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Die
Erfindung betrifft Energieerzeugungsmittel, insbesondere Erzeugungsmittel,
die dazu eingerichtet sind, die kinetische Energie des Windes in eine
andere Energieform, wie beispielsweise mechanische oder elektrische
Energie, umzuwandeln.
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Es
sind von Wind angetriebene Darrieus-Generatoren bekannt, die mit
zwei oder mehr Flügeln ausgestattet
sind, die sich um eine Welle erstrecken, die vertikal angeordnet
ist. Die Flügel,
die aus Gründen
zum Verringern der Trägheit
im Inneren hohl sein können,
sind durch den sie beaufschlagenden Wind drehbar und drehen wiederum
den Rotor eines Stromgenerators, der die kinetische Energie des Windes
in elektrische Energie überführt.
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Ein
windangetriebener Darrieus-Generator gemäss dem Stand der Technik ist
aus
US 5 499 904 bekannt.
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Generatoren
gemäss
dem Stand der Technik mit einer vertikalen Achse haben einen Nachteil,
der mit deren verhältnismäßig niedriger
Ineffizienz verbunden ist, was deren Einsatzmöglichkeiten merklich einschränkt.
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Ein
weiterer Nachteil der Generatoren gemäss dem Stand der Technik beruht
auf der Schwierigkeit beim Ingangsetzen, der bei geringen Windgeschwindigkeiten
auftritt: Wenn die Windstärke
zu niedrig ist, um die Flügel
durch Überwinden
des Luftwiderstandes zu drehen, ist es praktisch unmöglich, herkömmliche
Darrieus-Generatoren anlaufen zu lassen.
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Ein
Ziel der Erfindung liegt darin, die Energieerzeugungsmittel, insbesondere
die Erzeugungsmittel, die zum Umwandeln der kinetischen Energie des
Windes in eine andere Energieform eingerichtet sind, zu verbessern.
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Ein
weiteres Ziel der Erfindung liegt darin, die Effizienz von Energieerzeugungsmitteln
auf der Grundlage des Standes der Technik zu verbessern.
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Noch
ein weiteres Ziel der Erfindung ist darin zu sehen, Energieerzeugungsmittel,
insbesondere des windangetriebenen Typs, zu schaffen, die sehr einfach
betätigt
werden können,
auch wenn der Wind mit verhältnismäßig niedrigen
Geschwindigkeiten bläst.
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Gemäss der Erfindung
ist ein Energieerzeugungsmittel, insbesondere des windangetriebenen Typs,
bereitgestellt, das zwei Flügel
aufweist, die drehbar sind, wobei die Flügel innenseitig mit Kanalmitteln
ausgestattet sind, das dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Verteilungsmittel
vorhanden ist, wobei das Verteilungsmittel dazu eingerichtet ist,
die Kanalmittel mit einem von einer externen Umgebung herrührenden
Fluid zu speisen und in einer vorbestimmten Zirkulationsrichtung
zirkulieren zu lassen.
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Bei
einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel weisen
die Flügel
Düsenmittel
auf, die so angeordnet sind, um dem Fluid das Fliessen aus den Kanälen heraus
in die externe Umgebung zu gestatten.
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Gemäss der Erfindung
ist es möglich,
den Wirkungsgrad des Energieerzeugungsmittels, insbesondere in der
Gestalt des windangetriebenen Typs, insoweit zu verbessern, dass
zusätzlich
zu der Antreibwirkung des Windes, der die Flügel unmittelbar beaufschlagt
und diese zum Drehen bringt, wie es bei herkömmlichen windangetriebenen
Generatoren geschieht, die Wirkung einer Superzirkulation des Fluids
vorhanden ist. Dieses Fluid verlässt
die Kanalmittel durch die Düsenmittel,
nachdem es über
die Verteilungsmittel in das Kanalmittel eingetreten ist, und haftet
aufgrund des Coanda-Effekts an den aerodynamischen Profilen der
Flügel
an. Dies gestattet ein Erhöhen
der Hebekraft der Flü gel
und demzufolge ein Erhöhen
des durch das energieerzeugende Mittel erzeugten Antriebsdrehmoments.
