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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Windrad mit einer senkrecht zur Windrichtung verlaufender Rotationsachse, wobei das Windrad mehrere Antriebskammern aufweist.
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STAND DER TECHNIK
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Konstruktionen von Windrädern mit vertikaler Rotationsachse bekannt. Beispiele hierfür sind der sogenannte Savonius-Rotor und der Darrieus-Rotor.
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Beim Savonius-Rotor werden zwei Antriebskammern vorgesehen, die als einander versetzt gegenüberliegende halbzylinderförmige Flächen ausgebildet sind, die ineinander übergehen. Der auf den Rotor auftreffende Wind treibt diese Konstruktion immer in eine durch die Ausrichtung der Antriebskammern vorgegebene Richtung an, indem der Wind in die Antriebskammer eingreift und diese in Richtung der Wölbung ihrer Halbzylinderform bewegt.
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Beim Savonius-Rotor ist stets vorgesehen, dass die Luft unter anderem auch durch den Rotor hindurch fließt, nämlich durch den Zwischenraum zwischen den einander versetzt gegenüberliegenden Antriebskammern.
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Die aus dem Stand der Technik bekannten Windradkonstruktionen mit vertikaler Rotationsachse sind bezüglich ihres Wirkungsgrades noch verbesserungswürdig. Sie lassen sich insbesondere nicht auf verschiedene Windsituationen einstellen.
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DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, ein bekanntes Windrad mit senkrecht zur Windrichtung verlaufender Rotationsachse hinsichtlich seines Wirkungsgrades und seiner Anpassungsfähigkeit an unterschiedliche Windbedingungen zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird durch ein Windrad gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Das erfindungsgemäße Windrad des oben genannten technischen Gebiets ist dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebskammern eine verstellbare Form haben. Dies bedeutet, dass die Antriebskammern auch nach Fertigstellung des Windrades, insbesondere in Abhängigkeit von den kurzfristig vorliegenden oder zu erwartenden Windbedingungen, eingestellt werden können. Dies ermöglicht eine besonders gute Anpassung des Windrades an die verschiedenen Windbedingungen und erhöht damit auch den Wirkungsgrad des Windrades insgesamt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Antriebskammern als Ausnehmungen in einer zylindermantelförmigen umfangseitigen Außenfläche ausgebildet. Der Zylindermantel, dessen umfangseitige Außenfläche die Referenzfläche für die genannten Ausnehmungen bildet, hat seine Zylinderachse auf der Rotationsachse des Windrades. Durch die Ausnehmungen kann der Wind in das Windrad eingreifen und es antreiben. Je nach Sichtweise entstehen dabei die genannten Ausnehmungen (in Bezug auf die intakte äußerste Zylindermantelfläche) oder Vorsprünge (in Bezug auf eine radial weiter innen liegende Fläche), wie die Zähne eines Zahnrades, die dem Wind gegenüber einen Widerstand darstellen und deshalb von ihm bewegt werden. In der vorliegenden Anmeldung wird die Form des Windrades als mit Ausnehmungen als Antriebskammern verstanden.
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Mit Vorteil weisen die Antriebskammern dabei jeweils eine Randfläche mit einer konkaven Wölbung auf, die eine Tiefe der jeweiligen Antriebskammer bestimmt, wobei die Wölbung variabel ist. Die Ausnehmung aus der zylindermantelförmigen Außenfläche ist also bevorzugt unter anderem durch die gewölbte Randfläche definiert. Durch ein Verstellen der Wölbung kann gleichzeitig die Tiefe der Antriebskammer bestimmt werden und damit auch der Widerstand, den das Windrad dem Wind entgegensetzt beziehungsweise die Form, über die der Wind mit dem Windrad in Wechselwirkung tritt.
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Mit Vorteil ist die Wölbung dabei in Abhängigkeit von einer Rotationsgeschwindigkeit des Windrads um die Rotationsachse einstellbar. Alternativ ist es auch möglich, dass die Wölbung in Abhängigkeit von einer gemessenen Windgeschwindigkeit oder einer Prognose der Windgeschwindigkeit oder auch unabhängig von der Windgeschwindigkeit, sondern abhängig von anderen Faktoren einstellbar ist.
