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Der Stand der Technik für Windene rgi ekorrverter (WEK)
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Seit Jahrhunderten wurde die Energie des Windes zu Lande erfolgreich
durch verschiedene Konstruktionen genutzt, von denen besonders zu nennen sind: a)
mit (annähernd) horizontaler Achse: die alten mediterranen Segel-,die Bock- und
Holländerwindmühlen, sowie die amerikanischen Windturbinen, deren Leistung 3 bzw.
25-3o kW maximal betrug.
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Diese haben zusammengenommen durch ihre Vielzahl in den letzten Jahrhunderten
viel und billige Energie geliefert Aber wegen der Urtetigkeit der Winde: wurden
sie in diesem Jahrhundert durch die Dampfmaschinen, Elektro- und Dieselmotoren verdrängtr
weil deren Energie sich fast unbegrenzt steigern ließ und jederzeit und beinahe
überall verfügbar und billig war.
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Yerbesserungen der WEK aufgrund aerodynamischer Forschungen durch
LaCour(1), Betz(2), Bilau(3), Honnef(4), Hütter(5), Just(6), Putnam(7), Stein und
Sabinin, siehe König(15), Krabbe(8), Molly(9} und andere führten zum Bau von aerodynamisch
wirksameren mehrflügeligen Langsamläufern und den zwei- und einflügeligen Schnelläufern
in Frankreich, England, UdSSR, Dänemark, Schweden, Canada, Deutschland und den USA.
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Die 1941 in den USA erbaute zweiflügelige Smith-Putnam-Windkraftanlage
mit 12fo kW und 53,3m enaete 1945 infolge Überlastung und widriger Umstände mit
dem Abriß eines Flügels und brachte die Weiterentwicklung von Windkraftanlagen in
den USA für viele Jahre zum Stillstand (Molly(9) Seite 16 und König(15) Seite 136).
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Jedoch der 1978 an der dänisch-westjütländischen Küste in Tvind/Ulfborg
erstellte WLK arbeitet zur vollen Zufriedenheit. Er ist 53 m hoch, mit horizontaler
Achse und einem dreiflügeligen Rotor (53.3 m #) ausgerüstet.
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Ergänzend zu den WEKs mit vertikaler Achse sind noch anzuführen: 1.
der ringartige "Windmotor" von Schulthes und Mora (29), der auf Pontons bzw. auf
einem chienenwagen montiert ist und sich auf einem ringförmigen Wasserkanal bzw.
auf Schienen mit seitlicher Abstützung bewegt. Durch auf dem Ring gegen den Wind
gestellte, beidseits konkav profilierte Klappen, die bei auftreffendem Winde arretiert
sind, wird dieses System im Kreise gedreht. In der Rücklaufphase des Kreises stellen
sich die Klappen so in den Wind, daß sie kaum Widerstand bieten. Die vom Horizontal
rotierenden Rotor (nach Art der Segelwagen) aufgenommene Energie wird durch ein
auf dem Schienenwagen installiertes Getriebe auf den Generator übertragen.
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Der Wind strömt bei der Arbeit durch den Rotor hindurch.
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Wegen des geringen Wirkungsgrades fand dieser Windmotor keine praktische
Anwendung.
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2. Eine "Windmühle mit hoher Leistung von M*J. Le Bihan (30) erdacht,
zeichnet sich dadurch aus, daß die Luftströme durch auf dem Erdboden im Kreise aufgestellte
Mauern bzw. Leitwände axial auf einen in der Mitte über einem Hohlmasten hängenden
Rotor auftreffen und diesen in Drehung versetzen. Der Rotor ist turbinenartig mit
zahlreichen nach einer Richtung gekrümmten Blättern versehen, die senkrecht von
der Böhe des Mastens bS in Bodennähe herabhängen In dem Masten, durch Kugellagerringe
oben und unten leicht beweglich, ist eine teleskopartige Achse über je ein Cardangelenk
oben und unten mit je einem Drehapfen verbunden. Die aufgenomLene Kraft wird in
einem. Raum unter der Erdoberfläche abgenommen. Diese Anlage wird durch die erdnahen
Winde angetrieben.
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3. Ein "WIND POWERED ROTATING DEVICE" bezeichnet Snarbach (31) seine
Erfindung Drei oder mehr symmetrisch auf den Rand einer basalen, runden Scheibe
schräg nach innen gestellte und verdrehte Blätter sind mit je nur einer oberen Eeke
an einer Buchse befestigt, die über einer
Seine Leistung erreicht
bei 14,5m/s Windgeschwindigkeit um 2000 kW (Himmel.M.:11).
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Die amerikanische Windkraftanlage MOD II bei Boone (North Carolina)
erreicht 2500 kW und eine Blattspitzengeschwindigkeit von 400 km/h = 111 m/s.
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Dabei treten aber nach Wiesner (12) so stark störende Strömungsgeräusche
auf, daß die Anlage außerhalb der täglichen Arbeitszeit nicht laufen darf.
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Die deutsche Großwindenergie-Anlage = Growian I wurde 1982 errichtet
und hat mit zwei Rotorblattern einen von 100 m, sowie Blattverstellung und Pendelnabe.
Die Leistung ist auf 2000-3000 kW bei 12-21 m/s Windgeschwindigkeit berechnet (Helm,
S.(13) und Bericht von Herzog, W.: Die Zeit: Nr.43 vom 22.10.82).
