather for several days. The plant usually does not have to be switched off during normal storms either.
Infolge der hier vorgenommenen Sektorenkopplung (FSE+AWE+PV) und deren gut planbaren Teilabschaltungen können durch die Vielzahl der Energieentnahmepunkte im System sowie der weitreichenden vorgesehenen bauteilapplizierten bifacialen Photovoltaikvorrichtungen temporäre betriebliche Reparatur- und Wartungsvorgänge gut kalkulierbar, produktionsausfalltechnisch minimiert und somit üblicherweise betriebswirtschaftlich unbedenklich durchgeführt werden.As a result of the sector coupling implemented here (FSE+AWE+PV) and their easily plannable partial shutdowns, temporary operational repair and maintenance processes can be easily calculated, minimized in terms of production downtime and thus usually carried out in a way that is economically safe due to the large number of energy extraction points in the system as well as the extensive planned component-applied bifacial photovoltaic devices.
4.13 Prozesskälte als Nebenprodukt4.13 Process cooling as a by-product
Da die kühle Höhenluft aus dem Fallstromturm (2) für den Aufwindvorgang gewärmt werden muss / soll, entsteht über Wärmetauscher „Kälte“, die abgeführt und als energieeffiziente Prozesskälte im weiteren technischen Betrieb wirtschaftlich genutzt werden kann.Since the cool mountain air from the downdraft tower (2) must/should be warmed for the updraft process, “cold” is generated via heat exchangers, which can be dissipated and used economically as energy-efficient process cooling in further technical operations.
4.14 Aufnahme von Antennen- und Sendeanlagen4.14 Recording of antenna and transmitter systems
Die Ringplattformen 1 + 2 (10+19) haben Kapazitäten zur Aufnahme von Antennen- und Sendeanlagen für die 360°-Medienversorgung der Bevölkerung. Aus der Vermietung der Kapazitäten entsteht zusätzlicher wirtschaftlicher Nutzen.The
4.15 Kurze Bauzeit infolge hohem standardisierten Vorfertigungsgrad4.15 Short construction time due to high degree of standardized prefabrication
Das Solarthermische Luftstrom Kraftwerk (1) kann infolge eines hohen standardisierten Vorfertigungsgrades vieler zur Anwendung kommender Bauteile in relativ kurzen Planungs- und Ausführungsfristen verwirklicht werden.The solar thermal airflow power plant (1) can be realized in relatively short planning and execution periods due to a high standardized degree of prefabrication of many of the components used.
Die überwiegend konzeptionell einfache elementierte Fertigteilbauweise mit wenigen Varianten kann in industrieller Fließbandproduktion witterungsunabhängig gefertigt werden. Die niederkomplexe Bauweise ermöglicht eine leichte und schnelle Montage ohne hohes Mängelrisiko.The predominantly conceptually simple prefabricated element construction with few variants can be manufactured in industrial assembly line production regardless of the weather. The low-complexity construction enables easy and quick assembly without a high risk of defects.
4.16 Einfache Demontage / kurzfristiger Anlagenrückbau4.16 Simple dismantling / short-term plant dismantling
Das Solarthermische Luftstrom Kraftwerk (1) kann am Ende seines Lebenszyklus einfach, schnell und kostengünstig ab- und zurückgebaut werden, da nur konventionelle unbedenkliche schadstoffunbelastete Baumaterialien verwendet werden, die leicht recycelt werden können. In der Hauptsache muss man eigentlich nur die „Luft rauslassen“, die Folien falten und den Beton abbrechen.The solar thermal air flow power plant (1) can be dismantled and dismantled easily, quickly and inexpensively at the end of its life cycle, as only conventional, harmless, non-polluting building materials are used, which can be easily recycled. Basically, all you have to do is "let the air out", fold the foil and break up the concrete.
4.17 Schnelle Systemverfügbarkeit4.17 Fast system availability
Das Solarthermische Luftstrom Kraftwerk (1) kann innerhalb von Minuten aus dem Ruhemodus an- und hochgefahren werden. Abhängig von der Tageszeit und dem hieraus erfolgenden solaren Energieeintrag in das System ist die Einsatzbereitschaft und die Maximalleistung tagsüber schneller erreicht als nachts.The solar thermal air flow power plant (1) can be started up and started up from standby mode within minutes. Depending on the time of day and the resulting solar energy input into the system, operational readiness and maximum output are reached more quickly during the day than at night.
Insofern kann dieser Kraftwerkstyp (bedingt) auch als Spitzenlastkraftwerk bezeichnet und eingesetzt werden.In this respect, this type of power plant can (conditionally) also be referred to and used as a peak load power plant.
5.0 Erklärung der vorgeschlagenen Lösung (Prinzip - Funktion - Bau)5.0 Explanation of the proposed solution (principle - function - construction)
5.1 Erfindungskurzbeschreibung und Grundprinzip:5.1 Brief description of the invention and basic principle:
Wie bereits erwähnt ist das Solarthermische Luftstrom Kraftwerk (1) ein Hybrid aus einem verbesserten Fallstromkraftwerk fusioniert mit einem modifizierten Aufwindkraftwerk. Die Anlage besteht im Wesentlichen aus der Fallstromeinheit (FSE = im Prinzip das klassische Fallstromkraftwerk), dem Basisbauwerk (4) (Schnitt- und Nahtstelle für die Fallstrom- und die Aufwindeinheit sowie die Beherbergung der Maschinen- und Wartungsräume) und die Aufwindeinheit (AWE = im Prinzip das bekannte Aufwindkraftwerk).As already mentioned, the solar thermal airflow power plant (1) is a hybrid of an improved downdraft power plant fused with a modified updraft power plant. The plant essentially consists of the downdraft unit (FSE = in principle the classic downdraft power plant), the base structure (4) (interface and seam for the downdraft and updraft units as well as the accommodation of the machine and maintenance rooms) and the updraft unit (AWE = in principle the well-known updraft power plant).
Im Turm (2) der Fallstromeinheit fällt die Luft durch Abkühlung senkrecht zu Boden und treibt durch diese Bewegungsenergie Turbinenrotore (5) im Basisbauwerk (4) an. Die kühle Abluft der Fallstromeinheit wird am Basisboden um einen Winkel von ca. 120° abgelenkt und über den unteren Turbinenkranz (6) weiter durch die unterirdischen Kanäle (7) unter der Schirmebene (9) hindurchgeleitet, vorgewärmt und direkt der Aufwindeinheit am äußeren Schirmrand (8) wieder zugeführt, nach oben in den Schirmbereich eingespült, im Schirm erwärmt, hierdurch in Richtung Kamine (3) geleitet, durch in der Kaminbasis situierte Turbinen (5) zur Energiegewinnung geleitet und über die Kamine (3) wieder nach oben in die Atmosphärenschicht abgeleitet, aus der die Luft Minuten vorher entnommen wurde. Hierdurch entsteht ein geschlossenes Luftsäulensystem - sprich „Kommunizierende Röhren“, die sich mittels Luftdichteunterschieden über den sogenannten „wirksamen Druck“ gegenseitig antreiben. Die Fallstromeinheit „drückt“ und „schiebt“ infolge Dichteerhöhung die Luftsäule zu Boden und die Aufwindeinheit „zieht“ infolge Dichtereduzierung die Luftstromsäule wieder nach oben.In the tower (2) of the downdraft unit, the air cools down and falls vertically to the ground, using this kinetic energy to drive turbine rotors (5) in the base structure (4). The cool exhaust air from the downdraft unit is deflected at the base floor by an angle of approx. 120° and is passed on via the lower turbine ring (6) through the underground channels (7) beneath the canopy level (9), preheated and fed directly back to the updraft unit at the outer edge of the canopy (8), flushed upwards into the canopy area, heated in the canopy, thereby directed towards the chimneys (3), directed through turbines (5) located in the chimney base to generate energy, and discharged back up via the chimneys (3) into the atmospheric layer from which the air was taken minutes previously. This creates a closed air column system - in other words, "communicating tubes" that drive each other using differences in air density via the so-called "effective pressure". The downdraft unit “pushes” and “pushes” the air column to the ground due to an increase in density, and the updraft unit “pulls” the air column back up due to a reduction in density.
Je höher die Spreizung der Temperatur der inneren Luftsäule im Kraftwerk ist, desto mehr thermische Energie ist im System und umso mehr elektrische Energie kann aus dem System gewonnen werden.The higher the temperature spread of the inner air column in the power plant, the more thermal energy is in the system and the more electrical energy can be obtained from the system.
Die Luftstromsäule wird in allen Bereichen der Anlage geplant geführt und kann in verschiedenen Ebenen des Systems einen Drall-Impuls erhalten, infolge dessen sich die Luftgeschwindigkeit und somit die Energie im System weiter erhöht. Durch die Zusammenschaltung beider Einheiten entstehen Synergien, in deren Folge die Nachteile der Einzelanlagen kompensiert und zu Vorteilen gewandelt werden, was zu erheblichen Wirkungsgradverbesserungen des Solarthermischen Luftstrom Kraftwerks (1) als Ganzes gegenüber den Einzelanlagen führt.The air flow column is guided in a planned manner in all areas of the system and can receive a swirl impulse at different levels of the system, as a result of which the air speed and thus the energy in the system increases further. By connecting both units together, synergies are created, as a result of which the disadvantages of the individual systems are compensated and turned into advantages, which leads to considerable improvements in the efficiency of the solar thermal air flow power plant (1) as a whole compared to the individual systems.
Um den Wirkungsgrad auch bei Primärenergieausfall (Nacht und Schlechtwetterperioden) oben halten zu können, wird die Anlage noch um die Vorfeldeinheit (VFE) erweitert. Die Vorfeldeinheit ist im Prinzip ein riesiger Solarwärmekollektor und -speicher, welcher mittels Wärmepumpenvorrichtungen die Sekondärenergieversorgung der Anlage über mehrere Tage aufrechterhalten kann. Die Wärme wird der Luft der Aufwindeinheit im Schirmbauwerk (9) zugeführt.In order to maintain the efficiency level even in the event of a primary energy failure (night and bad weather periods), the system is extended to include the apron unit (VFE). The apron unit is essentially a huge solar heat collector and storage unit, which can maintain the system's secondary energy supply for several days using heat pump devices. The heat is fed into the air of the updraft unit in the umbrella structure (9).
5.2 Funktionsbeschreibung:5.2 Functional description:
Fallstromeinheit:downdraft unit:
Am Turmkopf (2) der Fallstromeinheit beginnt die Luft in das System einzufließen. Bei nicht böigen und gleichmäßigen äußeren Luftgeschwindigkeiten kann die auf einer drehbaren Montageplattform (10) gebaute Windspoileranlage (11) auf die Windrichtung eingestellt und optional aufgespannt werden, welche dann dazu dient, dass die horizontale Außenluftgeschwindigkeit umgelenkt und bereits dazu genutzt werden kann, die Anfangsgeschwindigkeit des vertikalen Fallluftstromes zu optimieren. Hierdurch wird dann gleichzeitig der Systemdruck erhöht, was wiederum den Wirkungsgrad erhöht.The air begins to flow into the system at the tower head (2) of the downdraft unit. When the external air speed is not gusty and is constant, the wind spoiler system (11) built on a rotating mounting platform (10) can be adjusted to the wind direction and optionally extended, which then serves to redirect the horizontal external air speed and can be used to optimize the initial speed of the vertical downdraft air flow. This simultaneously increases the system pressure, which in turn increases efficiency.
Bedingt durch das Sprüh-/Tropfwasser, das im Bereich der Turmmündung (2) aus einer über den horizontalen Turmquerschnitt netzartig gespannten Beregnungsvorrichtung entweicht, sinkt die Lufttemperatur im Fallstromturm (2). Hieraus resultiert eine Dichteerhöhung, wodurch sich die Luftsäule im Turm (2) nach unten Richtung Basisbauwerk (4) bewegt. Im Basisbauwerk (4) wird die Haupt-Energie der Fallwinde von vorzugsweise mindestens 2 hintereinander geschalteten, vorzugsweise die gesamte Querschnittsfläche des Turms ausfüllenden horizontal montierten gegenläufigen Rotoren (5) abgegriffen (Alternativ können hier auch mehrere radial angeordnete kleinere Rotoranalgen vorgesehen werden). Gleich nach dem unteren Rotor ist im Zentrum des Basisbauwerks (4) ein gerundet ausgeführter Spoilerkegelstumpf (12) ausgebildet, der den Volumenstrom gleichmäßig radial nach allen Richtungen aufteilt und im ca. 120°-Winkel nach allen Seiten aerodynamisch geführt aus dem Turmfußbereich in den radial angeordneten unteren Turbinenkranz (6) leitet, wo ein Großteil der Restenergie der umgeleiteten Fallstrom-Luftsäule über radial im Turbinenkranz (6) angeordnete kleinere vertikal ausgerichtete Turbinenräder (5) zusätzlich gewonnen wird. Der ringförmige ausgeführte Turbinenkranz (6) besteht aus mehreren vertikal nebeneinander gleichmäßig angeordneten Turbineneinheiten, an die die Kanäle (7), welche unter der Schirmebene (9) des Aufwindbereiches im Grundriss sternförmig nach außen verlaufen, andocken.The air temperature in the downdraft tower (2) drops due to the spray/dripping water that escapes in the area of the tower mouth (2) from a sprinkler system stretched like a net across the horizontal cross-section of the tower. This results in an increase in density, causing the air column in the tower (2) to move downwards towards the base structure (4). In the base structure (4), the main energy of the downdraft is captured by preferably at least two horizontally mounted counter-rotating rotors (5) connected in series, preferably filling the entire cross-sectional area of the tower (alternatively, several smaller rotor systems arranged radially can be provided here). Immediately after the lower rotor, in the center of the base structure (4), there is a rounded spoiler truncated cone (12) which distributes the volume flow evenly radially in all directions and aerodynamically guides it at an angle of approximately 120° in all directions from the tower base area into the radially arranged lower turbine ring (6), where a large part of the residual energy of the diverted downdraft air column is additionally recovered via smaller, vertically aligned turbine wheels (5) arranged radially in the turbine ring (6). The ring-shaped turbine ring (6) consists of several turbine units arranged evenly vertically next to one another, to which the channels (7), which run outwards in a star shape in plan below the canopy plane (9) of the updraft area, dock.
Die Kanäle (7) verlaufen im Vertikalschnitt unter der Schirmeinheit (9) leicht nach unten geneigt. Nach ca. einem Drittel / der Hälfte des Schirmradius kehrt sich die Luftkanalführung am Scheitelpunkt wieder nach oben, die Kanäle tauchen aus dem Untergrund in Richtung Schirmrand und leiten den Luftstrom in das Einlaufbauwerk (8) der Aufwindeinheit.In vertical section, the channels (7) run slightly downwards under the canopy unit (9). After about a third / half of the canopy radius, the air duct routing turns upwards again at the apex, the channels emerge from the ground towards the edge of the canopy and guide the air flow into the inlet structure (8) of the updraft unit.
Im Bereich vorzugsweise der nach oben gerichteten Kanalabschnitte (ab dem Scheitelpunkt) wird die Luft über geeignete Vorrichtungen mittels von außen zugeführter Wärmeenergie solaren Ursprungs vorgewärmt, um die Temperatur der Kaltluft frühzeitig anzuheben und somit die bevorstehende Wärmeabsorptionsphase in der Aufwindeinheit zu begünstigen bzw. zu beschleunigen. Gleichzeitig wird aber die Kühle der Fallstromluft an diesen Stellen gewonnen, abgeführt und für weitere technische Prozesse (z.B. Fernkälte o.dgl.) wirtschaftlich genutzt.In the area of the channel sections that are preferably directed upwards (from the apex), the air is preheated using suitable devices using externally supplied heat energy of solar origin in order to raise the temperature of the cold air early on and thus promote or accelerate the upcoming heat absorption phase in the updraft unit. At the same time, however, the coolness of the downdraft air is extracted at these points, discharged and used economically for further technical processes (e.g. district cooling or similar).
