DE10056767A1

DE10056767A1 - Windkraftanlage

Info

Publication number: DE10056767A1
Application number: DE10056767A
Authority: DE
Inventors: Segjo Imeri; Werner Tesch
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-11-14
Filing date: 2000-11-14
Publication date: 2002-06-06

Abstract

Eine Windkraftanlage umfaßt vorzugsweise mehrere in Hauptwindrichtung an einem Gebäude angeordnete, in die Fassade integrierte Rotoren (2) mit vertikaler Achse, die sich an die Gebäudeform anpassen. An den Längsseiten der Rotoren sind im wesentlichen parallel zur Gebäudewand (6) verlaufende, vorzugsweise schwenkbar in einem Drehgelenk (8) gehaltene Luftleit-Fassadenelemente (3, 3a) vorgesehen, die den auftreffenden Wind auffangen und in dem mit der Gebäudewand oder der Dachfläche gebildeten Luftkanal (5, 5a) gleichrichten, verdichten und gezielt dem Rotor zuführen. Die Fassadenelemente weisen durch parallel zur Rotorachse verlaufenden Lamellen (1, 1a) gebildete Luftspalte auf, die schräg auf den Rotor zu gerichtet sind. Eine derartige Anlage kann einen großen Teil des Windes in Bewegungsenergie und damit in elektrische Energie umformen und wird auch den gestalterischen Anforderungen an ein Gebäude gerecht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage, die an einem Gebäude angebracht ist und mindestens einen Rotor umfaßt, dessen Abtriebswelle mit einem Antriebselement verbunden ist.

Windkraftmaschinen sind die kinetische Energie des Windes nutzende Anlagen. Die kinetische Energie des ein Windrad oder Rotor bzw. eine Windturbine in Achsrichtung horizon tal oder vertikal zur Achse durchströmenden Windes wird in Bewegungsenergie umgesetzt, die durch Übertragung auf ein Antriebselement, beispielsweise einen Generator, in nutzbare Energie umgewandelt wird.

Neben Windrädern oder Windturbinen mit in bezug auf die Winddurchströmung horizontaler Achse sind auch Rotoren mit vertikaler Achse, beispielsweise Darrieus- oder Savo nius-Rotoren, bekannt, die zwar kostengünstiger herge stellt werden können, deren Wirkungsgrad aber bedeutend geringer als der der Windräder mit horizontaler Achse ist. Die bekannten und in der Praxis häufig eingesetzten Windkraftanlagen mit horizontalen Windrädern sind ande rerseits insofern nachteilig, als die starken Schwingun gen der Windkraftturbinenflügel zu vorzeitiger Materia lermüdung führen und erhebliche Störgeräusche verursa chen. Außerdem stellen die auf eigens dafür errichteten aufwendigen Bauwerken in großer Höhe angebrachten Wind turbinen eine in erheblichem Maße störende Veränderung des Orts- und Landschaftsbildes dar.

