DE10224849A1

DE10224849A1 - Wind turbine system for generating electricity by using hot air rising from building, has set of tall vertical chimneys taking hot air from building with glass roof

Info

Publication number: DE10224849A1
Application number: DE2002124849
Authority: DE
Inventors: Uwe Asch
Original assignee: MASCHB ASCH
Current assignee: MASCHB ASCH
Priority date: 2002-06-05
Filing date: 2002-06-05
Publication date: 2003-12-24

Abstract

The system is especially useful in countries with hot climates where a glass roof (1) may trap much solar heat. Hot air moving towards the chimneys (2) may be further warmed by waste process heat. Each chimney contains a turbine (3) which extracts energy from the rising hot air. Cool air is drawn in at the sides of the building, providing ventilation.

Description

Die Erfindung betrifft ein Aufwindkraftwerk in an sich grundsätzlich bekannter Strukturierung, das sich durch vergleichsweise einfachen und kostengünstigen Aufbau auszeichnet; seine Anwendung ist - im Gegensatz zu realisierten und geplanten Pilotanlagen - in jeder Hemisphäre vorteilhaft möglich. The invention relates to an updraft power plant in a manner known per se Structuring that is comparatively simple and inexpensive Structure distinguished; its application is - contrary to realized and planned pilot plants - advantageously possible in every hemisphere.

Bekanntlich handelt es sich bei Aufwindkraftwerken um spezielle Solarkraftwerke, nämlich um solche, die unter Ausnutzung des Kamineffektes eine Luftströmung über eine Windturbine zur Energieerzeugung führen. Unter einem riesigen Glas- oder durchscheinenden Plastikdach, dem so genannten Kollektor, wird die Luft durch Sonneneinstrahlung erwärmt und - durch die Formgebung des vorzugsweise Glasdaches unterstützt - einem Kamin, der in der Mitte des Kollektors steht, zugeführt, in dem sie nach oben strebt. Von den Rändern des Glasdaches strömt die kühlere Umgebungsluft nach, die sich dann gleichfalls erwärmt. Eine im Kamin eingebaute Turbine wandelt die so erzeugte Windenergie mit Hilfe eines Generators in elektrische Energie um. As is well known, wind power plants are special Solar power plants, namely those that take advantage of the chimney effect Air flow through a wind turbine to generate energy. Under a huge glass or translucent plastic roof, the so-called collector, the air is warmed by solar radiation and - by the shape which preferably supports glass roofs - a fireplace that is in the middle of the Collector stands, fed, in which it strives upwards. From the edges of the Glass roofs flow in the cooler ambient air, which then also flows heated. A turbine built into the chimney converts the generated one Using a generator to convert wind energy into electrical energy.

Aufwindkraftwerke stellen also einen Sonderfall der Nutzung von Solarwärme dar. Zu ihren Vorteilen zählt im Vergleich zu den konzentrierten Systemen der Solartechnik die Möglichkeit der Nutzung der diffusen Strahlung und die Verlängerung der Nutzungsdauer über Wärmespeicher, die einen Teil der tagsüber eingestrahlten Energie nachts als Wärme freisetzen können. Hierzu ist die Verwendung dunkler, wasserführender Röhren, die den Erdboden unter dem Kollektor bedecken, vorgesehen. Wind power plants are therefore a special case of using solar heat One of their advantages compared to the concentrated systems is the Solar technology the possibility of using diffuse radiation and the Extend the useful life via heat storage, which is part of the daytime can release radiated energy at night as heat. For this is the Use dark, water-bearing pipes that cover the ground under the Cover the collector, provided.

Die ersten Überlegungen zu Aufwindkraftwerken stammen bereits aus den 30iger Jahren des 20. Jahrhunderts; aber erst Mitte 1986 konnte in Manzanares, Spanien eine von J. Schlaich, Deutschland, konstruierte Pilotanlage, die bis Anfang 1989 fast ohne Unterbrechung mit einer Spitzenleistung von 50 kW lief, in Betrieb genommen werden. Der Kollektor dieser Anlage hatte einen Durchmesser von 240 m; der des 195 m hohen Kamins aus Blech, der 1989 von einem Orkan zu Fall gebracht wurde, betrug 10 m. The first considerations about solar thermal power plants date back to the 1930s; but it was not until mid- 1986 that a pilot plant designed by J. Schlaich, Germany, which ran with a peak output of 50 kW almost without interruption until 1989 , was put into operation. The collector of this system had a diameter of 240 m; that of the 195 m high chimney made of sheet metal, which was brought down by a hurricane in 1989, was 10 m.