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Growian II, dessen Bau für 1983 vorgesehen ist, soll als Einblatt-Rotor
mit Gegengewicht einen Rotationskreis von 145 in überstreichen und eine Nennleistung
bis 5000 kW erbringen bei 11,2 m/s Windgeschwindigkeit (Meggle,R. und Schöbe,B.(14)
). Die Blattspitzengeschwindigkeit würde nach Wiesner(12) hierbei 470 km/h = 130
m/s betragen.
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b) mit vertikaler Achse: Das Schalenkreuz der Windtnesser (Anemometer),
die sogen.
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polnische Windmühle, der Savonius-Rotor, die Darrieus-und Giromill-Turbine
(König: 15; Molly:9) Der Hansen(16)-Rotor, " bestehend aus wenigstens zwei langgestreckten,
gekrümmten Windflügeln, die vorzugsweise gegenüberliegend auf der Drehachse des
Rotors angeordnet sid ", stellt eine Verbesserung des Savoni.us-Rotors dar.
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Auch das Oppolzer-System, bei dem zwei gleichsinnig umlaufende Flügelräder
übereinander versetzt angeordnet sfna und der obere Teil der Achse durch ein Cardangelenk
nit der unteren Vertikalachse verbunden ist, arbeitet nach dem gleIchen Prinzip,
wenn auch mit verminaertem Widerstand, wie Rummich(17) berichtet.
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Kugel am oberen Ende der festen Achse gelagert ist. Ein Kugellagerring
an de nasalen Scheibe ermöglicht schDelle Rotationen. Die oberen freien Enden der
Blätter sind dabei als Windfang nach außen gestellt.
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Bei dieser Konstruktion durchströmt die Luft zum großen Teil den
Rotor und leitet sie teilweise auf das gegen überliegende Blatt, so daß die Strömungsenergie
auf den Rotor übertragen wird. Bisher hat der Snarbach-Rotor ähnlich wie der Savonius-Rotor
keine wesentliche Bedeutung erlangt (siehe V.D.Hunt:35) 4. Der Horizontal-Zweischalen-Überströmrotor
von Lüdke und Hahn (327 ist ein weiterentwickelter Savoni;us-Rotor. Er besteht aus
zwe "ineinandergreifende Schalen, die durch besondere Formgebung einen Düseneffekt"
der einströmen-Luft erzeugen, während die ausströmende Luft auf die jeweils gegenüberliegende
Schale geleitet wird.
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Werden zwei dieser Rotore in einem Anströmwinkel von 90° versetzt
übereinandermontiert, so wird die Leistung verdoppelt.
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Der Gesamtleistungsgrad wird mit über 70% angegeben und die Leistungsgrenze
mit ca. 1o-3o MW. Eine Versuchsanlage bestätigte den hohen Wirkungsgrad.
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5. Der Wagner-Rotor besteht in der ersten Ausführung, die auf einem
Schiffsdeck eingebaut ist, aus einem langen und gegenüberliegend aus einem kurzen
Flügel (als Gegengewicht), die zur Horizontalen in eines Winkel von 450 stehen und
vom Wind in Drehung versetzt werden Eine weitere Ausführung mit zwei gleichlangen
Flügeln; auf einem dreibeinigen Bock montiert, ist zur Anwendung auf dem Lande gedacht.
Es wird ein Wirkungsgrad von etwa 30% erreicht.
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Auf dem Versuchsschiff "Tanja 1" liefert die Anlage mit dem 25 m
langen Einflügel eine Nennleistung von 250 kW; Anlagen bis zu 1 MW sind geplant
(33,34).
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Diese WEK werden aus jeder Windrichtung erfaßt und rotieren um ihre
senkrechte Achse. Die Rotation kommt durch die Differenz im Widerstand der konvexen
zur konkaven Seite der Schalen bzw. der gekrümmten Flächen dem Wind gegenüber zustande,
wobei der Leistungsbelwert mit cp = o,15 - o,2 nach Betz (2) sehr gering ist. Daher
nutzen der Savonlus-Rotor, die Darrieus- und die Giromill-Turbine und auch die Turbinen
von Hansen und Oppolzer mehr den Auftrieb, um einen besseren Wirkungsgrad und damit
eine größere Leistung zu erzielen.
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In der Praxis hat allein der Darrieus-Vertikalachsen-Rotor mit gekrümmten,
profilierten Rotorblättern größeres Interesse gefunden. So berichtet Wirths (18)
über den Bau einer solchen Versuchsanlage der Firna Dornier System GmbH, Friedrichshafen,
in Zusammenarbeit mit der argentinischen Comisión Nacional de Investigaciones Espaciales
(ONlE).
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Nachdem man an den Versuchsanlagen auf dem Schauinsland bei Freiburg
und auf der Insel Pellworm bei der Testung im Verlauf von drei Jahren einige Schwierigkeiten
und Mängel beheben konnte ( Dekitsch: 19 ), wurde im April 1981 eine Anlage ( Rotorhöhe
12 m, #. 12 in ) mit einer Nennleistung von 20 kW bei 10,4 m/s bzw. 43 kW bei 13,5
m/s Windgeschwlndigkeit auf dem Flugplatz von Comodore Rivadavia in Patagonien in
Betrieb genommen.
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Im Betrieb getestet werden seit 1977 nach Molly(9) und L.Jaraß (23,
Seite 38) eine Anlage mit Darrieus-Rotor in den USA (Albuquerque, Sandia-Lab.) mit
50-60 kW und in Canada ein Vertikalachsen-Rotor mit 230 kW und zwar auf Nagdalen
Island (Hydro Quebec/SEC). Meßdaten über diese oder ähnliche Versuchsanlagen liegen
mir nicht vor.
