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Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage mit
einem Mast, einem Rotor mit mehreren Rotorblättern, einer Gondel und gegebenenfalls
weiteren umströmten
Komponenten.
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Im Mix der Energieerzeugung nehmen
Windturbinen mit unterschiedlichen Leistungen bereits einen festen
Platz ein. Durch die Weiterentwicklungen der letzten Jahre sind
diese Windkraftanlagen immer größer und
effizienter geworden.
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Die von dem Rotor der Windkraftanlage überstrichene
Fläche
kann als die Fläche
angesehen werden, aus der dem Wind Energie entzogen werden kann.
In der Praxis ist es nachteilig, dass innerhalb dieser Fläche die
verschiedenen Komponenten der Windkraftanlage wie der Mast, die
Gondel und der Spinner oder die Welle der Windkraftanlage eine Störung der
Luftströmung
darstellen. Dadurch werden Luftwirbel, Turbulenzen und Windschatten
erzeugt, die zu einer Reduzierung der vom Rotor überstrichenen Fläche und
somit zu einem geringeren Energieertrag führen.
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Darüber hinaus ist es nachteilig,
dass auch die in Windrichtung nachfolgenden Windkraftanlagen durch
die erzeugten Turbulenzen negativ beeinflusst werden. Da auf diese
Windenergieanlagen eine zumindest teilweise gestörte, turbulente Luftströmung einwirkt,
ist ihr Wirkungsgrad verschlechtert.
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Ein weiterer Nachteil ist darin zu
sehen, dass die einzelnen Rotorblätter der Kraft bzw. dem Druck der
Luftströmung
ausgesetzt sind, was zu einer Biegebelastung führt. Beim Vorbeistreichen eines
Rotorblatts an dem Mast der Windenergieanlage wird das Rotorblatt
für einen
kurzen Zeitraum entlastet. Auf diese Weise kommt es zu einer periodischen
Belastungsänderung,
die sich in unerwünschten
Schwingungen äußert. Diese dynamischen
Effekte pflanzen sich über
die Rotorblattnabe, den Generator, Lager, wellen, Antriebe, Getriebe
bis zum Mast fort, so dass sämtliche
Bauteile stärker
dimensioniert werden müssen,
um die erforderliche Dauerfestigkeit sicherzustellen. Diese Vorkehrungen
führen
zu erhöhten Kosten
der Windenergieanlage.
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Aus der WO 97/04280 A1 ist es bereits
bekannt, die Grenzschicht von umströmten Körpern durch eine strukturierte
Oberfläche
zu beeinflussen, allerdings werden dazu elektrische oder magnetische Felder
benötigt.
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Die Erfindung betrifft daher das
Problem, eine Windkraftanlage zu schaffen, die die genannten Nachteile
vermeidet und bei der das Strömungsverhalten
verbessert ist.
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Zur Lösung dieses Problems ist bei
einer Windkraftanlage der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen,
dass die Oberfläche
des Mastes und/oder der Rotorblätter
und/oder der Gondel und/oder der weiteren Komponenten zumindest teilweise
Vertiefungen zur Strömungsverbesserung aufweist.
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Anders als bei bekannten Windkraftanlagen, die
eine glatte Oberfläche
aufweisen, sind bei der erfindungsgemäßen Windkraftanlage Vertiefungen bzw.
entsprechende Erhöhungen
zur Strömungsverbesserung
vorgesehen. Diese Vertiefungen beeinflussen die Luftströmung, insbesondere
die Grenzschicht, d. h. den Bereich zwischen der Bauteiloberfläche und
der ungestörten
Strömung.
Bei glatten Oberflächen,
die im Stand der Technik verwendet werden, wird der Strömungskörper auf
der Anströmseite
laminar angeströmt,
an dieser Stelle liegt eine ungestörte Strömung vor. Der Umschlagpunkt
kennzeichnet den Übergang
zwischen laminarer und turbulenter Strömung. Hinter dem Umschlagpunkt
ist die Luftströmung
verwirbelt, was zu einem sehr starken Anstieg des Strömungswiderstands
führt.
