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Die
Erfindung betrifft ein Aufwindkraftwerk zur Gewinnung von elektrischer
Energie aus einem aufsteigenden Luftstrom infolge einer Temperaturdifferenz.
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Aufwindkraftwerke
(auch Thermikkraftwerke genannt) nutzen die Energie von in Kaminen
aufsteigenden Luftströmen,
die durch von in Bodennähe
erwärmter
Luft angetrieben werden. Die Wirkungsweise von Aufwindkraftwerken
wurde bereits 1931 von Hans Günther
beschrieben. In den 1980er Jahren wurde die Funktion durch den Aufbau
und Betrieb einer Testanlage von Prof. Jörg Schlaich unter Beweis gestellt.
Bisher realisierte und projektierte Anlagen weisen sehr hohe Kamine
und große überdachte
Flächen
am Boden auf, in denen sich die Luft nach dem Prinzip des Treibhauses
erwärmt.
Die so gewonnene Energie ist jedoch vergleichsweise gering. Die
Wirkung kann verbessert werden, indem der Temperaturgradient zwischen
dem Lufteinlass und dem Luftauslass des Kamins vergrößert wird.
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In
der
DE 298 24 124
U1 ist ein Aufwindkraftwerk angegeben, bei dem im Kamin
in der Nähe
des Lufteinlasses und des Luftauslasses Wärmetauscher angeordnet sind,
wobei dem Luftstrom am Luftauslass Wärme entzogen und zum Lufteinlass
zurückgeführt wird.
Hierfür
ist jedoch ein erheblicher Energieaufwand erforderlich, der nicht
in einem wirtschaftlichen Verhältnis
zum erzielbaren Effekt steht.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Aufwindkraftwerk mit
einem erhöhten
Wirkungsgrad anzugeben.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
ein Aufwindkraftwerk mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Das
erfindungsgemäße Aufwindkraftwerk umfasst
einen Kamin und einen zumindest durch Sonnenlicht erwärmbaren
Kollektor in Form eines zumindest nach oben abgeschlossenen Raumes.
Der Kollektor umgibt einen an einem unteren Ende des Kamins befindlichen
Lufteinlass des Kamins. Im Kamin ist mindestens eine Turbine mit
jeweils einem Generator zur Erzeugung elektrischer Energie aus einem
im Kamin aufsteigenden Luftstrom angeordnet. Im Bereich eines an
einem oberen Ende des Kamins befindlichen Luftauslasses ist mindestens
eine Vorrichtung angeordnet, die zumindest passiv gekühlt ist.
Dadurch erhöht
sich ein Temperaturgradient zwischen dem Lufteinlass und dem Luftauslass,
was zu einer erhöhten
Energieausbeute führt.
Der Kamin steht insbesondere im Wesentlichen senkrecht. Der Lufteinlass
befindet sich unten, der Luftauslass oben.
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Bevorzugt
umfasst diese Vorrichtung Kühlbleche,
die zumindest teilweise von mindestens einem Teil des Luftstroms
benetzt sind. Die Kühlbleche werden
von der Umgebungsluft im Bereich des Luftauslasses gekühlt und
kühlen
ihrerseits den aus dem Luftauslass austretenden Luftstrom. Auf diese
Weise ist eine Erhöhung
der Temperaturgradienten ohne zusätzlichen Energieaufwand möglich.
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Die
Kühlbleche
weisen vorzugsweise Durchbrüche
auf, beispielsweise in Form von Bohrungen, Schlitzen, oder Ausstanzungen,
um die Windlast gering zu halten. Dieser Aspekt kann auch bei der Formgebung
der Kühlbleche
berücksichtigt
werden.
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Vorzugsweise
sind die Kühlbleche
zumindest teilweise aus einem reflektierenden Material gebildet
und/oder mit einem reflektierenden Material beschichtet, um zu vermeiden,
dass sie sich in der Sonne erwärmen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
sind der Kamin und der Kollektor zumindest zum Teil aus stapelbaren
und verbindbaren Modulen gebildet. Beispielsweise kann der Kamin
aus einer Vielzahl von übereinander
gestapelten Hohlzylindern bestehen, die durch Verspannen oder Verschrauben
miteinander verbunden sind. Auf diese Weise lässt sich die Höhe des Kamins
variabel gestalten. Ebenso vereinfacht sich der Auf- und Abbau sowie
der Transport der Einzelteile des Aufwindkraftwerkes.
