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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Schaffung eines solarthermischen
Aerostaten. Sie geht aus von bekannten thermischen Aerostaten, also
Heißluftballonen
und Heißluftschiffen.
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Als
thermischer Aerostat wird im folgenden ein Luftfahrzeug leichter
als Luft bezeichnet, das seine Tragfähigkeit aus der Verwendung
eines Traggases mit einer gegenüber
der umgebenden Atmosphäre
erhöhten
Temperatur erhält.
Als Traggas kommt hier insbesondere Luft zur Anwendung, doch sind
ebenso Gase oder Gasgemische verwendbar, die sich in ihrer Zusammensetzung
von der der Atmosphäre
unterscheiden.
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Zur
Erzeugung und Aufrechterhaltung der Temperaturdifferenz des Traggases
gegenüber
der Atmosphäre
wird bei einem thermischen Aerostaten nach Stand der Technik ein
mit Flüssiggas
betriebener Brenner verwendet.
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Zur
Verringerung des Leistungsbedarfes bietet sieh die Nutzung solarer
Strahlungsenergie an.
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Ein
solarthermischer Aerostat verwendet zur Erzeugung und Aufrechterhaltung
der Temperaturdifferenz vollständig
oder mindestens zu einem wesentlichen Teil solare Strahlungsenergie.
Nutzbar ist hierbei der Spektralbereich des sichtbaren Lichtes sowie des
nahen Infrarot.
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Im
einfachsten Fall wird die Ballonhülle dunkel oder schwarz ausgebildet.
Solare Strahlung wird auf der Oberfläche absorbiert und in Wärme umgewandelt.
Bei dieser Anordnung geht etwa die Hälfte der absorbierten Energie
verloren, da sie durch Wärmestrahlung
und -leitung etwa zu gleichen Teilen in das Innere des Ballons sowie
an die Umgebung abgegeben wird. Ein bemannter Freiballon dieser
Art wird von D. Meddock beschrieben (Ballooning 10, 1974, USA).
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Zur
Erhöhung
des Wirkungsgrades bietet sich die Anordnung eines der Sonne zugewandten transparenten
Fensters in der Hülle
an, durch das kurzwellige Solarstrahlung in das Innere des Ballones
eintreten kann. Dort wird sie absorbiert und in Wärme umgewandelt.
Die Schrift DE3002828 beschreibt ein Solarluftschiff, das eine transparente Deckhülle besitzt
und bei dem die solare Strahlung am Boden der Hülle absorbiert wird. An der
Hülle sind Leichtbaukonzentratoren
angeordnet, die Prozeßdampf
für einen
horizontalen Antrieb des Luftschiffs erzeugen.
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Ein
Modellluftschiff ähnlicher
Bauart ist in
US3153878 offenbart.
Hier ist der obere Teil der Hülle transparent,
der untere Teil als Reflektor ausgebildet. Dieser lenkt das eintretende
Licht auf ein lichtabsorbierendes Gitter im Inneren der Hülle.
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Die
Schriften
US4174082 und
US 4262864 beschreiben einen
Solarballon, der eine teilweise transparente und teilweise opake
Hülle aufweist.
Es sind Mittel vorgesehen, um den Ballon um die Hochachse zu drehen
und damit die umgesetzte solare Leistung zu regulieren. Zusätzlich ist
ein Flüssiggasbrenner
vorgesehen. Auf der der Sonne abgewandten Seite ist das Hüllengewebe
reflektierend beschichtet, um Verluste durch Wärmestrahlung zu verringern.
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Um
einen sicheren Betrieb eines Aerostaten zu gewährleisten, muß er einen
ausreichenden Innendruck aufweisen. Ist dieser nicht gegeben, reagiert
der Aerostat empfindlich auf Störungen
durch thermische Luftbewegung und ist insbesondere in der Landephase
nicht ausreichend steuerbar. Als quantitative Größe hierfür ist die sogenannte Mindestlandemasse
gebräuchlich,
die für
jedes Muster und Hüllenvolumen
die Rüstmasse
angibt, für
die ein ausreichender Innendruck und damit eine ausreichende Steuerbarkeit
sichergestellt ist.
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Wie
Messungen des Anmelders zeigen, können solarthermische Aerostaten
nach oben beschriebenem Stand der Technik diese Mindestlandemasse nicht
erreichen, da die solare Einstrahlung auf die Querschnittsfläche der
Hülle die
zum Tragen der Mindestlandemasse benötigte thermische Leistung nicht bereitstellen
kann. Ein gefahrloser Betrieb ist deshalb nicht sichergestellt.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, einen solarthermischen Aerostaten zu schaffen,
der unter alleiniger Nutzung solarer Strahlungsenergie mit ausreichender
Temperaturdifferenz betrieben werden kann. Erreicht wird das durch
eine Vergrößerung der
wirksamen Sammelfläche
für solare
Strahlungsenergie bei gleichzeitiger Beibehaltung des Traggasvolumens.
