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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit mindestens einem Windrad für ein Windkraftmodul zur Erzeugung von elektrischer Energie durch Ausnutzung der auf das Windrad einwirkenden Windkraft zum Aufladen von Akkupacks als Zwischenspeicher um einen gleichmäßigen Stromfluss für den Betrieb von Kleingeräten mit geringem Strom- bzw. Spannungsbedarf zu gewährleisten, umfassend ein Windrad mit einer Vielzahl von Rotorblättern, einen Rotor und einen Stator, die über eine Achse mit dem Windrad axial wirkverbunden sind.
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Aus der Druckschrift
DE 20 2007 012 778 U1 ist eine Anlage gemäß dem Oberbegriff bekannt. Die dort beschriebene Anlage macht sich das Energieangebot der Natur aus Sonne, Wind und Niederschlag für Heizzwecke zunutze. Dazu ist es vorgesehen, dass durch eine Vielzahl von einzelnen Modulen ein kombinierter Wind-Energie-Block in beliebiger Länge und Höhe zusammengestellt werden kann.
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Aus der Druckschrift
GB 2 176 850 A ist ein Windenergiekonverter bekannt, bei dem auf einem Gerüst eine Windturbine in axialer Richtung zum Gerüst drehbar angeordnet ist.
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Die Druckschrift
DE 10 2014 115 001 A1 offenbart eine Windkraftanlage mit vertikaler Drehachse, bei der der Stator mittels eines Statorgrundgerüst aus mindestens zwei bauglichen Segementbauteilen zusammengesetzt werden kann.
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Die Druckschrift
DE 10 2013 105 475 U1 offenbart ebenfalls eine Windkraftanlage mit einem Rotor der drehbar um eine vertikale Drehachse gelagert ist und dem mehrere Rotorflügel zugeordnet sind und einen, mit mehreren feststehenden oder beweglichen Statorblättern versehenden, um den Rotor herum angeordneten, Stator.
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Nachteilig dabei sind die Anschaffungs- und Betriebskosten für eine derartige Anlage, so dass der betriebswirtschaftliche Nutzen den Wert der erzeugten Energie bei weitem aufbraucht.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die gattungsgemäße Vorrichtung in Aufbau und Ausführung zu vereinfachen, sowie die Fertigungs- und Betriebskosten wesentlich zu verringern. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, den Wirkungsgrad der Vorrichtung zu erhöhen und für eine modulare Kleinstanlage wirtschaftlich anwendbar zu machen. Unter Kleinstanlage wird dabei erfindungsgemäß eine Anlage verstanden, die aus einer Vielzahl, aber mindesten zwei, von zusammengeschalteten und elektrisch untereinander verbundenen erfindungsgemäßen Vorrichtungen besteht.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1, insbesondere dadurch, dass das Windrad aus einem im wesentlichen kreisrunden Ring besteht an dessen Außenseite mit einem Winkel von 30° bis 50°, bevorzugt 45°, radial umlaufend wenigstens acht Rotorblätter einstückig und in Abhängigkeit von der Bauhöhe des Rings bündig angeformt sind und wobei ein Strömungsleitelement, das in Einbaulage senkrecht auf dem Ring angeordnet ist, und das Strömungsleitelement mit wenigstens vier der Rotorblätter mit jeweils über den Außendurchmesser des Rings hinausragenden Überständen einstückig verbunden sind.
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Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, ist es vorgesehen, dass in Verlängerung der Drehachse des Rotors eine Verbindungsfläche vorgesehen ist, von der aus sich die Strömungsleitelemente in gerader Richtung, sternenförmig radial nach außen hin erstrecken.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, ist es vorgesehen, dass der Rotor und Stator zusammen mit dem Rahmen in der Art eines Axiallüfters ausgebildet sein kann. Derartige Axiallüfter finden beispielsweise Verwendung in der Computerhardware, wo sie als Gehäuse- oder CPU-Lüfter Verwendung finden.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass die Anzahl der Strömungsleitelemente der Anzahl der Rotorblätter des Rotors entspricht, wobei die Strömungsleitelemente in Einbaulage senkrecht und in axialer Richtung von Rotor und Stator angeordnet sind.