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Weiter bevorzugt ist, dass die Wölbung durch eine Federkraft steuerbar ist. Diese bevorzugte Variante lässt sich besonders gut bei einer Ausgestaltung des Windrades realisieren, bei der die Wölbung in Abhängigkeit von einer Rotationsgeschwindigkeit einstellbar ist, beispielsweise indem eine Federkraft einer Torsionsfeder, Spiralfeder, Schraubenfeder oder andersartigen Feder gegen die von einer Masse ausgeübte Zentrifugalkraft arbeitet, sodass bei größer werdender Zentrifugalkraft ein anderes Kräftegleichgewicht zwischen Zentrifugalkraft und Federkraft entsteht, das zu einer veränderten Wölbung der Randfläche führt.
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Mit Vorteil ist das Windrad dabei dazu ausgestaltet, die Wölbung bei hoher Windgeschwindigkeit kleiner als bei niedriger Windgeschwindigkeit einzustellen. Eine große Wölbung führt dazu, dass das Windrad dem Wind einen größeren Widerstand bietet, als eine kleinere Wölbung. Dies führt einerseits dazu, dass das Windrad bei großer Wölbung besonders gut geeignet ist, durch einen leichten Wind angetrieben zu werden. Eine kleinere Wölbung führt andererseits dazu, dass bei hohen Rotationsgeschwindigkeiten ein kleinerer Luftwiderstand entsteht, sodass das Windrad bei hohen Windgeschwindigkeiten schnell rotieren kann. Durch eine gezielte Einstellung einer bestimmten Wölbung in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit kann auch eine verbesserte Ausnutzung der Zusammenhänge zwischen Strömungsgeschwindigkeit und Druck im Sinne des Bernoulli'schen Gesetzes erfolgen und damit der Wirkungsgrad des Windrades verbessert werden. In dieser Hinsicht gleicht die bevorzugte Ausführungsform des Windrades einem Segel eines Segelbootes und auch der Tragfläche eines Flugzeugs.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Antriebskammern entlang eines Umfangs um die Rotationsachse aneinander anschließend angeordnet. Mit anderen Worten sind die Antriebskammern unmittelbar nebeneinander um die Rotationsachse platziert, sodass Wind insbesondere nicht durch Zwischenräume zwischen benachbarten Antriebskammern in das Innere des Windrads eindringen kann. Je nach Ausgestaltung des Windrades ist es zwar möglich, dass Luft von axialen Seiten der Rotationsachse in das Innere des Windrades gelangt, das heißt das Innere des Windrades muss nicht luftdicht abgeschlossen sein, aber insbesondere anders als beim Savonius-Rotor aus dem Stand der Technik wird ein Eindringen des Windes in das Innere des Windrades in radialer Richtung zur Rotationsachse, z. B. durch die Zwischenräume zwischen benachbarten Antriebskammern oder durch die Antriebskammern selbst, weitestgehend verhindert. Dadurch werden Bremseffekte verhindert, die wie beim Savonius-Rotor durch den radial durch das Windrad führenden Luftstrom hervorgerufen würden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Antriebskammer nicht breiter als 2–3 m, damit die Windkräfte nicht zu stark werden und dadurch schwere Konstruktionen bedingen.
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Mit Vorteil weist das Windrad mehrere Speichen auf, um die Antriebskammern auf der Rotationsachse abzustützen. Die Antriebskammern können insbesondere durch eine dünne Folie und/oder dünne Kunststofffläche definiert sein, die mit den benachbarten Antriebskammern in Umfangsrichtung verbunden ist. Nach innen, das heißt zur Rotationsachse hin, benötigt das Windrad grundsätzlich keine massive Stütze, das heißt das Windrad kann innen hohl ausgebildet sein. Dies ermöglicht es, das Windrad besonders leicht auszuführen, was wiederum die Effizienz des Windrades erhöht. Denn so muss weniger Energie dafür aufgewendet werden, das Windrad an sich in Bewegung zu versetzen, und es kann mehr Energie in elektrische Energie umgewandelt werden, indem die Last eines Generators oder einer ähnlichen Vorrichtung erhöht wird. Für eine besonders leichte Abstützung der außenliegenden Antriebskammern, das heißt insbesondere der diese Kammern definierenden Kunststofffolie, bieten sich Speichen an. Alternativ ist es jedoch auch möglich, dass die Außenfläche des Windrades beispielsweise über massive, sich senkrecht zur Rotationsachse erstreckende (Teil-)Ebenen gehalten wird.