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Die Aufwind-Turbine nach Schlaich, Mayr, Haaf (20), auch Thermik-Turm
genannt, wird in den wärmeren Zonen eine größere Bedeutung erlangen (9), (23). In
der Versuchsanlage von Manzanares bei Madrid wird die in einer Vordachanlage ( 250
m, mit einer genügend lichtdurchlässigen, UV-festen Folie überdacht) von der Sonne
erwärmte
Luft durch einen 10 m weiten und 200 n hohen Turm nach
oben abgeleitet.
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In Diese Thermik-Turm erreichte der durch den Treibhaus-Effekt und
den Kamin-Sog erzeugte Aufwind in der im Mai 1982 in Betrieb genommenen Demonstrationsanlage
eine Geschwindigkeit von 2oi/s Damit wurde die in Bodennähe in den Kamin eingebaute
Turbine, deren Flügel elektronisch verstellbar sind,> in Rotation versetzt. Die
erstrebte Leistung des Generators von 100 kW wurde nach Schlaich (202) voll erreicht.
Es zeigte sich, daM auch nachts durch die tagsüber im Boden, der mit. schwarzer
Schlacke bedeckt war, gespeicherte Sonnenwärme noch ein Leistung abgebender Aufwind
infolge der Rückstrahlung auftrat.
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Auf diese Weise erreichte der Thermik-Turm als Aufwindkraftwerk eine
über die Erwartung hinausgehende Dauerleistung Da unter dem ausgedehnten, treibhausartigen
Vordach der Anlage Ananas und andere Prüchte-und Gemüsearten gut gedeihen, ist der
gesamte Nutzeffekt dieses kostengünstigen Sonnenkraftwerkes besonders hoch.
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Eine mehrfache Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit und Konzentration
der Windenergie wird in dem Wirbe1turm von Yen und in der Mantelturbine von Igra
erzeugt (9) und auch mit dem Prinzip des Deltaflugels erreicht nach den Untersuchungen
von Greff, Holzdeppe u.a.(21).
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Diese letztgenannten Systeme bedürfen noch der weiteren Entwicklung
und Erprobung.
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Die Windenergie technisch in den Griff zu bekommen, ist, wie diese
Ausführungen zeigen, ein altes und auch heute noch bzw. wieder akutes Problem für
die Wissenschaft und Technik.
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Die Problemstellung liegt heute weniger bei den kleinen als hauptsächlich
bei den großen WEKs, da: a. die Konstruktionen der kleinen WEKs (io-looo kW) soweit
ausgereift sind, daß sie schon in vielen Gebieten der Erde mit Erfolg eingesetzt
werden. Das gilt sowohl für die Langsamläufer mit mehr als 3 Flügelblättern als
auch für die Schnelläufer vom Typ Hütter, Wortmann u.a mit 1, 2 und 3 Plügeln.
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Die Rotoren mit 3 starren Flügeln werden außerhalb von Deutschland
bevorzugt und nehmen mit einer Nennleistung bis 2000 kW eine Mittelstellung ein.
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Von den Rotoren mit vertikaler Achse hat der Darrieus-Rotor bisher
das größte Interesse gefunden und wird in windstarken Gebieten bereits eingesetzt
(Dornier u.a.).
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Die neuen Konstruktionen wie der Wagner-Rotor und besonders der Überströmrotor
von Lüdke und Hahn sind ein weterer Fortschritt, da sie schon bei niedrigeren Windge.-schwindigkeiten
anlaufen (32 33, 34).
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b. Hinsichtlich der großen WEKs steht neben der Sicherheit und Zuverlässigkeit
die Wirtschaftlichkeit im Vordergrund. Hierzu haben G.Obermair, L.Hoffmann, A.und
L.
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Jaraß (22) Untersuchungen angestellt mit dem Ergebnis, daß in günstigen
Küstengebieten ein gesamtwirtschaftlicher Vorteil für große WEKs zu erwarten ist.
Allerdings ist es notwendig, die Größe und Leistung der WEKs über den 50 MW-Bereich
hinaus zu erhöhen, um die betriebswirtschaftliche Konkurrenzfähigkeit zu erreichen.
Mit den in letzter Zeit gebauten bzw. projektierten Typen der Schnelläufer wie Growian
I (3 MW) und II (5 NW) sowie dem in Schweden von Saab/Scania (4 NW) und dem von
General Electric (US) geplanten 7 MW WEKs ist eine Steigerung der Leistung über
50 MW unwahrscheinlich@@@.
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Allein das Aufwindkraftwerk nach Sehlaich (2o2Y läßt einen Ausbau
der Leistung in den 100 MW-Bereich nach dem bisherigen Stand der Technik erwarten,
jedoch nur in den warmen und heißen Klimazonen
Aus den eben angeführten
Gründen wird von L.Jaraß und Mitarbeitern gefordert: 1. die"Sntwicklung neuartiger
Windkraftanlagen"; 2. der "Bau von mehreren Demonstrationswindkraftwerken mit installierten
Leistungen von 50 MW und mehr"; 3. der "Bau eines standardisierten Windkraftwerks
mit einer installierten Leistung von 300 MW bis 500 MW".
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Gemäß den vorhergehenden Ausführungen war es nötig, einen neuen Typ
von WEK zu finden mit folgenden Eigenschaften: 1. er muß für windschwache und für
windstarke Zeiten geeignet sein, d.h. schon bei 2 m/s Windgeschwindigkeit spontan
anlaufen und von 3-20 /s und mehr die Windkraft weitest nützen können: 2. er muß
für große Anlagen bis in die loo MW-Bereiche geeignet sein, also große Angriffsflächen
zur Aufnahme der Energie des Windes bieten, d.h.
