Die Erfindung betrifft eine mobile
Energiespeicher- und Energieversorgungseinrichtung, insbesondere
zur Anwendung auf touristischem Gebiet. So kommt diese Einrichtung
beispielsweise beim Bergsteigen, Wandern und bei Fahnadtouren zur
Anwendung. Sie dient zur Energieversorgung von Baugruppen wie Wegmesseinrichtungen,
Schrittzählem, Handys,
Leuchten u. ä.
Bekannt ist nach der EP
0 786 849 B1 eine handbetriebene Hilfsstromversorgungseinrichtung
für mobile
Telekommunikationsgeräte,
die für
batteriebetriebene elektrische tragbare Geräte wie. Handy, Taschenlampe
oder Videorecorder angewendet wird. Neben dem in Form einer konventionellen
Batterie bzw. Akku ausgebildeten Hauptspeicher weist die Hilfsstromversorgungseinrichtung
einen Zwischenspeicher auf, der die durch eine mechanische Vorrichtung
erzeugte Energie langsamer in den aufladbaren Hauptspeicher gelangen
läßt. Die
mechanische Vorrichtung erzeugt die Zusatzenergie durch Umwandlung
von mechanischer in elektrischer Energie. Vorzugsweise wird diese
Vorrichtung mit einer kleinen Kurbel oder einen Handgriff versehen,
mit der oder mit dem über
ein Zahnradgetriebe ein miniaturisierter Stromgenerator angetrieben
wird, der die mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt.
Der Zwischenspeicher besteht vorzugsweise aus einer Schnellladebatterie
oder einen Pufferkondensator. Bei einer weiteren Ausführungsform
wird mittels der aus der Kurbel bzw. Handgriff und dem Zahnradgetriebe
bestehenden mechanischen Vorrichtung eine Wickelfeder gespannt und
die mechanische Energie beim langsamen Entspannen der Wickelfeder
an einen Wechselstromgenerator abgegeben. Nachteilig an dieser Hilfsstromversorgungseinrichtung
ist jedoch die erforderliche Anwendung von Batterien bzw. Akkus
für den
Hauptspeicher. Neben den Anschaffungskosten, der aufwendigen umweltschütrenden
Entsorgung der Batterien bzw. Akkus sowie dem relativ hohen Gewicht
dieser konventionellen Energiespeicher, kommen die ständig erforderlichen,
netrabhängigen
Ladevorgänge
hinzu. Die Erzeugung des Hilfsstromes ist bei dieser Einrichtung
nur zur zeitlichen Überbrückung teilweise
oder vollständig
entladener Batterien bzw. Akkus erforderlich. Weiterhin bekannt
ist auch eine Einrichtung zur Erfassung und Anzeige der zurückgelegten
Wegstrecke und/oder Schrittgeschwindigkeit nach der DE 200 00 233 U1 bei der
mindestens einer an einem Bein und/oder Schuh angeordneten Sendel
Empfangseinheit eine am anderen Bein und/oder Schuh angeordnete
Strahlenreflexeinrichtung zugeordnet ist. Die Strahlenreflexeineinrichtung
ist dabei vorzugsweise als Permanentmagnet ausgebildet und dient
neben der zur Erfassung und Auswertung des Bewegungsablaufes mittels
der Strahlenreflexion über
die Bewegung deren Permanentmagnetfeldes während der Wander- bzw. Laufbewegung über eine
am anderen Fuß bzw.
