DE20204945U1

DE20204945U1 - Windkraftanlage zur Integration in ein Gebäude

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Publication number: DE20204945U1
Application number: DE20204945U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-03-27
Filing date: 2002-03-27
Publication date: 2003-07-31
Anticipated expiration: 2012-03-28

Description

KÖNIG · PALGEN ■ SCHI^Ma'C^BR ""KLtJIW

DÜSSELDORF■ESSEN

PATENTANWÄLTE

unser zeichen: 101 265 HS/AH/mb Essen, den 26. März 2002

REINHARD STANGER
Dorfstraße 6

D - 32339 EspeSkamp-Fabbenstedt

WincSkraftaoSage zur !integration in ein Gebäude

Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage zur Integration in ein Gebäudedach mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1.

Die in den letzten Jahrzehnten immer offensichtlicher gewordenen Probleme mit herkömmlichen Energieträgern wie fossilen Brennstoffen oder der Atomkraft haben den Blick zunehmend auf die Energiegewinnung aus alternativen Energiequellen gelenkt. In Frage kommen dafür u.a. die Solarenergie und die Windkraft. Neben der Nutzung der Windkraft durch freistehende Windräder wäre es vor allem für den privaten Bereich von Interesse, durch Anbau oder Einbau von entsprechenden Windkraftanlagen in Gebäuden, insbesondere Wohnhäusern Energie aus Wind zu gewinnen.

Entsprechende Überlegungen in dieser Hinsicht sind bereits unternommen worden. So schlägt das Dokument DE 199 19 133 A1 eine Dachwindanlage zum Einbau in ein Hausdach vor. Dabei wird der die einander gegenüberliegenden geneigten Dachflächen des Hauses anströmende Wind zur Energiegewinnuna.ngr.wentg effektiv ge.pn.tzt. Ejpe. andere Vor/ichtung wird im Do-

TEL. +43 - 2&Ogr;1 - B4 53D - O ■ FAX +49 - SO1 - 84 S3O - SO ■ E@KPSK.de

D-4O549 DÜSSELDORF, LOHENGRINSTRASSE 1 1 · TEL +49 -21 1 -9G145D · FAX +43 -21 1 -9614520

kument DE 196 44 890 &Agr;1 vorgeschlagen, bei der ein Windkonvertersystem mit einem langen Walzenrotor auf dem Dachgiebel aufmontiert wird. Ebenfalls wird dabei der die geneigten Dachflächen des Hauses anströmende Wind zur Energiegewinnung genutzt. Hier wird zwar eine große Fläche genutzt, doch sind solche Walzenrotoren voluminös und das Vibrationsproblem ist mit zunehmender Walzenlänge immer schwerer zu beherrschen.

Um die Windenergie windrichtungsunabhängig nutzen zu können, schlägt das Dokument DE 3124892-A1 vor, einander sich kreuzende Luftkanäle und mehrere darin eingebaute Windturbinen zu verwenden. Hierbei befindet sich im Dachraum ein System sich kreuzender Luftkanäle mit Mündungsöffnungen auf jeder Hausseite im Bereich von schräg geneigten Dachflächen. Durch die Kanalkreuzungen ergibt sich ein gravierender Nachteil dadurch, daß durch Turbulenzen innerhalb der Kreuzung der beiden Luftkanäle wiederum Effizienzverluste entstehen.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine möglichst effiziente und platzsparende Möglichkeit zur Nutzung des ein Haus anströmenden Windes zu schaffen.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Windkraftanlage mit den Merkmalen des Anspruches 1 vorgeschlagen. Demnach basiert die Erfindung auf dem Grundgedanken, einen durch das Dach durchgehenden Luftkanal zu schaffen. Der Erfinder hat außerdem erkannt, daß aufgrund der typischen Wind-Verhältnisse an einem Haus mit vorzugsweise vertikalen, einander gegenüberliegenden Giebeln die Strömungsenergien am besten genutzt werden, wenn giebelseitige Luftkanalmündungen vorgesehen sind. Die zu erzielende Energieausbeute ist im Verhältnis zur erforderlichen Investition vergleichsweise günstig bei vergleichsweise unauffälligem Erscheinungsbild. Bei einer giebelparallelen Einkanalanlage sind die Investitionskosten extrem niedrig. Bei Verlauf des Firstes in Richtung der ortsvorherrschenden Hauptwindrichtung ist der Wirkungsgrad am höchsten.

Die Windgewinnung erfolgt durch mindestens eine Windturbine, die im Luftkanal angeordnet ist und durch den durchströmenden Wind bewegt wird. Unter einer Windturbine im Sinne dieser Erfindung ist jedes windbetriebene Antriebselement zu verstehen, das für die Verwendung in einem durchströmenden Luftkanal geeignet ist.