Aufwindeinheit:updraft unit:
Die Luftmassen werden von unten durch die Kanäle (7) über das Einlaufbauwerk (8) nach oben in den Schirmbereich (9) gespült. Der Schirmbereich (9) eines jeden Segmentes (13) ist im Grundriss spiralförmig und im Querschnitt rund bis leicht ellipsenförmig ausgebildet und führt querschnittsverjüngend wieder zurück zum Basisbauwerk (4), über die Aufwindrotoren (5) in den Abluftkamin (3) und in der Ebene der Ringplattform 2 (19) wieder zurück in die untere Atmosphäre.The air masses are flushed from below through the channels (7) over the inlet structure (8) upwards into the umbrella area (9). The umbrella area (9) of each segment (13) is spiral-shaped in plan and round to slightly elliptical in cross-section and leads back to the base structure (4) with a tapered cross-section, over the updraft rotors (5) into the exhaust air chimney (3) and back into the lower atmosphere at the level of the ring platform 2 (19).
Das Einlaufbauwerk (8) der Aufwindeinheit stellt die Schnittstelle zwischen den beiden ursprünglichen Kraftwerkstypen dar. Ab hier wird dem Luftstrom auf seinem gesamten Weg möglichst viel Energie in möglichst kurzer Zeit zugeführt. Die Aufwindeinheit ist in mehrere gleich großen symmetrischen Segmente (13) unterteilt, welche im Grundriss radial um das zentrale Turmbauwerk (2+3) angeordnet sind. Jedes einzelne Segment (13) besteht aus dem Abschnitt seines randseitigen Einlaufbauwerkes (8), dem Segmentschirm (9), der Maschineneinheit am Basisbauwerk (4) und dem Abluftkamin (3). Die Aufwindkamine (3) sind aus transparentem Material errichtet, so dass auch hier einfallendes Sonnenlicht noch zur Systemenergieerhöhung beiträgt. Jedes Aufwindsegment ist für sich autark funktionsfähig.The intake structure (8) of the updraft unit represents the interface between the two original power plant types. From here, as much energy as possible is supplied to the air flow along its entire path in the shortest possible time. The updraft unit is divided into several equally sized symmetrical segments (13), which are arranged radially around the central tower structure (2+3) in the floor plan. Each individual segment (13) consists of the section of its edge intake structure (8), the segment screen (9), the machine unit on the base structure (4) and the exhaust air chimney (3). The updraft chimneys (3) are made of transparent material, so that incident sunlight also contributes to increasing the system energy. Each updraft segment is able to function independently.
Vorfeldeinheit:apron unit:
Die Vorfeldeinheit ist im Prinzip ein riesiger Solarwärmekollektor und -speicher, mittels welchen Wärmepumpenvorrichtungen die Sekondärenergieversorgung der Anlage über mehrere Tage aufrechterhalten können. Die Wärme wird der Luft der Aufwindeinheit zugeführt.The apron unit is essentially a huge solar heat collector and storage unit, by means of which heat pump devices can maintain the secondary energy supply of the plant for several days. The heat is supplied to the air of the updraft unit.
Die Vorfeldeinheit ist eine annähernd geländegleiche Ebene, die sich außerhalb bzw. um das Solarthermische Luftstrom Kraftwerk (1) vorzugsweise ringförmig erstreckt. Um die Versorgung mit der systemnotwendigen Prozesswärme für Wolkentage, Schlechtwetter- oder den Nachtbetrieb zu gewährleisten, wird die Strahlungsenergie, die das Vorfeld erwärmt, in einem Speichermedium (14) akkumuliert.The apron unit is a plane that is almost level with the ground and extends outside or around the solar thermal air flow power plant (1), preferably in a ring shape. In order to ensure the supply of the process heat required by the system for cloudy days, bad weather or night-time operation, the radiation energy that heats the apron is accumulated in a storage medium (14).
Tagsüber wird Strahlungsenergie, die auf der Oberfläche des Vorfeldes ankommt, über geeignete Vorrichtungen in die Tiefe des Speichers geladen, aus dem dann im Bedarfsfall die gespeicherte Wärme über Wasserkreislaufpumpen abgezogen und in den anfordernden Kraftwerksbereich eingespeist wird. Der Massivwärmespeicher (14) ist an der Oberfläche dunkel eingefärbt und bezüglich der Speichermasse derart dimensioniert, dass er den Betrieb über mehrere Tage mit Speicherwärme aufrechterhalten kann (Sekundärenergie).During the day, radiation energy that reaches the surface of the apron is loaded into the depths of the storage tank via suitable devices, from which the stored heat is then extracted via water circulation pumps when required and fed into the power plant area that requires it. The solid heat storage tank (14) is dark-coloured on the surface and is designed in such a way that the storage mass dimensioned so that it can maintain operation over several days with stored heat (secondary energy).
Über dem Vorfeld ist horizontal in mehreren Metern Höhe flächig ein Netz (15) gespannt (ähnlich dem Material z.B. eines Maschendrahtzaunes), welches die sich an der dunklen Oberfläche aufsteigende Luft am Entweichen „behindert“ und somit zwischen Massivspeicher und Netzkörper einen Quasi-Treibhauseffekt erzeugt, der den Massivspeicher zusätzlich aufheizt. Das Netz (15) ist im Grundriss dem Vorfeld geometrisch folgend vorzugsweise ringförmig um das Kraftwerk (1) angeordnet. Im Querschnitt besitzt das Netz eine leichte Gefälleausbildung nach außen zum Vorfeldrand hin, so dass sich die aufgeheizte Luft nach innen zum Kraftwerksrand hin bewegen muss (Einschub: Sobald Luft ab einer gewissen Geschwindigkeit tangential entlang einer netzartigen Fläche streicht, entstehen an den Draht- oder Faserkörpern viele in etwa gleichgroße und gleich gerichtete Mikro-Luftwirbel, welche für den eigentlichen Luftstrom ein flächiges Luftkissen bilden, auf deren Scheiteln entlang dieser reibungsminimiert flächentangential gleiten kann. Das Gitternetz erhält dann hierdurch die grundsätzliche Eigenschaft eines nahezu flächig geschlossenen Bauteils).A net (15) is stretched horizontally at a height of several meters above the apron (similar to the material of a wire mesh fence, for example), which "prevents" the air rising on the dark surface from escaping and thus creates a quasi-greenhouse effect between the massive storage facility and the net body, which additionally heats up the massive storage facility. The net (15) is arranged in a plan that follows the geometric shape of the apron, preferably in a ring around the power plant (1). In cross-section, the mesh has a slight gradient outwards towards the apron edge, so that the heated air must move inwards towards the edge of the power plant (Insert: As soon as air passes tangentially along a mesh-like surface at a certain speed, many micro-air vortices of approximately the same size and direction are created on the wire or fiber bodies, which form a flat air cushion for the actual air flow, along the vertices of which it can slide tangentially along the surface with minimal friction. This gives the mesh the basic property of an almost flat, closed component).
Die Warmluftverluste durch die Maschenöffnungen sind an dieser Stelle irrelevant und entbehrlich, da es sich hierbei aus Kostengründen um ein offenes System handelt und die Hauptwirkung der Wärmehaltung über den Heizplatten (17) der Massivspeicher (14) trotzdem gut erfüllt werden.The warm air losses through the mesh openings are irrelevant and unnecessary at this point, since this is an open system for cost reasons and the main effect of heat retention via the heating plates (17) of the solid storage tank (14) is still well achieved.
An der inneren Vorfeldbegrenzung (= die Außenhautgrenze des Einlaufbauwerkes (8) des Solarthermischen Luftstrom Kraftwerkes (1)) befindet sich in der Netzebene (15) entlang dem gesamten Umfang des Kraftwerksrandes eine Turbinenreihe (16), über die die erhitzte Vorfeldluft nach oben strömt und durch die Rotoröffnungen wieder entweicht.At the inner apron boundary (= the outer skin boundary of the inlet structure (8) of the solar thermal air flow power plant (1)) there is a row of turbines (16) in the network plane (15) along the entire circumference of the power plant edge, over which the heated apron air flows upwards and escapes again through the rotor openings.
Übergreifend:General:
Im gesamten Kraftwerk (1) wird an ausgewählten Stellen über geeignete Vorrichtungen (wie zum Beispiel Dralldüsen, Bauteilkrümmungen und Leitwerke innerhalb des jeweiligen Strömungskanalabschnittes) dem Luftstrom ein Spin mitgegeben, so dass die Luftsäule um die eigene Strömungsrichtungsachse rotiert und sich dadurch spiralförmig mit erhöhter Geschwindigkeit durch das Kanal- und Röhrensystem bewegt. Hierdurch steigt die Energieausbeute, da der Systemwirkungsgrad zunimmt.Throughout the entire power plant (1), the air flow is given a spin at selected points using suitable devices (such as swirl nozzles, component bends and control units within the respective flow channel section), so that the air column rotates around its own flow direction axis and thus moves spirally at increased speed through the channel and tube system. This increases the energy yield because the system efficiency increases.
Um die System-Betriebssicherheit des Kraftwerkes (1) trotz potentieller temporärer lokaler Einschränkungen wie z.B. durch Wartung, Reparatur oder Havarie weitgehend sicher zu stellen, sind an ausgewählten Schnittstellen Abschottvorrichtungen zur Unterbrechung der Luftströmung ausgeführt. Diese Schotte sind vorzugsweise am Turmkopf, den Kaminköpfen, dem Turbinenkranz (6), dem Einlaufbauwerk (8) und / oder an der Aufwindturbineneinheit (5) vorgesehen.In order to ensure the system operational reliability of the power plant (1) despite potential temporary local restrictions such as those caused by maintenance, repairs or accidents, bulkheads are installed at selected interfaces to interrupt the air flow. These bulkheads are preferably provided on the tower head, the chimney heads, the turbine ring (6), the intake structure (8) and/or on the updraft turbine unit (5).
Für z.B. Großinstandsetzungen an den Ringplattformen 1+2 (10+19) können die Turmbauwerke (2+3) mittels im Basisbauwerk (4) stationierter Seilwinden über Befestigungspunkte an den Ringplattformen 1+2 (10+19) und spezielle Vorrichtungen nach unten eingeholt und aufgerollt werden können, so dass schlussendlich beide Plattformen (10+19) auf dem Basisbauwerk (4) auflagern.For example, for major repairs to the
Da das Kraftwerk (1) vorzugsweise in ariden und von Staub und Sand gekennzeichneten Gegenden situiert sein wird, ist zur Wirkungsgradsicherung eine automatische in bestimmten Zeitabschnitten wiederkehrende Wasserreinigung vorgesehen. Der Reinigungsvorgang wird in windstiller Nacht stattfinden und mehrere Stunden dauern. Er ist in erster Linie (aber nicht ausschließlich) für die horizontalen Schirmbauwerke (9) notwendig. Das benötigte Prozesswasser wird über eine am oberen Scheitel der jeweiligen Schirmsegmente (9) verlaufende Versorgungsleitung bereitgestellt. Das hieraus flächig verteilte Reinigungswasser fließt über die gekrümmten Segmente (13) des Schirmbauwerks (9) zu den massiven Segmenttrennwänden (18). Auf deren Scheitel ist eine Rinne ausgebildet, die das Wasser mit dem Reinigungsgut über ein Gefälle zum Anlagenrand führt, von wo aus dieses dann gesammelt und zur Weiterverwendung aufbereitet wird.Since the power plant (1) will preferably be located in arid areas characterized by dust and sand, automatic water purification at certain intervals is planned to ensure efficiency. The cleaning process will take place on a windless night and will last several hours. It is primarily (but not exclusively) necessary for the horizontal umbrella structures (9). The required process water is provided via a supply line running along the upper apex of the respective umbrella segments (9). The cleaning water distributed over the surface flows over the curved segments (13) of the umbrella structure (9) to the solid segment partition walls (18). A channel is formed on the apex of these walls, which leads the water with the cleaning material over a gradient to the edge of the plant, from where it is then collected and processed for further use.
Außerhalb der Vorfeldeinheit ist in gewissen Bereichen dem Radius des Kraftwerks (1) folgend eine Hügelkette aufgeschüttet (Bauabraum), auf deren sonnenzugewandten Seiten sich Heliostaten befinden, die das Sonnenlicht auf die eher sonnenabgewandten Seiten des Kraftwerks (1) lenken, um den Wirkungsgrad des Gesamtsystems zu verbessern.Outside the apron unit, in certain areas following the radius of the power plant (1), a chain of hills has been built up (construction waste), on the sides facing the sun there are heliostats that direct the sunlight to the sides of the power plant (1) facing away from the sun in order to improve the efficiency of the overall system.
5.3 Bauart - Gesamtkonzept:5.3 Design - overall concept:
Hinweis: Die Bauteil- und Konzeptbeschreibung folgt in der Definitionshierarchie dem Weg des Luftstromes durch das Gesamtsystem.Note: The component and concept description follows the path of the air flow through the overall system in the definition hierarchy.
Allgemein:Generally:
Um einen aerodynamischen und geführten Fluss des Luftvolumenstromes im System zu erzeugen und dann auch optimal nutzen zu können, ist es vorteilhaft, baulich ein symmetrisches Kraftwerkskonzept auszuführen. Die Erfindung sieht vor, dass die Fallstromeinheit systemzentral situiert ist und die das Teilsystem am Turmfuß (Basisbauwerk (4)) verlassende Abluft über unterirdische Kanäle (7), die sternförmig unter dem Solarschirm (9) der Aufwindeinheit hindurchtauchen, zum Schirmrand (8) der Aufwindeinheit geführt und über das umlaufend radial ringförmig vorgesehene Einlaufbauwerk (8) in den Bereich der Aufwindeinheit überführt wird. Die Aufwindeinheit ist in mehrere in sich geschlossene gleichmäßige Sektoren (13) aufgeteilt, die den Luftvolumenstrom im Schirm (9) zu den Aufwindkaminen (3), die sich auf dem Basisbauwerk (4) befinden, führen. Jeder Sektor (13) besitzt einen separaten Aufwindkamin (3). Die Aufwindkamine (3) sind geometrisch gleichmäßig und symmetrisch am äußeren Rand des Fallstromturmes (2) angeordnet. Die Aufwindkamine (3) enden in der Ringplattform 2 (19), die die Kaminköpfe zum einen fixiert und somit die Mündungsöffnungen stabilisiert und zum anderen auch als Medien- und Wartungsplattform Verwendung findet.In order to generate an aerodynamic and guided flow of the air volume flow in the system and then to be able to use it optimally, it is advantageous to structurally implement a symmetrical power plant concept. The invention provides that the downdraft unit is located centrally in the system and the exhaust air leaving the subsystem at the base of the tower (base structure (4)) is guided via underground channels (7) that dip in a star shape under the solar screen (9) of the updraft unit, to the screen edge (8) of the updraft unit and is transferred to the area of the updraft unit via the radially ring-shaped inlet structure (8). The updraft unit is divided into several self-contained, uniform sectors (13) that guide the air volume flow in the screen (9) to the updraft chimneys (3) that are located on the base structure (4). Each sector (13) has a separate updraft chimney (3). The updraft chimneys (3) are arranged geometrically evenly and symmetrically on the outer edge of the downdraft tower (2). The updraft chimneys (3) end in the ring platform 2 (19), which fixes the chimney heads and thus stabilizes the outlet openings and is also used as a media and maintenance platform.
Die Sektoren (13) des Schirms (9) der Aufwindeinheit besitzen im Grundriss eine spiralförmige Bauart. Die Ausrichtung der Spirale entscheidet sich nach der am Standort der Anlage wirkenden Coriolis-Kraft (Nordhalbkugel ➢ rechtsdrehend - im Uhrzeigersinn | Südhalbkugel ➢ linksdrehend - entgegen dem Uhrzeigersinn). Hierdurch werden die Luftmassen ihrer geophysikalischen Neigung (beeinflusst durch die Erdrotation) entsprechend in den Schirmsektoren (13) mit verbessertem Wirkungsgrad hindurchgeleitet. Ein weiterer Vorteil der Spiralform ist der längere Weg des Luftstromes im System vom Schirmrand (8) zum Kamin (3), wodurch sich die Luft infolge der erhöhten Verweildauer intensiver aufheizen kann, was zu einem höheren wirksamen Systemdruck, damit zu höheren Luftgeschwindigkeiten und somit zu einem erhöhten Gesamtwirkungsgrad der Anlage führt.The sectors (13) of the umbrella (9) of the updraft unit have a spiral design in plan. The orientation of the spiral is determined by the Coriolis force acting at the location of the system (Northern Hemisphere ➢ right-handed - clockwise | Southern Hemisphere ➢ left-handed - anti-clockwise). This means that the air masses are guided through the umbrella sectors (13) with improved efficiency according to their geophysical inclination (influenced by the rotation of the earth). A further advantage of the spiral shape is the longer path of the air flow in the system from the umbrella edge (8) to the chimney (3), which means that the air can heat up more intensively due to the increased dwell time, which leads to a higher effective system pressure, thus to higher air speeds and thus to an increased overall efficiency of the system.