Unter anderem zur Vermeidung des zuletzt genannten Nach teils wurde bereits mehrfach, beispielsweise in der DE 30 06 612, vorgeschlagen, die horizontalen Windturbi nen an oder auf einem herkömmlichen Gebäude anzubringen. Doch auch bei den bekannten Lösungen dieser Art besteht weiterhin das Problem der Störung des Ortsbildes und der Lärmbelästigung durch an oder auf dem Gebäude angeordnete Windkraftturbinen sowie der nur in unzureichendem Umfang aus derartigen Windkraftanlagen gewonnenen nutzbaren Energie.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine an einem Gebäude angebrachte Windkraftanlage so auszubilden, daß das äußere Erscheinungsbild des Gebäudes nicht beein trächtigt wird und selbst bei vergleichsweise niedrigen Windgeschwindigkeiten eine hohe spezifische Leistung mit gegenüber den bekannten Windturbinen für Gebäude verbes sertem Wirkungsgrad erreicht wird.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einer gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 ausgebildeten Windkraft anlage gelöst.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht mit anderen Worten darin, daß in die Fassade und/oder das Dach eines Gebäu des Rotoren mit zur Winddurchströmungsrichtung vertikaler Achse, zum Beispiel Savonius- und/oder Darrieus-Rotoren, integriert sind, an deren Längsseiten im wesentlichen parallel zur Wand- oder Dachfläche des Gebäudes angeord nete Luftleit-Fassadenelemente vorgesehen sind, die den auf oder um das Gebäude mit hoher Beschleunigung strömen den Wind aufnehmen und in dem zwischen der Wand- oder Dachfläche und dem Fassadenelement gebildeten Luftkanal gleichrichten, verdichten und kanalisiert dem entspre chenden Rotor zuführen, dessen Drehbewegung auf eine An triebseinheit, zum Beispiel einen Generator zur Energie erzeugung, übertragen wird. Die Ausrichtung bzw. Achslage der zur jeweiligen Wand- oder Dachfläche parallel angeordneten Rotoren kann von vertikal bis horizontal rei chen. Die Fassadenelemente sind mit einer Mehrzahl paral lel zur Rotorachse verlaufender, zwischeneinander Luftspalte freilassender Lamellen bestückt. Die aerodyna misch geformten Lamellen sind so ausgerichtet, daß die Luftspalte schräg nach innen, das heißt, zu den Längssei ten des Rotors hin, gerichtet sind. Derart über eine be liebige Höhe oder Breite eines Gebäudes oder Daches rei chende Rotoren mit den speziell ausgebildeten Fassa denelementen passen sich gestalterisch gut in die Gebäu defläche ein. Sie sind andererseits aufgrund der Ausnut zung der Beschleunigung des Windes an den Gebäudeflächen und seiner Verdichtung und Kanalisierung mit Hilfe der spezifisch ausgebildeten Fassadenelemente in der Lage, einen großen Teil des anfallenden Windes effektiv in Be wegungsenergie und mit Hilfe eines an die Rotoren ange schlossenen Generators in elektrische Energie umzuformen. Bei in europäischen Küstenbereichen im Jahresdurchschnitt ab einer Höhe von 25 m durchaus üblichen Windgeschwindig keiten von 6 m/s können daher bis zu 80% des Energiebe darfs eines Hochhauses abgedeckt werden.

Aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschrei bung einer beispielhaften Ausführungsform ergeben sich weitere Merkmale und vorteilhafte Weiterbildungen der Er findung.

Ein Ausführungsbeispiel wird anhand der 2eichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäß in eine Gebäudefassade integrierten einzelnen Windturbine in einem waagerechten Schnitt;

Fig. 2 eine detaillierte Darstellung der aerodynamisch geformten Lamellen eines Fassadenelements;

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines Rotors mit vertikaler Drehachse und an dessen Längsseiten beidseitig angelenkten Fassadenelementen; und

Fig. 4 eine graphische Darstellung der bei zwei wirksa men Turbinen zu erwartenden Energieumsetzung pro Jahr bei verschiedenen Windgeschwindigkeiten und Fassadenhöhen.

In Fig. 1 ist mit dem Bezugszeichen 6 die senkrechte Ge bäudewand eines im Querschnitt oval ausgebildeten Hoch hauses bezeichnet. Parallel zur Gebäudewand 6 ist ein Sa vonius-Rotor 2 angebracht, dessen Schaufeln teilweise in eine Ausnehmung 11 in der Gebäudewand 6 eingreifen. Der Savonius-Rotor 2 ist gegenüber der Ausnehmung 11 der Ge bäudewand 6 teilweise mit einer Abdeckplatte 10 umhüllt, zwischen deren jeweiliger Längskante und der Fassade 6 auf der einen Seite ein schmaler Lufteintrittsschlitz 9 und auf der gegenüberliegenden Seite ein breiter Luftein trittsschlitz 9a gebildet ist. Im Bereich des größeren Lufteintrittschlitzes 9a befindet sich aufgrund des hier angeordneten Savonius-Rotors 2 ein Luftleitblech 7, um die in diesem Fall gegenüber dem Schlitz 9 versetzte Windzufuhr zum Savonius-Rotor 2 und eine dem Luftein trittsschlitz 9 entsprechende Schlitzbreite zu gewährlei sten. Im Falle der Anordnung eines Darrieus-Rotors ist aufgrund dessen von einer Savoniusturbine abweichender Ausbildung und Funktion die Anwendung des Luftleitbleches gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 nicht erforder lich.