Im Ergebnis des Pilotbetriebes wurde immer wieder angegeben, dass wirtschaftlich arbeitende Anlagen wesentlich größer sein müssten. So sollte der Kamin einer (nicht realisierten) 100 MW-Anlage in Gahna eine Höhe von 950 m bei einem Durchmesser von 115 m aufweisen; der Kollektor hätte hierbei eine Fläche von mehreren Quadratkilometern beansprucht (vgl. www.energieinfo.de). Noch größere Ausmaße (und damit Aufwendungen) soll ein Kraftwerk, welches in Australien entstehen soll, aufweisen. Dieses Projekt rechnet mit einem 1000 m hohen und 130 m dicken Kamin und einer Glasfläche von 10 km Durchmesser (vgl. SPIEGELONLINE 2002). As a result of the pilot operation, it was repeatedly stated that economically working systems would have to be significantly larger. The chimney of a (not realized) 100 MW plant in Gahna should have a height of 950 m with a diameter of 115 m; the collector would have taken up an area of several square kilometers (see www.energieinfo.de). A power plant to be built in Australia is said to have even larger dimensions (and therefore expenses). This project anticipates a 1000 m high and 130 m thick chimney and a glass surface of 10 km in diameter (see SPIEGELONLINE 2002 ).

Es liegt auf der Hand, dass für solche Dimensionen eines Aufwindkraftwerkes in Europa kein Raum ist, so dass als Standorte nur entlegene Gebiete wie z. B. Wüsten oder Wüstenränder in Betracht kommen. Aber auch dort, wo Platz und Sonnenlicht im Überfluss vorhanden sind, sind die außerordentlich hohen Baukosten ein kaum überwindbares Hindernis. Namentlich sind deshalb Projekte in Afrika und Asien (u. a. Gahna, Sudan; Indien) gescheitert; auch für Australien muss an die Machbarkeit eines solchen gigantischen Vorhabens unter den Aspekten Infrastruktur, Dauer und Risiken der Genehmigungsverfahren und Höhe der notwendigen Anfangsinvestitionen und daraus folgend Wirtschaftlichkeit erheblicher Zweifel gerichtet sein. It is obvious that for such dimensions of an updraft plant there is no space in Europe, so that only remote areas such as B. Deserts or desert edges. But also where space and Sunlight abound are the extraordinarily high Construction costs an almost insurmountable obstacle. Projects are therefore in particular Africa and Asia (including Gahna, Sudan; India) failed; also for Australia must consider the feasibility of such a gigantic project among the Aspects of infrastructure, duration and risks of the approval process and amount the necessary initial investment and the resulting profitability significant doubts should be addressed.

Zudem sind eine Reihe von Vorschlägen bekannt, die auf eine Anwendung des Prinzips eines Aufwindkraftwerkes im dicht besiedelten und vergleichsweise Sonnenarmen Europa zielen. Dabei stehen neben zahlreichen Detail- (u. a. DE 41 14 501) und einfallsreichen steuerungstechnischen Lösungen, wie z. B. die Ausbildung eines Rundum-Kanals für die Luftströmung am Tage und eines solchen Kanals für die Luftströmung bei Nacht (DE 297 15 254), Vorschläge, die die geographischen Nachteile des Standortes ausgleichen sollen, im Zentrum der Entwicklungen. So wird in DE 199 39 663 ein alternatives System zur bivalenten Stromerzeugung aus Wind- und Verbrennungsenergie vorgeschlagen; gemäß DE 298 24 124 soll ein Aufwindkraftwerk mehrere Arten von industrieller Abwärme nutzen und schließlich wird angeregt, die Solarenergie gezielt wärmespeichernden Steinflächen (DE 299 17 453) oder sonstigen Wärmespeicherelementen (DE 100 23 424) zuzuführen, um den Wirkungsgrad eines Aufwindkraftwerkes zu erhöhen. Andere Entwicklungen wollen die Beschränkungen bezüglich der Höhe von thermosolaren Aufwindkraftwerken dadurch aufheben, dass sie keinen vertikalen, sondern einen entlang einer Anhöhe geneigten Kamin verwenden (DE 198 06 489, DE 195 43 514, die Anlehnung eines Kollektors an einen Berg ist auch aus DE 198 06 144 bekannt, die einer diesbezüglichen Luftführungsanordnung aus DE 198 44 659). In addition, a number of proposals are known that apply to the application of the Principle of an updraft power plant in the densely populated and comparatively Target sun-poor Europe. In addition to numerous details (including DE 41 14 501) and imaginative control solutions, such as B. the Formation of an all-round duct for daytime air flow and one such a channel for air flow at night (DE 297 15 254), suggestions, which should compensate for the geographical disadvantages of the location, in Center of developments. DE 199 39 663 describes an alternative system for bivalent electricity generation from wind and combustion energy proposed; According to DE 298 24 124, an updraft plant is said to have several types of use industrial waste heat and finally, the solar energy is targeted heat-storing stone surfaces (DE 299 17 453) or other Heat storage elements (DE 100 23 424) to supply the efficiency of a Increase wind power plant. They want other developments Limitations on the height of thermosolar wind power plants pick up that they are not vertical but one along a hill use inclined chimney (DE 198 06 489, DE 195 43 514, based on a Collector to a mountain is also known from DE 198 06 144, which one relevant air duct arrangement from DE 198 44 659).

