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WO2012079555A1 - Aufwindkraftwerk mit gasdruckthermie - Google Patents

Aufwindkraftwerk mit gasdruckthermie Download PDF

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WO2012079555A1
WO2012079555A1 PCT/DE2011/001894 DE2011001894W WO2012079555A1 WO 2012079555 A1 WO2012079555 A1 WO 2012079555A1 DE 2011001894 W DE2011001894 W DE 2011001894W WO 2012079555 A1 WO2012079555 A1 WO 2012079555A1
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WO
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air
shaft
chimney
flow
mass flow
Prior art date
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PCT/DE2011/001894
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English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas LÜFTL
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Original Assignee
Individual
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Publication date
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Ceased legal-status Critical Current

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    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G—SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS; MECHANICAL-POWER PRODUCING DEVICES OR MECHANISMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR OR USING ENERGY SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G6/00—Devices for producing mechanical power from solar energy
    • F03G6/02—Devices for producing mechanical power from solar energy using a single state working fluid
    • F03G6/04—Devices for producing mechanical power from solar energy using a single state working fluid gaseous
    • F03G6/045—Devices for producing mechanical power from solar energy using a single state working fluid gaseous by producing an updraft of heated gas or a downdraft of cooled gas, e.g. air driving an engine
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • F03G6/071—Devices for producing mechanical power from solar energy with energy storage devices
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    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2220/00—Application
    • F05B2220/70—Application in combination with
    • F05B2220/708—Photoelectric means, i.e. photovoltaic or solar cells
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2260/00—Function
    • F05B2260/20—Heat transfer, e.g. cooling
    • F05B2260/24—Heat transfer, e.g. cooling for draft enhancement in chimneys, using solar or other heat sources
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/40—Solar thermal energy, e.g. solar towers
    • Y02E10/46—Conversion of thermal power into mechanical power, e.g. Rankine, Stirling or solar thermal engines

Definitions

  • the invention relates to a Aufwindkraftwerk for generating electrical energy according to the preamble of claim 1.
  • Upstream power plants are known from the prior art, which can be used to generate electrical energy. Energy production is based essentially on the use of solar energy to heat air, which in turn leads to an air flow in a chimney shaft.
  • a turbine is arranged coupled with a generator for generating electrical energy.
  • a solar collector is used surrounding this, in which a large continuous glass roof above the floor is arranged. Below the glass roof, the air is heated due to the sunlight, which changes the density of the air accordingly. In this case, the air flows from outside the solar collector in the radial direction to the chimney shaft and below in this at the foot inside. The difference in density leads to the desired effect, the rise of the air in the chimney shaft to drive the turbine arranged therein.
  • Object of the present invention is therefore to provide an economically viable Aufwindkraftwerk available, which has a high efficiency at a low height of the chimney.
  • the generic Aufwindkraftwerk for generating electrical energy initially has a chimney.
  • the term chimney shaft indicates a cylindrical tube, this is the only advantageous embodiment. Changes in the cross section over the course of the chimney flue, such as, for example, tapers, can have a positive influence on the flow conditions, but are at best advantageous but not mandatory.
  • the term chimney shaft reveals that this is essentially perpendicular. It is essential, at least, that an air duct is created by means of the chimney shaft, which realizes a height difference between its foot end and its head end with the lowest possible flow resistance. In this case, the chimney shaft at the head end on an outlet opening for the discharge of existing in the chimney flue air flow into the environment.
  • the shaft base At the foot of the chimney shaft has a shaft socket, which on the one hand represents the static connection to the ground and on the other hand, at least one required inlet opening to allow the required air flow in the chimney shaft.
  • the design of the shaft base is initially irrelevant. Likewise, this is not up a geometric extension of the chimney shaft limited to the ground. Rather, the shaft base may have a diverse shape, which may have more different types of air ducts and various installations and attachments. Decisive is only the static function as the chimney shaft bearing element and as a functional element, which allows the Realization of the air flow from the inlet opening in the shaft socket and following through the chimney shaft. Likewise, it is initially irrelevant whether only a single inlet opening is present or whether advantageously distributed on the circumference of the shaft base several inlet openings are present.
  • the generic updraft power plant has a lowermost turbine arranged in the chimney shaft.
  • it is irrelevant here whether it is only a singular turbine or whether a plurality of turbines are arranged at the same height or alternatively in different planes for this purpose.
  • the generator can be arranged both within the chimney and, alternatively, outside of the chimney, wherein it requires a corresponding transmission of the mechanical energy from the turbine to the generator.
  • At first irrelevant here is also whether, when using multiple turbines, these are coupled together or in each case several of them to a generator or each turbine has a connection to an associated generator.
  • the arrangement of the lowest turbine in the chimney shaft defines a specific shaft volume. This can be determined from the free internal volume of the chimney in limitation to the lowest turbine within which air is at an elevated temperature to the environment. Generically flows in operation, an air flow through the inlet opening in the shaft socket and subsequently in the chimney upwards to finally exit at the outlet opening into the environment.
  • the upwardly directed air flow prevailing in the shaft volume has an elevated temperature compared to the ambient air, which in the prior art is the basis for forming the air flow and thus for driving the turbine.
  • an air mass flow This is hereinafter understood derj enige air mass flow, which passes in a nominal operation of the updraft power plant, the inlet opening. In the use of the updraft this may have a weaker or stronger air flow in deviation from the nominal operation towards lower or higher power. Contrary to the known method for operating a solar chimney invention, a technically generated oppressive air mass flow is now introduced into the shaft socket, which is subsequently heated , In this case, the shaft volume in the updraft power plant according to the invention is considered as an expansion area. At first, it is irrelevant whether the air mass flow entering the shaft base forms the entire air flow in the shaft volume or only a part thereof.
  • the air mass flow is forcibly introduced into the shaft base as an oppressive air mass flow.
  • the way in which the heating takes place is at first equally irrelevant, and this can be done both directly and indirectly. It is at least relevant that the air mass flow upstream of the inlet opening and thus the entry into the shaft base has a lower temperature than the air flow in the shaft volume. In essence, in this method, a separate generation of the air mass flow is used independently of the thermal heating of the air flow.
  • a cold air mass flow is introduced into the shaft ekel, which is heated there.
  • the amount of air introduced can subsequently thermally expand in the chess volume. That in addition to the already existing oppressive air mass flow due to the increase in the temperature of the introduced air flow, an expansion of the amount of air and leads to a multiplication of existing in the chimney flue volume of air, which in turn can only escape upwards and thus brings a berechenb aren, upwardly directed air flow.
  • the air mass flow can, after being introduced through the inlet openings in the shaft base and the selected type of heating in the open
  • the updraft power station makes it possible to generate energy by means of the turbines from the thermal and kinetic energy of the air mass flow while achieving higher efficiencies.
  • This leads to a procedure according to the nature of gas pressure thermotherapy for the first time.
  • the outlet velocity at the outlet opening can be determined by the following formula:
  • the inventive use of a heating of the air flow in the shaft socket can be influenced by the appropriate design, the temperature distribution of the flowing air, starting from the ambient air to the outlet at the top of the chimney, especially actively, and is not only the size of the solar collector and the size depending on the chimney.
  • the use of the method according to the invention is particularly advantageous if the air mass flow is introduced into the chimney shaft at an increased pressure and at an increased flow velocity.
  • the increased pressure and the increased flow velocity relate to a comparison with a mode of operation of an updraft power plant, in which the air mass flow without external drive is formed purely on account of the thermals in the chimney shaft.
  • This newly created particularly advantageous method causes air rises not only with increased temperature but reduced density in the chimney - as usual in the art - but with full or higher density enters the chimney and then by heating a high outflow velocity is enforced.
  • An increased volumetric flow leads in obvious way to a stronger air flow within the chimney.
  • Increased pressure in the air mass flow may occur after entering the chimney Increase shaft in this, inversely, a corresponding increase in volume is accompanied. In turn, this leads to a resulting in the chimney shaft upward air flow to drive the turbine in addition to the thermal.
  • the air mass flow in relation to the shaft volume is considered.
  • the advantageous embodiment leads very simplified view - neglecting the heating or other air supply - to an air shift within the chimney, in which every 20 seconds, the air present in the area below the lower turbine is displaced upwards through the turbine, whereby a corresponding drive the Turbine goes hand in hand.
  • Particularly advantageous is the application of the method, if the
  • Air mass flow is increased in relation to the shaft volume such that the volume flow reaches at least an amount which corresponds to the value of the shaft volume divided by 10 seconds.
  • Density difference between the heated air and the ambient air a corresponding air flow can be formed, which can be used for the use of electrical energy through the use of turbine and generator. Furthermore, a design is particularly advantageous in that the air mass flow has an air velocity between 3 m / s and 9 m / s . Air speeds between 5 m / s and 7 m / s are particularly advantageous. In particular, this speed range is advantageous for achieving an additional buoyancy flow of the air located in the chimney shaft and thus for the realization of high efficiencies of the updraft power plant.
  • a multi-stage compression is used, wherein the flow cross-section is reduced accordingly in the course of compression.
  • higher pressures are achieved in the air mass flow, which on the one hand a better energy transfer in, for example, a heat exchanger cause as well as cause an additional volume expansion in the shaft volume by increasing the volume of the air flow.
  • Upstream power plants are known from the prior art, which have at the foot of the chimney shaft a thermal solar collector spanned by a glass roof for direct air heating, by means of which the ambient air can be heated.
  • ambient air is here to understand the air outside of the updraft power plant.
