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:

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 km ² 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: 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.