DE202012002160U1

DE202012002160U1 - Anordnung von Windkraftmaschinen (WKM) in Luftkanälen, die im Dach eines Gebäudes gelagert sind

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Publication number: DE202012002160U1
Application number: DE202012002160U
Authority: DE
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Priority date: 2012-02-29
Filing date: 2012-02-29
Publication date: 2012-05-10
Anticipated expiration: 2022-03-01

Abstract

Anordnung von Windkraftmaschinen (WKM) in Luftkanälen, die im Dach eines Gebäudes gelagert sind, dadurch gekennzeichnet, – dass je nach Hauptwindrichtung, in einem Spitzdach (1) ein Querkanal (8) oder mehrere Querkanäle (8) im Dachfirst (6), – oder durchgehenden Längskanäle (5) im Dachfirst (6) und/oder Dachdrempel (7) eingebaut sind, wobei in jedem Luftkanal (5, 8) eine WKM (4) gelagert ist, – oder bei unausgeprägter Hauptwindrichtung am Gebäudestandort mindestens im Dachfirst (6) sich mit einem Längskanal (5) kreuzender zusätzlicher Querkanal (8) angeordnet ist, wobei im Kreuzungsbereich der Luftkanäle (5, 8) je ein Gehäuse (2) mit Drehschieber (3) für die Lenkung der Strömungsrichtung und je eine WKM (4) gelagerter ist, sowie eine Steuerung (11) mit Strömungsmessgeräten und einem Antrieb an den Drehschiebern (3) verbunden ist, welche diese zum Luftkanal (5, 8) mit dem größten Winddruck ausrichten kann.