  • the generation of electrical energy is made possible on the basis of the corresponding heating of the ambient air, which rises for this purpose within the chimney shaft from the foot to the head and drives the turbine.
  • the air mass flow after the introduction into the shaft base through the inlet openings is heated in a particularly advantageous embodiment by means of a heat exchanger through which a heating fluid flows.
  • Heat exchanger flowing through the air flow can be transmitted.
  • the heating fluid at entering the heat exchanger has a temperature of more than 250 ° C, in particular of more than 350 ° C.
  • the heat exchanger using elevated temperatures of more than 250 ° C, it is possible to effectively heat the incoming air to an equally high temperature.
  • Such heating effects are limited to temperatures of well below 100 ° C in classical solar wind turbines due to the natural solar radiation and the freely forming air flow.
  • the use of high temperatures favors the design of predominantly short heat exchangers.
  • a heating of the air flow by a flaming firing done.
  • a corresponding burner is to be arranged directly in the shaft socket, which causes heating of the incoming air.
  • this embodiment can be compared schematically with a steel drive, in the further air duct a turbine for power generation is arranged.
  • the height difference of the updraft power plant is utilized to generate an additional buoyancy wind.
  • the hot air should have at least 1 50 ° C, with particularly advantageous temperatures above 400 ° C are. It is possible to supply hot air as a waste product of heating plants with a remaining temperature of, for example, 700 ° C. This hot air then forms at least proportionally in addition to the air mass flow, the air flow in the chimney. Particularly when operating with hot air of particularly high temperatures, it is advantageous to provide mixing of hot air with unheated ambient air.
  • a cold air mass flow with ambient temperature form a larger proportion of the air flow, which is supplemented by the hot air to the air flow in the chimney shaft, so that the result is an air flow with both high temperature, higher pressure and higher flow velocities in the shaft volume.
  • the air flow in the shaft volume due to the advantageous heating and / or mixing has a temperature of at least 50 ° C, preferably at least 1 50 ° C, above the temperature of the ambient air at the foot. With appropriate temperature difference, an advantageous thermal in the chimney shaft is achieved.
  • An updraft power station is essentially characterized by a structure which has one of the features described above or enables one of the previously described methods.
  • it requires in addition to the compulsory chimney shaft of a shaft socket in which at an inlet opening a oppressive air mass flow can be initiated, which also allows the shaft socket, the increase in the temperature of the air stream by heating and / or by mixing with example hot air.
  • the updraft power station comprises an air flow generating means.
  • the air flow is formed purely in the chimney shaft due to the thermal, is created by this embodiment, the ability to actively compress and promote air and thus at least partially to form the air mass flow.
  • the air flow generating means is one of an advantageous embodiment here Motor driven fan.
  • the use of a motor for driving a fan in a wind power plant for energy production is particularly advantageous because now the air mass is completely provided in the shaft volume and this affects the overall efficiency of the updraft power plant advantageous.
  • the special effect of the thermal expansion is achieved by means of the pressurized air mass flow according to the invention.
  • Particularly suitable for this purpose is the use of the motor-driven fan.
  • the energy used in turn can be effectively recovered by means of the turbine in the chimney, as can be done by the calculable air mass flow and the introduced thermal energy and the associated exit velocity or the upward air flow in the chimney a large amount of energy through the turbines.
  • the shaft base can have at least one cold air opening through which ambient air can enter the shaft base largely unhindered.
  • An existing in the shaft socket heating be it the air mass flow to a particularly high temperature, be it by a flaming firing or by the supply of H herebyopathy, can be particularly effectively used by the addition of a cold air opening with a corresponding resulting inflow of Kaitluft to the erzi elung a hot upward directed air flow in the chimney shaft. The effect can be compared with the creation of buoyancy in a tethered balloon.
  • a heat exchanger is arranged in the shaft socket, which can heat a stream of air.
  • the heat exchanger is arranged in the shaft socket, provided that it is ensured that a corresponding increase in temperature of the introduced through the inlet opening air mass flow is effected.
  • the heat exchanger can be arranged in an advantageous manner, as it were, in an air duct following the inlet opening or, alternatively, can also be located in free positioning downstream of the inlet opening inside the shaft socket.
  • the shaft base can also be designed in such a way that it initially presents itself as an extension of the chimney shaft downwards, wherein the heat exchanger within a Air duct is positioned geometrically outside the chimney.
  • the shaft base unabated covers the air duct with the heat exchanger as part of the same.
  • the fan is arranged, i.
  • the fan is separated from the heat exchanger through the inlet opening, and thus the fan at Motorantri eb causes an immediate flow through the heat exchanger.
  • this embodiment favors that almost no loss of performance due to the use of the heat exchanger at the foot of the chimney is to be expected.
  • the air preheating device according to the invention can achieve a much higher efficiency in an advantageous embodiment than would be the case with a solar collector spanning a classic glass roof.
  • heating fluid instead of an aqueous solution an oil-based medium.
  • liquid salts as heating fluid.
  • the heating fluid in the heat exchanger in the circuit flows through at least one thermal solar collector.
  • the energy is generated by means of solar radiation.
  • a heating fluid solar collector instead of the configuredflächi gene, covered by glass roof thermal Solar collector used in its place a flowed through by a heating fluid solar collector.
  • This may be a vacuum tube collector or a parabolic trough collector in a particularly advantageous manner.
  • a plurality of thermal solar collectors can be arranged at least partially surrounding the chimney shaft. Using appropriate thermal solar collectors in conjunction with the use of a heat exchanger according to the invention, an efficiency is achieved which is considerably higher than that which would be achievable by means of a conventional glass roof spanned solar thermal collector for air heating.
  • a buffer memory is arranged in the circulation of the heating fluid between the heat exchanger and the solar collector.
  • the buffer can be flowed through both directly in Krei smoor, as well as a parallel circuit with solar collector and buffer memory or. Heat exchanger and buffer memory is possible.
  • a significant advantage of the buffer memory is that the operating time of the updraft power plant can be extended significantly beyond the time of day while generating electrical energy. Furthermore, it is thus possible to influence the energy produced in each case. For example, it is thus possible to reduce the flow of air at times of lower demand for electrical energy or to reduce the heating by means of the heat exchanger and instead to conduct excess energy into the buffer memory.
  • the air is not supplied radially to the center axis of the chimney and forcibly diverted from the horizontal to the vertical at the foot, but it is rather causes a rotating air flow, whereby a lower air resistance can be achieved at the foot of the chimney.
  • the vortex-like air flow formed in the chimney shaft in particular with the formation of a helical shape, can advantageously be used for obtaining the electrical energy in implementation in the turbine.
  • a plurality of photovoltaic solar collectors are arranged.
  • the motors of the fans can be operated by means of the electrical energy obtained from the solar modules.
  • a high efficiency of the updraft power plant is furthermore achieved by arranging at least three turbines spaced apart in the longitudinal direction in the chimney shaft.
  • the gradual arrangement of the turbines makes better use of the air flow in the chimney shaft and thus an increase in the overall efficiency of the updraft power plant.
  • the first turbine at a distance from the bottom End of the flue is arranged in a range between 1 5% and 20% of the total height.
  • the air duct at the foot of the chimney is necessary to reduce flow losses to a possible minimum. It is particularly important to pay attention to the air flow in the air flow direction, in particular, the heat exchanger is designed such that the Strömungswi resistance in the air flow direction is lower than in a theoretically considered opposite air flow.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of a Aufwindkraftwerks in a perspective view.
  • FIG. 2-5 exemplary embodiments of a shaft socket
  • FIG. 6 shows another example of a solar power plant with solar collectors
  • Fig. 7 shows another example of a wind power plant in arrangement at a combined heat and power plant
  • Fig. 8 shows another example of a Aufwindkraftwerks Schemataskizze.
  • Fi gu r 1 a first example of an inventive Aufwindkraftwerk 01 is sketched in a perspective view.
  • the chimney 02 in a substantially cylindrical Form, wherein at the foot of the shaft socket 05 is arranged.
  • the outlet opening 04 al as ffenes end of the chimney 02, wherein further inside the chimney 02 a plurality of turbines 03 (only one outlines) are arranged to generate electricity.
  • Below the lowest turbine 03 is in the free volume of the chimney 02 and the shaft socket 05 a specific
  • Well volume 07 is formed. Within the shaft volume 07, the air is present at an elevated temperature relative to the environment.
  • the shaft base 05 on the one hand has the static task of carrying the chimney shaft 02.
  • the shaft socket 05 includes as essential components for this embodiment a plurality of circumferentially distributed fans 09, wel che ambient air al s air mass flow can promote through inlet openings, wherein in the following the air flow in each case passes through a heat exchanger 08.
  • outer air ducts 14 favor the air flow to the fans 09, which is essential for this embodiment, that by means of inner air ducts 1 3 a quasi-circular helical air flow is generated in the shaft volume 07.
  • FIG. 2 schematically outlines the possible structure of the air inlet with the air duct at the shaft base 05.
  • the arrangement of several air inlets distributed around the circumference can be seen with a fan 09 in front of the inlet opening 06 followed by the arrangement of a heat exchanger 08 following the inlet opening 06
  • the air which passes through the inner air ducts 1 3 enters the duct volume 07 in a circular manner into the chimney shaft 02.
  • This forms a circular air inlet flow 15 which, in conjunction with the buoyancy of the air, leads to a helical buoyancy flow in the chimney shaft 02.
  • the Aufwindkraftwerk 01 can be designed so advantageous that outside an outer air duct 14 favors the air flow prior to entering the fan 09.
