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Zweck der Erfindung
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Untersuchungen und Studien vom Umweltministerium, vom World Wide Fund of Nature und dem Bundesverband der deutschen Industrie haben gezeigt, dass ein Großteil der erneuerbaren Energieerzeugung neben der Photovoltaik mm besten mit Windenergie erreicht werden kann, während Wasserkraft, Biomasse und Geothermie eine eher untergeordnete Rolle spielen. Im energetisch besonders interessanten Bereich der Nutzung von Höhenwindenergie zur Erzeugung bzw. Wandlung in elektrischer Energie entstand in den letzten 15 Jahren eine rege Forschungs-und Entwicklungstätigkeit, Heute sind weltweit mehr als 50 Unternehmen u. Forschungsinstitute auf diesem Technikgebiet aktiv. Während verschiedene theoretische Konzepte vorgeschlagen wurden und durch einige Prototypen die Machbarkeit sowie auch das Potenzial der Nutzung von Höhenwindenergie eindrucksvoll demonstriert wurden, existiert theoretisch und praktisch nach unserem Wissensstand noch keine Windenergieanlage die insbesondere in größeren Höhen (ab 10 km oder höher) mit der Möglichkeit eines sensorüberwachten, mit Signalprozessoren oder Mess-PC, gesteuerten automatisierten Dauerbetriebes, wobei die heute bekannten Patent- und Offenlegungsschriften immer Vorrichtungen aufbauend auf einer anderen technologischen Basis (wie unter dem Kapitel 2 „Stand der Technik“) beschreiben. Diese bestehende Lücke soll mit dem Erfindungsgegenstand geschlossen werden. In der Bodennähe beträgt die durchschnittliche Windgeschwindigkeit ca. 5 m/s und im Bereich vom Jetstream ca. 40 m/s. Da physikalisch die nutzbare Windleistung P mit der dritten Potenz der Windgeschwindigkeit v zunimmt bedeutet dies beispielsweise bei Verdoppelung der Windgeschwindigkeit eine achtfache Windleistung. Unter einer Vernachlässigung der deutlich kleineren Luftdichte in einer Höhe von ca. 10 km ist die durchschnittliche Energiedichte dann etwa 512-mal so groß als in der Nähe des Erdbodens. Daher muss berücksichtigt werden, dass die höheren Windenergien eine höhere mechanische Festigkeit an die technischen Bauteile eines „Höhenwindturbinengenerators“ stellen, die nur durch geeignete materialtechnische und konstruktive Maßnahmen erreichbar sind.
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Stand der Technik
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Die Erzeugung von elektrischer Energie mittels Windkraft ist heute eine der am bedeutendsten Nutzung der Windenergie. Dabei wird in großen Energieanlagen die Bewegungsenergie des Windes an Rotoren in ein Drehmoment übersetzt und in elektrodynamischen Generatoren zu elektrischem Energie umgewandelt. Moderne Anlagen nutzen dabei sehr häufig Rotorflügel die nach dem Auftriebsprinzip (wie beispielsweise bei einem Flugzeugflügel) im Wind stehen. Bei diesen optimalen Bedingungen können solche Anlagen bis zu 59 % der reinen Windenergie zur Gewinnung von Elektroenergie nutzen. Ganze „Windparks“ mit Windrädern auf hohen Türmen sorgen auf Land oder auch Offshore auf hoher See, für eine saubere kohlenstoffdioxidneutrale Elektroenergie bzw. elektrischen Strom.
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Windräder auf hohen Türmen werden von vielen Fachkräften als ein Auslaufmodell gesehen. Im Rahmen einer Projektpartnerschaft entwickeln u. testen daher die SkySails Power GmbH, die EnBW Energie Baden-Württemberg AG, die EWE Offshore Service & Solutions GmbH und die Leibniz Universität Hannover eine vollautomatisierte Höhenwindenergieanlage auf Basis einer Zugdrachentechnologie. Die fliegenden Drachen (auch Kiden genannt) erzeugen mehr Strom als herkömmliche stationäre Windräder. Es ist eine einfache physikalische Tatsache, dass bei einem Vergleich von Winden in Bodennähe die Winde in großen Höhen ein Vielfaches an Windenergie zur Verfügung stehen.
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Die Firma SkySails Power GmbH (Hamburg) entwickelt auf Basis der bekannten SkySails-Zugtrachentechnologie Windkraftanlagen, mit der das Energiepotenzial des Höhenwindes erstmalig in industriellem Maßstab genutzt werden kann.
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SkySails Power-Anlagen sind viel günstiger wie konventionelle Windrad-Kraftanlagen und erzeugen mehr und konstanteren elektrischen Strom. Damit werden die Entstehungskosten für „Windstrom“ kleiner und die Netzstabilität besser.
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Die Schlüsseltechnologie, mit deren Hilfe aus Höhenwinden elektrische Energie gewonnen werden kann, sind große und vollautomatische Zugdrachen.