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In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Antriebskammern zumindest teilweise durch eine oder mehrere sich von der Rotationsachse radial erstreckende Fläche oder Flächen in axialer Richtung begrenzt. Derartige Flächen ermöglichen es, den Wind besser in den Antriebskammern zu fangen, sodass ein effizienterer Antrieb des Windrades möglich ist. Wenn solche Flächen vorgesehen werden, wird also bevorzugt, ein möglichst dünnes und möglichst leichtes Material einzusetzen. Darüber hinaus ist es denkbar, dass keine durchgehende Fläche, sondern lediglich ein Ring im Bereich der Ausnehmungen vorgesehen ist, der ein Ausströmen des Windes aus den Antriebskammern verhindert und in Richtung des Innenraums des Windrades, in dem keine Windströmung vorliegt, ausgelassen wird, um den Betrag der zusätzlichen Masse gering zu halten.
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Vorzugsweise weist das Windrad ferner eine Windführungsvorrichtung auf, durch die eine Kraftübertragung vom Wind auf das Windrad beeinflussbar ist. Diese Windführungsvorrichtung ist vorzugsweise so ausgestaltet, dass eine Drehrichtung des Windrads definiert ist. Beispielsweise kann es sich bei der Windführungsvorrichtung um eine gezielte Abschattung eines Teils des Windrads handeln, sodass der Wind auf einer Seite des Windrades mit wesentlich mehr Kraft angreift als auf der, bezogen auf die Rotationsachse, gegenüberliegenden Seite des Windrades, sodass sich das Windrad in eine vorbestimmte Richtung dreht. Auf diese Weise wird ein Bremseffekt durch eine mögliche, im Übrigen symmetrische Ausgestaltung des Windrades vermieden.
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Es sind Windführungsvorrichtungen denkbar, die sich auf die Windrichtung einstellen, das heißt beispielsweise durch den Wind automatisch in eine vorbestimmte Richtung gedreht werden, sodass das Windrad effizient betrieben werden kann. Es sind auch Vorrichtungen denkbar, bei denen eine motorische Einstellung der Position der Windführungsvorrichtung vorgenommen wird und grundsätzlich sind auch starre Windführungsvorrichtungen vorstellbar, die auf eine überwiegend vorherrschende Hauptwindrichtung eingestellt sind.
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Mit Vorteil ist die Windführungsvorrichtung dazu ausgestaltet, Wind wahlweise auf das Windrad oder von dem Windrad weg zu leiten. Eine solche Ausgestaltung der Windführungsvorrichtung ermöglicht es beispielsweise, das Windrad bei extrem starkem Wind vor Überlastung zu schützen, indem die Windführungsvorrichtung sich beispielsweise vor das Windrad schiebt und dieses somit vor dem starken Wind schützt. Ein solcher Mechanismus kann beispielsweise durch Federkraft erzielt werden, ohne dass hierfür besondere Steuerelektronik oder ähnlich Vorkehrungen beim Windrad getroffen werden müssen.
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Alternativ oder zusätzlich zu einer Windführungsvorrichtung wird bevorzugt, dass das Windrad mit (vorzugsweise beweglichen) Schaufeln jeweils an einem Rand einer Antriebskammer versehen ist. Die Schaufeln vergrößern die wirkende Fläche der Antriebskammern, wenn sie ausgeklappt sind. Sie werden durch die Windkraft selbst ausgeklappt und arretieren in einer Position, die eine wirksame Verlängerung der jeweiligen Antriebskammer bildet. Die Schaufeln klappen aus, wenn der Wind in sie hineingreift, und klappen ein, wenn sie gegen den Wind gedreht werden. Hierfür können die Schaufeln auch mit einer Feder versehen sein, die ein Einklappen der Schaufeln unterstützen, um bei Bewegung gegen den Wind möglichst wenig Widerstand zu bieten.