  • Figu r 3 a further embodiment of a shaft socket 05 is sketched, wherein also an arrangement of a plurality of circumferentially distributed fans 09 is provided with downstream in the flow direction heat exchangers 08. Likewise, by means of an inner air duct 13, a circular-helical air flow in the duct volume 07 is generated.
  • FIG. 4 as an alternative to the previous embodiment of the shaft socket 05, it is supplemented by cold air openings 11, through which ambient air can enter the shaft volume 07 virtually unhindered.
  • a return flow of the valve ator 09 injected air mass flow through the cold air openings 1 1 does not take place due to the advantageous procedure.
  • the circular helical air flow largely prevents an escape from the cold air openings 11.
  • a significant aspect is the heating of the air mass flow, in this case by means of the heat exchanger 08, whereby a corresponding buoyancy of the air in the shaft volume 07 is effected, causing a suction effect on the cold air openings 1 1.
  • FIG. 5 a further embodiment of a shaft socket 05 is sketched, this now compared to the embodiment of FIG. 3 now has a base frame 12 comparable to an open cooling tower. As a result, a cold air opening 1 1 is also formed through which unimpeded air can enter the manhole volume 07.
  • FIG. 6 shows a further example of an updraft power plant 01 in a perspective view. Recognizable in turn is the chimney shaft 02, at the foot end of which the air inlet via fans 09 and the heat exchanger lying behind it-can not be recognized-takes place.
  • thermal chimneys 1 7 arranged in the manner of vacuum tube collectors are arranged in a fan-shaped manner surrounding the chimney shaft 02.
  • FIG 7 is sketched in a further example of a Aufwindkraftwerkes 01 this arrangement in combined heat and power plants 19.
  • this arrangement in combined heat and power plants 19.
  • FIG 8 is a schematic sketch outlines a possible structure of a Aufwindkraftwerks 01 according to the invention.
  • the shaft socket 05 is arranged, via the means of a fan 09 ambient air 23 is introduced as air mass flow 2 1 through the inlet opening 06 into the shaft volume 07, the air flow 22 must first pass through a heat exchanger 08, by means of a corresponding heating of the previously cold air mass flow 21 is effected.
  • the shaft socket 05 cold air openings 1 1 through which also ambient air 23 can freely enter the shaft volume 07.
  • the shaft socket 05 cold air openings 1 1 through which also ambient air 23 can freely enter the shaft volume 07.
  • the shaft socket 05 cold air openings 1 1 through which also ambient air 23 can freely enter the shaft volume 07.
  • Within the chimney 02 are three turbines 03. 1, 03.2 and 03.3 arranged, wherein the lowest turbine 03. 1 at the same time defines the size of the shaft volume 07.
  • the decisive effect for achieving high efficiencies and thus the best possible utilization of the heating of the air flow is based on the fact that a substantially cold air mass flow 21 only within the Schachtvo- lumens 07 is heated and can immediately expand in the well volume 07, which due to the expansion and due to the difference in temperature to the ambient air, a correspondingly strong buoyancy is effected with a drive of the turbines.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Aufwindkraftwerk (01) sowie ein Verfahren zum Betrieb des Aufwindkraftwerks (01). Hierbei weist das Aufwindkraftwerk (01) zunächst einmal einen Kaminschacht (02) mit einem Schachtsockel (05) an dessen Fußende sowie eine im Kaminschacht (02) angeordnete Turbine (03) zur Gewinnung elektrischer Energie auf. Im Nennbetrieb strömt ein Luftmassenstrom (21) durch eine Einlassöffnung (06) in den Schachtsockel (05), wobei ein Luftstrom (22) im Schachtso- ekel (05) eine gegenüber der Umluft erhöhte Temperatur aufweist, wodurch im Kaminschacht (02) ein aufwärts gerichteter Luftstrom (22) entsteht, welcher die Turbine (03) antreibt. Wesentliches Merkmal ist es nunmehr, dass ein drückender, insbesondere kalter, Luftmassenstrom (21) in den Schachtsockel (05) eingeleitet wird.

Description

Aufwindkraftwerk mit Gasdruckthermie
Die Erfindung betrifft ein Aufwindkraftwerk zur Erzeugung elektrischer Energie gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus dem Stand der Technik sind Aufwindkraftwerke bekannt, welche zur Erzeugung elektrischer Energie eingesetzt werden können. Die Energiegewinnung basiert im Wesentlichen auf der Ausnutzung von Sonnenener- gie zur Erwärmung von Luft, welche wiederum zu einer Luftströmung in einem Kaminschacht führt. In dem Kaminschacht ist eine Turbine gekoppelt mit einem Generator zur Erzeugung elektrischer Energie angeordnet. Am Fuß des Kaminschachts wird diesen umgebend ein Solarkollektor eingesetzt, bei welchem ein großes durchgehendes Glasdach oberhalb des Bodens angeordnet wird. Unterhalb des Glasdachs erwärmt sich die Luft aufgrund der Sonneneinstrahlung, wodurch sich entsprechend die Dichte der Luft ändert. Hierbei strömt die Luft von außerhalb des Solarkollektors in radialer Richtung auf den Kaminschacht zu und im Folgenden in diesen am Fußende hinein. Der Dichteunterschied führt zu dem ge- wünschten Effekt, dem Aufstieg der Luft im Kaminschacht zum Antrieb der darin angeordneten Turbine.
Bestätigungskopie Im Stand der Technik strömt die Luft frei und unkontrolliert von außerhalb des Solarkollektors unterhalb des Glasdaches durch diesen hindurch zum Kaminschacht. Hierbei bestimmt die Erwärmung der Luft und die Höhe des Kaminschachts wiederum die Aufstiegsgeschwindigkeit im Kaminschacht und somit die Sogwirkung im Solarkollektor und folglich auch die Luftgeschwindigkeit in diesem. Technisch-physikalisch wird di e Aufstiegsgeschwindigkeit mittels der folgenden Formel beschrieben:
Figure imgf000004_0001
Besonders nachteilig im Stand der Technik ist es hierbei, dass bei theo- retischer sehr langsamer Strömung zwar eine große Erwärmung zu erwarten ist, j edoch gleichfalls im Kaminschacht nur eine langsame Aufwärtsströmung vorliegen kann. Bei einer großen Erwärmung j edoch ist eine schnelle Luftströmung zu erwarten, welche jedoch dazu führt, dass im Solarkollektor aufgrund der kurzen Verweilzeit der Luft nur eine unzureichende Erwärmung erzielt werden kann. Diese führt wiederum zu einer Stabilisierung auf geringem Niveau und im Resultat zu einer geringen Aufstiegsgeschwindigkeit im Kaminschacht und somit zu einem schlechten Wirkungsgrad.
Wesentliche Kriterien zur Gewinnung elektrischer Energie bei einem aus dem Stand der Technik bekannten Aufwindkraftwerk sind zum einen die mit einem Glasdach überdeckte Kollektorfläche sowie die Höhe des Kaminschachts. Derzeit wird davon ausgegangen, dass zur wirtschaftlichen Stromproduktion ein Kaminschacht mit einer Höhe von mindestens 1 .000 m sowie eine Kollektorfläche von mindestens 30 km2 erforderlich sind. Als Standorte kommen daher praktisch ausschließlich menschenleere Regionen mit einer hohen Sonneneinstrahlung in Betracht.
Es ist offensichtlich, dass die bekannten Ausführungen des Aufwindkraftwerks zwei erhebliche Nachteile aufweisen. Zum einen ist dies die erforderliche enorme Bauhöhe des Kaminschachts und die hierdurch entstehenden Baukosten und zum anderen der unangemessen hohe Flächenverbrauch für den Solarkollektor.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein wirtschaftlich realisierbares Aufwindkraftwerk zur Verfügung zu stellen, welches bei einer geringen Höhe des Kaminschachts einen hohen Wirkungsgrad aufweist.
Die Aufgabe wird durch ein erfindungsgemäßes Verfahren nach dem Anspruch 1 sowie durch eine erfindungsgemäße Ausführungsform gemäß dem Anspruch 9 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Das gattungsgemäße Aufwindkraftwerk zur Erzeugung elektrischer Energie weist zunächst einmal einen Kaminschacht auf. Wenngleich der Begriff Kaminschacht auf eine zylindrische Röhre hindeutet, ist dies ledi glich die besonders vorteilhafte Ausführungsform. Änderungen im Querschnitt über dem Verlauf des Kaminschachts, wie beispielsweise Verjüngungen, können einen positiven Einfluss auf die Strömungsverhältnisse haben, sind j edoch allenfalls vorteilhaft aber nicht zwingend. Weiterhin erschließt sich aus dem Begriff Kaminschacht, dass dieser im Wesentlichen lotrecht aufzustellen ist. Wesentlich ist zumindest, dass mittels des Kaminschachts ein Luftkanal entsteht, welcher einen Höhenunterschied zwischen seinem Fußende und seinem Kopfende bei möglichst geringen Strömungswiderständen real isiert. Hierbei weist der Kaminschacht am Kopfende eine Auslassöffnung auf zur Ausleitung des im Kaminschacht vorhandenen Luftstroms in die Umgebung. Am Fußende weist der Kaminschacht einen Schachtsockel auf, welcher zum einen die statische Verbindung zum Untergrund darstellt und zum anderen zumindest eine erforderliche Einlassöffnung zur Ermöglichung des erforderlichen Luftstroms im Kaminschacht umfasst. Die Gestaltung des Schachtsockels ist zunächst ohne Belang. Ebenso ist dieser nicht auf eine geometrische Verlängerung des Kaminschachts zum Untergrund beschränkt. Vielmehr kann der Schachtsockel eine vielfältige Form aufweisen, wobei dieser weitere verschiedenartige Luftführungen sowie verschiedenartige Einbauten und Anbauten aufweisen kann. Maßgeblich ist lediglich die statische Funktion als den Kaminschacht tragendes Element sowie als Funktionselement, welches die Real isierung des Luftstroms von der Einlassöffnung im Schachtsockel und folgend durch den Kaminschacht ermöglicht. Gleichfalls ist es zunächst unerheblich, ob lediglich eine einzelne Einlassöffnung vorhanden ist oder ob vorteilhaft am Umfang des Schachtsockels verteilt mehrere Einlassöffnungen vorhanden sind .
