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Die
Erfindung richtet sich auf eine Strömungskraftanlage mit
einem Rotor, der um eine zentrale, vom Wind etwa radial angeströmte
Achse drehbar gelagert ist, ausschließlich von dieser Achse
getragen wird, mehrere Flügel aus einem steifen Material trägt
und drehfest mit dem Rotor eines Generators zur Stromerzeugung gekoppelt
ist, wobei jeder Flügel des Rotors als Profil mit zwei
geraden, zueinander parallelen Längskanten von jeweils
spitzwinkligem Querschnitt ausgebildet ist, welche je einen zu der Drehachse
parallelen Verlauf haben und zwei Hauptflächen des Flügels
voneinander trennen, von denen wenigstens eine keinem ausschließlich
ebenen Verlauf folgt, und wobei jeder Flügel mit der Drehachse des
Rotors derart verbunden ist, dass die beiden Längskanten
des Flügels stets konstante, aber unterschiedliche Abstände
zu der Drehachse sowie zu einer ggf. vorhandenen Rotornabe aufweisen,
von denen beide Abstände größer sind
als der Abstand zwischen den beiden Längskanten desselben
Flügels; sowie mit einer Mehrzahl von feststehenden Strömungsleitblechen
aus einem steifen Material, welche den Rotor außen umgebend
angeordnet sind, wobei jedes Strömungsleitblech als Profil
mit zwei geraden, zueinander parallelen Längskanten von
jeweils spitzwinkligem Querschnitt ausgebildet ist, welche je einen
zu der Drehachse des Rotors parallelen Verlauf haben, derart, dass
der auf die Drehachse des Rotors bezogene Radius Ri einer
Längskante eines Strömungsleitblechs größer
ist als der Radius ra der äußeren
Längskante jedes Rotorflügels, jedoch kleiner
als der Radius Ra der anderen Längskante
des betreffenden Strömungsleitblechs: ra < Ri < Ra,wobei die Längskanten eines
Strömungsleitblechs zwei Hauptflächen des betreffenden
Strömungsleitblechs voneinander trennen, von denen wenigstens eine
in Bezug auf die Drehachse des Rotors keinem radialen Verlauf folgt,
und wobei die Strömungsleitbleche an ihren Ober- und Unterkanten
durch je eine Strömungsleitfläche untereinander
verbunden sind.
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Eine
gattungsgemäße Anordnung offenbart die
deutsche Offenlegungsschrift
196 23 055 A1 . Diese betrifft eine Windkraftanlage, bestehend
aus einem senkrecht feststehenden, zylindrischen Gehäuse
mit Boden und Deckel. Der Zylindermantel des Gehäuses besteht
aus senkrecht feststehenden Luftleitflächen in gleichen
Abständen zueinander, gleichzeitig ca. 45° zum
Gehäusezentrum geschwenkt. Hierdurch wird Wind im Drehsinn
des Rotors ins Gehäuse geleitet. Nachdem der Wind den zentrisch
im Gehäuse gelagerten Rotor angetrieben hat, verläßt er
das Gehäuse durch die dem Lufteintritt gegenüber liegenden
Luftleitflächen. Die Luftleitflächen dienen dazu,
den Windflügeln des Rotors den Wind in möglichst
konstantem Anblaswinkel zuzuführen. Infolge des oben und
unten geschlossenen Gehäuses mit Boden und Deckel, woran
auch der Rotor gelagert ist, muß jede Luftströmung
den Rotor zweimal durchsetzen, einmal beim Lufteintritt und einmal
beim Luftaustritt. Dies ist jedoch entgegen der Auffassung des Vorerfinders
kein Vorteil. Denn nach dem erstmaligen Antreiben des Rotors beim
Lufteintritt hat die Luft bereits erheblich an Energie verloren;
die austretende Luft ähnelt eher einem Lufthauch, welcher
deutlich langsamer ist als beim Lufteintritt. Dieser Windhauch verhindert,
dass der Rotor eine Geschwindigkeit erreichen kann, welche der Geschwindigkeit
des anströmenden Windes entspricht. Andererseits bildet der
Hohlraum im Inneren des Gehäuses eine Art Luftpufferung,
die eine ungehinderte, möglichst laminare Luftströmung
nicht zuläßt und den am Lufteinlaß zur Verfügung
stehenden Winddruck herabsetzt.
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Aus
diesen Nachteilen des beschriebenen Standes der Technik resultiert
das die Erfindung initiierende Problem, dem Rotor einer gattungsgemäßen Strömungskraftanlage
die von den Naturgewalten, insbesondere vom Wind verursachte Strömung,
insbesondere Luftströmung, möglichst optimal zuzuführen,
so dass bei etwa unveränderten Abmessungen des Rotors die
an dessen Welle abgreifbare Leistung gesteigert ist.
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Die
Lösung dieses Problems gelingt bei einer gattungsgemäßen
Strömungskraftanlage, insbesondere Windkraftanlage, dadurch,
dass die oberen und unteren Strömungsleitflächen
ringförmig ausgebildet sind und durch eine äußere
und eine innere, zur Drehachse des Rotors konzentrische Kreislinie
berandet werden, wobei der Radius Ki der
inneren, kreisförmigen Berandungslinie etwa dem Radius
Ri der inneren Längskante eines
Strömungsleitblechs entspricht: 0,8·Ri ≤ Ki ≤ 1,2·Ri.
