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Die Erfindung betrifft eine Infrarotbestrahlungsvorrichtung, insbesondere Infrarotbestrahlungsheizung mit einem Infrarotstrahler zur Erwärmung von der Witterung ausgesetzten Vorrichtungen.
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Wesentliche Voraussetzung für den sicheren Betrieb einer Windkraftanlage ist die exakte Messung der Windgeschwindigkeit und der Windrichtung in allen Wetterlagen. Kann die aktuelle Windgeschwindigkeit und die aktuelle Windrichtung nicht sicher bestimmt werden, so muss die Windkraftanlage sofort in Ruhestellung gefahren werden, um Schaden an der Anlage und an der Umgebung zu vermeiden. Unnötige Abschaltungen der Windkraftanlage resultieren sofort in finanziellen Verlusten für den Betreiber. Um die benötigten Anforderungen, wie sie auch in Industriestandards formuliert sind, an die Genauigkeit der Messung der Windgeschwindigkeit einzuhalten, haben sich bisher nur Schalenkreuz Anemometer bewährt wie beispielsweise in „R. S. Hunter et al [Hrsg]: Recommended Practices for Wind Turbine Testing: 11. Wind speed measurement and use of cup anemometry. 1. Ed. 1999. International Energy Agency)" beschrieben.
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Ein Zustand, der besonders kritisch für Windkraftanlagen ist, ist die Vereisung bei entsprechenden Witterungslagen. Zum einen führt die Vereisung der Rotoren zu Masseveränderungen und damit einhergehenden zusätzlichen Kräften, weiter kommt es zu einer Reduktion der Effektivität der Umwandlung der Windkraft in elektrische Energie. Zugleich führt die erhöhte Dichte der Luft bei niedrigen Temperaturen zu erhöhter Kraftwirkung. Zum zweiten besteht die Gefahr, dass das Anemometer zur Messung der Windgeschwindigkeit, sowie die Windfahne zur Messung der Windrichtung einfrieren.
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Kritisch für die Windkraftanlage ist jedoch auch die Reifbildung auf dem Anemometer wie beispielsweise in: H. Seifert: Eiszeit am Standort. DEWI Magazin 26 (2005) 68–75; sowie S. Kimura et al: Aerodynamic characterstics of an iced cup-shaped body. Cold Regions Science and Technology 33 (2001) 45–58)) beschrieben, sowie die Veränderung der Viskosität der Schmierstoffe in den Lagern. Zweiter Effekt kann in vielen Wetterlagen mit einer sogenannten Schaftheizung abgestellt werden. Erster Effekt kann mit einer Schalenheizung vermindert werden, wie sie bei einigen kommerziell erhältlichen Anemometern angeboten wird.
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Da Windkraftanlagen zunehmend in vereisungsgefährdeten Umgebungen, wie in Ost- oder Nordeuropa oder in Hügel- oder Gebirgslagen eingesetzt werden, zusätzlich sich die Witterungsextreme in Europa verstärken – zugleich im Winter in Europa deutlich höhere mittlere Windgeschwingkeiten auftreten, als im Sommer – ist es zunehmend von Bedeutung, dass Anemometer auch in extremen Bedingungen jederzeit eisfrei sind. Als untere Temperaturgrenze sind ca. –30°C anzusetzen, mit Rücksicht auf die strukturellen Eigenschaften der Werkstoffe in einer Windkraftanlage wird diese zur Zeit als untere Betriebstemperatur angesetzt, bis zu der die Sicherheit der Anlage noch gewährleistet bleibt. Wie Untersuchungen zeigen, tritt jedoch bei üblichen höheren Windgeschindigkeiten und Temperatur von –10°C bereits Vereisung bei schalen- und schaftbeheizten Anemometern auf. Zudem beeinflussen Vereisungen an das Anemometer umgebenden Strukturen sehr stark die Genauigkeit der Windmessung (T. Laakso et al: State-of-the-art of wind energy in cold climates. International Energy Agency: 2003, Seite 13). Zu diesen Strukturen zählen Blitzableiter, die nahe des Anemometers auf der Gondel montiert werden, wie auch der untere Bereich des Schaftes, dessen Vereisung insbesondere kritisch ist, falls vertikale Anteile des Windes auftreten können.
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Aus diesen Gründen ist es sinnvoll an stark oder häufig von Vereisung betroffenen Standorten alternativ zur Schaft- und Schalenheizung oder komplementär eine Infrarotstrahlungsheizung einzusetzen, die das Anemometer und den Schaft, sowie die umgebenden Einrichtungen erwärmt und trocknet.
