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Die Erfindung betrifft eine Druckerzeugungseinrichtung für eine Anlage zur Erzeugung von Energie aus Wind- und/oder Solarenergie.
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Es ist bekannt, Sonnenenergie photovoltaisch oder unter Verwendung von Spiegelsystemen zur Gewinnung von elektrischem Strom zu verwenden. Auch ist es bekannt, dass Windenergie dazu verwendet wird, in Windkraftanlagen mittels Propeller oder mittels Savonius- und Darrieux-Rotoren oder ähnlichen Einrichtungen elektrischem Strom zu gewinnen. Beide Arten der Energiegewinnung besitzen ihre bekannten Nachteile: Scheint keine Sonne, so können Solarenergie nutzende Anlagen keinen elektrischen Strom erzeugen. Weht kein Wind, so ist die Erzeugung von Strom durch die Ausnutzung der Windkraft nicht möglich.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Druckerzeugungseinrichtung für eine Anlage zur Energieerzeugung zu schaffen, durch welche Energie, insbesondere elektrischer Energie, durch Solarenergie und/oder Windenergie erzeugbar ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die ein Gehäuse aufweisende Druckerzeugungsvorrichtung eine Lamellen-Anordnung mit einer Anzahl von Lamellen, die durch Spalte getrennt sind, aufweist, dass die Lamellen aus Solarglas gefertigt sind, dass die Druckerzeugungseinrichtung Mittel zur Umwandlung der durch die Lamellen-Anordnung einfallenden Solarenergie in thermische Energie aufweist, so dass durch diese Mittel die im Innenraum der Druckerzeugungseinrichtung befindliche Luft erwärmbar ist, dass die Druckerzeugungseinrichtung mindestens eine Lufteintrittsöffnung, durch welche Luft in das Innere der Druckerzeugungseinrichtung eintretbar ist, und mindestens eine Luftaustrittsöffnung, durch welche erwärmte Luft aus dem Inneren der Druckerzeugungseinrichtung austretbar ist, aufweist.
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Die erfindungsgemäße Druckerzeugungseinrichtung für eine Anlage zur Erzeugung von Energie aus Wind- und/oder Solarenergie zeichnet sich dadurch aus, dass sie in vorteilhafter Art und Weise in der Lage ist, aus beiden konträren Energiesystemen – Solarenergie und Windenergie – elektrische Energie zu erzeugen. Die Betriebssicherheit einer die erfindungsgemäße Druckerzeugungseinrichtung verwendenden Anlage zur Energieerzeugung wird dadurch erhöht, da diese auch dann elektrische Energie erzeugt, wenn nur Wind weht, aber keine Sonne scheint, und umgekehrt.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Druckerzeugungseinrichtung besteht darin, dass sie kompakt baut und einfach und kostengünstig herzustellen ist.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Druckerzeugungseinrichtung als Sogsystem ausgebildet ist. In der Druckerzeugungseinrichtung wird ein Unterdruck erzeugt, welcher bewirkt, dass die Druckerzeugungseinrichtung von einer mit ihr über eine Leitung verbundenen Turbine Luft ansaugt, so dass hierdurch das Turbinenrad dieser Turbine in Rotation versetzt wird.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Druckerzeugungseinrichtung als ein Drucksystem ausgebildet ist. In der erfindungsgemäßen Druckerzeugungseinrichtung wird ein Überdruck erzeugt und die unter Druck stehende und aus der erfindungsgemäßen Druckerzeugungseinrichtung austretende Luft beaufschlagt die mit dieser über die Leitung verbundenen Turbinen.
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Ein weiterer Vorteil der Weiterbildung der Erfindung betrifft eine Anlage zur Erzeugung von Energie, insbesondere elektrische Energie aus Wind- und/oder Solarenergie, welche die erfindungsgemäße Druckerzeugungseinrichtung verwendet.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung betrifft eine Turbine für eine Anlage zur Erzeugung von Energie, insbesondere von elektrischer Energie, aus Wind- und/oder Solarenergie, die ein in einem Gehäuse angeordnetes Turbinenrad aufweist, wobei vorgesehen ist, dass die Turbine ein luftdurchlässiges Innenrohr aufweist, das von einem luftundurchlässigen Außenrohr umgeben ist, und dass die Turbine eine Lufteinlassöffnung mit einem darin angeordneten Turbulator aufweist, durch den die in die Turbine eintretende Luft mit einem Drall versehbar ist.