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So kann das Windrad unabhängig von der Windrichtung betrieben werden, auch ohne Windführungsvorrichtungen zu nutzen, die jedoch zusätzlich zu den Schaufeln vorgesehen sein können, um den Wirkungsgrad des Windrades zu erhöhen und/oder das Windrad vor Überlastung durch starken Wind zu schützen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Windrad um einen vertikalen Mast, insbesondere den Mast eines Windrades mit horizontaler Rotationsachse, angeordnet. Eine solche Anordnung ermöglicht den effizienten Einsatz des erfindungsgemäßen Windrades unter Verzicht auf aufwendige Installationsmaßnahmen, sofern bereits ein Windrad mit horizontaler Rotationsachse vorhanden ist.
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Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung und der Gesamtheit der Ansprüche.
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KURZE FIGURENBESCHREIBUNG
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1a und 1b zeigen eine perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines Windrades.
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2a und 2b zeigen einen Ausschnitt der bevorzugten Ausführungsform in einer Position für schwachen Wind und einer Position für starken Wind.
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3 zeigt ein Windrad mit einer ersten Windführungsvorrichtung.
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4 zeigt ein Windrad mit einer zweiten Windführungsvorrichtung.
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5 zeigt ein Windrad einer weiteren bevorzugten Ausführungsform mit Schaufeln, das um einen vertikalen Mast installiert ist.
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WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
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1a und 1b zeigen zwei perspektivische Ansichten einer bevorzugten Ausführungsform eines Windrads 10 mit vertikaler Rotationsachse 12 und mehreren Antriebskammern 14. Die Antriebskammern 14 sind Ausnehmungen in einer zylindermantelförmigen umfangseitigen Außenfläche 16 und weisen jeweils eine Randfläche 18 mit einer konkaven Wölbung auf, die eine Tiefe T der jeweiligen Antriebskammer 14 bestimmt.
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Wie in 2a und 2b gezeigt ist, lässt sich die Tiefe T der Antriebskammern 14 verstellen, indem die Wölbung der die Antriebskammer 14 zumindest teilweise definierenden Randfläche 18 verändert wird. In 2a und 2b ist illustriert, wie sich die Wölbung der Randfläche 18 ändern lässt.
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2a zeigt eine Konfiguration einer Antriebskammer 14, die für eine Schwachwindsituation vorgesehen ist. In dieser Situation ist die Wölbung der Randfläche 18 maximal. Die Randfläche 18 wird in der hier dargestellten bevorzugten Ausführungsform durch zwei Teilflächen 18.1, 18.2 gebildet, die beispielsweise ein biegbares Kunststoffmaterial aufweisen. Die erste Teilfläche 18.1 ist gegenüber der zweiten Teilfläche 18.2 bereichsweise verschiebbar, sodass eine Verringerung der Wölbung der Randfläche 18 zu einem größeren Überlappungsbereich zwischen der ersten und zweiten Teilfläche führt. Wie in 2a zu sehen ist, ist die zweite Teilfläche 18.2 mit einem Spannmechanismus 19 verbunden, der bevorzugt durch eine Sehne oder ein Drahtelement gebildet werden kann. Dieser Spannmechanismus 19 wird durch die erste Teilfläche 18.1 ebenfalls in eine gewölbte Form gedrückt. Der Spannmechanismus 19 ist in der in 2a gezeigten Konfiguration maximal expandiert, sodass die maximale Wölbung der Randfläche 18 erzielt werden kann.
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Beim kontinuierlichen Übergang zu einer Starkwindsituation kann der Spannmechanismus 19 ausgehend von der Konfiguration gemäß 2a kontrahiert werden, beispielsweise indem die Sehne oder der Draht auf eine Spindel aufgerollt wird. Eine Starkwindsituation ist in 2b illustriert. Durch das Aufrollen eines Teils der Sehne beziehungsweise des Drahtes auf die Spindel wird es möglich, die Länge der Summe aus zweiter Teilfläche 18.2 und Spannmechanismus 19 zu verkürzen und damit auch die Wölbung der Randfläche 18 zu verringern, wie aus dem Vergleich zwischen 2b und 2a ersichtlich wird.
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Durch den zuvor beschriebenen Mechanismus ist es möglich, dass die Antriebskammern 14 eine verstellbare Form haben, die sich insbesondere an die vorherrschenden Windverhältnisse anpassen kann. Bei starkem Wind wird bevorzugt eine kleinere Wölbung eingesetzt als bei schwachem Wind, der bei einer großen Wölbung noch immer relativ effizient das Windrad antreiben kann.