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Bei
einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel umfasst das
Erzeugungsmittel weiterhin ein Mittel zum Verbessern der Strömung, das
innerhalb der Flügel
angeordnet ist, um dem Fluid ein einfaches Ausströmen durch
die Düsenmittel
zu gestatten.
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Weiterhin
weist das Strömungsverbesserungsmittel
einen kreisförmigen
Querschnitt auf und ist aus einem Material mit einem sehr niedrigen
Reibungskoeffizienten, insbesondere Polytetrafluorethylen, hergestellt.
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Aufgrund
der Gestalt und des Materiale des Strömungsverbesserungsmittels kann
das Fluid ohne einen hohen Widerstand ausströmen, der zu beeinträchtigenden
Energieverlusten führen
würde.
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Bei
einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel weist das Erzeugungsmittel
ein strömungsförderndes
Mittel auf, das innerhalb der Flügel angeordnet
ist, um das Fluid in Richtung auf Teile der Düsenmittel zu lenken, die in
unterschiedlichen Höhen
angeordnet sind.
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Das
strömungsfördernde
Mittel gestattet ein Minimieren der Bahnunregelmäßigkeiten, die das Fluid in
Richtung des innerhalb der Flügel
angeordneten Düsenmittels
lenken. Weiterhin gestattet es dem Düsenmittel, in einer im Wesentlichen
gleichförmigen
Art und Weise über
dessen gesamte Ausdehnung, das heißt bei welcher Höhe auch
immer das Düsenmittel
angeordnet ist, beaufschlagt zu werden.
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Bei
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weisen
die Flügel
ein Wandmittel auf, das es ermöglicht,
bei dem Kanalmittel ein äußeres Kanalmittel und
ein inneres Kanalmittel zu bilden.
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Das
Fluid wird vorzugsweise in das innere Kanalmittel eingeführt, wenn
dieses zu einer Ursprungsrichtung des Fluids weist, und wenn das
innere Kanalmittel so angeordnet ist, dass das Wandmittel im Wesentlichen
in rechten Winkeln zu der Ursprungsrichtung angeordnet ist.
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Weiterhin
wird das Fluid vorzugsweise in das äußere Kanalmittel eingeführt, wenn
dieses der Ursprungsrichtung des Fluids gegenüberliegt und wenn das äußere Leitungsmittel
so angeordnet ist, dass das Wandmittel im Wesentlichen in rechten
Winkeln zu der Ursprungsrichtung des Fluids angeordnet ist.
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Aufgrund
des Verteilungsmittels können
das äußere Kanalmittel
und das innere Kanalmittel entsprechend der in Bezug auf die Ursprungsrichtung des
Fluids eingenommenen Position der Flügel selektiv gespeist werden,
das heißt
in Bezug auf die Richtung, aus der der Wind bläst. Dies gestattet eine Änderung
der laminaren Grenzschicht außerhalb
der Flügel
derart, dass der Wirkungsgrad des energieerzeugenden Mittels wesentlich
verbessert ist.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Version weist das Verteilungsmittel ein
radiales Teilermittel auf, das dazu eingerichtet ist, innerhalb
des Verteilermittels ein Sektormittel zu bilden.
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Bei
einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel
verfügt
das Sektormittel über
ein erstes Sektormittel und über
ein zweites Sektormittel.
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Das
erste Sektormittel ist vorteilhafterweise außenseitig durch einen Teil
einer zylinderartigen Oberfläche
und innenseitig durch einen Teil einer gekrümmten Oberfläche begrenzt.