Description

Die Neuerung betrifft kleine Windkraftmaschinen (WKM), bestehend aus einem Rotor mit waagerechter Achse, einem Getriebe und damit verbundenen Generator. Diese WKM sind in Luftkanälen im Dach eines Gebäudes angeordnet. Die Neuerung ermöglicht eine effektivere Anordnung zur Energiegewinnung aus dem das Gebäudedach umströmenden Wind.
Stand der Technik
Es bestehen bereits viele Vorschläge für kleine Windkraftmaschinen, die den Eigenbedarf an Strom erzeugen sollen. Das sind einerseits Windkraftmaschinen mit kleinen Türmen, auf denen eine Gondel mit Rotor mit waagerecht liegender Rotorachse befestigt ist. Der erforderliche Turm und der Rotationskreis des Rotors erfordern einen größeren bauliche Aufwand und Sicherheitsmaßnahmen. Aus diesen Gründen bestehen starke Beschränkungen für die Errichtung in Wohn- und Industriegebieten.
Windkraftmaschinen mit senkrechter Achse des Rotors besitzen ähnliche Nachteile. Außerdem ist durch den gegen den Wind rotierenden Teil der Rotorflügel die Leistungsausbeute kleiner als bei Rotoren mit waagerechter Rotorachse. Um den baulichen Aufwand zu senken und auch in bebauten Gebieten Windkraftmaschinen einsetzen zu können, sind Lösungen bekannt, welche Windkraftmaschine in oder an vorhandenen Gebäuden anordnen.
In der DE 3844376 A1 wird vorgeschlagen einen Turbinenläufer mit senkrechter Achse auf einem Hausdach oder im Hausdach anzuordnen. Eine ähnliche Lösung mit Luftleiteinrichtungen ist in der DE 10 2004 060 230 A1 und DE 10 2008 051 255 A1 beschrieben. Diese Konstruktionen erfordern eine höhere statische Festigkeit des Gebäudes und größere bauliche Änderungen, die sich in der Architektur der Gebäude negativ auswirken.
Gemäß der DE 3049624 A1 ist eine Windturbine mit der Achse parallel zum Dachfirst eines Spitzdaches im Dachfirst angeordnet. Die baulichen Änderungen sind hier geringer und die Einordnung in das Gebäude weniger störend. Hier kann aber nur die Windströmung quer zum Dachfirst genutzt werden. Die Windturbine mit langen Schaufelrädern parallel zur Achse ist kostenaufwendig und besitzt einen geringen Wirkungsgrad. Zusätzliche Luftleiteinrichtungen auf dem Dachfirst sind bautechnisch aufwendig.
In der DE 3124892 A1 wird vorgeschlagen, durchgehende Luftkanäle im Spitzdach eines Gebäudes anzuordnen. In diesen Luftkanälen ist mindestens ein Windrad gelagert. Diese Anordnung erfordert nur geringe äußerliche Änderungen am Dach. Die Lage der Luftkanäle quer-mittig im Dachraum behindert aber eine größere Nutzung des Dachraumes, z B. als Wohnraum. Die Luftströmung ist wegen der offenen Verbindung von quer und längs liegenden Luftkanälen (gemäß 2 und 3) vermindert. Weiterhin ist die grundsätzlich doppelte Anordnung der Rotoren je Windkanal kostenaufwendig und strömungstechnisch ungünstig.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der Neuerung ist es deshalb, eine WKM bzw. Windkraftmaschinen im Spitzdach eines Gebäudes so anzuordnen, dass die anderweitige Nutzung des Dachraumes nur geringfügig eingeschränkt ist. Weiterhin soll mit relativ kleinen Luftkanälen und bei einer Nutzung der Windströmung aus unterschiedlichen Richtungen eine ausreichende Luftströmung für den Antrieb der Rotoren der WKM erzielt werden. Eine Regulation der Luftströmung in den Luftkanälen in Abhängigkeit von der Windstärke soll bei Schwachwind bis Starkwind die Rotoren im optimalen Betriebsbereich halten.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1. Demnach sind, je nach Hauptwindrichtung, in einem Spitzdach (1) ein Querkanal (8) oder mehrere Querkanäle (8) im Dachfirst (6) oder durchgehenden Längskanäle (5) im Dachfirst (6) und Dachdrempel (7) eingebaut. In jedem Luftkanal (5, 8) ist eine WKM (4) gelagert.
Gemäß einer weiteren Variante, für eine unausgeprägte Hauptwindrichtung am Gebäudestandort, ist mindestens im Dachfirst (6) ein sich mit einem Längskanal (5) kreuzender zusätzliche Querkanal (8) angeordnet. Im Kreuzungsbereich der Luftkanäle (5, 8) ist je ein Gehäuse (2) mit Drehschieber (3) für die Lenkung der Strömungsrichtung und in jedem Luftkanal (5, 8) eine WKM (4) gelagerter. Eine Steuerung (11) ist mit Strömungsmessgeräten und einem Antrieb an den Drehschiebern (3) verbunden, welche diese zum Luftkanal (5, 8) mit dem größten Winddruck ausrichten kann.
