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Die
Erfindung betrifft eine zur Montage auf einem Dach geeignete Windkraftanlage,
mit einer Turbine.
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Aus
der
DE 10 2004 041 281 ist
eine Windkraftanlage mit einer Turbine in Form von einem Vertikalrotor
bekannt. Nachteilig an dieser Windkraftanlage ist, dass sie nur
die Energie derjenigen Luftströmung umwandeln kann, die
direkt auf den vertikalen Rotor zuströmt.
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Aus
der
DE 20 2006
017 489 U1 ist ein Vertikalrotor bekannt, der einen Trichter
besitzt, um zuströmende Luft auf dem vertikalen Rotor zu
fokussieren. Nachteilig an diesem Vertikalrotor ist, dass er sperrig
und damit aufwändig zu fertigen ist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Windkraftanlage zur Montage
auf einem Dach anzugeben, die einen erhöhten Wirkungsgrad
besitzt.
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Die
Erfindung löst das Problem durch eine Windkraftanlage für
ein Dach, mit einer Turbine und einer Leitvorrichtung zum Leiten
von Luft, die entlang des Daches nach oben strömt, auf
die Turbine zu.
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Vorteilhaft
an der Erfindung ist, dass sich der Wind erheblich effektiver als
bisher zur Stromgewinnung ausnutzen lässt. Vorteilhaft
ist auch, dass die Windkraftanlage so gebaut werden kann, dass sie nur
sehr geringe Geräusche produziert. Die Windkraftanlage
ist daher auch für Wohngebiete geeignet.
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Vorteilhaft
ist zudem, dass die Windkraftanlage so ausgebildet werden kann,
dass sie auch bei Orkan nicht abgeschaltet werden muss. Es ist ein weiterer
Vorteil, dass die Windkraftanlage besonders einfach herzustellen
ist. So ist beispielsweise eine Vorrichtung zum Verstellen des Anstellwinkels
von Rotorblättern der Turbine möglich, aber entbehrlich. Es
ergibt sich so ein sehr wartungsarmes System.
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Da
die Turbine als Vertikalrotor ausgebildet sein kann, erscheint sie
optisch sehr klein, so dass im Wesentlichen keine optische Umweltverschmutzung entsteht.
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Die
Windkraftanlage kommt zudem ohne geräuschintensive Verspannung
aus, da sie als freitragendes System aufgebaut werden kann.
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Die
erfindungsgemäße Windkraftanlage ist vorzugsweise
dazu ausgebildet, auf einem Dach montiert zu werden. Es ist aber
auch möglich, dass die Windkraftanlage auf einer beliebigen
anderen Vorrichtung montiert ist, beispielsweise auf einem Berg
oder Ähnlichem. Das Dach kann zudem über Aufbauten
verfügen, die der Montage der Windkraftanlage dienen und
für die vorliegende Beschreibung als Teil des Dachs angesehen
werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Turbine mindestens
ein Rotorblatt, wobei das mindestens eine Rotorblatt angeordnet
ist, um von unten von der Luft angeströmt zu werden. Insbesondere
umfasst die Turbine drei Rotorblätter, die in einer im
Wesentlichen horizontal verlaufenden Ebene rotieren können.
Unter dem Merkmal, dass die Ebene im Wesentlichen horizontal verläuft,
wird insbesondere verstanden, dass es möglich, nicht aber notwendig
ist, dass die Ebene streng horizontal verläuft. Abweichungen
von beispielsweise 10° sind möglich. Insbesondere
weist die Turbine eine im Wesentlichen vertikal verlaufende Drehachse
auf. Diese Drehachse ist in einem Fuß gelagert, der beispielsweise
mit dem Dach fest verbunden ist.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform umfasst die Turbine zudem mindestens
ein Flügelelement, das ausgebildet ist, um seitlich angeströmt
zu werden. Während also das mindestens eine Rotorblatt
von unten angeströmt wird, ist das mindestens eine Flügelelement
so ausgebildet, dass es von seitlich verlaufendem Wind angeströmt
wird. Die Turbine könnte in dieser Ausführungsform
also sowohl als Vertikalrotor als auch als liegender Horizontalrotor bezeichnet
werden. Das Flügelelement ist bevorzugt ebenfalls an der
Drehachse befestigt. Sobald Wind weht, wird Luft durch die Leitvorrichtung
nach oben auf die Turbine zugeleitet und in Drehung versetzt. Gleichzeitig
wird die Turbine durch den Wind von der Seite angeströmt,
so dass ein zusätzliches Antriebsmoment erzeugt wird. Auf
diese Weise wird auch verhindert, dass die Flügelelemente
so zum Wind orientiert sind, dass die Turbine nicht anläuft.