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Weiterhin
vorteilhafterweise ist das zweite Sektormittel innenseitig durch
einen weiteren Abschnitt der gekrümmten Oberfläche und
außenseitig von
einem Abschnitt einer kegelstumpfartigen Oberfläche begrenzt.
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Die
besondere Geometrie der Oberflächen, die
das erste Sektormittel und das zweite Sektormittel begrenzen, erleichtert
das Einführen
des Fluids in das Leitungsmittel und verringert Beschickungsverluste.
Der Wirkungsgrad des Energieerzeugungsmittels ist damit weiter erhöht.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Version weist das Erzeugungsmittel weiterhin
ein Gebläsemittel auf,
das dazu eingerichtet ist, das Fluid in das Verteilungsmittel hinein
zu fördern.
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Aufgrund
des Gebläsemittels
können
die Anlaufschwierigkeiten des Erzeugungsmittels überwunden werden, auch wenn
der Wind nicht sehr intensiv ist. In der Tat gestattet das Gebläsemittel,
unter Druck gesetztes Fluid innerhalb des Kanalmittels zu fördern, und
dieses Fluid verursacht, dass sich die Flügel drehen, wobei dadurch der
Luftwiderstand überwunden
wird, auch wenn die geringe Windintensität allein nicht ausreichend
wäre, die
Flügel
für eine Drehung
anzutreiben.
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Die
Erfindung ist besser verständlich
und wird mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen ausgeführt, die
einige beispielhafte und nicht einschränkende Ausführungsbeispiele davon zeigen,
wobei
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1 eine
perspektivische Explosionsansicht eines Energieerzeugungsmittels
gemäss
der Erfindung ist,
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2 eine
perspektivische Ansicht von oben auf einen unteren Teil des Erzeugungsmittels
gemäss 1 ist,
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3 ein
ausschnittsweiser und unterbrochener Schnitt eines oberen Abschnitts
des Erzeugungsmittels gemäss 1 entlang
einer die Z-Achse enthaltenden vertikalen Ebene ist,
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4 ein
Halbschnitt entlang der Ebene IV-IV von 3 ist,
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5 eine
unterbrochene perspektivische Ansicht eines Verbindungsbereiches
zwischen den Flügeln
und der Welle ist, mit denen das Erzeugungsmittel gemäss 1 ausgestattet
ist,
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6 eine
perspektivische Ansicht des Verteilungsmittels ist, mit dem das
Erzeugungsmittel gemäss 1 ausgestattet
ist,
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7 ein
schematischer Schnitt entlang einer die X-Achse von 1 enthaltenden
horizontalen Ebene ist,
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8 ein
vergrößerter Querschnitt
einer der Flügel
gemäss 7 ist
und
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9 ein
ausschnittsweiser schematischer Schnitt eines sich in einer Ebene
erstreckenden Flügels
ist, wobei dieser Schnitt entlang der Ebene IX-IX an 7 gelegt
ist.
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1 und 2 zeigen
einen windangetriebenen Darrieus-Generator 1, der mit einer
Welle 2 ausgebildet ist, die sich um eine vertikale Achse
Z erstreckt, an der zwei einander diametral gegenüberliegende
Flügel 3 angebracht
sind. Die Flügel 3 verzweigen
sich an der Oberseite von der Welle 2 in einem Verbindungsbereich 4 und
sind an der Unterseite an einer Platte 5, die mit der Welle 2 verbunden
ist, entsprechend der typischen Anordnung von Darrieus-Rotoren angebracht.