Schuh innerhalb der Sendel Empfangseinheit angeordneten induktiven
Empfangseinheit auch zur Aufladung eines Akkus. Parallel zur induktiven
Empfangseinheit ist weiterhin eine Solareinheit und ein Themioelement
angeordnet.The invention relates to a mobile energy storage and energy supply device, in particular for use in the tourist field. For example, this facility is used for mountaineering, hiking and bike tours. It is used to supply power to modules such as distance measuring devices, pedometers, cell phones, lights and the like. Is known after the EP 0 786 849 B1 a hand-operated auxiliary power supply device for mobile telecommunication devices, such as for battery-operated electrical portable devices. Cell phone, flashlight or VCR is applied. In addition to the main memory in the form of a conventional battery or rechargeable battery, the auxiliary power supply device has an intermediate memory which allows the energy generated by a mechanical device to reach the rechargeable main memory more slowly. The mechanical device generates the additional energy by converting mechanical to electrical energy. This device is preferably provided with a small crank or a handle with which or with which a miniaturized current generator is driven via a gear transmission, which converts the mechanical energy into electrical energy. The buffer store preferably consists of a quick-charging battery or a buffer capacitor. In a further embodiment, a coil spring is tensioned by means of the mechanical device consisting of the crank or handle and the gear transmission, and the mechanical energy is released to an AC generator when the coil spring is slowly released. A disadvantage of this auxiliary power supply device, however, is the need to use batteries or rechargeable batteries for the main memory. In addition to the acquisition costs, the elaborate environmentally friendly disposal of the batteries or rechargeable batteries and the relatively high weight of these conventional energy stores, there are also the constantly required, net-dependent charging processes. The generation of the auxiliary current is only necessary in this device for bridging partially or completely discharged batteries. Also known is a device for recording and displaying the distance traveled and / or walking speed according to the DE 200 00 233 U1 in which at least one Sendel receiving unit arranged on one leg and / or shoe is assigned a radiation reflection device arranged on the other leg and / or shoe. The radiation reflex device is preferably designed as a permanent magnet and, in addition to the detection and evaluation of the movement sequence by means of the radiation reflection via the movement of its permanent magnetic field during the walking or running movement, via an inductive reception unit arranged on the other foot or shoe within the Sendel receiving unit Charging a battery. A solar unit and a themed element are also arranged parallel to the inductive receiving unit.
Nachteilig ist auch an dieser Einrichtung
die Anwendung von Batterien bzw. Akkus zur Energiespeicherung und
-versorgung. Bekannt ist nach der DE 196 54 104 A1 auch eine elektronische
Anordnung (Schaltung) für
einen mechanischen Federspeicher mit Generator zur Erzeugung von
elektrischem Strom, mit der die Energieentnahme ohne Zwischenschalten
von Batterien, Akkumulatoren oder Kondensatoren so eingestellt wird,
dass die gespeicherte Energie optimal ausgenutzt wird, die Energieabgabe
zu jedem Zeitpunkt an die Energieanforderung des Verbrauchers angepaßt wird
und bei Abschalten des elektrischen Verbrauchers die minimal mögliche Arbeit
aus dem Speicher entnommen wird. Dazu wird eine analoge Steuer-
und Regeleinheit angewandt, die einen Sperrwandler mit Regelschleife
gesteuert über
einen Pulsbreitenmodulator enthält,
der entgegen bisheriger Betriebsweise mit einer steigenden U/F-Kennlinie
(Puls/Pausenverhältnis
direkt proportional zur Spannung) beschaltet wird. Nachteilig an dieser
Anordnung ist jedoch, dass das Federsystem für jeden Energiespeichervorgang
mittels einer Handkurbel durch Muskelkraft gespannt werden und dadurch
das Federsystem für
den manuellen sich oft erforderlich machenden Spannvorgang leicht
zugänglich
sein muß.
Ausfälle
des Federsystemes führen
gleichzeitig zum Ausfall des Gesamtsystemes. Außer dem Federsystem werden
keine weiteren Energiequellen genutzt. Die Aufgabe der Erfindung
besteht deshalb in der Schaffung einer mobilen Energiespeicher-
und Energieversorgungseinrichtung, die keine Anwendung konventioneller,
aufwendiger Energiespeicher wie Batterien- bzw. Akkus erfordert, netrunabhängig und
unter Ausnutzung von primären natürlichen
Energiequellen wie Solarenergie, Energie von Thermoelementen und,
menschlicher körperlicher
Bewegungsenergie elektrische Energie speichern und abgeben kann.