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Ein
unabhängiger Gegenstand der Erfindung ist eine Windkraftanlage
für ein Dach, mit einer Turbine, wobei die Turbine um eine
im Wesentlichen vertikale Drehachse drehbar gelagert ist und wobei
die Turbine zumindest ein schneckenförmiges Flügelelement
umfasst. Die im Folgenden gemachten Aussagen zum Flügelelement
beziehen sich sowohl auf eine Ausgestaltung dieser Erfindung als
auch auf eine Ausgestaltung der eingangs genannten Erfindung.
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Besonders
bevorzugt ist das Flügelelement schneckenförmig
bezüglich der Drehachse ausgebildet. Das hat zur Folge,
dass ein von dem Dach aufzufangendes Kippmoment der Windkraftanlage
reduziert wird. Die Windangriffsfläche des schneckenförmigen
Flügelelements sinkt nämlich mit zunehmendem Abstand
vom Fuß der Windkraftanlage. Weit vom Fuß beabstandet
angreifende Luftströmungen führen damit zu einem
kleineren aufzufangenden Kippmoment als nahe beim Fuß angreifende
Luftströmungen.
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Besonders
bevorzugt weist die Turbine zwei oder drei schneckenförmige
Flügelelemente auf, die rotationssymmetrisch bezüglich
der Drehachse angeord net sind. Es ist zwar möglich, dass
vier oder mehr steckenförmige Flügelelemente vorhanden sind,
zwei bzw. drei Flügelelemente stellen jedoch einen sehr
guten Kompromiss zwischen der möglichen Windausbeute einerseits
und den Herstellungskosten andererseits dar.
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Wenn
die Turbine drei oder vier Flügelelemente aufweist, so
bilden diese in einer vorgegebenen Höhe entlang der Drehachse
eine radial geschlossene Fläche. In anderen Worten wachsen
die Flügelelemente nach oben in eine geschlossene Mantelfläche
zusammen. So wird verhindert, dass nach oben strömende
Luft radial auswärts strömt. Es resultiert ein
Bernoulli-Effekt, der zu einem zusätzlichen Drehmoment
führt. Nach oben ist diese Anordnung geöffnet,
so dass die Luft nach oben entweichen kann.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass an dem
mindestens einen Flügelelement zumindest ein Außenflügel
zum Erzeugen einer radial einwärts gerichteten Kraft angebracht
ist. Wenn die Turbine im Wind rotiert, entstehen Fliehkräfte,
die auf die Flügelelemente wirken. Der zumindest eine Außenflügel
wirkt dieser Zentrifugalkraft entgegen, so dass die Windkraftanlage
hinsichtlich der Zentrifugalkräfte bauartbedingt keine höchste
Drehzahl aufweist, sondern bei im Prinzip beliebig hohen Windgeschwindigkeiten
betrieben werden kann.
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Bevorzugt
verläuft die Leitvorrichtung zumindest abschnittsweise
entlang eines Dachgrats des Dachs. Der Dachgrat ist derjenige Abschnitt
des Dachs, an dem zwei oder mehr Dachflächen aufeinander
stoßen. Dadurch, dass die Leitvorrichtung zumindest abschnittsweise
entlang des Dachgrats verläuft, wird die gesamte Luftmenge,
die vom Wind auf die entsprechende Dachfläche zu bewegt
wird, konzentriert und auf die Turbine der Windkraftanlage zu geleitet.