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Wie
genauer in 3, 4, 5 und 7 dargestellt,
sind die Flügel 3 innenseitig
hohl, und jeder ist mit einer innenseitigen Wand 30 ausgebildet,
die in jedem Flügel 3 einen äußeren Kanal 6 und
einen inneren Kanal 7 bildet, die jeweils an der äußeren und
an der inneren Seite der Flügel 3 in
Bezug auf die vertikale Achse Z angeordnet sind. Nahe des Verbindungsbereiches 4 sind
die Flügel 3 entsprechend
einer halbkreisförmigen
kuppelartigen Geometrie ausgebildet und somit miteinander entlang
eines geraden Abschnittes 31 verbunden. Die äußeren Kanäle 6 und
die inneren Kanäle 7 jedes Flügels 3 stehen
mittels zugeordneter äußerer Düsen und
innerer Düsen 9,
beispielsweise Schlitzdüsen, die
an dem außenseitigen
Rand 10 der Flügel 3 in Bezug
auf die Drehrichtung der Flügel 3,
die durch den Pfeil F dargestellt ist, angeordnet sind, mit der äußeren Umgebung
in Verbindung.
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Wie
in 8 dargestellt, sind die äußeren Düsen 8 und die inneren
Düsen 9 nahe
des Auslassrandes 10 jedes Flügels 3 durch ein Strömungsverbesserungsmittel
begrenzt, wobei ein Teil 32 mit kreisförmigem Querschnitt aus einem
Material mit einem geringen Reibungskoeffizienten, wie beispielsweise
Polytetrafluorethylen (Teflon), hergestellt ist. Der von scharfen
Kanten freie Querschnitt und das Material für das Teil 32 mit
einem geringen Reibungskoeffizienten erleichtert den Durchtritt
von Luft durch die äußeren Düsen 8 und
die inneren Düsen 9 in Richtung
der außenseitigen
Umgebung.
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Das
außenseitige
Profil 33 der Flügel 3 ist vorzugsweise
aus einem glasfaserverstärkten
Kunststoff oder aus einem kohlenfaserverstärkten Kunststoff hergestellt,
um gute mechanische Eigenschaften, insbesondere Festigkeit, mit
einer geringen Trägheit
zu verbinden. Die innenseitige Wand 30 kann aus einer kleinen
Metall- oder Kunststoffplatte hergestellt werden.
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Wie
in 9 dargestellt, ist in den Flügeln 3 ein strömungsförderndes
Mittel vorhanden, das eine Anzahl von gekrümmten Platten 34 mit
einer in Draufsicht geometrischen Gestalt aufweist, die in etwa
die Form eines kreisförmigen
Bogens mit einem konkaven Teil hat, der in Richtung des Einlasses
der Luftströmung
weist. Jede Platte 34 weist einen Verbindungsbereich 35,
der nahe des Teiles 32 mit kreisförmigem Querschnitt angeordnet
ist, und einen Endbereich 36 auf.
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Die
Platten 34 haben Abmessungen, die in Drehrichtung F2 der
Luft zunehmend größer werden, so
dass bei Eintritt einer Luftströmung
während
deren Weg innerhalb der Flügel 3 zuerst
die Platten 34 mit Endbereichen 36 beaufschlagt
werden, die verhältnismäßig nahe
des Teiles 32 im kreisförmigen
Querschnitt sind, und nachfolgend Lamellen 34 mit Endbereichen 36,
die zu dem Teil 32 weiter entfernt sind, beaufschlagt werden.
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Somit
ist die Eintrittsluftströmung
in eine Anzahl von durch Pfeile F5 angedeutete Strömungen unterteilt,
die aus dem Flügel 3 aufgrund
der voneinander abweichenden Abmessungen der Lamellen 34 in
unterschiedlichen Höhen
ausströmen.
Insbesondere sind die Anteile eines nahe des Teiles 32 im kreisförmigen Querschnitt
liegenden Eintrittsstromes durch die Lamellen 34 mit kleineren
Abmessungen geführt,
das heißt
durch die ersten Lamellen 34, die der Luftstrom bei Eintritt
in die Flügel 3 beaufschlagt, und
sie sind daher die ersten, die in verhältnismäßig großen Höhen aus den Flügeln 3 ausströmen.