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Die
Module enthalten dabei vorzugsweise elektrische Leiter und/oder
andere Medienleitungen die zwischen je zwei benachbarten Modulen
durch deren Verbindung in sicherem Kontakt stehen. Auf diese Weise
kann eine aufwändige
Elektroinstallation entfallen, besonders dann, wenn der Kamin in
seiner Höhe
verändert
wird oder zusätzliche
Turbinen eingebaut werden.
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Werden
zwei oder mehr Turbinen eingesetzt, können nebeneinander oder bevorzugt übereinander angeordnet
sein.
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Zum
einfachen Nachrüsten
von Turbinen und schnellen Wechseln im Falle eines Defekts sind die
Turbinen jeweils in einer Kassette angeordnet, die in den Kamin
einschiebbar ist.
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Wenn
die Turbine abschaltbar ist und/oder ihre Schaufeln in eine aerodynamisch
unwirksame Position schwenkbar sind, kann Sie im laufenden Betrieb
gewechselt werden. Außerdem
können
bei unterschiedlichen Aufwindverhältnissen einzelne Turbinen
gezielt abgeschaltet werden, um den aufsteigenden Luftstrom nicht
zum Abreißen
zu bringen, da nach dem Betz'schen
Gesetz maximal 59,7 % der im Luftstrom enthaltenen translatorischen
Energie in rotatorische Energie umgewandelt werden kann.
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Der
Kollektor weist vorzugsweise eine lichtdurchlässige Kuppel auf, wodurch im
Kollektor eine Art Treibhauseffekt bewirkt wird, bei dem die Sonnenstrahlung
die Kuppel durchdringt, die Luft dahinter erwärmt und diese durch die Kuppel
im Kollektor gehalten wird.
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Dem
Kollektor kann zusätzliche
Wärme mittels
mindestens eines Spiegels, der Sonnenlicht auf den Kollektor reflektiert,
zur Verfügung
gestellt werden. Hierfür
sind insbesondere Parabolspiegel geeignet. Bevorzugt sind mehrere
Spiegel vorgesehen.
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Die
Ausrichtung der Spiegel ist vorzugsweise dem Stand der Sonne entsprechend
anpassbar, das heißt,
die Spiegel werden im Tagesverlauf nachgeführt, um die reflektierte Sonnenstrahlung
immer auf den Kollektor zu richten und einen Schattenwurf der Spiegel
auf den Kollektor zu vermeiden. Auch eine von der Jahreszeit abhängige Nachführung kann
vorteilhaft sein.
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Vorzugsweise
weist der Kollektor einen Boden auf, dessen Oberfläche mit
Profilen und/oder konzentrischen Ringen und/oder Aufbauten zur Vergrößerung der
Oberfläche
versehen ist. Mit steigender Größe der Oberfläche steigt
auch die Energiedichte im Kollektor. Durch die so aufgenommene größere Wärmemenge
vergrößert sich
der Temperaturgradient zwischen Lufteinlass und Luftauslass.
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Im
Kollektor vorgesehene Luftleitvorrichtungen leiten die in den Kollektor
einströmende
Luft in den Lufteinlass und reduzieren das Ausströmen der Luft
an anderen Stellen des Kollektors. Auf diese Weise wird vermieden,
dass bei Wind Luft an einer Seite des Kollektors einströmt, dort
erwärmt
wird und ungenutzt an einer anderen Seite des Kollektors wieder
herausgeweht wird.
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Außerhalb
des Kollektors können
Wärmespeichervorrichtungen
vorgesehen sein, beispielsweise Wasserbehälter, die mittels anderer Wärmequellen
erwärmt
werden und deren Wärme
bei geringer Sonneneinstrahlung oder nachts wieder an den Kollektor
abgegeben wird, so dass ein durchgehender Betrieb des Aufwindkraftwerkes
auch unter diesen Bedingungen möglich
ist, insbesondere, da der Energiebedarf in den Abendstunden oft
höher als tagsüber ist.
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Zur
weiteren Vergrößerung der
Oberfläche sind
der Boden und/oder die Aufbauten und/oder die Luftleitvorrichtungen
im Kollektor mit einem Florgewebe versehen. Unter Florgewebe sollen
dreidimensionale Textilien verstanden werden, die ein Faden- oder
Schlaufensystem senkrecht zu ihrer Fläche aufweisen, beispielsweise
Velour, Samt, Plüsch,
Frottee und ähnliche.
