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Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage.
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Aktuelle Windkraftanlagen bestehen aus einem Turm und daran angebrachten Rotoren, welche sich durch auf sie auftreffende Windströmung drehen. Durch einen damit verbundenen Generator wird Strom erzeugt.
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Da es immer noch Verbesserungsbedarf zur Gewinnung von elektrischer Energie aus Windenergie gibt, ist es eine Aufgabe dieser Erfindung, eine neuartige Windkraftanlage bereitzustellen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Vorgeschlagen wird eine Windkraftanlage, aufweisend ein Gestell, aufweisend eine als Luv-Seite dienende Vorderseite und eine dazu in einem Abstand davon gegenüberliegende, als Lee-Seite dienende Rückseite, eine Gestell-Oberseite und eine dazu gegenüberliegende Gestell-Unterseite, sowie eine linke und eine dazu gegenüberliegende rechte Seite, und ein Mitnahmemittel, und mehrere über das Mitnahmemittel miteinander gekoppelte Tragflächen, jeweils aufweisend eine zur Luv-Seite auszurichtende vordere Anströmkante, eine linke und eine rechte Außenseite und eine hintere Kante, sowie eine Tragflächen-Unterseite und eine Tragflächen-Oberseite. Jede Tragfläche weist an den Außenseiten auf: eine im Schwerpunkt der Tragfläche über eine mittlere Welle angeordnete mittlere Führungsrolle, eine in Bezug zur mittleren Führungsrolle in Richtung vordere Anströmkante oder hintere Kante versetzte Führungsrolle-Luv, welche in einem Abstand zur Tragflächen-Unterseite herausragt, und eine in Bezug zur mittleren Führungsrolle in Richtung hintere Kante bzw. vordere Anströmkante versetzte Führungsrolle-Lee, welche in einem Abstand zur Tragflächen-Oberseite herausragt, wobei die mittlere Führungsrolle weiter aus der Außenseite herausragt als die Führungsrolle-Luv und die Führungsrolle-Lee. Ferner sind mehrere Führungselemente zur Führung der Tragflächen von der Vorderseite über die Gestell-Oberseite, die Rückseite und Gestell-Unterseite wieder zur Vorderseite oder vice versa vorgesehen, aufweisend: eine an einem Außenbereich der linken Seite des Gestells umlaufend um das Gestell angeordnete linke Führungsschiene und eine parallel dazu an einem Außenbereich an der rechten Seite des Gestells umlaufend um das Gestell angeordnete rechte Führungsschiene, wobei jede der Tragflächen an ihren mittleren Führungsrollen mit der zugehörigen Führungsschiene in Eingriff ist, so dass die Tragflächen parallel zueinander angeordnet sind und mittels der Führungsschienen linear bewegt werden können. Ferner ist eine entlang der Luv-Seite und der Gestell-Unterseite angeordnete erste Tragflächen-Winkel-Führung und eine entlang der Lee-Seite und der Gestell-Oberseite angeordnete zweite Tragflächen-Winkel-Führung vorgesehen, wobei die Tragflächen an den Tragflächen-Winkel-Führungen derart angeordnet und geführt sind, dass ein Anströmwinkel der Tragflächen einstellbar ist. Ferner sind im Übergabebereich zwischen Gestell-Oberseite und Luv-Seite an der Tragflächen-Winkel-Führung angeordnete erste Führungen und im Übergabebereich zwischen Gestell-Unterseite und Lee-Seite an der Tragflächen-Winkel-Führung angeordnete zweite Führungen vorgesehen, die jeweils derart konstruktiv ausgeführt sind, um die Tragflächen im Übergang zwischen Luv-Seite und Lee-Seite und vice versa so zu drehen, dass ein Wechsel der mit der Tragflächen-Winkel-Führung in Eingriff stehenden Führungsrolle-Luv bzw. der Führungsrolle-Lee erfolgt, so dass auf der Luv-Seite und der Lee-Seite stets die vordere Anströmkante in Richtung Luv-Seite zeigt.
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Somit können die Tragflächen in linearer Bewegung entlang der Führungsschienen und in einem vorgegebenen Winkel in Bezug auf einen anströmenden Wind um das Gestell von der Vorderseite über die Gestell-Oberseite zur Rückseite, und über die Gestell-Unterseite wieder zur Vorderseite derart geführt werden, dass ihre vordere Anströmkante stets in Richtung Luv-Seite weist.
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Durch die vorgeschlagene neuartige Windkraftanlage kann eine effiziente Energiegewinnung erfolgen. Außerdem ist aufgrund des nicht benötigten Turms und der nicht vorhandenen Rotoren eine architektonische Integration z.B. in oder auf Gebäuden möglich.
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Des Weiteren ist vorgesehen, dass die Tragflächen-Winkel-Führungen in einem Abstand zu den zugehörigen Führungsschienen angeordnet sind und ferner horizontale Verschiebeelemente vorgesehen sind, durch welche die Tragflächen-Winkel-Führungen in horizontaler Richtung verschiebbar sind.
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Somit können der Anströmwinkel eingestellt und die resultierende Auf- bzw. Abtriebskraft der Tragflächen in linearer Richtung reguliert werden.
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Des Weiteren ist vorgesehen, dass die Tragflächen-Winkel-Führungen an einem Endbereich derart als gebogene Führung gebildet ist, dass eine aktuell in der Tragflächen-Winkel-Führung geführte Führungsrolle in Richtung der Führungsschienen geführt wird, wobei die Tragflächen dabei um einen vorgegebenen Winkel bis zu einer vorgegebenen Endposition gedreht werden, und wobei eine zugehörige Übergabe-Führung in einem Abstand zum Endbereich der zugehörigen Tragflächen-Winkel-Führung angeordnet ist und in Form einer S-Kurve derart gebildet ist, dass die neu in der Tragflächen-Winkel-Führung zu führende Führungsrolle in die Tragflächen-Winkel-Führung eingeführt wird.
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Durch die Übergabe-Führung wird erreicht, dass die Anströmkante der Tragflächen stets in Richtung Luv ausgerichtet sind.