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Andererseits
sind die von den Teilen 32 mit einem kreisförmigen Querschnitt
entfernt liegenden Anteile des Eintrittsstromes, die nicht mit den
Platten 34 mit kleineren Abmessungen Wechselwirken, durch
die letzten Platten 34, die den Luftstrom in den Flügeln zur
Drehung bringen, das heißt
nur durch die Platten 34 von größeren Abmessungen und demzufolge
den letzten zum Aus strömen
aus den Flügeln 3 bei
verhältnismäßig geringen
Höhen,
geführt.
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Die
gekrümmten
Platten 34 führen
zu einer gleichförmigen
Verteilung des Luftstromes innerhalb der Flügel 3, wodurch sichergestellt
ist, dass die Luft durch die gesamte Erstreckung der äußeren Düsen 8 und
der inneren Düsen 9 unabhängig von
deren Höhe
durchtritt.
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Oberhalb
der Flügel 3 ist
ein Verteilungsmittel 11 angeordnet, das einen zylinderförmigen Aufnahmekörper 13 und
einen Zentralkörper 12 aufweist,
der an einem Lufteinlassanschluss 14 angebracht ist. Dieser
kann mittels eines Ruders 15, das heißt einer aerodynamischen Oberfläche, die
sich selbständig
parallel zu der Windrichtung ausrichtet, in Richtung des Windes
ausgerichtet werden, so dass die Luft direkt in den Lufteinlassanschluss 14 eintritt.
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In
Strömungsrichtung
vor dem Verteilungsmittel 11 ist ein Gebläse 16 eingefügt, das
durch ein nicht dargestelltes Antriebsmittel angetrieben und dazu
eingerichtet ist, Luft in das Verteilungsmittel 11 und
demnach in die in den Flügeln 3 ausgebildeten äußeren Kanäle 6 sowie
inneren Kanäle 7 zu
fördern.
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In
Abhängigkeit
der Windbedingungen kann das Gebläse 16 bei verschiedenen
Geschwindigkeiten oder überhaupt
nicht betrieben werden. Das Gebläse 16 gestattet
einen unterbrechungsfreien Betrieb des Generators 1, auch
wenn die Windgeschwindigkeit gering ist oder wenn Windböen mit hoher
Geschwindigkeit von windstillen Zeiträumen gefolgt werden. Weiterhin
gestattet das Gebläse 16 den Betrieb
des Generators 1, auch wenn mit geringen Geschwindigkeiten
blasender Wind selbst nicht ausreichend wäre, um den Luftwiderstand zu überwinden
und die Flügel 3 zu
drehen.
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Der
Aufbau des Verteilungsmittels 11 ist im Detail in 3 und 6 dargestellt.
Es ist ersichtlich, dass innerhalb des Behälterkörpers 13, der eine im
Wesentlichen hohlzylinderartige Gestalt hat, der Zentralkörper 12 angeordnet
ist, der mit einer Zentralöffnung 17 für den Durchtritt
der Welle 2 ausgebildet ist. Von der Zentralöffnung 17 gehen
zwei einander diametral gegenüberliegende
Unterteilungen 18 ab, die innerhalb des Verteilungsmittels 11 einen
ersten Sektor 20a und einen zweiten Sektor 20b bilden, die
beide in der Richtung der zirkulierenden Luft, wie durch die Pfeile
F2 dargestellt, konvergieren. Sowohl der erste Sektor 20a als
auch der zweite Sektor 20b haben in Draufsicht die Gestalt
einer halbkreisförmigen
Kuppel. Der erste Sektor 20a ist außenseitig durch den Behälterkörper 13 und
innenseitig durch einen Abschnitt einer gekrümmten Oberfläche 21 begrenzt,
die sich von der Zentralöffnung 17 erstreckt. Der
zweite Sektor 20b ist innenseitig durch einen weiteren
Abschnitt einer gekrümmten
Oberfläche 22, die
sich von der Zentralöffnung 17 erstreckt,
und außenseitig
durch einen Abschnitt einer kegelstumpfartigen Oberfläche 23 gebildet,
die sich von dem Gehäusebehälter 13 erstreckt.