Bei der erfindungsgemäßen Windkraftanlage
mit den Vertiefungen und Erhöhungen
auf der Oberfläche
ist der Umschlagpunkt in Strömungsrichtung
verschoben, d. h. Verwirbelungen bilden sich erst später, so
dass der Strömungswiderstand
verringert ist. Durch den verringerten Strömungswiderstand neigt die gesamte Windkraftanlage
weniger zu Schwingungen, so dass die einzelnen mechanischen Bauteile
geringer belastet werden. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass
die Interaktion zwischen dem Rotormast und dem vorbeistreichenden
Rotorblatt verringert wird, wodurch die Biegebelastung des Rotorblatts
ebenfalls vermindert wird.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Windkraftanlage
ist darin zu sehen, dass die Luftströmung im Nachlaufbereich hinter
der Windkraftanlage weniger gestört
ist, so dass nachfolgende Windkraftanlagen kaum beeinträchtigt werden.
Es ist daher möglich,
mehrere Windenergieanlagen in einem Windpark mit einem geringeren
Abstand voneinander aufzustellen, so dass die Energiedichte der
Windparkfläche
erhöht
werden kann.
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Es ist günstig, dass die erfindungsgemäße Windkraftanlage
weniger anfällig
für Verschmutzungen
und Vereisung ist. Dieser Effekt wird auf die erhöhte Luftgeschwindigkeit
in den Vertiefungen zurückgeführt.
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Die erfindungsgemäße Windkraftanlage weist darüber hinaus
den Vorteil auf, dass Geräuschemissionen
im Vergleich zu herkömmlichen
Anlagen verringert sind. Der entstehende Lärmpegel sowie die periodischen
Schwingungen, die von der Windkraftanlage an den Boden übertragen
werden, sind unerwünscht,
da sie von den Anwohnern als unangenehm empfunden werden. Diesem
Problem kann mit der erfindungsgemäßen Windkraftanlage abgeholfen werden,
da die geschilderten Beeinträchtigungen sehr
stark verringert werden, was zu einer hohen Akzeptanz dieser Technologie
führt.
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Die Vertiefungen auf der Oberfläche der
erfindungsgemäßen Windkraftanlage
können
unterschiedlich geformt sein. Es ist besonders günstig, wenn sie im Wesentlichen
die Form einer Halbkugel aufweisen.
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Ähnlich
gestaltete Oberflächen
werden bei Golfbällen
benutzt, die dem Golfball durch aerodynamische Effekte bessere Flugeigenschaften
verleihen. Die Verwendung von Halbkugeln als Vertiefungen bietet
sich insbesondere an den Stellen an, die aus unterschiedlichen Richtungen
angeströmt
werden, z. B. bei den Rotormasten. Es ist jedoch auch möglich, anders
ausgebildete Vertiefungen zu verwenden, beispielsweise mit der Form
eines halbierten Tropfenprofils. Tropfenprofile sind besonders strömungsgünstig, d.
h. sie erzeugen lediglich einen minimalen Widerstand. Tropfenprofile
eignen sich insbesondere für
die Rotorblätter,
da die Anströmrichtung
bei Rotorblättern
im Wesentlichen konstant ist.
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Es ist vorteilhaft, die Vertiefungen
auf der bzw. den Oberflächen
regelmäßig anzuordnen.
Beispielsweise können
die Vertiefungen reihenweise angeordnet werden, wobei benachbarte
Reihen zueinander versetzt angeordnet sein können. Auf diese Weise wird
eine gute Flächenausnutzung
erzielt.
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Mit besonderem Vorteil können die
Vertiefungen bei einem Rotorblatt im Wesentlichen in dem Bereich
zwischen dem Umschlagpunkt zwischen laminarer und turbulenter Strömung und
der Endkante des Rotorblatts angeordnet sein. Bei dieser Ausgestaltung
weist der laminar umströmte
Nasenbereich des Rotorblatts keine Vertiefungen auf. Die Vertiefungen
sind in dem Bereich angeordnet, in dem bei herkömmlichen Rotorblättern der
Umschlag zwischen laminarer und turbulenter Strömung erfolgt. Die Vertiefungen
bewirken, dass der Umschlagpunkt in Strömungsrichtung verschoben wird,
so dass die laminare Laufstrecke der Strömung verlängert wird. Dieser Effekt hat
zur Folge, dass der turbulente Bereich im Vergleich zu herkömmlichen
Windkraftanlagen wesentlich schmaler ist.
