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Technischer
Hintergrund
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Turbine mit einstellbaren Blattprofilen,
die durch ein fluides Medium angetrieben wird, und ein Verfahren
zur Erzeugung von elektrischer Energie durch Nutzung derselben (z.
B. US-A-4368392).
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Hintergrund
der Erfindung
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Lange
Zeit wurden verschiedene Arten von Ausrüstungen verwendet, um die Kraft
in strömenden Medien
zu nutzen. In den vergangenen Jahrzehnten wurden Windturbinen mit
einer waagerechten Drehwelle entwickelt und zur Erzeugung von Elektroenergie
in großer
Anzahl eingesetzt. Sie weisen jedoch eine Anzahl von Nachteilen
auf, wie Lärmentwicklung,
Störung
des Landschaftsbildes, hohe Produktions- und Montagekosten. Die
meisten Windturbinen können
lediglich einen geringen Teil der verfügbaren Windkraft ausnutzen.
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Weiterhin
wurden Windturbinen mit einer senkrechten Welle entwickelt. Diese
haben eine Reihe von Vorteilen gegenüber der weiter oben genannten
Ausführung,
wie zum Beispiel geringere Lärmentwicklung,
niedrigere Montagekonstruktionen und somit reduzierte Montagekosten
und Betriebskosten. Sie sind nicht von der Windrichtung abhängig. Es
hat sich gezeigt, dass es erforderlich ist, den Angriffswinkel der
Flügel
zum Wind in Abhängigkeit
von der Stärke
und der Geschwindigkeit des Mediums einzustellen. Für das Einstellen
des Angriffswinkels gibt es verschiedene hinreichend bekannte Möglichkeiten, jedoch
ist keine Möglichkeit
der individuellen und zuverlässigen
Einstellung bekannt.
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US
4.052.134 beschreibt eine Windturbine mit einer senkrechten Drehwelle,
die mit Flügeln
versehen ist, die ein Gerät
aufweisen, das versucht, die Flügel
entsprechend der Drehbahn der Turbine in eine stabile Position zurück zu stellen.
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NO
302.590 beschreibt eine Windturbine mit senkrechter Welle mit einem
Instrument, das versucht, der Neigung der Blattprofile, sich selbst
nach der offensichtlichen Windrichtung auszurichten, entgegenzuwirken.
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US
4.168.439 beschreibt eine große
Windturbine mit einem komplizierten System von Elektromotoren, Getrieben
und Instrumenten zur Steuerung der sehr großen Flügel, vorrangig mit dem Ziel,
die Vorrichtung zuzuschalten und abzuschalten.
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DK
164.294 beschreibt ein Verfahren zur Änderung der Windturbinenflügel durch
Anbringen elastischer, torpedoförmiger
Körper
an den freien Flügelenden.
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US
2.950.765 und US 2.250.772 beschreiben Turbinen mit senkrechter
Welle und gesteuerten Blattprofilen. Die Blattprofile werden alle
gleichzeitig durch Stäbe
geführt,
die die Blattprofile in eine Sollposition drücken oder ziehen, was durch
die Verschiebung eines exzentrisch angebauten Drehrades geführt wird.
Diese Turbinen dienen dem Antrieb von Schiffen.
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Turbinen
zur Umwandlung der Kraft aus strömendem
Wasser sind nach dem Stand der Technik bekannt. Die meisten Turbinen
haben gemeinsam, dass die Wasserströmung hin zu dem stromerzeugenden
Bereich der Turbine mit einer begrenzten Geschwindigkeit, in einer
begrenzten Richtung und Menge gerichtet sein muss. Es ist offensichtlich,
dass die so erzeugte elektrische Energie direkt proportional zu
der Geschwindigkeit des strömenden
Mediums ist, d. h. eine Erhöhung
der Geschwindigkeit des Wassers in den stromerzeugenden Bereichen
der Turbine führt
zu einer Erhöhung
der Menge erzeugter Elektrizität.
