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Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Windkraftanlage für den urbanen Bereich.
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Eine Windkraftanlage umfasst einen Rotor und einen Generator. Der Rotor ist dazu eingerichtet, von Wind in einer Umgebung in Drehung versetzt zu werden und der Generator ist dazu eingerichtet, aufgrund der Drehung elektrische Energie bereitzustellen. Eine optionale Steuervorrichtung kann die bereitgestellte Energie steuern, um beispielsweise eine Drehzahl des Rotors zu beeinflussen oder die elektrische Energie so aufzubereiten, dass sie in ein Energieversorgungsnetzwerk eingespeist werden kann.
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Eine übliche Windkraftanlage kann groß sein und eine Höhe von 200 m und mehr erreichen. Eine solche Anlage kann sinnvoll nur auf einer freien Fläche oder im Meer aufgestellt werden, ein Einsatz nicht im urbanen Raum ist kaum möglich.
DE 10 2020 000 063 B4 schlägt für einen urbanen Raum eine Windkraftanlage mit einem Rotor vor, der sich um eine vertikale Achse dreht und die an einem Gebäude oder einer ähnlichen Struktur angebracht werden kann.
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Eine der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe besteht in der Angabe einer verbesserten Technik zur Bereitstellung elektrischer Energie auf der Basis von Wind, die insbesondere im urbanen Raum angewendet werden kann. Die Erfindung löst diese Aufgabe mittels der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.
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Nach einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst eine Windkraftanlage einen ersten Rotor, der um eine erste vertikale Drehachse drehbar gelagert ist; einen zweiten Rotor, der um eine zweite vertikale Drehachse gelagert ist; wobei die Rotoren nebeneinander liegen; ein Leitelement mit einem V-förmigen Abschnitt, um horizontalen Wind in einen ersten Luftstrom zum ersten Rotor und einen zweiten Luftstrom zum zweiten Rotor aufzuteilen; und einen Generator, der von einem der Rotoren angetrieben werden kann.
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Die Windkraftanlage kann einfach und kompakt aufgebaut sein. Die Rotoren können auf derselben vertikalen Höhe angebracht sein. Durch die Anordnung der Rotoren kann die Windkraftanlage bezüglich einer horizontalen Belastung durch Wind und/oder bezüglich einer vertikalen Belastung durch Schwerkraft gut ausgewogen sein. Die Windkraftanlage kann vorteilhaft in einem urbanen Gebiet, beispielsweise in einer Stadt, einem Wohngebiet oder nahe einer Sport- oder Freizeiteinrichtung eingesetzt werden. Dadurch kann ein wertvoller Beitrag zur dezentralen und nachhaltigen Bereitstellung elektrischer Energie geleistet werden. Die Windkraftanlage kann nur wenige bewegte Teile umfassen und leicht zu warten sein. Für ihren Aufbau können Standardteile verwendet werden, die kostengünstig und auch in größeren Stückzahlen verfügbar sein können.
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Bevorzugt ist ein Rotor gegenüber dem Leitelement gelagert. Das Leitelement kann gleichzeitig als struktureller Träger genutzt werden. Durch die Belegung des Leitelements mit mehreren Funktionen kann die Windkraftanlage weiter einfach und kostengünstig erstellt werden.
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Das Leitelement kann einstückig aus einem Flachmaterial herstellbar sein. Das Flachmaterial kann insbesondere ein Blech umfassen. Weiter bevorzugt weist das Leitelement entlang seiner horizontalen Erstreckung eine im Wesentlichen einheitliche Höhe auf. Das Leitelement kann beispielsweise aus einer Tafel oder einem Rollenmaterial kostengünstig und mit nur geringem Verschnitt herstellbar sein.
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Alternativ kann zur Herstellung des Leitelements auch ein Kunststoff verwendet werden, der bevorzugt mittels Fasern verstärkt ist. Die Verstärkung kann beispielsweise eine Matte mit Kohlenstoff-, Glas- oder Aramidfasern umfassen. Der Kunststoff kann beispielsweise Epoxyd oder Polyester umfassen und in flüssiger oder pastöser Form zusammen mit der Matte verarbeitet und dann ausgehärtet werden.
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In einer Ausführungsform können hoch belastete Stellen, beispielsweise eine Abschlusskante oder ein Ein- oder Auslauf für Luft zu oder von einem Rotor, mit einem Streifen Flachmaterial verstärkt werden. Dazu kann ein Verschnitt bei der Erstellung des Leitelements eingesetzt werden. Ein solches Element kann mittels Nieten, Löten oder Schweißen, insbesondere Punktschweißen, mit dem Leitelement verbunden werden. Beispielsweise kann Im Bereich des Lufteinlasses eines Rotors das Führungselement oben oder unten jeweils eine Lasche aufweisen, die mit dem Beginn des Kreisbogens vernietet ist.