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Die Erfindung kann besonders leicht
verwirklicht werden, wenn die Vertiefungen auf einem flächigen Trägermaterial
ausgebildet sind, das auf oder an der Windkraftanlage befestigbar
ist. Auf diese Weise können
Windkraftanlagen auch nachträglich
mit der Vertiefungen aufweisenden Oberflächenstruktur versehen werden.
Die Handhabung ist besonders einfach, wenn das Trägermaterial
eine Folie ist, insbesondere eine selbstklebende Folie.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten
der Erfindung werden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf die Figuren näher
erläutert.
Die Figuren sind schematische Darstellungen und zeigen:
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1 eine
halbkugelförmige
Vertiefung in der Oberfläche
einer erfindungsgemäßen Windkraftanlage
in einer geschnittenen Seitenansicht;
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2-7 die in 1 gezeigte Vertiefung und die aerodynamischen
Effekte beim Vorbeistreichen von Luft in einzelnen Schritten;
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8 die
Entstehung von Strömungswirbeln an
den Vertiefungen;
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9 eine
Draufsicht auf ein Feld mit regelmäßig angeordneten Vertiefungen
sowie den dadurch erzeugten Strömungsverlauf;
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10 einen
angeströmten
Rotormast einer herkömmlichen
Windkraftanlage und das erzeugte Strömungsfeld in einer horizontal
geschnittenen Ansicht;
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11 einen
Rotormast einer erfindungsgemäßen Windkraftanlage
und das erzeugte Strömungsfeld
in einer horizontal geschnittenen Ansicht, und
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12 eine
erfindungsgemäße Windkraftanlage,
deren Oberfläche
zumindest teilweise Vertiefungen zur Strömungsverbesserung aufweist.
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1 zeigt
eine halbkugelförmige
Vertiefung 1 in der Oberfläche 2 einer Windkraftanlage
in einer geschnittenen Seitenansicht. Wie in 1 zu erkennen ist, wird die Oberfläche 2 im
Wesentlichen parallel zur Oberfläche
angeströmt.
Die in diesem Ausführungsbeispiel
gezeigte halbkugelförmige
Vertiefung 1 ist lediglich beispielhaft zu verstehen. Anstelle
der Halbkugelform kann auch die Form eines halbierten Tropfenprofils
oder eine andere Form gewählt
werden, die zu einer Verbesserung der Strömung führt.
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Beim Vorbeistreichen der Luft an
der Vertiefung 1 bildet sich in der Vertiefung 1 ein
Luftwirbel 3 aus, der das Vorbeistreichen der Luft unterstützt und das
Luftvolumen beschleunigt. Die Stärke
dieses Effekts ist von der Anströmgeschwindigkeit,
dem Anströmwinkel,
dem Luftdruck, der Lufttemperatur, der Form und Ausgestaltung der
Vertiefung 1 abhängig. Die
sich in jeder Vertiefung bildenden Wirbel 3 wirken für die vorbeistreichende
Luft wie ein „Kugellager", die laminare Strömung an
der Oberfläche 2 wird
dadurch nicht oder nur wenig gestört.
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Die 2 – 7 zeigen die in 1 gezeigte Vertiefung 1 und
die aerodynamischen Effekte beim Vorbeistreichen von Luft in einzelnen
Schritten.
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2 ist
eine Draufsicht und stellt die Oberfläche 2 einer Komponente
der Windkraftanlage dar, die mit einer Vertiefung 1 versehen
ist. Von der halbkugelförmigen
Vertiefung 1 ist in 2 die
kreisförmige
Kante zu erkennen. Die Vertiefung 1 wird von der vorbeistreichenden
Luft im Wesentlichen laminar angeströmt, dadurch werden zunächst zwei
symmetrische Luftwirbel 3, 4 erzeugt.
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3 zeigt
die Vertiefung von 2 kurze Zeit
später.
Durch Unsymmetrien bei der Anströmung hat
sich der dominierende Wirbel 3 in der Vertiefung 1 gebildet,
wohingegen der andere Luftwirbel 4 schwächer geworden ist. In 3 ist auch zu erkennen,
dass die Stromlinien 5 der vorbeistreichenden Luft zwischen
den Luftwirbeln 3, 4 seitlich abgelenkt werden.
