Roof-mounted wind turbines: An Analysis of the Potential for Urban Wind Power Installations in Swedish Cities
2025 (English)Independent thesis Advanced level (degree of Master (Two Years)), 20 credits / 30 HE credits
Student thesis
Abstract [en]
Wind power has been harnessed for over two millennia, evolving from ancient windmills to modern large-scale wind farms. While most wind turbines today are found in rural or offshore parks, small-scale wind systems are gaining interest for residential and urban applications. Urban wind power can exploit accelerated wind flows around buildings and, like solar panels, it can contribute to Sweden’s net-zero building goals and climate targetswhile providing economical and energy benefits to the property owner. However, urban installations face challenges such as turbulent airflow, noise, vibrations, and relatively low power output. This study examines the potential and profitability of roof-mounted wind power for apartment buildings in Swedish cities, with a focus on turbine technologies, site conditions and regulatory considerations relevant to property owners, such as Ikano Bostad.This is conducted through a literature study on turbine types suitable for roof installationsand roof conditions, a market analysis on available turbines in Sweden and interviews exploring practical considerations and regulations. Lastly, an energy model is developed in Excel for estimating the annual power output of three turbines: RB1 (RidgeBlade), WS-2 City(Windside) and EB V100 (Home Energy International). The annual power outputs are estimated for three building heights in Stockholm, Gothenburg and Malmo , and profitability is mainly assessed by comparing power outputs to energy demands of selected apartment buildings owned by Ikano Bostad. The literature study finds that while both horizontal-(HAWT) and vertical- (VAWT) axis turbine technologies are available for roof installation, VAWTs are theoretically better adapted to urban conditions than HAWTs. HAWTs on the other hand present a more mature technology with a high power coefficient and low cut-in speed. The most important requirement for roofs is to have a good wind resource, which is usually achieved on tall buildings, away from surrounding obstacles, by the coastline and without roof fences. The roof geometry also determines the extent of turbulence, and on-site wind conditions must therefore be studied in preparation for installation. The turbine placement is also crucial for power generation, and it should be placed high up to avoid turbulence along the roof’s surface. The market analysis finds five promising turbine types which are adapted to urban conditions, such as resilience to turbulence, no noise and vibration, and visually pleasing designs. The interviewees agree that clear regulations for roof-mounted wind power installations are currently lacking, while vibrations remain a significant risk. The final energy calculations find that the RB1 turbine produces most power at 45° roof pitch, while the WS-2 City turbine is most efficient regarding its installation capacity. Although the average wind speed in Stockholm, Gothenburg and Malmo might be too low for a profitable wind power project, it is recommended to measure wind conditions at the site to be sure. Profitability will also increase if multiple turbine units are installed, specifically in terms of energy savings, but these might still be outperformed by solar panels.
Abstract [sv]
Vindens energi har utnyttjats i över två årtusenden, från tidiga forntida väderkvarnar till dagens moderna storskaliga vindkraftsparker. Även om de flesta vindkraftverk idag finns i land- eller havsparker ökar intresset för småskaliga vindkraftssystem inom städer. Urban vindkraft har möjligheten att utnyttja accelererade vindflöden runt byggnader och, liksom solpaneler, kan det bidra till Sveriges noll-utsläppsmål för byggnader samtidigt som den ger ekonomiska och energimässiga fördelar för fastighetsägaren. Installeringen av urban vindkraft står dock inför utmaningar som turbulent luftflöde, buller, vibrationer och relativt låg effekt. Denna studie undersöker potentialen och lönsamheten för takmonterad vindkraft på flerbostadshus i svenska städer, med fokus på turbintekniker, platsförhållanden och regulatoriska överväganden som är relevanta för fastighetsägare, såsom Ikano Bostad. Detta genomförs genom en litteraturanalys av mogna turbintyper samt takförhållanden, en marknadsanalys av tillgängliga turbiner i Sverige, och intervjuer om praktiska faktorer under installering. Slutligen utvecklas en energimodell i Excel vilken uppskattar den årliga produktionen från tre turbiner: RB1 (RidgeBlade), WS-2 City (Windside) and EB V100 (Home Energy International). Den årliga effekten uppskattas för tre byggnadshöjder i Stockholm, Göteborg och Malmö, och lönsamheten bedöms främst genom att jämföra effekten med energibehovet för utvalda flerbostadshus som ägs av Ikano Bostad. Litteraturanalysen visar att både horisontellt (HAWT) och vertikalt (VAWT) axlade turbiner är tillgängliga för takinstallation, men VAWT är teoretiskt sett mer anpassningsbar till urbana vindförhållanden än HAWT. HAWT är å andra sidan en mer mogen teknik med hög effektkoefficient och låg startvind. Det viktigaste kravet för installationsplatsen på taket är att vindresursen är god, helst utan störningar i luftflöde och turbulens. Detta uppnås vanligtvis på höga byggnader, bort från omgivande hinder, vid kusten och utan takstaket. Takgeometrin avgör också omfattningen av turbulens, och vindförhållandena på plats måste därför studeras inför installation. Turbinen bör därutöver placeras högt upp för att undvika turbulens längs takytan. Marknadsanalysen visar fem lovande turbintyper som har passande egenskaper i urbana miljöer, såsom anpassning till turbulens, låg buller- och vibrationsniva samt visuellt tilltalande design. Enligt intervjuerna finns inga tydliga regler för takmonterad vindkraftsinstallation i dagsläget, men buller anses vara en stor riskfaktor. De slutliga beräkningarna visar att RB1-turbinen producerar mest effekt vid 45° taklutning, medan WS-2 City-turbinen är mest effektiv vad gäller installationskapacitet. Även om den genomsnittliga vindhastigheten i Stockholm, Göteborg och Malmö verkar vara för låg för ett lönsamt vindkraftsprojekt, rekommenderas det att mäta vindförhållandena på installationsplatsen för att vara säker. Lönsamheten gällande energibesparingar ökar dock om flera turbinenheter installeras, då den totala effektproduktionen ökar, men dessa överträffas i dagsläget av solpaneler.
Place, publisher, year, edition, pages
2025. , p. 80
Series
TRITA-ITM-EX ; 2025:541
Keywords [en]
Urban wind power; roof-mounted; residential power supply; horizontal axis; vertical axis; urban wind pattern; practical challenges; profitability; energy savings; Swedish cities
Keywords [sv]
Urban vindkraft; takmontering; lokal elfo rso rjning; horisontell axel; vertikal axel; urbana vindmo nster; praktiska utmaningar; lo nsamhet; energibesparing; svenska sta der
National Category
Engineering and Technology
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-372251OAI: oai:DiVA.org:kth-372251DiVA, id: diva2:2010435
External cooperation
Ikano Bostad
Supervisors
Examiners
2025-10-302025-10-302025-10-30Bibliographically approved