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Die Erfindung betrifft eine Ladevorrichtung zum Laden von Akkumulatoren-Batterien mit Fühlerwiderständen, einem Schalter zum Unterbrechen der Zufuhr von Energie, einem Ladespannungserkenner zum Erkennen einer vorbestimmten Spannung und eines vorbestimmten Stroms zum Erkennen der Ladekapazität der Batterie und mit einem Generator, dessen Welle über einen Antrieb bewegbar ist.
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Bei benzin- oder dieselbetriebenen Fahrzeugen verfügt der Motor über eine Welle, auf der ein Luftrad angeordnet ist, über das frische und kühle Luft dem Motor zugeführt wird, um hier zu kühlen. Darüber hinaus gibt es Antriebsmotoren, die wassergekühlt werden, was auch für Elektromotoren möglich ist, wobei auch hier luftgekühlte Motoren in der Überzahl sind. Neben den bekannten Fahrzeugmotoren, die mit Benzin oder Diesel angetrieben werden, werden auch immer mehr über einen Elektromotor angetriebene Fahrzeuge gekauft und eingesetzt. Bei den bekannten E-Fahrzeugen ist die geringe Reichweite der zum Einsatz kommenden Batterien von erheblichem Nachteil. Die Firma Tesla setzt mittlerweile Batterien ein, die immerhin eine Reichweite von rund 600 Kilometern aufbringen, kleinere Fahrzeuge aber können alleine schon die damit relativ großen Batterien nicht aufnehmen und können daher nur mit einer deutlich geringeren Reichweite eingesetzt werden. Die Reichweite wird u.a. dadurch belastet, dass es zahlreiche Stromabnehmer im Fahrzeug gibt, wie beispielsweise Fensteranheber und Ähnliches. Man setzt zwischenzeitlich dafür zwar gesonderte Batterien ein, wobei aber immer mit dem Problem zu kämpfen ist, dass rechtzeitig eine Ladestation erreicht werden muss, um die Batterien wieder aufzuladen. Die zum Einsatz kommenden Elektromotoren zeigen mehrere Vorteile gegenüber kraftstoffbetriebenen Motoren auf mit beispielsweise weniger Einzelteilen, Motoren, die leistungsstark sind und in beiden Richtungen betrieben werden können sowie Nachlademöglichkeiten beispielsweise durch Ausnutzung der Bremsenergie. Weitere bekannte Maßnahmen zur Reichweitenvergrößerung derartiger E-Fahrzeuge sind der Hybridantrieb, die Brennstoffzelle, Batterieanhänger sowie Solarzellen, die beispielsweise auf das Dach montiert sind.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine die Reichweite üblicher Batterien deutlich erhöhende interne Ladevorrichtung zu schaffen, und zwar so, dass das Äußere des Fahrzeuges praktisch unbeeinflusst bleibt.
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Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dass die in einem Fahrzeug angeordnete Batterie zusätzlich oder nur mit einem Zweitgenerator verbunden ist, dessen Antriebswelle an ein durch den Fahrwind antreibbares Windrad mit horizontaler Achse angekoppelt und darüber antreibbar ist. Mit einer solchen Zusatzladevorrichtung ist es möglich, entweder die Batterie selbst oder die zusätzliche Batterie oder beide während des Fahrens kontinuierlich nachzuladen, so dass damit die gesamte Reichweite eines derartigen Fahrzeuges wesentlich erhöht wird. Bei einem solchen Fahrzeug kann es sich um einen PKW, einen LKW oder auch eine Lokomotive handeln. Die dabei benutzte Windenergie ist die kinetische Energie bewegter Luft. Bei der Umwandlung in elektrische Energie durch ein Windrad muss die Energie des Windes über die Rotorblätter zunächst in mechanische Rotationsenergie gewandelt werden, die dann über einen Generator elektrischen Strom liefert. Die Wandlung der kinetischen Energie des Windes in elektrische Energie unterliegt, wie alle Energieumwandlungen, energetischen Verlusten. Rein physikalisch kann dem Wind nicht mehr als rund 59% der Leistung entnommen werden. Hinzu kommen aerodynamische Verluste durch Reibung und Verwirbelung am Rotorblatt, durch Reibung in den Lagern und Getrieben sowie im Generator. Es bleiben rund 40% der Leistung, die dem Wind entnommen werden können, doch macht sich dies bei dem Wiederaufladen der Fahrzeugbatterie deutlich bemerkbar. Der Wind wird nicht um das Fahrzeug herumgeleitet, sondern strömt gezielt „in“ das Fahrzeug und wird dort zum Antrieb des oder der Windräder benutzt. Zwar wird ein Teil der gewonnenen Energie auch noch zum Ausgleich des geringen Bremseffektes der Windräder genutzt, es bleibt aber so viel an gewonnener Energie übrig, dass damit ein Nachladen der Batterien möglich ist.