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Die Firma Solutions GmbH entwickelt als Kite an Stahlkabeln hängenden Segel die den Rotor herkömmlicher Windkraftanlagen ersetzen sollen. Damit können die neuartigen Anlagen auf kostenintensive sehr hohe Masten verzichten und trotzdem die ertragreichen Windschichten in Höhen von bis zu 450 Metern nutzen.
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Die Flugdrachen sollen computergesteuert mit idealem Anstellwinkel in einer kreisförmigen Bewegung aufsteigen. Der elektrische Strom wird dabei in einer Generatoranlage am Boden erzeugt, welche die Drehbewegung des auslaufenden Stahlkabels über eine mechanische Winde in elektrische Energie umwandelt. Zum Einholen des Drachens gleitet der Schirm in eine Position, in der nur ein Bruchteil der erzeugten Energie erforderlich ist, um das Halteseil wieder einzuholen.
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Da an jeder Anlage zwei Schirme hängen, wird ein Generator abwechselnd angetrieben und kann so durchgehend Strom produzieren. Bei ausreichender Windstärken kann der Generator nahe an seiner optimalen Geschwindigkeit arbeiten. Durch die Steuerung beider Kites ist es möglich, selbst bei vergleichsweise schwachen Windgeschwindigkeiten hohe Steigleistungen zu erzielen. Nach Einschätzung des Dax-Konzerns Eon hat diese Technologie das Potenzial, vor allem den Offshore-Windenergiemarkt stark zu verändern. Im Direktvergleich zu konventionellen Windturbinen lassen sich Kite-Power-Anlagen kostengünstiger herstellen sowie einfacher installieren und instand halten, heißt es bei Eon. Die Anlagen könnten auch in Gewässern mit Tiefen von mehr als 40 Metern installiert werden. Dadurch ist es möglich, neue Offshore-Märkte vor den Küsten von Portugal, Japan oder den USA zu erschließen.
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Die Firma Makani, entwickelt einen „intelligenten Energie-Drachen“, der zu ca. 50 % mehr Strom als ein Rotor herkömmlicher Windkraftanlagen erzeugen kann. Das Unternehmen ist seit 2013 ein Teil von Google X gewesen, die neue effizientere Wege sucht um Wind in Energie umwandeln. Um das zu erreichen, hat Makani ein Flugzeug gebaut, das eigentlich eher wie eine Drohne aussieht aber auf den Boden gefesselte ist so wie ein Drachen. Die Hauptkomponenten sind: ein Drachen (Drachen oder Fluggerät), eine Leine, eine Bodenstation ein Computer sowie acht Rotoren auf der Kite die ähnlich funktioniert wie die Schaufeln an einer Rotor einer herkömmlicher Windkraftanlagen. Das Hauptwerk fliegt auf einer Kreisbahn. Luftbewegungen über den Rotoren treiben einen Generator an, der elektrische Energie erzeugt. Die elektrische Energie wird durch die Draht-Haltegurte nach unten in die Bodenstation übertragen. Eine Station nimmt allg. deutlich weniger Platz ein als eine herkömmliche Windradturbine. Sie kann jedoch nicht an Orten (die geeignet für konventionelle Windturbinen sind) wie z.B. Bereiche die sehr hügelig oder von der Bodenstation zu weit entfernt sind installiert werden. Die Bodenstation ermöglicht wenn es technisch notwendig wird das Hauptwerk einfach zu halten da über einen Haltegurt abgespult werden kann.
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Die Firma Altaeros Energies (ein US-Unternehmen) hat ein fliegendes Windkraftwerk gebaut, eine Art Prallluftschiff mit einem eingebetteten Windrad mit Generator, also ein Art fliegender Windradturbinengenerator. Dieser soll nun bis 600 m aufsteigen, in den Bereich in dem der Wind stärker und stetiger ist als in Bodennähe wo die Bodenreibung ihn abbremst. Konventionelle Windturbinengeneratoren werden deshalb immer auf hohe Türmen gebaut. Das Windrad ist mittig von einer ringförmigen mit Helium gefüllt Hohlkammer, vergleichbar einem Prallluftschiff, umgeben. Das System (Blimp) steigt in eine Höhe von ca. 600 m und wandelt dort die Windenergie in elektrische Energie um. Die elektrische Leistung beträgt ca. 100 kWh. Die Leine, an der das Luftschiff hängt, ist gleichzeitig das Kabel, durch das der Strom zur Erde fließt. Das System arbeitet autark und erfordert nicht den Aufbau einer Infrastruktur. Dadurch ist es auch gut als Kleinkraftwerk für abgelegene Regionen geeignet, die nicht an ein kommerzielles elektrisches Netz angeschlossen sind. Der US-Energiekonzern Conoco Phillips und die Universität des US-Bundesstaates Pennsylvania haben das Luftschiff mit Windradturbine mit dem Conoco Phillips Energie Prize ausgezeichnet.