Die dadurch zusätzlich
vergrößerte Oberfläche verbessert
die Wärmeaufnahme.
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Dieser
Effekt lässt
sich zusätzlich
verstärken, wenn
der Boden und/oder die Aufbauten und/oder die Luftleitvorrichtungen
und/oder die Wärmespeichervorrichtungen
und/oder das Florgewebe im Kollektor eine schwarze und/oder dunkle
Oberfläche aufweisen.
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Um
ein Eindringen von Niederschlägen
in den Kamin und infolgedessen eine unerwünschte Abkühlung am Lufteinlass zu vermeiden,
wird bevorzugt am Luftauslass eine Regenwassersammelvorrichtung
so angeordnet, dass Regenwasser möglichst weitgehend am Eindringen
in den Kamin gehindert und nach außen ableitbar ist. Die Regenwassersammelvorrichtung
kann beispielsweise die Form eines Trichters mit einem Durchmesser
haben, der den des Luftauslasses übersteigt. Das im Trichter
gesammelte Wasser wird zur Außenseite
des Kamins hin abgeleitet.
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Vorzugsweise
ist dem Kollektor zusätzlich Wärme direkt
und/oder indirekt über
Wärmetauscher und/oder
Wärmespeicher
zuführbar,
um den Temperaturgradienten weiter zu erhöhen oder den Betrieb bei Nacht
oder geringer Sonneneinstrahlung zu ermöglichen. Unter direkter Wärmezuführung ist
eine Verbrennung im Kollektor oder eine direkte Einleitung eines
erwärmten
Mediums dorthin zu verstehen.
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Diese
zusätzliche
Wärme kann
durch Geothermie und/oder Solarthermie und/oder Abwärme industrieller
Prozesse und/oder landwirtschaftlicher Betriebe und/oder durch Verbrennungswärme aus der
Verbrennung von Gasen und/oder Aerosolen und/oder Bio-Alkohol und/oder
Biogas und/oder Holz und/oder Holzpellets zur Verfügung stehen.
Die Temperatur geothermischer Quellen ist häufig nicht ausreichend zum
Betrieb von Dampfturbinen. In einem solchen Fall kann eine Nutzung
in einem Aufwindkraftwerk geeignet sein. In der Umgebung des Kollektors
können
solarthermische Kollektoren angeordnet sein, in denen bei Sonneneinstrahlung
eine Flüssigkeit
erwärmt
wird, deren Wärme über Wärmetauscher
oder Wärmespeicher
im Kollektor wieder abgegeben wird. Bei vielen industriellen Prozessen
fällt Abwärme an ,
die bislang ungenutzt in die Atmosphäre entweicht oder sogar aufwändig in
Kühltürmen einem
Kreislauf entzogen werden muss. Gleiches gilt für Abwärme aus landwirtschaftlichen
Betrieben, wie Abluft aus Ställen
oder Gärungswärme aus
Siloanlagen. In der Chemieindustrie werden häufig Gase oder Aerosole als
Abfallprodukte von Prozessen abgefackelt, ohne dass deren Verbrennungswärme genutzt
wird. Weitere für
das Aufwindkraftwerk nutzbare Energiequellen sind Verbrennungswärmen aus
der Verbrennung von Gasen und/oder Aerosolen und/oder Bio-Alkohol
und/oder Biogas und/oder Holz und/oder Holzpellets oder die Abwärme aus
mit solchen Anlagen betriebenen Heizungen oder Kraftwerken. Unter
Biogas sollen auch Klärgas
oder Deponiegas verstanden werden.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
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Darin
zeigen:
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1 einen
Längsschnitt
durch ein Aufwindkraftwerk mit einem Kollektor und einem Kamin,
dessen Luftauslass passiv gekühlt
ist.
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1 zeigt
ein Aufwindkraftwerk 1 mit einem Kamin 2 und einem
Kollektor 3. Der Kamin 2 ist ein im Wesentlichen
senkrecht stehender Hohlzylinder, der in seiner Längsrichtung
aus mehreren hohlzylindrischen Modulen 4 zusammengesetzt
ist, die aufeinander gestapelt und miteinander verschraubt oder verspannt
oder auf andere Weise verbunden sind. Seitlich in eines der Module 4 ist
eine Kassette 5 einschiebbar, die eine Turbine 6 mit
einem Generator 7 zur Erzeugung elektrischer Energie aus
einem im Kamin 2 aufsteigenden Luftstrom enthält. Der
Generator 7 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel in oder an der
Nabe der Turbine 6 angeordnet, kann aber auch an anderer
Stelle vorgesehen sein. Die Turbine 6 ist abschaltbar,
indem ihre Schaufeln in eine aerodynamisch unwirksame Position,
beispielsweise parallel zum Luftstrom verstellbar sind. Auf diese
Weise kann die Kassette 5 mit der Turbine 6 und
dem Generator 7 im laufenden Betrieb gewechselt werden.