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Gemäß einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es vorgesehen, dass der Umfang des Strömungselements mindestens dem Umfang der Rotorblätter entspricht und die Bauhöhe der Strömungsleitelemente des Strömungselements gegenüber der Bauhöhe der Rotorblätter in Einbaulage senkrecht und in axialer Richtung von Rotor und Stator ein Verhältnis von 2:1 aufweisen.
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In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es vorgesehen, dass das Strömungselement starr mit dem Rahmen verbunden ist, und die Rotorblätter gegenüber dem Strömungselement frei drehbar sind.
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In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es vorgesehen, dass das Strömungselement am Rahmen arretiert werden kann und auf den Rotor mittels einer Kupplung aufschaltbar ausgebildet ist, sodass nach Lösung der Arretierung eine synchrone Drehbewegung in Axialer Drehrichtung von Strömungselement und Rotor ermöglicht wird.
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Um die Stromerzeugung zu erhöhen ist es in einer Ausführungsform vorgesehen, die Vorrichtung mit einer Vielzahl von artgleichen Vorrichtungen in Reihe oder parallel zu schalten, wobei die Vorrichtungen untereinander mittels Steckverbindungen beliebig gekoppelt werden können.
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Zum Anschluss der Vorrichtungen an einen Verbraucher oder an eine Energiespeichereinrichtung (Batterie bzw. Akkumulator) ist es in einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform vorgesehen, dass mindestens einer Vorrichtung eine Schnittstelle zur Stromübertragung zugeordnet sein kann. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Schnittstelle in der Art eines USB- oder Mini-USB Anschlusses ausgebildet ist.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es vorgesehen, dass die miteinander zu einer Kleinstanlage verbundenen Vorrichtungen auf einem vorkonfektionierten und/oder genormten Grundelement zugeordnet werden können, auf dem sie durch entsprechende Einrastmittel festgelegt werden können. Hierbei ist es des Weiteren vorgesehen, dass die Architektur der aus einer Vielzahl von Vorrichtungen gebildeten Kleinstanlage auf dem Grundelement frei gewählt werden und quasi nach dem Baukastenprinzip beliebig untereinander gekoppelt werden können. Die so ausgebildeten Kleinstanlagen können des Weiteren in modularer Bauweise zu einem Größeren Modul gekoppelt werden. Das umfasst auch die Möglichkeit einer elektrischen Kopplung einer Vielzahl von Modulen.
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Hierzu ist es vorgesehen, dass die Vorrichtungen von dem Grundelement gelöst werden können und wieder in beliebiger Anordnung und Ausrichtung mit dem Grundelement verbunden werden können. Das Grundelement kann dabei sowohl zwei-dimensional als auch dreidimensional ausgebildet sein.
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In diesem Zusammenhang bedeutet „genormt“, dass das Grundelement in seiner Ausprägung in Höhe, Tiefe, Breite gemäß einer Norm entspricht, um die Kompatibilität beispielsweise an DIN- oder ISO- Normen zu erleichtern.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es vorgesehen, dass die Klemmmittel als Vaterteil, die dem Rahmen der Vorrichtung zugeordnet und als Mutterteil, die dem Grundelement zugeordnet sind, ausgebildet sind, wobei hierdurch eine lösbare Verbindung beliebiger Länge ausbildet werden kann.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erdfindungsgemäßen Windrades, ist es vorgesehen, dass der Überstand (Überhang) des jeweiligen Strömungsleitelements (also der Teil des Strömungsleitelements, dessen Windleitfläche über den Umfang des Ringes, an dem die Rotorblätter angeordnet sind, hinausragt) in Einbaulage aus der Senkrechten in einem Winkel in das Rotorblatt übergeht, der dem Winkel entspricht mit dem die Rotorblätter radial außen am Umfang des Ringes angeordnet sind.
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Das Strömungsleitelement besteht aus vier im rechten Winkel zueinander angeordneten Windleitflächen, an dessen Schnittstelle bzw. Schnittflächen senkrecht und in axialer Richtung über die gesamte Bauhöhe des Strömungsleitelements eine Führung vorgesehen ist. Die Führung kann hohl ausgebildet sein und zur Aufnahme einer Achse dienen, mit der das Windrad drehbar mit einem Rotor einer Dynamoeinheit wirkverbunden werden kann. Das Windrad ist dabei fest mit der Drehachse in der Führung verbunden beispielsweise durch Presspassung, bei der die Drehachse das Windrad in der Führung klemmgehalten wird.