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a. für den Anlauf bei 2 m/s eine genügend großeWiderstandsfläche
und b. für einen starken Drehimpuls bzw. Zentrifugalkraft eine entsprechend große
Fläche mit starkem Auftrieb, sodaß durch das Zusammenwirken der großen Zentrum fugalkraft
und der Beschleunigung durch die CorioLEskraft deren wirtschaftliche Nutzung in
dem großen Konverter möglich wird; 3. der WEK muß eine hohe statische Festigkeit
besitzen zur Aufnahme der erwünschten Energiemengen als auch für die Sicherheit
in Sturmböen und 4. besondere Möglichkeiten zur Abwehr von schlagartig auftretenden
Böen sowie der Vereisung.
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Die Lösung der vorgenannten Probleme ist m.E. mit dem Windkreisel
(WK) gemäß den Patentansprüchen 1 und 2 gefunden. Das Studium der angeführten Literatur,
viele Mberlegungen und Berechnungen und eigene Versuche waren hierzu nötig.
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Beschreibung, Bau und Betrieb: Der Windkreisel (K) ist ein horizontal
um einen hohen, starken Turm sich drehender Windenergiekonverter (WEK), bei dem
durch den Impuls des Windes die zusammenwirkende kinetische Energie aus Zentrifugal-
und Corioliskraft und dem Magnuseffekt mit Hilfe der Generatoren in elektrische
Energie umgewandelt wird und zwar in Größenordnungen zwischen 30-500 NW und mehr.
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Hierzu ist der bipyramidale WK auf einem Stahl- oder Stahlbeton-Turm
von 10O-300 m Höhe hängend in seinem energetischen Schwerpunkt so federnd gelagert,
daß er begrenzte Nickbewegungen wie ein Baum im Sturm ausfuhren kan.
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Die Höhe des bipyramidalen Rotors beträgt etwa 150-400 m und der Drehkreisdurchmesser
äquatorial 160-300 m je nach der geforderten Leistung.
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Für die Aufnahme der Energie sind drei (oder mehr) große Schaufelarme
symmetrisch an einem entsprechend großen tritetra- oder polygonal-bipyramidalen
Hohlkörper als tragendes Gerüst befestigt.
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Jeder Schaufelarm hat, von der konkaven Seite gesehen, die Form einer
abgestumpften, gekrümmten Pfeilspitze und besteht aus je einer kleineren, konkaven
und einer größeren, konvexen Schaufelwand.
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Die Schaufelarme müssen innen durch ein stabiles Stützgerüst (Rohr-
Profilstreben- oder Zellen- bzw. Wabenkonstruktion) so konstruiert sein, daß der
ganze Winddruck auch bei schwersten Sturmböen bis zu 300 km/h = 83 mzs (an exponierten
Standorten) von dem WK und dem Turm ohne Risiko aufgenommen werden kann (Golding,
nach Molly:9).
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Eine so hohe Festigkeitsauslegung ist trotz der damit verbundenen
Kosten erforderlich, weil die Angriffsflächen des WKs nicht aus dem Wind genommen
werden können.
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An den Kanten sind die beiden Schaufelwände direkt fest miteinander
verbunden. Zusätzlich sind die oberen und UDr teren Kanten des bipyramidalen Rotors
zur konkaven Seite hin nach innen gebogen und symmetrisch durch einstellbare Winddurchlaßklappen
unterbrochen, welche sich bei überstarkem Wind etwa von 3o m/s an automatisch durch
den
Winddruck entlastend öffnen. So wird auch der Stoß von schlagartigen
Böen gemindert und die plötzliche Aufnahme zu großer kinetischer Energiemengen,
die als Stromstöße gefährlich werden können, zum Teil verhindert.
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In die beiden Schaufelwände sind unterhalb der Randkrümmung wasserdichte
und sturmfeste Penster in gleichmäßigen Abständen eingefügt und über Gänge und Treppen
vom Zentrum her zu erreichen. Sie dienen zur Überwachung der Außenhaut und zur nächtlichen
Beleuchtung.
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Außerdem sind die Schaufelwände doppelwandig gebaut, so daß genügend
große Luftkammern unter der Außenhaut gebildet werden, um im Winter durch Beheizung
mit Warmluft die Außenhaut möglichst schnee- und eisfrei zu halten. Hierzu kann
auch die Abwärme der Generatoren im Kreislauf genützt werden.
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Jeder Schaufelarm wird zur Peripherie hin gleichmäßig schmäler und
endet trapezartig senkrecht mit einer Breite von 10-20 m. Diese 1. Version des WKs
ist für windstarke Gebiete gedacht.
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In einer 2. Version jedoch endet jeder Schaufelarm in eine Hohlschale,
die dem Viertel einer großen Hohlkugel entspricht, welche quer in der Mitte eine
breite Einkerbung hat. Am äußeren Rande der Einkerbung ist ein flach bipyramidales
beidseits mit einem spiralförmigen Relief verse -henes Kreiselrad eingehängt, das
sich um seine vertikale Achse dreht und einen von mehr als 10 m hat. Diese peripheren
Kreiselräder werden sowohl durch schwachen Wind von 1,5-3 m/s als auch von der Zentrale
aus durch Elektromotore zur Rotation gebracht und dienen als Starthilfe nach der
Flaute bzw. zur Überbrückung einer Flaute, um möglichst die Corioliskraft noch zu
nutzen. Die Motore können auch als Generatoren Strom (z.B. für die Beleuchtung des
WKs) liefern, indem sie von der Zentrale aus entsprechend umgeschaltet werden.