Weiterhin weist das gattungsgemäße Aufwindkraftwerk eine im Kaminschacht angeordnete unterste Turbine auf. Unerheblich ist es hierbei zunächst, ob es sich hier l ediglich um eine singuläre Turbine handelt oder ob hierzu eine Mehrzahl von Turbinen auf gleicher Höhe oder alternativ in verschi edenen Ebenen angeordnet ist. Wesentlich zur Erzeugung elektrischer Energie ist es jedoch, dass die Turbine mit einem entsprechenden Generator gekoppelt ist. Hierbei kann der Generator sowohl innerhalb des Kaminschachts angeordnet sein als auch alternativ außerhalb des Kaminschachts, wobei es einer entsprechenden Übertragung der mechanischen Energie von der Turbine zum Generator bedarf. Zunächst unerheblich ist hierbei ebenso, ob beim Einsatz mehrerer Turbinen diese gemeinsam oder jeweils mehrere von ihnen mit einem Generator gekoppelt sind oder jede Turbine eine Verbindung zu einem zugeordneten Generator aufweist.
Durch die Anordnung der untersten Turbine im Kaminschacht wird ein spezifisches Schachtvolumen definiert. Dieses kann bestimmt werden aus dem freien Innenvolumen des Kaminschachts in Begrenzung bis zur untersten Turbine innerhalb dessen sich Luft mit einer gegenüber der Umwelt erhöhten Temperatur befindet. Gattungsgemäß strömt im Betrieb ein Luftstrom durch die Einlassöffnung in den Schachtsockel ein und nachfolgend im Kaminschacht aufwärts um schließlich an der Auslassöffnung in die Umgebung auszutreten. Hierbei weist der im Schachtvolumen vorherrschende aufwärts gerichtete Luftstrom eine gegenüber der Umgebungsluft erhöhte Temperatur auf, was im Stand der Technik Grundlage zur Ausbildung des Luftstroms und somit zum Antrieb der Turbine ist.
Relevant zur weiteren Betrachtung der erfindungsgemäßen Ausführungsform ist ein Luftmassenstrom. Hierunter wird im Folgenden derj enige Luftmassenstrom verstanden, welcher in einem Nennbetrieb des Aufwindkraftwerks die Einlassöffnung passiert. In der Verwendung des Aufwindkraftwerks kann dieses bei Abweichung vom Nennbetrieb hin zu geringerer oder höherer Leistung entsprechend einen schwächeren oder stärkeren Luftstrom aufweisen, Entgegen den bekannten Verfahren zum Betrieb eines Aufwindkraftwerks wird nun erfindungsgemäß ein technisch erzeugter drückender Luftmassenstrom in den Schachtsockel eingeleitet, welcher nachfolgend erhitzt wird. Hierbei wird das Schachtvolumen im erfindungsgemäßen Aufwindkraftwerk als Expansionsbereich betrachtet. Zunächst unerheblich ist es, ob der Luftmassenstrom im Eintritt in den Schachtsockel den gesamten Luftstrom im Schachtvolumen bildet oder nur einen Teil hiervon. Wesentlich ist hierbei, dass der Luftmassenstrom zwangweise als drückender Luftmassenstrom in den Schachtsockel eingeleitet wird. Auf welche Art die Erhitzung erfolgt, ist zunächst ebenso unerheblich, wobei diese sowohl direkt als auch indirekt erfolgen kann. Relevant ist zumindest, dass der Luftmassenstrom vor der Einlassöffnung und somit dem Eintritt in den Schachtsockel eine geringere Temperatur aufweist, als der Luftstrom im Schachtvolumen. Im Kern wird bei diesem Verfahren eine getrennte Erzeugung des Luftmassenstroms unabhängig von der thermischen Erhitzung des Luftstroms eingesetzt.
Besonders vorteilhaft wird ein kalter Luftmassenstrom in den Schachtso- ekel eingeleitet, welcher dort erhitzt wird. Hierdurch resultierend kann nachfolgend im Schachvolumen die eingeleitete Luftmenge thermisch expandieren. D.h. zusätzlich zur bereits vorhandenen drückenden Luftmassenströmung erfolgt aufgrund der Steigerung der Temperatur des eingeleiteten Luftstroms eine Ausdehnung der Luftmenge und führt zu einer Vervielfachung des im Kaminschacht vorhandenen Luftvolumens, welches wiederum nur nach oben austreten kann und somit einen berechenb aren, nach oben gerichteten Luftstrom hervor bringt.
Der Luftmassenstrom kann nach Einleitung durch die Einlassöffnungen in den Schachtsockel und der gewählten Erhitzungsart im freien
Schachtvolumen entspannen, womit eine entsprechende Volumenänderung einher geht. Zusätzlich und unter Einfluss der Erhitzung des Luftmassenstroms im Schachtsockel wird ein enormer Auftrieb im Kaminschacht erreicht, welcher bisher mit aus dem Stand der Technik bekannten Ausführungen von Aufwindkraftwerken in diesem Ausmaß nicht realisierbar war.
Durch dieses erfindungsgemäße Verfahren wird durch das Aufwindkraftwerk eine Energiegewinnung mittels der Turbinen aus der thermischen und sowie der kinetischen Energie des Luftmassenstroms unter Erreichung höherer Wirkungsgrade ermöglicht. Im Ergebnis führt dies anstel- le üblicher Betri ebsweisen erstmalig zu einem Verfahren nach Art der Gasdruckthermie. Die Austrittsgeschwindigkeit an der Auslassöffnung kann mittels folgender Formel bestimmt werden:
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Durch diese Aufteilung der Energiegewinnung aus der Einbringung thermischer Energie und der erzeugten Luftströmung wird eine gezielte Auslegung des Aufwindkraftwerk hinsichtlich aller Komponenten mit neuen Freiheitsgraden zugänglich, was ansonsten im Stand der Technik aufgrund der Zwangskopplung der Luftströmung an die Thermik engen Restrektionen unterlegen war.
Durch die neu geschaffene Ausführungsform werden verbesserte Wirkungsgrade des Aufwindkraftwerks bei einer reduzierten Baugröße des Kaminschachts erreicht, welche bisher nur durch enorme Höhen des Kaminschachts realisierbar waren. Durch den erfindungsgemäßen Einsatz einer Erwärmung der Luftströmung im Schachtsockel kann mittels der entsprechenden Auslegung die Temperaturverteilung der strömenden Luft beginnend von der Umgebungsluft bis zum Austritt am Kopfende des Kaminschachts, insbesondere aktiv, beeinflusst werden und ist nicht nur von der Baugröße des Solarkollektors sowie von der Baugröße des Kaminschachts abhängig.
Besonders vorteilhaft ist der Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn der Luftmassenstrom mit einem erhöhten Druck und mit einer erhöhten Strömungsgeschwindigkeit in den Kaminschacht eingeleitet wird. Hierbei beziehen sich der erhöhte Druck und die erhöhte Strömungsgeschwindigkeit auf einen Verglei ch mit einer B etriebswei se eines Aufwindkraftwerks, bei welchem sich der Luftmassenstrom ohne äuß eren Antrieb rein aufgrund der Thermik im Kaminschacht ausbildet.
Durch dieses neu geschaffene besonders vorteilhafte Verfahren wird bewirkt, dass Luft nicht nur mit erhöhter Temperatur aber verringerter Dichte im Kaminschacht aufsteigt - wie im Stand der Technik üblich - sondern mit voller bzw. höherer Dichte in den Kaminschacht eintritt und dann durch die Erhitzung eine hohe Ausströmgeschwindigkeit erzwungen wird. Ein vergrößerter Volumenstrom führt in naheliegender Weise zu einem stärkeren Luftstrom innerhalb des Kaminschachts. Ein erhöhter Druck im Luftmassenstrom kann sich nach dem Eintritt in den Kamin- Schacht in diesem abbauen, wobei in Umkehrung eine entsprechende Volumenvergrößerung einher geht. Diese wiederum führt zusätzlich zur Thermik zu einer resultierenden im Kaminschacht aufwärts gerichteten Luftströmung zum Antrieb der Turbine. Zur Bestimmung einer messbaren Größe in der Anwendung des vorteilhaften Verfahrens wird der Luftmassenstrom im Verhältnis zum Schachtvolumen betrachtet. Hierzu ist es hilfreich j enes Luftvolumen zu berechnen, welches in einem Aufwindkraftwerk nach dem Stand der Technik durch den Kamin hätte strömen sollen. D.h. zunächst ist eine Umrech- nung des drückenden Luftmassenstroms auf einen freien Luftstrom ohne drückende Eigenschaften vorzunehmen, bzw. es gilt zunächst den Luftmassenstrom umzurechnen auf einen äquivalenten Volumenstrom bei Umgebungsdruck. Als Basis zur Umrechnung ist der Umgebungsdruck am Fußende des Kaminschachts bzw. auf geographischer Höhe der Einlassöffnung durchzuführen. Zur Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es nunmehr erforderlich, dass der Volumenstrom berechnet aus dem Luftmassenstrom zumindest einen Betrag erreicht, welcher dem Wert des Schachtvolumens geteilt durch 20 Sekunden entspricht.
