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Die Erfindung betrifft ein Windkraftsystem zur Erzeugung von elektrischem Strom mittels waagerechter Windrotoren auf LKW's und Nutzfahrzeugen.
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Kennzeichnender Teil
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Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass
waagerecht liegenden Rotoren, die auf den Fahrzeug-Dächern installiert und vom Wind angetrieben werden, den erforderlichen Betriebsstrom für die LKW und Nutzfahrzeuge erzeugen.
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Es können mehrere Windkraftanlagen auf den Fahrzeugen montiert und zu Ladeeinheiten zusammengefasst werden.
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In den Mobilen Windkraftanlagen sollen Rotoren, die sich im einströmenden Fahrtwind drehen, die an beiden Seiten angebrachten Drehstrom-Generatoren antreiben, die dann elektrischen Strom erzeugen, der z. B. zur Stromversorgung von LKW-Klimaanlagen und Kühlsystemen dienen soll.
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Derartige Windkraftanlagen für LKW und Nutzfahrzeuge stellen eine technische Neuerung dar.
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Anmerkungen zum Stand der Technik
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Der bei der Fahrt entstehende Gegenwind wird für die Stromerzeugung bei LKW und Nutzfahrzeugen bisher nahezu überhaupt nicht genutzt. Statt dessen gibt es auf den LKW-Dächern häufig Windabweiser, die den Wind ableiten und so den Windwiderstand der LKW-Anhänger bzw. Aufbauten verringern, um den Kraftstoffverbrauch zu senken. Erst in der letzten Zeit, hervorgerufen durch den immer höher werdenden Kosten für Benzin und Dieselkraftstoff ist die Konstruktion von serienmäßigen Hybrid-LKW finanziell interessant geworden.
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Dessen ungeachtet, wird der vor allem auf Langstrecken und bei Fahrten auf der Autobahn entstehende Gegenwind für die Stromerzeugung bisher überhaupt nicht genutzt, obwohl hierdurch Strommengen erzeugt werden können, die selbst den eigenen Strombedarf von Kühlfahrzeugen mit hoher Kühlleistung (Tiefkühl-LKW) bei weitem überschreiten.
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Eine Beeinträchtigung der Nutzungsmöglichkeiten und Fahreigenschaften der LKW entsteht durch die LKW-Windkraftanlagen nicht, da sie an Stelle von Windabweisern oder oberhalb auf dem Dach der Anhänger oder Aufbauten angebracht werden können, ohne die Fahrleistungen nennenswert zu beeinflussen. Hingegen entfällt durch die Eigenstromerzeugung auch die Notwendigkeit, über Netzanschlüsse Strom „nachzutanken”.
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Eine Beeinträchtigung der üblichen Nutzungsmöglichkeiten und Fahreigenschaften der LKW entsteht durch die LKW-Windkraftanlagen nicht, da sie an Stelle von Windabweisern oder oberhalb auf dem Dach der Anhänger oder Aufbauten angebracht werden können, ohne die Fahrleistungen nennenswert zu beeinflussen. Hingegen entfällt durch die Eigenstromerzeugung auch die Notwendigkeit, über Netzanschlüsse Strom „nachzutanken”.
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Durch die Verwendung von je zwei Drehstromgeneratoren an beiden Enden der horizontalen Rotorelemente kann auf jedem Fahrzeug eine Strommenge erzeugt werden, die auch den Eigenstrombedarf von Kühlfahrzeugen mit hoher Kühlleistung (Tiefkühl-LKW) deutlich überschreiten.
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Eine Beeinträchtigung der Nutzungsmöglichkeiten und Fahreigenschaften der LKW und Nutzfahrzeuge entsteht durch die Mobilen Windkraftanlagen nicht, da sie an Stelle von Windabweisern oder oberhalb auf dem Dach der Anhänger oder Aufbauten angebracht werden können, ohne die Fahrleistungen nennenswert zu beeinflussen. Hingegen entfällt durch die Eigenstromerzeugung auch die Notwendigkeit, über Netzanschlüsse Strom „nachzutanken”.
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Die Mindestleistung der Generatoren (in Abstimmung mit den Rotoren) soll so bemessen werden, dass diese auch bei geringsten Windstärken von 2–3 m/sec noch einen nutzbaren Mindeststrom erzeugen können; die „Normalleistung” soll bei Fahrgeschwindigkeiten von 70 bis 100 km/h – entsprechend der Nutzung auf Landstraßen und Autobahnen – erreicht werden.