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Solche
Strömungsleitflächen sind im Gegensatz zu der
aus der
DE 196 23
055 A1 vorbekannten Anordnung in der Mitte, also im Bereich
des Rotors, offen, bilden also kein durch einen Boden und einen Deckel
abgeschlossenes Gehäuse, sondern dienen ausschließlich
dazu, dem Rotor den Wind zuzuführen, während die
Luft nach Durchströmen der Rotorflügel oben und
unten aus dem Rotor wieder entweichen kann. Sie wird dort von dem über
bzw. unter dem Rotor durchströmenden Wind mitgerissen ähnlich
dem bekannten Kamineffekt, so dass sich eine maximale Umströmung
der in Windrichtung vorne liegenden Flügel des Rotors ergibt
ohne jegliche Verminderung des Luftdrucks.
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Es
hat sich als günstig erwiesen, dass die ringförmigen
Strömungsleitflächen von außen nach innen
gesehen zueinander divergieren. Dadurch wird der freie bzw. lichte
Querschnitt zwischen zwei benachbarten Strömungsleitblechen
und den beiden oben und unten angrenzenden Strömungsleitflächen beim
Lufteinlaß von radial außen nach innen zu verengt,
und aufgrunddessen ist die Strömungsgeschwindigkeit der
Luft am inneren Ende der Strömungsleitbleche weiter erhöht,
so dass auch bereits bei mäßigem Wind eine zur
Stromerzeugung ausreichende Rotordrehzahl erreicht wird.
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In
Weiterverfolgung dieses Erfindungsgedankens kann vorgesehen sein,
dass wenigstens eine ringförmige Strömungsleitfläche
entlang der Mantelfläche eines Kegelstumpfs verläuft.
Es handelt sich hierbei um eine einfache geometrische Form, die aber
bereits eine erhebliche Querschnittsverengung mit sich bringt, insbesondere
wenn der Öffnungswinkel einer entlang eines Kegelstumpfs
verlaufenden Strömungsfläche höchstens
165° beträgt oder weniger, vorzugsweise 150° oder
weniger, insbesondere 135° oder weniger.
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Andererseits
sollte der Öffnungswinkel einer entlang eines Kegelstumpfs
verlaufenden Strömungsfläche wenigstens 60° betragen
oder mehr, vorzugsweise 75° oder mehr, insbesondere 90° oder mehr,
damit die Luft nicht zu stark umgelenkt wird und der nutzbare Winddruck
möglichst groß ist.
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Aus
Gründen der Symmetrie sollten die Strömungsleitbleche
unter gleichbleibenden Zwischenwinkeln α = 360°/n
angeordnet sind, wobei n die Anzahl der Strömungsleitbleche
ist.
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Um
einen Anlauf und eine Drehung des Rotors in einer vorgegebenen Laufrichtung
zu begünstigen, sieht die Erfindung vor, dass die beiden
Längskanten desselben Strömungsleitblechs nicht
in einer Radialebene bezogen auf die Drehachse des Rotors liegen,
sondern um einen Zwischenwinkel β um die Drehachse des
Rotors gegeneinander versetzt sind, so dass das anströmende
Medium, insbesondere die anströmende Luft, eine Tangentialkomponente
erhält entsprechend der gewünschten Rotordrehrichtung.
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Dabei
hat es sich bewährt, den (Zentrums-) Winkel β zwischen
den beiden Längskanten desselben Strömungsleitblechs
gleich oder größer als 30° zu wählen,
insbesondere gleich oder größer als 35°.
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Ferner
empfiehlt die Erfindung, dass mehrere, vorzugsweise alle Strömungsleitbleche
derart ausgebildet sind, dass der (Zentrums-)Winkel β zwischen
den beiden Längskanten desselben Strömungsleitblechs
stets größer ist als der Winkel α zwischen
der Innenkante des betreffenden Strömungsleitblechs und
der Innenkante eines, vorzugsweise beider benachbarter Strömungsleitbleche: β > α.
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Solchenfalls überlappen
sich zwei benachbarte Strömungsleitbleche in Umfangsrichtung
gesehen, und eine gerade radiale Durchströmung durch den
Strömungsleitkorb ist nicht möglich – jegliche
Anströmung erfährt gezwungenermaßen eine
Umlenkung in der gewünschten Antriebsrichtung des Rotors.
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Indem
die Differenz zwischen dem Radius beider Längskanten desselben
Strömungsleitblechs gleich oder größer
ist als ein Viertel des Radius seiner inneren Längskante,
vorzugsweise gleich oder größer als ein Drittel
des Radius seiner inneren Längskante, insbesondere etwa
gleich dem halben Radius seiner inneren Längskante, gelingt
es leicht, ein Strömungsleitblech entlang eines Zentrumswinkels β > α um die
Drehachse herumzuwinden und dadurch die gewünschte Undurchdringlichkeit
des Strömungsleitkorbs in radialer Richtung bezogen auf
die Rotordrehachse herzustellen.
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Mit
einer solchen Erstreckung eines Strömungsleitblechs entlang
eines großen Zentrumswinkels β > α geht eine
Ausgestaltung einher, wobei eine Tangentialebene an eine oder vorzugsweise
beide Hauptfläche(n) eines Strömungsleitblechs
im Bereich von dessen äußerer Längskante
die dortige Radialebene unter einem Winkel von 50° oder
mehr schneidet, vorzugsweise unter einem Winkel von 55° oder mehr,
insbesondere unter einem Winkel von 60° oder mehr. Die
Luft kann also unter einem relativ flachen Winkel eintreten, so
dass noch weit in der in Antriebsrichtung vorne gelegenen Seite
Wind eingefangen und dem Rotor zugeführt werden kann.