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Nach einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Windrad mit Zweitgenerator seitlich des Elektromotors mit Rotor im Motorraum angeordnet und über eine Verkabelung mit der Batterie verbunden ist. Der Elektromotor ist i.d.R. im Bereich der Vorderachse oder auch der Hinterachse des Fahrzeugs angeordnet, während die schwere Batterie meist der Hinterachse zugeordnet ist. Über eine einfache Verkabelung sind Elektromotor und Batterie verbunden, aber eben auch Zweitgenerator und Batterie. Beim Elektromotor ist der Vorteil, dass er verhältnismäßig klein baut, so dass letztlich auf beiden Seiten dieses Elektromotors Platz bleibt, um das Windrad oder Windräder mit Zweitgenerator anzuordnen, wobei dies aber nicht nur auf den eigentlichen Motorraum beschränkt ist, sondern entsprechende Windräder mit Zweitgenerator können auch verteilt im weiteren Bereich des Fahrzeuges unterhalb oder oberhalb angeordnet werden.
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Nach einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein oder mehrere Windräder mit Zweitgeneratoren hinter Seitenöffnungen neben dem Kühlergrill im Motorraum angeordnet und mit der Batterie verbunden sind. Während die Kühlung für den Kühlergrill und damit des Elektromotors und der sonstigen Teile der Antriebsanlage wie üblich vorgesehen ist, sollen also für die Windräder mit den Zweitgeneratoren gesonderte Seitenöffnungen vorgesehen werden, um von vornherein diese mit der vollen Windenergie zu beaufschlagen. Sie sollen den strömenden Wind aufnehmen und in elektrische Energie umwandeln.
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Eine weitere zweckmäßige Ausbildung sieht vor, dass vor dem Windrad ein leicht trichterförmiges Luftführungsrohr zur Erhöhung und/oder Vergleichmäßigung der Luftgeschwindigkeit angeordnet ist. Über ein solches Luftführungsrohr soll und wird erreicht, dass das jeweilig zugeordnete Windrad gezielt mit der Windenergie beaufschlagt wird, ohne dass es seitlich davon oder während des Strömungsweges zu nachteiligen Verwirbelungen kommen kann. Denkbar ist es dabei, dass das leicht trichterförmige Luftführungsrohr im Bereich des Kühlergrills durchaus eine Art trompetenförmige Erweiterung aufweisen kann, doch soll es dann wie schon erwähnt nur leicht sich verengend bis zum Windrad geführt bzw. ausgebildet werden.
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Wie weiter vorne erwähnt, können Windräder auch im weiteren Bereich des Fahrzeuges untergebracht und zum Arbeiten gebracht werden. Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass das Fahrzeug einen Doppelboden aufweist, dessen Frontseite und Rückseite mit Öffnungen ausgerüstet ist, die verschließbar ausgebildet sind, wobei von der Frontseite bis zum Windrad die Seitenwände trichterförmig ausgebildet sind. Auch hierbei soll durch die Trichterform sichergestellt werden, dass der ankommende Wind gezielt auf das Windrad aufgebracht wird, um so eine möglichst günstige Ausbeute sicherzustellen. Der Doppelboden stabilisiert das Fahrzeug vorteilhaft und bietet die Möglichkeit, den Wind gezielt aufzufangen und dem oder den Windrädern zuzuführen, wobei durch das verschließbare Ausbilden der Öffnungen die Möglichkeit besteht, beispielsweise zu Beginn der Fahrt eines solchen Autos die Windräder noch ruhen zu lassen und erst mit Wind zu beaufschlagen, wenn dieser mit der nötigen Energie auf die Windräder auftrifft.