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Es
besteht nach wie vor ein großes
Interesse daran, die Kraft in langsam strömenden Fluiden für die Erzeugung
elektrischer Energie zu nutzen. Die vorliegende Erfindung macht
dies auf eine einfache und kostengünstige Art und Weise möglich.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
Erfindung stellt eine von einem strömenden Medium angetriebene
Turbine zur Erzeugung von Elektrizität vor, die eine Anzahl von
Blattprofilen geeigneter Länge,
Breite und Dicke mit einer hydrodynamischen Form nach den Vorgaben
des NACA-Standards umfasst. Jedes Blattprofil ist mit dem unteren
Teil seiner Welle mit einer drehenden, scheibenförmigen Tragkonstruktion verbunden,
die mit der Hauptwelle der Turbine verbunden ist, und die Längswellen
der Blattprofile sind vorwiegend parallel zu der Hauptwelle, wobei
jedes Blattprofil mit einem Motor ausgerüstet ist, der für individuelles
Schwenken des Blattprofils um seine Längswelle herum unabhängig von
den anderen Blattprofilen verwendet wird, um zu erreichen, dass
sich die Hauptfläche
eines jeden Blattprofils in einem gewünschten Angriffswinkel in Bezug
auf die und absolut zu der Richtung des strömenden Mediums befindet.
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Die
Turbine ist geeignet für
die Erzeugung elektrischer Energie aus relativ langsam strömendem Wasser.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist eine schematische
Perspektivzeichnung und zeigt eine erfindungsgemäße Turbine mit vier Blattprofilen
und senkrechter Welle.
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2 ist ein Horizontalschnitt
und zeigt eine scheibenförmige
Tragkonstruktion mit vier daran angebrachten Blattprofilen.
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3 ist ein Vertikalschnitt
durch ein Blattprofil.
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4 zeigt die vorgeschlagenen
hydrodynamischen Körper
an dem freien Ende des Blattprofils.
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Ausführliche
Beschreibung der Erfindung
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Die
Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer Turbine zur optimalen
Ausnutzung der dynamischen Kräfte
in einem Medium, das sich in verschiedenen Richtungen mit geringer
Geschwindigkeit bewegt.
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Der
Ausdruck „strömendes Medium" bezieht sich dabei
auf alle fluiden Strömungen,
wie zum Beispiel natürlich
fließendes
Wasser und Gase. Fließendes
Wasser umfasst Wasser in Bächen
und Flüssen, durch
Rohrleitungen, in Kanälen
und ähnlichen
Behältnissen
zu einer Turbine gefördertes
Wasser sowie Wellen aller Arten, die in Seen und Meeren vorkommen.
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Der
Ausdruck „Blattprofil" bezieht sich auf beliebige
flügelförmige Profile
mit zwei deckungsgleichen, gekrümmten,
gestreckten Außenflächenbereichen,
die entlang einer Verbindungsachse verbunden sind, das in der Geschwindigkeitsrichtung
gerundet ist und das in dem hinteren Teil zu einer spitzen Kante
hin abnimmt. Somit haben die Blattprofile eine hydrodynamische Form.
Eine Anzahl von Blattprofilen unterschiedlicher Formen werden ausführlich in den
bekannten Standards des National Advisory Committee on Aeronautics
(Nationales Beratungskomitee für
Luftfahrt, USA, NACA) beschrieben.
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Eine
Reihe von Blattprofilformen können
verwendet werden, und als bevorzugte Form kann die Blattprofilform
NACA 63.015 angegeben werden.
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Jedes
Blattprofil hat eine senkrechte, exzentrische Welle in der Längsrichtung.
Bei horizontalen Turbinen wird sich die Welle in einer entsprechenden horizontalen
Richtung befinden. Eine Turbine gemäß der vorliegenden Erfindung
ist mit zwei bis zehn Blattprofilen ausgerüstet, vorzugsweise mit zwischen
vier und acht und insbesondere vorzugsweise mit fünf Blattprofilen,
die mit der Unterseite einer drehenden, scheibenförmigen Konstruktion
so verbunden sind, dass sich das Blattprofil in einer annähernd senkrechten
Stellung befindet. Alle Blattprofile sind in annähernd gleichen Abständen voneinander
und in einem annähernd
gleichen Abstand von dem Mittelpunkt der drehenden Konstruktion
und annähernd parallel
zu der Drehwelle befestigt.
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Die
Größe der Blattprofile
unterliegt keinen besonderen Einschränkungen, solange diese ihren Zweck
erfüllen.
Die Größe ist abhängig von
der Dichte und der Geschwindigkeit des strömenden Mediums. Somit können Blattprofile
zur Anwendung in Wasser eine vertikale Länge von 1 m bis 100 m haben,
vorzugsweise zwischen 5 m und 20 m und insbesondere vorzugsweise
von etwa 10 m. Die Breite der Blattprofile bzw. der horizontale
Schnitt beträgt
typischerweise von 0,5 m bis 5 m, vorzugsweise von 0,5 m bis 2 m, insbesondere
vorzugsweise etwa 1 m. Die Dicke des Blattprofils beträgt typischerweise
zwischen 0,05 m und 1 m, ist jedoch von der ausgewählten Blattprofilart
abhängig.
