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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Energiegewinnung aus Windkraft mit einer Windfang- und Windleiteinrichtung und einem Windkraftrotor.
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Die Vorrichtung gehört zum Gebiet der Windkraftmaschinen. Mittels der Windfang- und Windleiteinrichtung kann eine Windströmung aufgenommen werden und einem Windkraftrotor zugeführt werden, mittels dem aus der Windkraft nutzbare Energie gewonnen wird.
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Eine Windfangvorrichtung ist an sich bekannt. Bereits die alten Perser hatten massive, feststehende Vorrichtungen, die den Wind einfingen und auf rotierende Segel leiteten, allerdings nur in Richtung mit dem Wind. Die dem Wind abgewandte Seite des Rotors war abgeschirmt.
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Es sind Modelle von Windfang- und Windleiteinrichtung bekannt, bei denen durch eine Windfahne oder mittels zusätzlicher mit Hilfsenergie betriebener Stellvorrichtungen die gesamte Windfang- und Windleiteinrichtung ausgerichtet werden muss. Die massenbedingte Systemträgheit verhindert jedoch eine schnelle Reaktion auf wechselnde und böige Winde. Um die Vorrichtung bei starken Winden vor Zerstörung zu schützen, musste sie außerdem mit hohem technischem und energetischem Aufwand aus dem Wind genommen werden. Die hohe Störanfälligkeit und der geringe Wirkungsgrad verhinderten deshalb bisher eine praktische Umsetzung.
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Die bekannten freistehenden Windkraftanlagen dagegen sind nicht für die Nutzung der Windenergie in geringeren Höhen geeignet. Neben ihrer unpraktikablen Form und Größe sind sie nicht in der Lage, Turbulenzen und häufigere Richtungswechsel des Windes zu kompensieren. Die Turbulenzen führen vielmehr zu Störungen der Rotation und zu niedrigeren Winderträgen. Bei den freistehenden Windkraftanlagen kann außerdem eine Gefährdung von Lebewesen nicht ausgeschlossen werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen. Insbesondere soll die Vorrichtung es ermöglichen, Windkraft aus jeglicher Windrichtung einzufangen und effizienter für die Energiegewinnung nutzbar zu machen. Die Vorrichtung sollte möglichst platzsparend und leichtgängig sein und damit insbesondere Wind mit geringer Windgeschwindigkeit energetisch verwertbar zu machen. Die Vorrichtung sollte außerdem in der Lage sein, schnell auf Turbulenzen und wechselnde Winde zu reagieren. Hauptaugenmerk galt dabei auch der anlagentechnischen Umsetzung dieser Anforderungen.
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Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst, nämlich dadurch, dass die Windfang- und Windleiteinrichtung ein zylindrisches Gehäuse aufweist, welches eine Grundplatte und mehrere, drehbar gelagerte Gehäusesegmente aufweist, die eine kranzförmigen Teil der Mantelfläche des Gehäuses bilden und innerhalb des Gehäuses ein Windkraftrotor angeordnet ist, der um eine vertikal zur Grundplatte gerichtete Rotationsachse drehbar gelagert ist.
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Die Erfindung stellt eine Weiterentwicklung der Windfang- und Windleiteinrichtung dar, um die Windenergie effizienter zu nutzen. Die Erfindung kombiniert eine korbartige Windfang- und Windleiteinrichtung mit einem vertikal laufenden Windkraftrotor, der im Innenraum der Windfang- und Windleiteinrichtung aufgenommen ist, so dass dieser Windkraftrotor nach außen hin fast vollständig abgeschirmt ist und entsprechend seiner Windanströmfläche, mit ausreichend Wind in vertikaler Richtung versorgt wird.
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Die Erfindung betrifft im Einzelnen eine Windfang- und Windleiteinrichtung (kurz Windfang) mit einem vertikal laufenden Windkraftrotor, bei dem der Windfang aus einem zylindrischen Gehäuse mit einer Grundplatte und einzelnen, drehbar gelagerten Gehäusesegmenten besteht. In ihrer gemeinsamen Anordnung und Funktion bilden sie einen Teil der Mantelfläche des Zylinders und sind auf Grund dessen in der Lage, den Wind aus jeder seitlichen Richtung in das Gehäuse aufzunehmen und ihn in vertikaler Richtung – schräg oder senkrecht – auf einen integrierten, vertikal laufenden Windkraftrotor zu leiten.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen 2 bis 11, der nachfolgenden Beschreibung und den zugehörigen Zeichnungen hervor.
