EA Gehäusewindturbine

Nutzung des Windpotentials in städtischen Gebieten

Der Einsatzbereich heutiger Windkraftanlagen beschränkt sich auf die ländlichen Regionen. Um auch das enorme potenzial der Windkraft in Städten nutzen zu können, müssen sich Windkraftanlagen der gegebenen Bebauungsstruktur anpassen, sprich sie müssen sich in die Bebauung integrieren lassen. Hier reicht es nicht, nur die technischen Voraussetzungen bezüglich Schall, Vibrationen oder Schattenwurf zu erfüllen, es müssen auch die architektonischen Herausforderungen beachtet werden. Um beide Ansprüche vereinen zu können, haben wir die EA Kleinwindkraftanlage entwickelt: Die erste Windkraftanlage speziell für den Einsatz am Gebäude.

Entwickelt für den gebäudeintegrierten Einsatz

Die EA Gehäusewindturbine (3,5 kW) wurde speziell für den Einsatz am Gebäude entwickelt. Dafür wird bewährte Kleinwindkraftanlagen-Technik mit einem strömungsoptimierten Gehäuse kombiniert. Das Ergebnis ist eine äußerst leise und schwingungsarme Windkraftanlage, die im Vergleich zur freistehenden Anlage einen deutlich höheren Ertrag erwirtschaftet. Durch die quadratische Front fügen sich die Anlagen hervorragend in die Architektur von Flachdach- oder Pultdachgebäuden ein.

Kleinwindkraftanlagen als „Dynamische Architektur“

Kleinwindkraftanlagen sind ein neues bewegtes Element in der bisher statischen Architektur. Unsere Architekten zeigen neue Konzepte mit denen das Windrad ein neues dynamisches Gestaltungsmerkmal für Gebäude wird.

Vergrößerung des Windenergiepotentials

Die Windgeschwindigkeit steigt mit der Höhe über Grund. Gebäude sind Hindernisse für den Strömungsverlauf und bilden daher:

  • lokal überhöhte Strömungs- und Wirbelgebiete sowie
  • lokale Über- und Unterdruckgebiete.

Durch diese Effekte ist das Windenergiepotential an der richtigen Stelle des Gebäudes deutlich größer als in der ungestörten Strömung. Windleiteinrichtungen verstärken diesen Effekt weiter. Durch Simulation der Umströmung können schon im Vorfeld gezielte Aussagen zu Windpotential und Anordnung von Turbinen sowie Windleiteinrichtungen getroffen werden.

Akustik, Körperschall und Schattenwurf

  • Die Windkraftanlage auf dem Dach darf weder die Bewohner noch andere Anwohner stören!

  • Eine Umhausung sowie gezielte die Anpassung von Generator und Blattgeometrie ermöglichen einen kaum hörbaren Betrieb der Windräder. Der bei niedrigen Sonnenständen denkbare Schattenwurf wird durch eine gezielte Integration der Umhausung in die Architektur ebenfalls vermieden.

  • Dank dieser Maßnahmen erhalten wir von Nachbarn bisher durchweg positive Resonanz.

Windmessung

Messungen vor Ort ermöglichen Aussagen zum lokalen Windenergiepotential. Wir übernehmen für sie die komplette Messung von Montage der Sensoren über Blitzschutz und Wartung bis zur Auswertung der Ergebnisse.

Strömungssimulation und Windarchitektur

Strömungssimulation

Strömungssimulation

Strömungssimulation

Bei der Integration von Windturbinen in Gebäude bzw. in eine Gebäudegruppe ist die Strömungssimulation ein unverzichtbares Werkzeug, um deren optimale Platzierung zu finden und die notwendigen Informationen für die Berechnung der Jahresarbeit zu bekommen. Im Unterschied zu „frei stehenden“ Windturbinen sind die Strömungsverhältnisse bei Gebäudeintegration sehr viel komplizierter. Die Strömung genau zu kennen ist wichtig, weil der Druckunterschied zwischen Luv- und Leeseite des Gebäudes (Strömungsrichtung von rechts nach links) und die Übergeschwindigkeit bei der Gebäudeumströmung eine Potenzialvergrößerung bis auf das Doppelte ermöglichen

Für ein geplantes Vorhaben liefert die Strömungssimulation auch Informationen über die Verwirbelungen stromab der Windturbinen (Strömungsrichtung von rechts nach links). Da die Windturbinen die Windströmung aufstauen, d. h. die Windgeschwindigkeit verringern, ist eine Störung durch solche Verwirbelungen meist gering. Man erkennt das daran, dass die Geschwindigkeit in den beiden großen Wirbeln viel kleiner ist als in der Zuströmung. Die Strömungssimulation kann so helfen, eventuelle Beeinträchtigungen zu erkennen.

Im gezeigten Beispiel sind die Stromlinien (Strömungsrichtung von links nach rechts) in einem Vertikalschnitt dargestellt. Die Farbe der Stromlinie informiert über die Größe der Geschwindigkeit. Im vorliegenden Beispiel sind die großen Geschwindigkeitsunterschiede am Dach zu erkennen. Stellt man dort die Windturbinen auf, dann ist die erreichbare Arbeit etwa doppelt so groß wie in gleicher Höhe ohne den Einfluss der Gebäude. Mit der Strömungssimulation kann man so und unter Berücksichtigung weiterer Gesichtspunkte wie dem Windrichtungseinfluss die beste Stelle für die Aufstellung der Windturbine finden. Bei der Strömungssimulation wird mit Prof. Heller von der HTW Dresden zusammen gearbeitet.

  • Um die Frage nach der Größe des Windpotenzials beantworten zu können, muss die Windturbine vereinfacht modelliert werden. Dabei wird davon ausgegangen, dass dazu die Nachbildung der Stauwirkung der Windturbine ausreicht.

  • Die Testung des Modells erfolgt an Hand der Durchströmung einer frei stehenden Windturbine mit einem kurzen Gehäusering um den Rotor, weil dafür bereits viele Informationen vorliegen. Aus der Simulation folgt, dass wie erwartet die Geschwindigkeit in der Abströmung rechts vom Gehäusering ein Drittel und im Gehäusering zwei Drittel der Windgeschwindigkeit ist. Damit lässt sich mit sehr guter Genauigkeit die maximal mögliche Turbinenleistung berechnen.