Gelöst
wird diese Aufgabe durch die im Patentanspruch 1 beschriebenen technischen
Merkmale der erfindungsgemäßen Einrichtung.
Vorteilhafte Weiterbildungen der mobilen Energiespeicher- und Energieversorgungseinrichtung werden
durch die in den Patentansprüchen
2 bis 18 aufgeführten
Merkmale beschrieben. Mittels der zentralen Steuereinheit wird je
nach Bedarf eine Zu- oder Abschaltung der einzelnen mechanischen
Energiespeichereinrichtungen sowie der anderen zur Nutzung vorgesehenen
Energiequellen für
die Energieversorgung der jeweils angeschlossenen Energieverbraucher
vorgenommen. Während
der Energieversorgung der angeschlossenen Verbraucher dient der Hauptenergiespeicher
gleichzeitig als Zwischenspeicher für die von den Energiequellen
kommenden Energien. Bei Ausfall einer oder mehrerer Energiespeichereinrichtungen
durch von außen
kommenden Erschütterungen,
Frühausfällen o.ä. Ereignissen
wird entweder eine andere Energiespeichereinrichtung zugeschaltet
oder andere parallel angeschlossene Energiequellen übernehmen
die Energieversorgung.A disadvantage of this device is the use of batteries for storing and supplying energy. Is known after the DE 196 54 104 A1 also an electronic arrangement (circuit) for a mechanical spring accumulator with generator for generating electrical current, with which the energy consumption is adjusted without the interposition of batteries, accumulators or capacitors in such a way that the stored energy is optimally used, the energy output at all times Energy requirement of the consumer is adjusted and the minimum possible work is removed from the memory when the electrical consumer is switched off. For this purpose, an analog control and regulating unit is used, which contains a flyback converter with a control loop controlled by a pulse width modulator, which, contrary to the previous mode of operation, is connected with an increasing U / F characteristic (pulse / pause ratio directly proportional to the voltage). A disadvantage of this arrangement, however, is that the spring system for each energy storage process is tensioned by means of a hand crank using muscle power, and the spring system must therefore be easily accessible for the manual tensioning process that is often required. Failures of the spring system also lead to failure of the overall system. Apart from the spring system, no other energy sources are used. The object of the invention is therefore to provide a mobile energy storage and energy supply device that does not require the use of conventional, expensive energy storage devices such as batteries or rechargeable batteries, independent of the network and utilizing primary natural energy sources such as solar energy, energy from thermocouples and human physical movement energy can store and deliver electrical energy. This object is achieved by the technical features of the device according to the invention described in claim 1. Advantageous further developments of the mobile energy storage and energy supply device are described by the features listed in claims 2 to 18. By means of the central control unit, the individual mechanical energy storage devices as well as the other energy sources intended for use for the energy supply of the respectively connected energy consumers are switched on or off as required. During the energy supply to the connected consumers, the main energy store also serves as an intermediate store for the energy coming from the energy sources. In the event of failure of one or more energy storage devices by Er coming from outside vibrations, early failures or similar Events are either switched on another energy storage device or other energy sources connected in parallel take over the energy supply.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand
eines Ausführungsbeispieles
näher erläutert werden.
In der Zeichnung zeigt die dort dargestellte einzige Figur die schematische
Gesamtansicht der Einrichtung. Eine mögliche Anwendung der erfindungsgemäßen Einrichtung
besteht in der Energiespeicherung und -versorgung beim Wandertourismus.
Um die vorhandenen primären
Energiequellen wie Sonnenenergie, Energie durch Temperaturunterschiede
und der körperlichen
Bewegungsenergie beim Wandern auszunutzen, kommen Sensoren wie Solarelemente,
Thermoelemente und induktive Sensoren zur Anwendung. Von Interesse
für Wandertouristen
ist u. a. auch der zurückgelegte
Weg, Wandergeschwindigkeit u. ä.
Eine derariige Wegmesseinrichtung ist in der DE 200 00 233 U1 beschrieben.
