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Die Erfindung betrifft eine bodenmontierte Anlage zur Stromerzeugung sowie ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Anlage.
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Moderne Windkraftanlagen zur Stromerzeugung umfassen unter anderem einen Windkraftgenerator, der auf einem sogenannten Turm installiert ist. Windkraftgeneratoren wandeln mechanische in elektrische Leistung um und können z. B. als Drehstrom-Asynchron- oder Synchron-Generatoren ausgebildet sein. Derartige Windkraftgeneratoren sind hierbei mechanisch für einen Betrieb mit Rotorblättern ausgelegt. Der Betrieb mit diesen in der Regel langen Rotorblättern erfordert jedoch, wie vorhergehend erläutert, die Installation hoch über einem Erdboden.
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Es ist wünschenswert, einen Einsatzbereich für Windkraftgeneratoren zu erweitern.
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Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 9. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Vorgeschlagen wird eine bodenmontierte Anlage zur Stromerzeugung. Die Anlage umfasst mindestens einen Windkraftgenerator. Der Windkraftgenerator kann hierbei einen Generator bezeichnen, der, insbesondere elektrisch und/oder mechanisch, auf einen Betrieb mit Rotorblättern ausgelegt ist. Derartige Windkraftgeneratoren sind bereits auf dem Markt erhältlich. Der Windkraftgenerator kann hierbei direkt auf dem Boden, insbesondere also ohne Turm, montiert sein. Selbstverständlich kann aber noch ein entsprechendes Befestigungselement, z. B. eine Befestigungsplatte oder ein Fundament zwischen Windkraftgenerator und Boden angeordnet sein. Wesentlich ist, dass der Windkraftgenerator in Bodennähe montiert ist.
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Weiter umfasst die Anlage mindestens einen Motor. Der Motor kann hierbei eine beliebige Einrichtung zur Erzeugung einer Antriebskraft bzw. eines Antriebsmoments sein. Der Motor kann beispielsweise als Elektromotor, als Verbrennungskraftmotor oder als Gasturbine ausgebildet sein.
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Der mindestens eine Windkraftgenerator, insbesondere eine Antriebswelle des Windkraftgenerators, und der Motor, insbesondere eine Abtriebswelle des Motors, sind mechanisch gekoppelt. Eine mechanische Kopplung kann hierbei eine Kopplung bezeichnen, über die Drehmomente, Drehrichtungen, Drehzahlen und/oder Kräfte übertragen und/oder gewandelt werden.
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Erfindungsgemäß ist der Windkraftgenerator als Ersatz für Rotorblätter mit einem Spitzengewichtsträger bestückt.
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Der Spitzengewichtsträger kann hierbei ein Element oder Bauteil bezeichnen, welches zwei oder mehr als zwei freie Enden aufweist oder ausbildet, die um einen Mittelpunkt oder eine Mittelachse des Spitzengewichtsträgers herum angeordnet sind, wobei an den freien Enden jeweils ein Gewicht mit einer vorbestimmten Masse befestigt oder ausgebildet ist. Insbesondere können die freien Enden mit vorbestimmten radialen Abständen von dem Mittelpunkt oder der Mittelachse, insbesondere auf einer Kreislinie um den Mittelpunkt/die Mittelachse, des Spitzengewichtsträgers herum angeordnet sein. Der Spitzengewichtsträger kann hierbei an der Antriebswelle des Windkraftgenerators befestigt sein.
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Der Spitzengewichtsträger kann hierbei einen Rotor einer Windkraftanlage ersetzen oder mechanisch simulieren, wobei die Masse der Gewichte und/oder deren Abstand von dem Mittelpunkt oder der Mittelachse derart gewählt ist, dass ein Trägheitsmoment des Spitzengewichtsträgers dem Trägheitsmoment eines Rotorblattes entspricht oder nicht mehr als ein vorbestimmtes Maß von diesem abweicht. Das Trägheitsmoment kann hierbei bezüglich einer Drehachse des Windkraftgenerators bestimmt werden, wobei die Drehachse der vorhergehend erläuterten Mittelachse des Spitzengewichtsträgers entsprechen kann. Insbesondere ist aber der radiale Abstand der freien Enden (sehr) viel kürzer als die Länge eines Rotorblatts eines Rotors mit gleichem oder vergleichbarem Trägheitsmoment.