Des Weiteren sind vielfältige Bemühungen bekannt, die hohen Baukosten von Aufwindkraftwerken, besonders die für die Errichtung des Kamins, zu minimieren. Hierfür wird beispielsweise in DE 40 00 100 der Kamin als Kaminturm mit einem trichterförmigen ausladenden Fuß ausgeprägt. Der Fuß besitzt über seinem gesamten Außenumfang verteilt Lufteintrittsöffnungen und weist einen mindestens doppelt so großen Außendurchmesser wie der Kaminturm auf. Dadurch soll eine solche Anlage zur Nutzung der Sonnenenergie technisch einfacher aufbaubar und kostengünstiger sein. Furthermore, various efforts are known to reduce the high construction costs of Wind power plants, especially those for the construction of the fireplace minimize. For this purpose, the chimney is used as a chimney tower in DE 40 00 100, for example a funnel-shaped protruding foot. The foot has over its entire outer circumference distributes air inlet openings and has one at least twice the outer diameter of the chimney tower. This should technically make such a system for using solar energy be easier to set up and cheaper.

Weiterhin liegen Vorschläge vor, den Kamin als Schlauch aus Plaste auszubilden, so z. B. mittels Schlauchfolie, die durch feste oder aufblasbare ringartige Kammern zu einem so genannten Saugschlauch versteift wird. Nach DE 100 46 287 soll der Kamin eine flexibelwandige gasundurchlässige Ummantelung aufweisen, die in Verbindung mit mindestens einem mit Traggas gefüllten Hohlkörpergebilde steht, das den Kamin selbsttragend aufrecht hält. Schließlich wurde angeregt, dass ein konischer, nach oben auseinander gehender Kaminschlauch aus hochfestem Gewebematerial oder hochfesten Kunststofffolien den Aufwindkanal bildet und dass an dem Kaminschlauch in Abständen heliumgefüllte Ballonringe oder Schläuche zum Tragen des Kaminschlauches angeordnet sind. There are also suggestions for the chimney as a hose made of plastic train so. B. by means of tubular film, the ring-like by fixed or inflatable Chambers is stiffened into a so-called suction hose. According to DE 100 46 287 the chimney is supposed to be a flexible-walled gas-impermeable casing have, which in connection with at least one filled with lifting gas Hollow structure stands, which holds the chimney upright. Finally was suggested that a conical, diverging upward Chimney hose made of high-strength fabric material or high-strength plastic films forms the lift channel and that on the chimney hose at intervals Helium-filled balloon rings or hoses for carrying the chimney hose are arranged.

Aber auch diese Entwicklungen haben wie die vorgenannten bislang zu keiner kommerziellen Nutzung des Prinzips eines Aufwindkraftwerkes geführt. Nach wie vor stehen dem die hohen Anfangsinvestitionen und daraus folgend die Höhe der Zinsen, die in erster Linie den Preis des mit dieser Technik erzeugten Stromes bestimmen, entgegen. But these developments, like the aforementioned, have so far had none commercial use of the principle of an updraft power plant. To The high initial investments and consequently the Amount of interest, which is primarily the price of the generated with this technique Determine current, counter.