Aus den Fig. 1 und 2 ist weiter ersichtlich, daß an die Längskanten der Abdeckplatte 10 des Savonius-Rotors 2 jeweils ein Luftleit-Fassadenelement 3, 3a um ein Drehge lenk 8 schwenkbar angelenkt ist. An seinem dem Drehgelenk 8 gegenüberliegenden Ende ist das Luftleit-Fassadenele ment 3, 3a zwischen zwei Anschlägen 4a und 4b einer an der Fassade 6 befestigen Anschlagplatte 4 gehalten. Die jeweils schräg in Richtung des Savonius-Rotors 2, das heißt, zueinander entgegengesetzt ausgerichteten Lamellen 1, 1a der beiden Luftleit-Fassadenelemente 3, 3a sind zur optimalen Windzufuhr über die zwischen den Lamellen 1, 1a gebildeten Schlitze aerodynamisch geformt und in begrenz tem Umfang um ihre Längsachse schwenkbar gelagert. Die aerodynamische Profilierung der Lamellen 3 ist am besten aus Fig. 2 erkennbar. Die entgegengesetzt schräge Anord nung der Lamellen 1 in den beiden Luftleit-Fassadenele menten 3, 3a wird noch einmal aus Fig. 3 deutlich.

Gemäß Fig. 1 trifft der Wind aufgrund der Windrichtung bzw. der an den Gebäudeflächen ausgebildeten Strömungs richtung auf die Luftleit-Fassadenelemente 3, 3a, so daß der Luftstrom überwiegend über die Schlitze zwischen den Lamellen 1 des in der Zeichnung linken Luftleit-Fassaden elements 3 eintritt. Das freie Ende des Luftleit-Fassa denelements 3 liegt an dem oberen Anschlag 4a der An schlagplatte 4 an und bildet mit der Gebäudewand 6 einen sich zum Savonius-Rotor 2 hin allmählich verengenden Luftkanal 5, 5a, in dem der Luftstrom kanalisiert, gleichgerichtet und aufgrund der Lamellenausbildung und des sich gegebenenfalls verringernden Querschnitt des Luftkanals 5 stufenweise verdichtet wird und somit mit hoher kinetischer Energie unmittelbar auf die Rotorblät ter auftrifft. Das auf der anderen Seite des Savonius- Rotors 2 angebrachte Luftleit-Fassadenelement 3a wird durch die Windeinwirkung auf den unteren Anschlag 4b ge drückt. Ein an den Savonius-Rotor 2 angeschlossener Gene rator (nicht dargestellt) wandelt die durch die Windkraft erzeugte Bewegungsenergie des Rotors in elektrische Ener gie um. Bei geänderter Windrichtung legt sich das Luft leit-Fassadenelement 3 an die Gebäudewand an, während sich der Luftkanal 5a aufgrund seiner schwenkbaren An bringung öffnet. Die im Führungskanal 5, 5a kanalisierte und verdichtete Luft wird in diesem Fall über das Luft leitblech 7 auf die Rotorblätter gerichtet, um den Savo nius-Rotor 2 in eine Drehbewegung zu versetzen. Entspre chend den unterschiedlichen Windrichtungen sind aber meh rere Turbinen einschließlich der zugehörigen Luftleit- Fassadenelemente vorzugsweise in Hauptwindrichtung so verteilt an der Gebäudewand angeordnet, daß bei vier am Gebäudeumfang vorgesehenen Turbinen mindestens zwei an der Umsetzung der Windenergie in elektrische Energie be teiligt sind. Bei einer senkrecht auf die Gebäudewand einfallenden Windströmung arbeitet eine Turbine ohne Strömungsanteil aus dem entsprechenden Luftkanal 5 bzw. 5a. In diesem Fall wird der größte Energieanteil von den am Gebäude seitlich versetzt angeordneten Turbinen er zeugt.

Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die hier beschriebene Ausführungsform zur beispielhaften Erläute rung des Prinzips der Erfindung beschränkt.

Anstelle der oben angegebenen Savonius-Rotoren können auch andere Turbinen mit senkrechter Achse, zum Beispiel Darrieus-Rotoren, eingesetzt werden. Aufgrund der anderen Funktionsweise der Darrieus-Rotoren ist in diesem Fall die Anordnung des Luftleitbleches 7 nicht erforderlich.