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Die Wetterballone bestehen z.B. aus extrem dehnbarem Kautschuk. Sie können ohne weiteres eine Höhe von 38 km erreichen, bevor sie platzen und die Sonde mit einem funksteuerbaren Fallschirm zum Boden zurückkehrt. Heissluftballone sind z.B. aus einem speziellen, reißfesten Nylonstoff, aus dem auch Spinnaker oder Lenkdrachen hergestellt werden. Gasballone sind aus einem speziell abgedichteten Gewebe, das dem einer Luftmatratze oder einer der bekannten, gelben Regenjacken ähnelt. Weiterer Werkstoffe sind karbonfaserverstärkter Polyamide die durch ihre integrierten Karbonfasern oder künstliche Spinnseite (biologischer Stahl) sehr hohe Festigkeit, Schlagfestigkeit und eine erhöhte Bruchdehnung aufweisen. Der Werkstoff eigne sich besonders für den Einsatz mechanisch hoch beanspruchter Bauteile, die ein Mindestmaß an Zähigkeit erfordern. Weiter sind flammgeschützte Polyamide aufgrund ihrer speziellen Eigenschaften für guten Detailauflösungen interessant, insbesondere für Gehäuse und beanspruchte Verbindungselemente, in denen ein erhöhter Flammschutz und dünne Wandstärken von Vorteil sind. Werksstoffe mit Hohlglaskugeln aus Polyamid und Karbonfaserfüllung eignen sich für Anwendungen die in Bauteilen mit kleiner Masse eine hohe Festigkeit u. Steifigkeit bei hoher thermischer Belastung erfordern.
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Sensoren erfassen ganz verschiedene physikalische Parameter wie Luftdruck, Temperatur und Luftfeuchtigkeit während der Steigballon in an Höhe gewinnt und übermitteln alle Messdaten kontinuierlich z.B. über Datenfunktechnik an die Bodenstation. Die Messung des Luftdrucks ist heute bei vielen Sonden nur noch optional, da die mathematische Bestimmung aus der GPS-Höhe eine Messung ersetzt, jedoch nicht in Fällen bei denen eine sehr hohe Messgenauigkeit notwendig ist. Weiter gibt es sog. Windsonden, die anstelle der früheren optisch verfolgten Windaufstiege, d.h. Ballon mit Radarreflektor ohne Radiosonde, eingesetzt wurden. Damit soll nur die Windrichtung und Windgeschwindigkeit erfasst werden Diese Sensoren sind einfacher aufgebaut und damit preiswerter, da keine Sensorik und deren Signalverarbeitung notwendig ist. Einige Sonden sind besonders leicht und einfach aufgebaut, gekennzeichnet durch eine geringe Batteriekapazität und geringere Sendeleistung, eignen sie sich jedoch nur für Messungen in der Troposphäre. Temperatursensoren werden heute nur noch sehr selten eingesetzt, da sie nur eine Temperatur übertragen können. Versehen mit einfachen elektronischen Analogschaltungen, die einen Ton in der Frequenz entsprechend der Temperatur verändert haben und über einen kleinen Sender frequenzmoduliert zur Bodenstation übertragen haben. Eine Steighöhenerfassung war, bei kleinen Messfehlern nur über Radar mit entsprechenden Reflektoren möglich. Übertragungen von Daten erfolgen heute im Frequenzbereich von 400 MHz bis 406 MHz. Je nach Sensortypen werden Kanäle mit unterschiedlicher Bandbreite belegt. Moderne Sensorsysteme belegen nur etwa 5 kHz. Jede Aufstiegsstelle nutzt dabei die ihr zugewiesenen Frequenzen. In der Regel gibt es eine Hauptfrequenz und eine Ausweich-/Nachstartfrequenz, die genutzt wird, wenn die schon gestartete Sonde fehlerhaft ist und ein damit Nachstart notwendig wird bzw. die Hauptfrequenz durch Störungen nicht mehr verwendbar ist. Es gibt außerdem noch Radio-Sensorsysteme welche im Frequenzbereich von 1,68 GHz Daten übertragen. Viele Systeme verfügen auch über einstellbare Mechaniken, um sich nach festgelegt definierten Fehlfunktionen im Flug abzuschalten. Meist ist neben der Übertragung von physikalischen Messdaten zusätzlich eine Telemetrie für die internen Messgrößen zur Überwachung möglich, z.B. Batteriespannung, Temperatur des Mikroprozessors oder eine Strom- und Spannungsmessung externer Sensoren zur Funktionsüberwachung. Trotz immer leichteren Systeme wird zur Erreichung der benötigten Betriebshöhe aus physikalischen Gründen ein Ballonvolumen entsprechender Größe benötigt. Gemäß der Empfehlung der WMO soll der Aufstieg mit etwa 300 m pro Minute erfolgen. Fallen nun Systeme durch Fehlfunktionen oder Kollisionen mit anderen physikalischen flugfähigen Objekten auf den Erdboden zurück können zur Reduzierung der Fallgeschwindigkeit sehr hilfreich funkgesteuerte Fallschirme eingesetzt werden. Die erreichten Fallgeschwindigkeiten lassen sich bei der Verwendung von einfachen Fallschirmen nicht zuverlässig vorhersagen, da die Funktion des Fallschirmes durch verhedderte Seile oder Stoß mit Systemresten oder Fremdkörpern immer unterschiedlich stark beeinträchtigt sein kann.
