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Windkraftmaschine
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Die Erfindung betrifft eine Windkraftmaschine nach dem Oberbegriff
des Anspruches 1.
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Neben den herkömmlichen Energieträgern erlangen alternative Energiegewinnungsanlagen
immer größere Bedeutung.
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Eine mögliche Form der Energiegewinnung basiert dabei auf der Ausnutzung
der Windenergie mittels Windkraftanlagen.
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Es sind bereits seit jeher die unterschiedlichsten Windkraftmaschinen,
wie beispielsweise Windmühlen bekannt, deren Windräder immer auf die Windrichtung
ausgerichtet werden müssen. Um das Problem des Einstellens von Windkraftanlagen
auf die Windrichtung zu lösen, wurden schon frühzeitig verschiedene zwangsgesteuerte
Klappenanlagen entwickelt.
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Aber diese weisen den Nachteil auf, daß sie sich auf die Windrichtung
einstellen müssen und daß ein enormer Aufwand an Getrieben und Steuerteilen, Lager
und Scharniere nötig ist, wodurch zusätzlich der Wirkungsgrad einer derartigen Anlage
bzw. Windkraftmaschine stark herabgesetzt wird.
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Eine Windkraftmaschine ist aber aus dem DE-GM 74 36 546 bekannt geworden,
die aber ebenfalls mit mechanischen Scharnieren arbeitet, wodurch erhebliche statische
Probleme auftreten, so daß eine derartige Windkraftmaschine nur in begrenzter Baugröße
herstellbar ist. Zudem werden durch die Lageveränderungen der mechanischen Klappen
während eines Laufes derartige Unwucht- und Geschwindigkeitsprobleme durch die Art
der Plattenbewegung bedingt, daß ein entsprechender Rotor wirtschaftlich nicht eingesetzt
werden kann.
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Auch aus dem DE-GM 78 07 394 ist eine Windkraftmaschine mit vertikal
bewegten Platten bekannt geworden. Diese Platten lassen sich zwar leicht bewegen,
da die Schwerkraft der Platten in dieser Ausführungsform im wesentlichen unberücksichtigt
bleiben kann, gleichwohl aber werfen durch diese Platten Schwerpunktveränderungen
im Rotor bedingt, so daß eine derartige Windkraftmaschine mit Erfolg ebenfalls nicht
betrieben werden kann. Zudem ist auch hier das Problem der Schwergängigkeit von
mechanischen Lagern und der entsprechenden Unwucht durch Bewegung der Platten im
Rotor nicht lösbar.
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Demgegenüber ist es Aufgabe und Erfindung die Nachteile nach dem Stand
der Technik zu überwinden und eine Windkraftmaschine zu schaffen, bei der eine Einstellung
auf die Windrichtung nicht nötig ist und die bei erhöhter Windkraft-
ausnützung
eine sichere und leichte Anpassung der wirksamen Flügelfläche an die Windverhältnisse
ermöglicht und die im Prinzip auch als Großanlage verwirklichbar ist. Die Aufgabe
wird erfindungsgemäß entsprechend den im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebenen
Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüche
angegeben.
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Durch die vorliegende Erfindung wird eine vom Funktionsprinzip her
einfache Windkraftmaschine geschaffen, bei der gegenüber dem Stand der Technik eine
erheblich bessere Windausnützung und damit eine deutlich verbesserte Energiegewinnung
möglich ist. Dies gilt aber nicht nur bei der Verwirklichung einer kleineren Windkraftmaschine,
sondern auch beim Bau einer nach diesem Prinzip möglichen Großanlage von bis zu
mehreren Kilometern Durchmesser. Als besonders vorteilhaft erweist sich vor allem,
daß durch die leichtgewichtige und vorzugsweise elastische oder teilelastische Ausbildung
der am Flügel einseitig verschwenkbar gehaltenen Lamellen eine stetige Anpassung
an die tatsächlichen Windverhältnisse gegeben ist. Insbesondere bei der Rotation
kann ja die Situation auftreten, daß die Rotationsgeschwindigkeit am Außenbereich
eines Flügels größer als die dortige Windgeschwindigkeit ist, wobei erfindungsgemäß
die Lamellen dort dann öffnen und den Wind quasi überholen.