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Vorzugsweise weist der Windkraftrotor mindestens zwei Rotorblätter auf, die scheibenartig und leicht gewölbt geformt sind.
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Der Windfang kann fest mit einem Untergrund verbunden werden und braucht also nicht nach dem Wind ausgerichtet zu werden.
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Die Größe und Anzahl der Gehäusesegmente kann unterschiedlich sein.
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Vorzugsweise sind die beweglichen Gehäusesegmente derart ausgebildet, dass sie im geöffneten Zustand in Richtung der Rotationsachse des Windkraftrotors schwenken und im geschlossenen Zustand den kranzförmigen Teil der Mantelfläche des Zylinders bilden und bündig aneinander anschließen, so dass sie sich gegenseitig nicht berühren.
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Der Windfang weist je ein Begrenzungselement zur Begrenzung der Schenkbewegung jedes einzelnen Gehäusesegmentes auf. So schwenkt ein Teil der Gehäusesegmente unter seitlicher Windlast auf und hat eine den Windfang öffnende Funktion und ein Teil der Gehäusesegmente wird von dem jeweiligen Begrenzungselement gestoppt und hat eine den Windfang sperrende Funktion.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Begrenzungselement ein elastisches Zugband, das mit der Grundplatte und dem Gehäusesegment verbunden ist.
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Damit ist jedes einzelne Gehäusesegment der Vorrichtung in der Lage, entsprechend einer vorgegebenen Einstellung, sich selbsttätig und druckabhängig bei stärkeren Windgeschwindigkeiten zu öffnen und bei nachlassender Windgeschwindigkeit zu schließen.
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Die Summe der Querschnittsfläche der geöffneten Gehäusesegmente die bei Seitenwind den ungehinderten Lufteinlass gewährleisten, bilden eine Winddurchlassfläche des kranzförmigen Teils, die in etwa der Anströmfläche des vertikal laufenden Windkraftrotors entspricht.
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Die Vorrichtung zeichnet sich besonders dadurch aus, dass sie in der Lage ist, automatisch Wind aus allen Himmelsrichtungen aufzunehmen und vertikal weiterzuleiten. Die Vorrichtung ist so konstruiert, dass sie in ihrem Inneren einen geeigneten, vertikal laufenden Windkraftrotor mit den entsprechenden Antriebselementen vollständig aufnehmen kann. Die Drehrichtung des Windkraftrotors spielt dabei keine Rolle beide Drehrichtungen funktionieren in gleicher Weise. Der Windkraftrotor hat mindestens zwei, besser drei Rotorblätter, die zueinander im Winkel von 120° um die Rotornabe angeordnet sind. Durch die Abschirmung innerhalb des Windfangs ist der Windkraftrotor Turbulenzen und wechselnden Winden weniger ausgesetzt, als Rotoren freistehender Anlagen. Der integrierte Windkraftrotor ist konstruktiv so gestaltet, das er effizient die von der Windfang- und Windleiteinrichtung zugeführte Energie in Rotationsenergie umwandeln kann. Besonders effizient arbeitet ein Windkraftrotor, der scheibenförmige Rotorblätter mit einer gewölbten Oberfläche hat. Dieser Windkraftrotor ist für einen Einsatz in dieser Windfangvorrichtung besonders geeignet. Dem Windkraftrotor wird der Wind axial in Richtung der Rotationsachse direkt auf die scheibenförmige Fläche der Rotorblätter zugeführt. Die scheibenartigen Rotorblätter haben große Luftangriffsflächen und durch die gewölbte Form eine hohe Eigenstabilität. Die aerodynamisch geformte, flach gewölbte und abgeflachte Rückseite der Rotorblätter und eine zur Rotationsachse leicht geneigte Anordnung der Rotorblätter erzeugt einen geringen Luftwiderstand.
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Bei höheren Windgeschwindigkeiten können sich die Gehäusesegmente der Windfang- und Windleiteinrichtung, welche gerade die Aufgabe des Sperrens haben, trotzdem öffnen und bei nachlassendem Starkwind wieder schließen. Ereicht wird das durch elastische Zugbänder, die bis zu einem bestimmten, vordefinierten Winddruck auf die Segmentfläche das gerade sperrende Gehäusesegment geschlossen halten und bei zunehmenden Winddruck sich dehnen und nachgeben, wodurch sich die sperrenden Gehäusesegmente öffnen und so den Starkwind passieren lassen. Damit wird eine integrierte Sturmsicherung realisiert, so dass gesonderte Sturmsicherungsmaßnahmen entbehrlich sind.