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Es hat sich in vielen Versuchen gezeigt, dass das Verhältnis der Bauhöhe des Strömungsleitelements zur Bauhöhe des Rings idealerweise in einem Verhältnis von 2:1 zueinander betragen sollte, um den besten Wirkungsgrad des Windrades bei mittleren Geschwindigkeiten von bis zu 26 Km/h zu erreichen. Diese Geschwindigkeiten werden durch Fahrräder, insbesondere Lastenräder mit und/ohne zusätzlichen elektrischen Hilfsantrieb erreicht. Was vornämlich der angedachte Einsatzzweck des Windrades sein soll.
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Der Wirkungsgrad des Windrades wird auch dadurch erhöht, wenn die Rotorblätter radial außen so am Ring angeordnet sind, dass sie mit diesem in Einbaulage oben und unten bündig abschließen. Das Strömungsleitelement kanalisiert dabei den Fahrtwind und leitet diesen auf die Rotorblätter, wobei hierdurch das Windrad in eine axiale Rotationbewegung versetzt wird. Um die Aerodynamik des Windrades zu verbessern wird die überschüssige Wind- bzw. Luftmasse, kanalisiert durch die Windleitflächen, durch die Innenseite des Ringes in Fahrtrichtung nach hinten abgeführt.
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Vorteilhaft hierbei ist, dass das gesamte Windrad aus einem Stück besteht, quasi einstückig ausgebildet ist. Hergestellt werden kann das Windrad mittels des 3d-Druckerverfahrens oder mittels des Spritz- oder Druckgussverfahren. Das Windrad kann aus einem thermoplastischen Kunststoff oder einem Leichtmetall bestehen.
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Das Windrad soll als Antriebseinheit für ein Akkuladegerät dienen. Durch seine modulare Bauweise ist es möglich eine Vielzahl von Windrädern zu einer Minikraftanlage zusammenzuschalten.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand einer beispielhaften Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
- 1 Die schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Draufsicht;
- 2 die schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer teilweisen geschnittenen Seitenansicht;
- 3 die schematische Darstellung der Verbindung einer Vielzahl erfindungsgemäßer Vorrichtungen und Anordnung dieser auf einem Grundelement;
- 4 eine Darstellung der Ansicht in der Ausführungsform gemäß 3 in einer schematischen Darstellung in Draufsicht;
- 5 die schematische Darstellung eines Rahmens zur Aufnahme einer Vielzahl von Vorrichtungen in einer Reihenanordnung in einer Draufsicht;
- 6 eine isometrische Darstellung einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Windrades in einer einstückig ausgeführten Ausführungsform.
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Die in den 1 und 2 dargestellte Vorrichtung 10 besteht im Wesentlichen aus einem Rotor 11 und einem Stator 12, die relative zueinander in axialer Richtung drehbeweglich miteinander verbunden sind. Dem Rotor 11 sind gleichmäßig, an dessen äußeren Umfang 13, Rotorblätter 14 zugeordnet.
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Der Übersichtlichkeit halber ist in den Figuren lediglich ein Rotorblatt mit dem entsprechenden Bezugszeichen versehen worden. Im Weiteren werden artgleiche Merkmale, insofern sie in einer der Figuren als Vielzahl dargestellt sind mit nur einem Bezugszeichen angegeben.
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Gelagert wird der Rotor 11 in dieser Ausführungsform mittels einer kugelgelagerten Aufnahme 14 in der die mit dem Rotor 11 verbundene Achse 16 drehbeweglich gelagert ist.