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In einer Ausgestaltung sind eine Übergabe-Rolle-Luv und eine Übergabe-Rolle-Lee vorgesehen, die jeweils zwischen Tragfläche und Führungsrolle-Luv bzw. Führungsrolle-Lee angeordnet sind, und wobei ein gerades Stück in der gebogenen Führung und ein gerades Stück an der Übergabe-Führung vorgesehen sind. Ferner ist das gerade Stück in der gebogenen Führung derart angeordnet, dass es, nachdem eine Endposition der drehenden Bewegung erreicht wurde, in Eingriff mit der aktuellen Führungsrolle ist und die Tragfläche leitet, bis gleichzeitig die Übergabe-Rolle der neu zu führenden Führungsrolle mit dem geraden Stück der Übergabe-Führung im Eingriff ist, wobei die Übergabe-Rolle der neu zu führenden Führungsrolle dann mittels dem geraden Stück der Übergabe-Führung über die S-Kurve geführt wird, bis die neu zu führende Führungsrolle in Eingriff mit der Tragflächen-Winkel-Führung ist.
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Durch die Übergabe-Rollen kann eine sichere Übergabe der Führungsrollen in die Tragflächen-Winkel-Führung erreicht werden.
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Des Weiteren ist vorgesehen, dass die Tragflächen-Winkel-Führungen an einem Ausrichtbereich zwischen Gestell-Oberseite und Lee-Seite bzw. im Ausrichtbereich zwischen Gestell-Unterseite und Luv-Seite, an welchen keine Übergabe-Führung vorgesehen ist, derart in Form einer Kurve gebildet sind, dass die Anströmkanten der Tragflächen in Richtung Luv-Seite ausgerichtet werden und die aktuelle Führungsrolle weiterhin in der Tragflächen-Winkel-Führung geführt wird.
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Des Weiteren ist vorgesehen, dass eine Winkelstellung der Tragflächen auf der Lee-Seite in Bezug auf die Windrichtung derart ist, dass die Tragflächen Abtrieb erzeugen, und wobei eine Winkelstellung der Tragflächen auf der Luv-Seite in Bezug auf die Windrichtung derart ist, dass die Tragflächen Auftrieb erzeugen, oder vice versa, oder wobei eine Winkelstellung einer der Tragflächen auf einer der Seiten ist, dass keine Kraft auf sie einwirkt.
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Es können also verschiedene Winkelstellungen auf jeder Seite (Luv und Lee) eingestellt werden.
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Des Weiteren ist vorgesehen, dass im Falle, dass eine Winkelstellung der Tragflächen auf der Luv-Seite in Bezug auf die Windrichtung derart ist, dass die Tragflächen Auftrieb erzeugen, die Tragflächen-Winkel-Führungen außerhalb des Gestells angeordnet sind, und die Führungsrolle-Luv auf der Luv-Seite und die Führungsrolle-Lee auf der Lee-Seite eingreifen, und wobei im Falle, dass eine Winkelstellung der Tragflächen auf der Luv-Seite in Bezug auf die Windrichtung derart ist, dass die Tragflächen Abtrieb erzeugen, die Tragflächen-Winkel-Führungen innerhalb des Gestells angeordnet sind und die Führungsrolle-Lee auf der Luv-Seite und die Führungsrolle-Luv auf der Lee-Seite eingreifen.
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Je nachdem, ob auf der Luv-Seite Abtrieb oder Auftrieb erzeugt werden soll, ist also eine leicht andere Konstruktion anzuwenden.
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Des Weiteren ist vorgesehen, dass das Gestell im Querschnitt quadratisch oder rechteckig oder trapezförmig oder dreieckig ist.
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Des Weiteren ist vorgesehen, dass das Mitnahmemittel als Kette, insbesondere Zahnkette, mit Mitnehmer-Laschen gebildet ist, wobei die Mitnehmer-Laschen die Tragfläche über die mittlere Führungsrolle mitnehmen. Somit kann eine einfache Kopplung der Tragflächen erreicht werden.
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Des Weiteren ist vorgesehen, dass je ein Zahnrad an jeweiligen Übergangsbereichen zwischen den Vorderseite und Gestell-Oberseite, und zwischen Gestell-Oberseite und Rückseite, und zwischen Rückseite und Gestell-Unterseite, und zwischen Gestell-Unterseite und Vorderseite zum Aufspannen der Kette vorgesehen ist, wobei jeweils die einander stirnseitig gegenüberliegenden Zahnräder am Übergangsbereich der Vorderseite und die einander gegenüberliegenden Zahnräder am Übergangsbereich der Rückseite über eine gelagerte Welle verbunden sind.
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In einer Ausgestaltung ist eine der Wellen an einer Seite derart verlängert, dass sie aus dem Gestell herausragt und als Kopplungsstelle zu einem Generator dient.
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Des Weiteren ist vorgesehen, dass das Mitnahmemittel als Linearmotor gebildet ist und die mittlere Welle jeder Tragfläche magnetisch ausgeführt ist, wobei der Linearmotor dazu eingerichtet ist, die Tragflächen entlang der Führungsschienen um das Gestell zu bewegen und in einem vorgegebenen Winkel in Bezug auf einen anströmenden Wind um das Gestell zu führen. In einer Ausgestaltung wird der Linearmotor in vorgegebenen Bereichen des Gestells als Generator verwendet.
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Des Weiteren ist vorgesehen, dass die Tragflächen-Unterseite und/oder die Tragflächen-Oberseite gewölbt ist, und wobei sich das Querschnittsprofil der Tragflächen in Richtung hintere Kante verjüngt.
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Des Weiteren ist vorgesehen, dass das Querschnittsprofil der Tragflächen achssymmetrisch ausgeführt ist.
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Ferner wird ein Verfahren zum Erzeugen von Windenergie mittels der Windkraftanlage bereitgestellt, wobei die Tragflächen in linearer Bewegung entlang der Tragflächen-Winkel-Führungen und in einem vorgegebenen Winkel in Bezug auf einen anströmenden Wind um das Gestell von der Vorderseite über die Gestell-Oberseite zur Rückseite, und über die Gestell-Unterseite wieder zur Vorderseite derart geführt werden, dass ihre vordere Anströmkante stets in Richtung Luv-Seite weist.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungsgemäße Einzelheiten zeigt, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.