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Enden des V-förmigen Abschnitts laufen weiter bevorzugt in Ummantelungen der Rotoren aus. So können die Rotoren gekapselt sein, sodass ein Fremdkörper weniger leicht in den Bereich des Rotors eindringen kann. Die Rotoren können verbessert wartungsarm betrieben werden und eine Unfallgefahr kann verringert sein. Außerdem können durch die Ummantelung Strömungsverhältnisse am Rotor verbessert sein, sodass eine Ausbeute an mechanischer Energie vergrößert sein kann.
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Eine Ummantelung kann im Bereich eines Endes des V-förmigen Abschnitts unvollständig geschlossen sein, um Wind in den Bereich des Rotors einzulassen. So kann zwischen dem V-förmigen Abschnitt und dem Ende ein vertikaler Spalt oder Schlitz bestehen, durch den Wind in den Bereich des Rotors eintreten kann. Die Ummantelung kann dabei vorteilhaft als Trichter fungieren, um vermehrt Wind zum Rotor zu leiten. Optional kann ein Ende des Leitelements gegenüber dem V-förmigen Abschnitt abgestützt sein, beispielsweise mittels einer Strebe oder eines Gitters, um der Ummantelung zusätzliche Stabilität zu verleihen.
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Eine Ummantelung kann einen Ausschnitt zum Austritt von Wind aufweisen. Der Ausschnitt liegt bevorzugt einer Eintrittsöffnung für Wind im Wesentlichen gegenüber. Weiter bevorzugt verläuft eine Verbindung zwischen der Eintrittsöffnung (dem Einlauf) und der Austrittsöffnung (dem Auslauf) nicht über die Drehachse des Rotors, sodass Wind durch die Eintrittsöffnung eintreten, im Wesentlichen tangential auf den Rotor treffen und durch die Austrittsöffnung wieder austreten kann. Ein Winkel, auf dem der Rotor im Wind wirksam ist, kann beispielsweise ca. 30 - 80° betragen. Um das Leitelement einstückig ausführen zu können ist bevorzugt, dass der Ausschnitt das Leitelement nur in einem oder mehreren vertikalen Abschnitten durchbricht. Insbesondere an einem oberen und/oder unteren Ende des Leitelements kann ein Steg des Materials verbleiben.
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Prinzipiell kann jede Art Rotor verwendet werden, die eine Ausnutzung von tangential strömendem Wind erlaubt. Ein Rotor kann beispielsweise nach Art eines Savonius-Rotors ausgeführt sein. Dabei kann der Rotor in vertikaler Richtung gerade oder nach Art einer Helix geführt sein. Alternativ kann auch zum Beispiel ein Darrieus-Rotor in gerader oder helixförmiger Bauweise verwendet werden.
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Darüber hinaus kann am Leitelement ein Lager angebracht sein, um das Leitelement um eine weitere vertikale Drehachse drehbar zu lagern. Die weitere vertikale Drehachse verläuft bevorzugt parallel zu den Drehachsen der Rotoren. Ein dem Wind zugewandtes Ende des Leitelements und die Rotoren sind dabei bevorzugt auf verschiedenen Seiten der Drehachse angeordnet. Das Ende und die Drehachsen der Rotoren können ein gleichschenkliges Dreieck bilden, auf dessen Mittellinie die Drehachse des Leitelements liegen kann. Durch das Lager kann sich die Windkraftanlage automatisch in den Wind ausrichten, sodass eine optimale Ausnutzung zur Verfügung stehender Energie möglich ist. Eine zusätzliche Steuerung der Ausrichtung um die Hochachse kann nicht erforderlich sein. Ein Drehwinkel zwischen der Windkraftanlage und einer Struktur, an der die Anlage befestigt ist, kann auf einen Teil von 360° beschränkt sein. Elektrische Energie, die durch einen Generator an einem Rotor bereitgestellt wird, kann mittels eines flexiblen Kabels an die Struktur übermittelt werden. Eine komplexe Anordnung wie ein Schleifring oder eine induktive Übertragung kann nicht erforderlich sein.