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Die Achse 16 bildet auch eine Aufnahme zur axialen Ausrichtung eines Strömungselements 17 aus. Das Strömungselement 17 weist in dieser Ausführungsform eine Vielzahl von, um die Achse 16 radial nach außen weisende Strömungsleitelemente 18 auf. In dieser Ausführungsform ist es vorgesehen, dass das Strömungselement 17 mit der Achse 16 verbunden ist und sich zusammen und synchron mit dem Rotor 11 in axialer Richtung drehbeweglich ist. In einer anderen Ausführungsform kann das Strömungselement 17 über die Strömungsleitelemente 18 mit einem Rahmen 19 fest verbunden sein. In diesem Fall ist das Strömungselement 17 um die Achse 16 drehbeweglich ausgebildet.
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Die 3 und 4 zeigen eine Vielzahl von erfindungsgemäßen Vorrichtungen 10, die in einer Reihe auf einem Grundelement 20 angeordnet sind und zwar einmal in einer Seitenansicht gemäß 3 und zum anderen in einer Draufsicht gemäß 4. Die Vorrichtungen 10 sind untereinander elektrisch verbunden und können über Klemmmittel (Steckverbindungen) lösbar mit dem Grundelement 20 verbunden werden. Denkbar sind auch Schraubverbindungen und/oder Klebeverbindungen, mit der eine Vielzahl der Vorrichtung 10 kostengünstig mit dem Grundelement 20 verbunden werden kann.
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Angedacht sind auch vorkonfektionierte Leiterplatinen bei denen die elektrischen Anschlüsse bereits im Grundelement 20 angeordnet sind. Quasi als sog. „Plug and Play“ Ausführung, kann dabei eine Vielzahl von Vorrichtungen 10 an entsprechend vorkonfektionierten Steckplätze 21 eingesteckt werden.
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Die 5 zeigt eine Ausführungsform eines möglichen Rahmens 19 mit einer Vielzahl von Öffnungen 22 in die beispielsweise die Aufnahme 15 einführbar ist und so die Vorrichtung 10 im Rahmen 19 gehalten werden kann. Der Rahmen 19 wiederum kann über weitere Steckverbindungsöffnungen 23 mit dem Grundelement 20 festgelegt werden.
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Zum Verbinden der in Reihe geschalteten Vielzahl der Vorrichtung 10 ist eine Steckverbindung in der Art eines USB- Anschluss 24 vorgesehen. Über den USB-Anschluss 24 lassen sich auch Informationen zu Drehzahl von Rotor 11 und der elektrischen Leistung der Vorrichtung 10 über entsprechende Steuer- und Regelmittel (nicht dargestellt) abrufen.
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Es sei an dieser Stellen angemerkt, dass der Übersichtlichkeit halber die Bezugszeichen für die 6 für eine Vielzahl gleicher Merkmale nur einmal angegeben ist.
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Das in der 6 dargestellte Windrad 9 stellt eine besonders bevorzugte Ausführungsform dar. In dieser Ausführungsform umfasst das Windrad 9 einen Ring 26, der im Wesentlichen kreisrund ist. An der Außenseite 27 des Rings 26 sind eine Vielzahl von Rotorblättern 14 radial außen umlaufend angeformt. Die Rotorblätter sind in Einbaulage mit einem Winkel von 30 bis 50°, bevorzugt mit 45° am Ring 26 angeordnet. Vorteilhaft hierbei ist, dass das gesamte Windrad 9 aus einem Stück besteht, quasi einstückig ausgebildet ist.
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Hergestellt werden kann das Windrad 9 mittels des 3d-Druckerverfahrens oder mittels des Spritz- oder Druckgussverfahren. Das Windrad 9 kann aus einem thermoplastischen Kunststoff oder einem Leichtmetall bestehen.
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In vielen Versuchen hat sich gezeigt, dass acht Rotorblätter 14 einen idealen Kompromiss zwischen Ausnutzung der Windkraft und Umsetzung in kinetischer Arbeit und Überführung dieser kinetischen Arbeit in elektrischer Energie darstellt.
