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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Windradstromerzeugungsvorrichtung, bei der die Stromerzeugung gesteigert wird, indem ein Windradgenerator eine Gierfunktion erzielt, um einer Windrichtung gegenüberzuliegen, und eine Verbesserung einer Rotationseffizienz des Windrads und des Generators bewirkt wird, und bei dem unter anderem ein Höhenproblem und die Installationssicherheit verbessert sind.
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Allgemeiner Stand der Technik
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Seit einigen Jahren mehren sich Stimmen, die eine Verhinderung der Erderwärmung fordern, und die Entwicklung neuartiger sauberer Energien ist damit zu einer drängenden Aufgabe geworden. Als saubere Energiequelle sind daher Windkraftstromerzeugungsanlagen in den Mittelpunkt des Interesses gerückt, da sie kein CO2 ausstoßen. Allerdings befindet sich die Stromerzeugung aus Windkraft derzeit noch in der Entwicklung, und als Ersatzenergieform für Erdöl spielt sie noch keine bedeutende Rolle. Daher gilt es, Mittel zum wirksamen Gewinnen von Windenergie zu entwickeln.
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Die meisten derzeitigen Windkraftstromerzeugungsanlagen sind Propellerwindräder der Auftriebsbauart. Für Propellerwindräder werden Rotorblätter (Propellerflügel) von großer Länge benötigt, und ihr Leistungsbeiwert beträgt rund 40 %, womit derzeit rund 40 % der Windenergie gewonnen werden. Der höchste theoretische Leistungsbeiwert beträgt übrigens 59,3 % (Betzsches Gesetz).
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Windkraftstromerzeugungsanlagen dieser Art haben sich so entwickelt, dass sie (1) einen möglichst großen Rotordurchmesser aufweisen und (2) an einer möglichst hochgelegenen Position (3) an einem möglichst windreichen Ort installiert werden. Wenn der Rotordurchmesser für eine möglichst hohe Windausbeute vergrößert wird, muss der Turm hoch sein, was bei Starkwind zu entsprechender Instabilität führt, sodass sich das Problem ergibt, dass die Anlage bei Starkwind beschädigt werden kann, wenn die Drehung der Rotorblätter nicht angehalten wird. Aufgrund des Höhenproblems und des Problems der Installationssicherheit sind somit auch die Baukosten in Höhe von mehreren 100 Millionen Yen beträchtlich.
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Um die Rotationseffizienz, die Stromerzeugungseffizienz und die Stromerzeugung von Windkraftgeneratoren zu steigern, ist zudem eine Steuerung erforderlich, die bewirkt, dass der Windkraftgenerator der Windrichtung gegenüberliegt.
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Im Stand der Technik werden ein Windlagenberechnungsverfahren und eine Windkraftstromerzeugungsvorrichtung vorgeschlagen, bei denen mittels eines Windrichtungsmessers eine Vielzahl von Windrichtungsdaten erfasst wird und aus einer Datenbank, in der im Voraus eine Beziehung zwischen Windrichtungsdaten und einem Gierfehler gespeichert wurde, der Gierfehler ausgelesen wird, der der erfassten Vielzahl von Windrichtungsdaten entspricht (Patentdokument 1). Bei beiden werden jedoch ein Windrichtungsmesser, eine komplizierte Steuervorrichtung und dergleichen benötigt.
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Außerdem werden Windräder der Windfangbauart vorgeschlagen, die sich auf die vorliegende Erfindung anwenden lassen (Patentdokumente 2 bis 4).
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Dokumente des Stands der Technik
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Patentdokumente
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- Patentdokument 1: JP 2020-193605 A
- Patentdokument 2: JP 2011-140887 A
- Patentdokument 3: 6033870 B2
- Patentdokument 4: 6110455 B2
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Kurzdarstellung der Erfindung
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung
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Die vorliegende Erfindung wurde in Anbetracht der genannten Umstände getätigt, und ihr liegt als Aufgabe zugrunde, eine Windradstromerzeugungsvorrichtung bereitzustellen, bei der die Stromerzeugung gesteigert wird, indem ein Windradgenerator eine Gierfunktion erzielt, um einer Windrichtung gegenüberzuliegen, und eine Steigerung der Rotationseffizienz des Windrads und des Generators bewirkt wird, und bei dem unter anderem das Höhenproblem und die Installationssicherheit verbessert sind.