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Andererseits
sollte eine Tangentialebene an eine oder vorzugsweise beide Hauptfläche(n)
eines Strömungsleitblechs im Bereich von dessen äußerer Längskante
die dortige Radialebene unter einem Winkel von 80° oder
weniger schneiden, vorzugsweise unter einem Winkel von 75° oder
weniger, insbesondere unter einem Winkel von 70° oder weniger., damit
das frontal anströmende Medium nicht zu stark abgelenkt
wird.
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Wenigstens
eine Hauptfläche eines Strömungsleitblechs sollte
konkav gekrümmt sein, die andere konvex gekrümmt,
vergleichbar mit der kontinuierlichen Krümmung der beiden
Flachseiten einer Schaufel.
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Jeder
Flügel kann über jeweils eine oder mehrere, vorzugsweise
etwa radial zur Drehachse des Rotors verlaufende Strebe(n) mit der
Nabe und/oder Achse des Rotors verbunden sein, derart, dass sowohl
die innere als auch die äußere Längskante
des betreffenden Flügels gegenüber dessen Fixierungsstrebe(n)
fest und unverstellbar fixiert sind. Diese Streben sollen einerseits
das vom Winddruck erzeugte Drehmoment auf die Rotorwelle einleiten, andererseits
die Flügel lagemäßig stabilisieren.
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Unter
strömungstechnischen Gesichtspunkten hat es sich bewährt,
jedem Flügel einen Querschnitt zu erteilen entsprechend
etwa dem Querschnitt durch den Flügel eines Flugzeugs.
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Eine
Hauptfläche jedes Flügels sollte wenigstens eine
stumpfwinklige Kante aufweisen und/oder einem Abschnitt der äußeren
Mantelfläche eines Zylinders mit beliebiger, aber konvexer
Wölbung folgen („konvexe Hauptfläche"),
während jeweils eine andere Hauptfläche des Flügels
einer Ebene oder einem Abschnitt der inneren Mantelfläche
eines Prismas oder eines Zylinders folgt („konkave Hauptfläche").
Bevorzugt liegt jeweils die konvexe Hauptfläche eines Flügels
in Drehrichtung des Rotors gesehen vor dessen konkaver Hauptfläche,
die von dem anströmendem Medium, insbesondere von den antreibenden
Luftmassen, primär angeströmt wird.
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Um
dabei für das anströmende Medium, insbesondere
für die anströmende Luft, eine Art Tasche zu bilden,
die den Strömungsdruck, insbesondere Winddruck einfängt,
kann jeder Flügel an seiner konkaven Hauptfläche
an einer oder beiden Stirnseiten durch (je) eine Strömungsleitfläche
abgeschlossen sein.
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Die
Erfindung empfiehlt weiterhin, das anströmende Medium,
insbesondere Luft, möglichst optimal auszunutzen, indem
die Flügel relativ eng aneinander gereiht werden, derart,
dass der Abstand eines Flügels zu seinen beiden benachbarten
Flügeln jeweils kleiner ist als der Abstand zwischen dem
Flügel und der Drehachse des Rotors. Solchenfalls befinden
sich ständig eine Vielzahl von Flügeln in einer aktiven,
vom Medium, insbesondere von der Luft, angeströmten Drehstellung.
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Insgesamt
sollte der Rotor daher wenigstens vier Flügel aufweisen
oder mehr, vorzugsweise acht Flügel oder mehr, insbesondere
12 Flügel oder mehr.
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Aus
Stabilitätsgründen sollte jeder Flügel über
jeweils eine oder mehrere Streben drehfest, insbesondere starr mit
der Nabe oder Achse des Rotors oder mit einer daran festgelegten
Struktur verbunden sein.
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Dabei
empfiehlt die Erfindung, dass jeder Flügel im Bereich seiner
beiden Stirnseiten – also im Bereich des oberen und unteren
Endes – über wenigstens je eine Verbindungsstrebe
mit der Nabe oder Achse des Rotors oder mit einer daran festgelegten
Struktur verbunden ist. Durch eine solche Mehrfach-Verbindung erfährt
ein Flügel auch bei stürmischen Umgebungsverhältnissen
und/oder böigen Windverhältnissen eine ausreichende
Verankerung.
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Zwar
sollte aus Gewichtsgründen jede Verbindungsstrebe nur mit
einem einzigen Flügel verbunden sein; allerdings können
zur Verbesserung der Stabilität jeweils zwei Streben benachbarter
Flügel in ihrem Bereich zwischen dem betreffenden Flügel
sowie zwischen der Drehachse des Rotors durch wenigstens ein Schub-
und/oder Zugelement miteinander verbunden sein.
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Andererseits
ist es auch möglich, dass wenigstens eine Strebe mit einer
die Drehachse des Rotors etwa ringförmig umgebenden Struktur
verbunden ist. An einem solchen Ring können Drehmomente
unter erheblich günstigeren Kraftbedingungen eingeleitet
werden wie in eine vergleichsweise dünne Rotorachse, wo
bei gleichem Drehmoment die Kräfte weitaus größer
wären.
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Eine
besonders stabile Anordnung ergibt sich, wenn ein Flügel über
wenigstens zwei Streben mit der ringförmigen Struktur verbunden
ist, wobei diese Streben nicht parallel zueinander verlaufen. Insbesondere
wenn dabei außerdem zwei derartige, von einem Flügel
zu der ringförmigen Struktur verlaufende Streben dort an
unterschiedlichen Bereichen des Umfangs festgelegt sind, ergibt
sich eine Aussteifung nach Art eines Stabdreiecks, das in Tragwerken
gerne eingesetzt wird, bspw. bei Kranmasten, weil es zu einer besonders
hohen Steifigkeit beiträgt.