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Bekannt ist hierbei der Einsatz von Heizlampen entsprechend der DIN EN 60240-1. Solche Heizlampen werden sonst z. B. in der Ferkelaufzucht eingesetzt. Diese Lampen sind den mechanischen Anforderungen, wie auch den Anforderungen an Zuverlässigkeit jedoch nicht gewachsen, so dass sie häufig ausgewechselt werden müssen. Insbesondere auftreffende Eisbrocken, die sich von den Rotorblättern lösen, führen sofort zum Bruch der Lampen. Zugleich ist durch den Einsatz von Hüllkolben aus üblichen Glas die Leistung begrenzt und hohe Anteile der Strahlung werden vom Hüllkolben wieder absorbiert und gehen als konvektive Wärme verloren.
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Die Anforderungen an eine technische Lösung zur Infrarotbeheizung von Anemometer und Windfahne sowie der umgebenden Komponenten ergeben sich direkt aus den Umgebungsbedingungen, den auftretenden Beanspruchungen, der benötigten Lebensdauer und der benötigten Leistung. Die Heizung muss bei extremen Temperaturen, starkem Wind, damit einhergehenden starken strukturellen Beanspruchungen, bei Feuchtigkeit und Nässe jederzeit funktionieren. Eine wesentliche Gefahr stellen Eisbrocken dar, die sich von den Rotorblättern lösen und auch auf die Infrarotheizung fallen können.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur Infrarotbeheizung bereitzustellen, wobei diese einen möglichst geringen Einfluss auf die Luftströmung ausüben sollte und ihre Nachlaufströmung normalerweise nicht das Anemometer beeinflusst. Zugleich muss sie möglichst alle Oberflächen des Anemometers bestrahlen können.
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Die Aufgabe wird bereits mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
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Die erfindungsgemäße Infrarotbestrahlungsheizung zur Erwärmung von der Witterung ausgesetzten Vorrichtungen, insbesondere Anemometer zur Messung der Windgeschwindigkeit zum Einsatz für Windkraftanlagen sowie Windfahnen und Blitzableiter, bei der der Emitter zum Aussenden der Infrarotstrahlung in einem Gehäuse eingesetzt ist und der Emitter auf der ausstrahlenden Seite durch eine für die ausgesandte Strahlung im wesentlichen transparente Einheit geschützt ist
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Sieht vor, dass der Infrarotstrahler, die innere Gehäusewand und die Schutzeinheit derart aufeinander abgestimmt sind, dass nur eine Kühlung durch freie Konvektion benötigt wird. Dadurch wird eine Vorrichtung dargestellt, die bereits alle benötigten Eigenschaften für den Einsatz in extrem schwierigen Umgebungsbedingungen aufweist. Nur durch eine Reduzierung auf die minimal notwendigen Funktionen ist eine extreme Betriebssicherheit bei sehr hoher mechanischer Beständigkeit erreicht. Zugleich erlaubt der Einsatz einer Schutzeinheit die sichere Montage eines (oder mehrerer) Infrarotstrahlers, der – obwohl sein Hüllkolben aus bruchfestem Quarzglas hergestellt ist – nicht nur im Hinblick auf Bruchsicherheit optimiert werden muss, sondern der zugleich im Hinblick auf Effizienz der Erwärmung der zu erwärmenden Komponenten, Ausstrahlrichtung und unvermeidbarer Abwärme optimiert ist. Dies erfolgt durch Formgebung des Hüllkolbens, emittiertes Spektrum, Verhältnis von Oberfläche des Hüllkolbens zur abgestrahlten Leistung und weiterer Maßnahmen, die in den Unteransprüchen erläutert sind.
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Vorteilhafterweise ist die Schutzeinheit eine Glasscheibe aus Quarzglas. Quarzglas ist gegenüber üblichen Gläsern extrem witterungbeständig, weist hohe mechanische Festigkeit auf und eine vorteilhafte hohe Transmission weit in das Infrarote hinein auf, so dass die Infrarotstrahlung der Heizemitter nicht die Heizvorrichtung unnötig aufheizt, sondern für die Aufheizung von Anemometer und umgebenden Elementen zur Verfügung steht.