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Die
Erfindung wird erfindungsgemäß gelöst durch
eine Vorrichtung mit den den Anspruch 1 kennzeichnenden Merkmalen.
Die Unteransprüche
definieren weitere vorteilhafte Ausführungen. Im folgenden werden
Aerostate ohne eigenen Horizontalantrieb (Freiballone) betrachtet,
doch gelten die erfindungsgemäßen Ausführungen
ebenso für
Luftschiffe mit Horizontalantrieb.
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Der
in 1 in einer Schrägansicht dargestellte solarthermische
Aerostat besteht aus einer das Traggas umgebende Hülle (1).
Erfindungsgemäß ist außerhalb
der Hülle
eine lichtreflektierende Fläche in
Form eines Reflektors (2) derart angeordnet, daß sie solare
Strahlungsenergie auf die Hülle
lenkt. Genutzt wird hierbei insbesondere direkt einfallende sowie
aus einem engen Raumwinkel um die Sonne gestreute Strahlung.
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Die
der Sonne zugewandte lichtaufnehmende Fläche kann damit größer ausgeführt werden
als die Querschnittsfläche
der Hülle.
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Dadurch
gelingt es, eine höhere
Temperatur im Inneren der Hülle
und damit einen größeren Innendruck
zu realisieren als dies mit einem solarthermischen Aerostaten nach
Stand der Technik möglich ist.
Ein sicherer Betrieb wird damit ermöglicht.
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Weitere
Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen im
Zusammenhang mit der Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die im folgenden
anhand von Figuren eingehend erläutert
sind.
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Es
zeigen:
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1 eine
Schrägansicht
eines ersten Ausführungsbeispieles
eines solarthermischen Aerostaten.
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2 eine
Schrägansicht
eines weiteren Ausführungsbeispieles
mit einer in ihrem Aufbau veränderten
Hülle.
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3 eine
Schrägansicht
der Hülle,
bei der ein Teil der Hüllenmembran
entfernt ist.
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4 eine
Detailansicht des Reflektors in einer weiteren Ausführung.
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5 eine
Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels
eines solarthermischer Aerostat mit unter der Hülle hängendem Reflektor.
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6 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
eines solarthermischen Aerostaten mit einem Reflektor, der vom Erdboden
oder tieferliegenden Wolken reflektierte solare Strahlung auf die
Hülle leitet.
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7 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
eines solarthermischen Aerostaten, bei dem der Reflektor durch weitere
Aerostate getragen ist.
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1 zeigt
eine Ansicht eines solarthermischen Aerostaten in einem ersten Ausführungsbeispiel
eines bemannten Freiballones. Der Aerostat besteht aus einer das
Traggas aufnehmenden Hülle
(1), die hier eine natürliche
Form besitzt, bei der die Spannungen in der Hüllenmembran gleichmäßig verteilt
sind.
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Ein
Reflektor (2) ist derart am Aerostaten befestigt, daß solare
Strahlung auf die Hülle
gelenkt wird.
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Der
Reflektor wird durch Druckstäbe
(3) und Zugelemente (4) aufgespannt und getragen.
Die Druckstäbe
(3) sind am unteren Rand der Hülle angeordnet und vorzugsweise
als pneumatische Strukturen ausgebildet, um Verletzungsgefahren
bei der Landung zu minimieren.
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In
diesem Ausführungsbeispiel
kommt die Hülle
eines thermischen Aerostaten nach Stand der Technik zur Verwendung.
Die Hülle
ist vorzugsweise aus einem dunkel gefärbten Gewebe angefertigt, das direkt
auf die Hülle
auftreffende und vom Reflektor auf diese geleitete solare Strahlung
zu einem wesentlichen Anteil absorbiert und in Wärme umwandelt. Die in das Innere
der Hülle
abgegebene Wärme erhöht die Temperatur
des Traggases.
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Sei
einer hinreichenden Größe des Reflektors
genügt
die in die Hülle
eingebrachte Wärmeleistung,
um die Gastemperatur innerhalb der Hülle auf einem Wert zu halten,
der einen ausreichenden Innendruck in der Hülle sicherstellt.
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Der
Reflektor kann durch die in ihrer Länge variablen Zugelemente (4)
in seiner Stellung verändert
werden, um seine Position der Sonnenhöhe anzupassen und es zur Landung
an die Hülle
anlegen zu können.
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Die
Traglast in Form eines Korbes (5) ist an der Hülle abgehängt. Er
trägt auch
einen mit Flüssiggas
betriebenen Brenner (6), der zur sicheren Landung des Aerostaten
sowie zum Durchfahren von Wolkenschatten verwendet wird.
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Es
sind Mittel vorgesehen, die eine Drehung des Aerostaten um die Hochachse
ermöglichen,
um den Reflektor der Sonne nachzuführen. Zu diesem Zweck ist mindestens
eine Luftschraube (7) an der Hülle angeordnet. Die Luftschraube
wird durch einen Motor angetrieben. Ebenso kann die Luftschraube
in der Nähe
des Korbes angeordnet und von dort durch Muskelkraft angetrieben
werden.