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Besonders
bevorzugt weist die Leitvorrichtung einen Trichter auf, der an einem
First des Dachs angeordnet ist. Dieser ist vorzugsweise zumindest abschnitts weise
in einer Verlängerung einer Seitenleitvorrichtung angeordnet.
Diese Leitvorrichtung erstreckt sich beispielsweise entlang eines
Dachgrats. Wind, der auf die Dachfläche trifft, wird zunächst
von der Seitenleitvorrichtung daran gehindert, seitlich vom Dach
abzuströmen und wird stattdessen nach oben geleitet. Von
dort gelangt die Luft in den Trichter, die den Luftstrom weiter
konzentriert und auf die Turbine zu leitet.
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Bevorzugt
weist der Trichter zumindest eine Lufteinlassöffnung auf,
so dass zusätzlich Luft in den Trichter einströmen
kann.
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Um
an der Dachfläche nach oben strömende Luft zu
leiten und gezielt Verwirbelungen einzubringen, ist gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass die Leitvorrichtung
zumindest einen Leitflügel auf dem Dach umfasst, der sich
im Wesentlichen parallel zum Dach erstreckt. So wird die zunächst
laminare Windströmung verwirbelt und so der Wind effektiv
auf den Trichter zu geleitet.
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Herkömmliche
Windkraftanlagen haben den Nachteil, dass sie dann, wenn die Sonne
scheint, zu einem höchst unerwünschten Stroboskopeffekt
führen, was in Gegenden mit Wohnbebauung nicht akzeptabel
ist. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
ist daher vorgesehen, dass die Turbine als Impeller ausgebildet
ist.
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Bei
einem erfindungsgemäßen Haus weist das Dach bevorzugt
zumindest zwei Dachflächen auf, wobei an zumindest zwei
der Dachflächen eine Seitenleitvorrichtung zum Leiten von
Luft, die entlang des Dachs nach oben strömt, vorgesehen
ist, so dass der Wind von zumindest zwei Seiten wehen kann, um die
Turbine anzutreiben.
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In
anderen Worten liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, dass
die Oberflächenform einer Dachdeckung mit Hilfe zusätzlicher
Bauteile zu einem Kon zentrator für Wind werden kann. Auf
diese Weise kann die Turbine kleiner ausgelegt werden und trotzdem
eine beträchtliche Menge Energie produzieren. Dadurch wird
eine dezentrale Energiegewinnung ermöglicht, die zum Umweltschutz
und zur CO2-Reduzierung beiträgt.
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Der
Einsatz der Leitvorrichtung, die in einer Ausführungsform
auch als Turbotrichter bezeichnet werden könnte, führt
dazu, dass die Turbine bereits bei Windgeschwindigkeiten ab cirka
0,5 m/sec Strom erzeugen kann. Genutzt wird insbesondere der Bernoulli-Effekt.
Die Leitflügel stellen eine Lösung des Staudruckproblems
der einströmenden Luft dar. Durch die Erfindung können
Dächer, anders als bisher, nicht nur zum Schutz gegen Wetter,
sondern auch zur Energiegewinnung eingesetzt werden.
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Werden
zusätzlich die schneckenförmigen Flügelelemente
eingesetzt, so ergänzen sich mehrere physikalische Wirksamkeitsprinzipien
effektiv und die Windgeschwindigkeiten, bei denen effektiv Strom erzeugt
werden kann, reichen von sehr niedrigen bis zu sehr hohen Windgeschwindigkeiten.
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Die
erfindungsgemäße Windkraftanlage kann mehrere
Effekte nutzen, nämlich den Turboeffekt (Bernoulli-Effekt)
durch den eingesetzten Turbotrichter oder mittels veränderter
Dacheindeckung bei Neudächern den dynamischen Hangaufwind
und die Druckdifferenz zwischen Luv- und Leeseite eines Daches.