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Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sind den beiden Ausführungsbeispielen zu entnehmen, die im folgenden anhand der Figuren beschrieben werden.
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Es zeigen:
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1: eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels,
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2: eine Draufsicht auf das erste Ausführungsbeispiel,
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3: ein Schnitt durch das erste Ausführungsbeispiel,
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4: eine schematische Darstellung der Wirkungsweise des ersten Ausführungsbeispiels,
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5: eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels,
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6: ein Schnitt durch das zweite Ausführungsbeispiel,
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7: eine schematische Darstellung einer Turbine für eine Anlage zur Energiegewinnung,
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8: ein Schnitt durch ein Innenrohr der Turbine gemäß 7,
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9: eine schematische Darstellung eines Turbulators, und
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10: eine schematische Darstellung eines Gleichrichters.
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In den 1 bis 4 ist nun ein erstes Ausführungsbeispiel eine Anlage 1 zur Gewinnung von Energie aus Wind- und/oder Solarenergie schematisch dargestellt. Die Anlage 1 gliedert sich in eine Druckerzeugungseinrichtung 10, in der wie nachstehend beschrieben ein Unterdruck erzeugbar ist. Diese Druckerzeugungseinrichtung 10 steht über eine Leitung 31 mit einer Turbine 30 in Verbindung, die eine Einlassöffnung 32 aufweist, durch welche Umgebungsluft ansaugbar ist. Wird nun in der Druckerzeugungseinrichtung 10 ein Unterdruck erzeugt, so strömt Luft durch die Einströmöffnung 32 in die Turbine 30 ein. Der in der Druckerzeugungseinrichtung 10 herrschende Unterdruck bewirkt nun, dass die durch die Einlassöffnung 32 einströmende Luft weiter zur Druckerzeugungseinrichtung 10 strömt, wodurch ein (in den 1 bis 4 nicht gezeigtes) Turbinenrad der Turbine 30 in Rotation versetzt wird, so dass dieses einen ebenfalls nicht gezeigten Generator zur Erzeugung von elektrischem Strom antreiben kann. Natürlich ist es auch möglich, dass eine Welle des Turbinenrads der Turbine 30 als Antriebswelle für eine dieser nachgeschalteten mechanischen Vorrichtung dient, so dass die von der Turbine 30 erzeugte und über die Welle an diese Vorrichtung abgegebene Rotationsenergie von dieser genutzt werden kann. Im nachfolgenden wird davon ausgegangen, dass die Turbine 30 zur Erzeugung von elektrischem Strom dient, also einen Generator antreibt.
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Um nun den die Turbine 30 antreibenden Unterdruck sowohl durch eine solarthermische und/oder durch die Einwirkung von Windenergie aufbauen zu können, ist die Druckerzeugungseinrichtung 10 wie folgt ausgebildet:
Wie am besten aus der 3 ersichtlich ist, ist die Druckerzeugungseinrichtung 10 kastenförmig aufgebaut und weist ein Gehäuse 11 mit einer Bodenfläche 11a auf, an oder über der eine Spiegel-Anordnung 12, insbesondere eine Parabolspiegel-Rinne, angebracht ist. An ihrer Oberseite 10a weist die Druckerzeugungseinrichtung 10 eine Lamellen-Anordnung 13 aus Solarglas auf, bei der einzelne Lamellen 14 jeweils durch einen Spalt 15 getrennt sind, so dass im Inneren 10' der Druckerzeugungseinrichtung 10 befindliche Luft durch diese Spalte 15 aufsteigen und somit aus der Druckerzeugungseinrichtung 10 entweichen kann, wodurch in dieser ein die Turbine 30 antreibender Unterdruck aufgebaut wird.