Um auch Wind nutzen zu können, dessen Richtung nur partiell in Richtung des Dachfirstes verläuft, werden verschiedene Alternativen vorgeschlagen, die allesamt auf dem Grundprinzip mindestens eines durchgehenden Luftkanals, d.h. ohne Queröffnungen, verwirklichen: Eine erste Lösung besteht darin, mehrere durchgehende Luftkanäle zu verwirklichen, die aus zumindest zwei aneinander kreuzenden Luftkanälen bestehen. Dabei kann das sich Kreuzen auf verschiedene Weise, nämlich in derselben Ebene im Sinne eines einander Schneidens oder in verschiedenen Ebenen im Sinne des einander NichtSchneidens erfolgen. Während im ersteren Fall Mittel vorgesehen sein müssen, die einem der einander kreuzenden Luftkanäle die gewünschte Durchgängigkeit verleiht, sind bei der Lösung des sich kreuzend in verschiedene Ebenen jeweils getrennte Windturbinen erforderlich. Nach Analyse des Gebäudes und dessen Standort wird man entscheiden können, ob die beschriebene Kreuzkanalanlage einen höheren wirtschaftlichen Vorteil bringt.

Falls ein Schornstein firstnah angeordnet sein muß, kann man z. B. eine T- ^ oder L-förmige Kanalanordnung wählen. Hierdurch können auch zu lange

Luftkanalstrecken verkürzt werden.

Eine Möglichkeit aneinander durch Schneiden sich kreuzende Luftkanäle wahlweise als durchgehende Luftkanäle ausbilden besteht darin, in Kreuzungsbereichen einen Mehrwegeverteiler vorzusehen, der den einen Luftkanal absperrt und den anderen auf Durchgang schaltet und umgekehrt. Eine Windturbine ist vorteilhafterweise innerhalb eines solchen Mehrwegeverteilers, der z. B. wie ein Kugelhahn gedreht werden kann, angeordnet. Die Windturbine wird dann mit dem Umschalten von der einen auf die andere Kanalrichtung mitbewegt und ist dadurch ohne Weiteres auf den jeweils durchgehenden Luftkanal optimal ausgerichtet. Natürlich ist es auch möglich,

Durchgangsverbindungen und Absperrungen durch einzelne Schieber, insbesondere rohrwandparallele Schieber vorzusehen und, wenn sich die Windturbine im Kreuzungspunkt befindet, ihre Ausrichtung auf den benutzten durchgehenden Luftkanal durch Drehen vorzunehmen.
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Eine andere Möglichkeit, auch solche Winde zu nutzen, deren Richtung nur partiell in die Richtung eines durch das Gebäude fest vorgegebenen Luftkanals zu nutzen besteht darin, an mindestens einer Mündung des Luftkanals eine Windlenkeinrichtung anzubringen. Solche Windlenkeinrichtungen können Klappen oder Windfanghutzen sein. Aus ästhetischen oder praktischen Gründen können diese Windlenkeinrichtungen auch ausfahrbar gestaltet sein. So werden sie nur bei Bedarf benutzt.

Besonders vorteilhaft ist die Kombination von einander kreuzenden Luftkanälen mit Windlenkeinrichtungen an den Kanalmündungen.

Die vorgenannten sowie die beanspruchten und in den Ausführungsbeispielen beschriebenen erfindungsgemäß zu verwendenden Bauteile unterliegen in ihrer Größe, Formgestaltung, Materialauswahl und technischen Konzeption keinen besonderen Ausnahmebedingungen, so daß die in dem Anwendungsgebiet bekannten Auswahlkriterien uneingeschränkt Anwendung finden können.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung der zugehörigen Zeichnungen, in denen - beispielhaft - mehrere Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Windkraftanlage dargestellt sind. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Ansicht eines Hauses mit einem erfindungsgemäßen Luft

kanal;

Fig. 2A eine Ansicht eines Schrägdaches mit eingebautem Luftkanal;

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Fig. 2&Bgr; von demselben Haus eine Ansicht von der Seite;

Fig. 2C von demselben Hausdach eine Schnittansicht quer zum First

mit schwingungsgedämpftem Luftkanal;
5

Fig. 3 eine Ansicht auf eine der Mündungen des Luftkanals mit einer

daran angebrachten Windlenkeinrichtung in Form eines Klappensystems;

Fig. 4 denselben Luftkanal in Ansicht von oben;