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Wie in 4 gezeigt
ist, hat sich der dominierende, einseitige Luftwirbel 3 zu
einem „Tornado" entwickelt, d. h.
es ist ein kleiner, lokaler Wirbel entstanden, in dem die Luft aufsteigt,
so dass sie von der Oberfläche 2 weg
bewegt wird. Somit hat sich aus der Vertiefung 1 ein Luftwirbel 3 gebildet,
der die vorbeistreichende Luft in Strömungsrichtung weiter antreibt.
In 4 ist auch zu erkennen,
dass die vorbeistreichende Luft zur Seite abgelenkt wird.
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5 zeigt
die Strömungsverhältnisse
kurze Zeit später.
Der Luftwirbel 3 bricht durch Strömungsunsymmetrien nach kurzer
Zeit wieder zusammen, so dass die Stärke des dominierenden Wirbels
reduziert wird. Gleichzeitig beginnt der andere Luftwirbel 4,
sich auszudehnen. Anders als bei dem Zustand von 4 erfährt
die vorbeistreichende Luft in dieser Situation keine Richtungsablenkung,
d. h. sie wird nicht beeinflusst.
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6 zeigt
die Strömungsverhältnisse
etwas später.
Der Luftwirbel 4 beginnt zu dominieren, da er wesentlich
größer und
stärker
als der andere Luftwirbel 3 ist. Es ist auch erkennbar,
dass die Stromlinien 6 der vorbeistreichenden Luft eine
Ablenkung zur Seite erfahren. Die Luftwirbel 3, 4 weisen entgegengesetzte
Drehrichtungen auf, daher werden die Stromlinien 6 der
vorbeistreichenden Luft in die entgegengesetzte seitliche Richtung
im Vergleich zu dem in 4 dargestellten
Zustand abgelenkt, in dem der Luftwirbel 3 dominierte.
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7 zeigt
die Strömungsverhältnisse
kurze Zeit später.
Der Luftwirbel 4, der gegenläufig zum Luftwirbel 3 ist,
hat sich zu einem größeren Wirbel entwickelt,
der aus der Vertiefung 1 heraus die vorbeiströmende Luft
in Strömungsrichtung
weiter antreibt.
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Im weiteren Verlauf wird auch der
Luftwirbel 4 durch Strömungsunsymmetrien
wieder zusammenbrechen, so dass die dargestellte Abfolge sich fortlaufend
wiederholt.
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8 zeigt
die Entstehung von Strömungswirbeln
an den Vertiefungen. Die Windkraftanlage umfasst üblicherweise
eine Vielzahl von Vertiefungen 1, die auf der Oberfläche der
Rotorblätter,
des Mastes, der Gondel oder einer anderen umströmten Komponente ausgebildet
sind. Ausgehend von jeder einzelnen Vertiefung 1 bilden
sich kleine Strömungswirbel
aus, die die vorbeistreichende Luft in Strömungsrichtung weiter antreiben.
Nach einiger Zeit bricht der Wirbel zusammen und ein Wirbel mit
entgegengesetzter Drehrichtung entsteht. Benachbarte Vertiefungen 1, 7 können dabei
dieselbe oder die entgegengesetzte Drehrichtung aufweisen. Der Reibungswiderstand
in der Grenzschicht zwischen der vorbeistreichenden Luft und der
Oberfläche
wird dabei reduziert, außerdem
wird die Luftströmung
an der Oberfläche
unterstützt
und beschleunigt. Da die Gesamtenergie eines geschlossenen Systems
nicht ansteigen kann, wird gleichzeitig an anderen Stellen Energie
verbraucht, beispielsweise durch Reibungseffekte, d.h. die Reibungsenergie
herkömmlicher Systeme
wird teilweise zur Erzeugung der Luftwirbel genutzt, die wiederum
die Gesamtreibungsverluste reduzieren.
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9 zeigt
ein Feld mit regelmäßig angeordneten
Vertiefungen und das resultierende Strömungsfeld. Wie in 9 zu erkennen ist, sind
die Vertiefungen in waagerechten Reihen angeordnet, wobei benachbarte
Reihen seitlich so versetzt sind, dass jede Vertiefung 1 im Wesentlichen
den gleichen Abstand zu allen benachbarten Vertiefungen aufweist.