Fallstromeinheit - Zentral-Turm (2):Downdraft unit - central tower (2):
Die Fallstromeinheit bildet das geometrische Zentrum des Solarthermischen Luftstrom Kraftwerks (1). Hier beginnt die kühle Umgebungsluft der unteren Atmosphäre in die Turmeinmündung (2) der Anlage einzufließen.The downdraft unit forms the geometric center of the solar thermal airflow power plant (1). Here, the cool ambient air of the lower atmosphere begins to flow into the tower inlet (2) of the plant.
Zur Forcierung der Einlaufmenge in den und zur Erhöhung der Geschwindigkeit der Kaltluft in dem Fallstromturm (2) ist die optional zuschaltbare Windspoileranlage (11) auf einem Leichtbau-Montage-Drehring vorgerichtet, der oben auf der Ringplattform 1 (10) angeordnet ist und dort radial beweglich ist. Die Windspoileranlage (11) besteht im Wesentlichen aus einem sphärisch ausgearbeiteten Segeltuch, das seine Formstabilität zum einen den radialen Ankerpunktanordnungen auf dem Drehring und zum anderen den in das Segeltuch eingearbeiteten stabilisierenden Pressluftschläuchen verdankt. An diversen statisch relevanten Stellen sind am offenen Segeltuchrand Zugbänder in das Segeltuch eingearbeitet, die mittels am gegenüber liegenden Segments des Montage-Drehrings angeordneten Winden (20) das Spoilersegel (11) aus seiner Garagen-Verwahrung herausziehen und entfalten. In der Garage befinden sich ebenfalls Winden, welche bei Bedarf das Segel wieder einholen und lagesichern.To force the inflow and increase the speed of the cold air in the downdraft tower (2), the optionally switchable wind spoiler system (11) is set up on a lightweight assembly rotating ring, which is arranged on top of the ring platform 1 (10) and can move radially there. The wind spoiler system (11) essentially consists of a spherically worked sailcloth, which owes its dimensional stability to the radial anchor point arrangements on the rotating ring and to the stabilizing compressed air hoses incorporated into the sailcloth. At various statically relevant points on the open edge of the sailcloth, tension straps are incorporated into the sailcloth, which pull the spoiler sail (11) out of its garage storage and unfold it using winches (20) arranged on the opposite segment of the assembly rotating ring. There are also winches in the garage, which pull the sail back in and secure it in position when necessary.
In der Zielhöhe des Fallstromturmes (2) stellt die Ringplattform 1 (10) den oberen Abschluss dar.At the target height of the downdraft tower (2), the ring platform 1 (10) represents the upper end.
Hier wird der Turmkopf formschlüssig lagefixiert und die Mündungsöffnung statisch stabilisiert. Die Ringplattform 1 (10) besteht aus nachhaltigem wetter- und witterungsbeständigem Leichtbaumaterial (wie z.B. Alu, Kunststoff, Schaummetall und / oder Verbundmaterial). Die Höhe der Ringplattform 1 (10) des Turmkopfes der Fallstromeinheit liegt vorzugsweise oberhalb der Höhe der Ringplattform 2 (19), die die Kaminköpfe der der Aufwindeinheiten beherbergen und fixieren. Hintergrund der Maßnahmen ist, dass die in den Fallstromturm einfließende Luft so kalt wie möglich sein soll und keine Wärmelast aus der Kraftwerksabluft beinhalten darf. Die Höhe des Fallstromturms ist idealerweise ca. die 0°C-Grenze der natürlichen Luftschichten (H = ca. 2.000 bis 3.000 m).Here, the tower head is positively fixed in position and the outlet opening is statically stabilized. The ring platform 1 (10) is made of sustainable, weather-resistant lightweight material (such as aluminum, plastic, foam metal and/or composite material). The height of the ring platform 1 (10) of the tower head of the downdraft unit is preferably above the height of the ring platform 2 (19), which houses and fixes the chimney heads of the updraft units. The background to the measures is that the air flowing into the downdraft tower should be as cold as possible and must not contain any heat load from the power plant exhaust air. The height of the downdraft tower is ideally approximately the 0°C limit of the natural air layers (H = approximately 2,000 to 3,000 m).
Der Turm (2) der Fallstromeinheit besteht zwischen der Ringplattform 1 (10) und dem Basisbauwerk (4) aus Gaskissen (21), die aus schwarzer nicht transparenter Kunststofffolie gefertigt sind. Hintergrund hier ist, dass die Luftmassen des Fallstromturmes (2) möglichst kühl sein und auch bleiben sollen und deshalb vor Licht und somit Wärme geschützt werden müssen.The tower (2) of the downdraft unit consists of gas cushions (21) made of black, non-transparent plastic film between the ring platform 1 (10) and the base structure (4). Background here is that the air masses of the downdraft tower (2) should be and remain as cool as possible and therefore must be protected from light and thus heat.
Diese Gaskissen (22) sind vertikal ausgerichtet und bilden radial aneinander gereiht montiert einen Kreisturm. Sie reichen vom Basisbauwerk (4) bis zur Ringplattform 1 (10) in der Zielhöhe des Fallstromturms (2). Die Gaskissen (22) sind ein- oder mehrteilige Schlauchkissen und befinden sich in einer Husse. Diese Husse ist eine einteilige schlauchartige Aufnahme-, Stabilisierungs- und Schutzhülle, die unten am Basisbauwerk (4) und oben an der Ringplattform 1 (10) montiert und angeschlossen ist. Die Hussen sind untereinander an ihren senkrechten Berührungsflächen verbunden. Im Querschnitt durch den Turm sehen die Hussen wie eine riesige Revolvertrommel aus und die Schlauchkissen wie hierin geladene Patronen. Hintergrund für diese Bauweise ist eine schnelle Bauart sowie die Möglichkeit des kurzfristigen reversiblen Austausches defekter Schlauchkissen unter Volllast ohne Beeinträchtigung des laufenden Betriebes, da das temporäre Fehlen eines Kissens die Statik infolge der untereinander verbundenen und sich gegenseitig aussteifenden Systembauteile (Turm, Kamine, vorgehängte Schutzfolie etc.) nicht signifikant beeinträchtigt.These gas cushions (22) are aligned vertically and, when mounted radially next to one another, form a circular tower. They extend from the base structure (4) to the ring platform 1 (10) at the target height of the downdraft tower (2). The gas cushions (22) are single or multi-part hose cushions and are located in a cover. This cover is a one-part hose-like holding, stabilization and protective cover that is mounted and connected at the bottom of the base structure (4) and at the top of the ring platform 1 (10). The covers are connected to one another at their vertical contact surfaces. In cross-section through the tower, the covers look like a giant revolver drum and the hose cushions look like cartridges loaded into them. The background for this design is a fast construction method as well as the possibility of short-term reversible replacement of defective hose cushions under full load without affecting ongoing operations, since the temporary absence of a cushion does not significantly affect the statics due to the interconnected and mutually stiffening system components (tower, chimneys, suspended protective film, etc.).
Zur senkrechten Stabilisierung der röhrenartigen Grundform des Turms (2) sind zumindest einige Kissen / Patronen gemäß den Ergebnissen der Tragwerksplanung mit Traggas (wie z.B. H2 oder He) bestückt, die restlichen Kissen sind mit Druckluft gefüllt. Die Einzelkissen sind alle in gleicher Bauart, Bauhöhe und gleichem Durchmesser hergestellt und werden busüberwacht gesteuert (Druck kann erhöht oder verringert werden).To vertically stabilize the tubular basic shape of the tower (2), at least some of the cushions/cartridges are filled with lifting gas (such as H 2 or He) according to the results of the structural planning, the remaining cushions are filled with compressed air. The individual cushions are all manufactured in the same design, height and diameter and are controlled via bus monitoring (pressure can be increased or decreased).
Die gasgefüllten Kissen (21) sind untereinander sowohl horizontal ringförmig als auch in der Vertikalen mittels flexiblen Carbonseil- oder -gurtsystemen straff gehalten und somit lagegesichert. Alternativ hierzu kann auch ein Stabilisationshüllnetz verwendet werden. The gas-filled cushions (21) are held taut both horizontally in a ring shape and vertically by means of flexible carbon rope or belt systems and are thus secured in position. Alternatively, a stabilization net can also be used.
Die vertikalen Bänder erstrecken sich vom Basisbauwerk (4) über die Ringplattform 2 (19) zur Ringplattform 1 (10), womit die Plattformen und die Kissen flexibel gehalten aber dennoch stabilisiert und lagegesichert werden, so dass die Anlage Stürme unbeschadet überstehen kann. Ferner sind die Vertikalbänder darüber hinaus mit einer in der Länge mehrfach vorhandenen hydraulischen Dämpfung (Biege- und Torsionszugentlastungs- und -dämpfungsvorrichtungen) ausgestattet, damit Windkräfte auf die Vertikalbauwerke nur gedämpft und materialschonend einwirken, die Formstabilität gewahrt bleibt und Windkräfte somit keinen wesentlichen Einfluss auf die Betriebssicherheit haben.The vertical bands extend from the base structure (4) over the ring platform 2 (19) to the ring platform 1 (10), which keeps the platforms and cushions flexible but still stabilizes them and secures them in position so that the system can withstand storms undamaged. The vertical bands are also equipped with hydraulic damping (bending and torsional strain relief and damping devices) located several times along their length so that wind forces only have a dampened and gentle effect on the vertical structures, the dimensional stability is maintained and wind forces therefore have no significant influence on operational safety.
Um die im Inneren des Fallstromturms (2) durch die Rundungen der Kissen (21) vorhandenen geometrischen Unstetigkeiten zu egalisieren und um somit störende Verwirbelungen zu vermeiden, sind die Turminnenwände senkrecht mit einer dünnen Folienfassade (23) ausgekleidet und an die Hussen montiert. Die einzelnen Fassadenmodule sind vergleichbar einer Bieberschwanzdacheindeckung nach unten und seitlich gerichtet leicht überlagernd montiert, so dass sich der Fallstrom nicht in einer Montagefuge fangen und die Innenfassade (23) zerstören kann.In order to even out the geometric discontinuities inside the downdraft tower (2) caused by the curves of the cushions (21) and thus to avoid disturbing turbulence, the tower's inner walls are lined vertically with a thin foil facade (23) and mounted to the covers. The individual facade modules are mounted slightly overlapping downwards and to the side, similar to a plain roof covering, so that the downdraft cannot get caught in an assembly joint and destroy the inner facade (23).
Die innere Fassadenfolie (23) besitzt eine Mikroperforation, aus der gleichmäßig Druckluft entweicht, welche permanent automatisch nachgeliefert wird. Die Druckluft wird in der Staudruckkammer (51) gesammelt und durch den Fallwindstrom aus dem Turm (2) gespeist. Die Staudruckkammer (51) entsteht aus der Geometrie von zwei benachbarten Fallwindturmgaskissen (21) und der Innenfassadenfolie (23). Die Druckluft wird im oben liegenden Einlaufbereich des Turmes (2) aus dem Fallstrom über steuerbare Ableitklappen in die jeweilige Staudruckkammer (51) abgezweigt und kann nur durch die Mikroperforation entweichen. Der Überdruck entsteht infolge des dynamischen Volumenstromes.The inner facade foil (23) has a micro-perforation from which compressed air escapes evenly, and is automatically replenished on a permanent basis. The compressed air is collected in the dynamic pressure chamber (51) and fed by the downdraft flow from the tower (2). The dynamic pressure chamber (51) is created from the geometry of two adjacent downdraft tower gas cushions (21) and the inner facade foil (23). The compressed air is diverted from the downdraft in the upper inlet area of the tower (2) via controllable discharge flaps into the respective dynamic pressure chamber (51) and can only escape through the micro-perforation. The overpressure is created as a result of the dynamic volume flow.
Hintergrund hierfür ist, dass hierdurch infolge der Abwärtsbewegung des Fallstromes innenwandseitig aus der aus den „Mikrodüsen“ austretenden Luft zuerst ein dünner Gasfilm entsteht woraus sich dann flächig eine walzenförmige Mikroverwirbelung bildet, auf deren Luft-Scheitelpunkten der Fallstrom weitgehend ohne die Wand zu berühren reibungsminimierend und somit wirkungsgraderhöhend nach unten stürzt.The reason for this is that, as a result of the downward movement of the falling stream, a thin gas film is first formed on the inner wall side from the air emerging from the "micro nozzles", which then forms a cylindrical micro-turbulence over a large area, on whose air peaks the falling stream falls downwards largely without touching the wall, minimizing friction and thus increasing efficiency.
Alternativ hierzu ist auch eine klassische Folienauskleidung (idealerweise dann mit Lotusblatteffekt beschichtet) auszuführen, um die Reibungswiderstände zu minimieren.Alternatively, a classic foil lining (ideally coated with a lotus leaf effect) can be used to minimize frictional resistance.
Der Fallstromturm (2) ist auch mit einer äußeren vollständig umhüllenden vorgehängten Folienfassade (24) versehen, um die Kissen vor windgeführtem Staub- und Sandeintrag zu bewahren. Hierdurch werden zusätzliche Lasten aus Sand- und Feuchtigkeitseintrag sowie erhöhtes Verschleißaufkommen aus Bewegung und Sandreibung zwischen den Bauteilen vermieden. Die Folienfassade (24) besteht aus undurchsichtiger, u.v.- und alterungsbeständiger, hochreißfester und faserbewehrter Kunststofffolie. Die Folienfassade (24) ist straff und wetterfest ausgeführt, jedoch reversibel untereinander montiert.The downdraft tower (2) is also provided with an external, completely enveloping, curtain-type film facade (24) to protect the cushions from wind-borne dust and sand ingress. This avoids additional loads from sand and moisture ingress as well as increased wear from movement and sand friction between the components. The film facade (24) consists of opaque, UV and ageing-resistant, highly tear-resistant and fiber-reinforced plastic film. The film facade (24) is taut and weatherproof, but reversibly mounted one below the other.
Die Außenseite der Folienfassade (24) kann mit flexiblen Foliensolarzellen ausgestattet werden.The outside of the film facade (24) can be equipped with flexible film solar cells.
Die Versorgung der Fallstromeinheit mit Prozesswasser erfolgt über vertikal geführte flexible Schlauchleitungen. Die Schlauchleitungen werden in der Fallstromturmanlage montiert und an den Versorgungsring der Ringplattform 1 (10) angeschlossen. Das Wasser wird über Pumpen aus den Prozesswasserzisternen in die Steigleitungen gepumpt. Da die notwendige Förderhöhe ein wirtschaftliches Pumpen ausschließt, wird im Bereich der Aufwindkamine (3) ein geringer Teil der Aufwinde abgezweigt und über die Schlauchsteigleitungen in die Höhe geführt. Zur Unterstützung des Fördervorgangs kann auch eine Pressluftvorrichtung eingesetzt werden. Infolge der hierdurch im Schlauch entstehenden Turbulenzen wird die Homogenität der Wassersäule aufgelöst und es entsteht eine Art „Wasserschaum“, der eine weitaus geringere Dichte als Wasser besitzt und somit durch den Aufwinddruck von unten mit in die Höhe gerissen wird. Auf der Plattform (10) wird das Wasser beruhigt, abgekühlt und in einen Ringverteiler eingespeist, der direkt mit der Beregnungsvorrichtung im Fallstromkanal verbunden ist und das Wasser gleichmäßig flächig verteilt und mittels Sprühköpfe abregnen lässt, wodurch die Temperatur der Luftsäule sinkt und somit die Dichte derselben steigt. Hierdurch stürzt die Luftsäule nach unten zum Basisbauwerk (4). Um den Effekt zu forcieren erhält die fallende Luftsäule einen Drallspin (verursacht durch Leitvorrichtungen und / oder durch nach unten gerichtete temporär aktive Pressluftdüsen und / oder durch kontrolliert gezündete Wasserstoffdüsen, welche über ringförmig angeordnete nach schräg unten gerichtete Düsen temporär den Initialschub für die Drallbildung zur Verfügung stellen).The downdraft unit is supplied with process water via vertically guided flexible hose lines. The hose lines are installed in the downdraft tower system and connected to the supply ring of ring platform 1 (10). The water is pumped from the process water cisterns into the risers via pumps. Since the necessary delivery head precludes economical pumping, a small part of the updraft is diverted in the area of the updraft chimneys (3) and guided upwards via the hose risers. A compressed air device can also be used to support the conveying process. As a result of the turbulence this creates in the hose, the homogeneity of the water column is dissolved and a type of "water foam" is created, which has a much lower density than water and is thus carried upwards by the updraft pressure from below. On the platform (10), the water is calmed, cooled and fed into a ring distributor, which is directly connected to the irrigation device in the downdraft channel and distributes the water evenly over the surface and lets it rain down using spray heads, which lowers the temperature of the air column and thus increases its density. This causes the air column to fall downwards to the base structure (4). To force the effect, the falling air column is given a swirl spin (caused by guide devices and/or by temporarily active compressed air nozzles pointing downwards and/or by controlled ignited hydrogen nozzles, which temporarily provide the initial thrust for the swirl formation via nozzles arranged in a ring and pointing diagonally downwards).