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Klima- und Kühlanlagen von LKW werden bisher mit Motorkraft betrieben; gleiches gilt für den Betrieb der Lichtmaschine zur Ladung der Batterie. Dadurch ist der Treibstoffverbrauch entsprechend hoch. Besonders in Zeiten, in denen sich die Treibstoffkosten – auch für Dieselfahrzeuge – ständig erhöhen werden, ist es besonders wichtig, den Treibstoffverbrauch zu senken, damit die Transportkosten im bezahlbaren Rahmen bleiben und sich der Transport per LKW weiterhin lohnt.
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Hierzu leistet meine Erfindung, die Windkraftanlage für LKW und Nutzfahrzeuge, einen entscheidenden Beitrag.
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Durch die mittels Windenergie erzeugte Elektrizität, die in entsprechenden Zusatzbatterien der LKW gespeichert und dann bedarfsweise abgerufen werden kann, dient damit zur Senkung der Treibstoffkosten, da für die Stromerzeugung hier keine Motorkraft mehr benötigt wird.
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Natürlich ist während der Fahrt, insbesondere auf Autobahnen, auch eine direkte Stromabnahme aus der Anlage für die auf dem LKW befindlichen „Verbraucher”, z. B. Klima- und Kühlanlagen, möglich und sinnvoll, wobei die bei der Fahrt erzeugte „überschüssige” elektrische Energie nach entsprechender Gleichrichtung zur Aufladung der Fahrzeug- und der Zusatzbatterien dient.
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Weitere Anwendungsmöglichkeiten für „Elektrofahrzeuge”
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Wie aktuelle Zulassungsstatistiken zeigen, spielen PKW mit Elektromotoren bisher noch immer eine untergeordnete Rolle.
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Hingegen ist der aktuellen Presse zu entnehmen, dass deutsche LKW-Bauer auf dem Gebiet der Hybrid-LKW weltweit führend werden sollen. So wird in Düsseldorf z. B. in Düsseldorf bereits ein Hybrid-LKW (7,5 t) – unter der Bezeichnung „Fuso Canter”, der aus der ehemaligen Mitsubishi-LKW-Sparte stammt, in Serie hergestellt. In dieser Richtung soll und wird es weiter gehen.
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Bedingt durch die ständig steigenden Benzin- und Dieselpreise wird die Anzahl der Elektro- und Hybridfahrzeuge aber in den nächsten Jahren voraussichtlich stetig steigen.
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Aktuell kommen 2013 und 2014 nach den Mittelständlern und den Importeuren 15 serienfähige Elektrofahrzeuge der deutschen Hersteller auf den Markt.
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In den Medien ist das eFahrzeug allerdings bisher hauptsächlich als modernes Großstadtfahrzeug sichtbar. Dank 0-Emission, dem leisen Betrieb und kurzer Strecken bietet sich der Einsatz hier besonders an. Genauso aussichtsreich ist jedoch auch die Nutzung im ländlichen Raum und als Pendlerfahrzeug. Aufgrund der Bevölkerungsdichte und Verkehrsanbindung weisen ländliche Regionen einen hohen Anteil an Individualverkehr auf. Im Gegensatz zu urbanen Ballungsräumen ist das Angebot des ÖPNV in ländlichen Regionen häufig nicht flächendeckend gegeben und zeitnah verfügbar, was dazu führt, dass die Menschen dort zur Bewältigung des Alltags primär auf das Auto angewiesen sind. Den Anforderungen dieser Fahrprofile entsprechen eFahrzeuge auch mit den heute realistischen Reichweiten. In den nächsten Jahren werden daher insbesondere die Zweitfahrzeuge und ePendler einen großen Anteil am Gesamtfahrzeugbestand ausmachen. Am deutlichsten wird dieser Trend im Einzugsgebiet der großen Megacities weltweit zu beobachten sein.
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Reine Elektrofahrzeuge, die dann auf unseren Straßen unterwegs sein werden, benötigen eine zuverlässige Stromversorgung über sogenannte „Elektrotankstellen” oder den Austausch entladener gegen aufgeladene Batterien. Notwendig wird also eine Ladelogistik zur problemlosen und sicheren Energieversorgung, insbesondere, wenn sich Kaufinteressenten hierfür entscheiden sollen, die nicht nur auf Kurzstrecken unterwegs sein wollen oder müssen. Diese Versorgung kann am schnellsten und einfachsten durch Wechselbatterien gewährleistet werden, die vorzugsweise an bestimmten Tankstellen und auf Autobahnraststätten vorgehalten werden könnten.