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Eine hierzu vorgesehene Weiterentwicklung sieht vor, dass die Anlage von dem oder einigen Windrädern vertikal angeordnet ist. In der Regel ist die horizontale Anordnung der Achsen vorteilhafter, jedoch kann bei dem in der Höhe begrenzten Doppelboden mit waagerecht liegenden Windrädern optimal gearbeitet werden.
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Gemäß der Erfindung besteht weiter die Möglichkeit, dass das Fahrzeug über ein Dach mit einem Hohlraum verfügt, in dem ein oder mehrere Windräder mit vertikaler oder senkrechter Achse angeordnet sind. Ähnlich wie beim Doppelboden ist hier ein Doppeldach vorgesehen, in dessen Hohlraum dann die Windräder angeordnet werden können, wobei auch hier wiederum zweckmäßigerweise Öffnungen vorgesehen sind, die verschließbar ausgebildet sind.
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Unter den Problemen der Ausnutzung der Windenergie ist bereits darauf hingewiesen worden, dass Verluste beispielsweise durch die Reibung in den Lagern von Getriebe und Generator auftreten können, wobei man insbesondere die Reibung in den Lagern nach der Erfindung so ausbilden soll, dass diese in Grenzen gehalten wird, weshalb erfindungsgemäß vorgeschlagen ist, dass das Windrad als Leichtläufer ausgebildet ist.
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Es ist bekannt, dass die horizontal angeordneten Achsen vorteilhafter sind, als die vertikal angeordneten. Weiter ist insbesondere bei großen Windenergieanlagen der Einsatz von zwei oder drei Rotorblättern üblich. Auch bei der erfindungsgemäßen Ausbildung der Ladevorrichtung ist es vorteilhaft und erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Windrad drei Rotorblätter aufweist, die mittig verdickt und insgesamt verwunden ausgebildet sind, so dass die anströmende Luft bzw. der anströmende Wind hier optimal seine Energie auf das drehende Windrad übertragen kann.
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Weiter vorne ist vorgeschlagen worden, dem jeweiligen Windrad ein Luftführungsrohr vorzuordnen, um die gezielte Zuleitung des Windes zu erreichen. Gemäß der Erfindung ist weiter vorgesehen, dass dem Windrad ein Luftabführungsrohr nachgeordnet ist, das die Luftgeschwindigkeit nach Passieren der Rotorblätter wieder erhöhend ausgebildet ist. Durch die Leistungsentnahme sinkt bekannter Weise die Strömungsgeschwindigkeit. Die Luftpakete in Strömungsrichtung werden kürzer und die Stromlinien vergrößern ihren Abstand. Je stärker der Wind abgebremst wird, desto mehr strömt ungenutzt am Rotor vorbei. Um dieses zu verhindern, wird der Windrad-Wind wieder aufgefangen und gezielt abgeleitet, so dass es möglich ist, die weiter oben beschriebenen Nachteile zu vermeiden, d.h. die sich vergrößernden Stromlinien werden „ausgebremst“ und der Wind wieder so gebündelt, dass ein gewisser positiver Effekt auftritt.
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Bei den bekannten Elektromotoren für den Antrieb von Fahrzeugen wird der auf die Front des Fahrzeuges auftreffende Wind über den Kühlergrill am Rotor und ggf. Generator vorbeigeführt, um hier die überflüssige Wärme abzuführen. Bei der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass das Windrad, dem die Windenergie schon entnommen worden ist, zum Kühlen des Zweitgenerators und/oder anderer Generatoren, ggf. auch des eigentlichen Elektromotors verwendet wird. Das Windrad ist also so ausgeführt, dass die daran vorbeistreichende Luft anschließend zum Kühlen weiterer Aggregate verwendet werden kann. Dabei ist die gezielte Abführung des Windes durch das Luftabführungsrohr vorteilhaft.