- 1 zeigt eine Ansicht einer Windkraftanlage gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
- 2 zeigt eine Schnittansicht einer Windkraftanlage gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
- 3 bis 5 zeigen Detaillierungen der in 2 gezeigten Windkraftanlage.
- 6 und 7 zeigen Detaildarstellungen der in 5 gezeigten Windkraftanlage.
- 8 zeigt Detaillierungen der in 2 gezeigten Windkraftanlage.
- 9 bis 12 zeigen Detaildarstellungen der in 8 gezeigten Windkraftanlage.
- 13 bis 15 zeigen Detaildarstellungen von Tragflächen einer Windkraftanlage gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
- 16 zeigt eine Ansicht eines Details einer Windkraftanlage gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
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In den nachfolgenden Figurenbeschreibungen sind gleiche Elemente bzw. Funktionen mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Der Kern der Erfindung ist es, die Tragflächen der Windkraftanlage (WKA) nicht (wie im Stand der Technik) rotationssymmetrisch zur Rotorachse (Längsachse) zu orientieren, sondern die Tragflächen 2.0 so anzuordnen, dass ihre Profilachsen P parallel zueinander liegen und mittels nachfolgend beschriebenen Führungselementen in eine translatorische bzw. lineare Bewegung versetzt werden können.
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In 1 ist eine bevorzugte Ausführung einer Windkraftanlage (WKA) dargestellt. In den weiteren Figuren sind Details der Konstruktion näher dargestellt und werden nachfolgend im Detail beschrieben.
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In 1 ist ein Gestell 4 dargestellt, das dazu dient, die Führungselemente und damit die Tragflächen 2.0 zu halten. Das Gestell 4 weist vorteilhaft einen rechteckigen oder quadratischen Querschnitt auf. Es weist eine Vorderseite auf, welche dem anströmenden Wind zugewandt ist und deshalb als Luv-Seite bezeichnet wird (in den Figuren mit „Luv“ und einem Pfeil für die Windrichtung angedeutet). Es weist ferner eine Rückseite auf, welche dem anströmenden Wind abgewandt ist und deshalb als Lee-Seite bezeichnet wird (in den Figuren mit „Lee“ angedeutet). Vorderseite und Rückseite sind parallel zueinander angeordnet. Ferner weist das Gestell 4 eine Gestell-Oberseite „oben“ und eine Gestell-Unterseite „unten“, sowie eine rechte Seite „rechts“ und eine linke Seite „links“ auf.
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Der Querschnitt des Gestells 4 kann aber auch trapezförmig oder dreieckig sein, so dass der Transport bzw. die Mitnahme der Tragflächen 2.0 von der Luv-Seite auf die Lee-Seite und vice versa durch die Schwerkraft unterstützt wird.
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Tragflächen
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Die Tragflächen 2.0 der Windkraftanlage (WKA) dienen wie auch im Stand der Technik dazu, Windenergie aufzunehmen und in Bewegungsenergie umzuwandeln, welche wiederum einen Generator antreiben kann, welcher elektrische Energie erzeugt. Zur Führung der Tragflächen 2.0 sind zwischen linker und rechter Seite des Gestells 4 Führungselemente befestigt, an denen mehrere Tragflächen 2.0 übereinander, also mit parallelen Profilachsen P, angeordnet sind und sich in linearer Richtung bewegen können. Die Energie für die Bewegung der Tragflächen 2.0 wird ausschließlich durch den anströmenden Wind erzeugt. Hierfür sind sie vorteilhaft miteinander über ein Mitnahmemittel 3.5 gekoppelt, welches in der gezeigten Ausführung als Kette oder Zahnkette mit in vorgegebenem Abstand vorgesehenen Mitnehmer-Laschen 3.1 gebildet sein kann. Ein Bereich der Tragfläche, genauer eine mittlere Welle 2.1.1, greift dabei in eine der Mitnehmer-Laschen 3.1 ein und zieht dadurch die Kette und damit die anderen Tragflächen 2.0.
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Wie in 13-15 zu sehen, weisen die Tragflächen 2.0 eine zur Luv-Seite auszurichtende vordere Anströmkante 2.0.1, eine linke und eine rechte Außenseite und eine hintere Kante, sowie eine Tragflächen-Unterseite und eine Tragflächen-Oberseite auf. Die Tragflächen-Unterseite und/oder die Tragflächen-Oberseite ist vorteilhaft gewölbt, wobei sich das Querschnittsprofil der Tragflächen in Richtung hintere Kante verjüngt. Ferner weisen sie an ihren äußeren Endbereichen, d.h. an ihren Außenseiten, eine im Schwerpunkt der Tragfläche 2.0 angeordnete mittlere Führungsrolle 2.1 auf. Außerdem sind eine in Bezug zur mittleren Führungsrolle 2.1 in Richtung vordere Anströmkante 2.0.1 versetzte Führungsrolle-Luv 2.2, welche in einem Abstand zur Tragflächen-Unterseite herausragt, und eine in Bezug zur mittleren Führungsrolle 2.1 in Richtung hintere Kante versetzte Führungsrolle-Lee 2.4, welche in einem Abstand zur Tragflächen-Oberseite herausragt vorgesehen. In einer alternativen Ausführung kann auch die Führungsrolle-Lee 2.4 in Richtung vordere Anströmkante 2.0.1 versetzt sein, während die Führungsrolle-Luv 2.2 in Richtung hintere Kante versetzt ist. Die mittlere Führungsrolle 2.1 ragt dabei weiter aus der Außenseite heraus (weist eine längere mittlere Welle 2.1.1 auf) als die Führungsrolle-Luv 2.2 und die Führungsrolle-Lee 2.4, welche vorteilhaft gleich weit aus der Außenseite herausragen. Ferner weist jede Tragfläche 2.0 zwischen jedem äußeren Endbereich und der Führungsrolle-Luv 2.2 eine Übergaberolle-Luv 2.2.2 und zwischen jedem äußeren Endbereich und der Führungsrolle-Lee 2.4 eine Übergaberolle-Lee 2.3.4 auf. Diese dienen dazu, den Übergang zwischen horizontaler und vertikaler Bewegung im Übergabebereich 1.7 zu unterstützen und dafür zu sorgen, dass die vordere Anströmkante 2.0.1 immer in Richtung Luv Seite weist, wie später beschrieben. Die Übergaberolle-Luv 2.2.2 und die Übergaberolle-Lee 2.3.4 sind vorteilhaft in ihrem Durchmesser kleiner als die mittlere Führungsrolle 2.1, die Führungsrolle-Luv 2.2 und die Führungsrolle-Lee 2.4.