Aufgabe der Erfindung ist es, den Nachteil des Standes der Technik nachhaltig zu minimieren, so dass es sich lohnt, angesichts der Förderung erneuerbarer Energie mit Aufwindkraftwerken Strom zu produzieren. Es soll insbesondere eine Lösung angegeben werden, die es ermöglicht, den Aufwand für den Kamin drastisch zu reduzieren. The object of the invention is to sustain the disadvantage of the prior art to minimize, so it is worth considering the promotion of renewable Energy to produce electricity with solar thermal power plants. In particular, it is said be given a solution that allows the effort for the Reduce fireplace dramatically.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 8. This object is solved by the features of claim 1. Appropriate embodiments of the invention result from the features of Claims 2 to 8.

Nach Maßgabe der Erfindung ist vorgesehen, Industrieschornsteine großer Höhe als Kamin für Aufwindkraftwerke zu verwenden. Hierfür sind sowohl stillgelegte als auch im Betrieb befindliche Schornsteine vorgesehen. Das Kraftwerk ist hierbei in grundsätzlich bekannter Weise strukturiert und besteht im wesentlichen aus einem Kollektor, vorzugsweise einem vom Erdboden beabstandeten Glasdach, und einem Kamin mit wenigstens einer Turbine, die von der im Kamin unter adiabatischen Expansion aufsteigender Luft, die vorher durch die solare Einstrahlung erwärmt wurde, angetrieben wird. Das Wesen der Erfindung schließt ein, dass auch mehrere Schornsteine, die räumlich in geeigneter Weise zueinander stehen, genutzt werden, die jeweils von dem Kollektor umschlossen sind, oder an denen separat der Kollektor oder ggf. Kollektorsegmente angeschlossen sind. Vorzugsweise sind mindestens 250 m hohe Schornsteine verwendet. According to the invention, industrial chimneys are provided larger Use height as a chimney for solar thermal power plants. For this are both decommissioned as well as in-service chimneys provided. The power plant is structured in a generally known manner and consists of essentially from a collector, preferably a spaced from the ground Glass roof, and a chimney with at least one turbine, which from the Chimney under adiabatic expansion of rising air previously through the solar radiation has been heated, is driven. The essence of Invention also includes multiple chimneys that are spatially more appropriate Stand in relation to each other, each used by the collector are enclosed, or on which the collector or, if applicable, Collector segments are connected. They are preferably at least 250 m high Chimneys used.

Zudem ist es vorteilhaft, bei noch im Betrieb befindlichen Schornsteinen neben der Energie, die durch die aufsteigende, vom Kollektor erwärmte Luft erzeugt wird, die Restenergiepotentiale von Industrieabgasen zum Antrieb der Windturbine zu nutzen. Des Weiteren wird vorgeschlagen, analog die Abwärme aus Kraftwerksprozessen und/oder Kühltürmen zur Verbesserung der Gesamtbilanz des Kraftwerkes der Windturbine zuzuführen, die in bekannter Weise auch mehrfach in einer oder mehreren Ebenen in dem Schornstein angeordnet sein kann. In addition, it is advantageous to use the chimney next to the chimney the energy generated by the rising air heated by the collector will, the residual energy potential of industrial emissions to drive the To use wind turbine. Furthermore, it is proposed to produce the waste heat analogously Power plant processes and / or cooling towers to improve the overall balance of the power plant to supply the wind turbine, which also in a known manner be arranged several times in one or more levels in the chimney can.

Die Kopplung der Nutzung des Aufwindpotentials von Industrieabgasen und/oder der durch konventionelle Kraftwerkprozesse sonst nicht mehr (infolge des geringen Temperaturunterschiedes zur Umgebungstemperatur) technisch sinnvoll nutzbaren Energie mit einem Aufwindkraftwerk eröffnen gerade diese Möglichkeit. Der daraus resultierende Beitrag zum Ressourcen- und Umweltschutz ist offensichtlich. Coupling the use of the upside potential of industrial emissions and / or otherwise no longer due to conventional power plant processes (as a result of the small temperature difference to the ambient temperature) technically Energy that can be used sensibly with a solar thermal power station opens up just this Possibility. The resulting contribution to resource and Environmental protection is obvious.

Der Vorschlag, stillgelegte Industrieschornsteine als Kamin eines Aufwindkraftwerkes zu verwenden, spart die hohen Kosten, für deren ansonsten notwendigen Abriss. The proposal to shut down industrial chimneys as a fireplace Using the wind power plant saves the high costs, otherwise necessary demolition.