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Dem
Konstruktionsgedanken folgend, dass Stabdreiecke mit drei etwa gleich
langen Seiten am stabilsten sind, sieht die Erfindung weiterhin
vor, dass zwei von dem selben Flügel zu der ringförmigen Struktur
verlaufende Streben im Bereich des Flügels um einen Winkel
von 15° oder mehr voneinander divergieren, vorzugsweise
um einen Winkel von 30° oder mehr, insbesondere um einen
Winkel von 45° oder mehr. Der ideale Winkel liegt bei 60° entsprechend
dem Winkel im gleichseitigen Dreieck.
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Aus
dieser Konstruktionsvorschrift resultiert, dass die Befestigungspunkte
zweier von dem selben Flügel zu der ringförmigen
Struktur verlaufenden Streben an der ringförmigen Struktur
um einen Zwischen- bzw. Zentrumswinkel γ voneinander entfernt sind,
der gleich oder größer ist als 360°/m,
wobei m die Anzahl der Flügel des Rotors ist, vorzugsweise γ ≥ 540°/m,
insbesondere γ≥720°/m.
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Während
die zuletzt beschriebene Konstruktion eine hohe Steifigkeit innerhalb
der von einem Stabdreieck jeweils aufgespannten Ebene mit sich bringt,
erfordert eine Aussteifung insbesondere auch in vertikaler Richtung,
dass jeder Flügel über wenigstens eine weitere,
innerhalb einer radialen Ebene verlaufende Strebe mit der Drehachse
verbunden ist, die einer anderen Neigung folgt als die übrigen,
zum selben Flügel verlaufenden Streben. Es kann sich hierbei
entweder um eine einzige, etwa radial verlaufende Strebe handeln,
bspw. zur oberen Spitze der Rotorwelle, oder um zwei Streben, die
von einer anderen Stelle des Flügels aus zu einer die Drehachse ringförmig
umgebenden Struktur verlaufen, oder um eine Kombination dieser beiden
Möglichkeiten.
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Ferner
sieht die Erfindung vor, dass der Rotor radial innerhalb der Flügel
wenigstens eine Strömungsleitfläche aufweist,
um die durch den Flügelkranz nach innen hindurchgeströmte
Luft nach oben und/oder unten abzulenken.
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Wenigstens
eine solche Strömungsleitfläche des Rotors kann
zumindest bereichsweise der Mantelfläche eines Kegels folgen
oder sich daran anschmiegen. Solche Kegelflächen lenken
radial anströmende Medien, insbesondere Luftmassen in eine etwa
axiale Strömungsrichtung zur Spitze des Kegels hin um – nach
Verrichtung der Arbeit tritt das Arbeitsmedium, insbesondere Luft,
oben und/oder unten aus dem Rotorkäfig aus und behindert
dessen Drehung nicht.
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In
Weiterverfolgung dieses Erfindungsgedankens lassen sich am Rotor
zwei Strömungsleitflächen anordnen, welche an
ihrem peripheren Umfang miteinander verbunden sind und/oder aneinander
liegen und ab dort in Richtung zur Drehachse des Rotors hin betrachtet
voneinander divergieren, vorzugsweise entlang der Mantelfläche
von zwei Kegeln mit aneinander liegenden Grundflächen und
voneinander abgewandten Spitzen. Natürlich können
derartige Umlenkflächen auch eine doppelte Wölbung
aufweisen, allerdings in einander entgegengesetzten Richtungen nach
Art einer (rotationsymmetrischen) Sattelfläche.
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Besondere
Vorteile ergeben sich, wenn sich der gemeinsame Umfang bzw. Äquator
zweier derartiger, entlang einer Äquatorfläche
aneinander liegender oder miteinander verbundener Strömungsleitflächen
etwa auf halber Höhe des Rotors befindet. Solchenfalls
wird etwa die Hälfte der anströmenden Luftmassen
nach oben, die andere nach unten abgelenkt. Es ergeben sich dadurch
minimale Umlenkungen und außerdem sind die dabei am Rotor
hervorgerufenen Axial- bzw. Vertikalkräfte ausgeglichen und
erfordern keine zusätzlichen Stabilisierungsmaßnahmen.
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Eine
verstellbare Strömungsleitfläche kann dazu verwendet
werden, um die in den Bereich der Mantelfläche des Rotors
gelangende Luftströmung bzw. -menge zu beeinflussen. Bspw.
kann bei starkem Wind die verstellbare Strömungsleitfläche
stärker in den Weg der anströmenden Luft verstellt
werden, bei geringerem Wind weniger, oder sie wird dann ganz aus
dem Luftkanal genommen. Damit ist in begrenztem Umfang evtl. sogar
eine Drehzahlregelung des Rotors möglich, um in weiten
Bereichen der Windstärke stets eine etwa konstante Rotordrehzahl
herbeizuführen, so dass die von dem Generator abgegebene
Spannung etwa konstant bleibt und sich nur der Strom in Abhängigkeit
von der abgreifbaren Leistung ändert. Eine etwa konstante
Spannung bzw. Spannungsamplitude läßt sich aber
leichter zum Laden von Batterien, zum Antrieb von Verbrauchern und/oder
zum Einspeisen in ein Stromnetz verwenden.