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In der gezeigten Ausführung, ist grundsätzlich die Führungsrolle-Luv 2.2 mit der Tragflächen-Winkel-Führungen 1.2 in dem in 3 mit der gestrichelten Linie gekennzeichneten Teilbereich in Eingriff, während die Führungsrolle-Lee 2.4 mit der Tragflächen-Winkel-Führung 1.4 in dem in 3 mit der gepunkteten Linie gekennzeichneten Teilbereich in Eingriff ist.
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Vorteilhaft ist das Querschnittsprofil (14) jeder Tragfläche 2.0 achssymmetrisch ausgeführt. Der physikalische Effekt, der hierbei einen Vorteil verschafft, ist der Auftrieb, der je nach Winkelstellung des achssymmetrischen Profils eine resultierende Kraft nach oben (Auftrieb) oder nach unten (Abtrieb) erzeugt.
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Auf diese Weise können die Komponenten der WKA z.B. so angeordnet werden, dass die Tragflächen 2.0 auf der dem Wind zugewandten Seite (Luv-Seite) einen positiven Winkel, z.B. +19° (bezüglich des anströmenden Windes), aufweisen und damit eine resultierende Kraft nach oben, also einen Auftrieb, erzeugen. Der Winkel der Tragflächen 2.0 auf der dem Wind abgewandten Seite (Lee-Seite) könnte einen negativen Winkel, z.B. -16° (bezüglich des anströmenden Windes) aufweisen und somit eine resultierende Kraft nach unten (Abtrieb) erzeugen. Die Winkel können aber auch auf der Luv-Seite negativ und auf der Lee-Seite positiv gewählt werden. In jedem Fall können auch Tragflächen 2.0 auf einer der beiden Seiten, also Luv oder Lee, einen Winkel aufweisen, so dass keine Kraft einwirkt, also weder Auftrieb noch Abtrieb (das würde 0 Grad zum anströmenden Wind entsprechen). Grundsätzlich können die Winkel auf der Luv-Seite und der Lee-Seite unabhängig voneinander eingestellt werden.
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In den Figuren ist lediglich eine vorteilhafte Ausführung gezeigt, in welcher die Tragflächen 2.0 der Luv-Seite einen Auftrieb erzeugen und die Tragflächen 2.0 der Lee-Seite einen Abtrieb erzeugen. Die Umsetzung anderer, beschriebener Ausführungen liegt im Können des Fachmanns.
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Führungselemente
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Wie bereits erwähnt, sind zwischen linker und rechter Seite des Gestells 4 Führungselemente befestigt, an denen mehrere Tragflächen 2.0 übereinander (parallel zueinander) angeordnet sind. Die Führungselemente dienen dazu, die Tragflächen 2.0 zu führen und einen linearen (translatorisch) Bewegungsablauf zu gewährleisten, z.B. von der Vorderseite über die Gestell-Oberseite, die Rückseite und die Gestell-Unterseite wieder zur Vorderseite. Das heißt, dass sich die Tragflächen 2.0 um das Gestell 4 umlaufend bewegen können. Außerdem dienen die Führungselemente dazu, einen Anströmwinkel des Windes auf die Tragflächen 2.0 einzustellen, sowie die Tragflächen 2.0 während ihrer Bewegung stets in einer vorgegebenen Position zu halten, nämlich so, dass deren vordere Anströmkante 2.0.1 immer in Richtung Luv weist.
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Die Führungselemente können in unterschiedliche Arten von Führungselementen unterteilt werden: Führungsschienen 1.1, Tragflächen-Winkel-Führungen 1.2 (Luv), 1.4 (Lee), und Übergabe-Führungen 1.3. Die Aufgaben dieser Führungselemente werden nachfolgend detailliert beschrieben.
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Da beide Seiten symmetrisch aufgebaut sind, wird lediglich die Konstruktion auf einer Seite besch rieben.
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Führungsschienen 1.1
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Die Tragflächen 2.0 müssen geführt werden, so dass diese in eine lineare Bewegung versetzt werden können. Hierfür sind Führungsschienen 1.1 vorgesehen, welche umlaufend um jeweils eine Seite (rechts und links) des Gestells 4 angeordnet sind. Somit ist je Seite (links/rechts) des Gestells 4 eine umlaufende Führungsschiene 1.1 vorgesehen und die Führungsschienen 1.1 des Gestells 4 sind zueinander parallel angeordnet.
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Die Führungsschienen 1.1 stellen in der Seitenansicht ein abgerundetes Rechteck dar, wie in 2 zu sehen. Die Führungsschienen 1.1 leiten die Tragflächen 2.0 somit im Falle der dargestellten Ausführung rechteckförmig (dies beinhaltet auch ein Quadrat als Sonderform des Rechtecks) in Hauptbewegungsrichtung um das Gestell 4, wobei die Ecken des Rechtecks abgerundet sind, um den Übergang zwischen horizontaler und vertikaler Führung zu ermöglichen. Im Eingriff befindet sich stets die im Schwerpunkt der Tragfläche 2.0 befestigte mittlere Führungsrolle 2.1 der Tragfläche 2.0. In alternativen Ausführungen können die Tragflächen 2.0 auch trapezförmig oder dreieckig in Hauptbewegungsrichtung um das Gestell 4 geführt werden.
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Wie in den Detailansichten in 6, 7, 9-12 und 16 zu sehen, kann die Führungsschiene 1.1 das Gestell 4 auf gleichem Wege wie das Mitnahmemittel 3.5, z.B. die Kette, umlaufen. Die Führungsschiene 1.1 ist lediglich um die Länge der Mitnehmer-Lasche 3.1 der Kette versetzt.