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Die Funktionsweise der Druckerzeugungseinrichtung 10 ist nun wie folgt: Das auf die Lamellen-Anordnung 13 auftreffende Sonnenlicht gelangt durch die aus Solarglas gefertigten Lamellen 14 zu der Spiegel-Anordnung 12 und wird von dieser reflektiert. Die Spiegel-Anordnung 12 ist dabei derart ausgebildet, dass ihre Brennlinie im Inneren 10' der Druckerzeugungseinrichtung 10 liegt, so dass die im Innenraum 10' befindliche Luft erwärmt wird, dadurch aufsteigt und durch die Spalte 15 zwischen den Lamellen 14 der Lamellen-Anordnung 13 die Druckerzeugungseinrichtung 10 verlässt. Hierdurch wird durch die Wirkung von Solarenergie der die Turbine 30 antreibende Unterdruck aufgebaut. Der in der Druckerzeugungseinrichtung 10 herrschende Druck ist somit geringer als der an der Eintrittsöffnung 32, so dass in Folge des in der Druckerzeugungseinrichtung 10 herrschenden Unterdrucks Luft durch die Eintrittsöffnung 32, durch die Turbine 30 und über die daran anschließende Leitung 31 ins Innere 10' der Druckerzeugungseinrichtung 10 strömt. Hierdurch wird eine Sog-Strömung ausgebildet, welche die Turbine 30 antreibt.
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Wie am besten aus 1 ersichtlich ist, weitet sich die Leitung 31 auf und umgibt derart die Druckerzeugungseinrichtung 10 insbesondere entlang ihrer Seitenflächen 10c, 10d, in der vorzugsweise Einströmöffnungen 16 vorgesehen sind, so dass der die Turbine 30 durchströmende und durch die Leitungen 31 zugeführte Luftstrom auch durch diese Einströmöffnungen 16 in das Innere 10' der Druckerzeugungseinrichtung 10 eintreten kann.
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Dem Fachmann ist klar ersichtlich, dass diese Ausgestaltung nicht zwingend ist. Ausreichend für die Funktion der Anlage 1 ist, dass durch die Druckerzeugungseinrichtung 10 ein hinreichend großer Unterdruck aufgebaut wird, so dass über die Leitung 31 Luft von der Turbine 30 angesaugt und ins Innere 10' der Druckerzeugungseinrichtung 10 geleitet wird. Natürlich ist es auch möglich, dass die Leitung 31 einen integralen Bestandteil des Gehäuses 11 der Druckerzeugungseinrichtung 10 darstellt und die Turbine 30 an den Ausgang dieser Einheit ankoppelbar ist.
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Um den Austritt der wie vorstehend erwärmten Luft aus dem Innenraum 10' der Druckerzeugungseinrichtung 10 zu erleichtern, ist vorzugsweise vorgesehen, dass – wie am besten aus 3 ersichtlich ist – sich die Lamellen 14 nach oben öffnen, so dass die erwärmte Luft durch die Lamellen 14 begrenzte Spalte 15 aufsteigen kann.
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Die Gesamtheit der Spalte 15 bildet somit eine Austrittsöffnung 17 der Druckerzeugungseinrichtung 10 aus, durch welche der die Turbine 30 antreibende Luftstrom aus dieser entweichen kann. In dem hier gezeigten Fall, bei dem die Druckerzeugungseinrichtung 10 als ein Sog-System ausgebildet ist, bildet somit die Einströmöffnung 32 der Turbine 30 eine Eintrittsöffnung 18 für den die Anlage 1 durchströmenden Luftstrom aus.
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Bei der vorstehenden Beschreibung wird davon ausgegangen, dass im Inneren 10' der Druckerzeugungseinrichtung 10 und benachbart zu deren Boden 11a eine Spiegel-Anordnung 12 zur Reflektion und Bündelung des in die Druckerzeugungseinrichtung 10 einfallenden Sonnenlichts vorgesehen ist. Das ist aber nicht zwingend, es können auch andere Maßnahmen vorgesehen sein, um durch das einfallende Sonnenlicht die im Inneren 10' befindliche Luft zu erwärmen und sie dadurch zu einem Aufsteigen zu zwingen, was in der Ausbildung des die Turbine 30 antreibenden Unterdrucks resultiert. Z. B. kann durch eine entsprechende Ausgestaltung der Druckerzeugungseinrichtung 10 der so genannte „Treibhaus-Effekt” zur Erwärmung der im Inneren 10' befindlichen Luft genützt werden. Wesentlich ist also nur, dass die Druckerzeugungseinrichtung 10 Mittel aufweist, durch welche einfallendes Sonnenlicht zur Erhöhung der Temperatur der im Inneren 10' der Druckerzeugungseinrichtung 10 befindlichen Luft verwendbar ist.