Die Luft, die die waagerechten Rotorblätter verlässt,
trägt zudem zusätzlich zum Antrieb an den schneckenförmigen
Flügelelementen bei. Die Außenflügel,
die als angesetzte Flügel ausgebildet sein können,
beschleunigen die Rotation, indem sie den scheinbaren Wind nutzen,
der aus Fahrtwind und wahrem Wind resultiert.
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Die
erfindungsgemäße Windkraftanlage arbeitet unabhängig
von der Windrichtung und kann modular betrieben werden, das heißt
dass mehrere Windkraftanlagen pro Dach vorgesehen sein können.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand eines exemplarischen Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Dabei zeigt
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1 eine
schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Hauses
mit einer erfindungsgemäßen Windkraftanlage,
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2 eine
Ansicht von oben auf die Windkraftanlage,
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3 eine
Seitenansicht des Hauses gemäß 2 und
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4 ein
schneckenförmiges Flügelelement einer bevorzugten
Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Windkraftanlage.
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1 zeigt
eine erfindungsgemäße Windkraftanlage 10 mit
einer Turbine 12 und einer Leitvorrichtung 14 zum
Leiten von Luft, die entlang eines Daches 16 eines Hauses 18 nach
oben auf die Turbine 12 strömt.
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Die
Leitvorrichtung 14 umfasst eine erste Seitenleitvorrichtung 20.1,
die sich entlang eines ersten Dachgrats 22.1 erstreckt,
eine zweite Seitenleitvorrichtung 20.2, die sich entlang
eines zweiten Dachgrats 22.2 erstreckt, einen Trichter 24,
der auch als Turbotrichter bezeichnet werden könnte, und
Leitflügel 26.1, 26.2. Der Trichter 24 ist
in Verlängerung der Seitenleitvorrichtungen 20.1, 20.2 angeordnet. Luft 28,
die auf das Dach 16 zuströmt, wird durch die Seitenleitvorrichtung 20.1, 20.2 daran
gehindert, zur Seite hin auszuweichen. Sie wird damit auf den Trichter 24 zu
geleitet.
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Der
Trichter 24 besitzt eine der Turbine 12 zugewandte Öffnung 30,
durch die die Luft 28 mit einer vertikalen Komponente die
Turbine 12 von unten nach oben durchströmt. Durch
Lufteinlassöffnungen 32.1, 32.2 kann
zusätzlich Luft in den Trichter 24 gelangen.
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Auf
dem Weg zum Trichter 24 wird die Luft 28 durch
den Leitflügel 26.1, 26.2 geführt,
so dass Verwirbelungen vermieden werden. Die Leitflügel 26.1, 26.2 sind
durch Stützen 34.1 bzw. 34.2 am Dach 16 befestigt.
Die Turbine 12 besitzt eine Drehachse 36, die
im Wesentlichen vertikal verläuft und in einem Fuß 38 drehbar
am Dach 16 befestigt ist. Wird die Turbine 12 von
der Luft 28 von unten angeströmt, so versetzen
drei Rotorblätter 40.1, 40.2, 40.3 die Turbine
in Drehung.
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Die
Turbine 12 umfasst zudem drei Flügelelemente 42,
von denen in 1 nur das Flügelelement 42.1 eingezeichnet
ist. Bezugszeichen ohne Zählsuffix bezeichnen das Objekt
als solches. Das Flügelelement 42.1 ist schneckenförmig
bezüglich der Drehachse ausgebildet und verjüngt
sich nach oben. Die äußere Form des Flügelelements 42 ist
an der Drehachse 36 befestigt und so geformt, dass ein seitlicher,
beispielsweise horizontal wehender Wind die Drehachse 36 gegebenenfalls
in Bewegung versetzt.
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Die
Rotorblätter 40 und ein Teil der Flügelelemente 42 sind
von einem ringförmigen Gehäuse 44 umgeben,
so dass die Turbine zumindest in ihrem Abschnitt, in dem sie die
Rotorblätter 40 aufweist, als Impeller ausgebildet
ist.