Fig. 5 von einem alternativem Luftkanal mit daran angebrachten

Windlenkeinrichtungen in Form von Windfanghutzen mit Klappensystemen eine Seitenansicht;
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Fig. 6 von einem weiteren alternativen Luftkanal mit daran ange

brachten Windlenkeinrichtungen in Form von segmentierten Windfanghutzen eine Seitenansicht,

Fig. 7 eine Seitenansicht von noch einem weiteren alternativen Luft

kanal mit daran angebrachten Windlenkeinrichtungen in Form von segmentierten Windfanghutzen in Trichterform;

Fig. 8 A/B eine alternative Luftkanalanordnung mit in verschiedenen Ebenen angeordneten, zu Magazinen zusammengefaßten Luftkanälen mit einander kreuzenden Luftkanalausrichtungen der einen Ebene bezüglich der anderen Ebene sowie sich teilweise auch schneidenden Luftkanälen (Fig. 8A) und einem auf einem Flachdach angeordneten Luftkanalmagazin (Fig. 8B);
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Fig. 9 A-G weitere alternative Luftkanalanordnungen mit einander durch Schneiden sich kreuzenden Luftkanälen mit Mehrwegeverteiler und ggf. darin integrierter Windturbine.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist ein erfindungsgemäßer Luftkanal 10 durchgehend in den obersten Teil eines Schrägdaches 24 eines Gebäudes 26 eingebaut, so daß der darunterliegende Platz als Wohnraum genutzt werden kann. Eine durch die durchströmende Luft angetriebene Windturbine 12 treibt dabei über ein Antriebsübertragungselement 14 einen Stromgenerator 16 an. An den Mündungen 10A/B des Luftkanals können Windlenkeinrichtungen in Form von Windfanghutzen 20A/B vorgesehen sein, die eventuell durch Führungen 22A/B, die in Richtung der Luftkanalachse 10C verlaufen können, ausfahrbar sind. Diese Windfanghutzen dienen zum Ausnutzen von Winden, deren Richtung von der des Luftkanals 10C abweicht. Diese können paarweise als rechte oder linke Hutze unabhängig voneinander ausgebildet und ein- und ausfahrbar sein. Es ist auch denkbar, daß diese um die Luftkanalachse verdreht werden können und in wechselseitiger Anordnung auf den einströmenden bzw. ausströmenden Wind ausrichtbar sind.

Wenn der Luftkanal entsprechend auf- bzw. eingebaut ist, kann er sich zusätzlich stabilisierend auf den Dachstuhl auswirken, wie in Fig. 2A/B zu sehen. Außerdem wird noch Winddruck vom Giebel genommen, da nun der Wind durch den Luftkanal strömen kann, anstatt ungehindert auf das Haus zu treffen. Der Luftkanal ist in seinem Querschnitt nicht festgelegt, so daß neben einer kreisrunden Röhre auch alle anderen denkbaren Formen, wie z.B. dreieckige oder ellipsoide Querschnitte in Frage kommen. Auch ist es möglich, mehrere, nicht notwendigerweise parallele Luftkanäle in ein Haus einzubauen. Die Form der Gebäudeöffnung kann von der Querschnittsform des Luftkanals abweichen.

Eine andere mögliche Windlenkeinrichtung ist ein Klappensystem 28 nach Fig.3, welches in Fig. 4 zusätzlich in Seitenansicht gezeigt ist. Dieses verfügt über verstellbare Klappen, die entweder manuell oder automatisch über einen Windstärke- oder auch Windrichtungsmesser eingestellt werden können.

Dazu kann beispielsweise das Klappensystem durch einen Zahnkranz 29 verstellt werden. Eine solche Verstellung ist sowohl als Verdrehen des gesamten Klappensystems um die Kanallängsachse als auch als Verschwen-

ken der einzelnen Klappen um ihre Schwenkachse denkbar. Durch die Klappen
wird auch eine Verbesserung der Aussenansicht erreicht, weil ein Teil
der Röhrenöffnung je nach Blickwinkel des Betrachters abgedeckt wird.

Grundsätzlich sind aber auch andere Windlenkeinrichtungen, wie an einen
oder beiden Eingängen angebrachte Windfanghutzen denkbar (s. Fig. 5-7).
Diese können in Form von Klappensystemen 30 oder Segmentsystemen 32
angeordnet sein, wobei auch trichterförmige Segmentsysteme 34 möglich
sind.
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w Durch eine Windlenkeinrichtung ist es also möglich, auch Wind, der von der Seite

her auf das Haus strömt, durch den Luftkanal zu lenken. Zu starker Wind kann außerdem gedrosselt werden.