Diese Neuerung ermöglicht eine optimale Anordnung der Windkanäle und WKM, je nach überwiegender Windrichtung zum Gebäude. Die Strömungsverhältnisse und Effektivität der WKM in den Windkanälen werden verbessert. Änderungen am Spitzdach sind gering, so dass die Statik und Architektur weitgehend erhalten bleibt. Weiterhin werden vom Dachraum nur die schlecht zu nutzenden Eckräume belegt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung nach Anspruch 2 ist zusätzlich zu den Längskanälen (5) in den beiden Dachdrempeln (7) mindestens ein Querkanal (8) angeordnet. Im Kreuzungsbereich der Luftkanäle (5, 8) ist je ein Gehäuse (2) mit je einem Drehschieber (3) für die Lenkung der Strömungsrichtung und in jedem Luftkanal (5, 8) eine WKM (4) gelagerter. Eine Steuerung (11) ist mit Strömungsmessgeräten und einem Antrieb an den Drehschiebern (3) verbunden, welche diese zum Luftkanal (5, 8) mit dem größten Winddruck ausrichten kann. Diese Variante mit einem zusätzlichen Querkanal (8) auf dem Dachboden erhöht die Energieausbeute. Sie ist günstig anwendbar, wenn nicht der gesamte Dachraum für Wohn- oder Abstellflächen genutzt werden soll.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung nach Anspruch 3 ist bei Anordnungen mit WKM (4) in Drehschiebern (3) in den sich nicht kreuzenden Luftkanälen (5, 8) zusätzlich jeweils eine WKM (4) angeordnet. Diese Variante erfordert eine geringere Zahl von WKM und senkt somit den technischen Aufwand.
Der Anspruch 4 enthält günstige Ausführungen zum Drehschieber (3), deren Steuerung und die Lagerung der WKM (4) im Drehschieber.
Gemäß Anspruch 5 besitzen in einem flachen Spitzdach (1) die Längskanäle (5) und/oder Querkanäle (8) einen Durchmesser, der annähernd den gesamten Dachraum ausfüllt. Diese Variante ist bei Häusern mit nicht nutzbarem Dachraum einsetzbar. Das sind z. B. Einfamilienhäuser im Bungalowstil mit abgehängten Decken.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung nach Anspruch 6 sind die Längskanäle (5) und Querkanäle (8) von der Einström- und Ausströmöffnung im Dach, bzw. Dachgiebel bis zur WKM (4), bzw. zum Drehschieber (3) mit einer WKM (4) zumindest vor dem Rotor sich im Querschnitt verengend ausgebildet. Mit dieser Ausbildung wird die Strömungsgeschwindigkeit vor dem Windrotor der WKM (4) erhöht und danach wieder abgesenkt. Damit kann die Rotordrehzahl erhöht und gleichzeitig der Rotordurchmesser verkleinert werden.
Entsprechend Anspruch 7 sind das Gehäuse (2), die Längskanäle (5) und die Querkanäle (8) gegen Lärmabstrahlung gedämmt und elastisch gelagert. Diese Ausführung vermindert die Übertragung von Schwingungen der WKM (4) und Strömungsgeräusche auf die Wohnräume im Gebäude.
Die Ansprüche 8 und 9 enthalten günstige Gestaltungen von Windleiteinrichtungen (9), bzw. Windleitklappen (10) an den Öffnungen der Längskanäle (5) und Querkanäle (8). Damit wird die Zuführung der Luftströmung in die Luftkanäle (5, 8) bei geringen Windstärken erheblich verbessert. Bei Starkwinden kann andererseits die Luftzufuhr verringert werden, um eine Überlastung der Luftkanäle (5, 8), WKM (4) und der Dachkonstruktion zu verhindern.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung nach Anspruch 10 sind die Stellvorrichtungen (12) und Antriebe mit einer Steuerung (11) verbunden. Die Steuerung ermöglicht in Abhängigkeit von der Windstärke und Windrichtung eine Anpassung der Stellung der Windleiteinrichtungen (9), der Windleitklappen (10) und der Drehschieber (3). Mit dieser Steuerung kann die Anordnung von WKM (4) in den Luftkanälen (5, 8) auf die jeweiligen Windrichtungen und Windstärken optimiert werden.
Beispiele
Nachfolgend soll die Neuerung an drei Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