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Zusätzlich entgegengesetzte Windkräfte, die den Wirkungsgrad einer
derartigen Kraftanlage nach dem Stand der Technik verschlechtern können, werden
hierbei erfindungsgemäß vermieden.
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Insbesondere durch die Verwendung von elastischen radial nach außen
verlaufenden und horizontal aufgehängten Lamellen können diese entsprechend den
tatsächlichen Wind-
verhältnissen teilweise an der Gitterkonstruktion
bei erhöhtem Winddruck anliegen und nach außen hin, je nach den tatsächlichen Windverhältnissen,
zunehmend in eine geöffnete Stellung übergehen.
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Der Wirkungsgrad einer derartigen Windkraftmaschine kann weiter dadurch
erhöht werden, daß die Flügel quer zur Umlaufbahn betrachtet winkelig und/oder bogenförmig
in einer vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 6 ausgebildet sind.
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Dadurch wird nicht nur eine maximale Windkraftausnützung dann erreicht,
wenn die Flügel quer zur Windrichtung angeordnet sind, sondern auch dann, wenn die
Flügel während eines Umlaufes eine parallele Lage zum Wind einnehmen.
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Durch diese winkelige und/oder bogenförmige Ausgestaltung wird nämlich
sichergestellt, daß durch den jeweils der Windrichtung zugewandt liegenden Winkel-
oder Bogenabschnitt der Wind bei angehobenen Lamellen hindurchtreten kann und auf
eine zweiten entsprechend rückgebogenen Winkel-oder Bogenabschnitt trifft, wodurch
die dortigen Lamellen in ihrer geschlossenen Lage am Flügel angedrückt gehalten
werden. Hierdurch wird der Wind seitlich entsprechend der Winkel- oder Bogenstellung
des entsprechenden Flügelabschnittes abgelenkt, wodurch eine zusätzliche Kraftkomponente
in Rotationsrichtung erzeugbar ist.
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Die Ansprüche 7 bis 10 betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen der
winkeligen und/oder bogenförmig ausgebildeten F1> gel der Windkraftmaschine.
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Ansprüche 11 bis 13 betreffen eine vorteilhafte Ausgestaltung der
erfindungsgemäßen Windkraftmaschine als Großanlage, bei der eine feste Drehachse,
an der die Flügel befestigt sind, nicht vorgesehen ist. Dafür sind die Flügel auf
sog.
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Flügelwagen auf einer geschlossenen umlaufenden FührunErsbahn angeordnet.
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Weitere Vorteile, Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben.
sich nachfolgend aus den anhand von Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen
der Erfindung. Dabei zeigen im einzelnen: Figur 1 : eine schematische Seitenansicht
eines Flügels der Windkraftmaschine; Figur 2 : eine Prinzipdarstellung einer elastischen
Lamelle; Figur 3 : eine vergrößerte Detaildarstellung in Seitenansicht der Lamelle;
Figur 4 : eine Stirnansicht der Lamelle; Figur 5 : eine Stirnansicht eines rotierenden
Flügels; Figur 6 : eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform der Windkraftmaschine;
Figur 7 und 8 : ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Windkraftmaschine in Seitendarstellung
und Draufsicht mit Flügelwagen ohne Zentralachse; Figur 9 : eine vergrößerte Detaildarstellung
des Flügelwagens und der Führungsschiene im Vertikalschnitt und Figur 10 : eine
Darstellung des Flügels und des Flügelwagens in Draufsicht.