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Mittel zum Lösen der Aufgabe
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Zum Erfüllen der Aufgabe umfasst eine Windradstromerzeugungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung eine runde Drehscheibe und einen Windradgenerator, der mit einem Windrad, einem Generator und einem Windfangkörper ausgebildet ist, und ist dadurch gekennzeichnet, dass der Windradgenerator an einem von dem Mittelpunkt der runden Drehscheibe entfernten Punkt gelagert wird, wobei eine Windeinströmöffnung des Windfangkörpers auf den Mittelpunkt der runden Drehscheibe gerichtet ist (Anspruch 1).
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Windradgenerator an einem von dem Mittelpunkt der runden Drehscheibe entfernten Punkt gelagert. Außerdem wird der Windradgenerator so gelagert, dass die Windeinströmöffnung des Windfangkörpers auf den Mittelpunkt der runden Drehscheibe gerichtet ist.
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Wenn der Wind auf den Windradgenerator trifft, wird daher der Windradgenerator automatisch in Bezug auf den Mittelpunkt der runden Drehscheibe zur windabwärtigen Seite bewegt, sodass er der Windrichtung von allen Richtungen gegenüberliegt.
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Somit wirkt eine automatische Gierfunktion in Bezug auf die Windrichtung, wodurch dem Windradgenerator kontinuierlich Wind zugeführt wird, die Rotationseffizienz des Windrads und des Generators verbessert wird und die Stromerzeugung gesteigert wird. Darüber hinaus werden bei der vorliegenden Erfindung kein gesonderter Windrichtungsmesser und keine komplizierten Vorrichtungen wie etwa eine Steuervorrichtung für dessen Daten benötigt.
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Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die runde Drehscheibe einen Mittelturm aufweist, der Windradgenerator einen Trägerpfosten aufweist und der Windradgenerator durch den Trägerpfosten und den Mittelturm gelagert wird (Anspruch 2). Gemäß dieser Ausführungsform wird durch Verwenden des Mittelturms auf einfache Weise das Tragen in einer Weise ermöglicht, in der die Windeinströmöffnung des Windfangkörpers auf den Mittelpunkt der runden Drehscheibe gerichtet ist, und die Anbringungsfestigkeit des Windradgenerators kann erhöht werden.
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In einer Ausführungsform ist der Windfangkörper durch einen vorderen Windfangkörper, der so gebildet ist, dass sich seine Schnittfläche von der Windeinströmöffnung bis zu einer Installationsposition des Windrads linear oder in einer Kurve verkleinert, und derart gebildet, dass sich die verkleinerte Schnittfläche zwischen der Installationsposition des Windrads und einer Windausströmöffnung linear bzw. in einer Kurve vergrößert oder die Schnittfläche konstant gehalten wird (Anspruch 3).
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Gemäß dieser Ausführungsform wird die Geschwindigkeit des durch das Windrad eingefangenen Windes erhöht und damit die Rotationseffizienz des Windrads und des Generators verbessert und die Stromerzeugung gesteigert.
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Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Windfangkörper eine im Schnitt im Wesentlichen rechteckige Form ist, die einen Abschnitt der kurzen Seite und einen Abschnitt der langen Seite aufweist, wobei ein Abstand zwischen dem Windrand und dem Abschnitt der langen Seite des Windfangkörpers minimal ist, ein Verhältnis zwischen dem Abschnitt der kurzen Seite und dem Abschnitt der langen Seite des Windfangkörpers 1-bis 10-fach ist und ein Verhältnis zwischen einem Abschnitt der kurzen Seite und einem Abschnitt der langen Seite eines Ausströmteils eines hinteren Windfangkörpers 1- bis 10-fach ist (Anspruch 4).