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Beispielsweise kann der Spitzengewichtsträger ein stabförmiges Element und zwei Gewichte umfassen, wobei die Gewichte an freien Enden des stabförmigen Elements angeordnet oder ausgebildet sind, wobei ein zentraler Abschnitt des stabförmigen Elements an der Antriebswelle befestigt ist. Selbstverständlich kann der Spitzengewichtsträger auch als vielzackiger Stern mit mehr als zwei Zacken ausgebildet sein, wobei an den freien Enden der zackenbildenden Struktur jeweils Gewichte angeordnet oder ausgebildet sind. Ein Schwerpunkt eines Abschnitts des Spitzengewichtsträgers, der ein freies Ende ausbildet und somit eines der Rotorblätter mechanisch simuliert bzw. ersetzt, kann somit im Bereich des freien Endes angeordnet sein. Ein Mittelpunkt des vielzackigen Sterns kann an der Antriebswelle des Windkraftgenerators befestigt sein.
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Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass ein auf den Betrieb mit einem Rotor ausgelegter Windkraftgenerator bodenmontiert verwendet werden kann, um Strom zu erzeugen, da die Spitzengewichtsträger derart ausgelegt werden können, dass eine maximale Dimension, beispielsweise eine maximale Länge von Zacken, kleiner als die eines entsprechenden Rotors sind.
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Die vorgeschlagene Anlage ermöglicht weiterhin in vorteilhafter Weise einen Betrieb eines Windkraftgenerators mit beliebigen Energieformen, beispielsweise mit elektrischer Energie, mit Gas oder Kraftstoff. Da derartige Energieträger in vorteilhafter Weise nachhaltig erzeugt werden können, z. B. Biogas oder Biodiesel, kann somit ebenfalls eine ökologische Erzeugung von Strom unter Nutzung vorhandener und bereits erhältlicher Windkraftgeneratoren erfolgen.
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In einer weiteren Ausführungsform ist der Motor über mindestens ein Getriebe mit dem mindestens einen Windkraftgenerator mechanisch gekoppelt. Das Getriebe, insbesondere eine Eingangswelle des Getriebes, kann hierbei mit dem Motor, insbesondere einer Abtriebswelle des Motors, mechanisch gekoppelt sein.
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Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass eine Drehzahl des Motors, beispielsweise eine Drehzahl in einem optimalen Betriebspunkt, z. B. in einem hinsichtlich eines Wirkungsgrades optimalen Betriebspunktes, des Motors, in eine zum Betrieb des Windkraftgenerators benötigte Drehzahl, beispielsweise eine Drehzahl im Bereich von 15 bis 20 U/min, gewandelt werden kann.
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Anlage zwei Windkraftgeneratoren. Hierbei können beide Windkraftgeneratoren gleichzeitig mechanisch mit dem Motor gekoppelt sein. Selbstverständlich ist es auch möglich, dass die Anlage drei, vier oder mehr Windkraftgeneratoren umfasst, die jeweils mechanisch mit dem Motor gekoppelt sind.
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Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass die vom Motor erzeugte Energie aufgeteilt werden kann, wobei jeweils ein Windkraftgenerator einen Teil der vom Motor bereitgestellten mechanischen Energie in elektrische Energie umwandelt. Dies ermöglicht den Betrieb der Anlage mit leistungsstarken Motoren.
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In einer weiteren Ausführungsform sind mindestens zwei Windkraftgeneratoren über eine Welle mechanisch gekoppelt. Dies kann bedeuten, dass diese Verbindungswelle einen Teil der mechanischen Kopplung zwischen Windkraftgeneratoren ausbildet, wobei jedoch noch weitere Kopplungselemente vorgesehen sein können. Weiter ist die Welle zwischen den Windkraftgeneratoren über ein weiteres Getriebe mit dem Motor mechanisch gekoppelt. Das weitere Getriebe ist vorzugsweise ein Kegelradgetriebe. Allerdings kann das weitere Getriebe auch ein Schneckengetriebe sein.