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Diese 2. Version der Schaufelarme ist für Regionen mittlerer Windstärken
(z.B. in den Mittelgebirgen) gedacht.
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Zur Wartung sind die Kreiselräder durch Gänge vom Zentrum aus zu erreichen,
wobei einzuspannende Netze diese Arbeiten absichern.
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Auf der Spitze des WKs ist ein großer Raum für einen Kran und eine
Seilwinde mit Fahrkorb für Reinigungsarbeiten und notwendige Reparaturen an der
Außenhaut vorgesehen. Der Pahrkorb wird über Führungsschienen, die an den Kanten
der Schaufelarme und am Äquator des WKs eingebaut sind, nittels einer Laufkatze
geführt. Diese Schienen dienen gleichzeitig zur Ableitung der Blitze.
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Turmhöhen von 100-300 m sind je nach der gewünschten Leistung erforderlich,
um den energetischen Schwerpunkt des WKs auf eine wirtschaftlich optimale Höhe zu
bringen, da in diesen Höhen eine größere Jahresdurchschnittsgeschwindigkeit des
Windes von 8-10 m/s je nach dem Standort zu erwarten ist.
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Türme dieser Höhe sind heute bereits vorhanden. z.B. in Frankfurt/Main
und Toronto.
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Turm, Stützgerüst und Außenhaut des WKs müssen wetterfest und im Küstenbereich
auch gegen Salzwasser beständig sein.
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Um ein möglichst niedriges Gewicht des WKs zu erhalten, sind Aluminium
bzw. salzwasserbeständige Alu.-Legierungen für das Stützgerüst und die Außenhaut
zu verwenden, die eine Lebensdauer von etwa 30 Jahren haben. Wetter- und zugfeste
Verbundfaserwerkstoffe können evtl. für die Außenhaut als Ersatz dienen, da sie
Gewicht einsparen helfen.
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Die Lagerung des Rotors und die Regelung seiner Drehzahl erfolgt nach
dem jeweils neusten Stand der Technik und ebenso die Kraftübertragung vom Rotor
auf die im und auf dem Turmkopf installierten Generatoren.
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Falls Störungen in der Elektronik auftreten, sollte stets eine mechanische
Abbremsung des WKs möglich sein. Ebenso ist der Einbau elner Rücklaufsperre notwendig.
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Entsprechend der gewünschten Leistung unter Berücksichtigung der Windverhältnisse
am vorgesehenen Standort ist die Größe, d.h. das Verhältnis von Höhe und Breite
des Rotors zueinander bzw. sein Drehkreisdurchmesser sowie die Form der Schaufeln
bezüglich des Krümmungsbogens im Windkanal zu optimieren.
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Das Beispiel eines WKs ist in den beigefügten Zeichnungen gegeben;
So zeigen die Fig. 1a und 1b einen Turm mit horizontal rotierendem WK, der einer
trigonalen Bipyramide entspricht, bei der die Ecken mehr oder weniger abgestumpft
sind und die seitlichen Flächen in einer flachen ungleichmäßigen Wellenform verlaufen
und im Horizontalschnitt gesehen in der Fig. 2a dargestellt sind. Diese Horizontalschnitte
ergeben aufeinandergelegt einen pyramidalen (Fig. 2a) bzw.
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einen bipyramidalen Hohlkörper (Fig. 2b), der auf den Turm.
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montiert, als WK in der Horizontalen rotiert.
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Fig. 3 zeigt in einem Querschnitt das tragende Stützgerüst des WKs
und Fig. 4 den'bipyramidalen Rotor über dem Turm hängend im Frontalschnitt. Der
Turm ist bis zur Turmplattform 140 m hoch und trägt einen Turmkopf mit 3 Stockwerken
und einen Turmkranz für die Lagerung und Seitenabstützung des Rotors.
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Ein Aufzug mit einer inneren Weite von lox2o m ermöglicht es, die
Generatoren: etwa 4à25MW zur Plattform zu bringen und diese bzw. Ersatzteile auszuwechseln.
Weiter sind 4 Generatoren &10 und 2 A5 riW in den Räumen unterhalb der plattform
zu installieren, so daß bei Windstärke 6-8 = 11-21 m/s bei cr o,2 eine Leistung
von 30-110 MW erzielt werden kann. Schon bei Windstärke 2 und 2 m/s Windgeschwindigkeit
ist ein Anlaufen des Rotors zu erwarten, wie aus der Leistungskurve zu ersehen ist.
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Ergibt sich bei Versuchen im Windkanal, daß für den WK in den angegebenen
Größen der cD Wert mit o,3 einzusetzen ist, so erhöhen sich die obengenannten Leistungswerte
auf 43-160 MW.
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Diese theoretisch ermittelten Leistungswerte sollen nur einen Hinweis
für die mit dem WK zu erzielenden Möglichkeiten geben und den Nachweis erbringen,
daß die von L. Jaraß und Mitarbeitern aufgestellten Forderungen nach neuartigen,
größeren WEK-Typen sich mit dem WK realisieren lassen und keine Utopie darstellen.
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Die großtechnische Nutzung der Windenergie: Der Nutzen kleiner WEKs
für abgelegene Einzelgehöfte ist bereits erwiesen. Doch auch in der gesamten Energiewirtschaft
ist mit Hilfe das WKs eine Verbesserung der Lage möglich.
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Windenergie kennt weder Abfallprobleme, noch Abwärmeprobleme, noch
Brennstoffpreissteigerungen und verursacht keine Importabhängigkeit 11 (L.Jaraß
23, Seite 36).