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Eine im Schnitt im Wesentliche rechteckige Form beinhaltet dabei auch ein Oval, das einen Abschnitt der kurzen Seite und einen Abschnitt der langen Seite aufweist, und andere Vieleckformen. Gemäß dieser Ausführungsform wird im Vergleich zu dem Fall, dass der Windfangkörper rund oder quadratisch ist, die seitlich des Windrads strömende Windgeschwindigkeit ohne Entweichen oberhalb oder unterhalb des Windrads zu den Räumen auf beiden Seiten des Windrads geleitet und stößt den Luftstrom von reduzierter Geschwindigkeit wirkungsvoll auf der Rückseite des Windrads aus, wodurch die Geschwindigkeitsenergie des Luftstroms auf der Windradrückseite wiederhergestellt werden kann.
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Wenn Wind durch die Windeinströmöffnung aufgenommen wird, durchströmt dieser Wind zunächst den vorderen Windfangkörper, erreicht das Windrad, das an dem Verkleinerungsabschnitt der im Schnitt im Wesentlichen rechteckigen Form installiert ist, und lässt das Windrad rotieren. Gleichzeitig bläst aus den Räumen auf beiden Seiten des Windrads ein Luftstrom von hoher Geschwindigkeit. Der Luftstrom von reduzierter Geschwindigkeit auf der Rückseite des Windrads, dem durch das Windrad Energie entzogen wurde, wird durch den aus den Räumen auf beiden Seiten des Windrads geblasenen Luftstrom von hoher Geschwindigkeit angestoßen, wodurch die Geschwindigkeitsenergie des Luftstroms auf der Rückseite des Windrads wiederhergestellt wird. Durch den vorderen Windfangkörper, der derart gebildet ist, dass sich seine Schnittfläche von der Windeinströmöffnung bis zur Installationsposition des Windrads linear oder in einer Kurve verkleinert, wird also der Wind unter Erhöhung seiner Geschwindigkeit zum Windrad geleitet, wodurch die Menge und die Geschwindigkeit des das Windrad passierenden Windes gesteigert und dieser dem hinteren Windfangkörper zugeführt wird.
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Als Nächstes wird der Wind, der das Windrad passiert hat, dem hinteren Windfangkörper zugeführt. Der hintere Windfangkörper ist derart gebildet, dass sich die verkleinerte Schnittfläche zwischen der Installationsposition des Windrads und der Windeinströmöffnung linear bzw. in einer Kurve vergrößert oder die Schnittfläche konstant gehalten wird. Der dem hinteren Windfangkörper zugeführte Wind, der das Windrad passiert hat, wird mit dem auf der Außenseite des hinteren Windfangkörpers vorbei blasenden Luftstrom von höherer Geschwindigkeit und geringerem Druck in Kontakt gebracht, und der durch Vermischen/Reibung/Absorption zugeführte Wind von geringerer Geschwindigkeit und höherem Druck innerhalb des hinteren Windfangkörpers wird aus der Windausströmöffnung mit herausgeführt, wodurch die Menge und die Geschwindigkeit des das Windrad passierenden Windes erneut erhöht werden. Somit wird die Windgeschwindigkeit auf der Rückseite des Windrads durch eine zweistufige Windbeschleunigung erhöht, wodurch eine Steigerung der Rotationseffizienz des Windrads bewirkt und die Stromerzeugungseffizienz erhöht wird.
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Außerdem ist der Abstand zwischen dem Windrand und dem Abschnitt der langen Seite des Windfangkörpers minimal, das Verhältnis zwischen dem Abschnitt der kurzen Seite und dem Abschnitt der langen Seite des Windfangkörpers ist 1-bis 10-fach und das Verhältnis zwischen dem Abschnitt der kurzen Seite und dem Abschnitt der langen Seite des Ausströmteils des hinteren Windfangkörpers ist 1- bis 10-fach. Wenn bei dem 1- bis 10-Fachen das 10-Fache überschritten wird, liegt keine starke Zunahme des Verhältnisses Umfangslänge in Bezug auf die Oberfläche/Oberfläche vor. Wird das 10-Fache überschritten, führt dies außerdem zu einer problematischen Größenzunahme der Vorrichtung.