Um den Luftzufluss im Fallstromturm (2) für geplante Betriebsunterbrechungen zu sperren, ist in Ebene der Ringplattform 1 (10) eine Abschottvorrichtung (25) vorgesehen. Diese Abschottvorrichtung (25) besteht ebenfalls aus einem gasgefüllten Kissenkörper, der in aufgeblasenem Zustand die Form einer Linse besitzt, den gesamten Querschnitt des Turmkopfes abdeckt und abdichtet. Die Schleuse (25) ist aus u.v.- und alterungsbeständiger, hochreißfester und faserbewährter Kunststofffolie konfektioniert.In order to block the air flow in the downdraft tower (2) for planned interruptions in operation, a sealing device (25) is provided at the level of the ring platform 1 (10). This sealing device (25) also consists of a gas-filled cushion body which, when inflated, has the shape of a lens, covers and seals the entire cross-section of the tower head. The lock (25) is made of UV- and age-resistant, highly tear-resistant and fiber-tested plastic film.
Die Abschottvorrichtung (25) ist in der Turmmitte situiert. Sie besteht in eingefahrenem Zustand aus einer zentralen vertikalen Spindel, um die der Linsenkörper in nicht gefülltem Zustand platzsparend zentral aufgewickelt ist. Die Spindel wird von einer statisch wirksamen Speichenvorrichtung oder alternativ von mehreren Tragseilen, welche an der Ringplattform 1 (10) verankert und mit den Enden der Spindel oben und unten verbunden sind, statisch zentral in der Turmsymmetrie gehalten. In der Mitte der Spindel sind mehrere Zugseile angebracht, die mit Winden verbunden sind. Wird von der Zentrale eine Abschottung eingeleitet, wickeln Motorwinden die Zugseile auf und der Kissenkörper wir gleichmäßig ausgefahren und aufgefaltet. Gleichzeitig wird Druckluft in das Kissen gepumpt. Die Druckluftfüllung und die Kissenentfaltung laufen synchron, so dass es zu keinen Flatterbewegungen des Kissenmaterials kommen kann. Die Öffnung der Schleuse (25) erfolgt dann in umgekehrter Reihenfolge. Die motorbetriebe Spindel wickelt den Linsenkörper wieder auf und presst gleichzeitig hierdurch die Luft heraus.The sealing device (25) is located in the middle of the tower. When retracted, it consists of a central vertical spindle around which the lens body is wound centrally when not inflated to save space. The spindle is held statically centrally in the symmetry of the tower by a statically effective spoke device or alternatively by several support cables, which are anchored to the ring platform 1 (10) and connected to the ends of the spindle at the top and bottom. Several traction cables are attached in the middle of the spindle, which are connected to winches. If sealing is initiated by the control center, motor winches wind up the traction cables and the cushion body is extended and unfolded evenly. At the same time, compressed air is pumped into the cushion. The compressed air filling and the cushion unfolding run synchronously, so that there is no fluttering movement of the cushion material. The lock (25) is then opened in the reverse order. The motor-driven spindle rewinds the lens body and at the same time presses out the air.
Basisbauwerk (4) - Übergreifend:Basic structure (4) - General:
Das Basisbauwerk (4) ist zentrale Schnittstelle und somit Herzstück der Gesamtanlage (1). Es vereint dem Fallstromturm (2) mit den unterirdischen Überleitungskanälen (7), die zu den Einlaufbauwerken (8) der Schirmsegmente (13) führen, auf der einen Seite und die Schirmanlagen (13) mit den Aufwindkaminen (3) auf der anderen Seite. Es beherbergt die meisten und größten Generatoren (5), die meisten Maschinen- und Technikräume sowie die gesamte Wartungsinfrastruktur. Das Basisbauwerk (4) ist in Massivbauweise hergestellt.The base structure (4) is the central interface and thus the heart of the entire system (1). It combines the downdraft tower (2) with the underground transfer channels (7) that lead to the inlet structures (8) of the umbrella segments (13) on one side and the umbrella systems (13) with the updraft chimneys (3) on the other side. It houses most and largest generators (5), most of the machine and technical rooms as well as the entire maintenance infrastructure. The base structure (4) is made of solid construction.
Fallstromeinheit - Basisbauwerk (4):Downdraft unit - base structure (4):
Das Basisbauwerk (4) besteht in seiner vertikalen Mitte aus einer nach oben gerichteten Öffnung mit dem Durchmesser / der Größe des gewählten Turmquerschnittes. Im Zentrum des Bauwerkes erhebt sich innen aus dem Boden ein ausgerundeter Kegelstumpf (12), an dessen oberem Endbereich mindestens 2 die gesamte Fläche ausfüllenden gegenläufige horizontal montierte Rotorsysteme (5) ausgeführt sind. Diese Rotorsysteme (5) können aufgrund des großen Durchmessers und der angreifenden Kräfte auf der Außenseite nicht frei laufen, sondern müssen hier stabilisierend geführt werden. Jedes Rotorsystem (5) besitzt hierfür einen äußeren Laufring (26), an dem die Rotorblattenden eingebunden und montiert sind. Die Laufringe (26) rollen über wandseitig montierte stationäre justierbare Laufwägen (27) (Rollenlagerprinzip), so dass die jeweilige Rotorebene (5) lagezentriert und spannungsarm gehalten wird und der Rotor (5) somit schwingungs- und reibungsarm arbeiten kann. Durch jeden Rotor (5) werden mehrere Großgeneratoren, die sich unterhalb des Auslaufkegels (12) befinden, angetrieben. Die Kegelwurzel liegt unterhalb der Geländeoberfläche, verläuft zu den Rändern des Basisbauwerks (4) aerodynamisch wirksam und mündet in einem nach unten gerichteten ca. 120°-Winkel in den Auslaufkranz (28). Der Auslaufkranz (28) ist die Schnittstelle zwischen dem Basisbauwerk (4) und den Kanalbauwerken (7). Sie stellt das untere Ende der Fallstromeinheit dar, ist ringförmig ausgebildet und besitzt in gleichen Abständen auf der Ring-Symmetrieachse liegend mehrere Kreisöffnungen. Die Bodengeometrie des Basisbauwerks (4) ist zu den Kreisöffnungen des Auslaufkranzes (28) hin der Aerodynamik folgend vorteilhaft ausgebildet. Die sphärisch gekrümmten Oberflächen des Stahlbetonbodens sind vorzugsweise vergütet, beschichtet und / oder mit geeignetem Material verkleidet. Auf der Kegelwurzel sind optional Windspoiler montiert, die die Luft nach dem Durchlaufen der Hauptrotoren (5) im Drallmodus halten und energetisiert in die Kreisöffnungen leiten. In den Kreisöffnungen des Auslaufkranzes (28) sitzen hintereinander geschaltete Turbinenanlagen (5), die die Restenergie des Fallstromvorganges abgreifen.The base structure (4) consists in its vertical center of an upward-facing opening with the diameter/size of the selected tower cross-section. In the center of the structure, a rounded truncated cone (12) rises from the ground inside, at the upper end of which at least 2 counter-rotating horizontally mounted rotor systems (5) are installed, filling the entire area. Due to the large diameter and the forces acting on the outside, these rotor systems (5) cannot run freely, but must be guided in a stabilizing manner. Each rotor system (5) has an outer race (26) to which the rotor blade ends are integrated and mounted. The races (26) roll over stationary, adjustable carriages (27) mounted on the wall (roller bearing principle), so that the each rotor plane (5) is kept centered and stress-free, allowing the rotor (5) to operate with little vibration and friction. Each rotor (5) drives several large generators located below the outlet cone (12). The cone root is below the surface of the ground, runs aerodynamically to the edges of the base structure (4) and flows into the outlet ring (28) at a downward angle of approximately 120°. The outlet ring (28) is the interface between the base structure (4) and the channel structures (7). It represents the lower end of the downdraft unit, is ring-shaped, and has several circular openings at equal intervals on the ring's axis of symmetry. The base geometry of the base structure (4) is advantageously designed toward the circular openings of the outlet ring (28) in line with aerodynamics. The spherically curved surfaces of the reinforced concrete floor are preferably tempered, coated and/or clad with suitable material. Wind spoilers are optionally mounted on the cone root, which keep the air in swirl mode after it has passed through the main rotors (5) and direct it energized into the circular openings. Turbine systems (5) connected in series are located in the circular openings of the outlet ring (28), which capture the residual energy of the downdraft process.
Im Basisbauwerk (4) befinden sich Betriebs-, Maschinen- und Wartungseinrichtungen, sowie Vorrichtungen zur Sicherung der Vertikalstabilität der Turmbauwerke (2+3).The base structure (4) contains operating, mechanical and maintenance facilities, as well as devices to ensure the vertical stability of the tower structures (2+3).
Fallstromeinheit - Kanalbauwerke (7):Downdraft unit - canal structures (7):
An die zuvor genannten Turbinenanlagen (5) sind Betonröhren angeschlossen, die die Luft im Untergrund unterhalb der Schirmbauwerke (9) radial nach außen zum Kraftwerksrand leiten. Jeder Kanalstrang besteht aus grundbaustatischen Gründen aus mehreren gleichgerichteten Einzelkanälen (7). Die leicht nach unten gerichteten Betonröhren (7) werden am unteren Scheitelpunkt (Scheitelpunktkreis in etwa in Schirmmitte) wieder nach oben geführt und schließlich jeweils über Verteileranlagen (29) fächerartig in mehrere, nach außen gerichtete Leitungskanäle, die die Luft zwar in mehreren Fraktionen, jedoch im gleichen Gesamt-Volumenstrom in Richtung der Einlaufbauwerke (8) führen.Concrete pipes are connected to the aforementioned turbine systems (5) which guide the air in the subsoil beneath the umbrella structures (9) radially outwards to the edge of the power plant. For structural reasons, each channel consists of several individual channels (7) directed in the same direction. The concrete pipes (7) which are directed slightly downwards are led upwards again at the lower apex (apex circle approximately in the middle of the umbrella) and finally, via distributor systems (29), are fanned out into several outward-facing ducts which guide the air in several fractions but at the same total volume flow towards the intake structures (8).
Da zwischen Basisbauwerk (4) und Einlaufbauwerk (8) ca. 2-3 km liegen können und damit das Segmentverhältnis zwischen den beiden Bauwerken bei ca. 1:12 liegt (heißt, dass der Segmentabschnitt des Einlaufbauwerks (8) um den Faktor 12 länger ist als der des Auslaufkranzes (28)), müssen sich die Kanalbauwerke (7) im Bereich vor dem Einlaufbauwerk (8) abschnittssymmetrisch auffächern, so dass die gesamte Segmentlänge desselben beim Einlaufvorgang in die Aufwindeinheit möglichst gleichmäßig mit Luft umspült ist und dadurch systemstörende und wirkungsgradschädliche Turbulenzen verhindert werden.Since there can be approximately 2-3 km between the base structure (4) and the inlet structure (8) and thus the segment ratio between the two structures is approximately 1:12 (i.e. the segment section of the inlet structure (8) is 12 times longer than that of the outlet ring (28)), the channel structures (7) in the area in front of the inlet structure (8) must fan out symmetrically so that the entire length of the segment is flushed with air as evenly as possible during the inlet process into the updraft unit, thus preventing turbulence that disrupts the system and is detrimental to efficiency.
In den nach oben gerichteten Kanalbereichen (7) wird die bedingt durch den Fallstromprozess noch kalte Luft bereits vorgewärmt, wodurch der Volumenstrom bereits einen Auftrieb erfährt. Die Temperaturzufuhr erfolgt über im Innenbereich der Kanalröhren (7) wirksame Wärmetauscher-Vorrichtungen, welche aus den Massivwärmespeicher der Vorfeldeinheit mit Wärme versorgt werden. Die hierdurch entstehende / abgeführte Prozesskälte wird über gedämmte Leitungen zur weiteren industriellen Verwendung abgeführt.In the upward-facing channel areas (7), the air, which is still cold due to the downdraft process, is preheated, which causes the volume flow to rise. The temperature is supplied via heat exchangers in the interior of the channel tubes (7), which are supplied with heat from the massive heat storage units of the apron unit. The process cold generated/dissipated in this way is discharged via insulated pipes for further industrial use.
Die unterirdischen röhrenartig aufgefächerten Zuluftkorridore (7) enden im Einlaufbauwerk (8) am äußeren Schirmrand, welcher die Schnittstelle zwischen den Kanalbauwerken (7) und der Aufwindeinheit darstellt. Bevor der Luftstrom nach oben in die Aufwindeinheit gelenkt wird, kann noch eine Turbinenreihe vorgeschaltet werden.The underground, tube-like supply air corridors (7) end in the inlet structure (8) at the outer edge of the screen, which represents the interface between the duct structures (7) and the updraft unit. Before the air flow is directed upwards into the updraft unit, a row of turbines can be installed upstream.
Einlaufbauwerk (8):Inlet structure (8):
Das Einlaufbauwerk (8) stellt die zentrale Schnittstelle zwischen den unterirdischen Kanalbauwerken (7) und den Schirmanlagen (9) der Aufwindeinheit dar. Es umfasst ringförmig das gesamte Kraftwerk und bildet dessen äußeren Abschluss.The intake structure (8) represents the central interface between the underground channel structures (7) and the screen systems (9) of the updraft unit. It surrounds the entire power plant in a ring shape and forms its outer closure.
Das Einlaufbauwerk (8) besitzt im Schnitt gesehen eine nach oben gerichtete halbkreisförmige Ausführung. Der unterirdische Teil des Einlaufbauwerkes (8) besteht aus mineralischem Massivbau (die halbkreisförmigen Oberflächen sind vorzugsweise vergütet oder mit geeignetem Material verkleidet) und endet ca. in Höhe der Geländeoberfläche. Oberhalb der Geländeoberfläche bestehen die Baukörper aus transparenten Luftkissen (30), die nahtlos in die sphärisch gekrümmt ausgeführten Schirmbauwerke (9) übergehen.The inlet structure (8) has a semicircular design pointing upwards when viewed in cross-section. The underground part of the inlet structure (8) consists of solid mineral construction (the semicircular surfaces are preferably coated or covered with suitable material) and ends approximately at the level of the ground surface. Above the ground surface, the structures consist of transparent air cushions (30) that merge seamlessly into the spherically curved umbrella structures (9).
Die gasgefüllten Kissen (30) im Bereich des Einlaufbauwerkes (8) bestehen aus durchsichtiger, temperatur-, uv- und alterungsbeständiger, hochreißfester und faserbewehrter Kunststofffolie. Die Innenseite der unteren Folienkissenschicht enthält eine geeignete Beschichtung, um reflektierte Sonnenstrahlung und Streulicht in den Innenraum zurückzuspiegeln. Die Kissenbauteile (30) können mit transluzenten flexiblen bifacialen Solarzellen appliziert werden.The gas-filled cushions (30) in the area of the inlet structure (8) consist of transparent, temperature-, UV- and ageing-resistant, highly tear-resistant and fiber-reinforced plastic film. The inside of the The lower foil cushion layer contains a suitable coating to reflect reflected solar radiation and scattered light back into the interior. The cushion components (30) can be applied with translucent flexible bifacial solar cells.