Diese Wegmesseinrichtung besteht aus einer Sende- und Empfangseinheit,
die jeweils an einem Fuß lösbar befestigt
sind. Die Anordnungen in den Fußbereichen
stellen für
die Gewinnung und Auswertung der Weglängenmesswerte und Weggeschwindigkeitswerte
sowie für
eine Umwandlung der körperlichen
Bewegungsenergie in andere Energiearten optimale Orte dar. Deshalb
findet bei dem nachfolgendem Ausführungsbeispiel eine gleichzeitige
Nutrung der induktiven Empfangseinheit 1 der o. g. Wegmesseinrichtung
für die
Gewinnung der Messwerte zur Wegmessung und der Energieumwandlung
der körperlichen Bewegungsenergie
in elektrische Energie statt. Die Signalaufbereitung für die Energiespeicherung
erfolgt in einer an sich bekannten Kaskadeschaltung: Eine Auswertung
und Anzeige der erfassten Werte für die zurückgelegte Wegstrecke und/oder
der Schrittgeschwindigkeit erfolgt durch die Wegmesseinrichtung 3.
Die Auslösung
der elektrischen Impulse in der induktiven Empfangseinheit 1 erfolgt
durch den am anderen Fuß angebrachten
Permanentmagneten 2 während
der Laufbewegung, indem der Permanentmagnet 2 an der induktiven
Empfangseinheit 1 vorbeibewegt wird. Mittels der folgenden
Kaskadeschaltung werden die elektrischen Impulse „gesammelt" und in Form einer
durch die Dimensionierung der Kaskadeschaltung vorbestimmten Spannungshöhe der Steuerschaltung 4 zugeleitet.
Mittels an sich bekannter Analog/Digital-Wandler wird diese Spannung
in digitale Signale gewandelt und innerhalb der Steuerschaltung 4 mit
den ebenfalls in digitale Signale gewandelten Spannungswerte der
anderen Energiequellen verglichen sowie eines softwaremäßig vorgegebenen
Steuerprogrammes die Steuerung der Analogwerte (Leistungswerte)
Energiespeichereinrichtungen vorgenommen. Die Abspeicherung dieses Programmes
erfolgt dabei in einem fest programmierbaren Speicherbaustein (ROM).
Eine Abspeicherung unterschiedlicher Programme für unterschiedliche Anwendungsfälle ist
durch die Anwendung eines Schreibt Lesespeichers (RAM) vorgesehen.
Die Änderungen
für verschiedene
oder sich ändernde
Randbedingungen bei unterschiedlichen Einsatzfällen der Einrichtung erfolgen
ebenfalls über
die Programmierungsänderungen
des RAM-Bausteines. Die Steuerung der Zu- und Abschaltung der Energiequellen,
der Energieversorgung und Auswertung selbst, erfolgt in der Steuereinheit 4 durch
eine zentrale Steuerbaugruppe (CPU). Sie dient zur digitalen Verarbeitung
der durch die Analog/Digital-Wandler analog
erfassten und in digitale Signale umgewandelten Werte aller zur
Verfügung
stehenden Energiemengen der Solar-, Thereto- und Bewegungsenergiequellen
sowie der Werte der abgespeicherten Energiemengen der mechanischen
Energiespeichereinheiten. Erfolgt beispielsweise die Energieabnahme bei
einer gleichzeitigen Spannungskonstanthaltung in dem durch die jeweils
angeschlossenen elektrischen Energieverbraucher vorgegebenen Maße, so wird
die vorhandene nicht benötigte
Energie einem anderen Energiespeichersystem zugeführt und
darin abgespeichert. Erreicht die am Ausgang "A" der Steuereinheit 4 anliegende
elektrische Spannung "U" einen vorgegebenen
Schwellwert so wird bei der Überschreitung
des Schwellwertes (U > Schwellwert) die
Umschaltung der Energiequellen auf die jeweiligen Spiralfedersysteme 5, 6, 7 mit
den geringsten Federspannungen bis der Schwellwert wieder erreicht
wird und umgekehrt. Dies geschieht nach dem Vergleich der Spiralfedersysteme 5, 6, 7 untereinander
und der Auswahl des Spiralfedersystemes 5, 6, 7 mit
der geringsten Federspannung. Zur Umwandlung der mechanischen Energie
der Spiralfedersysteme 5, 6, 7 in elektrische
Energie und umgekehrt dienen die über die Zahnradgetriebe 8, 9,10 verbundenen
Motor/Generator-Baugruppen 11, 12, 13.