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Eine
besonders einfache Konstruktion ergibt sich, wenn die verstellbare
Strömungsleitfläche zylindermantelförmig
ausgebildet und in vertikaler Richtung gegenüber dem Rotor
verstellbar ist, bspw. entlang von dessen Außenumfang verschiebbar,
insbesondere im Bereich des Spaltes zwischen Rotor und Strömungsleitkorb.
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Die
verstellbare Strömungsleitfläche kann sogar an
der Innenseite einer Struktur angeordnet sein, welche die den Rotor
radial umgebenden Strömugnsleitflächen und/oder
-bleche trägt, also an der Tragkonstruktion des Strömungsleitkorbes.
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Wenn
die Drehachse des Rotors vertikal ausgerichtet ist, ergibt sich
eine besonders einfache Statik, weil der rotationssymmetrische Rotor
sich dann in einem Gleichgewicht befindet und eine Abstützung
ausschließlich an der Rotorwelle ausreichend ist.
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Indem
der Rotor mittels Wälzlagern gelagert ist, wird die Reibung
minimiert und an der Rotorwelle kann eine maximale Wirkleistung
abgegriffen werden.
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Der
Rotor sollte am oberen Ende eines Mastes befestigt sein, der vorzugsweise
gegenüber dem Boden verspannt ist, insbesondere mittels (Stahl-)Seilen.
Hierbei ergibt sich eine Art Minimalkonstruktion, indem auf einen
Turm od. dgl. massives Bauwerk verzichtet wird.
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Schließlich
entspricht es der Lehre der Erfindung, dass der Mast rohrförmig
ausgebildet ist, worin sich eine mit der Rotorachse gekoppelte,
insbesondere drehfest verbundene oder damit integral ausgebildete
Welle bis zu dem Generator erstreckt. Der Generator könnte
sodann zwar auch innerhalb eines am Fuß des Mastes befindlichen
Maschinenraum angeordnet sein; die Erfindung sieht jedoch vor, den Generator
statt dessen innerhalb einer Gondel oder Kanzel im Bereich des oberen
Mastendes anzuordnen, um Reibungsverluste im Bereich der Drehwelle zu
minimieren.
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Weitere
Merkmale, Eigenschaften, Vorteile und Wirkungen auf der Basis der
Erfindung ergeben sich anhand der folgenden Beschreibung einer bevorzugten
Ausführungsform der Erfindung sowie anhand der Beschreibung.
Hierbei zeigt:
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1 eine
erfindungsgemäße Windkraftanlage in einer perspektivischen
Sprengdarstellung mit einem aus dem Windleitkorb herausgehobenem
Rotor;
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2 eine
Draufsicht auf den Rotor aus 1;
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3 einen
Vertikalschnitt durch die 2;
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4 einen
Vertikalschnitt durch den Windleitkorb aus 1;
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5 einen
Schnitt durch die 4 entlang der Linie V – V;
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6 einen
Schnitt durch den Windleitkorb aus 4 samt darin
eingesetztem Rotor aus 2;
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7 eine
der 2 entsprechende Darstellung des Rotors einer abgewandelten
Ausführungsform der Erfindung; sowie
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8 einen
Vertikalschnitt durch die 7.
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Über
einem Fundament 1 oder einem sonstigen Bauwerk 2 erhebt
sich ein hoher, vertikaler Mast 3. Dieser ist mittels mehrerer
Drahtseile 4, welche vom oberen Mastbereich schräg
nach unten zum Erdboden 5 verlaufen und dort an Bodenankern 6 befestigt
sind, stabilisiert. Vorzugsweise hat der Mast 3 einen hohlen,
rohrförmigen Querschnitt.
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Im
Bereich des oberen Mastendes befindet sich einerseits eine Generatorkanzel 7,
sowie andererseits ein Windleitkorb 8, in den der Rotor 9 der Windkraftanlage 10 verdrehbar
eingesetzt ist.
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In
der dargestellten Ausführungsform umfaßt der Rotor 9 eine
zentrale Achse 11, an der mittels jeweils zwei übereinander
angeordneten, radial nach außen kragenden Streben 12 eine
Reihe von Flügeln 13 mit jeweils vertikaler Längsachse
befestigt sind. Die zentrale Achse 11 reicht nach unten über
den Rotor hinaus und erstreckt sich bis zur Generatorkanzel 7;
sie dient sowohl der Abstützung und Stabilisierung des
Rotors 9 als auch der Weiterleitung des von der Winkdkraft
herrührenden Drehmomentes von dem Rotor 9 zu einem
in der Generatorkanzel 7 angeordneten Generator, der diese
mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt. Wenn ein für
langsamen Lauf konzipierter Generator verwendet wird, ist ein vorgeschaltetes
Getriebe nicht erforderlich. Innerhalb des Mastes 3 ist
ein Stromkabel von der Generatorkanzel 7 bis herab zu dem
Bauwerk 2 geführt, wo sich ggf. ein Wechselrichter,
Transformator, Schütze, Stromzähler etc. befindet
sowie die Übergabestelle zum Einspeisen des erzeugten Stroms
in das Stromnetz.
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Im
dargestellten Beispiel verläuft der unten über
den Rotor 9 überstehende Bereich der zentralen Achse 11 des
Rotors 9 innerhalb des Mastes 3; deshalb ist der
Außendurchmesser der Rotorachse 11 kleiner als
die lichte Öffnung in dem Mast 3. Es wäre aber
auch möglich, dass die Achse 11 hohl ausgebildet
ist und den Mast 3 umgibt; solchenfalls wäre der Innendurchmesser
der Rotorachse 11 größer zu wählen
als der Außendurchmesser des Mastes 3. In jedem
Fall erfolgt eine verdrehbare Lagerung zwischen dem feststehenden
Mast 3 und der rotierenden Rotorachse 11 mittels
Wälzlagern, insbesondere Kugellagern.