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Tragflächen-Winkel-Führungen 1.2 (Luv), 1.4 (Lee)
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Des Weiteren muss gewährleistet werden, dass auf der dem Wind zugewandten Seite (LUV) und gleichzeitig auf der dem Wind abgewandten Seite (LEE) der Vorrichtung, die Tragflächen stets von vorne, d.h. von der im Profilquerschnitt dickeren Seite, vom Wind angeströmt werden. Diese vordere Seite wird auch als vordere Anströmkante 2.0.1 bezeichnet. Dieses System ist funktional auf beiden Seiten (Luv und Lee) identisch, unterscheidet sich jedoch auf den Seiten dadurch, dass jeweils eine unterschiedliche Führungsrolle 2.2 bzw. 2.4 im Eingriff ist. Konstruktiv besteht es in der vorteilhaften Ausführung aus sieben Teilkomponenten.
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Der Einfachheit halber wird nachfolgend hauptsächlich das System der Tragflächen-Winkel-Führungen 1.2 der Luv-Seite beschrieben. Prinzipiell sind, wie in 3 bis 7 im Gesamtsystem und in 16 im Detail gezeigt, teilweise gebogene U-Profile vorgesehen, die jeweils alternierende Ausschnitte vorweisen, um gegenseitig im Eingriff agieren zu können. Diese Ausschnitte und der jeweilige Eingriff ist nötig, um eine kontinuierliche seitliche Führung der jeweiligen Führungsrolle 2.2 bzw. 2.4 gewährleisten zu können und gleichzeitig eine horizontale Verschiebbarkeit des Systems zu ermöglichen. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist luvseitig stets die Führungsrolle-Luv 2.2 im Eingriff. Auf der Lee-Seite ist dementsprechend stets die Führungsrolle-Lee 2.4 im Eingriff.
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Nachdem die Führungsrolle-Luv 2.2 in Bezug auf die mittlere Führungsrolle 2.1 räumlich versetzt ist und eine horizontale Relativbewegung mittels der Tragflächen-Winkel-Führungen 1.2 erzeugt werden kann, ändert sich somit der Winkel der Tragfläche 2.0 je nach horizontaler Anordnung der Tragflächen-Winkel-Führungen 1.2 in Bezug auf die zugehörige Führungsschiene 1.1.
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In einer Ausführung wird es außerdem ermöglicht, über weitere, z.B. in 16 dargestellte, Führungen 1.2.1, 1.2.2.1. 1.2.2.2. 1.2.3, 1.2.4.1, 1.2.4.2, 1.2.5 den Anströmwinkel der Tragflächen 2.0 zu beeinflussen, so dass die resultierende Geschwindigkeit bzw. Kraft der Tragflächen 2.0 beeinflusst werden kann. Dabei sind die Führungen 1.2.2.1. 1.2.2.2. 1.2.3, 1.2.4.1, 1.2.4.2 horizontal verschiebbar bzw. beweglich gestaltet und die Führungen 1.2.1 und 1.2.5 sind starr, d.h. in ihrer Position fixiert und damit unbeweglich.
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Wie in 3 bis 7 zu sehen, sind die Tragflächen-Winkel-Führungen 1.2 in mehrere Abschnitte unterteilt, von denen ein Abschnitt ein gerader Abschnitt ist (in 4 mit der gepunkteten Linie gekennzeichnet), der als aktiver Abschnitt 1.8 bezeichnet werden kann und sowohl auf der Luv-Seite als auch auf der Lee-Seite vorgesehen ist. In diesem aktiven Abschnitt 1.8 weisen die Tragflächen 2.0 einen vorgegebenen Anströmwinkel zum anströmenden Wind (von der Luv Seite) auf, der durch die Tragflächen-Winkel-Führungen 1.2 eingestellt ist. Die Tragflächen 2.0 werden damit durch den anströmenden Wind bewegt und können so einen Generator antreiben, der an einem Bereich des Gestells 4 vorteilhaft über eine entsprechende Welle angeschlossen ist. In einer alternativen Ausführung, in der das Mitnahmemittel 3.5 als Linearmotor ausgeführt ist, kann in dem aktiven Abschnitt 1.8 der Linearmotor im Generator Betrieb den Strom erzeugen. In diesem Fall ist es nötig, die mittlere Welle 2.1.1 mit einem Permanentmagneten mit entsprechender Polung auszustatten, um ein Mitnehmen der Tragflächen 2.0 zu erreichen.
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In der in den Figuren dargestellten Ausführung erzeugen die Tragflächen 2.0 durch ihre Winkelstellung in Bezug auf die Windrichtung auf der Luv-Seite Auftrieb (positiver Winkel) und auf der Lee-Seite Abtrieb (negativer Winkel). Dank des Auftriebs entsteht die lineare Bewegung der Tragflächen 2.0 in vertikaler Richtung nach oben und das als Kette ausgeführte Mitnahmemittel 3.5 wird durch die Mitnehmer-Lasche 3.1 gezogen. Im aktiven Abschnitt 1.8 ist auf der Luv-Seite die Führungsrolle-Luv 2.2 mit der Tragflächen-Winkel-Führungen 1.2 in Eingriff, während auf der Lee-Seite die Führungsrolle-Lee 2.4 mit der Tragflächen-Winkel-Führungen 1.2 in Eingriff ist.
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Ein weiterer Abschnitt ist in 5 bis 7 dargestellt und kann als Ausrichtbereich 1.6 bezeichnet werden (in 5 mit der gepunkteten Linie gekennzeichnet). Dieser dient zur Ausrichtung der Tragflächen 2.0 in einem vorgegebenen Winkel, dem Anströmwinkel. Konstruktiv erfolgt das Ausrichten durch eine kurvenförmige Führung der Tragflächen-Winkel-Führungen 1.2 (Luv-Seite) bzw. 1.4 (Lee-Seite), wodurch ein Umklappen der Tragfläche 2.0 realisiert wird. Da die mittlere Welle 2.1.1 der mittleren Führungsrolle 2.1 von der Mitnehmer-Lasche 3.1 der Kette (Mitnahmemittel 3.5) in diesem Kurven-Bereich gezogen wird, „überholt“ die mittlere Führungsrolle 2.1 die aktuell in der Tragflächen-Winkel-Führung 1.2 geführte Führungsrolle (auf der Lee-Seite ist dies die Führungsrolle-Lee 2.4 und auf der Luv-Seite ist dies die Führungsroll-Luv 2.2) und die Tragfläche 2.0, genauer ihre vordere Anströmkante 2.0.1, richtet sich nach vorne in Richtung Luv aus.