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In den 1 bis 4 ist eine parallele Anordnung der Spiegel-Anordnung 12 und der Lamellen-Anordnung 13 gezeigt. Dies ist nicht zwingend. Es ist auch möglich, dass zwischen diesen beiden Anordnungen 12, 13 ein Winkel ausgebildet ist. Wesentlich ist nur, dass durch die Spiegel-Anordnung 12 das durch die Lamellen-Anordnung 13 hindurchtretende Sonnenlicht aufgefangen und dadurch die Luft im Inneren 10' der Druckerzeugungseinrichtung 10 erwärmt wird.
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In der Praxis wird die Druckerzeugungseinrichtung 10 regelmäßig auf einem Hausdach montiert ist, dessen Dachfläche unter einem gewissen Winkel geneigt verläuft. In einem derartigen Fall ist dann eine Anordnung der Spiegel-Anordnung 12 und der Lamellen-Anordnung 13 unter einem auf die Dachneigung abgestimmten Winkel sinnvoll. Es ist auch denkbar, dass die Spiegel-Anordnung 12 und die Lamellen-Anordnung 13 derart im Gehäuse 11 angeordnet sind, dass der von ihnen eingeschlossene Winkel variabel ist. Eine derartig ausgestaltete Druckerzeugungseinrichtung 10 kann dann einfach auf die jeweils herrschenden Montageverhältnisse angepasst werden.
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Die durch eine solarthermische Beaufschlagung der Druckerzeugungseinrichtung 10 bewirkte Ausbildung von Unterdruck wird – wie anhand der 4 beschrieben – durch die Einwirkung einer Windströmung verstärkt oder – bei fehlender Sonnenstrahlung – dadurch ersetzt:
In der 4 sind schematisch vier Windrichtungen K, L, M, N dargestellt, wobei – wie insbesondere aus der unteren Abbildung der 4 ersichtlich ist – die Windrichtung K derart verläuft, dass sie im wesentlichen orthogonal auf die Lamellen-Anordnung 13 trifft, so dass sich die Lamellen-Anordnung 13 an der Luv-Seite der Windströmung der Richtung K befindet. In entsprechender Art und Weise entsteht dann bei einer aus der Richtung L verlaufenden Windströmung der Druckerzeugungseinrichtung 10 von der Lee-Seite dar.
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Strömt nun Luft aus der Richtung K über die in 4 dargestellte Oberfläche 10a der Druckerzeugungseinrichtung 10, so nimmt sie die aus der Druckerzeugungseinrichtung 10 aufsteigende Luft mit und bewirkt somit ein verbessertes Abströmen derselben aus dem Inneren 10' der Druckerzeugungseinrichtung 10, so dass der Unterdruck weiter erhöht wird.
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Von Vorteil ist, wenn die Druckerzeugungseinrichtung 10 – wie in 3 dargestellt – schräg angestellt ist. Durch diese Schrägstellung entsteht – ähnlich wie bei einer Tragfläche eines Flugzeugs – eine induzierte Geschwindigkeit, die sich zu der Strömungsgeschwindigkeit der auf die Druckerzeugungseinrichtung 10 auftreffenden Luftströmung addiert. Die im Inneren 10' der Druckerzeugungseinrichtung 10 befindliche Luft wird dadurch noch besser angesaugt, womit der Unterdruck noch weiter erhöht wird.