Die vorteilhafte Ausführung führt sehr vereinfacht betrachtet - unter Vernachlässigung der Erwärmung oder sonstiger Luftzuführungen - zu einer Luftverschiebung innerhalb des Kaminschachts, bei welcher alle 20 Sekunden die im Bereich unterhalb der unteren Turbine vorhandene Luft durch die Turbine nach oben verschoben wird, womit ein entsprechender Antrieb der Turbine einher geht. Besonders vorteilhaft ist die Anwendung des Verfahrens, wenn der
Luftmassenstrom in Relation zum Schachtvolumen derart gesteigert wird, dass der Volumenstrom zumindest einen Betrag erreicht, welcher dem Wert des Schachtvolumens geteilt durch 10 Sekunden entspricht. Mittels dieser Auslegung können sehr hohe Wirkungsgrade des Aufwindkraft- werks bei Betrachtung der eingebrachten Energie erzielt werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn im Aufwindkraftwerk zusätzlich aufgrund des Dichteunterschieds zwischen der erwärmten Luft im An- schluss der Einlassöffnung im Kaminschacht in Relation zur Umgebungsluft außerhalb des Aufwindkraftwerks ein im Kaminschacht nach oben gerichteter Luftstrom entsteht. Somit kann zusätzlich aufgrund des
Dichteunterschieds zwischen der erwärmten Luft und der Umgebungsluft eine entsprechende Luftströmung ausgebildet werden, welche zur Nutzung elektrischer Energie über den Einsatz von Turbine und Generator genutzt werden kann. Weiterhin ist eine Auslegung dahingehend besonders vorteilhaft, wenn der Luftmassenstrom eine Luftgeschwindigkeit zwischen 3 m/s und 9 m/s aufweist. Besonders vorteilhaft sind hierbei Luftgeschwindigkeiten zwischen 5 m/s und 7 m/s. Insbesondere dieser Geschwindigkeitsbereich ist vorteilhaft zur Erzielung einer zusätzlichen Auftriebsströmung der im Kaminschacht befindlichen Luft und somit zur Realisierung hoher Wirkungsgrade des Aufwindkraftwerks.
Besonders hohe Wirkungsgrade hinsichtlich der Gewinnung elektrischer Energie unter Berücksichtigung der eingebrachten, insbesondere thermischen, Energie sind gegeben, wenn der Kaminschacht sowie der Luftmas- senstrom und der thermische Energieeintrag dahingehend ausgelegt werden, dass im Nennbetrieb eine nach oben gerichtete Luftströmung im Kaminschacht mit einer Geschwindigkeit zwischen 1 0 m/s und 30 m/s erzeugt wird. Besonders vorteilhaft sind hierbei Luftgeschwindigkeiten zwischen 1 5 m/s und 25 m/s. Bei Betrachtung einer wirbelartigen bzw. einer helixförmigen Luftströmung im Kaminschacht betrifft diese benannte Geschwindigkeit den rein vertikalen Anteil an der Luftströmung.
In vorteilhafter Weise wird bei der Erzeugung des Luftmassenstroms eine mehrstufige Verdichtung eingesetzt, wobei der Strömungsquerschnitt im Laufe der Verdichtung entsprechend reduziert wird. Hierdurch werden im Luftmassenstrom höhere Drücke erreicht, welche zum einen eine bessere Energieübertragung in beispielsweise einem Wärmetauscher bewirken als auch eine zusätzliche Volumenausdehnung im Schachtvolumen unter Vergrößerung des Volumens des Luftstroms bewirken.
Aus dem Stand der Technik sind Aufwindkraftwerke bekannt, welche am Fußende des Kaminschachts einen von einem Glasdach überspannten thermischen Solarkollektor zur direkten Lufterwärmung aufweisen, wobei mittels diesem die Umgebungsluft erwärmt werden kann. Als Umgebungsluft ist hier die Luft außerhalb des Aufwindkraftwerks zu verstehen. Die Erzeugung elektrischer Energie wird hierbei ermöglicht auf Grundlage der entsprechenden Erwärmung der Umgebungsluft, welche hierzu innerhalb des Kaminschachts vom Fußende zum Kopfende aufsteigt und die Turbine antreibt.
Entgegen allen bekannten Ausführungen des Aufwindkraftwerks wird in besonders vorteilhafter Ausführung nunmehr der Luftmassenstrom nach der Einleitung in den Schachtsockel durch die Einlassöffnungen mittels eines von einem Heizfluid durchströmten Wärmetauschers erhitzt.
Hierbei kann mittels des Wärmetauschers die Wärmeenergie von dem den Wärmetauscher durchströmenden Heizfluid auf die gleichfalls den
Wärmetauscher durchströmende Luftströmung übertragen werden.
Zur Realisierung einer Erwärmung des vom Luftmassenstrom erzeugten Luftstroms im Schachtsockel mittels des Wärmetauschers ist es besonders vorteilhaft, wenn das Heizfluid beim Eintritt in den Wärmetauscher eine Temperatur von mehr als 250° C, insbesondere von mehr als 350° C, aufweist. Durch den Einsatz des Wärmetauschers unter Verwendung erhöhter Temperaturen von mehr als 250° C wird es ermöglicht, wir- kungsvoll die einströmende Luft auf eine gleichfalls hohe Temperatur aufzuheizen. Derartige Heizeffekte sind in klassischen Aufwindkraftwerken aufgrund der natürlichen Sonneneinstrahlung und der sich frei ausbildenden Luftströmung auf Temperaturen von deutlich unter 100° C beschränkt. Weiterhin wird durch den Einsatz hoher Temperaturen di e Gestaltung vorwiegend kurz bauender Wärmetauscher begünstigt. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann ergänzend oder alternativ auch eine Erhitzung des Luftstroms durch eine flammende Befeuerung erfolgen. Hierbei ist ein entsprechender Brenner direkt im Schachtsockel anzuordnen, welcher eine Erhitzung der einströmenden Luft bewirkt. Bei Betrachtung der vorteilhaften Ausführung mit einer mehrstufigen Verdichtung zur Erzeugung des Luftmassenstroms kann diese Ausführungsform schematisch mit einem Stahltrieb verglichen werden, in dessen weiterer Luftführung eine Turbine zur Stromgewinnung angeordnet wird. Wesentlich ist j edoch in diesem Falle, dass der Höhenunterschied des Aufwindkraftwerkes ausgenutzt wird zur Erzeugung eines zusätzlichen Auftriebswindes.
Besonders vorteilhaft ist das Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie mittels des Aufwindkraftwerks, wenn in dem Schachtsockel aus einer externen Quelle Heißluft zugeführt wird. Hierbei sollte die Heiß- luft zumindest 1 50°C aufweisen, wobei besonders vorteilhaft Temperaturen oberhalb von 400°C sind. Möglich ist die Zuführung von Heißluft als Abfallprodukt von Heizkraftwerken mit einer verbleibenden Temperatur von beispielsweise 700°C. Diese Heißluft bildet dann zumindest anteilig ergänzend zu dem Luftmassenstrom den Luftstrom im Kaminschacht. Insbesondere bei einem Betrieb mit Heißluft besonders hoher Temperaturen bietet si ch vorteilhaft eine Zumischung von Heißluft mit nicht erhitzter Umgebungsluft an. Hierbei kann beispielsweise ein kalter Luftmassenstrom mit Umgebungstemperatur einen größeren Anteil des Luftstroms bilden, welcher durch die Heißluft zum Luftstrom im Kamin- schacht ergänzt wird, so dass sich im Ergebnis ein Luftstrom mit sowohl hoher Temperatur, höherem Druck als auch höheren Strömungsgeschwindigkeiten im Schachtvolumen bildet.
Weiterhin ist es vorteilhaft bei Zuführung eines Heißluftstroms, wenn dieser gleichfalls zum im Wesentlichen kalten Luftmassenstrom als drückender Gasstrom aktiv gefördert in den Schachtsockel eingeleitet wird. Besonders vorteilhaft ist es, wenn eine Erhitzung des Luftmassenstroms, beispielsweise über nachgelagerte Wärmetauscher, und/oder die direkte Erhitzung im Schachtsockel, beispielsweise über einen Brenner, und/oder die Mischung des Luftmassenstroms mit Heißluft, beispielsweise über die Zuführung von entsprechender Heißluft, zu einer Temperatur des Luftstroms im Schachtvolumen von zumindest 80°C, vorteilhaft zumindest 150 °C, führt. Temperaturen oberhalb von 250°C, vorteilhaft von 200°C, gilt es jedoch zu vermeiden, um reguläre Materialien zum Bau des Kaminschachts einsetzen zu können. Weiterhin ist es besonders vorteilhaft, wenn der Luftstrom im Schachtvolumen aufgrund der vorteilhaften Erhitzung und/oder Mischung eine Temperatur von zumindest 50°C, vorteilhaft zumindest 1 50°C, oberhalb der Temperatur der Umgebungsluft am Fußende aufweist. Mit entsprechender Temperaturdifferenz wird eine vorteilhafte Thermik im Kamin- Schacht erzielt.