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Die Kurve wird durch entsprechende, gebogene und gerade Profile (bereits oben beschriebene Führungen 1.2.1, 1.2.2.1. 1.2.2.2. 1.2.3, 1.2.4.1, 1.2.4.2, 1.2.5) realisiert, welche auch gleichzeitig derart konstruiert sind, dass eine horizontale Verschiebung der Tragflächen-Winkel-Führungen 1.2 möglich ist. Dies ist in 6 und 7 (vergrößerte Ansicht von 6) und 16 gezeigt.
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Ein weiterer Abschnitt ist der horizontale Abschnitt (oben/unten in den Figuren), der parallel zu der Führungsschiene 1.1 geführt ist und in welchem die Tragflächen 2.0 durch das Mitnahmemittel 3.5 in horizontaler Richtung durch die Mitnehmer-Lasche 3.1 (bei Ausführung mit Kette) von der Luv-Seite auf die Lee-Seite bzw. von der Lee-Seite auf die Luv-Seite gezogen werden. Die Ausrichtung der vorderen Anströmkante 2.0.1 ist auch hier derart, dass sie in Windrichtung zeigt. Dies wird durch die Übergabe mittels der Führungen 1.2.4.1 (zweite Ausricht-Führung), 1.2.4.2 (dritte Ausricht-Führung), 1.2.5 (gebogene Führung), 1.2.7 (gerades Stück), 1.3.1 (gerades Stück), 1.3 (Übergabe-Führung) erreicht.
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Führungen zur Übergabe
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Um von vertikaler Bewegung in horizontale Bewegung (und vice versa) zu wechseln, und dabei die Ausrichtung des Anströmwinkels auf der Luv-Seite sowie auf der Lee-Seite beizubehalten, sind mehrere Führungen an Übergabebereichen 1.7 vorgesehen (in 8 mit der gepunkteten Linie gekennzeichnet). In 9 und 10 sind vergrößerte Ansichten eines Übergabebereichs 1.7 auf der Luv-Seite (9) und der Lee-Seite (10) gezeigt. Diese sind konstruktiv identisch, nur aufgrund ihrer Lage gedreht.
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In den Übergabebereichen 1.7 erfolgt ein Wechsel des Eingriffs der Führungsrollen 2.2 bzw. 2.4. Auf der Luv-Seite erfolgt in der gezeigten Ausführung ein Wechsel des Eingriffs der in der Tragflächen-Winkel-Führung 1.2 geführten Führungsrolle-Luv 2.2 zur Führungsrolle-Lee 2.4, welche dann in der Tragflächen-Winkel-Führung 1.4 geführt wird (wie in 11 schematisch dargestellt). In der gezeigten Ausführung erfolgt auf der Lee-Seite ein Wechsel des Eingriffs der in Tragflächen-Winkel-Führung 1.4 geführten Führungsrolle-Lee 2.4 zur Führungsrolle-Luv 2.2, welche dann in Tragflächen-Winkel-Führung 1.2 geführt wird. Die mittige Führungsrolle 2.1 bleibt stets in Eingriff mit der Führungsschiene 1.1.
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Prinzipiell drehen die Führungen im Übergabebereich 1.7 jede Tragfläche 2.0 und sind für den wechselnden Eingriff der Führungsrolle-Luv 2.2 zu der Führungsrolle-Lee 2.4 und wieder zurück verantwortlich. Da die Führungen auf beiden Seiten (Luv und Lee) identisch sind, wird der Einfachheit halber auf die konstruktive Beschreibung auf die Luv-Seite unter Bezugnahme auf 9 bis 12 und 16 beschränkt.
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In der gezeigten Ausführung ist die Führungsrolle-Luv 2.2 durch die Tragflächen-Winkel-Führung 1.2 geleitet. Die gebogene Führung 1.2.5 schließt direkt an diese an und weist eine Kurve (Biegung) auf, durch welche die Führungsrolle-Luv 2.2 von außen nach innen, also in Richtung Kette (Mitnahmemittel 3.5), geschoben wird. Es resultiert eine drehende Bewegung um die Profilachse P der mittleren Führungsrolle 2.1, wodurch die andere Führungsrolle, in diesem Fall die Führungsrolle-Lee 2.4, von innen nach außen (von der Kette weg) geschoben wird.
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Nachdem die Endposition der drehenden Bewegung erreicht ist, leitet ein gerades Stück 1.2.7 im Eingriff mit der Führungsrolle-Luv 2.2 die Tragfläche 2.0, bis gleichzeitig die Übergaberolle-Lee 2.3.4 mit einem geraden Stück 1.3.1 der Übergabe-Führung 1.3 im Eingriff ist. Anschließend wird die Übergaberolle-Lee 2.3.4 durch eine S-Kurve geleitet, bis die Führungsrolle-Lee 2.4 mit der Tragflächen-Winkel-Führung 1.4 in Eingriff übergeht. Hierbei ist die Führung der Führungsrolle-Luv 2.2 in einer Richtung offen und wird somit freigegeben.
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Die Führungen zur Übergabe werden benötigt, da ein Kreuzen der Führungsschienen bzw. ein Überqueren der Führungsschiene 1.1 (welche die Führung des Mitnahmemittels 3.5 ist) nicht möglich ist, da ansonsten Kollisionen zwischen der mittleren Welle 2.1.1 der mittleren Führungsrolle 2.1 und der Tragflächen-Winkel-Führung 1.2 resultieren würden.
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Die Ausrichtbereiche 1.6 und Übergabebereiche 1.7 liegen in der gezeigten Ausführung einander diagonal gegenüber, wie z.B. in 5 und 8 zu sehen.