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2 zeigt
die Windkraftanlage 10 von oben. Es sind die Flügelelemente 42.1, 42.2,
und 42.3 zu erkennen, die rotationssymmetrisch um die Drehachse 36 angeordnet
sind. An jedem der Flügelelemente 42.1, 42.2, 42.3 ist
zumindest ein Außenflügel 46.1, 46.2 bzw. 46.3 angeordnet,
der so konturiert ist, dass er dann, wenn die Turbine 12 sich
dreht, eine radial einwärts wirkende Kraft erzeugt.
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3 zeigt
eine Seitenansicht des Hauses aus 2. In 3 sind
zwei Flügelelemente 22.1, 22.2 der Turbine 12 zu
erkennen. Von dem Dritten Flügelelement 42.3 ist
nur derjenige Teil nicht sichtbar, der von den beiden ande ren Flügelelementen 22.1, 22.2 nicht
abgedeckt ist.
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4 zeigt
eine Detailansicht des Flügelelements 42.1, das
genauso aufgebaut ist wie die beiden anderen Flügelelemente 42.2 und 42.3.
Es ist zu erkennen, dass das Flügelelement 42.1 sich
nach oben verjüngt, schneckenförmig ausgebildet
ist und die Drehachse 36 helikal ergibt. Zu erkennen ist
zudem der Außenflügel 46.1, der dann,
wenn die Turbine sich dreht, die nach innen gerichtete Kraft F ausübt,
die der Fliehkraft Fflieh entgegenwirkt.
Da die Fliehkraft Fflieh und die nach innen
wirkende Kraft F beide in erster Näherung quadratisch von
einer Drehgeschwindigkeit ω der Drehachse abhängen,
kann der Außenflügel 46.1 so gestaltet
sein, dass die nach innen gerichtete Kraft F die Fliehkraft Fflieh der Geraden kompensiert.
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Der
Wind strömt vorbei an den Vorflügeln in Richtung
der trichterförmigen Öffnung (Turbotrichter) 24.
Die profilierten Vorflügel 26 dienen dazu, den
einströmenden Luftstrom zu „brechen” und
in gebündelter Art und Weise in Form von „Wirbelschleppen” in die
trichterförmige Öffnung 30 einzusaugen.
Durch die obenauf befindlichen, quer liegenden zusätzlichen
großen Lufteinlässe 32 kann weitere Luftströmung
eindringen, die sich mit dem von unten aufströmenden Windstrom
ergänzt und addiert (Nutzung dynamischer Hangaufwind).
Diese Luftströmung wird nach oben hin komprimiert, gewinnt
deutlich an Geschwindigkeit mittels des Venturi-Rohr-Prinzips und wird
dann zu der obenauf liegendem waagerechten Turbine 12 gelenkt,
an der die erste Bewegungsenergie gewonnen wird. Die Turbine 12 ist
mit einer Karkasse umgeben zur Lenkung des ausströmenden Windes,
aber auch um die entstehende Geräuschentwicklung in der
Turbine zu dämmen.
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Dieser
Turbotrichter 24 oder die veränderte Dachform-Konstruktion
dient dazu, schwachen einströmenden Wind zu verwertungsfähigen
Windstärken zu beschleunigen, um damit Stromgewinnung schon
mit geringen Windstärken möglich zu machen und
um bei größeren Windstärken wesentlich
mehr Leistung zu erzielen. Diese Dachaufbauten werden in Größe
und Form und Menge der vorgefundenen Dachfläche angepasst
und auf allen Seiten installiert.
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Die
vorhandenen Dachgrate 22 werden mit Aufsätzen
in Form der Seitenleitvorrichtungen erhöht, um schon an
dieser Stelle den Wind in Richtung der Trichteröffnung
abzulenken. Es ist aber auch möglich, die Seitenleitvorrichtungen
abseits des Dachgrats auf der Dachfläche vorzusehen. Die äußere
und innere Form und die Größe des Turbotrichters 24,
der Dachgrate und der Öffnung können in Windkanal-Tests
optimiert sowie hinsichtlich Größe, Form und Aufteilung
der zusätzlichen Lufteinlassschächte sowie hinsichtlich
der Dachgegebenheiten wie Gauben, Fenster etc., angepasst werden.