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Es hat sich gezeigt, dass es sich positiv auswirkt, wenn die Schutzeinheit eine Glasscheibe aus thermisch oder chemisch vorgespanntem Glas ist. Hierbei sind insbesondere Aluminiumsilikat Gläser mit anderen Eigenschaften denkbar. vorgespanntes Glas oder Einscheiben Sicherheitsglas weist eine deutlich erhöhte Bruchfestigkeit gegenüber normalem Glas auf. Um jedoch eine zufriedenstellende Transmission im Infraroten aufzuweisen, ist der Einsatz von z. B. Aluminiumsilikatglas gegenüber Kalk-Natron Gläsern zu bevorzugen. Insbesondere hat sich der Einsatz von chemisch vorgespanntem Aluminiumsilikatglas (z. B. Corning Glas 2317) bewährt.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltungsform sieht die Erfindung vor, dass die Schutzeinheit ein Gitter aus hitzebeständigem Metall aufweist. Insbesondere bei Vorrichtungen, die sehr hohe Leistungen abstrahlen, so dass die o. g. genannten Gläser überhitzen könnten, oder bei Vorrichtungen, die nach unten abstrahlen hat sich der Einsatz eines Gitters aus wärmebeständigem Edelstahl statt der Glasscheibe bewährt. Bei Vorrichtungen, die extreme Belastungen z. B. aufgrund besonders hoher Anzahl an Tagen mit Vereisung der Rotorblätter ausgesetzt sind, hat sich eine Kombination aus geeignetem Glas und Gitter aus wärmebeständigem Edelstahl bewährt.
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Vorteilhaft ist es ferner, wenn die primär vom Heizelement des Infrarotstrahlers ausgesandte Strahlung zu weniger als 20% von der Schutzeinheit, besonders bevorzugt zu weniger als 10% von der Schutzeinheit absorbiert wird. Je geringer die Absorption von Energie in der Schutzvorrichtung ist, desto effizienter ist die Heizung und desto geringere Nachteile durch die stärkere Erwärmung der Schutzeinrichtung entstehen. Es ist zu verhindern, dass die Schutzgläser – insbesondere solche, die nicht aus Quarzglas bestehen – so weit erwärmt werden, dass die mechanischen Eigenschaften verändert werden. Dies ist bei Einscheibensicherheitsglas bereits in der Nähe des unteren Temperpunktes der Fall.
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Hierzu sind die Emissionswellenlänge des Strahlers, die Absorptionseigenschaften des Glases, die zu erwartende Verschmutzung des Glases, die Flächenbelegung eines Schutzgitters aufeinander abzustimmen.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltungsform der Erfindung sieht vor, dass die innere Gehäusewand als Infrarotreflektor ausgebildet ist. Hierdurch wird erreicht, dass zum einen eine hohe Effizienz der Vorrichtung erreicht wird und zum zweiten ein starkes Erwärmen oder Überhitzen der Einheit verhindert wird. Die Infrarotreflektoren sind aus wärmebeständigem, bruchfesten Material auszuführen, so dass Edelstahl oder besser noch Feueraluminierter Stahl eingesetzt werden, der bis ca. 400°C beständig bleibt.
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Es hat sich gezeigt, dass es vorteilhaft ist, wenn die innere Gehäusewand als funktionaler Reflektor ausgebildet ist, und dabei die von dem Infrarotstrahler ausgesandte Strahlung insbesondere auf die zu bestrahlenden Komponenten abbildet. Funktional bedeutet, dass die Ausstrahlung durch die Geometrie des Reflektors in geeigneter Weise auf die zu erwärmenden Komponenten gerichtet wird. Hierzu können z. B. parabolische Formen eingesetzt werden. Eine Optimierung des Systems z. B. mittels geeigneter Software im Hinblick auf eine homogene Ausleuchtung (auch bei Ausfall einer Einheit, wenn mehrere eingesetzt werden) ist anzustreben.
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Die Erfindung sieht in einer vorteilhaften Ausgestaltungsform vor, dass das Hüllrohr des Infrarotstrahlers mit einem hitzebeständigen aus einem opaken Oxid bestehenden Reflektor beschichtet ist. Anders als Beschichtungen von Lampenkolben mittels metallischer Schichten kann so eine nicht alternde Reflektorschicht erreichtwerden, die konstante Eigenschaften der Abstrahlung über eine lange Lebensdauer aufweist.
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Vorteilhaft ist es dabei, wenn das Oxid nahezu dieselbe Elementarzusammensetzung aufweist, wie das Material des Hüllrohres mit einer Abweichung von weniger als 5% in der Zusammensetzung. Dies hat sich bewährt um zugleich eine besonders gute Beständigkeit der Schicht auch bei häufigem und starkem Temperaturwechsel zu erreichen und eine optimale Reflektivität der Schicht im Infrarot zu erreichen.