Vorzugsweise sind in einer Achsrichtung mehrere miteinan der verbundene Rotoren oder Rotorsegmente mit den zugehö rigen Luftleit-Fassadenelementen nacheinander, das heißt, untereinander bzw. nebeneinander, angeordnet, um die Windkraftwirkung zu verstärken. Dabei kann sich die Ausbildung der Luftleit-Fassadenelemente beispielsweise hinsichtlich der Spaltbreite zwischen den Lamellen 1, 1a über die Höhe der Rotoranordnung so ändern, daß trotz der in größerer Höhe größeren Windstärke eine gleichmäßige Kraftwirkung auf die Rotorblätter ausgeübt wird. Glei chermaßen ist auch eine Kombination von Savonius- und Darrieus-Rotoren in derselben Achse oder die Anordnung zumindest eines Savonius-Rotors als Antriebsrotor für ei nen sich an diesen anschließenden Darrieus-Rotor denkbar.

Die im horizontalen Querschnitt bevorzugte Gebäudeform zur Anbringung der Rotoren mit den zugehörigen Fassa denelementen an der Gebäudewand ist rund oder oval. Grundsätzlich ist aber auch deren Anordnung auf geeigne ten Dachflächen vorstellbar.

Zur Berechnung der Energieumsetzung wird zunächst aus der Druckbilanz nach Bernoulli für inkompressible Medien and dem Satz der Massenerhaltung zwischen Kanaleingang und - ausgang die auf die Rotoren ausgeübte Kraft

P_A = ρ_ISA/2.C² + P_ISA - ρ_ISA/2.C_A

bestimmt, wobei
P_A Luftdruck am Kanalaustritt
ρ_ISA Luftdichte der Umgebung
P_ISA Luftdruck am Kanaleingang
c ungestörte Windgeschwindigkeit
c_A Strömungsgeschwindigkeit am Kanalaustritt
ist.

Das an den Generator weitergegebene Moment einer Turbine ergibt sich unter Berücksichtigung der aerodynamisch ak tiven Fläche der Rotoren zu

M = t_K.F.η_T.n_J,

wobei
t_K Tiefe der Kanalöffnung
F Kraft auf den Rotoren
η_T Wirkungsgrad
η_J Anzahl der Rotorumdrehungen pro Jahr
ist.

In die Berechnung gehen weiterhin der Wirkungsgrad eines Savonius-Rotors mit 29% und Reibungsverluste mit 10% ein, während alle Luftparameter höhenabhängig sind und nach den Normen der internationalen Standardatmosphäre (ISA) bestimmt werden. Die Kraft auf die Rotoren und die Anzahl der Rotorumdrehungen sind von der Fassadenhöhe, der Ka naltiefe, der Windgeschwindigkeit und dem Rotordurchmes ser abhängig.

Der Jahresbedarf an Heizenergie für ein Hochhaus mit bei spielsweise 90.000 m² Nutzfläche beträgt 5400 MWh. Bei einer durchschnittlichen Windgeschwindigkeit von 6 m/sec, die in allen europäischen Küstenbereichen ab einer Höhe von 25 m ohne weiteres erreicht wird, kann mit zwei er findungsgemäßen wirksamen Rotoren und entsprechenden Fas sadenelementen in bestimmter Höhe eine Energiedeckung von bis zu 80% des Jahresbedarfs erzielt werden.

Claims

1. Windkraftanlage, die an einem Gebäude angebracht ist und mindestens einen Rotor sowie ein mit dessen Ab triebswelle verbundenes Antriebselement umfaßt, ge kennzeichnet durch mindestens einen an der Gebäudeau ßenfläche angeordneten, in die Fassade oder Dachflä che integrierten Rotor (2) mit vertikaler Achse, an dessen einer oder beiden Längsseite(n) ein die an strömenden Luftmassen aufnehmendes Luftleit-Fassaden element (3, 3a) angeordnet ist, das mit der benach barten Dachfläche oder Gebäudewand (6) einen Luftka nal (5, 5a) zum Gleichrichten, Verdichten und gebün delten Zuführen des auf oder um das Gebäude strömen den Windes zu dem betreffenden Rotor (2) bildet.

2. Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Luftleit-Fassadenelemente (3, 3a) eine Mehrzahl parallel zueinander angeordneter Lamel len (1, 1a) aufweisen und die zwischen diesen gebil deten Luftaufnahmeschlitze schräg zum Rotor (2) hin ausgerichtet sind.

3. Windkraftanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich net, daß die Lamellen (1, 1a) eine aerodynamische Querschnittsform aufweisen.

4. Windkraftanlage nach Anspruch 2 und 3, dadurch ge kennzeichnet, daß die Lamellen (1, 1a) in einem vor bestimmten Maß um ihre Längsachse schwenkbar an dem Luftleit-Fassadenelement (3, 3a) angebracht sind.

5. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da durch gekennzeichnet, daß die Luftleit-Fassadenelemente (3, 3a) im wesentlichen parallel zur Gebäude Wand (6) angeordnet sind.

6. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da durch gekennzeichnet, daß die Luftleit-Fassadenele mente (3, 3a) um ein an den Längsseiten des Rotors (2) vorgesehenes Drehgelenk (8) in einem vorherbe stimmten Maß schwenkbar gelagert sind.

7. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (2) unter Frei lassen von Lufteintrittsschlitzen (9, 9a) zu dem zwi schen der Gebäude- oder Dachfläche und dem Luftleit- Fassadenelement (3, 3a) gebildeten Luftkanal (5, 5a) mit einer Abdeckplatte (10) abgedeckt ist.

8. Windkraftanlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich net, daß die Lufteintrittsschlitze (9, 9a) an den ge genüberliegenden Längsseiten des Rotors (2) eine un terschiedlich große Breite aufweisen.

9. Windkraftanlage nach Anspruch 6 bis 8, dadurch ge kennzeichnet, daß die Drehgelenke (8) an den Längs kanten der Abdeckplatte (1()) angebracht sind.

10. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da durch gekennzeichnet, daß der Rotor (2) aus einer Mehrzahl miteinander verbundener, im wesentlichen dem Verlauf der Gebäude- oder Dachfläche angepaßter Ro torsegmente besteht.

11. Windkraftanlage nach Anspruch 10, dadurch gekenn zeichnet, daß die Luftleit-Fassadenelemente aus ein zelnen Segmenten gebildet sind.

12. Windkraftanlage nach Anspruch 11, dadurch gekenn zeichnet, daß der Lamellenabstand der Luftleit- Fassadenelemente entsprechend der Höhe der Anordnung am Gebäude variabel ist.

13. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, die Rotoren oder Rotorsegmen te als Savonius-Rotoren (2) ausgebildet sind, wobei in dem Luftkanal (5a) im Bereich des breiten Luftein trittsschlitzes (9a) ein Luftleitblech (7) vorgesehen ist, um eine exakte bzw. über die beiden Luftein trittsschlitze (9, 9a) versetzte Luftzufuhr zum Savo nius-Rotor (2) zu bewirken.

14. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotoren oder Rotor segmente als Darrieus-Rotoren ausgebildet sind.

15. Windkraftanlage nach Anspruch 13 und 14, dadurch ge kennzeichnet, daß ein Rotor sowohl aus Savonius- Rotorsegmenten als auch aus Darrieus-Rotorsegmenten gebildet ist.

16. Windkraftanlage nach Anspruch 15, dadurch gekenn zeichnet, daß mindestens ein Savonius-Rotorsegment als Antriebsrotor für einen Darrieus-Rotor vorgesehen ist.

17. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsform des Gebäudes aerodynamisch ausgebildet ist.

18. Windkraftanlage nach Anspruch 17, dadurch gekenn zeichnet, daß das Gebäude im wesentlichen rund oder elliptisch ist.

19. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Rotoren (2) mit Luftleit-Fassadenelementen (3, 3a) entsprechend der Hauptwindrichtung am Umfang des Gebäudes verteilt an geordnet sind.

20. Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß das Antriebselement ein Generator zur Erzeu gung elektrischer Energie ist.

21. Windkraftanlage nach Anspruch 19, dadurch gekenn zeichnet, daß an den Luftleit-Fassadenelementen So larzellen zur zusätzlichen Energiegewinnung ange bracht sind.