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Der Kühlergrill bei bekannten Fahrzeugen ist so ausgebildet, dass zumindest grober Schmutz und beispielsweise von den Bäumen herabfallendes Laub nicht in den Motorraum eindringen kann. Dies ist auch für die trompetenförmigen Enden des Luftführungsrohres vorgesehen. Darüber hinaus kann es auch zweckmäßig sein, dem Windrad oder dem Luftführungsrohr einen Staubfilter im Abstand vorzuordnen. Damit ist die Möglichkeit gegeben, dem anströmenden Wind alle die Partikel zu entnehmen, die entweder dem Windrad selbst oder den zu- oder nachgeordneten Aggregaten gefährlich werden könnten. Hier darf nicht vergessen werden, dass insbesondere bei schnell fahrenden Fahrzeugen der Wind mit erheblicher Geschwindigkeit und erheblichem Druck auf das Fahrzeug und auch auf die beschriebenen Öffnungen auftrifft. Dabei sollte der Staubfilter so ausgebildet sein, dass er nicht allzu viel kinetische Energie dem anströmenden Wind entzieht; denkbar ist es, die im Staubfilter verbleibenden Öffnungen dem Wind wieder zusätzliche Strömungsgeschwindigkeit gebende Form zu geben.
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Um sicher zu sein, dass möglichst wenig Luft ungenutzt am Rotor des Windes vorbeistreicht, sieht die Erfindung vor, dass das nachgeordnete Luftabführungsrohr die Rotorblattspitzen umfassend ausgebildet ist. Dies bedeutet, dass die Enden der Rotorblätter möglichst dicht an der Wandung des Luftabführungsrohres vorbeigeführt werden. Die Strömungslinien werden also zwangsweise zusammengehalten.
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Sowohl durch die Anordnung und Ausbildung des Luftführungsrohres selbst, wie die Ausbildung der Wandung des nachgeordneten Luftabführungsrohres, das gemäß der Erfindung eine spiralförmige Luftsäule erzeugend ausgebildet ist, werden die Stromlinien des Windes bzw. der Luft zusammengehalten, wobei diese spiralförmige Luftsäule insbesondere dann eine Art Saugeffekt erzeugt, wenn am Ende die spiralförmige Luftsäule geformt wird, was durch die Ausbildung des Endstückes des Luftabführungsrohres durchaus möglich ist.
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Insgesamt allerdings sollte innerhalb des Luftabführungsrohres und auch des Luftführungsrohres die Entstehung von Luftwirbeln möglichst verhindert werden, was man gemäß der Erfindung dadurch erreicht, dass die Innenseite der Wandung vom Luftrührungsrohr und Luftabführungsrohr mit einer Luftwirbel verhindernden Beschichtung versehen ist. Denkbar ist dies beispielsweise auch, dass man die Form bzw. die Oberfläche der Wandung entsprechend formt.