In den Modulen 4 sind elektrische Leiter 8 angeordnet,
die jeweils mit den elektrischen Leitern 8 benachbarter Module 4 in
Kontakt stehen, wenn die Module 4 verbunden sind. Die elektrischen
Leiter 8 können
in die Wand des Moduls 4 eingelassen sein und sind daher gestrichelt
dargestellt. Unterhalb des untersten Moduls 4 führt ein
weiterer elektrischer Leiter zu Einrichtungen (nicht gezeigt), die
der Aufbereitung der elektrischen Energie zum Verbrauch oder der
Herstellung ihrer Konformität
zu einem elektrischen Netz dienen, in das die Energie eingespeist
werden soll. Eine solche Einrichtung kann Transformatoren, Umrichter, Wechselrichter,
Stromzähler
und weitere Geräte
enthalten. In jedem Modul 4, das für die Aufnahme einer Kassette 5 vorgesehen
ist, sind Kontakte vorgesehen, die den Generator 7 mit
dem elektrischen Leiter 8 verbinden, wenn die Kassette 5 eingebaut
ist.
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Der
aufsteigende Luftstrom wird durch einen Temperaturgradienten der
Luft zwischen dem am unteren Ende des Kamins 2 gelegenen
Lufteinlass 9 und dem am oberen Ende des Kamins 2 gelegenen Luftauslass 10 verursacht.
Je größer dieser
Temperaturgradient ist, desto höher
ist die Energie, die dem Luftstrom entnommen werden kann. Der Kollektor 3 ist
zu diesem Zweck so gestaltet, dass er die Form eines nach oben abgeschlossenen
Raumes aufweist, in dem die Luft durch Sonneneinstrahlung wie in
einem Treibhaus erwärmt
wird. Im gezeigten Ausführungsbeispiel
ist der Kollektor 3 kuppelförmig. Die Kuppel 11 besteht
aus einem lichtdurchlässigen
Material, so dass Sonnenstrahlen ins Innere des Kollektors 3 strahlen
können.
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Der
Temperaturgradient wird zusätzlich
erhöht,
indem der Luftstrom am Luftauslass 10 mittels einer passiv
gekühlten
Vorrichtung gekühlt
wird, die im gezeigten Ausführungsbeispiel
aus vier Kühlblechen 12 besteht,
die teilweise in den Luftstrom ragen und teilweise in der Umgebungsluft
liegen, von der sie gekühlt
werden. Die Kühlbleche 12 können Durchbrüche aufweisen
(nicht gezeigt), um die Windlast gering zu halten. Die Kühlbleche 12 sind
zumindest teilweise aus einem reflektierenden Material gebildet
und/oder mit einem reflektierenden Material beschichtet, um zu vermeiden,
dass sie sich in der Sonne erwärmen.
Hierzu eignet sich beispielsweise poliertes Aluminium, rostfreier
Stahl oder eine Verchromung. Es kann auch eine andere Anzahl von Kühlblechen 12 vorgesehen
sein.
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Um
ein Eindringen von Niederschlägen
in den Kamin 2 und infolgedessen eine unerwünschte Abkühlung am
Lufteinlass 9 oder im Kollektor 3 zu vermeiden,
wird am Luftauslass 10 eine Regenwassersammelvorrichtung 13 angeordnet,
die im Ausführungsbeispiel
die Form eines Trichters aufweist. Auf diese Weise wird Regenwasser
weitgehend am Eindringen in den Kamin 2 gehindert und nach
außen über ein
Rohr 14 oder einen Schlauch abgeleitet.