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Beispielsweise kann eine Eingangswelle des weiteren Getriebes mechanisch mit dem Motor, insbesondere einer Abtriebswelle des Motors, gekoppelt sein, wobei die Eingangswelle des weiteren Getriebes über das weitere Getriebe mit der Welle zwischen den Windkraftgeneratoren, die Ausgangswellen des weiteren Getriebes bereitstellen kann, mechanisch gekoppelt ist. Die Welle zwischen den Windkraftgeneratoren kann eine Ausgangswelle des weiteren Getriebes sein. Weiter stellt die Welle zwischen den Windkraftgeneratoren einen Teil der mechanischen Kopplung zwischen dem Motor und den jeweiligen Windkraftgeneratoren bereit.
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Selbstverständlich ist auch eine andere Art der mechanischen Kopplung zwischen der Welle zwischen den Generatoren und dem Motor, insbesondere der Abtriebswelle des Motors, vorstellbar.
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Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine einfache Verteilung der vom Motor erzeugten Energie auf mindestens zwei Windkraftgeneratoren.
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In einer weiteren Ausführungsform ist das weitere Getriebe, insbesondere eine Eingangswelle des weiteren Getriebes, über ein Kreuzgelenk und/oder über eine Kardanwelle und/oder über ein Getriebe, insbesondere das vorhergehend erläuterte Getriebe, mit dem Motor, insbesondere einer Abtriebswelle des Motors, mechanisch gekoppelt. Hierbei kann/können also das Kreuzgelenk, die Kardanwelle und/oder das Getriebe jeweils einen Teil der mechanischen Kopplung zwischen dem weiteren Getriebe und dem Motor ausbilden. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine mechanisch einfache Verbindung zwischen dem Motor und einem oder mehreren Windkraftgeneratoren.
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In einer weiteren Ausführungsform ist der Spitzengewichtsträger über eine Bogenwelle mit dem Motor mechanisch gekoppelt. Die Bogenwelle kann hierbei einen Teil der mechanischen Kopplung zwischen dem Windkraftgenerator und dem Motor ausbilden.
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Die Bogenwelle kann hierbei ein mechanisches Element oder Bauteil bezeichnen, welches eine zentrale Mittelachse aufweisen kann, wobei ein zentraler Abschnitt der Bogenwelle auf der Mittelachse angeordnet ist, wobei sich ein Verbindungsabschnitt von dem zentralen Abschnitt weg erstreckt und ein freies Ende ausbildet, wobei der Verbindungsabschnitt derart angeordnet und/oder ausgebildet ist, dass das freie Ende entlang der Mittelachse vor bzw. hinter dem zentralen Abschnitt und in Bezug auf die Mittelachse in radialer Richtung mit einem vorbestimmten Abstand von der Mittelachse beabstandet angeordnet ist.
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Die freien Enden der Bogenwelle können hierbei vorzugsweise an einem Gewicht und/oder an einem freien Ende des vorhergehend erläuterten Spitzengewichtsträgers mechanisch befestigt sein. Insbesondere kann also die Bogenwelle die gleiche Anzahl von freien Enden wie der Spitzengewichtsträger aufweisen, wobei jedes freie Ende der Bogenwelle mit einem freien Ende und/oder einem Gewicht des Spitzengewichtsträgers mechanisch verbunden ist.
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Hierdurch wirkt ein von dem Motor erzeugtes und über einen Teil der mechanischen Kopplung übertragenes Drehmoment direkt an oder in den Bereich der Gewichte des Spitzengewichtsträgers, wodurch sich eine mechanische Belastung für den Spitzengewichtsträgers vorteilhafterweise verringert.
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In einer weiteren Ausführungsform ist der Windkraftgenerator ein getriebeloser Windkraftgenerator.
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In diesem Fall kann der Spitzengewichtsträger wie die vorhergehend erläuterte Bogenwelle ausgeführt sein, wobei Gewichte an freien Enden befestigt sind.
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In einer alternativen Ausführungsform ist der Windkraftgenerator ein Windkraftgenerator mit Getriebe. In diesem Fall kann der Spitzengewichtsträger an einer Eingangswelle des Getriebes befestigt sein, wobei eine Ausgangswelle des Getriebes mit einer Antriebswelle des Generators verbunden ist, insbesondere mechanisch starr verbunden ist.