Ein erfindungsgemäßes Aufwindkraftwerk wird im Wesentlichen durch einen Aufbau gekennzeichnet, welcher eines der zuvor beschriebenen Merkmale aufweist bzw. eines der zuvor beschriebenen Verfahren ermöglicht. Diesbezüglich bedarf es neben dem obligatorischen Kaminschacht eines Schachtsockels , in welchem bei einer Einlassöffnung ein drückender Luftmassenstrom eingeleitet werden kann, wobei zudem im Schachtsockel die Erhöhung der Temperatur des Luftstroms durch Erhitzung und/oder durch Mischung mit bei spielsweise Heißluft ermöglicht wird.
Besonders vorteilhaft zur Realisierung hoher Wirkungsgrade ist es insbesondere, wenn das Aufwindkraftwerk ein Luftstromerzeugungsmittel umfasst. Entgegen bekannten Ausführungen aus dem Stand der Technik, bei denen sich die Luftströmung rein aufgrund der Thermik im Kaminschacht ausbildet, wird durch diese Ausführungsform die Möglichkeit geschaffen, aktiv Luft zu komprimieren und zu fördern und somit zumindest anteilig den Luftmassenstrom zu bilden. Das Luftstromerzeugungsmittel ist in vorteilhafter Ausführung hierbei ein von einem Motor antreibbarer Ventilator. Gleichfalls wie eine Anordnung mehrerer Einlassöffnungen vorteilhaft sein kann, ist der Einsatz mehrerer Ventilatoren, insbesondere in Anordnung vor mehreren Einlassöffnungen, vorteilhaft. Die Verwendung eines Motors zum Antrieb eines Ventilators bei einem Aufwindkraftwerk zur Energiegewinnung ist besonders vorteilhaft, weil nunmehr die Luftmasse vollständig im Schachtvolumen bereit gestellt wird und dies den Gesamtwirkungsgrad des Aufwindkraftwerks vorteilhaft beeinflusst. Mittels des erfindungsgemäßen drückenden Luftmassen- stroms wird der besondere Effekt der thermischen Expansion erzielt. Hierzu eignet sich besonders der Einsatz des motorbetriebenen Ventilators . Die eingesetzte Energie wiederum kann mittels der Turbine im Kaminschacht wirkungsvoll zurück gewonnen werden, da durch den berechenbaren Luftmassenstrom sowie die eingebrachte thermische Energie und die damit verbundene Austrittgeschwindigkeit bzw. den aufwärts gerichteten Luftstrom im Kaminschacht eine große Energiegewinnung durch die Turbinen erfolgen kann. Durch den Einsatz eines Ventilators lässt sich der Betrieb des Aufwindkraftwerks gezielt steuern und ist nicht mehr - wie im Stand der Technik zwingend - an die gege- benen klimatischen Randbedingungen gebunden. Hi erdurch kann sowohl ein bestimmbarer als auch vorgebbarer Luftmassenstrom realisiert werden als auch Einfluss auf die in dem Generator gewonnene Energie genommen werden kann.
Weiterhin kann in vorteilhafter Ausführung der Schachtsockel zumindest eine Kaltluftöffnung aufweisen, durch die Umgebungsluft weitgehend ungehindert in den Schachtsockel eintreten kann. Eine im Schachtsockel vorhandene Erhitzung, sei es des Luftmassenstroms auf eine besonders hohe Temperatur, sei es durch eine flammende Befeuerung oder sei es durch die Zuleitung von H eißluft, kann durch die Ergänzung um eine Kaltluftöffnung mit einer entsprechend resultierenden Zuströmung von Kaitluft besonders wirksam eingesetzt werden zur Erzi elung eines heißen aufwärts gerichteten Luftstroms im Kaminschacht. Die Wirkung lässt sich mit dem Erzeugen des Auftriebs bei einem Fesselballon vergleichen.
Es ist offensichtlich, dass beispielsweise bei einer Heißluftzufuhr in den Schachtsockel bei Vorhandensein von Kaltluftöffnungen sich der Luft- ström im Kaminschacht als Mischung zus ammensetzt aus dem drückenden Luftmassenstrom der Heißluft und der Kaltluftströmung durch die Kaltluftöffnung.
In vorteilhafter Ausführungsform wird im Schachtsockel ein Wärmetauscher angeordnet, welcher einen Luftstrom erwärmen kann. Durch diese neu geschaffene besonders vorteilhafte Ausführungsform unter Verwendung eines Wärmetauschers werden die Restriktionen hinsichtlich der Ausführung bisheriger Solarkollektoren mit einer unverhältnismäßig großen von einem Glasdach überspannten Fläche aufgehoben. Erstmalig ermöglicht diese Ausführungsform den Einsatz alternativer wirkungsvol- lerer Solarkollektoren zur Nutzung der Sonnenenergie zur Umwandlung in thermische Energie. Somit werden vielfach höhere Wirkungsgrade für den Solarkollektor ermöglicht.
Zugleich wird durch die vorteilhafte Ausführungsform die Verwendung des Aufwindkraftwerks mit verschiedenen Energiequellen zum Betrieb des Wärmetauschers ermöglicht.
Es ist zunächst unerheblich, auf weiche Weise der Wärmetauscher im Schachtsockel angeordnet ist, sofern sichergestellt wird, dass eine entsprechende Temperaturerhöhung des durch die Einlassöffnung eingeleiteten Luftmassenstroms bewirkt wird. Hierbei kann der Wärmetau- scher besonders vorteilhaft quasi in einem Luftkanal im Anschluss an die Einlassöffnung angeordnet sein oder alternativ sich auch in freier Positionierung nach der Einlassöffnung innerhalb des Schachtsockels befinden. Weiterhin es offensichtlich, dass der Schachtsockel ebenso derart gestaltet sein kann, das sich dieser zunächst als Verlängerung des Kamin- Schachts nach unten darstellt, wobei der Wärmetauscher innerhalb eines Luftkanals geometrisch außerhalb des Kaminschachts positioniert ist. Hierbei umfasst der Schachtsockel unvermindert den Luftkanal mit dem Wärmetauscher als Bestandteil desselben.
Besonders vorteilhaft ist die Bauweise, bei welcher in Luftströmungs- richtung betrachtet unmittelbar vor dem Wärmetauscher der Ventilator angeordnet wird, d.h. der Ventilator wird vom Wärmetauscher durch die Einlassöffnung getrennt, und somit der Ventilator bei Motorantri eb eine unmittelbare Durchströmung des Wärmetauschers bewirkt.
Entsprechend der Anordnung des Wärmetauschers im Schachtsockel befindet sich dieser direkt am Fußende des Kaminschachts. Somit erfolgt eine unmittelbare Erwärmung der Umgebungsluft am Fußende des Kaminschachts, wodurch sowohl bei geringen als auch bei höheren Luftgeschwindigkeiten eine effektive Erwärmung realisiert werden kann.
Gleichfalls begünstigt diese Ausführungsform, dass nahezu keinerlei Leistungsverlust durch den Einsatz des Wärmetauschers am Fußende des Kaminschachts zu erwarten ist. Hingegen ist bei aus dem Stand der Technik üblichen Solarkoll ektoren mit erheblichen Wärmeabstrahlungen zu rechen. Somit kann insgesamt die erfindungsgemäße Luftvorwärmvorrichtung in vorteilhafter Ausführungsform einen wesentlich höheren Wirkungsgrad erzielen, als dies bei einem klassischen Glasdach überspannenden Solarkollektor der Fall wäre.
Weiterhin ist es besonders vorteilhaft als Heizfluid anstelle einer wäss- rigen Lösung ein auf Öl basierendes Medium zu wählen. Ebenso vorteilhaft ist die Verwendung flüssiger Salze als Heizfluid. Somit werden wesentlich höhere Betriebstemperaturen des Wärmetauschers ermöglicht.
Besonders vorteilhaft ist es hi erbei, wenn das Heizfluid im Wärmetauscher im Kreislauf zumindest einen thermischen Solarkollektor durchströmt. Insofern erfolgt, wie im klassischen Fall des Aufwindkraftwerks, die Energiegewinnung mittels der Sonneneinstrahlung. Jedoch wird anstelle des großflächi gen, mittels Glasdach überspannten thermischen Solarkollektors an dessen Stelle ein von einem Heizfluid durchströmter Solarkollektor eingesetzt. Dies kann hier in besonders vorteilhafter Weise ein Vakuumröhrenkollektor oder ein Parabolrinnenkollektor sein. Somit können zum einen besonders hohe Temperaturen in dem zu erwär- menden Heizfluid realisiert werden, wie auch zugleich ein besonders hoher Wirkungsgrad gewährleistet wird. Hierbei können vorteilhaft eine Mehrzahl thermischer Solarkollektoren den Kaminschacht zumindest bereichsweise umgebend angeordnet werden. Unter Einsatz entsprechender thermischer Solarkollektoren in Verbindung mit der erfindungsgemä- ßen Nutzung eines Wärmetauschers wird ein Wirkungsgrad erreicht, welcher erheblich über dem liegt, welcher mittels eines gewöhnlichen Glasdach überspannten thermischen Solarkollektors zur Lufterwärmung realisierbar wäre.
Weiterhin ist es besonders vorteilhaft, wenn im Kreislauf des Heizfluids zwischen dem Wärmetauscher und dem Solarkollektor ein Pufferspeicher angeordnet wird. Hierbei sind verschiedene Ausführungen umsetzbar, wobei der Pufferspeicher sowohl direkt im Krei slauf durchströmt werden kann, als auch ebenso ein paralleler Kreislauf mit Solarkollektor und Pufferspeicher bzw . Wärmetauscher und Pufferspeicher möglich ist.