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Die Chinesische Druckschrift
CN 204 458 216 U zeigt nur eine Variante einer aerostatisch ballongeführte Vorrichtung eines Höhenwindturbinengenerators, welcher als Antriebssystem einen Steigballon 1 verwendet und der mithilfe eines stabilen Gehäuses 8 in dem sich u.a. die Windturbine 6, 7 sowie der gekoppelte Wechselstromgenerator 11 befindet, wobei dieser implizit durch seine zentrisch gelagerte Antriebswelle mit der Windturbine über einen starren Kopplungsring fest verbunden ist und durch die Luftströmungen wird die Turbine in Rotation versetzt, welche dann ihrerseits als mechanischer Antrieb für den Wechselstrom, dient welcher dann die elektrische Energie bzw. den elektrischen Strom erzeugt, jedoch ohne eine geeignete Technologie zur elektrischen und elektronischen Nutz- und Endaufarbeitung.
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Technischer Aufbau und physikalische Wirkung des Erfindungsgegenstandes
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Höhenwind ist die Bezeichnung für die im Wesentlichen horizontale ständig Luftbewegung in der freien Atmosphäre, bei der ein Einfluss des Erdbodens durch Reibungskräfte nicht mehr oder nur noch in geringem Maße aerodynamisch wirksam ist. Richtung und Geschwindigkeit des Höhenwinds sind jedoch von der jeweiligen Wetterlage abhängig u. werden physikalisch von der horizontalen Druck- und Temperaturverteilung bestimmt. Der Höhenwind in der Troposphäre (von 0 bis 20 km) nimmt mit der Höhe zu und erreicht unterhalb der Tropopause in den Strahlströmen (Jetstream) seine größte Geschwindigkeit. Diese atmosphärischen Windbänder erreichen Windgeschwindigkeiten von bis zu 150 m/s (540 km/h) mit einer fast horizontalen Strömungsachse (Jetachse), wobei sie sowohl vertikal als auch horizontal mit zunehmender Entfernung von dem Strömungszentrum rasch abfällt. Sie bilden sich durch die globale Ausgleichsbewegungen zwischen verschiedenen Temperaturregionen bzw. Hochdruck- und Tiefdruckgebieten aus und stellen die stärksten natürlich auftretenden Winde dar, wobei sie im Vergleich zu den anderen Wetterphänomenen immer sehr verlässlich über mehrere Tage stabil auftreten. Kurzfristig können sich warme von kalten Luftmassen trennen. Sie verwirbeln sich jedoch schnell durch Vertikalbewegungen. Die warmen Luftmassen werden auf ihrem Weg zum Nordpol durch die Erdrotation abgelenkt, wobei sie jedoch ihre hohe Bahngeschwindigkeit beibehalten.
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1 zeigt eine einfache Bauvariante des Erfindungsgegenstandes, also einen mechatronischen Prinzipaufbau, einer ballongeführten Vorrichtung eines Höhenwindturbinengenerators zu der Erzeugung elektrischer Energie bzw. des elektrischen Stroms. Als Auftriebssystem wird ein mit einem geeigneten Gas gefüllter Steigballon 1.1 verwendet. Empfohlene Steiggeschwindigkeit ca. 5 m/s gemessen am startenden Steigballon.