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Weiter vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Betrieb einer Anlage gemäß einer der vorhergehend erläuterten Ausführungsformen. Hierbei wird der Motor mit einer vorbestimmten Drehzahl betrieben. Insbesondere kann der Motor derart gesteuert werden, dass eine gewünschte Drehzahl, insbesondere des Motors und/oder des Windkraftgenerators, erreicht wird.
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In einer weiteren Ausführungsform wird dauerhaft oder mit Pausen Strom produziert.
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Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Figuren zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anlage,
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2 eine Detaildarstellung der einzelnen Bestandteile und
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3 einen als Bogenwelle ausgebildeten Spitzengewichtsträger.
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Nachfolgend bezeichnen gleiche Bezugszeichen Elemente mit gleichen oder ähnlichen technischen Merkmalen.
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In 1 ist eine erfindungsgemäße Anlage schematisch dargestellt. Die Anlage umfasst zwei Windgeneratoren 1, die auch als Windkraftgeneratoren bezeichnet werden können. Jeder Windgenerator 1 ist hierbei mit einem Spitzengewichtsträger 2 bestückt. Hierbei ist dargestellt, dass die Spitzengewichtsträger 2 an einer Antriebswelle 14 der Windgeneratoren 1 befestigt sind. An freien Enden der Spitzengewichtsträger 2 sind Gewichte 10 befestigt.
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Weiter sind die der Spitzengewichtsträger 2 jeweils an freien Enden einer Welle 6 zwischen den Windgeneratoren 1 befestigt. Hierbei sind die Spitzengewichtsträger 2 jeweils über eine Bogenwelle 3 mit den freien Enden der Welle 6 verbunden, wobei freie Enden der Bogenwelle 3 mit freien Enden des Spitzengewichtsträgers 2 mechanisch verbunden sind.
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Es ist dargestellt, dass ein zentraler Abschnitt 11 der Bogenwellen 3 jeweils an einem freien Ende der Welle 6 befestigt sind, wobei freie Enden der Bogenwellen 3 jeweils an einem freien Ende der Spitzengewichtsträger 2 bzw. an einem Gewicht 10 der Spitzengewichtsträger 2 befestigt sind. Hierbei sind die freien Enden der Bogenwellen 3 entlang einer zentralen Symmetrieachse der Bogenwellen 3, die einer zentralen Symmetrieachse der Welle 6 entsprechen kann, jeweils vor dem zentralen Abschnitt 11 angeordnet.
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Die Welle 6 erstreckt sich durch ein weiteres Getriebe 4. Weiter dargestellt ist, dass das weitere Getriebe 4 über ein Kreuzgelenk 5, eine Kardanwelle 7 und ein Getriebe 8 mit einem Motor 9 mechanisch gekoppelt ist. Über das Kreuzgelenk 5 und das weitere Getriebe 4 ist die Welle 6 mit der Kardanwelle 7 mechanisch gekoppelt.
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Wird der Motor 9 betrieben, so wird die Kardanwelle 7 über das Getriebe 8 in eine Drehbewegung, die durch Pfeile symbolisch angedeutet ist, versetzt, die wiederum über das Kreuzgelenk 5 und das weitere Getriebe 4 auf die Welle 6 zwischen den Windgeneratoren 1 übertragen wird. Die Drehbewegung der Welle 6 ist hierbei ebenfalls symbolisch über Pfeile dargestellt. Über die Bogenwellen 3 wird jeweils das Moment unmittelbar im Bereich der Gewichte 10 auf die Spitzengewichtsträger 2 übertragen.
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2 stellt eine Explosionszeichnung der einzelnen Elemente dar. Mit Bezugszeichen 1 ist ein Windgenerator 1 mit einer Antriebswelle 14 schematisch dargestellt.
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Weiter ist schematisch ein Spitzengewichtsträger 2 dargestellt, wobei jeweils teilkugel- bzw. teilellipsoidförmige Gewichte 10 an freien Enden eines stabförmigen Elements 12 des Spitzengewichtsträgers 10 dargestellt sind. Weiter dargestellt ist ein zentraler Abschnitt 13 des Spitzengewichtsträgers 2, der an einer Antriebswelle 14 der Windgeneratoren 1 befestigt werden kann. Die Gewichte 10 sind mit gleichem Abstand von dem zentralen Abschnitt 13 beabstandet.