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Die
Blattprofile können
aus einem beliebigen geeigneten Werkstoff gefertigt werden, vorzugsweise ausgewählt aus
der Gruppe aus Stahl, Aluminium und Polymerverbundstoffen, wie zum
Beispiel aus faserverstärktem
ungesättigtem
Polyesterharz (UP-GF). Die Dimensionierungskriterien werden durch
die Auswahl des Werkstoffes bestimmt.
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Unter
Bezugnahme auf die Figuren veranschaulicht 1 eine Turbine mit einer senkrechten Welle 1,
die mit einer Drehwelle 2 verbunden ist, mit der eine scheibenförmige Tragkonstruktion 3 verbunden
ist. Auf der Tragkonstruktion sind eine Anzahl von Blattprofilen 5 angerbacht.
Jedes Blattprofil hat eine Längswelle 6,
um Schwenken des Blattprofils zu ermöglichen. Das obere Ende der
Welle ist mit der Tragkonstruktion 3 verbunden. Jedes der
Blattprofile 5 ist mit einem Drehmotor 8, vorzugsweise
einem Schrittmotor, verbunden. Mit dem Motor 8 kann das Blattprofil
um seine Längsachse 6,
die vorwiegend nach der Turbinenwelle 2 ausgerichtet ist,
so schwenken, dass das Blattprofil in eine beliebige Stellung in
Bezug auf das fluide Medium geschwenkt werden kann. Die Leistung
des Blattprofils 5 ist zu einem großen Teil von der um die freien
Enden 9 des Blattprofils 5 herum erzeugten Turbulenz
abhängig. Die
Erfindung verwendet diese Erkenntnisse durch Anwendung flachförmiger Objekte 15 oder
torpedoförmiger
Objekte 10 einer Größe von ein
bis 50 Mal der Quadratfläche
der Blattprofile 5, vorzugsweise von zwei Mal der Quadratfläche der
Blattprofile 5; oder sorgfältig geformte elliptische Körper 14,
wobei die Form als ½ des
Blattprofils definiert ist und die Größe in dem Bereich von einmal
bis 50 Mal der Breite des Blattprofils 5 beträgt, vorzugsweise
von gleicher Größe ist wie
das Blattprofil 5, die an dem freien Ende 9 des
Blattprofils 5 angewandt werden. Die Tragkonstruktion besteht
aus einem scheibenförmigen
Objekt 3 und die Blattprofile 5 werden in eine
Position nahe der Peripherie der Platte gebracht. Im Betrieb werden
die Blattprofile 5 daher eine zentrische, kreisförmige Bahn 12 um
die Turbinenwelle 2 herum haben. Die kreisförmige Bahn 12 definiert
den Außendurchmesser der Turbine. In der Hauptkonstruktion 4 der
Turbine befindet sich eine Vorrichtung, die die Drehbewegung der
Welle in einen Gleichstromgenerator 7 umwandelt und so
die Erzeugung von elektrischer Energie ermöglicht.
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Die
Zeichnung von 2 zeigt
die Turbine mit einer Turbinenwelle 2 und vier Blattprofilen 5,
die an der Tragkonstruktion 3 angebracht sind, bestehend
aus einer scheibenförmigen
Platte, an der die Blattprofile 5 schwenkbar nahe der Peripherie
der Platte angebracht sind, wodurch die Blattprofile 5 eine
konzentrische Bahn 12 um die Turbinenwelle 2 herum
erhalten. Es wird angedeutet, wie ein Motor 8 über den
Blattprofilen 5 angeordnet ist. Eine Anzahl von Pfeilen
zeigt die Richtung der Strömung 11 und die
Drehrichtung der Turbine 13 an.
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Die
Zeichnung von 3 geht
durch das Blattprofil 5 in der Mittellinie der Blattprofilbreite
hindurch. Es wird angedeutet, wie eine Längswelle 6 in das
Blattprofil 5 integriert ist, wobei die Form des Blattprofils 5 das
freie Ende 9 des Blattprofils 5 beinhaltet.
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4 ist eine Zeichnung des
Blattprofils 5 und von alternativen Formen des freien Endes 9 des Blattprofils 5.