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Die Ballonhüllen und technischen Applikationen müssen aus gewichtgründen möglichst leicht sein. Sie müssen sich gut ausdehnen können, ohne undicht zu werden, um das im Innenraum befindliche Gas nicht entweichen zu lassen, Klassische Werkstoffe für die Hüllenfertigung sind neben Latex überwiegend Kautschuk oder auch synthetisch gewonnene Werkstoffe. Jedoch müssen Hochleistungsfolie für Ballonhüllen sowie Einbauhülsen für Sensoren, Durchführhülsen für Kabel und Entgasungshülsen für Ventile absolut reißfest und perforationsfest sein. Es werden z.B. 15 µm bis 25 µm dicke Folien aus einem schlagfesten und durchstoßfesten Polyethylen-Harz oder aus karbonfaserverstärktes Polyamid und oder künstliche Spinnseite mit integrierten Karbonfasern die auch eine sehr hohe Festigkeit, Schlagfestigkeit und für einen faserverstärkten Werkstoff auch erhöhte Bruchdehnung und Flammschutz aufweisen. Eine Faser aus künstlich hergestellter Spinnenseide auch als biologischer Stahl bekannt (Fa. AMSilk) ist bei sehr kleinem Gewicht ca. 25-mal höher belastbar wie ein vergleichbarer technischer Stahldraht. Hochleistungskunststoffe wie halbtransparente Thermoplaste auf Polyamid Basis brennen nicht und können bis etwa 500 °C belastet werden. Auf Pulver basierten Werkstoffen für eine Additive Fertigung eignet sich auch für viele weitere Anwendungen z.B. für Gehäuse und hoch Beanspruchte Verbindungselemente, in denen ein erhöhter Flammschutz und dünne Wandstärken von Vorteil ist. Um den Steigballon vor extremen physikalischen, chemischen und biologischen Umgebungsbedingungen zu schützen und damit in der gewünschte Steighöhe zu halten soll er zusätzlich mit einem mehr oder einschichtiger Ballonsack oder und - Netz umhüllt werden. Bestehend aus adäquat verträgliche Materialien jedweder Art die in idealer Weise den meteorologischen Witterungsproblemen z.B. Vereisung Stand zu halten. Außerdem sollte in der Außenschicht des Ballonsacks thermische Heizfäden metallischer und oder kunststofftechnischer verbaut werde, welche aus den oben genannten Energiequellen gespeist werden. Der Steigballon ist im oberen Ballonbereich bestückt mit einem Gasdifferenzdrucksensor (1.8) und im unteren Ballonbereich mit einem sensorgesteuerten Gasdruckregelventil (1.9). Der Gassteigballon ist mechanisch starr verbunden mit einem stabilen Gehäuse (1.2) der Technischen Zentraleinheit 1 in der Leitungsverbindungen unterschiedlicher Technologie, wie technische Elektro- u. Gasanschlüsse, untergebracht sind. Darunter verbaut befindet sich eine Gasturbine (1,4) zur Erzeugung des mechanischen Drehmomentes für den Antrieb des nach folgenden Wechselstrom-Generator (1.5) zur Erzeugung der elektrischen Energie bzw. des elektrischen Wechselstromes. Die Windturbine (1.4) kann mechanisch so konstruiert sein, dass sie eine durchgehende zentral kugelgelagerte Antriebswelle besitzt, wobei das untere Wellenende mit einer geeignet geformten nicht zu schweren Metall-Schwungscheiben (1.27) versehen ist die gleichzeitig als mechanische Kopplung für den Antrieb eines Wechselstrom-Generators (1.5) benutzt werden kann. Durch die Rotation der Schwungscheibe können die Schwankungen der Geschwindigkeit, bedingt durch die Schwankungen des Windstrom erzeugt, dynamisch gut ausgeglichen bzw. gedämpft werden. Gleichzeitig wird die räumliche Lage der Zentralachse des Höhenwindgenerators gegen mittlere Windstöße gut stabilisiert. Die Gasturbine (1.4) kann mit einer geeigneten Wirbelstrombremse bei Bedarf, über die Erfassung der gleichgerichteten Generatorspannung, begrenzt werden. Der nachgeschaltete elektrische Transformator (1.6) hat eine Primärwicklung zum Anschluss an den Wechselstrom - Generator (1.5) und zwei Sekundärwicklungen, wobei die Sekundärwicklung 1 für die Erzeugung der elektrischen Energie für den Endverbraucher und die Sekundärwicklung 2 für die Erzeugung der Versorgungsspannungen für sensorische, analoge und digitale elektronische oder funktechnische Baugruppen (FM- oder PCM -Technik) in der Technischen Zentraleinheit (1 .1). Zusätzlich kann bei Bedarf in der Technischen Zentraleinheit ein kleiner leichter Li-Akkumulator verbaut sein, um z.B. Strömungsschwankungen auszugleichen bzw. zu überbrücken, der über die gleichgerichtete Wechsel-Spannung der Sekundärwicklung 2 geladen werden kann, und so als gepufferte Versorgungsspannung erzeugt