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Weiter dargestellt ist eine Bogenwelle 3 mit einem zentralen Abschnitt 11 und sich sowohl in einer axialen Richtung als auch in einer radialen Richtung von dem zentralen Abschnitt weg erstreckenden Verbindungsabschnitten 15, die jeweils ein freies Ende ausbilden. An den freien Enden sind jeweils Verbindungselemente 16, z. B. Schrauben, zur Befestigung an einem Spitzengewichtsträger 2 vorgesehen.
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Weiter dargestellt ist eine schematische Darstellung eines weiteren Getriebes 4 mit einer Eingangswelle 4b und einer Ausgangswelle 4a, wobei die Ausgangswelle 4a der Welle 6 zwischen den Windkraftgeneratoren 1 entspricht (siehe 1).
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Weiter schematisch dargestellt ist ein Kreuzgelenk 5, die Welle 6 zwischen den Windgeneratoren 1, die Kardanwelle 7 sowie das Getriebe 8 mit dem Motor 9.
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3 zeigt schematisch einen als Bogenwelle 3 ausgebildeten Spitzengewichtsträger 2. Hierbei sind Gewichte 10, die in 3 quaderförmig ausgebildet sind, direkt an freien Enden des Spitzengewichtsträgers 2 angeordnet, wobei der Spitzengewichtsträger 2 wie die vorhergehend erläuterten Bogenwelle 3 ausgebildet ist bzw. diese bereitstellt. Ein zentraler Abschnitt 11 kann an einer Welle 6 (siehe 1) befestigt sein. An freien Enden von Verbindungsabschnitten 15 weist der in 3 dargestellte Spitzengewichtsträger 2 neben den Gewichten 10 auch Befestigungselemente 16 auf, wobei diese zur mechanischen Kopplung mit einem Windkraftgenerator 1, insbesondere einem getriebelosen Windkraftgenerator 1, dienen.
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Die Anlage zur Stromerzeugung kann insbesondere auf einem geraden Platz, insbesondere einer ebenen Oberfläche, montiert werden. Die Oberfläche kann insbesondere eine betonierte Oberfläche sein. Weiter kann die Anlage durch passende Teile, beispielsweise Eisenbögen und/oder Schrauben hergestellt werden.
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Je nach Anordnung der Anlage kann es notwendig sein, eine Vertiefung in der ebenen Oberfläche vorzusehen, in der oder durch die sich freie Enden des Spitzengewichtsträgers 2 bei der Drehung frei bewegen können.
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Somit ist eine Anlage beschrieben, bei der zwei für Windkraftanlagen geeignete Generatoren 1 gegenseitig mit einem passenden Abstand platziert werden. Dazwischen wird ein weiteres Getriebe 4 montiert, wobei eine Welle 6, die durch das weitere Getriebe 4 durchgeht, mit den Generatoren 1 verbunden wird. Jeder Generator 1 wird mit einem Spitzengewichtsträger 2 bestückt, der einen Ersatz für Rotorblätter bildet. Weiter wird eine Bogenwelle 3 an dem Spitzengewichtsträger 2 montiert. Weiter wird ein Kreuzgelenk 5 und eine Kardanwelle 7 mit passender Länge an einem Getriebe 8 und somit dem Motor 9 befestigt.
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Somit kann die erläuterte Anlage z. B. mit einem Lastwagenmotor betrieben werden, beispielsweise indem eine gewünschte Drehzahl erreicht und eingestellt wird. Mit der Anlage kann auf Dauer oder mit Pausen Strom produziert werden. Möglich ist eine einmotorige Anlage mit einem Generator 1, eine einmotorige Anlage mit zwei Generatoren 1 oder eine einmotorige Anlage mit vier Generatoren 1.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Windgenerator
- 2
- Spitzengewichtsträger
- 3
- Bogenwelle
- 4
- weiteres Getriebe
- 4a
- Ausgangswelle
- 4b
- Eingangswelle
- 5
- Kreuzgelenk
- 6
- Welle
- 7
- Kardanwelle
- 8
- Getriebe
- 9
- Motor
- 10
- Gewicht
- 11
- zentraler Abschnitt
- 12
- stabförmiges Element
- 13
- zentraler Abschnitt
- 14
- Antriebswelle
- 15
- Verbindungsabschnitt
- 16
- Befestigungselement