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Wie aus der unteren Abbildung der 4 ersichtlich ist, wird durch die Schrägstellung auch erreicht, dass aus der Richtung L anströmende Luft, also von der Lee-Seite der Druckerzeugungseinrichtung 10 diese beaufschlagende Luft, dann verwirbelt wird, wodurch über der Fläche 10a der Druckerzeugungseinrichtung 10 eine Wirbelbildung und somit ein Unterdruck induziert wird.
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Durch diese Schrägstellung der Druckerzeugungseinrichtung 10 erhöht sich auch die induzierte Geschwindigkeit des aus der Richtung K auf diese auftreffenden Windstroms, wodurch sich diese induzierte Geschwindigkeit zu der Anstrbmgeschwindigkeit des Windes addiert. Die daraus resultierende erhöhte Geschwindigkeit bewirkt eine verbesserte Erzeugung von Unterdruck im Inneren 10' der Druckerzeugungseinrichtung 10.
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Um diesen Effekt noch zu verstärken, kann vorgesehen sein, dass die Druckerzeugungseinrichtung 10 Turbulatoren 19 wie Tragflächensegmente, Trapezflügel, angestellte Leitelemente, etc. aufweist, welche die induzierte Geschwindigkeit und somit die Geschwindigkeit des die Druckerzeugungseinrichtung 10 mittel Drall beaufschlagenden Luftstroms erhöhen. Hierdurch wird ein erhöhter Unterdruck im Inneren 10' der Druckerzeugungseinrichtung 10 erzeugt, wodurch deren Wirkungsgrad verbessert wird.
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In den 5 und 6 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 1 dargestellt, bei dem einander entsprechende Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen und nicht mehr näher beschrieben werden. Der wesentliche Unterschied zwischen dem ersten und dem zweiten Ausführungsbeispiel besteht nun darin, dass die Druckerzeugungseinrichtung 10 nicht – wie im ersten Ausführungsbeispiel – dazu dient, einen Unterdruck zu erzeugen, sondern, dass mit dieser ein Überdruck erzeugt wird. Die im Inneren 10' der Druckerzeugungseinrichtung 10 befindliche, von der diese beaufschlagenden Sonnenenergie erhitzte Luft strömt bei dem zweiten Ausführungsbeispiel dann nicht mehr – wie beim ersten Ausführungsbeispiel – durch die Spalten 15 zwischen den Lamellen 14 der Lamellen-Anordnung 13 aus, sondern die Druckerzeugungseinrichtung 10 weist – wie am besten aus 6 ersichtlich ist – eine Luftauslassöffnung 17' auf, durch welche die erwärmte Luft ausströmt und über die Leitung 31 zur Turbine 30 geleitet und durch eine Austrittsöffnung 33 aus dieser ausströmt. Im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel strömt die der Turbine 30 zuzuführenden Luft im zweiten Ausführungsbeispiel durch die zwischen den Lamellen 14 angeordnete Spalte 15 in das Innere 10' der Druckerzeugungseinrichtung 10 ein, die Spalte 15 der Lamellen-Anordnung 13 bildet somit beim zweiten Ausführungsbeispiel die Lufteintrittsöffnung 18 aus. Dies kann dadurch erreicht werden, dass bei der Verwendung der Druckerzeugungseinrichtung 10 als Überdruckerzeugungseinrichtung sie in einer zum ersten Ausführungsbeispiel um 180° um eine Hochachse gedrehten Anordnung montiert wird, so dass die Lamellen 14 der Lamellen-Anordnung 13 und somit die zwischen den Lamellen 14 befindlichen Spalte 15 nach unten orientiert sind, so dass angesaugte Umgebungsluft durch Sonneneinstrahlung erwärmt wird, nach oben steigt und durch die Luftauslassöffnung 17' aus der Druckerzeugungseinrichtung 10 ausströmt und über die Leitung 31 zur Turbine 30 gelangt.