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Nachfolgend wird zunächst auf die Figuren 1 bis 5 Bezug genommen,
in denen die Windkraftmaschine im Prinzip mit
einem Flügel 1 gezeigt
ist. Die Windkraftmaschine umfaßt dabei vorzugsweise mehrere Flügel 1, die um eine
gemeinsame Umlaufachse 3 drehen, über die beispielsweise ein Generator betrieben
werden kann. Die Flügel 1 umfassen dabei einen Flügelrahmen 5, in dem eine Gitterkonstruktion
7 eingespannt gehalten ist. Die Gitterkonstruktion 7 kann beispielsweise aus einem
Stahlgitter oder einem im Flügelrahmen 5 eingespannt gehaltenen Netz bestehen. Im
gezeigten Ausführungsbeispiel sind in jedem Flügel 1 mehrere radial von innen nach
außen verlaufende Lamellen 9 übereinander im Flügelrahmen 5 befestigt. Diese Lamellen
9 bestehen beispielsweise aus einem äußerst leichtem, elastischem, zumindest aber
teilelastischem Material wie Segeltuch, Fallschirmseide oder einem entsprechenden
Kunststoffmaterial. Wie sich aus Figur 2 und 3 ergibt, sind die Lamellen 9 mit mehreren
Querschlitzen 11 im Bereich einer umgelegten eingenähten oder verschweißten Tasche
13 versehen, so daß jede Lamelle 9 mit den Querschlitzen 11 in die vertikalen Stäbe
der Gitterkonstruktion 7 eingesteckt und auf der Rückseite der Gitterkonstruktion
über ein Stabelement 15 eingehängt und verankert werden. Das Stabelement 15 kann
dabei auch aus einer elastischen Schnur oder einem Kunststoffschlauch bestehen,
der an den beiden Außenseiten des Flügelrahmens befestigt wird. Dadurch sind die
Lamellen über ihre gesamte Länge fest am Flügelrahmen verankert und können trotzdem
auf einfache Art schnell entfernt und ausgewechselt werden. Die Taschen 13 werden
dabei durch den umgelegten Rand 17 und durch Vernähen oder Verschweißen längs der
Naht 19 gebildet. Möglich ist auch, daß die Lamellen 9 nicht als durchgängiger horizontaler
und einstückiger Abschnitt ausgebildet sind, sondern aus mehreren nebeneinander
angeordneten Lamellenabschnitten bestehen.
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Im folgenden wird noch auf Figur 6 Bezug genommen, in der eine Windkraftmaschine
mit gegenüber den Ausführungsbeispielen nach Figur 1 bis 4 leicht abgewandelten
Flügeln in Draufsicht gezeigt ist. Die Flügel 1, die um die Umlaufachse 3 rotieren,
sind dabei winkelig mit zwei Winkelabschnitten 21 ausgebildet, wobei der Winkel
im gezeigten Ausführungsbeispiel zwischen den beiden Winkelabschnitten 21 900 beträgt.
Diese Flügel 1 sind dabei über eine Kreuzkonstruktion 23 an der zentral angeordneten
Umlaufachse 3 befestigt. Die Lamellen bzw. Lamellenabschnitte 9 sind dabei jeweils
auf der Innenseite der Winkelabschnitte 21 in der gemäß dem Ausführungsbeispiel
nach Figur 1 bis 4 beschriebenen Art und Weise befestigt.
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Im folgenden wird nun auf die Funktionsweise der Windkraftmaschine
eingegangen, wobei die Funktionsweise zunächst mit nicht abgewinkelten ebenen Flügeln
1 anhand von Figur 6 erläutert wird, die dort lediglich strichliert eingezeichnet
sind. Bei der gegebenen Windrichtung gemäß des Pfeiles 25 in Figur 6 werden dabei
an dem Flügel la die Lamellen 9, die auf der Wind zugewandten Seite an der Gitterkonstruktion
7 beweglich angebracht sind, geschlossen gehalten, so daß die volle Windkraft auf
den Flügel la drückt und diesen in die nächste Stellung Ib antreibt, in der der
ebene Flügel 1 nunmehr quer zur Windrichtung steht und im wesentlichen keinen Luftwiderstand
bietet. Bei Weiterdrehung in die Stellung lc bläst der Wind durch die Gitterkonstruktion
hindurch. Die Lamellen können sich nun nicht gegen das Gitter anlegen, sondern werden
vom Wind frei weggeblasen, wie dies in einer schematischen Darstellung in Figur
5 gezeigt ist. In dieser Stellung weist also jeder Flügel praktisch keinen Luftwiderstand
auf, so daß unabhängig von jeder Windrichtung eine optimale Kraftausnützung möglich
ist.