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Die
Geometrie der Oberflächen,
die den ersten Sektor 20a und den zweiten Sektor 20b begrenzen,
und insbesondere die Geometrie des Abschnittes einer gekrümmten Oberfläche 21,
des weiteren Abschnittes einer gekrümmten Oberfläche 22 und
des Abschnittes einer kugelstumpfartigen Oberfläche 23 gestattet den
Durchtritt von Luft von dem Verteilungsmittel 11 zu den äußeren Kanälen 6 und
den inneren Kanälen 7 der
Flügel 3 in
optimierter Art und Weise, um Druckabfälle zu optimieren.
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Der
erste Sektor 20a und der zweite Sektor 20b schließen in Richtung
der durch Pfeile F2 angedeuteten Luftzirkulation jeweils mit einem
ersten Auslassabschnitt 19a und mit einem zweiten Auslassabschnitt 19b ab,
die so bemessen sind, dass sie mit den Eintrittsbereichen 24 der äußeren Kanäle 6 und mit
den weiteren Eintrittsbereichen 25 der in den Flügeln 3 ausgebildeten
inneren Kanäle 7 zusammenfallen.
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Im
Betrieb richtet sich das Ruder 15 eigenständig in
der Richtung des Windes aus, was durch den Pfeil F1 angedeutet ist,
so dass der Lufteinlassanschluss 14, der dem Ruder 15 gegenüberliegt,
unmittelbar die durch den Wind bewegte Luft aufnimmt. Der Zentralkörper 12 des
Verteilungsmittels 11, das dasjenige mit dem Lufteinlassanschluss 14 und
somit dem Ruder 15 ist, ist dementsprechend mit den radialen
Unterteilungen 18 rechtwinklig zu der Windrichtung F1 ausgerichtet.
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Die
winkelmässige
Anordnung des Verteilungsmittels 11 ist weiterhin so eingerichtet,
dass während
der Drehung um die vertikale Achse Z bei Anordnung der Flügel 3 mit
den inneren Wänden 30 im
Wesentlichen rechtwinklig zu der Windrichtung F1 das Verteilungsmittel 11 mittels
des zweiten Sektors 20b lediglich den inneren Kanal 7 des
Flügels 3,
der windwärts
dem Wind zugewandt ist, das heißt
auf der Seite, aus der der Wind bläst, und mittels des ersten Sektors 20a lediglich
den äußeren Kanal 6 des
Flügels 3 speist,
der mit dem Wind ist, das heißt
auf der Seite, die die gegenüberliegende
Seite zu der Seite ist, aus der der Wind bläst.
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Mit
anderen Worten, jedes Mal, wenn die Flügel 3 während der
Drehung um die Z-Achse eine Konfiguration erreichen, in der die
inneren Wände 30 der
Flügel
im Wesentlichen unter rechten Winkeln zu der Windrichtung F1 angeordnet
sind (eine Konfiguration, bei der es möglich ist, die dem Wind innewohnende
kinetische Energie vollständig
auszunutzen), wird die Luft, die durch den Lufteinlassanschluss 14 eintritt,
in zwei Ströme
F3 und F4 aufgeteilt, die aufgrund der speziellen Ausgestaltung
des Verteilungsmittels 11 jeweils von den inneren Düsen 9 des
Flügels 3,
der windwärts
dem Wind zugewandt ist, und von den äußeren Düsen 8 des Flügels 3,
der windabgewandt ist, auszuströmen.
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Die
die Flügel 3 verlassenden
Ströme
F3 und F4 verändern
die laminare Grenzschicht nahe des aerodynamischen Profils der Flügel, wodurch
der Wirkungsgrad des windangetriebenen Generators 1 gesteigert
wird.