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Wie am besten aus der 6 ersichtlich ist, sind beim zweiten Ausführungsbeispiel daher die Lamellen 14 der Lamellen-Anordnung 13 derart ausgerichtet, dass die durch sie definierten Spalte 15 ein leichtes Einströmen des auf die Oberfläche 10b auftreffenden Luftstroms in das Innere 10' der Druckerzeugungseinrichtung 10 ermöglichen. Es ist vorgesehen, dass das Gehäuse 11 der Druckerzeugungseinrichtung 10 derart ausgebildet ist, dass die im Inneren 10' befindliche und durch die Spiegel-Anordnung 12 erwärmte Luft aus diesem im wesentlichen nur durch die Auslassöffnung 17' austreten kann. Hierdurch wird die von der die Druckerzeugungseinrichtung 10 beaufschlagende Windströmung hervorgerufene Überdruck durch die Wirkung der Solarenergie erhöht.
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In den 7 bis 10 ist nun ein Ausführungsbeispiel einer für die Anlage 1 besonders geeigneten Turbine 30 dargestellt. Diese weist ein Gehäuse 41, z. B. ein luftundurchlässiges Außenrohr 41', auf, das an einer Seite 40a eine Lufteinlassöffnungen 42 aufweist, durch welche der Turbine 30 die durch die Einlassöffnung 32 eintretende Luft zuführbar ist. Diese treibt dann ein Turbinenrad 35 an, welches über eine Welle 36 mit einem Generator 37 verbunden ist. An einer der Seite 40a gegenüberliegenden Seite 40b weist das Gehäuse 40 eine Luftauslassöffnung 43 auf, durch welche der der Turbine 30 zugeführte Luftstrom aus dem Gehäuse 40 austreten und in die Leitung 31 eintreten kann.
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Im Gehäuse 40 ist ein luftdurchlässiges Innenrohr 45 angeordnet, das im hier gezeigten Fall als ein Lamellenrohr 45' ausgebildet ist, welches in 8 im Querschnitt gezeigt ist. Das Innenrohr 45 ist an der Seite 40b des Gehäuses verschlossen, so dass Luft nur durch Lamellen 46 des Lamellenrohrs 45 austreten kann.
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In der Lufteinlassöffnung 42 ist ein Turbulator 50 vorgesehen, wie er in 9 dargestellt ist. Er ist als ein Schaufelrad 51 ausgebildet und dient dazu, der über die Eintrittsöffnung 32 einströmenden Luft einen Drall zu verleihen, wobei Schaufeln 52 des Turbulators 50 vorzugsweise einen tragflächenartigen Querschnitt besitzen. Der Turbulator 50 dient also dazu, aus der linearen Strömung der zufließenden Luft eine spiralförmige Strömung auszubilden. Die derart erzeugte spiralförmige Strömung tritt durch die Lamellen 46 des Innenrohrs 45' in den Zwischenraum zwischen Innenrohr 45' und Außenrohr 41' ein und bewirkt einen erhöhten Unterdruck an der Außenseite des Innenrohrs 45', der auf Fliehkraft-Effekten und der Strömungsgeschwindigkeit gemäß dem Gesetz von Bernoulli beruht. Hierdurch wird ein verbesserter Antrieb des Turbinenrads 35 bewirkt.
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In der Luftauslassöffnung 43 ist ein in 10 dargestellter Gleichrichter 60 angeordnet, der wieder als Schaufelrad 61 mit Schaufeln 62 ausgebildet ist. Dieser bewirkt, dass die spiralförmige Strömung im Inneren der Turbine 30 wieder in eine lineare Strömung verwandelt wird, die leicht über die Leitung 31 zur Druckerzeugungseinrichtung 10 abfließen kann.
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Zusammenfassend ist festzuhalten, dass durch die beschriebenen Maßnahmen eine Druckerzeugungseinrichtung 10 geschaffen wird, welche sich dadurch auszeichnet, dass sie sowohl Solarenergie als auch Windenergie zur Erzeugung von Energie, insbesondere von elektrischem Strom, verwenden kann. Die Druckerzeugungseinrichtung 10 baut kompakt und ist daher leicht, insbesondere auch auf Hausdächern, zu montieren. In Folge der kombinierten Ausnutzung von Wind- und Solarenergie wird die Betriebssicherheit einer diese Druckerzeugungsvorrichtung 10 verwendenden Anlage zur Erzeugung von Energie aus Solar- und/oder Windenergie erhöht.