Weiterhin ist es möglich, das im Kreislauf strömende Heizfluid direkt als Speichermedium einzusetzen als auch ebenso eine Übertragung auf ein anderes Speichermedium möglich ist. Wesentlicher Vorteil des Pufferspeichers ist es, dass die Einsatzzeit des Aufwindkraftwerks unter Gewinnung elektrischer Energie deutlich über die Tageszeit hinaus ausgedehnt werden kann. Weiterhin kann somit Einfluss genommen werden auf die j eweils erzeugte elektrische Energie. B eispielsweise wird es somit ermöglicht in Zeiten geringeren Bedarfs an elektrischer Energie die Luftströmung zu reduzieren bzw. die Erwärmung mittels der Wärmetauscher zu reduzieren und stattdessen überschüssige Energie in die Pufferspeicher zu leiten. Hingegen kann bei einsetzender Dämmerung ein Betrieb aus den Pufferspeichern ermöglicht werden und somit ein Betrieb bis in die Nacht hinein. Es kann jedoch ebenso oder ergänzend vorgesehen sein, dass für den Nachtbetrieb die Erhitzung des Heizfluids durch eine weitere externe Wärmequelle bewirkt wird, so dass ein Ganztagesbetrieb des Aufwindkraftwerks erzielt wird. Weiterhin besonders vorteilhaft zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrades ist es, wenn im Aufwindkraftwerk die Luft außermittig in den Kaminschacht eingeleitet wird. Hierbei gilt es eine zumindest anteilig tangentiale Luftströmung zu erzielen, welche wiederum im Kaminschacht zu einer wirbelartigen Luftströmung führt. Folglich wird in dieser Ausführung die Luft nicht radial auf die Mittelachse des Kaminschachts zugeleitet und am Fußende zwangsweise von der Horizontalen in die Vertikale umgeleitet, sondern es wird vielmehr eine rotierende Luftströmung bewirkt, wodurch ein geringerer Luftwiderstand am Fußende des Kaminschachts erzielt werden kann. Weiterhin kann zugleich die im Kaminschacht ausgebildete wirbelartige Luftströmung, insbesondere unter Ausbildung einer Helixform, vorteilhaft zur Gewinnung der elektrischen Energie in Umsetzung bei der Turbine genutzt werden.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn zur Erzielung eines hohen Gesamtwirkungs grades eine Mehrzahl photovoltaischer Solarkollektoren, den Kaminschacht zumindest bereichsweise umgebend, angeordnet sind.
Somit können die Motoren der Ventilatoren mittels der aus den Solarmodulen gewonnenen elektrischen Energie betrieben werden.
Ein hoher Wirkungsgrad des Aufwindkraftwerks wird weiterhin dadurch erziel t, dass im Kaminschacht zumindest drei in Längsrichtung beabstan- dete Turbinen angeordnet werden. Durch die stufenweise Anordnung der Turbinen erfolgt eine bessere Ausnutzung der Luftströmung im Kaminschacht und somit eine Steigerung des gesamten Wirkungsgrads des Aufwindkraftwerks.
Hierbei ist es besonders vorteilhaft, wenn auf die Höhe des gesamten Kaminschachts bezogen die erste Turbine in einem Abstand vom unteren Ende des Kaminschachts in einem Bereich zwischen 1 5 % und 20 % der Gesamthöhe angeordnet ist. Vorteilhaft werden die zweite Turbine in einem Abstand zur ersten Turbine sowie die dritte Turbine in einem Abstand zur zweiten Turbine in einem Ab stand zwischen 25 % und 35 % der Gesamthöhe angeordnet.
Weiterhin vorteilhaft ist die Berücksichtigung insbesondere der Luftführung am Fußende des Kaminschachts. Hierbei gilt es Strömungsverluste auf ein mögliches Minimum zu reduzieren. Es ist insbesondere auf die Luftführung in Luftströmungsrichtung zu achten, wobei insbesondere der Wärmetauscher derart auszuführen ist, dass der Strömungswi derstand in der Luftströmungsrichtung geringer ist als bei einer theoretisch betrachteten entgegengesetzten Luftströmung.
In den nachfolgenden Figuren werden beispielhaft verschiedene Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Aufwindkraftwerken skizziert. Es zeigen:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Aufwindkraftwerks in perspektivischer Ansicht;
Fig. 2-5 beispielhafte Ausführungen eines Schachtsockels;
Fig. 6 ein weiteres Beispiel eines Aufwindkraftwerks mit Solarkollektoren;
Fig. 7 ein weiteres Beispiel eines Aufwindkraftwerks in Anordnung bei einem Blockheizkraftwerk;
Fig. 8 ein weiteres Beispiel eines Aufwindkraftwerks als Schemataskizze. In der Fi gu r 1 ist ein erstes Beispiel für ein erfindungsgemäßes Aufwindkraftwerk 01 in perspektivischer Ansicht skizziert. Zu erkennen ist zunächst einmal der Kaminschacht 02 in im Wesentlichen zylindrischer Form, wobei am Fußende der Schachtsockel 05 angeordnet ist. Am oberen Ende befindet sich die Auslassöffnung 04 al s o ffenes Ende des Kaminschachts 02, wobei weiterhin im Inneren des Kaminschachts 02 mehrere Turbinen 03 (nur eine skizziert) zur Stromerzeugung angeordnet sind. Unterhalb der untersten Turbine 03 wird im freien Volumen des Kaminschachts 02 sowie des Schachtsockels 05 ein spezifisches
Schachtvolumen 07 gebildet. Innerhalb des Schachtvolumens 07 liegt die Luft mit einer gegenüber der Umwelt erhöhten Temperatur vor.
Der Schachtsockel 05 hat zum einen die statische Aufgabe, den Kamin- schacht 02 zu tragen. Weiterhin umfasst der Schachtso ckel 05 als wesentliche Komponenten für dieses Ausführungsbeispiel eine Mehrzahl von im Umfang verteilten Ventilatoren 09, wel che Umgebungsluft al s Luftmassenstrom durch Einlassöffnungen fördern können, wobei im Folgenden der Luftstrom j eweils einen Wärmetauscher 08 passiert. Zur Verbesserung der Strömungsverhältnisse und zur Verbesserung des Wirkungsgrades ist der Schachtsockel 05 weiterhin derart gestaltet, dass äußere Luftführungen 14 die Luftströmung zu den Ventilatoren 09 begünstigen, wobei wesentlich für dieses Ausführungsbeispiel ist, dass mittels innerer Luftführungen 1 3 eine quasi zirkular-helixförmige Luft- Strömung im Schachtvolumen 07 erzeugt wird.
Die Figur 2 skizziert schematisch den möglichen Aufbau des Lufteintritts mit der Luftführung beim Schachtsockel 05. Zu erkennen ist die am Umfang verteilte Anordnung mehrerer Lufteinlässe mit j eweils einem Ventilator 09 vor der Einlassöffnung 06 gefolgt von der Anordnung eines Wärmetauschers 08 im Anschluss an die Einlassöffnung 06. Nach Durchströmung des Wärmetauschers 08 tritt di e Luft geleitet von inneren Luftführungen 1 3 kreisförmig in den Kaminschacht 02 in das Schachtvolumen 07 ein. Hierdurch bildet sich eine zirkuläre Lufteintrittsströmung 15, welche in Verbindung mit dem Auftrieb der Luft zu einer helixförmi- gen Auftriebsströmung im Kaminschacht 02 führt. Weiterhin kann das Aufwindkraftwerk 01 derart vorteilhaft gestaltet werden, dass außerhalb dessen eine äußere Luftführung 14 die Luftströmung vor dem Eintritt in den Ventilator 09 begünstigt.
In der Figu r 3 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen Schachtsockel 05 skizziert, wobei gleichfalls eine Anordnung einer Mehrzahl von im Umfang verteilten Ventilatoren 09 mit in Strömungsrichtung folgenden Wärmetauschern 08 vorhanden ist. Ebenso wird mittels einer inneren Luftführung 13 eine zirkular-helix förmige Luftströmung im Schachtvolumen 07 erzeugt.
In der Figur 4 wird alternativ zur vorherigen Ausführungsform des Schachtsockels 05 dieser um Kaltluftöffnungen 1 1 ergänzt, durch welche quasi ungehindert Umgebungsluft in das Schachtvolumen 07 eintreten kann. Eine Rückströmung des vom Ventil ator 09 eingeblasenen Luftmassenstroms durch die Kaltluftöffnungen 1 1 findet aufgrund der vorteilhaften Verfahrensweise nicht statt. Zunächst einmal verhindert die zirkular- helixförmige Luftströmung weitestgehend einen Austritt aus den Kaltluftöffnungen 1 1 . Wesentlicher Aspekt ist jedoch die Erhitzung des Luftmassenstroms, in diesem Falle mittels der Wärmetauscher 08, wodurch ein entsprechender Auftrieb der im Schachtvolumen 07 befindlichen Luft bewirkt wird, was einen Sogeffekt an den Kaltluftöffnungen 1 1 hervorruft.
In der Figur 5 wird ein weiters Ausführungsbeispiel eines Schachtsockels 05 skizziert, wobei dieser im Vergleich zu der Ausführung aus Fig. 3 nunmehr ein Sockelgerüst 12 vergleichbar einem offenen Kühlturm aufweist. Hierdurch wird gleichfalls eine Kaltluftöffnung 1 1 gebildet, durch welche ungehindert Luft in das Schachtvolumen 07 eintreten kann.
