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Die Erfindung betrifft einen Turm mit einem Trägerkörper, an dem mindestens ein Solarmodul angebracht ist, und mit einer Windturbine, die in einem von einer bodenseitigen Unterseite des Trägerkörpers abgekehrten oberen Endbereich des Turms angeordnet und deren Rotationsachse vertikal ausgerichtet ist.
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Mit der zunehmenden Nutzung erneuerbarer Energien steigt der Bedarf an Anlagen zu deren Erzeugung. Neben Großanlagen mit Nennleistungen von mehreren Megawatt sind dabei auch kleinere, dezentrale Anlagen von Bedeutung, um beispielsweise Privathäuser oder Kleinbetriebe direkt mit Energie zu versorgen.
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Um regenerative Energie unter verschiedenen Umgebungsbedingungen erzeugen zu können ist die Nutzung unterschiedlicher Quellen von Vorteil. So gibt die
DE 20 2009 006 647 einen sogenannten Energieturm an, in dem eine Vertikal-Windkraftanlage sowie Photovoltaikpaneele zur Stromerzeugung verbaut sind. Zusätzlich kann die Konstruktion mit Werbeflächen versehen sein.
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Häufig werden aber derartige Konstruktionen für die Energieversorgung als störend empfunden, da sie optisch mit der Umgebung nicht gut harmonieren.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine dezentrale Anlage zur regenerativen Stromerzeugung aus unterschiedlichen Energiequellen bereitzustellen, die optisch gut in unterschiedlicher Umgebung integrierbar ist.
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Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Demnach ist vorgesehen, dass der Trägerkörper zwischen der Unterseite und einer der Unterseite gegenüberliegenden Oberseite des Trägerkörpers eine den Trägerkörper zumindest teilweise umschließende Mantelfläche aufweist. Unter der Mantelfläche ist dabei vorzugsweise eine Fläche aus einem oder mehreren Flächenelementen zu verstehen, die mit ihrer Rückseite an dem Trägerkörper mittels Befestigungsmittel unmittelbar angebracht ist. Infolge des Umschließens des Trägerkörpers durch die Mantelfläche wird der Trägerkörper zumindest teilweise optisch verdeckt und lässt sich auch vollkommen verbergen. Die aufgebrachten Flächenelemente der Mantelfläche und/oder darauf angebrachte Elemente lassen sich mit wenig Aufwand optisch ansprechend an die Umgebung anpassen, sodass der Turm breite Akzeptanz findet. Z. B. ist der Eindruck einer kompakten Säule vermittelbar, wie es ein Betrachter beispielsweise von Werbesäulen gewohnt ist. So kann der Turm zur Energieerzeugen nicht störend und harmonisch in bestimmte Umgebungsbereiche, beispielsweise in ein Gewerbegebiet, integriert werden. Auch nachträgliche Änderungen des optischen Erscheinungsbildes sind auf einfache Weise möglich.
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Für eine hohe Flexibilität bezüglich der Ausführungsform der Windturbine ist es vorteilhaft, wenn die Windturbine die Oberseite des Trägerkörpers überragend angeordnet ist. Wenn die Turbine den Trägerköper komplett überragt, braucht beispielsweise bei der Wahl der Windturbine nicht die Geometrie des umgebenden Trägerköpers angepasst zu werden. So könnte etwa eine Windturbine mit größerem Durchmesser gewählt werden als die Breite bzw. Tiefe des Trägerkörpers. Auch aerodynamische Vorteile können sich ergeben, da die Turbine nicht von die Windströmung störenden Streben umgeben ist.