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Nunmehr wird Bezug genommen auf das in Figur 6 ebenfalls gezeigte
Ausführungsbeispiel einer Windkraftmaschine mit abgewinkelten Flügeln 1. Auch bei
dieser Ausführungsform werden in der Flügelstellung la die Lamellen 9 vom Wind völlig
an die Gitterkonstruktion 7 angedrückt und geschlossen gehalten, so daß die Windkraft
optimal auf den Flügel 1 übertragen wird. In der unteren Flügelstellung lb bläst
nun der Wind von der Innenseite des Rotors her gesehen durch die Gitterkonstruktion
7 des oberen Winkelabschnittes 21a hindurch, so daß die dahinter befindlichen Lamellen
9 ebenfalls angehoben werden. Da an dem zweiten Winkelabschnitt 21b die Lamellen
9 ebenfalls auf der Innenseite befestigt sind, schließt nunmehr der durch die erste
Winkelkonstruktion 21a hindurch blasende Wind die Lamellen 9 am zweiten Winkelabschnitt
21b, so daß der Wind in Pfeilrichtung abgelenkt wird. Durch diese Flügelkonstruktion
wird also auch in der Stellung 1b eine zusätzliche Kraft in Rotationsrichtung im
Uhrzeigersinn erzeugt.
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In der Flügelstellung lc werden durch den Wind ebenfalls die Lamellen
9 in annähernd Horizontallage hochgeblasen, so daß sich ein minimaler Windwiderstand
ergibt. In der Flügelstellung 1d tritt nunmehr der umgekehrte Effekt zur Flügelstellung
lb auf, wobei im obenliegenden ersten Winkelabschnitt 21a die dahinter befindlichen
Lamellen durch den durch die Gitterkonstruktion 7 hindurch blasenden Wind ebenfalls
aufgestellt werden. An dem innenliegenden Winkelabschnitt 21b werden die Wind zugewandt
liegenden Lamellen 9 an die Gitterkonstruktion 7 herangedrückt und so geschlossen,
so daß der Wind entgegengesetzt zur Flügelstellung 1b im gezeigten Ausführungsbeispiel
gemäß Pfeilrichtung 29 nach links abgelenkt wird, wodurch ebenfalls eine zusätzliche
Drehkraft in Rotationsrichtung erzeugt wird.
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Durch diese Konstruktion der winkeligen Ausgestaltung der Flügel 1
wird somit eine gegenüber herkömmlichen Windkraftmaschinen ein deutlich verbesserter
Wirkungsgrad erzielt.
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Als günstig erweist sich bei dieser Konstruktion ebenfalls, daß die
Windkraftmaschine bereits bei geringsten langsamen Winden funktionsfähig ist. Bei
leichtem Wind nämlich, bei dem die Lamellen noch nicht angehoben werden können,
bei denen aber die an dem horizontalen Stabelement 15 aufgehängten Lamellen 9 aufgrund
ihrer eigenen Schwerkraft herabhängen, wirkt der Rotor wie ein halbkugelförmiger
Windmesser.
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Der Wind gleitet entsprechend der Pfeilrichtung 31 bei noch geschlossenen
Lamellen 9 seitlich ab, so daß der Luftwiderstand in der Stellung lc geringer ist
als in der Flügelstellung la. Die Rotation des Rotors setzt deshalb schon bei geringsten
Windgeschwindigkeiten ein, wobei sich dann aber in der Flügelstellung ic die relative
Geschwindigkeit zwischen der Drehgeschwindigkeit des Rotors und der Windgeschwindigkeit
durch die zugrundeliegende Addition der beiden Geschwindigkeiten erhöht, so daß
sich dann die Lamellen 9 öffnen können und die Rotation der Windkraftmaschine sicher
erfolgt.