wird. Zur einer verlustarmen Übertragung der elektrischen Energie über eine Distanz von ca. 20 km mit einer geeigneten elektrischen Leitung in (1,3) wird mit Hilfe der Sekundärwicklung 1 des Transformator (1.6) eine Hochspannung und ein kleiner Wechselstrom erzeugt. Dieser wird mit einem Gleichrichter (1.7) in einen kleinen Gleichstrom umgeformt so, dass nur ein sehr kleiner Spannungsverlust in den Leitungen (Hochspannungsleitung und Rückleitung mit Abschirmung) entsteht. Das untere Ende der Hochspannungs- Rückleitung im abgeschirmten Kabel (1.3) wird mit einem geeigneten Wechselrichter (1.10), z.B. mit präzise angesteuerten IGBTs, verbunden der aus einem kleinen Gleichstrom auf ein höheres Spannungsniveau transformiert und so eine entsprechende große Wechselspannung erzeugt. Über einen zweiten Transformator (1.11) wird dann eine sehr hohe Wechselspannung in eine sehr niedere Wechselspannung umgewandelt. Danach wird über einen elektrischen Energiespeicher (1.16) zur Energiepufferung mit einem Frequenzumrichter (1.22) eine Frequenzanpassung erzeugt, welche die Wechselspannung an die Verbraucherbedürfnisse angepasst in ein geeignetes Elektro-Kabel 2 (1.21) eingespeist. Für eine Füllgaspufferung wird ein Gaspuffer (1.15) vorgesehen. Die gesamte gefesselt schwebende obere Teilvorrichtung wird über drei starke Drahtseile in einer Bodenplatte (1.17) verankert. Die Drahtseile sind mit DMS-Technologie so versehen, dass der mechanische Spannungszustand der Drahtseile kontinuierlich überwacht werden kann. Eine Vorrichtung (1.14) dient der Straffung und Überwachung des Ab- bzw. Aufwickelns der drei Halte-Drahtseile (1.12) mit integrierter DMS-Applikation und eines Kabelschlauches (1.3). Eine dicke Bodenplatte (1,17) ist mit drei, um je 120° gegeneinander versetzen Pfeilern (1.18), (1.19) und (1.20) im Boden (1.23) extrem stark verankert. Über die Sekundärwicklung 2 des Transformator (1.6) können die Versorgungsgleichspannungen für sensorische, analoge und digitale mikroelektronische sowie sendetechnische Baugruppen (FM-Technik oder PCM) in der Technischen Zentraleinheit 2 (1.13) bereitgestellt werden. In die drei Fallschirmboxen (1.24), (1.25) und (1.26), bestückt mit der geeigneten Beschleunigungssensoren oder Funktechnik können zeitgleich drei Bremsfallschirme ausgestoßen werden, die für eine weiche Landung auch im Falle eines Absturzes sorgen.
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2 zeigt die zur gerätetechnische 1 gehörige vereinfachte signaltechnische Detailierung sowie die zugehörigen Signalflüsse von mechanischen, elektrischen und elektronischen Mess-, Steuer- und Regelgrößen. Als Auftriebssystem des Erfindungsgegenstandes in die Troposphäre kann auf Grund der dort herrschenden physikochemischen, aerostatischen und metrologischen Umgebungseinflüsse nur ein mit einem geeigneten Trägergas (wie z.B. H2, He) oder mit einer geeigneten Trägergasmischung (wie z.B. H2, CH4, CO, ...) befüllter Steigballon 2.1 in Betracht kommen. An der oberen Außenseite eines Steigballons befindet sich die äußere Grenzschicht der Höhenwinde und auf der oberen Innenseite des Steigballons die Grenzschicht des Trägergases, An der oberen Messstelle des Steigballons kann relativ fehlerarm die wirksame Druckdifferenz zwischen dem Ballonaußendruck und dem Balloninnendruck messtechnisch erfassen werden. An der oberen Messstelle wird ein geeigneter Differenzgasdrucksensor (2.8) eingebaut. Dieser besteht aus zwei geeigneten und exakt baugleichen Sensoren (z.B. piezoelektrische Sensoren), vorzugsweise in einem gemeinsamem Gehäuse. Diese Drucksensoren werden über je zwei Leitungen also 4-mal (2.19) durch geschickte Verdrahtung, auf nur drei reduzierte die mit einer mikroelektronischen Signalverarbeitung zur Auswertung und Dokumentation von zwei Einzel- und einem Differenzdrucksignalen verwendet, Wobei der obere Drucksensor in Kontakt mit der äußeren Atmosphäre steht und somit den Höhendruck in der Troposphäre erfasst und damit die aktuelle Steighöhe (Höhenlage). Der untere Drucksensor hat Kontakt mit dem Trägergas des Steigballons und erfasst somit seinen Innendruck (Steigdruck). Die beiden getrennt erfassten Drucksensor-Signale ermöglichen durch elektronische Differenzbildung der Spannungssignale eine Aussage über den Füllzustand des Gases (Gasdruck). Da im Prallzustand des Steigballons der Innendruck und Außendruck fast exakt gleich