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Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltungsvariante besteht darin, dass das mindestens eine Solarmodul auf der Mantelfläche angeordnet ist oder zumindest bereichsweise die Mantelfläche bildet. Die Solarmodule verlaufen dann zu der Mantelfläche des Turms parallel und fügen sich so optisch in sein kompaktes Erscheinungsbild ein. Ferner erzeugen sie so keinen wesentlichen eigenen Schattenwurf auf andere eventuell vorhandene Solarmodule. Vorteilhaft ist dabei die Verwendung von Photovoitaikmodulen, wie sie beispielsweise auf Fassaden zum Einsatz kommen. Wenn an dem Trägerkörper montierte Trägerplatten oder dergleichen die Mantelfläche bilden und die Module darauf montiert sind, bringt dies den Vorteil, dass Ort und Art der Modul-Befestigung an dem Trägerkörper mittels der Trägerplatten flexibel gestaltet werden können. Die Solarmodule können aber auch unmittelbar, insbesondere mit Hilfe von Befestigungsmitten wie Schauben, Haken oder dergleichen, an dem Trägerkörper befestigt werden und selbst die Mantelfläche bilden. Dabei ist es vorteilhaft, die Module und das Trägergerüst entsprechend aufeinander abzustimmen. Der Trägerkörper kann gleichzeitig auch zur Kühlung der Solarmodule genutzt werden.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltungsvariante sieht vor, dass die Mantelfläche mit mindestens einer Informationsfläche versehen ist. Dabei kann die Informationsfläche wiederum auf einer oder mehreren, an dem Trägerkörper befestigten Trägerplatte/n oder dergleichen montiert sein oder selbst einen Teil der Mantelfläche bilden. Die Informationsfläche kann vorteilhaft Werbezwecken dienen.
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Ein ansprechendes optisches Erscheinungsbild lässt sich dadurch erhalten, dass die Mantelfläche in einer orthogonal zur Mittellängsachse des Trägerkörpers verlaufenden Querschnittsebene ein entlang der Mittellängsachse gleichbleibendes Vieleck, insbesondere ein regelmäßiges Rechteck bzw. Quadrat oder ein Sechseck, oder einen Kreis oder eine Ellipse umreißt.
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Ein besonders hoher Wirkungsgrad kann dadurch erreicht werden, dass das mindestens eine Solarmodul ein Dünnschichtmodul, insbesondere ein CIS-Modul ist. Derartige Solarmodule zeichnen sich durch ein gutes Schwachlichtverhalten aus, was hier insbesondere von Vorteil ist, da ihr Neigungswinkel nicht ausschließlich an den Sonnenstand, sondern an die Mantelfläche des Trägerkörpers angepasst wird. Zudem sind so eine hohe Schattentoleranz und eine hohe Temperaturstabilität erreichbar. Vorteilhaft ist in diesem Zusammenhang ebenfalls, wenn bei Vorhandensein mehrerer Solarmodule diese in zumindest zwei elektrisch parallel verschaltete Gruppen aufgeteilt sind. So kann bei Abschattung einer Gruppe dennoch Strom durch die eine oder mehreren anderen Gruppen erzeugt werden.
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Um den erzeugten Strom vielfältig nutzen zu können, ist es vorteilhaft, wenn dem Turm mindestens zwei Wechselrichter zugeordnet sind, wobei einer der Wechselrichter mit dem mindestens einen Solarmodul und einer der Wechselrichter mit der Windturbine in elektrischer Verbindung steht.
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Vorzugsweise ist in dem Trägerkörper ein Raum umgeben und innerhalb des Raums ein Technikbereich zur Unterbringung von, dem Solarmodul und/oder der Windturbine zugeordneten, mit der Stromerzeugung zusammenhängenden Komponenten angeordnet. Derartige Komponenten können insbesondere die Wechselrichter sein, aber auch andere elektrische Baugruppen, wie Batteriespeicher und/oder Ladesäule (Elektrotankstelle). Durch die Anordnung des Raums innerhalb des Trägerkörpers ist dieser zugleich zumindest teilweise von der Mantelfläche umgeben und bietet somit einen gewissen Schutz vor Witterungseinflüssen, was wiederum der Langlebigkeit der darin angeordneten Komponenten zugutekommt. Gleichzeitig wird ein Schutz vor Zugriffen Unbefugter von außen erreicht.
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In diesem Zusammenhang ist es für einen erleichterten Zugang zu dem Raum von Vorteil, wenn die Mantelfläche und/oder der Trägerkörper als Zugang zu dem Raum eine Tür aufweist. Diese kann vorteilhaft mit einem Schloss versehen sein, um nur befugten Personenkreisen den Zugang zu gewähren.
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Eine vorteilhafte optische Wirkung in Verbindung mit einer großen Nutzfläche auf der Mantelfläche wird dadurch erhalten, dass der Turm eine Gesamthöhe zwischen 5 und 30 m und/oder eine größte Querschnittsbreite zwischen 1 und 8 m aufweist.