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Die
Kuppel 11 des Kollektors 3 weist an ihrem Umfang Öffnungen 15 auf,
durch die Luft aus der Umgebung einströmen kann. Damit die im Kollektor erwärmte Luft
bei Wind nicht aus einer anderen Öffnung 15 entweicht,
sondern den Kollektor über
den Lufteinlass 9 verlässt,
sind Luftleitvorrichtungen 16 vorgesehen, die bespielsweise
die Form kreuzförmig angeordneter
Bleche haben können,
die einen Luftstrom von einer Öffnung 15 zu
einer anderen behindern.
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Der
Kollektor 3 weist einen Boden 17 auf, der beispielsweise
als Betonsockel ausgeführt
sein kann.
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Folgende
Maßnahmen
lassen sich zur Vergrößerung des
Temperaturgradienten im Bereich des Kollektors 3 ergreifen,
sind hier aber nicht im Einzelnen gezeigt: Die Oberfläche des
Bodens 17 kann mit Profilen und/oder konzentrischen Ringen
und/oder Aufbauten zur Vergrößerung der
Oberfläche
versehen sein, um auf diese Weise die aufnehmbare Wärmemenge
zu vergrößern.
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Im
Kollektor 3 können
Wärmespeichervorrichtungen
vorgesehen sein, beispielsweise Wasserbehälter, die sich bei starker
Sonneneinstrahlung erwärmen
und ihre Wärme
bei geringer Sonneneinstrahlung oder nachts wieder abgeben, so dass
ein durchgehender Betrieb des Aufwindkraftwerkes auch unter diesen
Bedingungen möglich
ist, insbesondere, da der Energiebedarf in den Abendstunden oft
höher als
tagsüber
ist.
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Zur
weiteren Vergrößerung der
Oberfläche sind
der Boden 17 und/oder die Aufbauten und/oder die Luftleitvorrichtungen 16 und/oder
die Wärmespeichervorrichtungen
im Kollektor 3 mit einem Florgewebe versehen. Die dadurch
zusätzlich
vergrößerte Oberfläche verbessert
die Wärmeaufnahme.
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Der
Boden 17 und/oder die Aufbauten und/oder die Luftleitvorrichtungen 16 und/oder
die Wärmespeichervorrichtungen
und/oder das Florgewebe im Kollektor 3 weisen eine schwarze
und/oder dunkle Oberfläche
auf.
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Der
Kollektor 3 kann mittels weiterer Wärmequellen zusätzlich zur
Sonneneinstrahlung direkt und/oder indirekt über Wärmetauscher und/oder Wärmespeicher
beheizt werden, um den Temperaturgradienten weiter zu erhöhen oder
den Betrieb bei Nacht oder geringer Sonneneinstrahlung zu ermöglichen.
Hierzu eignen sich besonders:
Geothermie, Solarthermie, Abwärme industrieller Prozesse
oder landwirtschaftlicher Betriebe, Verbrennungswärme aus
der Verbrennung von Gasen, Aerosolen, Bio-Alkohol, Biogas, Klärgas, Deponiegas,
Holz oder Holzpellets oder anderer brennbarer Substanzen.
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Zusätzliche
Wärme kann
auch mittels eines Spiegels oder einer komplexen Spiegelanordnung zur
Verfügung
gestellt werden. Die Spiegel reflektieren dabei Sonnenlicht auf
den Kollektor. Hierfür
sind insbesondere Parabolspiegel geeignet. Die Ausrichtung der Spiegel
wird vorzugsweise dem Stand der Sonne entsprechend angepasst, das
heißt,
die Spiegel werden im Tagesverlauf nachgeführt, um die reflektierte Sonnenstrahlung
immer auf den Kollektor zu richten. Auch eine von der Jahreszeit
abhängige Nachführung kann
vorteilhaft sein.
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Die
Form des Kamins 2 kann von der Zylinderform abweichen,
beispielsweise kann er die Form eines Hohlprismas aufweisen.
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Es
können
mehr als eine Turbine 6 mit einem Generator 7 im
Kamin 2 vorgesehen sein. Ihre Anordnung kann nebeneinander
oder bevorzugt übereinander
erfolgen.
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- 1
- Aufwindkraftwerk
- 2
- Kamin
- 3
- Kollektor
- 4
- Modul
- 5
- Kassette
- 6
- Turbine
- 7
- Generator
- 8
- Elektrischer
Leiter
- 9
- Lufteinlass
- 10
- Luftauslass
- 11
- Kuppel
- 12
- Kühlblech
- 13
- Regenwassersammelvorrichtung
- 14
- Rohr
- 15
- Öffnung
- 16
- Luftleitvorrichtung
- 17
- Boden