Die links- und rechtsdrehenden Luftwirbel wechseln sich im Laufe
der Zeit ab und auf der umströmten
Oberfläche 2 bildet
sich ein Muster dieser wechselnden Wirbel, die in Abhängigkeit
von der Anströmgeschwindigkeit
und weiteren aerodynamischen Parametern im wesentlichen von einer
Vertiefung 1 bis zur nächsten
Vertiefung 1 reichen. Diese Luftwirbel 3, 4 unterstützen und
beschleunigen die Luftströmung über die
gesamte Oberfläche 2.
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10 zeigt
schematisch einen angeströmten
Rotormast einer herkömmlichen
Windkraftanlage und das erzeugte Turbulenzfeld in einer horizontal geschnittenen
Ansicht. Der Rotormast 8 weist einen kreisförmigen Querschnitt
auf. Die anströmende
Luftmasse 9 ist im Wesentlichen laminar, d. h. die einzelnen
Stromfäden
verlaufen parallel zueinander, die Luft ist turbulenzfrei. Die Umschlagpunkte 10 befinden
sich in Strömungsrichtung
betrachtet an der linken und rechten Seite des Rotormasts im Bereich des
größten Durchmessers.
Der Umschlagpunkt 10 kennzeichnet die Stelle, an der die
laminare Strömung 9 in
die turbulente Strömung 11 umschlägt. Wie in 10 zu erkennen ist, hat
der Nachlaufbereich mit der turbulenten Strömung 11 eine leichte
Kegelform, so dass sich der turbulente Bereich hinter der Windkraftanlage
vergrößert. Nachfolgende
Windkraftanlagen werden mit turbulenter Luft beaufschlagt, was zu
einer Verringerung ihres Wirkungsgrads führt.
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11 ist
eine ähnliche
Darstellung wie 10 und
zeigt einen Rotormast 12, der außenseitig mit einer Folie 13 versehen
ist, wobei die Folie 13 Vertiefungen zur Verbesserung der
Strömung
aufweist. Anders als bei dem in 10 gezeigten
Rotormast besitzt die anströmende
laminare Luft 16 bei dem mit der Folie 13 versehenen
Rotormast 12 eine wesentlich längere laminare Laufstrecke,
so dass die Umschlagpunkte 14 in Strömungsrichtung versetzt sind.
Wie in 11 zu erkennen
ist, liegen die Umschlagpunkte 14 hinter dem größten Durchmesser des
Rotormasts 12, so dass die Strömung bis dort sehr reibungsarm
ist. Die turbulente Strömung 15 kann
sich erst anschließend
ausbilden. Anders als bei dem in 10 dargestellten
Beispiel ist der Bereich der turbulenten Strömung 15 wesentlich
kleiner, so dass nachfolgende Windkraftanlagen deutlich weniger
beeinflusst werden. Es ist daher möglich, die einzelnen Windkraftanlagen
eines Windparks mit geringerem Abstand aufzustellen, so dass sich
eine bessere Flächennutzung
und ein höherer
Energieertrag pro Fläche
ergibt.
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12 zeigt
eine Windkraftanlage in einer schematischen Ansicht, deren Oberfläche zumindest teilweise
Vertiefungen zur Strömungsverbesserung aufweist.
Die insgesamt mit 17 bezeichnete Windkraftanlage besteht im Wesentlichen
aus einem Mast 12, einem Rotor mit mehreren Rotorblättern 18,
einer Gondel 19 zur Aufnahme des Generators sowie einem
Spinner 20, der den Nabenbereich des Rotors abdeckt.
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Diejenigen Bereich der Oberfläche der
einzelnen Bestandteile der Windkraftanlage 17, die mit Vertiefungen
versehen sind, sind in 12 schraffiert dargestellt.
Der Rotormast 12 ist abgesehen von seinem unteren Teil
vollständig
mit Vertiefungen zur Strömungsverbesserung
versehen. Ebenso sind die Gondel 19 und der Spinner 20 auf.
ihrer gesamten Oberfläche
mit Vertiefungen versehen. Die Rotorblätter 18 weisen auf
ihren Ober- und Unterseiten in Längsrichtung
verlaufende, streifenförmige
Bereiche auf, die mit den Vertiefungen versehen sind.
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Anders als bei dem bekannten Haifischhauteffekt,
mit dem sich eine Reibungsverminderung um etwa 10% erzielen lässt, haben
erste Voruntersuchungen ergeben, dass bei der Windkraftanlage eine Verbesserung
um 30% zu erwarten ist.