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Wenn der Trägerkörper ein zumindest teilweise mit Außenplatten versehenes Tragegerüst aufweist, lässt sich eine besonders hohe statische Stabilität bei vorteilhafter Montage erreichen. Das Tragegerüst ist dabei beispielsweise aus Streben und/oder Röhren oder ähnlichen Elementen zu einem Strebewerk aufgebaut, das einen Gittermastturm bildet.
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Wenn der Gesamtertrag der Leistung des Turms zwischen 1.000 und 20.000 kWh pro Jahr liegt, können Privathaushalte und/oder Kleinbetriebe einen nennenswerten Anteil ihres Stromverbrauchs aus dem angegebenen Turm decken.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt
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1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Turms in perspektivischer Ansicht.
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1 zeigt einen Turm 1 mit einem quaderförmigen, von einer Mantelfläche 3 umschlossenen Trägerkörper und einer Windturbine 2 in einem oberen Endbereich 12 des Turms 1. Der Turm 1 weist insgesamt z. B. eine Höhe zwischen 5 und 30 m oder auch bis zu 50 m, bevorzugt zwischen 8 und 15 m auf und eine Breite und Tiefe des Querschnitts (orthogonal zu einer vertikalen Mittellängsachse M) zwischen 1 und 8 m, bevorzugt zwischen 1,5 und 4 m. Beispielsweise kann der Trägerkörper modulartig in mehrere gleich lange, miteinander verbindbare Abschnitten aufgebaut sein, wodurch sich Vorteile für die Montage, den Transport und die Aufstellung ergeben. Auch sind durch unterschiedliche Anzahlen von Modulen einfach unterschiedliche Höhen des Turms 1 realisierbar.
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Der Trägerkörper ist vorzugsweise aus Streben oder ähnlichen Elementen als Tragegerüst aufgebaut, sodass er eine Art Gittermastturm bildet. Er weist eine Unterseite 10 auf, die beispielsweise aus den Enden der Streben gebildet ist und die auf einem Fundament 13 in Form einer Bodenplatte aufgesetzt und verankert ist. Der Trägerkörper könnte auch unmittelbar auf den Boden aufgesetzt sein, oder beispielsweise auf einem Punktfundament, wobei der Trägerkörper auf seiner Unterseite 10 vorzugsweise Verankerungsmittel für eine stabile Befestigung auf dem Boden aufweist. Gegenüber der Unterseite 10 ist der Trägerkörper nach oben durch eine Oberseite 11 abgeschlossen oderoffen.
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In dem vorliegenden Beispiel ist der Trägerkörper im Bereich zwischen der Unterseite 10 hin zu der Oberseite 11 von der senkrecht verlaufenden Mantelfläche 3 mit Flächenelementen zumindest weitgehend blickdicht umschlossen. In Querschnittsebenen orthogonal zur Mittellängsachse M ergibt sich so in Querschnitten entlang der Mittellängsachse M ein gleichbleibendes Vieleck, hier ein Quadrat. Denkbar wäre auch, dass sich die Querschnitte nach oben hin verkleinern, sodass die Mantelfläche keinen senkrechten Verlauf mehr aufweisen würde und sich etwa die Form des Trägerkörpers eines Kegelstumpfes oder einer lang gestreckten Pyramide ergibt.
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Durch die blickdichte Umschließung des Trägerkörpers entsteht ein kompaktes Erscheinungsbild des Turms 1 im Bereich des Trägerkörpers, das beispielsweise einer Werbesäule ähnelt. Möglich wäre auch eine teilweise transparente oder unterbrochene Umschließung, sodass Teile des Trägerkörpers sichtbar wären. Die Oberseite 10 und auch die Unterseite 11 können ebenfalls mit einer Abdeckung abgeschlossen sein, sodass das Innere des Trägerkörpers, d. h. das von den Außenstreben oder ähnlichen Elementen des Trägerkörpers umbaute Volumen, besser vor äußeren Witterungseinflüssen geschützt ist.