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Der Ring 26 und die Rotorblätter 14, sowie die Windleitflächen 30 des Strömungsleitelements 18 sind zusammen einstückig ausgeformt. Die Rotorblätter 14 sind radial außen so am Ring 26 angeordnet, dass sie mit diesem in Einbaulage oben und unten bündig abschließen, quasi die Bauhöhe B1 des Ringes 26 nicht überragen. Der Wirkungsgrad des Windrades 9 wird durch diese Maßnahme vorteilhaft erhöht. Das Strömungsleitelement 18 kanalisiert ferner den Fahrtwind (Wind) und leitet diesen auf die Rotorblätter 14, wobei hierdurch das Windrad 9 in eine axiale Rotationbewegung versetzt wird. Um die Aerodynamik des Windrades 9 zu verbessern wird die überschüssige Wind- bzw. Luftmasse, kanalisiert durch die Windleitflächen 30, durch die Innenseite des Ringes 26 in Fahrtrichtung nach hinten abgeführt. Es wird hier von Fahrtwind und Fahrtrichtung gesprochen, da der Haupteinsatzzweck des Windrades 9, wie oben bereits erwähnt, die Anwendung im Zusammenhang mit einem Energieerzeugungsmodul für Einspurfahrzeugen (Fahrräder) zum Aufladen von Akkupacks, vorgesehen ist.
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Das Windrad 9 umfasst also einen im wesentlichen kreisrunden Ring 26, an dessen Außenseite 27, mit einem Winkel von 30° bis 50°, bevorzugt 45°, radial umlaufend wenigstens acht Rotorblätter 14 einstückig und in Abhängigkeit von der Bauhöhe B1 des Rings 26 bündig angeformt sind.
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Wie die 6 weiter zeigt, besteht das Strömungsleitelement 18 im Wesentlichen aus vier im rechten Winkel zueinander angeordneten Windleitflächen 30, an dessen Schnittstelle 31 senkrecht und in axialer Richtung über die gesamte Bauhöhe B2 des Strömungsleitelements 18 eine Führung 32 vorgesehen ist, die zur Aufnahme einer Achse (nicht dargestellt) dient mit der das Windrad 9 drehbar mit Rotor und Stator einer Dynamoeinheit (nicht dargestellt) in Wirkverbindung gebracht werden kann.
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Das Strömungsleitelement 18, das in Einbaulage senkrecht auf dem Ring 26 angeordnet ist, ist mit wenigstens vier Rotorblättern 14 mit jeweils über den Außendurchmesser des Rings 26 hinausragenden Überständen 29 einstückig mit diesen verbunden. Die Überstände 29 sind Teil der Windleitfläche 30 die das Strömungsleitelement 18 bilden.
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Der Überstand 29 (bzw. die vier Überstände) der Windleitflächen 30 gehen dabei aus der senkrechten Einbaulage des Strömungsleitelements 18 in einem Winkel in vier der Rotorblättern 14 über, der dem Winkel entspricht mit dem die Rotorblätter 14 radial außen am Umfang des Ringes 26 angeordnet sind.
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Es hat sich in Versuchen gezeigt, dass der beste Wirkungsgrad des Windrads 9 dann erreicht wird, wenn das Verhältnis der Bauhöhe B2 des Strömungsleitelements 18 zur Bauhöhe B1 des Rings 28 im Verhältnis zueinander 2:1 beträgt. Dabei sind entsprechend der Anzahl an Windleitflächen 30 vier der Übergänge 29 einstückig mit vier entsprechenden Rotorblättern 14 verbunden. Jeder der Übergänge 29 ist somit auch ein Teilbereich des entsprechenden Rotorblattes 14, welches wiederum ein Teilbereich der entsprechenden Windleitfläche 30 des Strömungsleitelements 18 bildet.
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Bezugszeichenliste
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- 9
- Windrad
- 10
- Vorrichtung
- 11
- Rotor
- 12
- Stator
- 13
- äußerer Umfang
- 14
- Rotorblätter
- 15
- Aufnahme
- 16
- Achse
- 17
- Strömungselement
- 18
- Strömungsleitelement
- 19
- Rahmen
- 20
- Grundelement
- 21
- Steckplätze
- 22
- Öffnungen
- 23
- Steckverbindungsöffnungen
- 24
- Anschluss (USB-Anschluss)
- 25
- freies Ende
- 26
- Ring
- 27
- Außenseite
- B1
- Bauhöhe Ring
- B2
- Bauhöhe Strömungsleitelement
- 29
- Überstand
- 30
- Windleitfläche
- 31
- Schnittstelle Windleitfläche
- 32
- Führung Strömungsleitelement