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Die Windkraftanlage kann ein Rohr umfassen, das zwischen Schenkeln des V-förmigen Abschnitts vertikal verläuft; wobei das Lager in dem Rohr angebracht ist. Das Rohr kann fest mit dem Leitelement verbunden sein, insbesondere Stoffschlüssig, beispielsweise mittels Kleben, Löten oder Schweißen. In einer Ausführungsform kann das Rohr einstückig mit dem Leitelement ausgeführt sein.
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Die Windkraftanlage ist bevorzugt dazu eingerichtet, an einer freistehenden vertikalen Struktur angebracht zu werden. Eine solche Struktur kann durch das Rohr verlaufen und das Lager kann die Windkraftanlage gegenüber der Struktur drehbar lagern. Die Struktur kann beispielsweise einen Mast, eine Säule oder eine Stütze umfassen. Die Windkraftanlage kann nur einen begrenzten Strömungswiderstand gegenüber dem Wind aufweisen, sodass viele bestehenden Strukturen mit der vorgeschlagenen Anlage ausgestattet werden können, ohne dass ihre Standfestigkeit beeinträchtigt wäre.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst eine Straßenlaterne einen Mast mit einer hierin beschriebenen Windkraftanlage; sowie eine Leuchte am oberen Ende des Masts. Die Straßenlaterne kann zum Betrieb der Leuchte an ein Energieverteilungsnetz angeschlossen sein. Elektrische Energie, die durch die vorgestellte Windkraftanlage bereitgestellt wird, kann in dieses Netz eingespeist werden. Alternativ kann die leuchte direkt mittels Energie der Windkraftanlage betrieben werden. Weiter alternativ kann die bereitgestellte Energie in einem lokalen Energiespeicher gespeichert werden, beispielsweise um die Leuchte aus dem Energiespeicher zu betreiben.
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Die Erfindung wird nun unter Bezug auf die beiliegenden Figuren genauer beschrieben, in denen:
- 1 eine Windkraftanlage an einer freistehenden vertikalen Struktur;
- 2 einen horizontalen Schnitt durch eine Windkraftanlage; und
- 3-5 ein Leitelement für eine Windkraftanlage in weiteren Ansichten
darstellt.
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1 zeigt eine Windkraftanlage 100 an einer freistehenden vertikalen Struktur 105, die vorliegend eine Straßenlaterne 105 umfasst. Die Straßenlaterne 105 kann beispielsweise in einem urbanen Gebiet, etwa in einem Industrie- oder Wohngebiet, an einem Platz oder einer Sportanlage oder auch entlang einer Landstraße angebracht sein. Die Straßenlaterne 105 umfasst einen Mast 110 mit einem vertikalen Abschnitt, an dem die Windkraftanlage 100 angebracht ist. Oberhalb der Windkraftanlage 100 kann der Mast fortgesetzt sein und an einem entfernten Ende eine Leuchte 115 tragen, die üblicherweise dazu eingerichtet ist, einen Bereich um den Mast 110 zu erhellen.
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Die Straßenlaterne 105 kann an ein Energieversorgungsnetzwerk 120 angeschlossen sein, das bevorzugt unterirdisch verläuft. Eine Steuerung der Leuchte 115 erfolgt weiter bevorzugt separat von der Energieversorgung, beispielsweise autark oder mittels einer Signalisierung, die zum Beispiel drahtlos oder als Powerline ausgeführt sein kann.
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In einer Ausführungsform ist der Mast 110 teilbar, um ein Aufsetzen der Windkraftanlage 100 zu erleichtern. Bevorzugt wird die Windkraftanlage 100 auf einen unteren Abschnitt des Masts 110 aufgesetzt. Ein oberer Abschnitt mit der Leuchte 115 kann anschließend wieder mit dem unteren Abschnitt verbunden werden.
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2 zeigt einen horizontalen Schnitt durch eine Windkraftanlage 100 in einer schematischen Darstellung. Die Windkraftanlage 100 umfasst einen ersten Rotor 205, der um eine erste vertikale Drehachse 210 drehbar ist, und einen zweiten Rotor 215, der um eine zweite vertikale Drehachse 215 drehbar ist. Die Drehachsen 210, 220 verlaufen bevorzugt parallel und weiter bevorzugt in vertikaler Richtung. Die Rotoren 205, 215 können beispielsweise als Savonius- oder Darrieus-Rotoren ausgebildet sein. Die Rotoren 205, 215 können in gleicher vertikaler Höhe auf unterschiedlichen Seiten eines Masts 110 angebracht sein und ein Rotorenpaar bilden.