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Die Mantelfläche 3 weist unterschiedliche Bereiche auf, genauer Bereiche mit beispielshaft zwei Informationsflächen 31, 32 und mehreren Solarmodulen 30, die jeweils in unterschiedlichen Höhenbereichen des Trägerkörpers angeordnet sind und diesen umgeben. Denkbar wären auch weitere, beispielsweise neutrale Bereiche, die lediglich eine Verdeckungsfunktion erfüllen und für eine variable Anordnung von Informationsflächen 31, 32 und/oder Solarmodulen 30 genutzt werden können. Die Informationsflächen 31, 32 und die Solarmodule 30 zeigen im Wesentlichen einen einheitlichen, senkrechten Flächenverlauf und tragen so zu einem kompakten Erscheinungsbild des Turms 1 bei. Auch lässt sich so ein Schattenwurf durch die Informationsflächen 31, 32 auf die Solarmodule 30 weitgehend vermeiden und die Informationsflächen 31/32 sind uneingeschränkt sichtbar. Denkbar ist, dass die Mantelfläche 3 durch Außenplatten als Flächenelemente gebildet ist, mit denen das Tragegerüst des Trägerkörpers versehen ist. Auf diesen Außenplatten können die Solarmodule 30 und/oder die Informationsflächen 31, 32 angeordnet sein, wobei die Außenplatten vorteilhaft als Trägerplatten fungieren. Die Informationsflächen 31, 32 sowie die Solarmodule 30 verlaufen dann vorteilhaft parallel zur Außenfläche bzw. Mantelfläche 3. Die Informationsflächen 31, 32 und/oder die Solarmodule 30 können jedoch auch selbst die Mantelfläche 3 bilden. Dabei werden sie mittels geeigneter Befestigungsmittel, beispielsweise Schrauben oder Nieten, direkt an dafür vorgesehenen Stellen des Trägerkörpers befestigt.
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Vorteilhafterweise ist in dem Trägerkörper, d. h. innerhalb des von seinen Außenstreben oder ähnlichem umbauten Volumens, ein Raum umschlossen, in dem ein Technikbereich zur Unterbringung von mit der Stromerzeugung in Zusammenhang stehenden Komponenten vorgesehen ist. Dieser ist vorzugsweise von außen über eine abschließbare Tür zugänglich, die in die Mantelfläche bzw. in den Trägerkörper eingelassen ist. Die Tür kann dabei mit einer Informationsfläche versehen sein, sodass sie unauffällig in die Mantelfläche optisch integriert ist. Die Tür ist vorzugsweise mit einem Schloss versehen, sodass der Zugang zu dem Technikbereich auf einen bestimmten Personenkreis beschränkbar ist.
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Am oberen Endbereich 12 des Turms 1 ist, die Oberseite 11 des Tragekörpers überragend, die Windturbine 2 angeordnet. Die vertikale Ausdehnung der Windturbine 2 entspricht zwischen 10 und 50%, bevorzugt zwischen 15 und 25% der Gesamthöhe des Turms 1. Die Rotationsachse 20 der Windturbine 2 ist vertikal ausgerichtet. Die Windturbine 2 kann dabei beispielsweise mittels einer Tragesäule 21, an deren oberen Abschluss die Windturbine befestigt ist, an den Trägerkörper angeflanscht oder angeschweißt sein. Eine stabile Lagerung kann auch ferner dadurch erreicht werden, dass die Tragesäule 21 in den Bereich des Trägerkörpers hineinragt und dort, eventuell zusätzlich, verstrebt ist. Denkbar wäre auch, dass die Tragesäule nach unten auf den Boden geführt ist, wo sie mittels des Fundaments 13 oder eines separaten Fundaments befestigt sein kann. Auf diese Weise kann ein stabiles Gegenlager zur Aufnahme von Drehmomenten aufgrund horizontaler Kräfte auf die Windturbine erreicht werden, wodurch wiederum die Tragekonstruktion des Trägerkörpers vereinfacht werden kann.
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Als Windturbine
2 eignet sich zur Anwendung auf dem Turm
1 insbesondere eine vertikale Windturbine, da derartige Turbinen verhältnismäßig leise sind (z. B. < 35 dB), lediglich niedrige Anlaufgeschwindigkeiten des Windes von zwischen 1,5 und 3 m/s benötigen und auch bei Sturm betrieben werden können. Auch eine Nachführung entfällt, aufgrund der Unabhängigkeit von der Windrichtung. Beispielsweise hat sich in Vorbetrachtungen eine Windturbine
2 mit folgenden Spezifikationen als vorteilhaft erwiesen:
| Windturbinen-Typ | Windturbine mit vertikaler Rotations |
| | achse und Stator |
| Stromproduktion | Ab 2,5 m/s |
| Abschaltung | keine |
| Windspitzen | 35 m/s; Windzone 1–4 |
| Rotorabmessungen | 1,20 × 1,66 m (B × H) |
| Abmessungen Turbine | 1,84 × 1,87 m (B × H) |
| Wartungsbremse | Ja |
| Gesamtgewicht | 235 kg |
| Generator | Permanentmagnet/getriebelos |
| Material | Aluminium/Edelstahl |
| Geräuschentwicklung | 32,7 dB bei 6 m/s aus 16 m Entfernung |
| Netzeinspeisung | 230 V, 50 Hz, AC |
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Aber auch andere Turbinen, die diese Spezifikationen teilweise erfüllen oder auch andere Spezifikationen aufweisen können sich als vorteilhaft erweisen.