Diese an sich bekannten Motor/Generator-Baugruppen 11, 12, 13 können je
nach Ansteuerung durch die zentrale Steuereinheit 4 wahlweise
als Motor zur Aufspannung der Spiralfedersysteme 5, 6, 7 oder
durch Auslösung
der Federentspannungen als Generator zur elektrischen Spannungserzeugung
genutzt, werden. Alle Steuerungsvorgänge der Einrichtung werden
durch eine in dem ROM bzw. RAM-Baustein der Steuereinheit 4 abgespeicherten
Software ausgelöst.
Der ROM bzw. RAM-Baustein ist dazu innerhalb der Steuereinheit 4 der
als Mikroprozessor ausgebildeten zentralen CPU zugeordnet.The invention will be explained in more detail below using an exemplary embodiment. In the drawing, the single figure shown there shows the overall schematic view of the device. A possible application of the device according to the invention is in energy storage and supply during hiking tourism. Sensors such as solar elements, thermocouples and inductive sensors are used to take advantage of existing primary energy sources such as solar energy, energy from temperature differences and physical movement energy when hiking. Interesting for hiking tourists is also the distance covered, hiking speed and the like. Such a path measuring device is in the DE 200 00 233 U1 described. This position measuring device consists of a transmitter and receiver unit, each of which is detachably attached to a foot. The arrangements in the foot areas represent optimal locations for obtaining and evaluating the path length measured values and path speed values and for converting the physical kinetic energy into other types of energy. Therefore, in the following exemplary embodiment, the inductive receiving unit is simultaneously fed 1 the above-mentioned distance measuring device for obtaining the measured values for measuring the distance and converting the energy of the physical kinetic energy into electrical energy. The signal processing for the energy storage takes place in a cascade circuit known per se: The position measuring device evaluates and displays the recorded values for the distance covered and / or the walking speed 3 , The triggering of the electrical impulses in the inductive receiving unit 1 is done by the permanent magnet attached to the other foot 2 during the running movement by the permanent magnet 2 on the inductive receiver unit 1 is moved past. By means of the following cascade circuit, the electrical pulses are "collected" and in the form of a voltage level of the control circuit predetermined by the dimensioning of the cascade circuit 4 fed. Using known analog / digital converters, this voltage is converted into digital signals and within the control circuit 4 compared with the voltage values of the other energy sources, which are also converted into digital signals, and the control of the analog values (power values) of energy storage devices is carried out using a control program specified in software. This program is saved in a permanently programmable memory chip (ROM). A storage of different programs for different applications is provided by the use of a read-write memory (RAM). The changes for different or changing boundary conditions in different applications of the device are also made via the programming changes of the RAM module. The control unit controls the activation and deactivation of the energy sources, the energy supply and evaluation itself 4 through a central control module (CPU). It is used for the digital processing of the values of all available energy quantities of the solar, Thereto and kinetic energy sources, as well as the values of the stored energy quantities of the mechanical energy storage units, which are recorded by the analog / digital converter and converted into digital signals. If, for example, the energy is removed while the voltage is kept constant to the extent specified by the connected electrical energy consumer, the energy which is not required is supplied to another energy storage system and stored therein. Reaches that at output "A" of the control unit 4 applied electrical voltage "U" a predetermined threshold value so when the threshold value is exceeded (U> threshold value) the energy sources are switched to the respective coil spring systems 5 . 6 . 7 with the lowest spring tension until the threshold is reached again and vice versa. This is done after comparing the coil spring systems 5 . 6 . 7 with each other and the selection of the coil spring system 5 . 6 . 7 with the lowest spring tension. For converting the mechanical energy of the coil spring systems 5 . 6 . 7 in electrical energy and vice versa which serve via the gear transmission 8th . 9 . 10 connected motor / generator assemblies 11 . 12 . 13 , These known motor / generator assemblies 11 . 12 . 13 can be controlled by the central control unit 4 optionally as a motor for clamping the coil spring systems 5 . 6 . 7 or used as a generator for electrical voltage generation by triggering the spring relaxations. All control processes of the device are carried out in the ROM or RAM module of the control unit 4 stored software triggered. For this purpose, the ROM or RAM module is inside the control unit 4 assigned to the central CPU designed as a microprocessor.