Um den Luftzufluss aus den Kanalbauwerken (7) in die Aufwindeinheiten für geplante Betriebsunterbrechungen zu sperren, kann nach den Turbineneinheiten im Bereich des Einlaufbauwerks (8) jeweils eine Abschottvorrichtung analog der der Fallstromeinheit ausgeführt werden. Der ankommende Volumenstrom aus der Fallwindeinheit wird dann umgelenkt und kann über steuerbare Öffnungen am Beginn der Kissenebene (30) nach außen entweichen. Hierdurch können dann von der Wartung unbeteiligte Segmente weiterlaufen und müssen nicht mit abgeschaltet werden.In order to block the air flow from the duct structures (7) into the updraft units for planned interruptions in operation, a sealing device similar to that of the downdraft unit can be installed after the turbine units in the area of the inlet structure (8). The incoming volume flow from the downdraft unit is then diverted and can escape to the outside via controllable openings at the beginning of the cushion level (30). This means that segments not involved in maintenance can continue to run and do not have to be shut down.
Aufwindeinheit - Schirmbauwerke (9):Updraft unit - umbrella structures (9):
Die Aufwindeinheit beginnt beim Einlaufbauwerk (8) mit dem äußeren Schirmrand. Die gasgefüllten Kissen (30) des Einlaufbauwerkes (8) schließen flächig und übergangslos an die Traggaskissen (30) der Schirmbauwerke (9) gleicher Bauart an. Ab hier beginnen die Schirmbauwerke (9) mit ihrer spiralförmig ausgeführten, organisch und sphärisch geschwungenen sowie aerodynamisch wirksamen Geometrie.The updraft unit begins at the inlet structure (8) with the outer edge of the canopy. The gas-filled cushions (30) of the inlet structure (8) connect flatly and seamlessly to the lifting gas cushions (30) of the canopy structures (9) of the same design. From here, the canopy structures (9) begin with their spiral-shaped, organically and spherically curved and aerodynamically effective geometry.
Alle Gaskissen (30) der Schirme (9) sind aus durchsichtiger, temperatur-, uv- und alterungsbeständiger, hochreißfester und faserbewährter Kunststofffolie konfektioniert. Die Innenseite der oberen Folienkissenschicht enthält eine geeignete Beschichtung, um vom Schirminnenraum reflektierte Sonnenstrahlung und Streulicht auf den Schirmboden zurückzuspiegeln, um somit Strahlungsenergie im System zu halten.All gas cushions (30) of the umbrellas (9) are made of transparent, temperature-, UV- and ageing-resistant, highly tear-resistant and fiber-tested plastic film. The inside of the upper film cushion layer contains a suitable coating to reflect solar radiation and scattered light reflected from the interior of the umbrella back onto the umbrella base in order to keep radiant energy in the system.
Die Kissenbauteile (30) der Schirmbauwerke (9) können mit transluzenten flexiblen bifacialen Solarzellen ausgestattet werden.The cushion components (30) of the umbrella structures (9) can be equipped with translucent flexible bifacial solar cells.
Die Kissen (30) besitzen alle die gleiche Geometrie und Größe, sind formschlüssig aufeinander angepasst und sind vorzugsweise sechseckig (aber auch dreieckig oder trapezförmig) ausgebildet.The cushions (30) all have the same geometry and size, are form-fittingly adapted to one another and are preferably hexagonal (but also triangular or trapezoidal) in shape.
So wird im gesamten Schirmbauwerk (9) nur eine in Form und Größe identische Kissenvariante (30) verbaut. Infolge dieser speziellen kraft- und formschlüssigen Montagevernetzung und des Gasdrucks in den Kissen (30) entsteht im Schirmbauwerk (9) Steifigkeit, Stabilität und Zähigkeit aber auch Elastizität gegenüber inneren und äußeren Kräften.Only one cushion variant (30) identical in shape and size is installed in the entire umbrella structure (9). As a result of this special force- and form-fitting assembly network and the gas pressure in the cushions (30), the umbrella structure (9) is stiff, stable and tough, but also elastic to internal and external forces.
Die Abmessungen der Kissen (30) bewegt sich in der Größenordnung von ca. 5-8m Seitenlänge und ca. 2-3m Dicke. Jedes Kissen (30) wird zentral überwacht und drucktechnisch busgesteuert, so dass auftretende Störungen frühzeitig erkannt und kurzfristig behoben werden können.The dimensions of the cushions (30) are in the order of magnitude of approximately 5-8m side length and approximately 2-3m thickness. Each cushion (30) is monitored centrally and controlled by a printing bus, so that any malfunctions can be detected early and rectified quickly.
Die Kissen (30) der Schirmeinheit (9) bilden je Segment (13) eine leicht nach oben gewölbte Form aus. Das wird durch eine bauliche Überhöhung der jeweiligen Segmentfläche erreicht. Die Segmentkissenmodule (30) werden zum Teil mit Pressluft gefüllt und sind bezüglich ihrer Formgebung und Lagesicherung so konzipiert, dass sie bei ihrem vorgesehenen inneren Betriebsdruck infolge gegenseitigem Flankenanpressdruck als Einheit sphärisch nach oben ausweichen und sich gegenseitig durch Kraftschluss in Form halten.The cushions (30) of the shield unit (9) form a slightly upwardly curved shape for each segment (13). This is achieved by structurally raising the respective segment surface. The segment cushion modules (30) are partially filled with compressed air and are designed in terms of their shape and positional security in such a way that, at their intended internal operating pressure, they deflect spherically upwards as a unit due to mutual flank contact pressure and hold each other in shape through frictional engagement.
Die Einzelkissen (30) sind alle gasgefüllt. Zur Stabilisierung der sphärischen Form sind zumindest einige Segmentbereiche mit Traggas (H2 oder He) gefüllt.The individual cushions (30) are all filled with gas. To stabilize the spherical shape, at least some segment areas are filled with lifting gas (H 2 or He).
Im Kopfbereich der Segmenttrennwände (18) sind jeweils beidseitig trapezförmige Ausklinkungen in Abmessung eines halben Gaskissens (30), die Ankerblöcke (39), vorgesehen. Zwischen den Ankerblöcken (39) sind Sicherungsbänder (31) montiert, welche die Einzelkissen (30) untereinander mittels diesen Carbonseilen oder -bändern (31), die über die gesamten Segmentweiten gespannt sind, verbunden, gehalten und somit lagegesichert. Die Seile oder Bänder (31) verlaufen in kissenrandintegrierten Verwahrvorrichtungen der Einzelkissen (30) (z.B. Schlaufen oder Schläuche), um einem internen Spannungsaufbau oder einem dynamischen materialschädlichem Scheuern an den Kissen vorzubeugen und somit die Standzeit und die Wartungsintervalle der Kissen (30) zu verlängern und die Betriebssicherheit zu erhöhen. Durch diese baulichen Maßnahmen wird der gesamte Sektor (13) formstabil gehalten.In the head area of the segment partition walls (18), trapezoidal notches the size of half a gas cushion (30), the anchor blocks (39), are provided on both sides. Between the anchor blocks (39) are mounted securing straps (31) which connect the individual cushions (30) to one another using these carbon ropes or straps (31), which are stretched across the entire segment width, and hold them in place, thus securing them in position. The ropes or straps (31) run in storage devices of the individual cushions (30) integrated into the cushion edge (e.g. loops or hoses) in order to prevent an internal build-up of tension or dynamic chafing on the cushions that is damaging to the material, thus extending the service life and maintenance intervals of the cushions (30) and increasing operational safety. These structural measures keep the entire sector (13) dimensionally stable.
Entlang der oberen Scheitelpunktlinie der Schirmbauwerke (9) verläuft ein Wasserleitungsschlauch mit Sprühvorrichtung zur Schirmreinigung (Staub und Sand).A water pipe with a spray device for cleaning the umbrella (dust and sand) runs along the upper apex line of the umbrella structures (9).
Die massiven Segmenttrennwände (18) stellen den seitlichen Abschluss der Teilsegmente (13) untereinander dar und dienen praktisch als Widerlager, als „Backbone“, für die Schirmbauwerke (9). Auf der Mauerkrone der Segmenttrennwände (18) ist eine Entwässerungsrinne zur Waschwasser- und Reinigungsgutentsorgung ausgebildet.The solid segmental partition walls (18) form the lateral closure of the sub-segments (13) and serve as abutments, as a "backbone", for the screen structures (9). A drainage channel for washing water and cleaning waste disposal is formed on the top of the wall of the segmental partition walls (18).
Die untere Ebene der Schirmsegmente (13) der Aufwindeinheit, die Bodenplatten, beginnen bei den Segmenttrennwänden (18), bildet im Querschnitt gespiegelt die gleiche sphärische Form nach unten aus und besteht aus mineralischem Massivbau. Die aufgesetzten dunklen Oberflächen sind ebenfalls sphärisch gekrümmt und vorzugsweise vergütet oder blechverkleidet.The lower level of the canopy segments (13) of the updraft unit, the base plates, begin at the segment partition walls (18), form the same spherical shape downwards in cross-section and are made of solid mineral construction. The dark surfaces attached are also spherically curved and preferably coated or covered with sheet metal.
Die sphärisch gekrümmten oberen Schirmsegmente (13) und die geometrisch gespiegelten Bodenflächen bilden im offenen Querschnitt jeweils annähernd eine Ellipse ab, die über die gesamten Spiralsegmente (13) querschnittsverjüngend zum Kraftwerkszentrum hin verlaufen und an den jeweiligen Aufwindkaminen (3) am Basisbauwerk (4) enden.The spherically curved upper canopy segments (13) and the geometrically mirrored floor surfaces each form an approximately ellipse in the open cross-section, which runs across the entire spiral segments (13) with a cross-section tapering towards the power plant centre and ends at the respective updraft chimneys (3) on the base structure (4).
In der Bodenplatte eines jeden Schirmsegmentes (13) ist an thermisch wirksamen Stellen ein gleichmäßig flächig ausgebildetes Leitungsnetz (ähnlich Heizestrich) vorgesehen, durch das in ausgewählten Zeitfenstern bedarfsgesteuert das warme Vorlaufwasser der Massivwärmespeicher (14) der Vorfeldeinheit gepumpt wird, die Bodenplatte somit erhitzt und die darüberstreichende Luft erwärmt.In the base plate of each screen segment (13), a uniformly flat pipe network (similar to heated screed) is provided at thermally effective points, through which the warm feed water of the solid heat storage tank (14) of the apron unit is pumped in selected time windows as required, thus heating the base plate and warming the air passing over it.
Die massiven Segmenttrennwände (18) beginnen am Einlaufbauwerk (8), folgen spiralförmig den Schirmsegmenten (13) zum Kraftwerkszentrum und enden am Basisbauwerk (4). Sie bilden das statische Hauptgerüst der Schirmbauwerke (13) der Aufwindeinheit. Hier werden die Schirmbauwerke (13) mit Technik und Medien (Wartungsgänge, Wasser, Gase, Energie, MSR u.dgl.) versorgt. Hier liegen auch die Vorlaufleitungen zur Wärmeversorgung der Bodenplatten. Am unteren Scheitel der Bodenplatten sind die Rücklaufleitungen der Heizkreise positioniert. Unterhalb der Bodenplatte befindet sich eine vorzugsweise mineralische Wärmedämmschicht zur Prozesswärmesicherung.The solid segment partition walls (18) begin at the inlet structure (8), follow the umbrella segments (13) in a spiral to the power plant center and end at the base structure (4). They form the main static framework of the umbrella structures (13) of the updraft unit. This is where the umbrella structures (13) are supplied with technology and media (maintenance corridors, water, gases, energy, MSR, etc.). This is also where the supply lines for supplying heat to the floor slabs are located. The return lines for the heating circuits are positioned at the lower apex of the floor slabs. Below the floor slab there is a preferably mineral thermal insulation layer to safeguard process heat.
Aufwindeinheit - Basisbauwerk (4):Updraft unit - base structure (4):
Am äußeren Rand des Basisbauwerks (4) befindet sich der Einlaufring mit den Einlauftrichtern, an denen die Schirmsegmente (13) der Aufwindeinheit angeschlossen sind. An dieser Stelle findet eine Änderung der horizontalen Strömungsrichtung nach oben in die Vertikale statt. Hierfür wird baulich eine möglichst sanfte langgezogenen sphärisch und aerodynamisch günstige 90°- Kurve in Form eines Kniestücks vorgegeben. Darüber befindet sich jeweils das Turbinenhaus mit wieder mindestens 2 gegenläufigen Rotoren (5). Das Turbinenhaus bildet den Abschluss des Basisbauwerks (4) der Aufwindeinheit. Oberhalb der Turbinenhäuser sind die Aufwindkamine (3) angeschlossen.On the outer edge of the base structure (4) is the inlet ring with the inlet funnels to which the umbrella segments (13) of the updraft unit are connected. At this point, the horizontal flow direction changes upwards to the vertical. For this, the structure provides a 90° curve in the form of an elbow that is as gentle as possible and is elongated, spherical and aerodynamically favorable. Above this is the turbine house with at least 2 counter-rotating rotors (5). The turbine house forms the end of the base structure (4) of the updraft unit. The updraft chimneys (3) are connected above the turbine houses.
Aufwindeinheit - Kaminbauwerke (3):Updraft unit - chimney structures (3):
Die Kamine (3) der Aufwindeinheit bestehen zwischen der Ringplattform 2 (19) und dem Basisbauwerk (4) aus schlauchartigen Gaskissen (22), die aus transparenter Kunststofffolie gefertigt sind. Hintergrund hier ist, dass die Luftmassen in den Kaminen (3) noch möglichst viel Solarenergie erhalten sollen.The chimneys (3) of the updraft unit consist of tube-like gas cushions (22) made of transparent plastic film between the ring platform 2 (19) and the base structure (4). The background here is that the air masses in the chimneys (3) should receive as much solar energy as possible.
Diese Gaskissen (22) sind vertikal ausgerichtet und bilden radial aneinander gereiht montiert einen Kaminkreisturm (3). Sie reichen vom Basisbauwerk (4) bis zur Ringplattform 2 (19) in der Zielhöhe der Kaminköpfe. Die Gaskissen (22) sind einteilige Schlauchkissen und befinden sich in einer Husse. Diese Husse ist eine transparente einteilige schlauchartige Aufnahme-, Stabilisierungs- und Schutzhülle, die unten am Basisbauwerk (4) und oben an der Ringplattform 2 (19) fest montiert und angeschlossen ist. Die Hussen sind untereinander an ihren senkrechten Berührungsflächen verbunden. Hintergrund für diese Bauweise ist eine schnelle Bauart sowie die Möglichkeit des kurzfristigen reversiblen Austausches defekter Kissen (22) unter Volllast ohne Beeinträchtigung des laufenden Betriebes, da das temporäre Fehlen eines Kissens die Statik infolge der untereinander verbundenen und sich gegenseitig aussteifenden Systembauteile (Turm, Kamine, vorgehängte Fassadenfolien etc.) nicht signifikant beeinträchtigt.These gas cushions (22) are aligned vertically and, when mounted radially next to one another, form a circular chimney tower (3). They extend from the base structure (4) to the ring platform 2 (19) at the target height of the chimney heads. The gas cushions (22) are one-piece hose cushions and are located in a cover. This cover is a transparent one-piece hose-like receiving, stabilizing and protective cover that is firmly mounted and connected to the base structure (4) at the bottom and to the ring platform 2 (19) at the top. The covers are connected to one another at their vertical contact surfaces. The reason for this design is a quick construction method and the possibility of quickly and reversibly replacing defective cushions (22) under full load without affecting ongoing operations, since the temporary absence of a cushion does not significantly affect the statics due to the interconnected and mutually stiffening system components (tower, chimneys, curtain wall films, etc.).