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Im
vorliegenden Beispiel verfügt der Rotor 9 über
zwölf Flügel 13, die über jeweils
zwei Streben 12 unter gleichen Zwischenwinkeln von jeweils
30° über den Umfang des Rotors 9 verteilt
getragen werden. Jeder Flügel 13 besteht aus einem
vertikalen Profil 14 mit konstantem Querschnitt, sowie
aus einem oberen und einem unteren Abschlußblech 15.
Das Profil 14 ist aus einem ebenen, rechteckigen Zuschnitt
gebildet, indem dieses parallel zu den beiden vertikalen Längskanten 16 einmal
gebogen ist, und zwar asymmetrisch, d. h., die Biegekante 17 ist
der radial innen liegenden Längskante 16 des Flügels 13 näher
als der radial weiter außen liegenden Längskante 16.
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Da
jedes Flügelblatt 13 zwei Hauptflächen aufweist,
entstehen durch die Biegung geichzeitig zwei verschieden große
Winkel: Während ein Winkel größer ist
als 180°, ist der andere kleiner als 180°. Diejenige
Hauptfläche, an der sich infolge der Biegung ein Winkel
von mehr als 180° ergibt, soll als konvexe Hauptfläche 18 bezeichnet
werden, die andere als konkave Hauptfläche 19.
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Der
Biegung an der Biegekante 17 liegt in der Größenordnung
von 90°, so dass der Biegewinkel an der konkaven Hauptfläche 19 etwa
ebenso groß ist; er beträgt vorzugsweise mehr
als 60°, insbesondere mehr als 75°, und ist andererseits
kleiner als 150°, vorzugsweise kleiner als 135°,
insbesondere kleiner als 120°.
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Die
beiden Abschlußbleche 15 am oberen und unteren
Ende eines Flügels 13 haben jeweils identische
Gestalt. Sie sind jeweils dreieckig, wobei ein Innenwinkel dieses
Dreiecks dem Biegewinkel an der konkaven Hauptfläche 19 eines
Flügels 13 entspricht. Jeweils eine der Längen
der beiden daran jeweils angrenzenden Dreiecksseiten entspricht
jeweils einem der beiden Abstände der Biegekante 17 zu
den beiden Längskanten 16 des Flügels 13;
die dritte Dreiecksseite 20 hat die selbe Länge
wie der Abstand zwischen den beiden Längskanten 16 des Flügels 13.
Diese beiden Abschlußbleche 15 sind als jeweiliger
Abschluß an den beiden Enden der Flügel 13 angesetzt,
vergleichbar mit den Seitenwangen einer Baggerschaufel, derart,
dass jeweils eine Dreiecksseite 20 in einer gemeinsamen
Ebene mit den beiden Längskanten 16 des Flügelprofils 14 liegt. Diese
vier Kanten 16, 20 eines Flügels 13 bilden
eine ebene Berandungslinie, welche eine Öffnung bzw. Mündung
der muldenförmigen, konkaven Hauptfläche 19 des
Flügels 13 umläuft. Jeweils zwei Streben 12 sind
derart mit je einem solchen Flügel 13 verbunden,
dass sie jeweils mit der als Öffnungskante dienenden Dreiecksseite 20 eines
Abschlußblechs 15 fluchten; bspw. können
sie sich entlang dieser gesamten Dreiecksseite 20 erstrecken
und mit einer oder mehreren Schweißnähten und/oder
-punkten mit diesen verbunden sein. Trotz der Wahl des Wortes „Abschlußblech"
müssen diese Teile 15 natürlich nicht
aus Metall sein; sie könnten bspw. auch aus Kunststoff
bestehen und solchenfalls mit dem Flügelprofil 14 und/oder
den Streben 12 verklebt sein. Zur weiteren Erhöhung
der Stabilität können die einzelnen Flügel 13 miteinander
verbunden sein, bspw. mittels eines oder mehrerer, an der Peripherie
des Rotors 9 entlang laufender Stahldrähte 21.
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Der
tragende Bestandteil des Windleitkorbes 8 sind zwei ringförmige
Strömungsleitflächen 22, 23. Jede
dieser beiden Strömungsleitflächen 22, 23 verläuft
entlang der Mantelfläche eines flachen Kegelstumpfs, dessen Öffnungswinkel
in der Größenordnung von etwa 120° liegt.
Jede Strömungsleitfläche 22, 23 verfügt
daher über eine konvexe Oberfläche 24 und
eine konkave, hohlkegelige Oberfläche 25. Der
Innenumfang der beiden, deckungsgleichen Strömungsleitflächen 22, 23 entspricht
etwa dem Außenumfang des Rotors 9 bzw. ist etwas
größer als jener. Die beiden Strömungsleitflächen 22, 23 sind
vertikal übereinander angeordnet, jedoch derart orientiert,
dass ihre konvexen Oberflächen 24 einander zugekehrt
sind, ihre konkaven Oberflächen 25 dagegen einander
abgewandt.
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Zwischen
ihren beiden konvexen Oberflächen 24 sind die
beiden ringförmigen Strömungsleitflächen 22, 23 durch
eine Vielzahl von Windleitblechen 26, im vorliegenden Fall
sind es deren zwölf, miteinander verbunden. Jedes Windleitblech 26 hat zwei
vertikale Längskanten 27 und schließt
oben und unten nahtlos bzw. winddicht an die beiden ringförmigen
Strömungsleitflächen 22, 23 an.