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Außerdem sind die WEKs das beste Mittel gegen den saueren Regen, das
Waldsterben und die Umweltverschmutvung. Sie helfen Kohle und Öl einzusparen bei
der Heizung, in den Kraftwerken und im Kraftwagenverkehr. Elektroautos könnten mittels
Natrium-Sulfid-Batterieen im Stadtverkehr schon heute die Luft von Schadstoffen
entlasten. Bau-, Stahl-, Elektro- und andere Industrie- und Wirtschaftszweige bekämen
Aufträge. Wirtschaftlich bessere Investitionsanlagen gibt es kaum! Bei Turmhöhen
von 100-300 m und mehr ist sowohl im Küstenbereich als auch im deutschen Mittelgebirge
mit einer Betriebszeit der WKs in den 100 MW-Bereichen mit 6400 Betriebsstunden
pro aahr zu rechnen, was der Jahresbetriebszeit der herkömmlichen Kraftwerke in
etwa entspricht. Dabei kann für die angegebenen Turmhöhen mit einer durchschnittlichen
Windgeschwindigkeit von 8-10 m/s im Jahr gerechnet werden (Honnef: 4; Molly: 9;
Jaraß: 23).
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Somit werden durch genügend Großwindanlagen dieser Art (WKsY pro Jahr
beachtliche Mengen an Brennstoff (Erdgas, Öl, Kohle und Uran) eingespart und dadurch
unsere Jahreswirtschaftsbilanz erheblich günstiger gestaltet.
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" Selbst bei gleich hohen Anlagekosten und gleichen Herstellungskosten
würden die Windkraftwerke allen anderen Kraftwerken überlegen sein, weil der Betriebs
stoff kostenlos in unerschöpflichen Mengen vorhanden ist und die Gleichmäßigkeit
der Jahresleistung diejenige der Wasserkräfte erheblich übertrifft (Honnef: 4, Seite
105).
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Speicherung und Verwendung der überschüssigen Wind energie.
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Der Nachteil der Unstetigkeit der Windenergie lät sich auf verschiedene
Weise ausgleichen und zwar: 1.durch Kombination mit schon vorhandenen Pumpspeicherwerken
und vorhandenen Talsperren. Eine Zielstuaie hierfür wird z.Zt. von der Fa. Elektromark,
Hagen, in Zusammenarbeit mit dem Institut für Meteorologie und Klimatosowie aer
Universität Hannover durchgeführt. tjierüber berichten H. Gossenberger und R. Trapp
(24).
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Die rrichtung zahlreicher Pu,mpspeicherwerke in Kombination mit Turm-Windkreiseln
mit einer Leistung von loo-150 MW Im deutschen Mittelgebirge entlang der großen
Flüsse ist wirtschaftlich sinnvoll und nutzbringend, wie bereits die Pumpspeicherwerke
der Bundesbahn zeigen.
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Staatliche Investitionen dieser Art wären z.Zt. eine wichtige Aufgabe,
um die Arbeitslosigkeit zu andere.
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2.Durch den Strom der Windkraftwerke Kanten in allen nahegelegenen
Städten und Dörfern die Wohnungen und öffentlichen Gebäude mittels Nachtspeicheröfen
geheizt werden, oder in Kombination mit den bisherigen Heizungsarten über Warmwasserspeicher
und zwar über das schon vorhandene Leitungsnetz der Elektrizitäts- und Überlandwerke.
Damit würde weiterhin eine merkliche Brennstoff- und Deviseneinsparung erzielt.
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3.Für die Sommermonate würde das geringere, aber an der Küste noch
reichliche Angebot an Windenergie die Elektrolyse von Wasser zu Wasserstoff (H2)
und Sauerstoff ermöglichen. Wasserstoff könnte dem Erdgas zum direkten Verbrauch
beigemischt werden und uns vom Import dieser Energie entlasten und so die handelsbilanz
verbessern, entsprechend den Vorstellungen von Molly (9), Jara2 und anderen (23),
Bohn (26), W.E.Heronemus (27).
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4. Wasserstoff ließe sich erstmals zu einem günstigeren Preise herstellen
und wäre als umweltfreundlicher Kraftstoff verfügbar, zumal entsprechende Automotore
schon erprobt werden, um die Luft im Stadtverkehr zu verbessern.
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5. Billiger Wasserstoff würde die chemische Industrie zur Herstellung
vieler neuer Produkte anregen und die Erzeugung mancher altbewährter Stoffe wie
z.3. Düngemittel und andere N113-Produkte erleichtern. NH3 in Wasser gelöst wäre
mit 5300 kcal/l zur Speicherung und nach Katalyse zu N2 + 3E2 im Auto und in den
Kraftwerken mit Gasturbinen als Treibstoff geeignet.
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6. Als beste Speicherung wäre die Anlagerung von Wasserstoff (H2)
an Kohle und an Schweröl (= Hydrierung) zu nennen, die im Benzin und im Dieselöl
die höchste Energiekonzentration aufweisen. Auch würde die bisherige Hydrierung
der Kohle vereinfacht und verbilligt.
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In diesem Zusammenhang wäre auch die Verbesserung der Erdölgewinnung
zu nennen; denn durch Hineinpressen von Ein die versiegenden Ölquellen ließe sich
deren Ausbeute wahrscheinlich mehr erhöhen als mit Wasserdampf. Hierbei ließe sich
auf diese Weise E2 in großen Mengem unterirdisch speichern.