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Hinsichtlich der Solarmodule
30 hat sich die Verwendung von Dünnschichtmodulen, insbesondere CIS-Modulen, in Entwurfsanalysen als vorteilhaft erwiesen, die beispielsweise folgenden Spezifikationen aufweisen können:
| Maße (L × B × H) | 1257 × 977 × 35 mm |
| Wattklasse/Modul (Nennleistung Pmax) | 145–170 W |
| Wirkungsgrad | > 11%, bevorzugt > 13,5 |
| Leerlaufspannung (Voc) | 105–115 V |
| Kurzschlussstrom (Isc) | 2,2 A |
| Nennspannung (Vmpp) | 80–88 V |
| Nennstrom (Impp) | 1,8–1,95 A |
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Derartige Solarmodule zeichnen sich durch ein gutes Schwachlichtverhalten aus, insbesondere auch im Bereich längerwelligen Lichts während der Morgen- und Abendstunden. Insofern sind die Module besonders in Verwendung mit dem Turm 1 geeignet, da sie hier bei gutem Wirkungsgrad bevorzugt senkrecht montiert werden können, um ein kompaktes Erscheinungsbild zu erreichen. Ferner werden sie bevorzugt zusätzlich zu der Südseite zumindest auf der West- und Ostseite montiert. Vorzugsweise werden die Solarmodule parallel verschaltet, sodass bei einer Verschattung eines bzw. eines Teils der Module nur diese Module in der Leistung reduziert werden. Ferner werden die an den Modulen anliegenden Spannungen reduziert.
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Um den erzeugten Gleich- in einen Wechselstrom umzuwandeln, kommt für die Solarmodule 30 bevorzugt ein für die Parallelverschaltung geeigneter Wechselrichter zum Einsatz. Dem Wechselrichter für die Windturbine 2 ist vorteilhafterweise eine separate selbsttätige Freischaltstelle zugeordnet, um eine sichere und effiziente Einspeisung in das Stromnetz zu unterstützen. Vorteilhaft ist weiterhin eine Kurzschlussbremse, die die maximale Eingangsspannung automatisch begrenzt, sowie eine elektronische Bremse und/oder eine Entkopplungsdiode als Überspannungsschutz-Vorrichtung sowie eine LED-Anzeigevorrichtung für den Betriebszustand vorgesehen.
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Der Turm 1 erfüllt in seiner erfindungsgemäßen Ausgestaltung die Funktion als dezentrale Anlage zur regenerativen Stromerzeugung aus unterschiedlichen Energiequellen, die optisch harmonisch in die Umgebung integrierbar ist. So stellt der Turm dahingehend ein ansprechendes Bauwerk dar, welches einer Säule, beispielsweise einer Werbesäule, ähnelt und überdies blickfangartig auch unterstützt durch bewegte Elemente die Funktion eines Werbeträgers erfüllen kann. So können zwei Funktionen miteinander kombiniert werden. Je nachdem, welche Funktion bevorzugt wird, kann die Ausdehnung der Informationsfläche 31, 32 oder die der Solarmodule 30 vergrößert werden. Dabei können die Flächen sich ästhetisch ansprechend ergänzend an dem Turm 1 angeordnet sein. Zudem lassen sich weitere optische Gestaltungselemente integrieren, z. B. eine Beleuchtung einzelner Elemente des Turms 1, wie der Windturbine 2 und/oder der Informationsflächen 31, 32. Um die Funktion des Turms 1 als Energieerzeugungsanlege weiter auszubauen, können überdies Stromspeicher vorgesehen werden, die z. B. in dem Technikraum angeordnet sein können, oder weitere energieerzeugende Komponenten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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