Die radial innere Längskante 27 erstreckt sich
zwischen dem Innenumfang 28 der beiden ringförmigen
Strömungsleitflächen 22, 23,
die radial äußere Längskante 27 eines Windleitblechs 26 zwischen
den Außenumfangslinien 29 der beiden ringförmigen
Strömungsleitflächen 22, 23.
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Wie 6 zu
entnehmen ist, liegen die beiden Längskanten 27 eines
Windleitblechs 26 nicht in einer gemeinsamen Radialebene,
bezogen auf die Rotordrehachse 11, welche auch die Symmetrieachse
des Windleitkorbs 8 bildet, sondern sind bezüglich dieser
Achse um Zentrumswinkel von mehr als 30° = 360°/12
= 360°/m (m = Anzahl der Windleitbleche 26) gegeneinander
versetzt. Daher wird jede Ebene, welche radial bezüglich
der Dreh- bzw. Rotationsachse 11 verläuft, von
wenigstens zwei Windleitblechen 26 geschnitten oder wenigstens
berührt, der Wind findet keinen gerade gestreckten Strömungspfad
durch den Windleitkorb 8. Die Windleitbleche 26 sind
kontinuierlich gewölbt, und zwar stets in der selben Drehrichtung.
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Am
radial innen liegenden Randlinie 28 des unteren, ringförmigen
Strömungsleitblechs 23 ist eine Schürze 30 angesetzt.
Die Schürze 30 hat die Gestalt eines ringförmig
geschlossenen Kreiszylindermantels, der hinsichtlich seines Durchmessers der
inneren Randlinie 28 des unteren Strömungsleitblechs 23 entspricht.
Die Höhe der Schürze 30 entspricht etwa
der (vertikalen) Länge eines Flügels 13 des
Rotors 9 und/oder dem vorzugsweise damit identischen Abstand
zwischen den beiden inneren Umfangslinien 13 der beiden
ringförmigen Strömungsleitflächen 22, 23.
Diese beiden Strömungsleitflächen 22, 23 samt
den dazwischen verlaufenden Windleitblechen 26 und der
Schürze 30 bildet den in sich starren Windleitkorb 8.
Wie der Rotor 9 bzw. dessen Flügel 13,
so muß auch der Windleitkorb 8 nicht aus Metall
bestehen, obwohl dies vorteilhaft erscheint; verschiedene oder alle
Strömungsleitflächen 22, 23, 26, 30 könnten
evtl. auch aus Kunststoff gefertigt sein.
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Die
Abstützung dieses Windleitkorbes 8 gegenüber
dem Mast 3 erfolgt mittels zwei Stützringen 31,
welche den Mast 3 außen umgreifen. Der obere der
beiden Stützringe 31 befindet sich etwa auf Höhe der
Unterkante 32 der Schürze 30 und ist über
mehrere, speichenfömige Streben 33 mit dem unteren Bereich
der Schürze 30 verbunden. Von dem unteren Stützring 31 verlaufen
mehrere Stützen 34 schräg nach oben auswärts
und stützen verschiedene Bereiche des Windleitkorbs 8 und
oder die oberen, speichenförmigen Streben 33 ab.
infolge dieser schräg verlaufenden Stützen 34 bildet
der Windleitkorb 8 zusammen mit den Stützringen 31 eine
in sich starre, in höchstem Maß stabile Anordnung,
die auch bei hohen Windstärken fest auf dem am Boden verankerten Mast 3 gehalten
wird.
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Allerdings
ist der Windleitkorb 8 nicht vollkommen starr mit dem Mast 3 verbunden,
sondern diesem gegenüber in vertikaler Richtung verstellbar, jedoch
unverdrehbar. Die vertikale Verschiebbarkeit wird dadurch erreicht,
dass die beiden Stützringe 31 gegenüber
dem Mast 3 verschiebbar sind, während eine verdrehfeste
Kopplung bspw. dadurch erreicht wird, dass am Mast 3 eine
oder mehrere axiale bzw. vertikale Federn angesetzt sind, mit denen
nutförmige Ausnehmungen an der Innenseite der Stützringe 31 korrespondieren.
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Eine
definierte Verstellung wird erreicht, indem an dem unteren Stützring 31 eine
Platte 35 festgelegt ist, welche den Mast 3 ebenfalls
umgibt, jedoch wenigstens eine, im vorliegenden Fall zwei einander
diametral gegenüberliegende Auswölbungen 36 aufweist,
bspw. nach Art einer Nockenscheibe. Im Bereich jeder Auswölbung 36 befindet
sich jeweils eine durchgehende Innengewindebohrung 37.
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In
diese Innengewindebohrungen 37 ist jeweils eine Gewindespindel 38 eingeschraubt,
die bei Bedarf von einem am Mast 3 verankerten (gemeinsamen)
Antrieb 39 in eine ggf. gemeinsame, d. h. synchrone Drehbewegung
versetzt wird. Indem sich dabei die Spindeln 38 in die
Bohrungen 37 der Platte 35 hinein- oder aus denselben
herausschrauben, ziehen oder drücken sie den unteren Stützring 31 nach
oben oder unten. Die Spindeln 38 können ggf. auch
bis zur maximalen Höhe des oberen Stützrings 31 verlängert und
in eine dortige, identisch ausgebildete Platte einschraubbar sein,
so dass die beiden Stützringe 31 gleichermaßen
herauf- oder herabgefahren werden. Durch Stillsetzen des Antriebs 39 und/oder
durch eine zusätzliche Bremse können die Stützringe 31 in einer
angefahrenen Vertikalposition stillgesetzt werden.