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Wesentlich bei dieser winkeligen Konstruktion der Flügel aber auch
bei der planen Ausbildung der Flügel 1 ist die Verwendung von leichten und elastischen
Lamellen. Bei den Rotoren besteht nämlich das Hauptproblem darin, daß bei gegebenen
Windgeschwindigkeiten die Rotationsgeschwindigkeit bei den Flügeln nach außen hin
zunimmt, so das dann unkontrollierte Kräfte entstehen können. So sind die Druckkräfte
an den einzelnen Flügeln zur Umlaufachse 3 hin bei gegebener Windstärke und Windgeschwindigkeit
größer, wobei nach außen hin bei höherer Umlaufgeschwindigkeit der Flügeln 1 insbesondere
in der Flügelstellung la die Situa-
tion auftreten kann, daß die
Außenumfangsdrehgeschwindigkeit des Flügels größer als die Windgeschwindigkeit ist.
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Dies hat zur Folge, daß die Flügel bei Windbeaufschlagung bei geschlossenen
Lamellen zumindest in dem der Umlaufachse 3 näherliegenden Bereich in Drehrichtung
beaufschlagt werden, während am Außenbereich eines jeden Flügels 1 eine in entgegengesetzter
Richtung wirkende Kraft auf den Flügel einwirkt. Bei Verwendung aber von elastischen
Lamellen wird sichergestellt, daß beispielsweise bei gegebener Windrichtung die
Lamellen auf der Innenseite einer Hälfte des Winkelrahmens geschlossen sind, während
sie nach außen hin geöffnet werden, da sich die Lamellen nur an den Stellen schließen,
wo der Antriebsdruck ausreicht. Mit anderen Worten paßt sich der Rotor deshalb der
größten erreichbaren Geschwindigkeit automatisch in allen Luftzonen an, wobei die
Lamellen immer dann und dort geöffnet werden, wo die Rotationsgeschwindigkeit des
Flügels 1 größer ist als die Windgeschwindigkeit. Dort wo also der Wind langsamer
weht, wird dieser durch den Flügel 1 "überholt".
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Der Wind kann an diesen Stellen durch die Lamellen hindurchtreten.
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Sollte der Wind beispielsweise in Bodennähe in abweichender Richtung
zu einer höheren Lage wehen, so spielt dies ebenfalls keine Rolle, weil der Bodenwind
sowie der weiter oben in anderer Richtung wehende Wind zum Antrieb herangezogen
werden können. Ist der Wind beispielsweise in Bodennähe langsamer, so wird er "überholt",
wobei sich an den entsprechenden Stellen des Flügels 1 die Lamellen wieder öffnen.
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Aufgrund dieser automatischen Steuerung können also Windböen, die
der Rotation entgegenwirken, auf kleine Fläche mitten im Windflügel durch diesen
hindurchtreten.
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Nach Beendigung des Luftstoßes schließen sich die Lamellen an den
betreffenden Stellen wieder und tragen zum weiteren Antrieb bei.
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Auch Luftwirbel und Böen, die von normalen Windturbinen nicht genutzt
werden können und im Gegensatz dazu sogar für die Rotoren und insbesondere für die
Lagerung schädlich wirken, können bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel einer
Windkraftmaschine zur Erzeugung einer erhöhten Leistung herangezogen werden.
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Der Vollständigkeit halber soll bezüglich der erläuterten Ausführungsbeispiele
noch angemerkt werden, daß abweichend von der planen und winkeligen Konstruktion
gemäß Figur 6 die Flügel auch mehrfach abgewinkelt oder beispielsweise in Draufsicht
bogenförmig oder halbkreisbogenförmig ausgebildet sein können, wobei nur darauf
geachtet werden muß, daß die Lamellen an den unterschiedlichen Abschnitten auch
unterschiedlich öffnen und schließen können, was beispielsweise durch Verwendung
mehrerer unabhängig nebeneinander angeordneter Lamellenabschnitte auch sichergestellt
werden kann. Die Lamellen können dabei annähernd die Größe eines Gitterrasters haben,
können aber auch mehrere Gitterlöcher überdecken, wobei sichergestellt sein muß,
daß die Lamellen nicht durch das Gitter hindurch zur gegenüberliegenden Seite einer
Flügelfläche hin geöffnet werden können.