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Die mobilen Windkraftanlagen für LKW und Nutzfahrzeuge könnten hierbei auch benutzt werden, um diese Batterien zu laden, mit denen dann Ladestationen für Elektrofahrzeuge (beispielsweise an Raststätten und Tankstellen) beliefert werden könnten. Hierdurch ergäbe sich dann ein neues Geschäftsfeld beispielsweise für die Betreiber von LKW und Nutzfahrzeugen, für deren eigene Ladung keine spezielle Kühlung benötigt und die mit den Windenergieanlagen auf dem Dach „überschüssigen” Strom erzeugen, der für diese Batterieladungen genutzt werden könnte.
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An den Tankstellen und Raststätten könnten die gelieferten, geladenen Batterien jeweils gegen eine entsprechende Anzahl von leeren bzw. neu zu ladenden Batterien ausgetauscht werden.
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Durch eine entsprechende Vielzahl von LKW und Nutzfahrzeugen mit Windkraftanlagen könnte dann eine entsprechende „Stromversorgungslogistik” problemlos aufgebaut werden.
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Im Sinne der von der Bundesregierung gefassten Beschlüsse zur „Energiewende” ist auch zu bedenken, dass der bei meiner Erfindung mit Windkraft erzeugte Strom auch nicht zur Kohlendioxidbelastung der Atmosphäre und damit zur Erderwärmung beiträgt, sondern im Gegenteil durch Senkung des Kraftstoffverbrauchs der LKWs auch die Schadstoffbelastung der Umwelt entsprechend verringert.
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Nutzung der gespeicherten elektrischen Energie für den Fahrbetrieb
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Beim Anfahren der LKW und Nutzfahrzeuge ist der Kraftstoffbedarf besonders hoch. Hier könnte zusätzlich gespeicherte elektrische Energie aus den Zusatzbatterien in der Startphase zur Motorunterstützung bzw. als elektrische Anfahrhilfe genutzt werden, um die Motoren zu entlasten und damit neben dem Energieverbrauch (Diesel und Benzin) auch die beim Anfahren besonders hohe Schadstoffbelastung der Umgebungsluft, z. B. im Bereich von Autohöfen und Raststätten, zu senken. Motoren mit geringerer Leistung bzw. weniger Motorhubraum wären hierdurch in LKW einsetzbar, wodurch sich der Kraftstoffverbrauch ebenfalls noch verringern ließe. Hierdurch wird es nach aktuelle bereits vorliegenden Erfahrungswerten nach Einschätzung der Fahrzeughersteller voraussichtlich möglich sein, eine Treibstoffersparnis von bis zu ca. 20% zu erreichen.
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Technische Beschreibung, Zeichnungen und Patentansprüche
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Zusammenfassung
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Die von mir erfundene Mobile Windkraftanlage besteht aus einem oder mehreren mittig angebrachten horizontalen Windrotoren (z. B. sogenannten „Savonius-Rotoren” mit drei Rotorblättern), an deren beiden Enden sich jeweils ein Drehstromgenerator zur Stromerzeugung befindet. Dabei ist die Drehrichtung der „permanent erregten” Generatoren, konstruktionsbedingt natürlich entgegengesetzt.
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Die Windkraftanlagen sollen auf dem Dach oder auf dem bzw. an Stelle des oberen Windabweisers der Fahrzeuge angebracht sein und können durch entspechende Lackierung dem jeweiligen Fahrzeug farblich exakt angepasst werden.
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Die Gehäuseform kann entsprechend dem jeweiligen „Styling” der verschiedenen Fahrzeug-Modelle angepasst werden. Alternativ ist die Anbringung der Rotoren auf dem Dach der Anhänger möglich. Auch die Zusatzbatterien können bei LKW konstruktionsbedingt entweder im Zugfahrzeug oder im Anhänger bzw. Auflieger untergebracht sein, wo hierfür mehr Platz ist, als im Bereich der Zugmaschine. Dadurch können die LKW-Führerhäuser ohne konstruktive bzw. räumliche Einschränkungen genutzt werden.