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Weitere Vorteile dieser Erfindung
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Die Vorrichtung kann Wind aus allen Himmelsrichtungen, auch thermische Strömungen von schräg unten, aufnehmen und die Energie auf einen vertikalen Windkraftrotor übertragen.
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Die Vorrichtung mit dem integrierten Windkraftrotor braucht nicht nach dem Winde ausgerichtet zu werden. Sie ist selbsttätig arbeitend und damit sehr universell einsetzbar.
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Die Vorrichtung eignet sich vor allem für den Einsatz in geringeren Höhen und bei niedrigen bis mittleren Windgeschwindigkeiten, so dass sie auf Dächern von Wohn- oder Industriegebäuden, aber auch zur Aufstellung auf Freiflächen in geringerer Höhe oder auf beweglichen Objekten, wie Schiffe oder Fahrzeugen, eingesetzt werden kann.
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Auf das Aufstellen eines Mastes und die damit verbundenen statischen Berechnungen kann verzichtet werden.
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Die Vorrichtung ist so beschaffen, dass sie auch hohen Windgeschwindigkeiten standhält, insbesondere weil jedes einzelne Gehäusesegment für sich eine kleine Windangriffsfläche aufweist und leichtgängig drehbar gelagert ist. Sind die Gehäusesegmente außerdem besonders leicht beschaffen, stellen sie bei einem eventuellen Herausbrechen aus der Verankerung und Umherfliegen keine Verletzungsgefahr für Menschen dar.
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Die einzelnen Gehäusesegmente können einzeln und unabhängig voneinander nachgeben, teilen dadurch bei Starkwind oder böigem Wind den stark ansteigenden Innendruck auf und verhindern so eine extreme Zunahme der Windlast auf die Vorrichtung.
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Die gerade sperrenden Gehäusesegmente der Vorrichtung sind entsprechend einer vorzugebenden Einstellung in der Lage sich automatisch und druckabhängig bei stärkerer Windlast zu öffnen und bei wieder nachlassender Windlast zu schließen, womit intern eine Sturmsicherung realisiert ist.
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Das Anwendungsgebiet erstreckt sich von der dezentralen Stromversorgung für Wohnhäuser und Industriegebäude, über die Stromerzeugung für Brauchwassererwärmungsanlagen und zur Heizungsunterstützung, zur Ladung von Akkumulatoren, zum Betreiben von Pumpen bis hin zur Nutzung für Schiffs- oder Fahrzeugantriebe.
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Der Windkraftrotor ist durch den gebildeten Kranz der Gehäusesegmente des Windfangs von der Umgebung abgeschirmt, was dafür sorgt, dass Vögel und andere Lebewesen, vor allem auch Menschen, nicht gefährdet werden und auch sein Laufgeräusch gut gedämpft wird.
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Turbulenzen und kleinere Böen werden zum Teil vom Windfang abgefangen und der negative Einfluss auf den Windkraftrotor abgemildert.
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Design, Formgebung und Farbe der Gehäusesegmente können auch zu einer freundlicheren Gestaltung des Umfeldes beitragen.
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Diese Erfindung erschließt durch die Nutzung der Windkraft eine regenerative Energiequelle, die den Ersatz fossiler Energieträger ermöglicht und leistet damit einen Beitrag zur Reduzierung der CO2-Emissionen.
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Einzelne Teile der Vorrichtung können aus nachwachsenden Rohstoffen, wie Holz oder Stoff, hergestellt werden, insbesondere Teile der Gehäusesegmente.
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Die Vorrichtung kann sowohl zur Stromerzeugung (bei Anschluss eines Generators), zur Ladung von Akkumulatoren, als Arbeitsmaschine oder zum Antrieb von Schiffen, Fahrzeugen oder Pumpen verwendet werden.
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Bei einer entsprechender wassertauglichen Ausführung kann die Vorrichtung auch zur Aufnahme der Strömungsenergie von wechselnden Meeresströmungen dienen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen in einer schematischen Darstellung in
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1 eine perspektivische Ansicht einer Windfang- und Windleiteinrichtung (kurz Windfang),
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2 eine perspektivische Ansicht des Windfangs anch 1 mit einem integrierten Windkraftrotor und in
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3 eine Detailansicht des Windkraftrotors nach 2.