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Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass mit Hilfe der besonderen Anordnung und auch Ausbildung von Windrädern eine Ladevorrichtung geschaffen wird, mit der der Fahrwind, insbesondere natürlich bei schneller fahrenden Fahrzeugen so ausgenutzt wird, dass ausreichend elektrische Energie übrig bleibt, um die bestehenden Batterien im Fahrzeug nachzuladen, so dass damit eine deutliche Vergrößerung der Reichweite derartiger Batterien möglich wird. Durch den einfacheren Aufbau elektrisch angetriebener Fahrzeuge bleibt genügend Raum im Motorraum, aber auch in anderen Bereichen des Fahrzeuges, um dort Windräder anzuordnen, die den vorbeistreichenden Wind ausnutzen, um daraus elektrische Energie zu gewinnen. Aufgrund der geringen Baumaße derartiger Windräder ist die Möglichkeit gegeben, mehrere solcher Windräder zum Einsatz zu bringen und auch in unterschiedlichen Bereichen des Fahrzeuges so anzuordnen, dass der vorbeistreichende Wind nicht nur in einem engen Bereich ausgenutzt wird, sondern gleich an mehreren Stellen des Fahrzeuges. Damit wird automatisch die Ausbeute an Windenergie deutlich vergrößert und damit auch die daraus gewonnene elektrische Energie. Vorteilhaft ist weiter, dass diese Lade- oder Zusatzladevorrichtung mit vorhandenen Elementen arbeitet und die Möglichkeit bietet, auch mit vorhandenen Batterien zu arbeiten, die mit der erfindungsgemäßen Zusatzladevorrichtung nachgeladen oder gar geladen werden. Bei Einsatz solcher Nachladevorrichtungen kann auch mit kleineren Batterien gearbeitet werden, was vor allem den Einsatz auch in kleinbauenden Fahrzeugen möglich macht. Die Verringerung der Batteriegröße bringt eine deutliche Gewichteinsparung, was zusätzlich zu einer Vergrößerung der Reichweite derartiger Fahrzeuge führt.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile des Erfindungsgegenstandes ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der zugehörigen Zeichnung, in der ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel mit den dazu notwendigen Einzelheiten und Einzelteilen dargestellt ist. Es zeigen:
- 1: ein von der Karosserie befreites Fahrzeug mit Batterie und Elektromotor,
- 2: die Zusatzladevorrichtung,
- 3: ein Windrad in Seitenansicht und
- 4: ein Fahrzeug mit Doppelboden und doppeltem Dach in vereinfachter Darstellung.
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1 zeigt ein Fahrzeug 1, das über einen Elektromotor 10 und Batterie 2 angetrieben wird. Die großbauende Batterie 2 ist der Hinterachse zugeordnet, während der Elektromotor 10 vorne noch vor der Vorderradachse angeordnet ist. Über die Batterieheizung 3 wird sichergestellt, dass ein gleichmäßiger Betrieb der Batterie 2 möglich ist. Mit 4 ist das Ladegerät für die Elektronik bezeichnet und mit 5 das Batteriemanagementsystem. Mit Bezugszeichen 6 ist die Verkabelung zwischen Batterie 2 und Elektromotor 10 gekennzeichnet. Diese Verkabelung 6 wird jetzt auch noch benutzt, um die verschiedenen Windräder 20, 23, 24 mit Zweitgeneratoren 15 mit der Batterie 2 zu verbinden. Die Elektronikbox 7, die Displaysysteme 8 und die Steuerbox 9 sind weitere Teile des Regelungssystems des Elektromotors 10. Mit 11 ist die Heizung bezeichnet, die eine Extrabatterie erfordert, um das Elektrofahrzeug auch im Winter mit der notwendigen warmen Luft zu versorgen. 12 ist eine Vakuumpumpe, die für verschiedene Aufgaben zum Einsatz kommt.
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Der auf das Fahrzeug 1 auftreffende Fahrwind 17 strömt am Elektromotor 10 vorbei und wird zum Betrieb der verschiedenen Windräder 20, 23, 24 ausgenutzt, wobei auch der Doppelboden 28 für die Lenkung des anströmenden Fahrwindes 17 mitverwendet wird. Der Hohlraum des Doppelbodens 28 verfügt an der Frontseite 29 über mehrere Öffnungen 31, 32, die verschließbar ausgebildet sind, während die Rückseite 30 ähnliche Öffnungen aufweist, die hier aber nicht zu sehen sind.
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Die Windräder 20, 23 verfügen über horizontale Achsen 21, auf denen ein Rotor 12 mit drei Rotorblättern 37, 38, 39 sitzt, um die horizontale Achse 21 anzutreiben. Die Windräder 20, 23 sind im Motorraum 19 untergebracht, oder aber auch im weiteren Teil des Fahrzeuges 1, quasi überall dort, wo der anströmende Fahrwind 17 noch ausgenutzt werden kann.