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Der Durchmesser des Rotors und der seitlichen Generatoren sollen nach meiner Vorstellung mindestens ca. 30 cm betragen. Die Konstruktionshöhe der Windkraftanlage wird demgemäß bei Verwendung von zwei Rotoren mindestens zwischen 50 und 60 cm und bei insgesamt drei Rotoren zwischen 80 und 100 cm liegen; die Konstruktionsbreite kann entsprechend der Fahrzeugbreite bzw. Trägerkonstruktion variieren und den jeweiligen Fahrzeugen angepasst werden.
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Durch konstruktive Änderungen an der Fahrzeugelektrik bzw. Lichtmaschine kann die Aufladung der Fahrzeugbatterien während der Fahrt problemlos von der Windkraftanlage übernommen werden, wodurch sich dann noch weitere Treibstoffkosten einsparen lassen.
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Der gleichzeitige Betrieb von Klima- und Kühlanlagen sowie der übrigen Fahrzeugelektrik während der Fahrt ist über die von der Windkraftanlage gespeisten bzw. elektrisch versorgten Fahrzeugbatterien problemlos möglich; je nach Strombedarf empfiehlt es sich jedoch, mehrere Batterien gleichzeitig auf dem Fahrzeug mitzuführen und anzuschließen, um während der Fahrpausen oder in Stausituationen jederzeit bedarfsgerecht auf die in den Batterien gespeicherte elektrische Energie zugreifen zu können.
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Technische Lösung der Eigenstromerzeugung durch die Mobilen Windkraftanlagen
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Die Aufgabe der Eigenstromerzeugung wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass waagerecht liegende Rotoren in einem Gehäuse, das in seiner aerodynamischen Konstruktionsform äußerlich und in den Abmessungen marktüblichen Windabweisern für LKW-Dächer ähnelt, über seitliche, vorzugsweise windgekühlte Drehstromgeneratoren Strom für die Eigenstromversorgung der LKW erzeugt wird, der nach entsprechender Gleichrichtung in zusätzlichen Fahrzeugbatterien gespeichert werden soll, deren Ladung damit jederzeit bedarfsgerecht abgerufen werden kann.
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Auch die unmittelbare Nutzung der von den mobilen Windkraftanlagen erzeugten elektrischen Energie, z. B. für die Stromversorgung von Klima- und Kühlanlagen kann durch entsprechende Konstruktion ermöglicht werden. Auch dazu ist es natürlich erforderlich, entsprechende Gleichrichter einzubauen und zu verwenden, die auch benötigt werden, um den in der Windkraftanlage erzeugten Strom dann in den Zusatzbatterien speichern zu können.
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Die horizontalen Rotoren (z. B. dreiflügelige Savonius-Rotoren oder auch andere Konstruktionen – siehe Zeichnungen – sind denkbar) können im Durchmesser und entsprechend den konstruktiven Erfordernissen variieren. Bei üblichen Fahrzeugbreiten und Konstruktionshöhen sind für die in den beigefügten Zeichnungen dargestellten Figuren beispielsweise Rotordurchmesser von z. B. 0,30 bis 0,60 m vorstellbar, die entsprechend der konstruktiven Erfordernisse bis zu ca. 1,60 m lang sein könnten. Die Gehäuse der mobilen Windkraftanlagen sollen vorzugsweise aus Leichtmetall bzw. nichtrostendem oder lackiertem Stahlblech oder Kunststoff (z. B. Fiberglas) hergestellt werden. Die zum Antrieb dienenden Flügelelemente der Rotoren können beispielsweise aus Leichtmetall, glasfaserverstärktem Kunststoff oder Stahlblech bestehen. Die Flügelelemente sind um ihre Mittelachse drehbar. Die Windstärke kann, falls erforderlich, konstruktiv über verstellbare Lüftungsklappen reguliert werden, die sich an der vorderen Verkleidung der Windkraftanlagen befinden, so dass eine Überhitzung der seitlichen Generatoren durch zu hohe Drehzahlen, beispielsweise bei schneller Fahrt gegen den Wind, durch entsprechende Regelung der in die Anlagen zum Antrieb der Flügelelemente eingeleiteten Windmenge vermieden werden kann.