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Oberhalb oder unterhalb eines Rotors 205, 215 kann jeweils ein Generator 225 vorgesehen sein, der dazu eingerichtet ist, elektrische Energie auf der Basis einer Drehung eines Rotors 205, 215 um die jeweilige Drehachse 210, 220 bereitzustellen. Ein Generator 225 kann einen Rotor 205, 215 um die Drehachse 210, 220 lagern. Optional kann auf einer dem Generator 225 gegenüber liegenden axialen Seite ein weiteres Lager vorgesehen sein. An dieser Seite kann auch eine Abdeckung vorgesehen sein, um den zylindrischen Bereich des Rotors 205, 215 zu verschließen.
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Ein Rotor 205, 215 kann zusammen mit einem Generator 225 als separat handhabbare Einheit ausgebildet sein. Ein Generator 225 kann eine elektrische Steuervorrichtung 230 umfassen, um die Bereitstellung elektrischer Energie aus Drehenergie zu steuern. Eine gemeinsame Steuervorrichtung 230 kann auf beide Generatoren 225 vorgesehen sein.
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Ein Leitelement 235 ist dazu eingerichtet, horizontal strömenden Wind 240 in einen ersten Luftstrom 245 und einen zweiten Luftstrom 250 aufzuteilen und den Rotoren 205 bzw. 215 zuzuführen. Dazu umfasst das Leitelement 235 ein vorderes Ende 255, das anströmendem Wind 240 möglichst zugewandt ist. Vom Ende 255 erstreckt sich ein V-förmiger Abschnitt 260. Der Abschnitt 260 umfasst zwei Schenkel, an die sich jeweils ein Ummantelungsabschnitt 265 anschließt.
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Der V-förmige Abschnitt 260 teilt den Wind 240 in die Luftströme 245 und 250 auf und kann gerade oder geschwungen verlaufende Schenkel aufweisen. Bevorzugt ist das Leitelement 235 spiegelsymmetrisch geformt, wobei eine Spiegelachse 270 zwischen den Schenkeln verläuft. In der Darstellung von 2 verläuft die Spiegelachse 270 durch das Ende 255 und mittig zwischen den Rotoren 205, 215.
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Das Leitelement 235 ist allgemein bevorzugt im Wesentlichen einstückig ausgeführt. Es ist bevorzugt, dass das Leitelement 235 aus einem Flachmaterial wie einem Blech herstellbar ist. Ein flaches Ausgangsmaterial kann ein übliches, vorbestimmtes Format aufweisen, beispielsweise A1 oder A0 oder Band- oder Rollenmaterial mit einer entsprechenden Breite.
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Das Leitelement 235 ist bevorzugt dazu eingerichtet, als strukturelles Element die Rotoren 205, 215 zu tragen. Dazu können die Rotoren gegenüber dem Leitelement 235 gelagert sein. Zur Montage der Windkraftanlage kann eine Baugruppe, welche einen Rotor 205, 215 umfasst, entlang einer Drehachse 210, 220 von oben oder unten axial in einen zugeordneten Ummantelungsabschnitt 265 eingeschoben und dort befestigt werden. Ein Lager eines Rotors 205, 215 kann gegenüber dem Leitelement 235 befestigt werden, dazu kann eine passende Struktur vorgesehen sein, beispielsweise eine Platte oder ein Balken, der sich in radialer Richtung zwischen dem Lager und dem Leitelement 235 erstreckt. Die Befestigung kann beispielsweise mittels einer Reihe von Schrauben, Bolzen oder Nieten erfolgen, die an einem axialen Ende punktuell oder auf einem Umfang um die Drehachse 210, 220 zwischen der Baugruppe und dem Leitelement 235 eingesetzt werden. Eine andere Befestigung, beispielsweise nach Art eines Bajonettverschlusses, kann ebenfalls verwendet werden. Auf einer gegenüberliegenden axialen Seite kann eine Abdeckung angebracht werden.
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Ein Ummantelungsabschnitt 265 des Leitelements 235 erstreckt sich bezüglich einer Drehachse 210, 220 auf einem vorbestimmten Winkel, der kleiner als 360° ist, entlang einer Mantelfläche eines zylindrischen Bereichs zur Aufnahme eines Rotors 205, 215. Dadurch bildet ein Ummantelungsabschnitt 265 einen zylindrischen Raum, in dem sich der Rotor 205, 215 drehen kann. Zwischen dem V-förmigen Abschnitt 235 und einem Ende des Leitelements 235 kann ein vertikaler Spalt verbleiben, der als Eintrittsöffnung dazu eingerichtet ist, einen Luftstrom 245, 250 in den Bereich eines zugeordneten Rotors 205, 210 einzulassen. Um einen vorbestimmten Drehwinkel in Drehrichtung des Rotors 205, 210 versetzt ist im Ummantelungsabschnitt 265 bevorzugt eine Aussparung 275 vorgesehen, um eine Austrittsöffnung für den jeweiligen Luftstrom 245, 250 zu bilden. Drehrichtungen der Rotoren 205, 210 können einander entgegengesetzt verlaufen; bevorzugte Drehrichtungen sind in 2 durch gekrümmte Pfeile angedeutet.