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2 zeigt eine solche Zusatzladevorrichtung 50 in vereinfachter Darstellung, wobei das Windrad 20 wie schon erwähnt drei Rotorblätter 37, 38, 39 aufweist und eine horizontale Achse 21, die praktisch die Antriebswelle 16 für den Zweitgenerator 15 ist. Die Verbindungslinie zwischen der Antriebswelle 16 und dem Zweitgenerator 15 ist hier vereinfacht durch das Bezugszeichen 16' gekennzeichnet. Die vom Windrad 20 aufgenommene und auf den Zweitgenerator 15 übertragene Windenergie wird in elektrische Energie umgewandelt und dann dem Laderegler 14 zugeführt. Von hier erfolgt die Aufladung bzw. Ladung der Batterie 2, wobei die notwendige Ersatzlast mit 18 gekennzeichnet ist.
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Ergänzend ist noch darauf hinzuweisen, dass das mit 24 gekennzeichnete dritte Windrad über eine vertikale Achse 34 verfügt, während die beiden anderen Windräder 23 eine horizontale Achse 21 aufweisen.
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Das in 3 gezeigte Windrad 20 ist eingefasst von einem Luftführungsrohr 27 bzw. Luftabführungsrohr 40. Die Innenseite 46 der Wandung 45 verfügt über eine besondere Beschichtung 44, um Verwirbelungen im Bereich der Wandung 45 des Luftabführungsrohres 40, aber auch der Wandung 43 des Luftführungsrohres 27 zu vermeiden. 2 macht deutlich, dass die Rotorblattspitzen 42 bis dicht an die Wandung 43 bzw. 45 heranreichen, um zu gewährleisten, dass die Stromlinien der vorbeistreichenden Luftpakete sich nicht weiter vergrößern können.
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3 verdeutlicht, dass das Luftführungsrohr 27 sich in Richtung Lufteintritt vergrößert, d.h. leicht trichterförmig ausgebildet ist. In diesem Luftführungsrohr 27 oder noch weiter davor ist ein Staubfilter 41 angeordnet, um größere Staubpartikel daran zu hindern, in den Bereich der Rotorblätter 37, 38 zu gelangen und hier Zerstörungen zu bewirken. Dieser Staubfilter 41 verfügt gezielt über Durchbrechungen 47, 48 um die Windenergie möglichst wenig negativ zu beeinflussen.
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Auch das sich an das Luftführungsrohr 27 anschließende Luftabführungsrohr 40 soll nicht parallel zueinander verlaufende Wandungen 43 aufweisen, nur dass hier der Trichterdurchmesser vom Windrad 20 zum Ausgang hin geringer wird. Damit wird erreicht, dass die Luftgeschwindigkeit quasi wieder erhöht wird, so dass eine Art Saugeffekt auftritt, um eine möglichst optimale Belastung des Windrades 20 bzw. dessen Rotorblätter 37, 38, 39 mit dem Wind sicherzustellen.
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4 schließlich soll noch darauf hinweisen, dass sowohl ein Doppelboden 28 wie auch ein doppelwandiges Dach 36 zum Einsatz kommen können, um hier die Windräder 20, 23, 24 anzuordnen. Die Seitenwände 33 des Doppelbodens 28 verlaufen wiederum leicht trichterförmig, um die Windgeschwindigkeit so weit wie möglich positiv zu beeinflussen. Auch das Dach 36 ist wie beschrieben mit Windrädern 20, 23, 24 ausgerüstet, um hier den vorbeistreichenden Fahrwind 17 aufnehmen und ausnutzen zu können.
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In 1 sind die zum Einsatz kommenden Luftführungsrohre 27 und Luftabführungsrohre 40 nicht gezeichnet, aber es ist angedeutet, dass durch Seitenöffnungen 25, 26 der Wind vorbeistreicht und durch entsprechende Ausbildung zum Antrieb der Windräder 20, 23, 24 benutzt werden kann.
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Alle genannten Merkmale, auch die den Zeichnungen allein zu entnehmenden, werden allein und in Kombination als erfindungswesentlich angesehen.