Die Aufwendungen für die Anpassung der Schornsteine (egal, ob stillgelegt oder in Betrieb befindlich) an die jeweils konkrete Ausgestaltung eines damit bewerkstelligten Windkraftwerkes sind selbstredend gegenüber eines vergleichbaren Neubau eines Kamins praktisch fast vernachlässigbar. The expenses for the adjustment of the chimneys (regardless of whether decommissioned or in operation) to the specific design of one Completed wind power plants are self-evident to one comparable new construction of a fireplace practically negligible.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert. The invention will now be described with reference to two exemplary embodiments explained.

Fig. 1 zeigt hierfür in schematischer Weise die Verwendung stillgelegter Industrieschornsteine als Kamin eines Aufwindkraftwerkes. Die drei (ehemaligen Kraftwerks-)Schornsteine 2 sind jeweils 300 m hoch und in einem Kollektor, ausgeführt als vom Boden beabstandetes Glasdach 1, integriert. In jedem Schornstein 2 ist in grundsätzlich bekannter Weise eine Windturbine 3 eingebaut. Fig. 1 shows schematically the use of decommissioned industrial chimneys as a chimney of an updraft power plant. The three (former power plant) chimneys 2 are each 300 m high and integrated in a collector, designed as a glass roof 1 spaced from the floor. A wind turbine 3 is installed in each chimney 2 in a generally known manner.

Fig. 2 verdeutlicht in oben beschriebener Weise die Verwendung eines in Betrieb befindlichen Industrieschornsteines einschließlich der Nutzung der Abwärme aus einem Kraftwerksprozess. Dargestellt ist der Schornstein 2, an dem ein Tunnel oder eine Röhre angeschlossen ist, in dem bzw. in der sich die Windturbine 3 und der Wärmeübertrager 4, der durch die Leitung 5 mit dem Kraftwerksprozess verbunden ist, befinden. Der Tunnel oder die Röhre trägt den als Glasdach 1 ausgeführten Kollektor. Fig. 2 illustrates the use of an industrial chimney stone including the use of waste heat in operation of a power plant process in the manner described above. The chimney 2 is shown , to which a tunnel or a tube is connected, in which or in which the wind turbine 3 and the heat exchanger 4 , which is connected to the power plant process by the line 5 , are located. The tunnel or tube carries the collector designed as a glass roof 1 .

Beide Ausführungsvarianten können unter den jeweiligen Glasdächern 1 hier nicht dargestellte Wärmespeicher aufweisen. Both design variants can have heat accumulators (not shown here ) under the respective glass roofs 1 .

Claims

1. Upwind power plant for the generation of electrical energy from a warm air flow generated in particular by solar radiation, essentially consisting of a collector for generating the warm air and a chimney in which there is at least one turbine which is driven by the air rising in the chimney under adiabatic expansion , characterized in that it uses chimneys ( 2 ) as a chimney.

2. Wind power plant according to claim 1, characterized in that several industrial chimneys ( 2 ), which are spatially in a suitable manner to each other, are used, these being enclosed by a collector, preferably made of glass, or on which collector segments in the form of glass roofs ( 1 ) are connected.

3. Wind power plant according to claim 1 and 2, characterized in that the industrial chimneys ( 2 ) are at least 250 m high.

4. Aufwindkraftwerk according to claim 1 to 3, characterized in that disused industrial chimneys ( 2 ) are used as a chimney.

5. updraft power plant according to claim 1 to 3, characterized in that the chimney in operation chimneys ( 2 ) are used, so that in addition to the heated air heated by solar energy, the residual energy potential of industrial gases is used to drive the wind turbine ( 3 ).

6. Aufwindkraftwerk according to claim 1 to 5, characterized in that one or more industrial chimneys ( 2 ) waste heat from power plant processes, especially from cooling towers, is supplied.

7. Aufwindkraftwerk according to claim 1 to 6, characterized in that on the industrial chimneys ( 2 ) a horizontally executed tunnel or a horizontally arranged tube, in or in which heat exchangers ( 4 ) are located, wherein the tunnel or the tube wear the collector designed as a glass roof.

8. wind power plant according to claim 1 to 7, characterized in that the glass roofs ( 1 ) all serve as a chimney industrial chimneys ( 2 ) or to which are connected in segments.