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Die in 3-5 und 8 gezeigten Ansichten sind dieselben Ansichten wie in 2 gezeigt, wobei jeweils andere Teilbereiche hervorgehoben werden.
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Die Tragflächen-Winkel-Führungen 1.2 und 1.4 unterscheiden sich in der gezeigten Ausführung funktionell nur darin, dass die Tragflächen-Winkel-Führung 1.2 stets mit der Führungsrolle-Luv 2.2 in Eingriff ist und die Tragflächen-Winkel-Führung 1.4 stets mit der Führungsrolle-Lee 2.4 in Eingriff ist. Dies ist in 3 durch die gestrichelte bzw. gepunktete Linie visualisiert.
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Detailansicht der Tragflächen-Winkel-Führung 1.2 und der Führungen zur Übergabe
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Eine Detailansicht der Tragflächen-Winkel-Führung 1.2 und der Führungen zur Übergabe der in den Figuren gezeigten Ausführung ist in 16 dargestellt, wobei die Darstellung der linken Seite (Luv) der z.B. in 3 gezeigten Ansicht entspricht. Der aktive Abschnitt 1.8 ist durch eine gerade Schiene 1.2.3 realisiert. An beiden Endbereichen davon sind an die gerade Schiene 1.2.3 anschließend eine bewegliche zweite Ausricht-Führung 1.2.2.1 bzw. 1.2.4.1 und eine daran anschließende bewegliche dritte Ausricht-Führung 1.2.2.2 bzw. 1.2.4.2 vorgesehen
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An die bewegliche dritte Ausricht-Führung 1.2.2.2 ist an einem Endbereich (in 16 unten) eine leicht s-förmig gebogene erste Ausricht-Führung 1.2.1 vorgesehen, welche nicht beweglich (starr) ist. Diese ist mit der horizontalen Tragflächen-Winkel-Führung 1.2 verbunden, welche die Luv-Seite mit der Lee-Seite verbindet und parallel zu der Führungsschiene 1.1 geführt ist.
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An die bewegliche dritte Ausricht-Führung 1.2.4.2 ist an einem Endbereich (in 16 oben) eine stärker s-förmig gebogene Übergabe-Führung 1.2.5 vorgesehen, welche nicht beweglich (starr) ist. An diese schließt ein gerades Stück 1.2.7 an.
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Die beweglichen zweiten Ausricht-Führungen 1.2.2.1 bzw. 1.2.4.1 und die beweglichen dritten Ausricht-Führungen 1.2.2.2 bzw. 1.2.4.2 sind so gebildet, dass sie sich derart gegeneinander bewegen können, dass die gerade Schiene 1.2.3 horizontal verschoben werden kann (also parallel zur Führungsschiene 1.1). Die konstruktive Ausführung kann unterschiedlich sein, z.B. kann eine der Ausricht-Führungen gelenkig sein, wobei sich die andere dann längs verschieben kann. Es muss stets sichergestellt sein, dass eine durchgängige Führung der Führungsrollen 2.2 bzw. 2.4 gewährleistet ist.
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Die horizontale Verschiebung kann durch Verschiebeelemente erfolgen, d.h. z.B. eine im Bereich der Ausricht-Führungen 1.2.2.1; 1.2.4.1 und 1.2.2.2; 1.2.4.2 angeordnete Linearführung inklusive Schlitten 1.2.8, sowie ein daran vorgesehenes Drehgelenk 1.2.9. Ferner kann ein Linearaktuator 1.2.10 zum Verschieben in horizontaler Richtung vorgesehen sein, wie in 11 für die Luv-Seite gezeigt. In 7 und 10 sind Drehgelenk 1.4.9 und Linearaktuator 1.4.10 für die Ausführung auf der Lee-Seite dargestellt.
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Kette/Aufspannen/Zahnrad/Welle
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Vorteilhafterweise werden die Tragflächen 2.0 mittels einer Kette als Mitnahmemittel 3.5 aneinandergekoppelt und z.B. in einer rechteckigen Orientierung angeordnet. Das heißt, dass das Gestell 4 einen rechteckigen Querschnitt aufweist, wobei die Tragflächen 2.0 länger als breit bzw. hoch sind.
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In den jeweiligen Ecken kann z.B. je ein Zahnrad 3.3 die Kette aufspannen. Die Zahnräder 3.3 der beiden Seiten (rechts und links) des Gestells 4 liegen sich damit stirnseitig gegenüber. Der Vorteil einer solchen Anordnung bzw. Koppelung der einzelnen Tragflächen 2.0 liegt darin begründet, dass sich die Kräfte der Luv-Seite sowie der Lee-Seite aufsummieren und somit zu einer Bewegung der Kette sowie der Tragflächen 2.0 (die sich entlang der Führungselemente bewegen) führen.
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Die Führungselemente sind mit Vorteil so ausgeführt, dass die Tragflächen 2.0 nach dem Durchwandern der Luv-Seite die Lee-Seite durchwandern und wieder an ihrem Startpunkt auf der Luv-Seite ankommen. Führungen, Kette, Zahnräder 3.3 und Lager sind auf beiden Seiten, also auf der rechten sowie auf der linken Seite, des Gestells 4 angeordnet. Die einander gegenüberliegenden Zahnräder 3.3, welche die Kette aufspannen und sich jeweils in den Ecken des „Rechtecks“ befinden, sind jeweils mit einer gelagerten Welle verbunden (in den Figuren nicht gezeigt). In Summe sind es also vier Wellen, die auf der rechten sowie auf der linken Seite des Gestells 4 jeweils stirnseitig mit den Zahnrädern 3.3 verbunden sind und somit einen synchronisierten Lauf der beiden Ketten (rechte Kette und linke Kette) realisieren.
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Eine der vier Wellen ist vorteilhaft ein Stück länger als die Breite des Gestells 4 zwischen rechter und linker Seite und ragt damit aus ihrer Lagerung heraus. Hier kann die mechanische Energie abgegriffen werden, indem ein Stromgenerator daran angeschlossen wird. Die Windenergie kann somit in mechanische Bewegungsenergie umgewandelt werden und mittels Stromgenerator in elektrischen Strom umgewandelt werden.