Hinsichtlich der Abgrenzung des Schachtvolumens 07, insbesondere bei einer Ausführung wie beispielsweise in Fig. 5 skizziert, definiert sich dieses als jenes Freivolumen unterhalb der untersten Turbine innerhalb des Kaminschachts 02 sowie des Schachtsockels 05, in welchem sich gegenüber der Umwelt erhitzte Luft befindet. Im skizzierten Beispiel bedeutet dies, dass das Schachtvolumen 07 quasi oberhalb des Sockelge- rüsts 1 2 beginnt.
In der Figur 6 ist ein weiteres Beispiel eines Aufwindkraftwerks 01 in perspektivischer Ansicht skizziert. Zu erkennen ist wiederum der Kamin- schacht 02, an dessen Fußende der Lufteintritt über Ventilatoren 09 und dahinter liegendem Wärmetauscher - nicht zu erkennen - erfolgt. Zur Gewinnung der notwendigen thermischen Energie für die den Wärmetauscher durchströmende Flüssigkeit sind den Kaminschacht 02 fächerförmig umgebend thermische Solarkollektoren 1 7 in Art von Vakuumröh- renkollektoren angeordnet.
In der Figur 7 ist in einem weiteren Beispiel eines Aufwindkraftwerkes 01 dieses in Anordnung bei Blockheizkraftwerken 19 skizziert. Hierbei erfolgt eine direkte Einleitung der beim Blockheizkraftwerk 1 9 anfallenden Heißluft in den Schachtsockel 05 des Kaminschachts 02. In der Figur 8 skizziert eine Prinzipskizze einen möglichen Aufbau eines erfindungsgemäßen Aufwindkraftwerks 01 . Am Fußende des Aufwindkraftwerks 01 ist der Schachtsockel 05 angeordnet, über den mittels eines Ventilators 09 Umgebungsluft 23 als Luftmassenstrom 2 1 durch die Einlassöffnung 06 in das Schachtvolumen 07 eingeleitet wird, wobei der Luftstrom 22 zunächst einen Wärmetauscher 08 passieren muss, mittels dem eine entsprechende Erhitzung des zuvor kalten Luftmassenstroms 21 bewirkt wird. Weiterhin weist der Schachtsockel 05 Kaltluftöffnungen 1 1 auf, durch die gleichfalls Umgebungsluft 23 ungehindert in das Schachtvolumen 07 eintreten kann. Innerhalb des Kaminschachts 02 sind drei Turbinen 03 . 1 , 03.2 und 03.3 angeordnet, wobei die unterste Turbine 03. 1 zugleich die Größe des Schachtvolumens 07 definiert.
Bei der entsprechenden vorteilhaften Ausführungsform beruht der maßgebende Effekt zur Erzielung hoher Wirkungsgrade und somit der bestmöglichen Ausnutzung der Erwärmung der Luftströmung darauf, dass ein im wesentlicher kalter Luftmassenstrom 21 erst innerhalb des Schachtvo- lumens 07 erhitzt wird und sogleich im Schachtvolumen 07 expandieren kann, wobei aufgrund der Expansion sowie aufgrund des Temperaturunterschiedes zur Umgebungsluft ein entsprechend starker Auftrieb mit einem Antrieb der Turbinen bewirkt wird.

Claims

Patentansprüche
Verfahren zum Betrieb eines Aufwindkraftwerks (Ol), wobei das Aufwindkraftwerk (Ol) einen Kaminschacht (02) aufweist mit einem Schachtsockel (05) an dessen Fußende und mit zumindest einer Auslassöffnung (04) an dessen Kopfende, wobei im Kaminschacht (02) zumindest eine unterste Turbine (03) angeordnet ist, wodurch unterhalb dieser ein unteres Schachtvolumen (07) als freies Volumen im Kaminschacht (02) definiert wird, wobei die Turbine (03) mit einem Generator zur Erzeugung elektrischer Energie gekoppelt ist, und wobei im Nennbetrieb ein Luftmassenstrom (21) durch eine Einlassöffnung (06) in den Schachtsockel (05) eingeleitet wird, wobei der Luftstrom (22) im Schachtvolumen (07) eine gegenüber der Umluft erhöhte Temperatur aufweist, wodurch im Kaminschacht (02) ein aufwärts gerichteter Luftstrom (22) entsteht und die Turbine (03) angetrieben wird,
dadurch geken zeichnet,
dass ein drückender, insbesondere kalter, Luftmassenstrom (21) in den Schachtsockel (05) eingeleitet wird, welcher nachfolgend im Schachtsockel (05) erhitzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Luftmassenstrom (21) mit einer erhöhten Strömungsgeschwindigkeit eingeleitet wird, wobei der Luftmassenstrom (21) umgerechnet auf einen Volumenstrom bei Umgebungsdruck zumindest dem unteren Schachtvolumen (07) pro 20 Sekunden, insbesondere pro 10 Sekunden, entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Luftmassenstrom (21) eine Strömungsgeschwindigkeit zwischen 3 m/s und 9 m/5, insbesondere zwischen 5 m/s und 7 m/S) aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Luftmassenstrom (21) durch eine mehrstufige Verdichtung bei einer Reduzierung des Strömungsquerschnitts erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Luftmassenstrom (21) im Schachtsockel (05) mittels eines von einem Heizfluid durchströmten Wärmetauschers (08) erhitzt wird, wobei das Heizfluid beim Eintritt in den Wärmetauscher (08) eine Temperatur von mehr als 250°C, insbesondere mehr als 350°C, aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Luftmassenstrom (21) im Schachtsockel (05) mittels flammender Befeuerung erhitzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch geke nzeichnet,
dass Heißluft aus einer externen Quelle in den Schachtsockel (05) eingeleitet wird, wobei die Heißluft eine Temperatur von mehr als 150°C, insbesondere mehr als 400°C, aufweist.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Erhitzung des Luftmassenstroms (21) und/oder die Mischung des Luftmassenstroms (21) mit Heiß- und/oder Kaltluft
- zu einer Lufttemperatur im Schachtvolumen (07) zwischen 80°C und 250°C, insbesondere zwischen 150°C und 200°C, führt und/oder - zu einer Temperaturerhöhung der im Schachtvolumen (07) befindlichen Luft gegenüber der Umluft von zumindest 50°C, insbesondere zumindest 150°C, führt.
9. Aufwindkraftwerk (01), welches einen Kaminschacht (02) aufweist mit einem Schachtsockel (05) an dessen Fußende und mit zumindest einer Auslassöffnung (04) an dessen Kopfende, wobei im Kaminschacht (02) zumindest eine unterste Turbine (03) angeordnet ist, welche mit einem Generator zur Erzeugung elektrischer Energie ge- koppelt ist, wobei im Nennbetrieb ein Luftmassenstrom (21) durch eine Einlassöffnung (06) in den Schachtsockel (05) eingeleitet werden kann,
gekennzeichnet durch
die Auslegung zur Anwendung eines Verfahrens gemäß einer der vor- hergehenden Ansprüche.
10. Aufwindkraftwerk (01) nach Anspruch 9,
gekennzeichnet durch
ein Luftstromerzeugungsmittel, insbesondere einen von einem Motor antreibbaren Ventilator (09), welches im Wesentlichen Luft kompri- mieren und fördern kann und zumindest anteilig den Luftmassenstrom (21) bewirken kann.
11. Aufwindkraftwerk (01) nach einem der Ansprüche 9 bis 10, dadurch gekennzeichnet,
dass der Schachtsockel (05) weiterhin zumindest eine Kaltluftöffnung (11) aufweist, durch welche im Nennbetrieb Umgebungsluft im We- sentlichen direkt in den Schachtsockel (05) einströmt.
12. Aufwindkraftwerk (01) nach einem der Ansprüche 9 bis 11,
gekennzeichnet durch
einen von einem Heizfluid durchströmten Wärmetauscher (08), welcher im Schachtsockel (05) angeordnet ist und den Luftmassenstrom (21) erhitzen kann.
13. Aufwindkraftwerk (01) nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Heizfluid im Wärmetauscher (08) im Kreislauf zumindest einen thermischen Solarkollektor (17), insbesondere einen Vakuum- röhrenkollektor und/oder Parabolrinnenkollektor, durchströmt.
14. Aufwindkraftwerk (01) nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Heizfluid im Kreislauf mit dem Wärmetauscher (08) und/oder dem Solarkollektor (17) einen Pufferspeicher durchströmen kann, wobei vom Pufferspeicher thermische Energie gespeichert und abgegeben werden kann.
15. Aufwindkraftwerk (01) nach einem der Ansprüche 9 bis 14,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Einlassöffnung (06) derart angeordnet ist und eine Luftein- lassführung (13) derart gestaltet ist, dass der Luftstrom (22) außermittig in den Schachtsockel (05) eingeleitet wird, wobei sich im Kaminschacht (02) eine wirbel- bzw. helixartige Luftströmung (22) ausbildet.
16. Aufwindkraftwerk (01) nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet,
dass im Kaminschacht (02) zumindest drei in Längsrichtung beabstandete Turbinen (03.1, 03.2, 03.3) angeordnet sind.
17. Aufwindkraftwerk (Ol) nach Anspruch 16,
dadurch gekennzeichnet,
dass jeweils bezogen auf die gesamte Höhe des Kaminschachts (02) als 100%
- die unterste Turbine (03.1) in einem Abstand zur Einlassöffnung (06) des Kaminschachts (02) in einem Bereich zwischen 15% und
25% angeordnet ist;
- die zweite Turbine (03.2) in einem Abstand zur untersten Turbine (03.1) in einem Bereich zwischen 25% und 35% angeordnet ist und
- die dritte Turbine (03.3) in einem Abstand zur zweiten Turbine (03.2) in einem Bereich zwischen 25% und 35% angeordnet ist.
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