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Die 2 zeigt
ein Beispiel einer verbesserten Ausführung. Ein Reflektor (8)
ist wieder derart am Aerostaten befestigt, daß solare Strahlung auf die Hülle (9)
gelenkt wird. Die Hülle
wird für
diese Betrachtung durch den Äquator
(10), der die horizontale Schnittebene größten Umfangs
definiert, in einen oberen (11) und einen unteren Anteil
(12) unterteilt.
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Der
untere Anteil der Hülle
besitzt auf seiner der Sonne zugewandten Seite ein für solare
Strahlung transparentes Fenster (13), so daß vom Reflektor
umgelenktes sowie direkt einfallendes Sonnenlicht in das Innere
der Hülle
eintreten kann. Dort wird es an der dem Fenster gegenüberliegenden
Innenseite der Hülle
selbst und in zusätzlichen
in 3 näher
dargestellten Segeln absorbiert und in Wärme umgewandelt.
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Der
obere Anteil (11) der Hülle
ist auch in diesem Beispiel in einer dunklen Farbe ausgeführt, um solare
Strahlung zu absorbieren. Zur Verbesserung des Wirkungsgrades ist
erfindungsgemäß aber auch vorgesehen,
diesen Anteil der Hülle
aus einem für
solare Strahlung transparentem Fenster auszuführen oder wie in der folgenden
Figur dargestellt doppelschalig zu gestalten.
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3 zeigt
eine Schnittdarstellung der Hülle des
letzten Ausführungsbeispiels.
Im Inneren der Hülle
ist ein Absorbersegel (14) derart angeordnet, daß es die
vom Reflektor in die Hülle
gelenkte solare Strahlung absorbiert und in Wärme umwandelt. Das Absorbersegel
ist vorteilhafterweise von der Hülle beabstandet
angeordnet, so daß eine
wärmedämmende Wirkung
erzielt wird. Auf dem oberen Anteil der Hülle sind für solare Strahlung transparente
Abdeckungselemente (15) zur Hülle beabstandet angeordnet.
Durch Füllen
des Zwischenraumes mit Luft entsteht ein isolierendes Luftpolster.
Durch die Abdeckung eintretende solare Strahlung wird an der Hülle absorbiert.
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Die
Hüllenmembran
(16) selbst ist zu diesem Zweck vorteilhafterweise in einer
dunklen Farbe ausgeführt.
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4 zeigt
eine Detailansicht eines Reflektors in einer weiteren Ausführung. Der
Reflektor ist hier als gasgefülltes
Kissen ausgeführt,
zusätzliche Druckstäbe können entfallen.
Die obere Fläche
(17) ist reflektierend ausgeführt. Erfindungsgemäß ist aber
auch vorgesehen, die obere Fläche
(17) transparent für
solare Strahlung und die untere Fläche (15) reflektierend
zu gestalten. Ein Anteil der eingestrahlten Energie wird innerhalb
des Kissens absorbiert und zur Erwärmung des eingeschlossenen
Gases verwendet. Der Reflektor trägt sich damit teilweise selbst.
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Die
oben beschriebenen Ausführungsbeispiele
betreffen einen bemannten Aerostaten. Die erfindungsgemäßen Lösungen lassen
sieh aber ebenso auf un bemannte Luftfahrzeuge anwenden. 5 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel,
das sich insbesondere für
unbemannte Aerostaten eignet.
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An
der Hülle
(19) ist ein Reflektor (20) unter Verwendung von
Zugelementen (21) aufgehängt. Der Reflektor wird durch
einen Druckring in Form eines gasgefüllten Torus (22) aufgespannt.
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Durch
Längenvariation
der Zugelemente kann der Reflektor der Sonne nachgeführt werden. Alternativ
kann der auch so positioniert werden, daß es nicht die direkte Strahlung
der Sonne, sondern auch von der Atmosphäre gestreute Globalstrahlung auf
die Hülle
lenkt. Ein Anteil der Hülle
ist vorteilhafterweise transparent für solare Strahlung ausgeführt. Eine
Nutzlast (23) ist an der Hülle abgehängt.
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In 6 ist
ein solarthermischer Aerostat dargestellt, der zur Erwärmung des
Traggases aus dem unteren Halbraum einfallende Strahlung nutzt. Reflektoren
(24) sind hier derart angeordnet, daß von der Erdoberfläche oder
dichteren atmosphärischen Schichten
bzw. tieferliegenden Wolken reflektierte Strahlung auf die Hülle des
Aerostaten gelenkt wird. Die Anteile der Hülle, die von der solaren Strahlung getroffen
werden, sind wieder in einer dunklen Farbe oder mit einem Fenster
ausgeführt.
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7 zeigt
ein weites Ausführungsbeispiel, bei
dem Reflektoren (25) durch weitere Aerostate (26)
getragen wird. Diese können
als thermische Aerostate aufgeführt
sein. Ebenso können
diese mit einem Traggas leichter als Luft wie beispielsweise Wasserstoff
oder Helium gefüllt
sein.