Zur senkrechten Stabilisierung der röhrenartigen Grundform der Kamine (3) sind zumindest einige Kissen gemäß den Ergebnissen der Tragwerksplanung mit Traggas (wie z.B. H2 oder He) bestückt, die restlichen Kissen (22) sind mit Druckluft gefüllt. Die Einzelkissen (22) sind alle in gleicher Bauart, Bauhöhe und gleichem Durchmesser hergestellt und werden busüberwacht gesteuert (Druck kann erhöht oder verringert werden).To vertically stabilize the tubular basic shape of the chimneys (3), at least some of the cushions are filled with lifting gas (such as H 2 or He) according to the results of the structural planning, the remaining cushions (22) are filled with compressed air. The individual cushions (22) are all manufactured in the same design, height and diameter and are controlled via bus monitoring (pressure can be increased or decreased).
Die gasgefüllten Kissen (22) sind untereinander sowohl horizontal ringförmig als auch in der Vertikalen mittels Carbonseil- oder -gurtsystemen straff gehalten und somit lagegesichert. Alternativ hierzu kann auch ein Stabilisationshüllnetz verwendet werden.The gas-filled cushions (22) are held taut both horizontally in a ring shape and vertically by means of carbon rope or belt systems and are thus secured in position. Alternatively, a stabilization net can also be used.
Die vertikalen Bänder erstrecken sich vom Basisbauwerk (4) zur Ringplattform 2 (19), womit die Plattform und die Kissen (22) flexibel gehalten aber dennoch stabilisiert und lagegesichert werden, so dass die Anlage Stürme unbeschadet überstehen kann. Die Bänder sind kissenschonend in Verwahrvorrichtungen (z.B. Schlaufen oder Schläuche) gelagert. Ferner sind die Vertikalbänder darüber hinaus mit einer in der Länge mehrfach vorhandenen hydraulischen Dämpfung (Biege- und Torsionszugentlastungs- und -dämpfungsvorrichtungen) ausgestattet, damit Windeinwirkungen auf die Vertikalbauwerke gedämpft werden, diese somit formstabil bleiben, das Material damit geschont wird und die Witterung somit keinen Einfluss auf die Betriebssicherheit hat.The vertical bands extend from the base structure (4) to the ring platform 2 (19), which keeps the platform and the cushions (22) flexible but still stabilizes and secures them in position so that the system can survive storms undamaged. The bands are stored in storage devices (e.g. loops or hoses) to protect the cushions. The vertical bands are also equipped with hydraulic damping (bending and torsional strain relief and damping devices) located several times along their length so that wind effects on the vertical structures are dampened, they therefore remain dimensionally stable, the material is protected and the weather has no influence on operational safety.
Um die im Inneren der Kamine (3) durch die Kissenrundungen vorhandenen geometrischen Unstetigkeiten zu egalisieren und um somit störende Verwirbelungen zu vermeiden, sind die Kamininnenwände senkrecht mit einer dünnen transparenten Folienfassade (32) ausgekleidet und an die Hussen montiert. Die einzelnen Fassadenmodule (32) sind vergleichbar einer Bieberschwanzdacheindeckung nach oben und seitlich gerichtet leicht überlappend montiert, so dass sich der Aufluftstrom nicht in einer Montagefuge fangen und die Innenfassade (32) zerstören kann.In order to even out the geometric discontinuities inside the chimneys (3) caused by the cushion curves and thus to avoid disturbing turbulence, the chimney interior walls are lined vertically with a thin transparent foil facade (32) and mounted to the covers. The individual facade modules (32) are mounted in a similar way to a plain roof covering, slightly overlapping upwards and to the sides, so that the air flow cannot get caught in an assembly joint and destroy the interior facade (32).
Die innere Fassadenfolie (32) besitzt eine Mikroperforation, aus der gleichmäßig Druckluft entweicht, welche permanent automatisch nachgeliefert wird. Die Druckluft wird in der Staudruckkammer (51) gesammelt und durch den Aufwindstrom des jeweiligen Kamins (3) gespeist. Die Staudruckkammer (51) entsteht aus der Geometrie von zwei benachbarten Aufwindkamingaskissen (22) und der Innenfassadenfolie (32). Die Druckluft wird im unten liegenden Einlaufbereich des jeweiligen Kamins (3) über steuerbare Ableitklappen aus dem Aufwindstrom in die jeweilige Staudruckkammer (51) abgezweigt und kann nur durch die Mikroperforation entweichen. Der Überdruck entsteht infolge des dynamischen Volumenstromes.The inner facade foil (32) has a micro-perforation from which compressed air escapes evenly, and is automatically replenished on a permanent basis. The compressed air is collected in the dynamic pressure chamber (51) and fed by the updraft flow of the respective chimney (3). The dynamic pressure chamber (51) is created from the geometry of two adjacent updraft chimney gas cushions (22) and the inner facade foil (32). The compressed air is diverted from the updraft flow into the respective dynamic pressure chamber (51) in the lower inlet area of the respective chimney (3) via controllable discharge flaps and can only escape through the micro-perforation. The overpressure is created as a result of the dynamic volume flow.
Hintergrund hierfür ist, dass infolge der Aufwärtsbewegung des Aufwindstromes innenwandseitig aus der aus den „Mikrodüsen“ austretenden Luft zuerst ein dünner Gasfilm entsteht woraus sich dann flächig eine walzenförmige Mikroverwirbelung bildet, auf deren Luftwirbel-Scheitelpunkten der Aufluftstrom weitgehend (ohne die Wand zu berühren) reibungsminimierend und somit wirkungsgraderhöhend nach oben abgeführt wird und entweichen kann.The reason for this is that, as a result of the upward movement of the updraft flow, a thin gas film is first formed on the inner wall side from the air emerging from the "micro nozzles", from which a cylindrical micro vortex is then formed over a large area, at the air vortex peaks of which the updraft flow is largely discharged upwards (without touching the wall) and can escape, minimising friction and thus increasing efficiency.
Alternativ hierzu kann auch eine klassische Folienauskleidung (idealerweise dann mit Lotusblatteffekt beschichtet) ausgeführt werden, um die Reibungswiderstände zu minimieren. Die Folienfassaden (32) der Kaminbauwerke (3) sind innenseitig mit einer geeigneten reflektierenden Beschichtung versehen, um die eintretende Wärmestrahlung im Kamin (3) zu akkumulieren und zu halten.Alternatively, a classic foil lining (ideally coated with a lotus leaf effect) can be used to minimize frictional resistance. The foil facades (32) of the chimney structures (3) are provided with a suitable reflective coating on the inside in order to accumulate and retain the incoming heat radiation in the chimney (3).
Um die vertikalen Kaminbauwerke (3) vor windgeführtem Staub- und Sandeintrag zu bewahren und somit die Einzelkissen (22) und deren Fugen vor übermäßigem Verschleiß zu schützen, wird eine die Bauteile vollständig umhüllende vorgehängte Folienfassade (33) ausgeführt.In order to protect the vertical chimney structures (3) from wind-borne dust and sand ingress and thus to protect the individual cushions (22) and their joints from excessive wear, a curtain film facade (33) is constructed that completely envelops the components.
Die äußere Folienfassade (33) ist an den Bauteilen so straff befestigt bzw. liegt so eng an, dass sie in Wind und Sturm nicht flattert, ist aber doch so elastisch, dass sie alle Biege- und Torsionsbewegungen der Kaminbauwerke (3) schadlos mitmacht. Die Folienfassade (33) besteht aus durchsichtiger, uv- und alterungsbeständiger, hochreißfester und faserbewährter Kunststofffolie. Die Folienfassade (33) besteht aus Fassadenteilsegmenten, welche miteinander lösbar, zugelastisch und staubdicht verbunden sind.The outer foil facade (33) is attached to the components so tightly that it does not flap in wind and storms, but is still elastic enough that it follows all bending and torsional movements of the chimney structures (3) without damage. The foil facade (33) consists of transparent, UV and ageing-resistant, highly tear-resistant and fiber-tested plastic foil. The foil facade (33) consists of facade segments that are detachably, elastically and dust-tightly connected to one another.
Es können sowohl die Hussen als auch die äußeren Folienfassaden (33) der Kaminbauwerke (3) mit transluzenten flexiblen bifacialen Solarzellen ausgestattet werden.Both the covers and the outer foil facades (33) of the chimney structures (3) can be equipped with translucent flexible bifacial solar cells.
Die Aufwindkamine (3) sind in der Zielhöhe an der Ringplattform 2 (19) angeschlossen. Hier werden die Kaminköpfe lagefixiert. Die Ringplattform 2 (19) besteht aus nachhaltig wetterbeständigem Leichtbaumaterial (z.B. Alu, Kunststoff, Schaummetall und / oder Verbundmaterial). Die Höhe der Ringplattform 2 (19) liegt unterhalb der Höhe des Scheitels des Turmkopfes der Fallstromeinheit.The updraft chimneys (3) are connected to the ring platform 2 (19) at the target height. This is where the chimney heads are fixed in position. The ring platform 2 (19) is made of sustainably weather-resistant lightweight material (e.g. aluminum, plastic, foam metal and/or composite material). The height of the ring platform 2 (19) is below the height of the top of the tower head of the downdraft unit.
Auf der Ringplattform 2 (19) ist im Bereich über den Kaminköpfen der Aufwindeinheiten jeweils eine Abluft-Abweis-Vorrichtung (40) (Diffusor / Abweisspoiler) fest montiert vorgesehen, die einerseits den jeweiligen ausströmenden Luftstrom nach außen gebogen ablenkt und andererseits aber gleichzeitig die aufwärtsgerichtete Kraft (F) des jeweiligen Aufwindstromes teilweise nutzt, um die Ringplattform 2 (19) nach oben zu drücken und somit zur Gewichtskraftreduzierung der Plattform (19) beiträgt. Der Abweiswinkel der Abluft-Abweis-Vorrichtung (40) ist jeweils veränderlich steuerbar. So wird die gesamte Vertikalstruktur des Kraftwerks zusätzlich lagestabilisiert.On the ring platform 2 (19), in the area above the chimney heads of the updraft units, an exhaust air deflector device (40) (diffuser / deflector spoiler) is permanently mounted, which on the one hand deflects the respective outflowing air stream in an outward direction and on the other hand simultaneously deflects the upward directed force (F) of the respective updraft is partially used to push the ring platform 2 (19) upwards and thus contributes to reducing the weight of the platform (19). The deflection angle of the exhaust air deflection device (40) can be varied and controlled. This additionally stabilizes the position of the entire vertical structure of the power plant.
Hintergrund der Maßnahmen ist neben den Stabilisierungsvorteilen, dass die in den Fallstromturm einfließende Luft so kalt wie möglich sein soll und dass keine Wärmelast aus der Kraftwerksabluft hier eingetragen werden darf.In addition to the stabilization benefits, the background to the measures is that the air flowing into the downdraft tower should be as cold as possible and that no heat load from the power plant exhaust air should be introduced here.
Die Vorrichtungen (40) sind in ihrer Form so ausgebildet, dass es in den Kaminen (3) zu keinem signifikanten wirkungsgradmindernden Staudruck kommt.The devices (40) are designed in such a way that no significant efficiency-reducing back pressure occurs in the chimneys (3).
Um die Aufwindkamine (3) für geplante Betriebsunterbrechungen zu sperren und somit zugfrei zu halten, ist in Ebene der Ringplattform 2 (19) eine Abschottvorrichtung analog der der Fallstromeinheit ausgeführt.In order to close the updraft chimneys (3) for planned interruptions in operation and thus keep them draught-free, a sealing device analogous to that of the downdraft unit is installed at the level of the ring platform 2 (19).
Die Ausführung der Aufwindkamine (3) kann auch in Form von horizontal übereinander gestapelten Segment- oder Ringmodul-Kissenbauteilen erfolgen.The updraft chimneys (3) can also be designed in the form of segment or ring module cushion components stacked horizontally on top of each other.
Vorfeldeinheit (47):Front unit (47):
Die Vorfeldeinheit (47) dient zur Aufnahme und zum Speichern von Prozesswärme und zur Abgabe und Versorgung des Kraftwerks (1) (in der Aufwindeinheit) mit Sekundärenergie in Zeiten ohne Sonnenstrahlung. Das Vorfeld (47) besteht aus einem engen System vieler geometrisch gleicher autarker mineralischer Massivwärmespeicher (14) (Lademodule), die um das Kraftwerk (1) ringförmig angeordnet sind. Jedes Segment (13) der Aufwindeinheit wird von dem geometrisch direkt angrenzenden Vorfeldsegment im Bedarfsfall wärmetechnisch versorgt.The apron unit (47) is used to absorb and store process heat and to release and supply the power plant (1) (in the updraft unit) with secondary energy in times without solar radiation. The apron (47) consists of a tight system of many geometrically identical, self-sufficient mineral solid heat storage units (14) (charging modules) that are arranged in a ring around the power plant (1). Each segment (13) of the updraft unit is supplied with heat by the geometrically directly adjacent apron segment when required.
Die Massivwärmespeichermodule (14) sind alle in gleicher Quaderform standardmäßig ausgebildet (Maße z.B. ca. 10m x 10m x 3-5m) und platzsparend Speichermodul an Speichermodul auf einer wärmedämmenden mineralischen Schüttung gebettet (z.B. Blähton, Ziegelgranulat, Schaumglassand o.dgl.). Oberhalb der Speichermodule (14) ist eine dunkel eingefärbte „Aufheiz-Betonplatte“, der Absorber (17) angeordnet. Diese obere Wärmeempfängerplatte (17) ist vom eigentlichen Massivspeicher (14) im Untergrund thermisch getrennt (Vermeidung der Nachtauskühlung). Die Platte (17) ist auf einer geeigneten dämmenden Trennschicht lagegesichert elastisch gebettet. Jedes Speicherblockmodul (14) besitzt je einen integrierten Ladekreislauf und einen Versorgungskreislauf (analog Heizestrich), die beide unabhängig voneinander geschaltet werden können.The solid heat storage modules (14) are all designed in the same standard cuboid shape (dimensions e.g. approx. 10m x 10m x 3-5m) and are embedded in a space-saving manner, storage module to storage module, on a heat-insulating mineral fill (e.g. expanded clay, brick granulate, foam glass sand or similar). A dark-colored "heating concrete slab", the absorber (17), is arranged above the storage modules (14). This upper heat receiver plate (17) is thermally separated from the actual solid storage (14) in the subsurface (preventing night-time cooling). The plate (17) is elastically embedded in a position-secured, suitable insulating separating layer. Each storage block module (14) has an integrated charging circuit and a supply circuit (similar to heated screed), both of which can be switched independently of one another.
Der Ladekreis besteht aus einem gewunden und räumlich gleichmäßig ausgebildeten vertikal orientierten Leitungsnetz, in dem das Trägermedium Wasser von einer Umwälzpumpe angetrieben wird, die „Kalt- bzw. Lade-Wasser“ nach oben in die Heizplatte (17) befördert, wo es sich erhitzt und als „Warm-Wasser“ wieder nach unten in die Speichermodule (14) zurück gepumpt wird und somit die Temperatur im Betonblock (14) erhöht.The charging circuit consists of a winding and spatially uniformly formed vertically oriented pipe network in which the carrier medium water is driven by a circulation pump that transports "cold or charging water" upwards into the heating plate (17), where it is heated and pumped back down into the storage modules (14) as "warm water", thus increasing the temperature in the concrete block (14).
Der Versorgungskreislauf liegt nur innerhalb den Massivspeichern (14) vor, besteht aus einem gewunden und räumlich gleichmäßig ausgebildeten horizontal orientiertem Leitungsnetz, in dem das Trägermedium Wasser von einer Umwälzpumpe angetrieben wird, die „Kalt-Wasser“ nach innen in den Massivwärmespeicher (14) befördert, wo es sich erhitzt und als „Warm-Wasser“ nach außen zu einem Wärmetauscher gepumpt wird, der den Versorgungsvorlauf für ein Aufwindsegment erwärmt. Die hierfür notwendige technische Infrastruktur ist in den Technikbuchten (36) der Wartungsgänge (35) verbaut. Vor- und Rücklaufleitungen für die Sektorenversorgung (13) sind entlang den Wartungsgängen (35) verlegt.The supply circuit is only present within the massive storage tanks (14) and consists of a winding and spatially uniform horizontally oriented pipe network in which the carrier medium water is driven by a circulation pump that transports "cold water" inwards into the massive heat storage tank (14), where it is heated and pumped outwards as "hot water" to a heat exchanger that heats the supply flow for an updraft segment. The technical infrastructure required for this is installed in the technical bays (36) of the maintenance corridors (35). Supply and return lines for the sector supply (13) are laid along the maintenance corridors (35).