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Die Vorrichtung besteht aus einem Windfang mit achtzehn Gehäusesegmenten, von denen jedes eine eigene Drehachse hat und die jeweils in einem Winkel von je 20° um den Umfang einer runden Grundplatte angeordnet sind. Die achtzehn Gehäusesegmente bilden in Schließstellung den Kranz als Teil der Mantelfläche des zylindrischen Gehäuses. Die Drehachsen der Gehäusesegmente sind unten mit der Grundplatte und oben mit einer Ringplatte fest verbunden. Die Gehäusesegmente selbst weisen eine geringe Materialstärke auf und sind sehr leicht. An einer Längsseite des Gehäusesegmentes ist jeweils ein dünnes Führungsrohr, durch das die Drehachse durchgeführt wird, befestigt. Die Gehäusesegmente können sich unter normalen Windbedingungen nur in das Innere der Vorrichtung hinein bewegen. Das heißt, die Drehachsen bilden in der geöffneten Stellung der Gehäusesegmente die äußere Begrenzung des Kranzes. In einer an den Außendurchmesser des Kranzes ausgerichteten Schließstellung berühren sich die Gehäusesegmente nicht. Damit wird eine einwandfreie Funktionsweise vor allem auch bei schnell wechselnden Winden oder Turbulenzen gewährleistet. Die Gehäusesegmente können durch feste Begrenzungselemente, wie z. B. durch Anschläge, am Aufklappen nach außen gehindert werden. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel sind sie jedoch mit flexiblen Begrenzungselementen, wie z. B. durch Gummibänder, ausgestattet. Jedes Gehäusesegment wird durch ein elastisches Gummiband gehalten, das nur ein geringfügiges Aufklappen nach außen erlaubt. Die Gehäusesegmente sind somit in der Lage, entsprechend der vorgegebenen Einstellung des Gummibandes, sich bei stärkeren Windgeschwindigkeiten automatisch und druckabhängig etwas nach außen gerichtet zu öffnen und bei wieder nachlassender Windgeschwindigkeit zu schließen. Dies trifft vor allem für die Gehäusesegmente zu, die sich unter normalen Windbedingungen gerade in Schließstellung befinden.
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Die Vorrichtung besteht neben dem Windfang außerdem aus einem vertikal laufenden Windkraftrotor, der in dem Windfang integriert angeordnet ist. Der Windkraftrotor weist eine senkrecht zur Grundplatte angeordnete Rotorwelle auf, die durch eine Lagerbuchse der Grundplatte hindurch führt und mit einem nicht dargestellten Generator verbunden wird. Die Längsachse der Rotorwelle bildet die Rotationsachse des an der Grundplatte drehbar gelagerten Windkraftrotors (siehe 2).
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Der Windkraftrotor weist außerdem drei Rotorblätter auf, die oberhalb einer oberen Ringplatte des Gehäuses angeordnet sind. Auf der oberen Ringplatte des Windfanges sitzt noch ein trichterförmiger Aufsatz mit geringer Bauhöhe. Die Raumhöhe von der Unterkante der oberen Ringplatte bis zur Oberkante des Trichters steht für die Anordnung der Rotorblätter des Windkraftrotors zur Verfügung. Der Windkraftrotor ist somit in einem seitlich abgeschirmten Bereich der Vorrichtung platziert (vgl. 2).
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Die Rotorblätter sind scheibenförmig, teilweise gewölbt ausgebildet und leicht geneigt um die Rotorwelle angeordnet. Sie sind auf der Unterseite eben und weisen auf der Obersseite eine kegelförmige abgeflachte Wölbung auf. Die Rotorblätter sind jeweils in einem Winkel von kleiner 20° zu einer ebenen Fläche, je nach gewünschter Drehrichtung, geneigt angeordnet (siehe Detaildarstellung in 3).
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Der Flächenanteil der Rotorblätter im Verhältnis zum kreisförmigen, vom Wind durchstrichenen Anströmquerschnitt des Windfanges auf den Windkraftrotor beträgt mehr als 40% Die Oberseiten der Scheiben des Rotors sind durch ihre Krümmung aerodynamisch gestaltet und bieten einen geringen Luftwiderstand. Der Hohlraum zwischen der ebenen Unterseite und der gewölbten Oberseite eines jeden Rotorblattes enthält stabilisierende Elemente. Die Rotorblätter haben in dem Ausführungsbeispiel einen Durchmesser von 12 cm. Der gesamte Windkraftrotor hat einen Durchmesser von 27 cm. Der Windkraftrotor ist ein Auftriebsläufer, dessen Schnelllaufzahl bei etwa 3,5 liegt.