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4a ist eine Zeichnung des
Blattprofils 5 und eines sorgfältig geformten elliptischen
Körpers 14,
wobei die Form als ½ des
Blattprofils definiert ist.
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4b ist eine Zeichnung des
Blattprofils 5 und eines flach ausgeformten Objektes 15.
Das Objekt 15 hat eine Parallelogrammform 15 mit
der Diagonale als die Mittellinie des Blattprofils 5. Das
Parallelogramm geht auf beiden Seiten gleichmäßig über die Maße des Blattprofils 5 hinaus.
Die Dicke des Parallelogramms ist nicht kritisch und daher nicht
angegeben.
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4c ist eine Zeichnung des
Blattprofils 5 und eines torpedoförmigen Objektes 10,
das auf allen Seiten über
die Maße
des Blattprofils 5 hinausgeht. Das torpedoförmige Objekt 10 ist
nicht zuvor auf dem vertikal montierten Blattprofil 5 angewandt
worden.
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Die
vorliegende Erfindung nutzt die gleiche Art des Motors 8 für alle Blattprofile 5.
Der Motor kann ein Schrittmotor sein, vorzugsweise ein Schrittmotor in
der Ausführung
als Hybridschrittmotor, ein Plattenschrittmotor oder ein gewöhnlicher
Schrittmotor.
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Jedes
Blattprofil 5 ist mit dem gleichen Steuerungssystem ausgerüstet, das
eine vollständige Steuerung
der schwenkbaren Position eines jeden Blattprofils 5 ermöglicht.
Der Motor 8 bietet daher die Möglichkeit, den relativen und
absoluten Winkel des Blattprofils 5 zu dem strömenden Medium
zu steuern. Die Blattprofile 5 bewegen sich auf einer kreisförmigen Bahn
und folglich muss die relative und absolute Stellung des Blattprofils
dynamisch angepasst werden.
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Unter
Bezugnahme auf 2 wird
nunmehr der Drehzyklus der Turbine beschrieben werden. Wenn sich
die Blattprofile 5 in einem strömenden Fluid in einer im Wesentlichen
vertikalen Stellung befinden, werden sie aufgrund der schwenkbaren
Befestigung dazu neigen, sich selbst auf den geringsten Widerstand
auszurichten, d. h. nach dem strömenden Medium.
Um eine Drehung der Turbine und somit Erzeugung von Elektrizität zu erreichen,
wird jedes Blattprofil 5, das an seinem jeweiligen Motor 8 auf
der scheibenförmigen
Tragkonstruktion 3 befestigt ist, in einen geeigneten relativen
und absoluten Winkel zu der Strömung
gedreht werden. Der Motor 8 wird das Blattprofil in einen
Winkel zwischen 5° und
50° drehen.
Dies wird daher eine Kraft auf die Oberfläche der Blattprofile 5 auswirken
und die Turbine in Bewegung versetzen. Durch die Drehbewegung werden die
Blattprofile 5 einen veränderten Angriffswinkel zu der
Strömung
haben, und der Motor 8 wird angesteuert werden, um die
Blattprofile 5 in einen Angriffswinkel wie oben angedeutet
zu drehen. Die Genauigkeit des Angriffswinkels der Blattprofile 5 zu
der Strömung
hängt von
der Fähigkeit
des Motors 8 ab, seine Stellung zu finden und aufrecht
zu erhalten. Entsprechende Einstellungen werden während der
kreisförmigen
Bahnbewegung des Blattprofils 5 vorgenommen. Daher erzeugt
das Blattprofil 5 während
etwa der gesamten kreisförmigen
Bahnbewegung eine Kraft, was zu einer optimalen Erzeugung von Strom führt.
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Vorzugsweise
ist das stumpfe Ende des Blattprofils 5 die Blattnase durch
die Strömung.
Unter Bezugnahme auf 2 und
wie durch Pfeile angedeutet, die die drehende Bewegung 16 und
die Strömungsbewegung 11 zeigen,
ist die stumpfe Kante des Blattprofils 5 die Blattnase.
Die Position der Blattprofile ist gleich unabhängig von der Art des fluiden Mediums.
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Da
die schwenkbare Stellung der Blattprofile 5 durch die Motoren 8 einzeln
einstellbar ist, kann die Turbine unabhängig von der Geschwindigkeit
des strömenden
Mediums gestartet und angehalten werden, ohne dadurch einen Ausfall
der Vorrichtung zu verursachen.