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Zum vereinfachten Spannen der Kette kann eine entsprechende Spannvorrichtung vorgesehen sein, welche z.B. aus einem Feder-Spannsystem mit entsprechender Feder, Lager und Linearführung gebildet ist.
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Alternativ zur Kette kann auch ein Linearmotor als Mitnahmemittel 3.5 verwendet werden, der einerseits dazu eingerichtet ist, die Tragflächen 2.0 entlang der Führungsschienen 1.1 um das Gestell 4 zu bewegen bzw. mitzunehmen. Andererseits kann er im aktiven Abschnitt 1.8 der Luv- und Lee-Seite im Generator-Betrieb direkt die Stromerzeugung aus den durch den Wind bewegten Tragflächen 2.0, die in einem vorgegebenen Winkel in Bezug auf einen anströmenden Wind ausgerichtet sind, bereitstellen. In einer solchen Ausführung liegt es im Können des Fachmannes, die Tragflächen 2.0 regelungstechnisch mit Hilfe des Linearmotors auf vorteilhaftem Abstand zu halten.
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Um die Tragflächen 2.0 mitnehmen zu können, müssen Permanentmagneten als Gegenpart zum Linearmotor an jeder mittleren Welle 2.1.1 angeordnet sein. Diese werden durch entsprechende Ausrichtung ihrer Pole angezogen oder abgestoßen und bewegen dadurch die Tragflächen 2.0.
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Vorteile der vorgeschlagenen Windkraftanlage:
- 1. Kostenersparnis:
- a. In der Herstellung dieser WKA können erhebliche Kosten eingespart werden, da im Gegensatz zum Stand der Technik kleine Tragflächen mit hoher Stückzahl hergestellt werden und nicht sehr große Tragflächen bzw. Rotorblätter mit geringer Stückzahl.
- b. Des Weiteren bedarf es bei WKA's nach dem aktuellen Stand der Technik sehr große Kugellager, da die Rotorwelle gelagert werden muss, z.B. mit 1 Meter Durchmesser, die als großer Kostentreiber anzusehen sind, bei der vorliegenden Erfindung bedarf es lediglich kleinere Kugellager z.B. bis 250 mm Durchmesser. Somit kann Material eingespart werden.
- 2. Effizienzsteigerung:
- a. Im Gegensatz zum Stand der Technik ist eine Effizienzsteigerung zu erwarten, da der Wind auf zwei Seiten geerntet werden kann (Luv-Seite und Lee-Seite)
- b. Im Gegensatz zum Stand der Technik ist eine Effizienzsteigerung zu erwarten, da bei gleichbleibendem Bauraum die Erntefläche größer ausgeführt ist als beim Stand der Technik. (Erklärung: Nimmt man als Bauraum einen Kreisdurchmesser mit Radius 1m an, so ist der Flächeninhalt gleich 3,14m2. Bei der vorliegenden Erfindung entspräche dann der Bauraum einem Quadrat mit Seitenlänge 2m, was einem Flächeninhalt von 4m2 entspricht. Flächeninhalt entspricht hierbei der Erntefläche.)
- c. Das Verhältnis von Bauraum und Energieertrag kann mit der vorliegenden Erfindung erheblich verbessert werden, da die technischen Gegebenheiten nicht von einer Kreisfläche abhängen (so wie beim aktuellen Stand der Technik) sondern in Abhängigkeit vom Bauraum in Bezug auf Höhe und Breite der rechteckigen Erntefläche variabel angepasst werden können.
- 3. Eine modulare Aufbauweise bzw. Erweiterung ist bei der vorliegenden Erfindung in einfacher Weise möglich. So kann z.B. eine WKA auf bzw. neben die nächste gebaut werden.
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Aufstellorte / Verwendungen:
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Autobahn: Die vorliegende WKA kann zum Beispiel so ausgestaltet werden, dass sie an Autobahnen im Bereich des Grünstreifens aufgestellt werden. Die Höhe der WKA kann hierbei ähnlich wie Schallschutzwände ca. 5 Meter betragen und wäre somit optisch aus der Ferne nicht störend. Gleichzeitig würden die Geräusche, die durch die WKA entstehen, unwesentlich, da die Geräusche in denen der Autobahn untergehen würden. Somit könnten mehrere WKA aufgereiht werden und auf vielen Kilometern Autobahnstrecke könnte durch Wind Strom erzeugt werden.
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Etage in Gebäude: Die vorliegende WKA kann zum Beispiel so ausgestaltet werden, dass sie eine Etage im höher gelegenen Stockwerk eines Hochhauses oder Wolkenkratzers einnimmt und den Strom für das Gebäude produziert.
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Bezugszeichenliste
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- 1.1
- Führungsschienen (Ketten Mitnehmer)
- 1.2; 1.4
- Tragflächen-Winkel-Führungen (Luv; Lee)
- 1.2.1
- erste Ausricht-Führung
- 1.2.2.1; 1.2.4.1
- zweite Ausricht-Führung
- 1.2.2.2; 1.2.4.2
- dritte Ausricht-Führung
- 1.2.3
- gerade Schiene
- 1.2.5
- gebogene Führung
- 1.2.7
- gerades Stück
- 1.2.8
- Linearführung inkl. Schlitten
- 1.2.9; 1.4.9
- Drehgelenk
- 1.2.10; 1.4.10
- Linearaktuator
- 1.3
- Übergabe-Führungen
- 1.3.1
- gerades Stück
- 1.6
- Ausrichtbereich
- 1.7
- Übergabebereich
- 1.8
- aktiver Abschnitt
- 2.0
- Tragfläche
- 2.0.1
- vordere Anströmkante
- 2.1
- mittlere Führungsrolle
- 2.1.1
- mittlere Welle der 2.1
- 2.2
- Führungsrolle-Luv
- 2.2.2
- Übergaberolle-Luv
- 2.4
- Führungsrolle-Lee
- 2.3.4
- Übergaberolle-Lee
- 3.1
- Mitnehmer-Lasche von 3.5
- 3.3
- Zahnrad
- 3.5
- Mitnahmemittel (Kette, Zahnkette)
- 4
- Gestell
- P
- Profilachse