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Funktionsbeschreibung:
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Für eine leichtgängige Funktionsweise ist eine leichte, aber sehr stabile Bauform der Gehäusesegmente aus vorzugsweise Leichtbaumaterialien von geringer Wandstärke günstig. Sind elastische Zugbänder als Begrenzungselemente vorgesehen, ist für eine optimale Wirkungsweise der Vorrichtung eine entsprechende, aus der anzunehmenden maximalen Windstärke berechnete Vorspannung der elastischen Bänder vorzunehmen. Der auf die Vorrichtung auftreffende Wind veranlasst vier bis fünf Gehäusesegmente, die dem Wind entgegenstehen, nach innen in das Gehäuse einzuklappen und den Weg für den Wind frei zu machen. Auf der den geöffneten Gehäusesegmenten gegenüberliegenden Wandung des Windfangsgehäuses und an der seitlichen Wandung des Windfanggehäuses schließen sich die Gehäusesegmente, in dem sie in die Ebene der Mantelfläche des zylindrischen Gehäuses klappen und so den Weg für den Wind in Windrichtung versperren. Der Wind kann nur vertikal nach oben ausweichen. Bei zu starker Erhöhung des Innendrucks oder bei zu hohem Widerstand der Vorrichtung entweicht der Wind durch die Gehäusesegmente, die in dem Fall aus ihrer Schließstellung druckbedingt leicht nach außen gerichtet werden. Wechselt die Windrichtung und kommt der Wind beispielsweise aus der Gegenrichtung, vollzieht sich der gleiche Vorgang. Die vorher geöffneten Gehäusesegmente schließen und die vorher geschlossenen Gehäusesegmente öffnen sich. Je nach Turbulenz pendeln die geöffneten Gehäusesegmente mehr oder weniger leicht. Geschlossene Gehäusesegmente bleiben in Schließstellung. Größere Turbulenzen oder kurze Böen aus einer anderen Richtung können geschlossene Gehäusesegmente kurzzeitig öffnen, die sich aber anschließend, durch den Einfluss der Hauptwindrichtung, wieder schließen. Auch bei Starkwind oder Böen aus der Hauptwindrichtung können sich einzelne Gehäusesegmente unabhängig voneinander öffnen und den Wind hindurch lassen. Das ist dann der Fall, wenn auf die Flächen der Gehäusesegmente in momentaner Schließstellung, zu hoher Druck als Folge des starken Windes entsteht. Die Gummibänder geben dann elastisch dem Druck nach und lassen eine geringfügige, nach außen gerichtete Öffnung der Gehäusesegmente zu. Herrschen dann wieder die definierten, normalen Windbedingungen, auf die die Vorspannung der Gummibänder eingestellt ist, ziehen diese – in Folge des nachlassenden Drucks auf die jeweilige Segmentfläche – das betreffende Gehäusesegment wieder an den Umfang des Gehäuses des Windfanges heran, so dass das Gehäusesegment wieder sperrt.
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Die Vorrichtung arbeitet besonders effizient mit dem beschriebenen Windkraftrotor mit gewölbten Rotorblättern.
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Tests mit diesem Windkraftrotor haben ergeben, dass die Vorrichtung besonders gut funktioniert. Der auf einer drehbar gelagerten Rotorwelle befestigte Windkraftrotor mit einem Durchmesser von 27 cm erreicht bei einer Windgeschwindigkeit von 2 m/s eine Drehzahl von 500 U/min und mehr (bei Leerlauf der Rotorwelle ohne Generatoranschluss). Die Rotation bewirkt ein besseres Anlegen der Gehäusesegmente an den Umfang des Gehäuses.
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Die in der Windfang- und Windleiteinrichtung permanent vorgehaltene Luftmenge erzeugt einen leichten Überdruck innerhalb der Vorrichtung, so dass auch ein etwas höherer Druck auf die Rotorblätter entsteht. Der entstehende Innendruck in der Vorrichtung sorgt auch dafür, dass untergeordnetem, störendem Nebenwind kein Zugang zur Windfang- und Windleiteinrichtung gewährt wird und der integrierte, vertikal laufende Windkraftrotor so bessere Winderträge erzielen kann. Bei den bekannten freien Windkraftanlagen kann die überschüssige Windenergie ausweichen, die nicht vom Rotor verarbeitet werden kann. Innerhalb der erfindungsgemäßen Windfang- und Windleiteinrichtung kann die Windströmung dem Windkraftrotor nicht mehr ausweichen. Der aufgebaute Staudruck führt zur Druckerhöhung in der Vorrichtung, was wiederum zur Drehzahlsteigerung des Windkraftrotors führt.