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Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass an einem Öffnungsrand der Windausströmöffnung des Windfangkörpers ein Windteilungsabschnitt bereitgestellt ist, der eine Form aufweist, die den Wind zur Außenseite des Windfangkörpers aufteilt und die Kontaktoberfläche zwischen dem Wind auf der Außenseite des Windfangkörpers und dem Wind im Inneren des Windfangkörpers vergrößert (Anspruch 5). Gemäß dieser Ausführungsform kann der hinter dem Windrad mit geringer Strömungsgeschwindigkeit vorliegende Wind zwangsweise ausgestoßen werden, wodurch eine Steigerung der Rotationseffizienz des Windrads und des Generators bewirkt und die Stromerzeugungsmenge erhöht werden kann.
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Wirkung der Erfindung
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Gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine Windradstromerzeugungsvorrichtung bereitgestellt werden, die eine Steigerung der Rotationseffizienz des Windradgenerators mittels der automatischen Giersteuerung bewirkt und bei der unter anderem das Höhenproblem und die Installationssicherheit verbessert sind.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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- 1 ist eine Draufsicht auf wesentliche Elemente eines Windrads der Windfangbauart gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 2 ist eine Seitenansicht der wesentlichen Elemente aus 1.
- 3 ist eine Vorderseitenansicht der wesentlichen Elemente aus 1.
- 4 ist eine Draufsicht auf wesentliche Elemente eines Windrads der Windfangbauart gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 5 ist eine Seitenansicht der wesentlichen Elemente aus 4.
- 6 ist eine Vorderseitenansicht der wesentlichen Elemente aus 4.
- 7 ist eine Vorderseitenansicht von Aussparungsvorsprungswindteilungsabschnitten.
- 8 sind Vorderseitenansichten von sternförmigen Windteilungsabschnitten (a), (b), (c).
- 9 ist eine Vorderseitenansicht eines flanschförmigen Windteilungsabschnitts.
- 10 ist eine Vorderseitenansicht eines zahnradförmigen Windteilungsabschnitts.
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Ausführungsform der Erfindung
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Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf 1 bis 3 eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
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Eine Windradstromerzeugungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung ist mit einer runden Drehscheibe 1 und einem Windradgenerator 5, der durch ein Windrad 2, einen Generator 3 und einen Windfangkörper 4
ausgebildet ist, ausgestaltet.
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Die runde Drehscheibe 1 wird über mehrere Rollen 7 gelagert, die auf einem fixierten Sockel 6 angeordnet sind, und ist um ihren Mittelpunkt C als Achse drehbar ausgestaltet. Am Mittelpunkt C ist außerdem ein Mittelturm 8 bereitgestellt. Der Mittelturm 8 ist mittels eines an einem Abschnitt des fixierten Sockels 6 bereitgestellten Lagers 9 drehbar ausgestaltet.
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Der Windradgenerator 5 ist ein Aufbau, bei dem das Windrad 2 und der Generator 3 im Inneren des Windfangkörpers 4 angeordnet sind. Der Windfangkörper 4 ist mit einem vorderen Windfangkörper 11, der so gebildet ist, dass sich seine Schnittfläche von einer Windeinströmöffnung 10 bis zu einer Installationsposition des Windrads 2 linear oder in einer Kurve verkleinert, und mit einem hinteren Windfangkörper 13 ausgebildet, der so gebildet ist, dass sich seine verkleinerte Schnittfläche zwischen der Installationsposition des Windrads 2 und einer Windausströmöffnung 12 linear bzw. in einer Kurve vergrößert oder die Schnittfläche konstant gehalten wird, und ist eine im Schnitt im Wesentlichen rechteckige Form, die einen Abschnitt 14 der kurzen Seite und einen Abschnitt 15 der langen Seite aufweist.
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Wie in 3 und 6 gezeigt, ist der Abstand zwischen dem Windrand 2 und dem Abschnitt 15 der langen Seite des Windfangkörpers 4 minimal, das Verhältnis zwischen dem Abschnitt 14 der kurzen Seite und dem Abschnitt 15 der langen Seite des Windfangkörpers 4 ist 1-bis 10-fach und das Verhältnis zwischen einem Abschnitt 21 der kurzen Seite und einem Abschnitt 22 der langen Seite eines Ausströmteils des hinteren Windfangkörpers 13 ist 1-bis 10-fach. Der Windfangkörper 4 wird in Anpassung an den Installationsort der vorliegenden Windradstromerzeugungsvorrichtung quer oder vertikal benutzt.