1 zeigt ein Haus mit Spitzdach in der Seitenansicht mit Längskanälen und der Dachkonstruktion,
2 das Gleiche in der Giebelansicht ohne die WKM,
3 und 4 ein Spitzdach mit 3 Querkanälen in der Draufsicht und Seitenansicht im Schnitt A-A,
5 eine Draufsicht sich kreuzender Luftkanäle mit der Anordnung der WKM im Drehschieber im Schnitt und
6 das Detail der Anordnung des Gehäuses, Drehschiebers und WKM in der Draufsicht.
Die 1 und 2 betreffen eine erste Variante für ein Wohnhaus mit Spitzdach 1, in dem ein Längskanal 5 im Dachfirst 6 und zwei Längskanäle 5 in je einem Dachdrempel 7 eingebaut sind. Die Längskanäle 5 erstrecken sich von einer Giebelseite des Hauses zur gegenüberliegenden Giebelseite. Am Giebel sind an jeder Öffnung der Luftkanäle 5 Windleiteinrichtungen 9 gelagert. Diese bestehen aus einem, dem Durchmesser des Längskanals 5 angepassten, etwa halbkreisförmigen Leitblechen. Dieses ist auf einem Rahmen an der Giebelwand drehbar um die Öffnung des Längskanals 5 gelagert. Damit kann an die Giebelwand auch seitlich anströmender Wind in den Längskanal 5 gelenkt werden. Im Bereich des Dachfirstes ist zusätzlich eine über den First hinausragende Windleiteinrichtung 9 befestigt, um die Staufläche zu vergrößern.
Die Windkraftmaschinen WKM 4 sind jeweils im mittleren Bereich der Längskanäle 5 gelagert. Einzelheiten sind aus 4 ersichtlich. Diese und die zweite Ausführungsvariante sind für Windlagen geeignet, die überwiegend aus einer Richtung kommen. Steht das Gebäude mit dem Giebel zur Hauptwindrichtung ist die Variante 1 relevant. Steht das Gebäude quer zur Hauptwindrichtung ist die nachfolgende Variante 2 zutreffen.
Entsprechend den 3 und 4 sind im Dachfirst 6 Querkanäle 8 eingebaut. Je nach Dachlänge können mehrere Querkanäle 8 parallel angeordnet und somit, wie bei der Variante 1, mehrere WKM 4 betrieben werden. Oberhalb der Öffnung der Querkanäle 8 ist jeweils eine Windleitklappe 10 schwenkbar gelagert. Diese ist über einen Drehantrieb oder eine verstellbare Stütze von der maximal senkrechten Stellung bis in die Ebene des Spitzdaches verschwenkbar. Die erstere Position ist für Schwachwind und die letztere Position für Sturm einregelbar. Die Regelung der Stellung erfolgt über eine Steuerung 11 in Abhängigkeit von der gemessenen Luftströmung und/oder der Rotordrehzahl der WKM 4. Diese Anordnung ermöglicht somit einen Betrieb der WKM 4 bei fast jeder Windstärke.
In 4 ist weiterhin die Lage der WKM 4 in einem verengten Bereich des Querkanals ersichtlich. Die WKM entspricht im Prinzip den WKM in der Gondel auf Turmanlagen. Auf einer waagerechten Welle ist ein Rotor befestigt, der über ein Getriebe oder direkt einen Generator antreibt. Die Leistung ist entsprechend der Rotorgröße und Windgeschwindigkeit wesentlich geringer und liegt im Bereich von 0,5 KW bis 10 KW.
Die Variante 3 ist für Windlagen aus wechselnden Windrichtungen geeignet. Ein Längskanal 5 und ein Querkanal 8 kreuzen sich. Das kann sowohl im Bereich des Dachfirstes 6, als auch im Dachdrempel erfolgen. Beim letzterem geht allerdings nutzbarer Dachraum durch den dort gelagerten Querkanal 8 verloren. Im Kreuzungsbereich verbindet ein senkrechtes zylinderförmiges Gehäuse 2 die beiden Luftkanäle 5 und 8. In diesem Gehäuse 2 ist ein Drehschieber 3 gelagert. Dieser besitzt zwei gegenüberliegende Öffnungen, die deckungsgleich mit einem Luftkanal angeordnet sind.
Mittig im Drehschieber 3 ist zwischen zwei senkrechten Achsstümpfen die WKM 4 gelagert. Der Rotor der WKM 4 liegt in einer Öffnung des Drehschiebers 3. Je nach Hauptwindrichtung wird der Drehschieber 3 mit der WKM 4 auf den entsprechenden Luftkanal 5, 8 ausgerichtet. Eine nicht dargestellte Windmesseinrichtung erfasst die Windrichtung und die Steuerung 11 richtet über einen Drehantrieb den Drehschieber 3 mit der WKM 4 auf den entsprechend Luftkanal 5, 8 aus. Unabhängig davon werden auch die Windleiteinrichtungen 9 und die Windleitklappen 10 entsprechend der Windrichtung ausgerichtet.
Bezugszeichenliste