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Indem
der Windleitkorb 8 mittels des Antriebs 39 angehoben
oder abgesenkt werden kann, läßt sich wahlweise
dessen oberer Bereich, bestehend aus den beiden ringförmigen
Strömungsleitblechen 22, 23 und der dazwischen
angeordneten Windleitblechen 26, oder der untere Bereich,
bestehend aus der Schürze 30, auf die Höhe
des Rotors 9 einstellen.
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Im
abgesenkten Zustand leiten die Strömungs- und Windleitbleche 22, 23, 26 den
Wind zu den Rotorflübeln 13 – der Rotor 9 wird
angetrieben, und im Generator wird Strom erzeugt. Dies ist der Arbeitszustand
bei mäßigem Wind.
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Im
maximal angehobenen Zustand werden die Flügel 13 des
Rotors 9 vollständig von der Schürze 30 umgeben,
der Wind wird von den Rotorflügeln 13 komplett ferngehalten,
der Rotor 9 steht still und kann ggf. noch zusätzlich
durch eine Bremse, die bspw. im Bereich der Generatorkanzel 7 angeordnet sein
kann, arretiert werden. Dies ist die Sicherheitsarretierung bei
Sturm.
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Zwischen
Arbeitszustand (maximal abgesenktem Windleitkorb 8) und
Sicherheitsarretierung (maximal angehobener Windleitkorb 8)
sind beliebige Zwischenpositionen, d. h. unterschiedliche Hubeinstellungen
des Windleitkorbs 8, möglich, so dass je nach
Windstärke die anströmende Luftmenge kontinuierlich
verstellt werden kann. Mit dieser Verstellfunktion kann eine windgeschwindigkeitsabhängige Regelung
erfolgen, bspw. mit dem Ziel, die Rotordrehzahl möglichst
konstant zu halten und daher für eine möglichst
konstante Spannung am Generatorausgang zu sorgen.
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In
den 7 und 8 ist ein Rotor 9' mit
einer abgewandelten Struktur wiedergegeben. Die Flügel 13 sowie
die zentrale Rotorachse 11 sind identisch mit dem Rotor 9 aus 2 und 3 ausgebildet;
unterschiedlich ist nur die Verbindung zwischen Flügeln 13 und
zentraler Achse 11.
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Hierbei
ist an der Achse 11 – etwa auf halber Höhe
des Rotors 9' – ein ringförmiges Element 40 festgelegt,
bspw. nach Art eines Rades mit Speichen an der Achse 11 unverdrehbar
fixiert. Es ist auch möglich, das Element 40 als
Kreisscheibe auszuführen mit einem Loch in der Mitte zum
Hindurchstecken der Rotorachse 11, wobei eine Verankerung
bspw. durch Verschweißen stattfinden kann oder mittels des
bekannten Nut- und Federprinzips. Auch eine spindelförmige
Konstruktion wäre denkbar. Jedenfalls sollte das ringförmige
Element 40 einen deutlich größeren Durchmesser
aufweisen als der Mast 3. Bewährt hat sich eine
Bemessung etwa im Bereich von einem Viertel des Rotordurchmessers
bis etwa zu dessen Hälfte, bevorzugt etwa ein Drittel.
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Vom
Umfang des ringförmigen Elements 40 verlaufen
Streben 41 zu den Flügeln 13 des Rotors 9, allerdings
nicht horizontal, sondern jeweils aufwärts und abwärts
geneigt zu den Enden 15 der Flügel 13. Außerdem
verlaufen die Streben 41 nicht entlang von Radialebenen,
sondern haben auch eine Tangentialkomponente. Jede Strebe 41 hat
also nicht eine reine Radialrichtung, sondern zusätzlich
eine Axial- und eine Tangentialkomponente, ähnlich der
Speichen eines Fahrrades. Im vorliegenden Beispiel ist jeder Flügel 13 über
insgesamt vier Streben 41 mit dem ringförmigen
Element 40 verbunden. Davon verlaufen zwei Streben 41 vom
oberen Ende 15 des Flügels 13 zu jeweils
unterschiedlichen Umfangsabschnitten des ringförmigen Elements 40 und
sind dort, um jeweils etwa 60° gegeneinander versetzt,
befestigt. Von diesen Befestigungspunkten läuft sodann
je eine weitere Strebe 41 zum unteren Ende 15 des
betreffenden Flügels 13.
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Um
den Ring 40 von vertikalen Gewichtskräften zu
entlasten, kann außerdem pro Flügel 13 jeweils
eine weitere Strebe 42 vorgesehen sein, die von dessen
oberen Ende 15 zum oberen Ende 43 der zentralen
Achse 11 verläuft und dort befestigt ist. Vorzugsweise
verlaufen die Streben 42 dabei von dem Flügel 13 zur
Achse 11 hin schräg nach oben ansteigend, so dass
die betreffende Strebe 42 vor allem auf Zug belastet ist
und weniger auf Biegung.
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Eine
Vorrichtung mit einer der Windkraftanlage 1 ähnlichen
Struktur kann auch zur Energiegewinnung aus Wasserkraft verwendet
werden. Eine erfindungsgemäße Wasserkraftanlage
kann dabei sowohl in unidirektionalen Strömungen betrieben
werden, bspw. in Flüssen, als auch auf offener See, wo
die (Gezeiten-)Strömung regelmäßig ihre
Richtung wechselt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19623055
A1 [0002, 0005]