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An einem Öffnungsrand der Windausströmöffnung 12 des Windfangkörpers 4 ist ein Windteilungsabschnitt bereitgestellt, der eine Form aufweist, die den Wind zur Außenseite des Windfangkörpers 4 aufteilt und die Kontaktoberfläche zwischen dem Wind auf der Außenseite des Windfangkörpers 4 und dem Wind im Inneren des Windfangkörpers 4 vergrößert. 7 zeigt Aussparungsvorsprungsteilungsabschnitte 16. Die Form des Windteilungsabschnitts spielt dabei keine Rolle. Beispielsweise kann es sich um einen in 8(a), (b), (c) gezeigten sternförmigen Teilungsabschnitt, einen in 9 gezeigten flanschförmigen Teilungsabschnitt, einen in 10 gezeigten zahnradförmigen Teilungsabschnitt oder eine andere Form handeln.
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In der vorliegenden Erfindung werden das Windrad 2, der Generator 3 und der Windfangkörper 4, die den Windradgenerator 5 ausbilden, an einem von dem Mittelpunkt C der runden Drehscheibe 1 entfernten Punkt gelagert. Außerdem wird der Windradgenerator 5 so gelagert, dass die Windeinströmöffnung 10 des Windfangkörpers 4 auf den Mittelpunkt C der runden Drehscheibe 1 gerichtet ist.
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Im Ausführungsbeispiel der Figuren wird der Windradgenerator 5 durch einen Trägerpfosten 18 gelagert, und die beiden Endabschnitte einer Hauptachse 17 des Windradgenerators 5 werden durch einen Hauptachsenturm 19, der separat von dem Mittelturm 8 bereitgestellt ist, auf der runden Drehscheibe 1 gelagert.
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Bei der vorstehenden Ausgestaltung ist die runde Drehscheibe 1 drehbar. Wenn Wind auf den Windradgenerator 5 trifft, dreht sich somit die runde Drehscheibe 1, und zugleich wird der Windradgenerator 5 in Bezug auf den Mittelpunkt C der runden Drehscheibe 1 zur windabwärtigen Seite bewegt, sodass die Windeinströmöffnung 10 des Windfangkörpers 4 der Windrichtung von allen Richtungen gegenüberliegt.
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Indem die Windeinströmöffnung 10 des Windfangkörpers 4 des Windradgenerators 2 stets der Windrichtung gegenüberliegt, wird das Windrad 10 stets mit Wind versorgt und gedreht, wodurch die Rotationseffizienz des Generators 3 verbessert und die Stromerzeugungseffizienz erhöht wird.
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Als Nächstes wird unter Bezugnahme auf 4 bis 6 ein Ausführungsbeispiel beschrieben. Bezugszeichen, die für 1 bis 3 gemeinsam sind, sind mit gleichen Bezugszeichen angegeben.
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In diesem Ausführungsbeispiel werden das Windrad 2 und der Generator 3 durch den Mittelturm 8 und den Trägerpfosten 18 des Windradgenerators 5 gelagert, und die beiden Endabschnitte des Windfangkörpers 4 werden durch einen Trägerpfosten 20 gelagert, wodurch eine verbesserte Festigkeit gegenüber der Windkraft erzielt wird.
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Gebiet der gewerblichen Anwendung
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Da die Windradstromerzeugungsvorrichtung eine Verbesserung der Rotationseffizienz des Windrads und des Generators bewirken und die Stromerzeugung steigern kann, indem sie eine Gierfunktion erzielt, um der Windrichtung gegenüberzuliegen, ist ihr Anwendungsbereich weit gefächert.
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Erläuterung der Bezugszeichen
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- 1
- runde Drehscheibe
- 2
- Windrad
- 3
- Generator
- 4
- Windfangkörper
- 5
- Windradgenerator
- 10
- Windeinströmöffnung
- 12
- Windausströmöffnung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2020193605 A [0007]
- JP 2011140887 A [0007]