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Die
schwenkbare Bewegung der Blattprofile 5 mit ihrem Steuerungssystem
ermöglicht
eine Stellung der Blattprofile 5, die die Turbine im Stillstand hält, um Reparatur-
und Instandhaltungsarbeiten zu ermöglichen.
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Die
Blattprofile 5 versetzen die scheibenförmige Tragkonstruktion 13 in
Drehung mit begrenzter Geschwindigkeit, vorzugsweise zwischen 5
und 60 U/min., insbesondere vorzugsweise zwischen 5 und 20 U/min.
Die Drehgeschwindigkeit kann durch die Stellung der Blattprofile 5 in
der Strömung
gesteuert werden.
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Die
Menge der von der Turbine erzeugten Kraft ist abhängig von
der Höhe,
der Breite und der Länge
der Blattprofile 5 sowie von der Strömungsgeschwindigkeit. Blattprofile 5 niedriger
Geschwindigkeit sind konvexer und haben eine größere Fläche im Vergleich zu solchen
hoher Geschwindigkeit. Die Oberfläche muss so beschaffen sein,
dass laminare Strömung
des Mediums unterstützt
wird.
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Die
maximale Ausbeute der Turbine wird am besten durch Verwendung eines
Steuerungsprogramms, vorzugsweise eines elektronischen Steuerungsprogramms,
zum Schwenken der Blattprofile in die günstigste Stellung erreicht,
wobei die bestmögliche
Kombination aus Geschwindigkeit und Kraft zu berücksichtigen ist.
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Die
Verwirbelung von dem freien Ende 9 des Blattprofils 5 wird
eine Reduzierung der theoretischen Ausbeute der Turbine ergeben.
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Die
Ausbeute von der Turbine 2 ist nicht abhängig von
der Richtung der Strömung,
solange diese nicht zu sehr von der Lotrechten an der Hauptwelle
der Turbine 2 abweicht.
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Die
vorliegende Erfindung wird für
eine vertikale Lage in einer Wasserströmung beschrieben, wird jedoch
ebenso in einer horizontalen Lage und in anderen Strömungen,
wie zum Beispiel Wind u. s. w., funktionsfähig sein.
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Der
Gleichstromgenerator 7 ist immer stationär. Die Welle
der Turbine kann sich in einer vertikalen Lage, jedoch ebenso in
einer horizontalen Lage befinden. Wenn die Turbine in Wasser genutzt
werden soll, wird sie an einer verankerten und schwimmenden Bau einheit
oder an einer auf dem Meeresboden befestigten Baueinheit befestigt.
Die Welle der Turbine kann an allen Seiten der Baueinheit angebracht
werden. Wenn die Turbine in Luft verwendet werden soll, wird sie
an einem Fundament, einem Sockel oder gleichwertigem befestigt.
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Eine
erfindungsgemäße Turbine
ist geeignet für
den Anbau an mit dem Flussbett, dem Meeresboden oder der Küste verankerten
schwimmenden oder versenkten Baueinheiten. Geeignete schwimmende Baueinheiten
sind Trägerpontons,
Schwimmkörper, Flöße, Boote,
Schuten, Verankerungen, „halbversenkte" Konstruktionen,
Tension-Leg-Plattformen und
Sonderkonstruktionen. Die Turbine kann auch an ortsgebundenen Konstruktionen
angebaut werden, wie zum Beispiel an Mänteln, an GBS-Piers, and Unterwasserkonstruktionen,
und sie kann aus Beton, aus GUP-Material (faserverstärktem ungesättigtem Polyesterharz),
aus Stahl oder aus anderen Metallen gefertigt werden. Diese ortsfesten
Konstruktionen können
auch Sonderkonstruktionen sein.
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Der
Bau der Turbine ermöglicht
große
und kleine Baueinheiten. Die Turbine kann als Einzelmaschine oder
als Mehrfacheinheit, in einem Muster für optimale Ausnutzung der verfügbaren Strömung, installiert
werden. Die Anlagen können
errichtet und angeordnet werden, ohne dass das Landschaftsbild wesentlich
beeinträchtigt
wird. Die Turbine kann im Meer, unter der Wasseroberfläche, installiert
werden und stellt somit keine Sichtbeeinträchtigung oder Behinderung des
Wassertransportes dar. Ähnliche
Installationsverfahren gelten für
Flüsse
und Meere.