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7. Als weitere Speichermöglichkeit für Wlndenergie weisen Molly (9)
und Jaraß (23) auf ein Druckluftspeicherwerk nahe Huntorf bei Bremen hin; doch könnte
statt der Luft auch reiner Sauerstoff, der bei der Elektrolyse des Wassers gewonnen
wird, in den unterirdischen Speicher gedrückt werden und getrennt davon ebenso Wasserstoff,
um beide beim Betrieb der Gasturbine zur Deckung der Spitzenlast einzusetzen.
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8. Ein schon vorhandener großer Speicher für den Strom aus Wind ist
in dem Verbundnetz zu sehen.
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Verbesserung der Wasserwirtschaft Schon vor loo Jahren hatte die Windenergie
für die Wzsserwirtschaft weltweit eine grobe Bedeutung erlangt. Mit Hilfe des WK.
wird die WindLraft diese Stellung wiedergewimnen, da sie auf die Dauer kostengünstiger
ist und zwar: 1.für den Wassertransport in vielen Gebieten der Erde: a.zur Speicherung
(Speicherbecken, HochEehälter); b.zur Bewässerung in den wärmeren Zonen; c.zur Entwässerung
(z.B. in den Niederlanden); 2.für die Bereitstellung und Aufbereitung von Trinkwasser
mittels Sauerstoff (02) und Ozon 3.zur Wiederaufbereitung der Abwässer, Seen und
Flüsse mittels Luft bzw.. 02 und 4.zur Entsalzung von Meerwasser nach der Art der
umgekehrten Osmose, wie sie von Pries, Borchers und Petersen ausführlich dargestellt
wird (25).
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Die günstigste Nutzung der Windenergie ist- der direkte Verbrauch
des erzeugten elektrischen Stromes in einet Verbundnetz, wie es Honnef (4), Molly
(9) und Jaraß und Mitarbeiter (23) fordern; denn jede Umwandlung der Energie zwecks
Speicherung bringt-Verluste mit sich. Der direkte Verbrauch der Windenergie anstelle
der konventionell erzeugten elektr. Energie spart Brennstoff und weitere darauf
aufgebaute Kraftwerke (23).
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Vorteile 1-2 Die Erteilung eines Patents gemäß den Ansprüchen
für den hier dargestellten WK wird aus folgenden Gründen bzw.
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wegen dieser Vorteile beantragt: 1 Der WK ist unabhängig von der Windrichtung
und wird von den freiumströmenden Luftmassen in Rotation versetzt, wobei plötzliche
Änderungen der Windrichtung bei starken Böen für den WK ungelährlicn sind, sodaß
auch die Wind kraft in Höhen von 100-500 m genützt werden kann, wodurch die Wirtschaftlichkeit
sich wesentlich verbessert.
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2. Durch seine Kreiselform ist er statisch und dynamisch gegen Sturmböen
bis zum Orkan (330 km/h) stabil und daher für fast alle Klimazonen geeignet.
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3. Durch seine relativ einfache Bauweise läßt er in den verschiedenen
Variationen, in allen sinnvollen Größenordnungen und auch über den loo NW-Bereich
hinaus höchste Sicherheit und keine größere Schwierigkeiten im Betrieb erwarten.
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4. Eine im Bau oder im Betrieb in Erscheinung tretende Unr wucht läßt
sich gerade wegen der Kreiselform durch Anr bringen von Gewichten ausgleichen.
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5. Die drei (oder vier) Schaufelarme geben dem WK ein großes Drehmoment
und gleichzeitig ein großes Trägheitsmoment, sodaß ein leichtes Anlaufen bei schwachen
Wind (2-3 mZs als auch ein relativ ruhiger Lauf im Shrmßzu erwarten ist.
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6. Durch die Kreiselform ist in einfacher Weise eine Regelung der
Drehzahl möglich: ar mittels der Winddurchlaßklappen; b) durch Verschieben von Gewichten
im Kreisel mit Hilfe von Stellmotoren, elektronisch und notfalls von der Hand.
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7. Der Turm-WK ermöglicht den Einbau mehrerer Generatoren mit verschiedenen
Leistungsbereichen.- die elektronisch dem jeweiligen Windaufkommen entsprechend
und auf die Drehzahl abgestimmt zu- oder abgeschaltet und außerdem noch variabel
erregt werden können. Auf dicse Weise läßt sich eine möglichst hohe Energieausbeute
des Windes im.
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Bereich von 3-20 m/s Windgeschwindigkeit erzielen.
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8. In windstarken Gebieten ist bei diesen Großanlagen auch die Nutzung
höherer Windgeschwindigkeiten durch stufenloses Zuschalten der Elektrolyse-Aggregate
möglich. In Kombination mit Gleichstrombremsen wird auch im Sturm ein Überdrehen
verhindert und noch Energie gewonnen.
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9. Die Kraft wird nicht an der Nabe, sondern am Inneren Umfange des
WKs bzw. IWLs nach Art eines Göpels abgenommen, sodaß auf ein besonderes Getriebe
evtl. verzichtet werden kann.
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10. Der WK benötigt als Langsamläufer (1-5 U/min) keine großen Sicherheitszonen
und verursacht keine störenden Windgeräusche.
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11. Auch ist ein Abreißen eines Schaufelarmes durch Zentrum fugalkräfte
nicht zu befürchten, da selbst im Orkan mit 60 m/s Windgeschwindigkeiten die Umfangsgeschwindigkeit
des WKs innerhalb der kritischen Dehngrenze für Aluminium bzw. Aluminiumlegierungen
gehalten werden kann.