Unterhalb der Massivwärmespeichermodule (14) verlaufen jeweils an den Schnittstellen zweier Speichermodulreihen befahrbare Wartungs- und Versorgungstunnels (35), die strahlenförmig nach außen gerichtet sind. Entlang dieser Trassen (35) sind in den TechnikBuchten (36) sowohl die Lade- und Versorgungsinfrastrukturen der Speichereinheiten (14) als auch die Vor- und Rückläufe für die Nachtversorgung der Aufwindeinheiten angeordnet. Below the massive heat storage modules (14), at the interfaces between two rows of storage modules, there are drivable maintenance and supply tunnels (35) that radiate outwards. Along these routes (35), the charging and supply infrastructures for the storage units (14) as well as the supply and return lines for the night supply of the updraft units are arranged in the technical bays (36).
Oberhalb der Heizplattenebene (17) ist in mehreren Metern Höhe flächig horizontal ein Netz (15) (ähnlich Maschendraht o.dgl.) gespannt. Das Netz (15) wird von stabförmigen vertikalen Bauteilen (z.B. Stahlrohren o.dgl.) gespannt in der Waagerechten gehalten. Das Netz (15) ist nach außen zum Vorfeldrand hin leicht abfällig und umgekehrt zum Rand des Aufwindsegments (8) hin leicht ansteigend ausgebildet. Das Netzbauwerk (15) schließt an der Schnittstelle zum Aufwindsegment an eine umlaufende Blechkrempe (34) an, die mehrere Meter tief in die Vorfeldeinheit ragt und kraftwerksrandseitig mindestens einreihig radial in regelmäßigen Abständen vorzugsweise leicht konische Blech-Abluftkamine (Ø ca. 4-5m) aufweist, in denen sich jeweils eine Turbine (16) befindet, durch diese die über der Vorfeldeinheit „gefangene“ aufsteigende Warm-Luft entweichen kann.Above the heating plate level (17) a net (15) (similar to wire mesh or similar) is stretched horizontally at a height of several meters. The net (15) is supported by rod-shaped vertical components (e.g. Steel pipes or similar) are held taut in a horizontal position. The net (15) slopes slightly outwards towards the apron edge and conversely rises slightly towards the edge of the updraft segment (8). The net structure (15) is connected at the interface to the updraft segment to a circumferential sheet metal rim (34) which projects several metres deep into the apron unit and has at least one row of preferably slightly conical sheet metal exhaust chimneys (Ø approx. 4-5m) at regular intervals on the power plant edge, each of which has a turbine (16) through which the rising warm air "trapped" above the apron unit can escape.
Die Blech-Abluftkamine der Netzrandblechkrempe (34) zeigen nach oben und sind leicht schräg zum Kraftwerk (1) hin ausgerichtet der Tangente der Kissenbiegung an dieser Stelle folgend.The sheet metal exhaust chimneys of the mesh edge sheet brim (34) point upwards and are aligned slightly diagonally towards the power plant (1) following the tangent of the cushion bend at this point.
Außerhalb der Vorfeldeinheit (47) ist in ausgewählten Arealen vorgesehen, Hügel aus den Abraumhalden des Baugeschehens zu modellieren, auf deren sonnenzugewandten Flanken sich eine ausreichende Anzahl von Heliostaten befinden, bestehend aus leicht gebogenen Edelstahlblechplatten, die auf die Schattenseiten bzw. auf die eher sonnenabgewandten Bereichen des Kraftwerks gerichtet sind, wie z.B. die Abluftkamine in diesen Bereichen und das System mit zusätzlicher Solarenergie laden. Diese sind nördlich des Äquators in den Bereichen Nordwest - Nord - Nordost und südlich des Äquators in den Bereichen Südwest - Süd - Südost der Kraftwerksanlage angeordnet.Outside the apron unit (47), in selected areas, it is planned to model hills from the waste heaps from the construction work, on whose sun-facing flanks there will be a sufficient number of heliostats, consisting of slightly curved stainless steel plates that are directed towards the shady sides or the areas of the power plant that are less exposed to the sun, such as the exhaust chimneys in these areas, and charge the system with additional solar energy. These are arranged north of the equator in the northwest - north - northeast areas and south of the equator in the southwest - south - southeast areas of the power plant.
5.4 Alternativ-Bauart-Konzept: aufgeständerte SLK - Version (Variante 2)5.4 Alternative design concept: elevated SLK version (variant 2)
Hinweis: Die zuvor beschriebene Lösung bedingt einen in sich zwar kompakten, jedoch trotzdem hohen Landverbrauch und ist somit in erster Linie prädestiniert für eine Ausführung in ariden Klimazonen mit einem vegetationsfreien bzw. -armen Baufeld. Um den Kraftwerkstyp auch für Klimazonen mit einem normalen Vegetationsaufkommen und / oder für Gebiete, in denen Land- und Forstwirtschaft betrieben wird, attraktiv und vertretbar zu machen, wird hier für diese Gebiete eine umweltverträglichere Ausführungsvariante vorgestellt. Bei dieser ist jedoch bauartbedingt der Wirkungsgrad geringer als bei der Hauptvariante.Note: The solution described above is compact in itself but nevertheless requires a lot of land and is therefore primarily suitable for use in arid climates with a building site that is free of or low in vegetation. In order to make this type of power plant attractive and viable for climates with normal vegetation and/or for areas where agriculture and forestry are carried out, a more environmentally friendly variant is presented here for these areas. However, due to the design, the efficiency of this variant is lower than that of the main variant.
Allgemein - (Variante 2):General - (Variant 2):
Das Wirk- und Funktionsprinzip dieser Alternative ist das gleiche, wie das der zuvor beschrieben Hauptvariante.The principle of action and function of this alternative is the same as that of the main variant described above.
Die Ausführung der Fallstromeinheit [Turm (2), Basisbauwerk (4), die Kanalbauwerke (7)] ist bei beiden Varianten identisch. Die Aufwindeinheit unterscheidet sich hier zum einen durch den Wegfall der Kanalauffächerung (46) am äußeren Ende der Kanalbauwerke (7) im Untergrund und durch ein verkleinertes Einlaufbauwerk (8) sowie zum anderen im Wegfall der gesamten flächigen Schirmebene (9). Die geländegleiche Schirmebene (9) der Hauptvariante wird durch die Auflösung der kompakten Spiralkanalbauweise in gerade verlaufende aufgeständerte „Brückenkanäle“ substituiert, die je aus einem aufgeständerten röhrenförmigen Gaskissen-Kanal (42) bestehen. Dieser Gaskissen-Kanal (42) verläuft linear von außen hin zum Kraftwerkszentrum und trifft dort normal auf das Basisbauwerk (4), an dem jeder Kanal (42) luftdicht angeschlossen ist.The design of the downdraft unit [tower (2), base structure (4), channel structures (7)] is identical in both variants. The updraft unit differs in that the channel fan-out (46) at the outer end of the channel structures (7) underground and a smaller inlet structure (8) are omitted, as well as the entire flat canopy plane (9) is omitted. The canopy plane (9) of the main variant, which is level with the ground, is replaced by the compact spiral channel design being broken down into straight, elevated "bridge channels", each of which consists of an elevated, tubular gas cushion channel (42). This gas cushion channel (42) runs linearly from the outside to the power plant center, where it meets the base structure (4) at a normal level, to which each channel (42) is connected in an airtight manner.
Die Ausführung der Kaminbauwerke (3) ist dann wieder bei beiden Varianten identisch. Infolge des hohen Verbrauchs wertvoller Flächen ist hier eine Vorfeldeinheit nicht sinnvoll.The design of the chimney structures (3) is then again identical in both variants. Due to the high consumption of valuable space, an apron unit is not useful here.
Einlaufbauwerk (8) - (Variante 2):Inlet structure (8) - (variant 2):
Das Einlaufbauwerk (8) stellt die zentrale Schnittstelle zwischen den unterirdischen Kanalbauwerken (7) und den röhrenförmigen Gaskissen-Kanälen (42) der Aufwindeinheit dar. Das Einlaufbauwerk (7) besitzt im Schnitt gesehen eine nach oben gerichtete halbkreisförmige Ausführung. Der unterirdische Teil des Einlaufbauwerkes (8) besteht aus mineralischem Massivbau (die halbkreisförmigen Oberflächen sind vorzugsweise vergütet oder mit geeignetem Material verkleidet) und endet ca. in Höhe der Geländeoberfläche. Oberhalb der Geländeoberfläche bestehen die Baukörper aus gekrümmt ausgeführten transparenten Luftkissen (30), die nahtlos in den runden Gaskissen-Kanal (42) übergehen. Die gasgefüllten Kissen (30) im Bereich des Einlaufbauwerkes (8) bestehen aus durchsichtiger, temperatur-, uv- und alterungsbeständiger, hochreißfester und faserbewehrter Kunststofffolie. Die Innenseite der unteren Folienkissenschicht enthält eine geeignete Beschichtung, um reflektierte Sonnenstrahlung und Streulicht in den Innenraum zurückzuspiegeln. Die Kissenbauteile (30) können mit transluzenten flexiblen bifacialen Solarzellen appliziert werden.The inlet structure (8) represents the central interface between the underground channel structures (7) and the tubular gas cushion channels (42) of the updraft unit. The inlet structure (7) has a semicircular design pointing upwards in cross-section. The underground part of the inlet structure (8) consists of solid mineral construction (the semicircular surfaces are preferably coated or covered with a suitable material) and ends approximately at the level of the ground surface. Above the ground surface, the structures consist of curved transparent air cushions (30) that merge seamlessly into the round gas cushion channel (42). The gas-filled cushions (30) in the area of the inlet structure (8) consist of transparent, temperature-, UV- and ageing-resistant, highly tear-resistant and fiber-reinforced plastic film. The inside of the lower film cushion layer contains a suitable coating to reflect reflected solar radiation and scattered light back into the interior. The cushion components (30) can be applied with translucent flexible bifacial solar cells.
Um den Luftzufluss aus den Kanalbauwerken (7) in die Aufwindeinheiten für geplante Betriebsunterbrechungen zu sperren, kann nach den Turbineneinheiten im Bereich des Einlaufbauwerks (8) jeweils eine Abschottvorrichtung analog der der Fallstromeinheit ausgeführt werden. Der ankommende Volumenstrom aus der Fallwindeinheit wird dann umgelenkt und kann über steuerbare Öffnungen am Beginn der Kissenebene (30) nach außen entweichen. Hierdurch können dann von der Wartung unbeteiligte Segmente weiterlaufen und müssen nicht mit abgeschaltet werden.In order to block the air flow from the duct structures (7) into the updraft units for planned interruptions in operation, a sealing device similar to that of the downdraft unit can be installed after the turbine units in the area of the inlet structure (8). The incoming volume flow from the downdraft unit is then diverted and can escape to the outside via controllable openings at the beginning of the cushion level (30). This means that segments not involved in maintenance can continue to run and do not have to be shut down.
Aufwindeinheit - Röhrenförmiger Gaskissen-Kanal (42) - (Variante 2):Updraft unit - Tubular gas cushion channel (42) - (Variant 2):
Die Aufwindeinheit beginnt beim Einlaufbauwerk (8). Die gasgefüllten Kissen (30) des Einlaufbauwerkes (8) schließen flächig und übergangslos an die Traggaskissen (30) der Gaskissen-Kanäle (42) gleicher Bauart an.The updraft unit begins at the inlet structure (8). The gas-filled cushions (30) of the inlet structure (8) are flush and seamlessly connected to the lifting gas cushions (30) of the gas cushion channels (42) of the same design.
Alle Gaskissen (30) der Kanäle (42) sind aus durchsichtiger, temperatur-, uv- und alterungsbeständiger, hochreißfester und faserbewährter Kunststofffolie konfektioniert. Die zum Innenraum des Kanals (42) zeigende Seite der Folienkissen (30) enthält eine geeignete Beschichtung, um aus dem Röhreninnenraum reflektierte Wärme- und Sonnenstrahlung sowie Streulicht zurückzuspiegeln, um somit Strahlungsenergie im System zu halten.All gas cushions (30) of the channels (42) are made of transparent, temperature-, UV- and ageing-resistant, highly tear-resistant and fiber-tested plastic film. The side of the film cushions (30) facing the interior of the channel (42) contains a suitable coating to reflect heat and solar radiation as well as scattered light reflected from the interior of the tube, thus keeping radiant energy in the system.
Die Kissenbauteile (30) der Gaskissen-Kanäle (42) können mit transluzenten flexiblen bifacialen Solarzellen ausgestattet werden.The cushion components (30) of the gas cushion channels (42) can be equipped with translucent flexible bifacial solar cells.
Die Kissen (30) besitzen alle die gleiche Geometrie und Größe, sind formschlüssig aufeinander angepasst und sind vorzugsweise sechseckig (aber auch dreieckig oder trapezförmig) ausgebildet.The cushions (30) all have the same geometry and size, are form-fittingly adapted to one another and are preferably hexagonal (but also triangular or trapezoidal) in shape.
So wird im gesamten Kanalbauwerk (42) nur eine in Form und Größe identische Kissenvariante (30) verbaut. Infolge dieser speziellen kraft- und formschlüssigen Montagevernetzung und des Gasdrucks in den Kissen (30) entsteht im Kanalbauwerk (42) Steifigkeit, Stabilität und Zähigkeit aber auch Elastizität gegenüber inneren und äußeren Kräften.Only one cushion variant (30) identical in shape and size is installed in the entire channel structure (42). As a result of this special force- and form-fitting assembly network and the gas pressure in the cushions (30), the channel structure (42) becomes rigid, stable and tough, but also elastic to internal and external forces.
Die Abmessungen der Kissen (30) bewegt sich in der Größenordnung von ca. 5-8m Seitenlänge und ca. 2-3m Dicke. Jedes Kissen (30) wird zentral überwacht und drucktechnisch busgesteuert, so dass auftretende Störungen frühzeitig erkannt und kurzfristig behoben werden können.The dimensions of the cushions (30) are in the order of magnitude of approximately 5-8m side length and approximately 2-3m thickness. Each cushion (30) is monitored centrally and controlled by a printing bus, so that any malfunctions can be detected early and rectified quickly.
Die Kissen (30) der Kanäle (42) sind so aneinander montiert, dass sie eine im Querschnitt röhrenartige Form bilden. Die Kissenmodule (30) sind bezüglich ihrer Formgebung und Lagesicherung so konzipiert, dass sie bei ihrem vorgesehenen inneren Betriebsdruck infolge gegenseitigem Flankenanpressdruck der Wandungen als Einheit eine Röhre ergeben und sich gegenseitig durch Kraftschluss in Form halten.The cushions (30) of the channels (42) are mounted on one another in such a way that they form a tubular shape in cross-section. The cushion modules (30) are designed in terms of their shape and positional security in such a way that, at their intended internal operating pressure, they form a tube as a unit due to the mutual flank contact pressure of the walls and hold each other in shape through frictional engagement.
Die Einzelkissen (30) sind zur Stabilisierung der röhrenartigen Form alle gasgefüllt. Zur Lagesicherung in Planhöhe sind diese in den meisten Bereichen mit Traggas (H2 oder He) gefüllt. Die Gaskissen-Kanäle (42) werden in regelmäßigen Abständen durch statische Elemente gehalten und fixiert. Sie besitzen in der Horizontalen eine leichte Steigung (ca. 1-3%) hin zum Kraftwerkszentrum.The individual cushions (30) are all filled with gas to stabilize the tube-like shape. To ensure that they remain in position at plan height, most areas are filled with lifting gas (H 2 or He). The gas cushion channels (42) are held and fixed at regular intervals by static elements. They have a slight horizontal gradient (approx. 1-3%) towards the center of the power plant.
Die Einzelkissen (30) der Röhren (42) sind durch Sicherungsbänder (31) oder mittels Netzen untereinander verbunden, gehalten und somit lagegesichert.The individual cushions (30) of the tubes (42) are connected to each other by securing straps (31) or by means of nets, held and thus secured in position.