groß sind, ermöglicht das ein elektronisches Null-Differenzsignal zur kontinuierlichen Überwachung des Steigzustandes des Steigballons und damit eine mögliche Kalibrierung des Systems im Messeinsatz. Die genutzten Sensoren und ihre Sensorleitungen können auf der technologischen Basis von leitfähigen Nanotinten hauchdünn gedruckt werden. Die Vorteile von gedruckten Sensoren und ihren Sensorleitungen sind offensichtlich, da sie nicht nur extrem dünn und damit auch sehr leicht und sehr biegsam sowie sehr kostengünstig fertigbar sind, sondern sehr verlässlich Messaufgaben durchführen können. Die weitere Verdrahtung der Leitungen erfolgt in der Technischen Zentraleinheit (2.2) so, dass die Differenzspannung und eine Einzelspannung so zur Verfügung stehen, dass sie jeweils über zwei geeignete elektronische Spannungs-Frequenz-Wandler in geeignete frequenzanaloge Signale gewandelt werden und dadurch direkt mit einem geeigneten Mikrocomputer/Signalprozessor in der Technischen Zentraleinheit (2.13) für mess- und regelungstechnische Anwendungen algorithmisch aufbereitet werden können. Eine frequenzanaloge Übertragung der Messsignale gestattet allg. eine fehlerarme Signalübertagung, da bei einer Frequenzauswertung der Messsignale durch die Kabellänge des Übertragungsweges und durch elektromagnetische Störsignale physikalisch fast kein Abfall der Signalamplituden entsteht. Es gibt außerdem noch eine weitere andere technische Möglichkeit zur elektrischen Signalübertragung. Die beiden elektrischen Sensorsignale, können z.B. auch über geeignete Vorverstärker und geeigneten DC-Spannu.ngs-/AC-Stromwandler (DC / AC-Wandler) in ein geeignetes analoges Gleichstromsignal gewandelt werden, das außerdem am Kabelende über je einen geeigneten AC-Strom- / DC-Spannungswandler (AC / DC-Wandler) wieder in ein geeignetes analoges Spannungssignal gewandelt wird. Durch den hochohmigen Abschluss der Übertragungskabel ist eine fast stromlose Übertragung möglich so, dass die Leiterlänge eine fast vernachlässigbare Dämpfung der Signalstärke bewirkt. Allerdings muss gut darauf geachtet werden, dass die Leitungen gegen elektromagnetische Störsignale (EMV) sehr wirksam abgeschirmt werden z.B. über hochwertige geschirmte Koaxialkabel. Die Sensorsignale können, bei fast allen Signalübertragungsarten, auch über Analog-/ Digital-Wandler und einem Microcomputer für mess- und regelungstechnische Anwendungen aufbereitet werden. Für eine kabellose Übertragungstechnik mit einem Sender- und Empfänger (HF-Technik), in dem zugelassenen und geeigneten Frequenzband, bieten sich verschiedene Modulationsverfahren an. Im einfachsten Fall eine Amplitudenmodulation (AM) oder etwas aufwendiger und störsicher mit einer Frequenzmodulation (FM) bei der FM/FM-Telemetrie oder Pulsamplitudenmodulation (PCM) bei der PCM-Telemetrie. Auf der Unterseite des Steigballons (2.1), extrem gas dicht in die Steigballonhülle eingebaut ist ein geeignetes Gasdruckregelventil (2,9) zur Befüllung (2.12) d.h. Druckerhöhung oder Entleerung (2.16) d.h. Druckemiedrigung des Steigballondrucks mit einem entsprechenden Trägergas verbaut. Über ein Gasdruckregelventil (2.9) ist eine Regelung der Höhenposition möglich. Das Differenzsignal der einstellbaren Trägergasdichte (Sollwert) und der aktuellen Luftdichte in der Troposphäre (Istwert) bildet über einen elektronischen Regler ein Signal zur Regelung des Stellgliedes (2.9, Gasdruckventil) zur Einleitung einer gewünschten Ballonhöhen-Korrektur (Regelprozesses) für die Prallhöhe über eine Regler-Ventilleitung (2.17). Die Befüllung des Steigballons mit Trägergas erfolgt über einen Gasspeicher (2.30) mit einem Gasleitungsschlauch (2.17) und die Entleerung entsprechend mit einem steuerbaren Gasventil (2.9) über Ventilanschluss (2.16) zur Höhen-Korrektur. Schwankungen des Trägergases können in vorgegebenen Wertebereichen über einen geeigneten Gasspeicher (2.15) gepuffert werden. Der Steigballon (2.1) ist mit der Technischen Zentraleinheit (2.2) über eine starre mechanische Kopplung K1 direkt mit der Technischen Zentraleinheit oder über eine geeignete leichte Netzkonstruktion z.B. bestehend aus einer extrem belastbaren künstlichen Spinnenseite, welche den Ballon geeignet umhüllt, elastisch verbunden ist. In der Technischen Zentraleinheit (2.2) sind verschiedene Verteiler- und Verknüpfungsanschiüsse für die Leitungen (2.17), (2.18), (2.19) und (2.15) sowie