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Günstig
ist die gleichzeitige Nutzung von Hangaufwinden auf Dächern
mittels des Turbo-Trichters 24 bei Ausnutzung des Bernoulli-Effektes
und Nutzung des sich am Dachfirst entwickelnden Unterdrucks durch
Luv und Lee. Es ist ferner günstig, dass die Dacheindeckung
nach dieser Grundidee zukünftig nach erfolgreichen Windkanaltest
und Weiterentwicklung bereits aus einer für die Energiegewinnung optimierten
Form gebaut werden kann, die sich an die hier beschriebenen Windkraftgewinnungsprinzipien
anlehnt.
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Die
aus der waagerecht angeordneten Turbine ausströmende Luft
wird in die obere Hälfte der darüber angeordneten
Turbinen Schnecke geleitet. Diese oben aufgesetzte Turbinenschnecke
wird nun angetrieben mit mehreren Wirksamkeitsprinzipien. Zum einen
wird die Abluft aus der darunter liegenden, waagerecht angeordneten
Turbine zugeleitet. Zudem wird die direkt anströmende Luft
von den drei im Kreis angeordneten Flügeln der Turbinenschnecke aufgenommen,
die im unteren Flügelbereich schaufelförmig ausgelegt
ist. Die Neigung der Schaufel entspricht jeweils dem Winkel der
Dachschräge bzw. der Form des Turbotrichters.
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Die
drei im Kreis angeordneten Flügelelemente 42 verwinden
und verschmä lern sich nach oben zu einer sich zuziehenden
Schnecke, wobei die Luft oben aus der Schnecke frei ausströmen
kann. Die Luft wird durch diese besondere Flügelform in
die sich nach oben zunächst schließende Schneckenform
gelenkt, beschleunigt in der Schneckenform und entweicht dann an
der Spitze. Ergänzt wird der Windstrom auf den Weg mit
der Abluft aus der waagerecht unten angeordneten Turbine. Beide
Windströme erreichen addiert in Verbindung mit der Schneckenform eine
deutlich höhere Rotationsgeschwindigkeit als bestehende
Vertikalrotatoren.
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Außen
an der Turbine 12 sind zusätzlich die vertikal
profilierte Außenflügel installiert, die sowohl Vortrieb
erzeugen, als auch den Fliehkräften durch ein negatives
Profil entgegenwirken. Durch Nutzung des scheinbaren Windes, eines
Resultierenden aus Fahrtwind und wahrem Wind, die bei der Rotation
der Turbinenschnecke entsteht, wird erreicht, dass die natürliche
höchste mögliche Rotationsgeschwindigkeit der
Turbinenschnecke ohne Flügel mittels des Einsatzes der
Flügel deutlich erhöht wird. Trotzdem benötigt
das System keine Bremse, wie es herkömmliche Windkraftanlagen
notwendig ist. Durch den Einsatz der Flügel wird diese
Umdrehungszahl nun deutlich gesteigert und das Ergebnis maximiert.
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- 10
- Windkraftanlage
- 12
- Turbine
- 14
- Leitvorrichtung
- 16
- Dach
- 18
- Haus
- 20
- Seitenleitvorrichtung
- 22
- Dachgrat
- 24
- Trichter
- 26
- Leitflügel
- 28
- Luft
- 30
- Öffnung
- 32
- Lufteinlassöffnung
- 34
- Stütze
- 36
- Drehachse
- 38
- Fuß
- 40
- Rotorblatt
- 42
- Flügelelement
- 44
- Gehäuse
- 46
- Außenflügel
- 48
- Dachfläche
- F
- Kraft
- ω
- Drehgeschwindigkeit
- Fflieh
- Fliehkraft
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102004041281 [0002]
- - DE 202006017489 U1 [0003]