Bei den Ausführungsbeispielen nach Fig. 8A/B kann z. B. die gesamte Breite eines Gebäudes, wie eines Hochhauses mit Flachdach, genutzt werden, um eine möglichst große Querschnittsfläche an nutzbaren Windkanälen zu erhalten. Dabei können Windturbinen sowohl in einzelnen Luftkanalröhren als auch einem ganzen Luftkanalmagazin zugeordnet sein, wobei auch rechteckige Luftkanalquerschnitte mit walzenförmigen Turbinenrädern in Betracht kommen. In der Zeichnung der

Übersichtlichkeit halber fortgelassene Windlenkeinrichtungen an den Luftkanal- ™ mündungen gestatten eine intensive Nutzung der abweichend von der Luftkanalausrichtung einfallenden Winden. Dabei kommt dem Gesamtgebäude zugute, wenn in einer zweiten Ebene (E1, E2, E3 und/oder E4) ein entsprechendes Luftkanalmagazin mit Windlenkeinrichtungen an den Mündungsenden vorgesehen ist, daß sich richtungsmäßig mit dem ersten Magazin kreuzt. Wenn in diesem Falle die Windlenkeinrichtungen der beiden Ebenen in entgegengesetzter Weise zueinander ausgerichtet sind, können beide Luftkanalmagazine oder Luftkanäle einen Windenergiebeitrag liefern, ohne daß eine allzu starke Windrichtungsänderung im Bereich der Windlenkeinrichtung erforderlich ist. Sich schneidende Luftkanäle (wie z.B. in Fig.9G) sind in der Ebene E3 dargestellt.

Bei den Ausführungsbeispielen nach Fig. 9A-G wird durch die wechselseitige Absparbarkeit der einander sich schneidenden Windkanäle im Kreuzungspunkt und Öffnenbarkeit des Querschnitts für den jeweils anderen Luftkanal eine optimale Windströmungsbedingung mit allenfalls geringen Turbulenzverlusten erzielt. Gleichwohl können Winde aus anderen als der Ausrichtung des einen Luftkanals effizient genutzt werden. Die angegebenen Himmelsrichtungen sind lediglich beispielhafter Natur.

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	Bezuqszeichenliste	Luftkanal
	10	Mündung
	10A	Mündung
9	10B	Luftkanalachse
10C	Windturbine
12	Antriebsübertragungselement
14	Stromgenerator
16	Stromleitung
17	Windfanghutze
2OA	Windfanghutze
2OB	Führung
22A	Führung
22B	Schrägdach
24	Gebäude
26	Klappensystem
28	Zahnkranz
29	Klappensystem
30	Segment-System
32	Segment-Trichter-System
34	Schwingungsdämfper
35	Mehrwegeverteiler
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Claims

1. Windkraftanlage beinhaltend mindestens einen in einem Gebäude angeordneten Luftkanal (10) und mindestens eine der Luftströmung ausgesetzte Windturbine (12) dadurch gekennzeichnet, daß der Luftkanal im Gebäude; insbesondere in dessen Firstbereich, durchgehend angeordnet ist.

2. Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der durchgehende Luftkanal beidseitig in einer, insbesondere vertikalen Giebelwand mündet.

3. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß der durchgehende Luftkanal aus mehreren durchgehenden Luftkanälen in etwa paralleler Anordnung zueinander besteht.

4. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der durchgehende Luftkanal aus zumindest zwei einander kreuzenden Luftkanälen besteht.

5. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Mehrwegeverteiler einander kreuzende und sich schneidende Luftkanäle wahlweise durchgangsverbindet bzw. absperrt.

6. Windkraftanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Mehrwegeverteiler die mindestens eine Windturbine aufnimmt.

7. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß an mindestens einer Mündung (10A/B) des Luftkanals mindestens eine Windlenkeinrichtung (20A/B) angebracht ist.

8. Windkraftanlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Windlenkeinrichtungs-Klappe automatisch steuerbar ist.

9. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Windlenkeinrichtung mindestens eine schwenkbare Klappe ist.

10. Windkraftanlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Klappe insbesondere um eine vertikale Achse verstellbar ist.

11. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Windlenkeinrichtung eine verdrehbare Windfanghutze beinhaltet.

12. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Windlenkeinrichtung eine Windfanghutze aus gelenkig miteinander verbundenen Segmenten (32) beinhaltet.

13. Windkraftanlage nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente trichterförmig (34) sind.

14. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Windlenkeinrichtung ein- und ausfahrbar ist.

15. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Windturbine ein Windrad ist.

16. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Luftkanal schwingungsgedämpft ist.