1: Spitzdach
2: Gehäuse
3: Drehschieber
4: WKM, Windkraftmaschine
5: Längskanal, Luftkanal
6: Dachfirst
7: Dachdrempel
8: Querkanal, Luftkanal
9: Windleiteinrichtung
10: Windleitklappe
11: Steuerung
12: Stellvorrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 3844376 A1 [0004]
DE 102004060230 A1 [0004]
DE 102008051255 A1 [0004]
DE 3049624 A1 [0005]
DE 3124892 A1 [0006]

Claims

Anordnung von Windkraftmaschinen (WKM) in Luftkanälen, die im Dach eines Gebäudes gelagert sind, dadurch gekennzeichnet, – dass je nach Hauptwindrichtung, in einem Spitzdach (1) ein Querkanal (8) oder mehrere Querkanäle (8) im Dachfirst (6), – oder durchgehenden Längskanäle (5) im Dachfirst (6) und/oder Dachdrempel (7) eingebaut sind, wobei in jedem Luftkanal (5, 8) eine WKM (4) gelagert ist, – oder bei unausgeprägter Hauptwindrichtung am Gebäudestandort mindestens im Dachfirst (6) sich mit einem Längskanal (5) kreuzender zusätzlicher Querkanal (8) angeordnet ist, wobei im Kreuzungsbereich der Luftkanäle (5, 8) je ein Gehäuse (2) mit Drehschieber (3) für die Lenkung der Strömungsrichtung und je eine WKM (4) gelagerter ist, sowie eine Steuerung (11) mit Strömungsmessgeräten und einem Antrieb an den Drehschiebern (3) verbunden ist, welche diese zum Luftkanal (5, 8) mit dem größten Winddruck ausrichten kann.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu den Längskanälen (5) in den beiden Dachdrempeln (7) mindestens ein Querkanal (8) angeordnet ist, wobei im Kreuzungsbereich der Luftkanäle (5, 8) je ein Gehäuse (2) mit je einem Drehschieber (3) für die Lenkung der Strömungsrichtung und je eine WKM (4) gelagerter ist, sowie eine Steuerung (11) mit Strömungsmessgeräten und einem Antrieb an den Drehschiebern (3) verbunden ist, welche diese zum Luftkanal (5, 8) mit dem größten Winddruck ausrichten kann.
Anordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei Anordnungen mit WKM (4) in Drehschiebern (3) in den sich nicht kreuzenden Luftkanälen (5, 8) zusätzlich jeweils eine WKM (4) angeordnet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Kreuzungsbereich der Luftkanäle (5, 8) je ein diese verbindendes Gehäuse 2 angeordnet ist, in dem um eine senkrechte Achse drehbarer Drehschieber (3) mit 2 gegenüberliegenden Öffnungen für die Luftströmung gelagerter ist, im Drehschieber (3) zentral eine WKM (4) mit einer Windturbine mit wagerechter Rotorachse, mit Getriebe und Generator gelagert ist und eine Steuerung (11) über einen Antrieb den Drehschieber (3) mit der WKM (4) zum Luftkanal (5, 8) mit der größten Luftströmung ausrichten kann.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in einem flachen Spitzdach (1) die Längskanäle (5) und/oder Querkanäle (8) einen Durchmesser besitzen, der annähernd den gesamten Dachraum ausfüllt.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Längskanäle (5) und Querkanäle (8) von der Einström- und Ausströmöffnung im Dach, bzw. Dachgiebel bis zur WKM (4), bzw. zum Drehschieber (3) mit einer WKM (4) zumindest vor dem Rotor sich im Querschnitt verengend ausgebildet sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2), die Längskanäle (5) und die Querkanäle (8) gegen Lärmabstrahlung gedämmt und elastisch gelagert sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass an den Öffnungen der Längskanäle (5) am Dachgiebel, mittels Stellvorrichtungen (12), drehbar um die Öffnung, schwenkbare Windleiteinrichtungen (9) befestigt sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass an den Öffnungen der Querkanäle (8) im Dach, oberhalb dieser Windleitklappen (10) gelagert sind, die mittels Stellvorrichtungen (12) von der Dachebene bis zur Senkrechten schwenkbare sind.
Anordnung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellvorichtungen (12) und Antriebe mit einer Steuerung (11) verbunden sind, die in Abhängigkeit von der Windstärke und Windrichtung eine Anpassung der Stellung der Windleiteinrichtungen (9), der Windleitklappen (10) und der Drehschieber (3) bewirkt.