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Es hat sich herausgestellt, dass die erfindungsgemäße Aufgabe mit zumindest drei Heizvorrichtungen besonders gut realisieren lässt, wobei die Aufgabe auch mit zwei funktionierenden Einheiten gelöst werden kann. Werden drei (oder mehr) symmetrisch um das zu bestrahlende Element angeordnete Heizvorrichtungen eingesetzt (die sich auch in einem gemeinsamen Gehäuse befinden können), so ist der Einfluss durch asymmetrische Anordnung von Komponenten minimiert (Asymmetrie kann zu einer unerwünschten verstärkten Richtungsabhängigkeit des Messergebnisses des Anemometers führen). Zugleich können die Eigenschaften der Heizeinrichtungen so auf die Geometrie des zu erwärmenden Elementes abgestimmt werden, dass auch bei Ausfall einer Heizung noch eine Funktion sichergestellt ist.
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Ferner hat sich herausgestellt, dass e vorteilhaft ist, wenn zugleich eine Schaftheizung oder eine Schalenheizung eingesetzt werden. Dies erhöht die Redundanz und damit die Betriebssicherheit der Messeinrichtung weiter.
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Die Vorrichtung ist dabei derart ausgestaltet, dass die Heizleistung geregelt werden kann. Insbesondere wenn mehrere Heizelemente vorgesehen sind, so können diese in Abhängigkeit von den tatsächlichen Witterungsbedingungen zugeschaltet werden. Während bei moderaten Windgeschwindigkeiten und relativ hohen Temperaturen bis ca. –10°C noch eine Schaftheizung ausreicht, so hat sich herausgestellt, dass insbesondere entweder bei Starkwind sowie bei extrem niedrigen Temperaturen oder bei Regen der Einsatz von Infrarotheizungen zusätzlich oder allein zu bevorzugen ist.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert.
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Ausführungsbeispiel 1
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Infrarotstrahlungsheizung für ein Schalen Anemometer mit integrierter Windfahne und Blitzableiter. Die Heizung ist am Blitzableiter befestigt und beheizt das Anemometer mit seinen Schalen von oben. Die Anemometerschalen sind aus Metall ausgeführt und mit einer IR Strahlung im Bereich von 1000 nm bis 3000 nm bevorzugt absorbierenden wärmefesten wasserabweisenden Beschichtung, (einem schwarzen Email) beschichtet. Zusätzlich weist das Anemometer eine Schaftheizung auf. Die Heizung besteht aus einem äußeren stoßunempfindlichen Gehäuse aus Metall, darin sind drei kurzwellige Infrarotstrahler mit einer Filamenttemperatur von 2200°C montiert, die auf ihrer dem Anemometer abgewandten Seite mit einem Reflektor aus opakem Quarzglas beschichtet sind. Die Infrarotstrahler bestrahlen dabei jeweils nahezu die gesamte Oberfläche des Anemometers mit jeweils 250 W Leistung. Dadurch kann der Ausfall eines Strahlers ausreichend kompensiert werden. Die Strahler umhüllend ist ein innerer Reflektor aus blankem Edelstahl angeordnet. Zum Schutz der Strahler befindet sich unterhalb dieser ein Gitter aus 1,0 mm starkem Draht aus wärmebeständigem Edelstahl (z. B. 1.4404), wobei das Drahtgeflecht weniger als 20% der Fläche vor den Strahlern einnimmt.
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Durch versetzte Öffnungen im inneren Reflektorblech, sowie in der äußeren Hülle wird unabhängig von der Windgeschwindigkeit eine ausreichende Kühlung der gesamten Einheit mittels freier Konvektion erreicht.
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Die Einheit ist 25 cm oberhalb des Anemometers montiert, äußerlich rund und aerodynamisch geformt, so dass nur bei stark fallenden oder stark aufsteigenden Winden eine Beeinflussung der Windgeschwindigkeit am Anemometer auftritt. Vergleichsmessungen zwischen einem frei stehenden und dem mit Heizung montierten Anemometer zeigen erst bei Winden mit Vertikalanteilen > 30% eine Beeinflussung der Anemometerergebnisse.