Die Seile oder Bänder (31) verlaufen in integrierten Verwahrvorrichtungen der Einzelkissen (30) (z.B. Schlaufen oder Schläuche), um einem internen Spannungsaufbau oder einem dynamischen materialschädlichem Scheuern an den Kissen (30) vorzubeugen und somit die Standzeit und die Wartungsintervalle der Kissen (30) zu verlängern und die Betriebssicherheit zu erhöhen.The ropes or straps (31) run in integrated storage devices of the individual cushions (30) (e.g. loops or hoses) in order to prevent an internal build-up of tension or dynamic chafing on the cushions (30) that is damaging to the material and thus to extend the service life and maintenance intervals of the cushions (30) and to increase operational reliability.
Entlang der oberen Scheitelpunktlinie der Schirmbauwerke (9) verläuft ein Wasserleitungsschlauch mit Sprühvorrichtung zur Schirmreinigung (Staub und Sand). Das Waschwasser läuft am Kanalkörper (42) nach unten in die Vegetation.A water pipe with a spray device for cleaning the screen (dust and sand) runs along the upper apex line of the screen structures (9). The washing water runs down the channel body (42) into the vegetation.
5.5 Betriebssicherheit:5.5 Operational safety:
Betriebssicherheit in Bezug auf Primärenergieversorgung und Funktion:Operational reliability in terms of primary energy supply and function:
Jedem Aufwindsegment (13) ist wie oben bereits erwähnt ein Segment der Vorfeldeinheit zugeordnet, das tagsüber Wärmeenergie akkumuliert. Diese Vorfeldeinheit ist von ihrer Masse her so dimensioniert, dass die Aufwindeinheit nicht nur nachts durch zuschaltbare Wärmepumpen mit ausreichend Wärmeenergie versorgt werden kann, sondern dass auch noch genügend Kapazitäten für mehrere Schlechtwettertage zur Verfügung stehen, wodurch dann solche sonnenarmen Tage überbrückt werden können. Somit besteht eine kurzfristige „Schönwetterunabhängigkeit“. Bei einer länger andauernden Schlechtwetterlage funktioniert die Energieausbeute der Anlage infolge diffuser Wärmestrahlung immer noch, dann jedoch leistungsreduziert.As mentioned above, each updraft segment (13) is assigned a segment of the apron unit that accumulates heat energy during the day. The mass of this apron unit is dimensioned in such a way that the updraft unit can not only be supplied with sufficient heat energy at night by switchable heat pumps, but that there is also enough capacity for several days of bad weather, which can then bridge such days with little sun. This means that there is short-term "fair weather independence". In the event of prolonged bad weather, the energy yield of the system still works as a result of diffuse heat radiation, but then at a reduced level.
Durch den Eintrag von Kaltluft und Feuchtigkeit in die Fallstromeinheit ist die Funktion sowohl nachts als auch bei Schlechtwetterperioden grundsätzlich gewährleistet. Hierdurch profitiert auch wieder die Aufwindeinheit.By introducing cold air and moisture into the downdraft unit, the function is basically guaranteed both at night and during periods of bad weather. The updraft unit also benefits from this.
Betriebssicherheit in Bezug auf Energiegewinnung:Operational safety in relation to energy generation:
Da das Solarthermische Luftstrom Kraftwerk (1) wie oben bereits beschrieben aus einem großen Fallstromkraftwerk und mehreren kleineren Aufwindkraftwerken sowie einer Vielzahl von Sekundär-Turbinen (5) besteht, können einzelne Kraftwerkssegmente (13) für Wartungs- und Reparaturzwecke gezielt abgeschaltet werden, ohne dass die Rest-Anlage hiervon betroffen ist. Das erfolgt durch sequenzieller Luftstromunterbrechung mittels aufblasbaren Schott- bzw. Barrierekörpern (analog 25) an Schlüsselpositionen (Kraftwerksschnittstellen). Hierdurch werden die betreffenden Sektoren (13) zugfrei gehalten, so dass in denselben gefahrfrei gearbeitet werden kann.Since the solar thermal airflow power plant (1), as described above, consists of a large downdraft power plant and several smaller updraft power plants as well as a large number of secondary turbines (5), individual power plant segments (13) can be switched off for maintenance and repair purposes without affecting the rest of the plant. This is done by sequentially interrupting the air flow using inflatable bulkheads or barrier bodies (analogous to 25) at key positions (power plant interfaces). This keeps the relevant sectors (13) free of drafts so that work can be carried out in them without danger.
Durch die Vielzahl der Energieentnahmepunkte (5) im System sowie der weitreichenden vorgesehenen bauteilapplizierten bifacialen Photovoltaikvorrichtungen sind temporäre betriebliche Teilabschaltungen wirtschaftlich unbedenklich.Due to the large number of energy extraction points (5) in the system as well as the extensive planned component-applied bifacial photovoltaic devices, temporary partial operational shutdowns are economically harmless.
Betriebssicherheit in Bezug auf Instandhaltung:Operational safety in relation to maintenance:
Alle Systembauteile sind standardisiert, so dass es nur wenige Varianten gibt. Somit ist der Bauunterhalt in Bezug auf die Ersatzteilvorhaltung, die Servicetechnik, die Krisenreaktionszeiten und die Kosten rational und wirtschaftlich.All system components are standardized, so there are only a few variants. This makes building maintenance rational and economical in terms of spare parts availability, service technology, crisis response times and costs.
Jedes Luftkissenmodul (Schirm (30), Kamin (22) und Turm (21)) ist mit busgesteuerter Sensorik ausgestattet, wird elektronisch überwacht, analysiert und kann von der Zentrale aus direkt drucktechnisch angesteuert oder infolge sofortiger technischer Informationen zeitnah repariert werden.Each air cushion module (screen (30), chimney (22) and tower (21)) is equipped with bus-controlled sensors, is electronically monitored, analyzed and can be directly controlled from the control center or repaired promptly as a result of immediate technical information.
Können Luftkissen (21, 22, 30) nicht mehr repariert werden, erfolgt die Reparatur des Bauteil-Bausteins durch Ablassen und Ausblasen der defekten Bauteilkissen, Ersatz, Einrichtung und Aufblasen der Austauschkissen sowie anschließender System-Migration. Einzelne Luftkissen können auch im laufenden Betrieb ausgetauscht werden, da die Gesamtstatik infolge lokaler Gewölbewirkung der umliegenden Kissen nicht berührt wird und durch die inneren Gleitfolien (23 + 32) der Volumenstrom nicht beeinträchtigt wird bzw. entweichen kann.If air cushions (21, 22, 30) can no longer be repaired, the component module is repaired by draining and blowing out the defective component cushions, replacing, setting up and inflating the replacement cushions and then migrating the system. Individual air cushions can also be replaced during operation, as the overall statics are not affected due to the local arching effect of the surrounding cushions and the volume flow is not affected or can escape due to the internal sliding films (23 + 32).
Auch alle Motore, Pumpen, Ventile, Elektronik und alle Turbinen eines Systemkreises sind vorzugsweise typgleich.All motors, pumps, valves, electronics and all turbines in a system circuit are preferably of the same type.
Fazit:Conclusion:
Aus Gründen dieser planerischen Vorkehrungen ist das Solarthermische Luftstrom Kraftwerk (1) gegen alle vorherseh- und erwartbaren Beeinträchtigungen gut gerüstet. Wenn überhaupt fällt ein Segment kurzzeitig aus. Das Rest-Kraftwerk läuft unvermindert weiter. Es kann somit zu keinem Totalausfall kommen. Das Kraftwerk liefert auch im reduziertem Betriebsmodus zuverlässig Energie. Due to these planning precautions, the solar thermal air flow power plant (1) is well equipped to deal with all foreseeable and expected disruptions. If anything, a segment fails for a short time. The rest of the power plant continues to run unabated. This means that there can be no total failure. The power plant also reliably supplies energy in reduced operating mode.
Plan-, Skizzen-, Zeichnungslisteplan, sketch, drawing list
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01 ➢ SLK - Isometrie01 ➢ SLK - isometry -
02 ➢ SLK - Gesamtseitenansicht02 ➢ SLK - overall side view -
03 ➢ SLK - Prinzip - Skizze03 ➢ SLK - principle - sketch -
04 ➢ SLK - Isometrie Turmkopf04 ➢ SLK - Isometric tower head -
05 ➢ FSE - Turmkopf mit Einlaufsegel05 ➢ FSE - Tower head with intake sail -
06 ➢ AWE - Abluft-Abweis-Vorrichtung06 ➢ AWE - exhaust air deflection device -
07 ➢ FSE - Verschlusslinse 107 ➢ FSE -Shutter lens 1 -
08 ➢ FSE - Verschlusslinse 208 ➢ FSE -Shutter lens 2 -
09 ➢ FSE - Verschlusslinse 309 ➢ FSE -Shutter lens 3 -
10 ➢ FSE - Rotorführung10 ➢ FSE - Rotor guide -
11 ➢ SLK - Horizontal-Schnitt durch Turm und Kamine11 ➢ SLK - Horizontal section through tower and chimneys -
12 ➢ SLK - Schnitt Turm und Aufsicht Spiral-Schirm12 ➢ SLK - Section of tower and top view of spiral umbrella -
13 ➢ FSE - Grundriss Kanalbauwerke13 ➢ FSE - Floor plan of canal structures -
14 ➢ SLK - Ebenenübergreifende Schemadarstellung 114 ➢ SLK - Cross-levelschematic representation 1 -
15 ➢ FSE - Schnitt Turbinenkranz15 ➢ FSE - Section turbine ring -
16 ➢ FSE - Grundrissansicht Turbinenkranz16 ➢ FSE - Ground plan view of turbine ring -
17 ➢ SKL - Hälftiger Isometrie-Gesamtschnitt17 ➢ SKL - Half isometric overall cut -
18 ➢ AWE - Ausschnitt Schirmbauwerk18 ➢ AWE - section of the screen structure -
19 ➢ SLK - Ebenenübergreifende Schemadarstellung 219 ➢ SLK - Cross-levelschematic representation 2 -
20 ➢ VFE - Aufsicht + Schnitt Einlaufbauwerk + Wärmespeicher20 ➢ VFE - top view + section of intake structure + heat storage -
21 ➢ VFE - Massivwärmespeichermodule21 ➢ VFE - solid heat storage modules -
22 ➢ AWE - Version 2 aufgeständert - Grundriss oberirdisch22 ➢ AWE -Version 2 elevated - floor plan above ground -
23 ➢ FSE - Version 2 aufgeständert - Grundriss unterirdisch23 ➢ FSE -Version 2 elevated - floor plan underground -
24 ➢ SLK - Version 2 aufgeständert - Längsschnitt24 ➢ SLK -Version 2 elevated - longitudinal section -
25 ➢ SLK - Version 2 aufgeständert - Schnitt-Variante 125 ➢ SLK -Version 2 elevated -Section variant 1 -
26 ➢ SLK - Version 2 aufgeständert - Schnitt-Variante 226 ➢ SLK -Version 2 elevated -Section variant 2
Legendelegend
- 11
- ➢ SLK / Gesamtanlage➢ SLK / complete system
- 22
- ➢ Fallstrom - Turm➢ Downdraft tower
- 33
- ➢ Aufwind - Kamine➢ Updraft chimneys
- 44
- ➢ Basisbauwerk➢ Base structure
- 55
- ➢ Turbinen / Energieentnahmepunkte➢ Turbines / energy extraction points
- 66
- ➢ Unterer Turbinenkranz➢ Lower turbine ring
- 77
- ➢ Kanalbauwerke / Überleitungskanäle / Kanalstränge➢ Sewer structures / transfer channels / sewer lines
- 88
- ➢ Einlaufbauwerk / Schirmrand➢ Inlet structure / umbrella edge
- 99
- ➢ Schirmebene / Schirmbauwerk / Schirmanlagen➢ Screen level / screen structure / screen systems
- 1010
-
➢ Ringplattform 1 / Montageplattform
➢ Ring platform 1 / assembly platform - 1111
- ➢ Umlenksegel / Winspoileranlage➢ Deflection sail/win spoiler system
- 1212
- ➢ Ableitkegel / Kegelkopf im Basisbauwerk➢ Deflection cone / cone head in the base structure
- 1313
- ➢ Segment / Sektoren / Aufwindeinheit➢ Segment / sectors / upwind unit
- 1414
- ➢ Wärmespeicher / Massivwärmespeicher / Wärmespeichermodul / Lademodul➢ Heat storage / solid heat storage / heat storage module / charging module
- 1515
- ➢ Netzfeld➢ Network field
- 1616
- ➢ Turbinenreihe Vorfeld➢ Turbine row apron
- 1717
- ➢ Absorber / Heizplatten➢ Absorbers / heating plates
- 1818
- ➢ Segmenttrennwände➢ Segment partition walls
- 1919
-
➢ Ringplattform 2 / Montageplattform
➢ Ring platform 2 / assembly platform - 2020
- ➢ Segelwinden➢ Sail winches
- 2121
- ➢ Gaskissen Fallstromturm➢ Gas cushion downdraft tower
- 2222
- ➢ Gaskissen Aufwindkamine➢ Gas cushion updraft chimneys
- 2323
- ➢ Folienfassade Turm innen➢ Foil facade tower inside
- 2424
- ➢ Folienfassade Turm außen➢ Foil facade tower outside
- 2525
- ➢ Verschlußlinse / Abschottvorrichtung / Schleuse➢ Shutter lens / sealing device / lock
- 2626
- ➢ Laufrad / Rotorkäfig / Außenlaufring➢ Impeller / rotor cage / outer race
- 2727
- ➢ Stabilisierungsrollen➢ Stabilization rollers
- 2828
- ➢ Auslaufkranz➢ Outlet ring
- 2929
- ➢ Verteiler / Kanal-Fächer➢ Distributor / channel compartments
- 3030
- ➢ Gaskissen der Schirmbauwerke➢ Gas cushions of the umbrella structures
- 3131
- ➢ Carbonseile / Carbonbänder / Spannseile➢ Carbon ropes / carbon bands / tensioning ropes
- 3232
- ➢ Folienfassade Kamin innen➢ Foil facade chimney inside
- 3333
- ➢ Folienfassade Kamin außen➢ Foil facade chimney outside
- 3434
- ➢ Blechkrempe Netzrand➢ Sheet metal brim mesh edge
- 3535
- ➢ Wartungs- und Versorgungsgänge➢ Maintenance and supply corridors
- 3636
- ➢ Technikbuchten➢ Technical bays
- 3737
- ➢ Zentralöffnung (Basisbauwerk)➢ Central opening (base structure)
- 3838
- ➢ Auslassöffnungen unterer Turbinenring➢ Outlet openings lower turbine ring
- 3939
- ➢ Ankerblock / Zugseil-Spannvorrichtung➢ Anchor block / tensioning device
- 4040
- ➢ Abluft-Abweis-Vorrichtung➢ Exhaust air deflector
- 4141
- ➢ Agrarflächen / Land- und Forstwirtschaft➢ Agricultural land / agriculture and forestry
- 4242
- ➢ Gaskissen-Kanal der aufgeständerten Aufwindstränge (Variante 2)➢ Gas cushion channel of the elevated updrafts (variant 2)
- 4343
- ➢ Statisches Element➢ Static element
- 4444
- ➢ Biotope / Gewässer / Teichbewirtschaftung➢ Biotopes / Waters / Pond Management
- 4545
- ➢ Sonnenlichtreflektion von unten➢ Sunlight reflection from below
- 4646
- ➢ Kanalauffächerung➢ Channel fanning
- 4747
- ➢ Vorfeldeinheit (VFE)➢ Front Unit (VFE)
- 4848
- ➢ Vorfeldsegment➢ apron segment
- 4949
- ➢ Stütze➢ Support
- 5050
- ➢ Rohrmotorvorrichtung➢ Tubular motor device
- 5151
- ➢ Staudruckkammer➢ dynamic pressure chamber
Definitionendefinitions
7.0 Zeichnungsliste, Legende, Definitionen7.0 Drawing list, legend, definitions
Die Erfindung wird anhand der folgenden Zeichnungen, der Legende und Definitionen näher erläutert.The invention is explained in more detail with reference to the following drawings, the legend and definitions.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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