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Um den anströmenden Wind auf die Rotoren maximal zu nutzen, und die sich aus dem System ergebenden natürlichen Verluste durch die Rückanströmung der Flügelelemente der unteren Radiushälfte zu vermeiden, soll der Wind unter den Rotoren frei durchströmen können. Hier befinden sich unterhalb der Rotoren Windleitbleche, die den unteren Windstrom nach oben lenken. Von der Drehung der windgetriebenen Rotoren während der Fahrt werden sogenannte „permanent erregte” Kompaktgeneratoren angetrieben. Diese sind in der Höhe der Rotorachse jeweils links und rechts konstruktiv mit den Rotoren verbunden.
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Die verwendeten Kompaktgeneratoren sollen auf optimale Fahrgeschwindigkeiten von 70 bis 100 km/h ausgerichtet, aber in Abstimmung mit den Rotoren so bemessen sein, dass diese auch bei geringen Windstärken von 2–3 m/sec schon einen nutzbaren Mindeststrom erzeugen können, so dass die Stromerzeugung bereits bei langsameren innerstädtischen Fahrten von funktioniert.
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Erzielte Vorteile
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Die mit dieser Erfindung erzielten Vorteile bestehen in der Hauptsache darin, dass
- – auch LKW und Nutzfahrzeuge mit Klima- und Tiefkühlanlagen, die einen hohen Strombedarf haben, durch die Windkraftanlagen unabhängig vom Stromnetz betrieben werden können.
- – die Gesamtanlagen wartungsarm und leicht zugänglich für den Wartungsablauf sind –,
- – die Gefahr von Beschädigungen der Windkraftanlagen konstruktionsbedingt gering bleibt,
- – eine Mindestrotation schon ab ca. 2–3 m/sec gewährleistet sein soll
- – eine Erweiterungsmöglichkeit durch zusätzliche Anlagen, beispielweise auf dem Dach von Fahrzeuganhängern oder Auflegern besteht
- – ein technischer Ausfall einer Rotoreinheit bei Anlagen mit mehreren Windrotoren nicht gleich den Ausfall des gesamten Stromerzeugungssystems bedeutet
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Zeichnungen
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A zeigt die Perspektivische Ansicht einer eingehausten Windkraftanlage auf einem LKW-Führerhausdach
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B zeigt die Ansichts-Perspektive eines LKW-Daches mit oberhalb der Schlafkabine eingebauter Windkraftanlage
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C zeigt die Perspektive eines dreiflügeligen Savoniusrotors mit seitlichem Generator
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D zeigt die „aufgeklappte” Perspektive eines dreiflügeligen Savoniusrotors mit zwei seitlichen Drehstrom-Generatoren
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E zeigt eine Gehäuseperspektive für die Verwendung auf LKW-Fahrerhausdächern mit vorne und seitlich erkennbaren Entwässerungsöffnungen
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F zeigt eine Konstruktionsvariante eines Horizontalrotors mit seitlichen Generatoren
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G zeigt eine weitere Konstruktionsvariante eines Horizontalrotors mit seitlichen Generatoren
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H zeigt als weitere Konstruktionsvariante ebenfalls einen Horizontalrotor mit seitlichen Generatoren
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I zeigt die Konstruktionsperspektive einer Rotoreinhausung für Einzelrotoren
Hinweis: die nachstehend aufgeführten J) bis O) zeigen Schnitte verschiedener Konstruktionsvarianten jeweils in der Seitenansicht
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J zeigt den Schnitt einer Konstruktionsvariante mit Einzelrotor zur Montage auf dem Fahrzeugdach
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K zeigt Schnitt einer Konstruktionsvariante mit doppeltem Rotorund Darstellung der seitlichen Befestigungsstreben
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L zeigt den Schnitt einer Konstruktionsvariante mit Dreifachrotor, vorderen Windführungen und gegenläufiger Drehrichtung des mittleren Rotors
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M zeigt den Schnitt einer Konstruktionsvariante zwei übereinander angeordneten Rotoren und zusätzlilcher externer Windführung
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N zeigt den Schnitt einer Konstruktionsvariante mit Doppelrotor, vorderer Windführung und gegenläufiger Drehrichtung der beiden Rotoren, bei dem die enge Abluftöffnung durch Stauluft die Vermeidung zu hoher Drehzahlen bewirkt
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O zeigt den Schnitt einer Konstruktionsvariante mit gleichlaufenden Doppelrotoren und Lüftungsklappen im vorderen Luftgitter, die in einer „geöffneten” Position als zusätzliche Windführungen und in geschlossener Position zur Vermeidung zu hoher Drehzahlen der Rotoren zusätzlich als „Windbremse” wirken können.