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Ausführungsbeispiel 2
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Infrarotstrahlungsheizung für ein Schalen Anemometer mit integrierter Windfahne und Blitzableiter. Hierzu sind drei Heizelemente symmetrisch unterhalb der Anemometerebene angeordnet und an den drei zu einem umhüllenden Käfig gefügten Blitzableiterstäben montiert. Diese bestrahlen dabei das Anemometer, die Windfahne und gegenüberliegende Stäbe des Blitzableiters. Jede der drei Einheiten verfügt über eine äußere Umhüllung aus Metall mit Belüftungsschlitzen, einem inneren metallischen Reflektor mit versetzt angeordneten Belüftungsschlitzen, der Streustrahlung von den Infrarotstrahlern in Richtung der zu bestrahlenden Komponenten umlenkt, einem Infrarotstrahler mit einer kurzwellig abstrahlenden Wendel aus Wolfram, die im Nennbetrieb bei 2000°C betrieben wird und so für eine maximale Lebensdauer ausgelegt ist. Eine bruchfeste Glasscheibe aus 4 mm starkem Quarzglas ist vor der Einheit montiert, wobei weniger als 5% der vom Filament abgegeben Leistung von dieser Scheibe absorbiert werden. Durch die Anordnung der Belüftungsschlitze ist eine ausreichende Kühlung der gesamten Einheit auch bei nahezu Luftstillstand durch freie Konvektion ermöglicht.
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Durch die Anordnung und die Leistung von 300 W je Einheit kann bei zusätzlicher Schaftheizung die Funktion des Anemometers bei mittleren Windgeschwindigkeiten bis ca. –20°C auch bei Ausfall einer Einheit erhalten werden. Durch die Anordnung der Elemente ca. 20 cm unterhalb der Anemometerebene erfolgt eine Beeinflussung der Anemometermessung durch die Nachlaufwirbel der Heizeinheiten etwa ab aufsteigenden Winden mit einem Vertikalanteil von > 25%.
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Ausführungsbeispiel 3
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Infrarotstrahlungsheizung für ein Schalen Anemometer mit integrierter Windfahne und Blitzableiter. Hierzu sind drei Heizelemente symmetrisch unterhalb der Anemometerebene angeordnet und an den drei zu einem umhüllenden Käfig gefügten Blitzableiterstäben montiert. Diese bestrahlen dabei das Anemometer, die Windfahne und gegenüberliegende Stäbe des Blitzableiters. Jede der drei Einheiten verfügt über eine äußere Umhüllung aus Metall mit Belüftungsschlitzen, einem inneren metallischen Reflektor mit versetzt angeordneten Belüftungsschlitzen, der Streustrahlung von den Infrarotstrahlern in Richtung der zu bestrahlenden Komponenten umlenkt, einem Infrarotstrahler mit einer mittelwellig abstrahlenden Wendel aus einer Legierung aus Chrom, Eisen und Aluminium, die im Nennbetrieb bei 1000°C betrieben wird und so für eine maximale Lebensdauer ausgelegt ist. Eine bruchfeste Glasscheibe aus 4 mm starkem Quarzglas ist vor der Einheit montiert, wobei weniger als 20% der vom Filament abgegeben Leistung von dieser Scheibe absorbiert werden. Durch die Anordnung der Belüftungsschlitze ist eine ausreichende Kühlung der gesamten Einheit auch bei nahezu Luftstillstand durch freie Konvektion ermöglicht.
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Durch die Anordnung und die Leistung von 250 W je Einheit kann bei zusätzlicher Schaftheizung die Funktion des Anemometers bei mittleren Windgeschwindigkeiten bis ca. –15°C auch bei Ausfall einer Einheit erhalten werden. Durch die Anordnung der Elemente ca. 10 cm unterhalb der Anemometerebene erfolgt eine Beeinflussung der Anemometermessung durch die Nachlaufwirbel der Heizeinheiten etwa ab aufsteigenden Winden mit einem Vertikalanteil von > 20%.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- „R. S. Hunter et al [Hrsg]: Recommended Practices for Wind Turbine Testing: 11. Wind speed measurement and use of cup anemometry. 1. Ed. 1999. International Energy Agency)” [0002]
- H. Seifert: Eiszeit am Standort. DEWI Magazin 26 (2005) 68–75; sowie S. Kimura et al: Aerodynamic characterstics of an iced cup-shaped body. Cold Regions Science and Technology 33 (2001) 45–58)) [0004]
- T. Laakso et al: State-of-the-art of wind energy in cold climates. International Energy Agency: 2003, Seite 13 [0005]
- DIN EN 60240-1 [0007]