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Hinzu kommt, daß durch die Corioliskraft die Zentrifugalkraft der
Umfangsgeschwindigkeit vektorial in; eine Drehbeschleunigung umgewandelt wird.
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Auch ein Umbiegen der Schaufelarme durch Staukräfte und Böen oder
ein Durchbruch infolge Eigenschwingungen ist beim WK wegen seiner Form nicht zu
erwarten.
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12. Der WK bietet mit der konkaven Seite seiner Schaufelarme dem Winde
eine große Widerstandsfläche und mit der konvexen Seite eine doppelt bis drei- oder
viermal so große Auftriebsfläche, sodaß bei genügender Windgeschwindigkeit, wie
etwa dem Jahresmittel, die durch den Widerstand (cw= 0,1y5- - o,2) und Auftrieb
(cA = o,3 - o,45) aufgenommene Energie pro Schaufelarm und Kreiseldrehung (00 -
1800)1 sich addieren bzw mit Zunahme der Windgeschwindigkeit potenzieren; so läßt
sich die Kapazität des WK relativ einfach ermitteln. Umgekehrt ist auf diese Weise
von der gewünschten Energie und dem zu erwartenden Windaufkommen ausgehend die erforderliche
Größe des WKs zu errechnen. Hierbei ist für wind schwache Gebiete die konkave Fläche
der Schaufelarme entsprechend größer und die konvexe Fläche kleiner zu wählen, bzw.
für windstarke Gebiete umgekehrt. Ebenso ist in Versuchen die Stärke der Corioliskraft
und des Msgnuseffektes zu ermitteln und in die Berechnung der Nennleistung einzubeziehen.
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Da große Windkraftanlagen vorzugsweise in windstarken Regionen errichtet
werden, erhöht sich für den WK der Leistungsfaktor c p zusätzlich; a. durch die
Verdichtung der Windkraft in den Hohlschaufeln und deren Ableitung über die langen
Schaufelarme; b. durch den Magnuseffekt, indem der umströmenden Luftmasse strudelartig
Energie entzogen wird, auch im Bereich von 900- 270°bzw. 3600; c durch die FlieSkraft,
die zwar zentrifugal nach außen hin wirkt, jedoch d; durch die Corioliskraft, indem
sie als Drall das Drehmoment verstärkt (Pohl: 28).
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13. Aus diesen Gründen ist der Wirkungsgrad pro Schaufelarm des WK
mit 0p = o,45 - o,6 anzusetzen und auf die Gesamtfläche bezogen mit cp = o,2 - o,3.
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Messungen an Modellen im Windkanal sind für jede gewünschte Nennleistung
erforderlich, um die optimale Form und das Verhältnis der Widerstands- zur Auftriebsfläche
zu ermitteln.
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Beschreibung der Zeichnungen, die zum besseren Verständnis der Form
und des Aufbaues des bipyramidalen WKs beitragen sollten. Sie dienen als Beweis,
daß der bipyramidale WK ein neues Prinzip in der Reihe der verschiedenen WEKs darstellt,
welches durch seine großen Angriffsflächen und durch die Nutzung der Corioliskraft
Nennleistungen bis in die Hundert-MW-Bereiche ermöglicht So zeigen Fig. 1a und ib
hohe Türme mit den beiden Versionen der bipyramidalen Schaufelarme.
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Fig. 2a stellt in sogenannten Schreinerschnitten den pyramidalen Charakter
der oberen Hälfte des WKs dar, dem die untere Hälfte entspricht.
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Fig. 2b demonstriert den bipyramidalen Aufbau des WKs von der Seite
gesehen mit Sitz auf einem Turm;.
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Fig. 3 zeigt im Querschnitt die trigonale Konstruktion des WKs, und
in Fig. 4 sieht man im Frontalschnitt den bipyramidalen Rotor über dem Turmkopf
hängend. Mit L sind die beiden großen Lifte für schwere Lasten gekennzeichnet und
mit G und R die möglichen Positionen für die Generatoren und die Regelanlagen.
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Die Zugänge und Treppen zu den Fenstern und den Winddurch laßklappen
in den doppelwandigen Schaufelarmen sind nicht, eingezeichnet, da sie für das Prinzip
des bipyramidalen Rotors von untergeordnettr
Fig. 5 Leistungskurve.
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Inhaltsverzeichnis zum Patentantrag für den Windkreisel (WK) (neu
geordnet): Zusammenfassung (neu gefaßt) Titelblatt Patentansprüche (neu gefaßt)
Seite 1 - 2
Zum Stand der Technk für)... (alt) Seite 3 - 4 |
Windenergiekonverter )... (Ergänzung) Seite 5 - 6 |
.. (alt.) Seite 7 - 8 Problemstellung (neu gefaßt) Seite 9 - 1o Problemlösung und
Beschreibung des WKs, Bau und Betrieb (neu gefaßt) Seite 11 - 13 Beispiel (neu gefaßt)
Seite 14
Die großtechnische Nutzung (neu gefaßt) Seite 15 |
der Windenergie ) (alt) Seite 16 |
Speicherung der Windenergie (neu gefaßt) Seite 17 (alt, mit Seite 18 Änderung in
Zeile 26 ) Vorteile des WKs (alt) Seite 18 (alt, mit Seite 19 Änderung der Zeilen
17 - 23 ) (neu gefaßt Seite 20 - 21 Beschreibung der Zeichnungen (neu gefaßt) Seite
22 Literaturverzeichnis (alt) Seite 23 - 25 mit Nachtrag (neu) Seite 26 Inhaltsverzeichnis
(neu gefaßt) Seite 27 Zeichnungen (neu) Seite 28
- L e e r s e
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