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Wie aus Figur 5 hervorgeht, können weiterhin in Höhe der Befestigung
einer jeden Lamelle zusätzliches kurzes Leitblech; bzw. ein entsprechender Leitanschlag
33 angebracht sein, wodurch sichergestellt wird, daß die Lamellen im Wind nicht
flattern können, sondern an diesem Leitanschlag ruhig zur Anlage kommen, wenn der
Wind durch das Gitter hindurchbläst und die Lamellen anhebt.
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Im folgenden wird noch auf ein Ausführungsbeispiel gemäß Figuren 7
bis 10 Bezug genommen, in denen eine Großanlage der Windkraftmaschine gezeigt ist.
Die Flügel 1 sind dort jeweils auf einem Art Flügelwagen 33 befestigt, die längs
einer geschlossenen Führungsbahn 37 umlaufen können. Die Flügelwagen 35 sind hintereinander
jeweils am benachbarten Flügelwagen angekoppelt. Aus den Figuren geht dabei hervor,
daß die Flügel 1 wie in dem Ausführungsbeispiel nach Figur 6 winkelig ausgebildet
sind, wobei der wesentliche Unterschied darin besteht, daß die Flügel 1 nicht an
einer zentralen Drehachse 3 aufgehängt sind. In dem Ausführungsbeispiel besteht
die Führungsbahn 37 aus einer runden Einschienenbahn 39, die beispielsweise auf
A-förmigen Masten 41 montiert ist.
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Diese Einbahnschienen können beispielsweise bei einem Durchmesser
von 100 m bis hin zu mehreren Kilometern aufweisen.
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Die Form kann natürlich beliebig, beispielsweise auch oval oder länglich
ausgebildet sein. Aufgrund des Flügelsystems ist der Antrieb immer sichergestellt,
da entsprechend der Funktionsbeschreibung nach Figur 6 die einzelnen Lamellen 9
entsprechend der Windrichtung im gewünschten Sinne angehoben und geschlossen werden.
Bei definierter kreisrunder Bahn können die einzelnen Flügelwagen starr aneinander
befestigt oder aber, insbesondere bei anderen Rundformen der Führungsbahn gelenkig
aneinander angekoppelt sein.
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Die Flügelwagen 35 können verhältnismäß leichte Fahrgestelle aufweisen,
weil eine Verstrebung der Wagen und eine Verspannung mit Seilen, wie durch die Bezugszeichen
43 angedeutet, ohne weiteres möglich ist. Im gezeigten Ausführungsbeispiel umfaßt
dabei ein Flügelwagen 35 jeweils an der Führungsbahn 37 seitlich paarweise angebrachte
Seitenführungsrollen 45 und zumindest eine senkrechte Lastrolle 47.
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Durch die Aufstellung der Führungsbahn auf Masten 41 wird zudem. sichergestellt,
daß bei Betreiben einer derartigen Anlage beispielsweise die landwirtschaftliche
Produktion nicht gestört wird. Natürlich kann die Großanlage auch auf dem Boden
betrieben werden, wobei beispielsweise ganz einfach Eisenbahnschienen mit Eisenbahnwagons
insbesondere auf stillgelegten Strecken ausgenützt werden könnten. Die Größe der
Bespannung bzw. der Rahmen kann pro Windflügel dabei bis mehrere 100 qm betragen.
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Aus dem beschriebenen Gesamtzusammenhang wird deutlich, daß die Windkraftanlage
für die Lamellen keine Fremdsteuerung mehr benötigt, weil in Abhängigkeit der unterschiedlichen
Windgeschwindigkeiten die Lamellen immer im gewünschten Sinne geöffnet und geschlossen
werden. Insoweit wirken also die Lamellen wie Ventile, wobei die beschriebene Windkraftmaschine
bereits auf wesentlich geringere Windkräfte als herkömmliche Windrotoren anspricht.
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Um das Leistungsvermögen einer derartigen Windkraftmaschine zu erläutern,
soll abschließend noch darauf hingewiesen werden, daß bei der entsprechend groß
ausgelegten Anlage ohne Schwierigkeiten einige tausend PS-Leistung erzielt werden
kann. Die Leistungsabnahme kann dabei bei der zuletzt beschriebenen Anordnung mit
der Führungsbahn durch entsprechende auf den Flügelwagen 35 angeordneten Generatoren
erfolgen.
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