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Die Spindel des Spannmechanismus 19 kann vorzugsweise durch eine Federkraft beaufschlagt sein, die in Wechselwirkung mit der Fliehkraft des sich drehenden Windrades oder einer anderen Steuergröße steht. Auf diese Weise wäre es leicht möglich, die Wölbung der Randfläche 18 an die Rotationsgeschwindigkeit des Windrades anzupassen und damit auch eine Kopplung zwischen Wölbung und Windgeschwindigkeit herzustellen.
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Sowohl 1a und 1b als auch 2a und 2b illustrieren, dass die Antriebskammern 14 auf der Rotationsachse 12 durch mehrere Speichen 20 abgestützt sind. Praktisch wird die Randfläche 18 der Antriebskammern 14 durch die Speichen 20 gehalten und zwar so, dass sechs unmittelbar aneinander angrenzende Antriebskammern 14 realisiert werden.
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In 1a und 1b ist ferner zu erkennen, dass die Antriebskammern 14 in der dort gezeigten Ausführungsform durch zwei sich von der Rotationsachse 12 radial erstreckende Flächen 22 in axialer Richtung begrenzt werden. Dies ermöglicht eine Effizienzsteigerung der Wirkung des Windrades, weil Wind, der in die Antriebskammern 14 einströmt, nur so aus der Antriebskammer 14 herausgelangt, dass er das Windrad dabei antreibt, nämlich nicht in axialer Richtung der Rotationsachse.
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In den 3 und 4 ist jeweils eine Windführungsvorrichtung 24 illustriert, durch die eine Kraftübertragung vom Wind auf das Windrad beeinflussbar ist. Die Windführungsvorrichtung gemäß 3 kann sich je nach Windrichtung auf den Wind einstellen und führt dazu, dass der Wind, der in der dargestellten Ausführungsform von links oder rechts kommt, das Windrad in eine Rotation im Uhrzeigersinn versetzt. Durch eine solche Windführungsvorrichtung 24 kann insbesondere verhindert werden, dass der Wind die Rotationsbewegung des Windrades selbst bremst, indem er gleichermaßen auf beide Seiten der Rotationsachse 12 des Windrades 10 wirkt. Durch die dargestellte Windführungsvorrichtung 24 kann also ein inhärentes Abbremsen des Windrades 10 durch den Wind vermieden werden.
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Die Windführungsvorrichtung 24 gemäß 4 lenkt den Wind in einer bestimmten Richtung um die Rotationsachse 12 herum. In der in 4 gezeigten Ausführungsform verläuft der Wind, der in 4 von unten kommt, rechts an der Rotationsachse 12 vorbei und setzt das Windrad damit in Bewegung gegen den Uhrzeigersinn. Die einzelnen Elemente der Windrichtungsvorrichtung 24 aus 4 können beispielsweise durch eine Federspannung so ausgestaltet sein, dass sie ab einer bestimmten Windgeschwindigkeit den Wind an den Antriebskammern 14 vorbeileiten. Dies verhindert eine Überlastung des Windrades durch zu große Windkräfte, was wiederum eine besonders leichte Ausgestaltung des Windrades ermöglicht.
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5 illustriert eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Windrades 10, das hier auf einem vertikal ausgerichteten Mast 28 installiert ist. Bei dem Mast 28 kann es sich vorzugsweise um den Mast eines bestehenden Windrades mit horizontaler Rotationsachse handeln, so dass das Windrad 10 als Ergänzung zu dem bestehenden Windrad eine Effizienzsteigerung der Gesamtanlage nach sich zieht.
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Die in 5 illustrierte Ausführungsform ist mit Schaufeln 26 versehen, die ausklappen, sobald Wind in sie hineingreift. Eine Feder 27 zieht die Klappen jeweils wieder in ihre eingeklappte Position, in der sie bei Bewegung gegen den Wind einen geringeren Widerstand bieten. So kann das Windrad seinen Wirkungsgrad erhöhen.
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Die Ausführungsformen der Erfindung mit Schaufeln sind unabhängig von der Windrichtung. Ferner sind Vorrichtungen wie die in 3 und 4 gezeigten weitgehend unnötig, weil die Schaufeln 26 selbst dazu führen, dass der in das Windrad eingreifende Wind das Windrad in eine vorbestimmte Richtung bewegt und das Windrad dabei nur unwesentlich bremst.