In der hier beschriebenen beispielsweisen Ausführungsfonn
der Einrichtung werden die Wegmesseinrichtung 3, die als
Hauptspeicher fungierenden Spiralfedersysteme 5, 6, 7 mit
den Zahnradgetrieben 8, 9, 10 und den
Motor/Generator-Baugruppen 11, 12, 13 und
die Steuereinheit 4 als Gesamtschaltung 17 im
Schuhabsatz des Schuhwerkes untergebracht. Verbunden ist diese Gesamtschaltung 17 mit
der an der Außenfläche des
Schuhabsatzes angebrachten Anzeigeeinrichtung der Wegmesseinrichtung 3 und
mit einer auftretende Ausfälle
der Energiespeichereinrichtungen optisch und/oder akustisch signalisierenden
Signaleinrichtung. Weiterhin ist an der Außenflache die Solareinrichtung 14 angeordnet.
Den Spiralfedersystemen 5, 6, 7 ist zudem eine
manuelle Spannvorrichtung 16 zugeordnet, um bei der Inbetriebnahme
der Einrichtung die erforderlichen Ausgangsfederspannungen zu erzeugen.In the exemplary embodiment of the device described here, the displacement measuring device 3 , the coil spring systems that act as the main memory 5 . 6 . 7 with the gear drives 8th . 9 . 10 and the motor / generator assemblies 11 . 12 . 13 and the control unit 4 as a complete circuit 17 housed in the heel of the footwear. This overall circuit is connected 17 with the display device of the displacement measuring device attached to the outer surface of the shoe heel 3 and with an occurring failure of the energy storage devices optically and / or acus table signaling signaling device. Furthermore, the solar device is on the outer surface 14 arranged. The coil spring systems 5 . 6 . 7 is also a manual clamping device 16 assigned to generate the required output spring voltages when the device is started up.
Bei einem höheren Energiebedarf kommen als
Energiespeichersysteme Mini-Fly-Wheels zur Anwendung. Diese werden
während
des Transportes am Gürtel
oder an einem Gepäckstück befestigt.At a higher energy demand come as
Energy storage systems Mini Fly Wheels for use. These will
while
of transportation on the belt
or attached to a piece of luggage.
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11
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induktive
Empfangseinheitinductive
receiver unit
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22
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Permanentmagnetpermanent magnet
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33
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Wegmesseinrichtungdisplacement measuring system
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44
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Steuereinheitcontrol unit
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55
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SpiralfedersystemCoil spring system
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66
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SpiralfedersystemCoil spring system
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77
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SpiralfedersystemCoil spring system
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88th
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Zahnradgetriebegear transmission
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99
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Zahnradgetriebegear transmission
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1010
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Zahnradgetriebegear transmission
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1111
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Motor/Generator-BaugruppeMotor / generator assembly
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1212
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Motor/Generator-BaugruppeMotor / generator assembly
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1313
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Motor/Generator-BaugruppeMotor / generator assembly
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1414
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Solareinrichtungsolar facility
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1515
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Thermoelementthermocouple
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1616
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Manuelle
Spannvorrichtungmanual
jig
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1717
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Gesamtschaltungoverall circuit