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Im Bereich des V-förmigen Abschnitts 260 ist weiter bevorzugt ein vertikales Rohr 280 vorgesehen, das zwischen den Schenkeln des Abschnitts 260 liegen kann. Bevorzugt liegen beide Schenkel entlang einer vertikalen Kontaktfläche an dem Rohr 280 an. Das Rohr 280 ist kraftschlüssig mit dem Leitelement 235 verbunden, bevorzugt stoffschlüssig, etwa mittels Schweißen oder Kleben. Durch das Rohr 280 verläuft eine vertikale Drehachse 285 und im Rohr 280 kann ein Lager 290 angebracht sein, um das Leitelement 235 gegenüber einer externen Struktur 110 drehbar zu lagern. Das Rohr 280 bzw. die Drehachse 285 ist bevorzugt auf der Spiegelachse 270 platziert.
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Die Drehachsen und 210, 220 können zusammen mit dem vorderen Ende 255 ein gleichschenkliges Dreieck definieren, in dessen Bereich die vertikale Drehachse 285 verläuft. Ein horizontaler Abstand der Drehachse 285 zum vorderen Ende 255 ist bezüglich eines Abstands zu einer der Drehachsen 210, 220 bevorzugt so gewählt, dass sich das Leitelement 235 um die Drehachse 285 selbsttätig in den Wind 240 dreht. Dabei kann die Drehachse 285 näher am vorderen Ende 255 als an einer der Drehachsen 210, 220 liegen.
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3 bis 5 zeigen Ansichten eines beispielhaften Leitelement 235 für eine Windkraftanlage 100 in einer bevorzugten Ausführungsform. Das Leitelement 235 kann stellenweise verstärkt werden, beispielsweise im Bereich eines Endes oder einer Kante. Dazu kann weiteres Flachmaterial genutzt werden, bevorzugt in Form eines flachen, eines U-förmig oder eines O-förmig gebogenen Streifens, der an dem Leitelement 235 angebracht wird.
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Eine Fläche des Leitelements 235 kann stabilisiert werden, indem in die Fläche eine Sicke eingebracht wird. Eine Sicke kann offen oder geschlossen ausgeführt sein und beispielsweise eine halbrunde, trapezförmige oder dreieckige Form aufweisen. Eine Sicke kann im Bereich der Ummantelung 265 eingefügt werden, um eine Torsionsfestigkeit in diesem Bereich zu verbessern.
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Mehrere Sicken können aufeinander abgestimmt sein, beispielsweise indem zwischen einer vertikalen und einer horizontalen Sicke ein Zwischenraum verbleibt oder indem mehrere zueinander parallele Sicken verwendet werden. Sicken können nach üblichen Regeln bezüglich wirkender und aufzufangender Kräfte gestaltet sein. Sicken werden bevorzugt bevorzugt derart angebracht, dass sie den Strom von Wind 240 bzw. der Luftströme 245, 250 nicht stören. Beispielsweise kann entlang der Schenkel im V-förmigen Abschnitt 260 bevorzugt eine horizontale Sicke verwendet werden. Ist die Sicke geschlossen, kann ihre Richtung keinen Einfluss auf die Aerodynamik des Leitelements 235 nehmen.
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Bezugszeichen
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- 100
- Windkraftanlage
- 105
- Struktur, Straßenlaterne
- 110
- Mast
- 115
- Leuchte
- 120
- Energieversorgungsnetzwerk
- 205
- erster Rotor
- 210
- erste Drehachse
- 215
- zweiter Rotor
- 220
- zweite Drehachse
- 225
- Generator
- 230
- Steuervorrichtung
- 235
- Leitelement
- 240
- Wind
- 245
- erster Luftstrom
- 250
- zweiter Luftstrom
- 255
- vorderes Ende
- 260
- V-förmiger Abschnitt
- 265
- Ummantelung
- 270
- Spiegelachse
- 275
- Aussparung
- 280
- Rohr
- 285
- Drehachse
- 290
- Lager
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102020000063 B4 [0003]