die Zu- und Ableitungen der Sensorsignale und der Energieträgerleitungen EMV gerecht untergebracht. Über eine starre mechanische Kopplung K2 ist die Technische Zentraleinheit (2.2) mit einer geeigneten Gas- bzw. Wind-turbine (2.4) verbunden. Es gibt allg. verschiedene Varianten bzw. Ausführungsformen von Windturbinen die unterschiedlich gut für den Erfindungsgegenstand geeignete sind. Es wird beispielhaft ein sog. Savonius-Rotor (erfunden von Sigurd Savonius) für den Einsatz im Erfindungsgegenstand beschrieben. Siehe hierzu auch die Zeichnungen aus der österreichischen Patentschrift von Savonius (1925). Die gewählte Ausführungsform besteht aus mehreren schaufelförmigen, einander überlappenden frei axialbeweglichen Flügeln, die entlang der vertikalen Drehachse verbaut und zwischen zwei kreisförmigen Endscheiben mit zentralen Bohrungen in einem geeigneten Rohrgehäuse fixiert sind. Wobei dann die obere Endscheibe des Gehäuses über eine starre mechanische Kopplung K2 mit der Technischen Zentraleinheit (2.2) verbunden ist. Die vertikale Achse der Windturbine ermöglicht nun einen von der Windrichtung unabhängig funktionierenden Betrieb. Die Gasturbine (2.4) kann bei Bedarf mit einer Wirbelstrombremse über die Erfassung der erzeugten gleichgerichteten Generatorspannung in ihrer Drehzahl begrenzt werden. Der Wechselstrom-Generator (2.5) wird durch seine zentrisch kugelgelagerte Antriebswelle mit der Windturbine (2.4) über einen starren Kopplungsring K3 fest verbunden. Die Luftströmungen versetzen die Windturbine (2.4) in Rotation, welche dann ihrerseits als mechanischer Antrieb für den Wechselstrom-Generator (2,5) dient, welcher dann die elektrische Energie bzw. den gewünschten elektrischen Strom (2.20) liefert. Die Windturbine (2.4) kann mechanisch so konstruiert sein, dass sie eine durchgehende zentral kugelgelagerte Antriebswelle (K3) besitzt, wobei das untere Wellenende mit einer geeignet geformten nicht zu schweren Metall-Schwungscheiben (2.28) versehen ist die dann gleichzeitig als mechanische Kopplung K3 für den Antrieb eines Wechselstrom-Generators (2,5) benutzt werden kann, wobei durch die Rotation der Schwungscheibe die Schwankungen der Geschwindigkeit, bedingt durch die Schwankungen des Windstrom erzeugt, dynamisch ausgeglichen bzw. gedämpft werden können. Gleichzeitig wird die räumliche Lage der Zentralachse des Höhenwindgenerators gegen mittlere Windstöße gut stabilisiert. Die Gasturbine (2.4) kann mit einer geeigneten Wirbelstrombremse bei Bedarf, über die Erfassung der erzeugten gleichgerichteten Generatorspannung, begrenzt werden. Die generierte elektrische Energie fließt dann über ein geeignetes Elektrokabel in die Primärwicklung eines elektrischen Transformators (2.6), wobei durch die elektrische Induktion im Lastfall in der Sekundärspule eine elektrische Wechsel-Spannung zur Verfügung gestellt wird. Der elektrische Wechselstrom-Generator (2.5) ist fest über eine starre mechanische Kopplung K4 mit dem elektrischen Transformator (2.6) verbunden, der über eine Primärwicklung zum Anschluss an den Wechselstrom-Generator und zwei Sekundärwicklungen verfügt. Eine Sekundärwicklung 1 für die Erzeugung der elektrischen Endverbraucherenergie und eine Sekundärwicklung 2 für die Erzeugung der elektrischen Spannungs-versorgungen für sensorische, analoge und digitale mikroelektronische und sendetechnische Baugruppen (z.B. oft FM- oder PCM-Technik) in der Technischen Zentraleinheit (2.2). Eine weitere technologische Möglichkeit zur Erzeugung elektrischer Energie für die elektrischen Teil-Spannungen der oben genannten elektrischen Untersystemen besteht darin, dass die Ballonhülle mit einem Mosaik von einzelnen kleinen und leichten Photozellen-Modulen auf der Basis extrem dünner elastischer und stabiler Nanomaterialien, z.B. aus Graphen oder Kohlenstofffasern mit Fiberglas, oder aus ähnlichen geeigneten Kombinationen zu belegen. Die kleine elektrische Primärspannung (Niederspannung) wird durch die geeigneten elektrischen und magnetischen Eigenschaften des Transformators (2.6) mit der Sekundärwicklung 1 in eine relativ hohe Sekundärspannung (Hochspannung) transformiert, die dann einem geeigneten Hochspannungsgleichrichter (2,7) zugeführt wird so, dass im elektrischen Lastfall ein sehr kleiner Sekundärgleichstrom (2.25) fliest. Weiter kann der Sekundärgleichstrom über ein niederohmiges gut elektrisch isoliertes und hochfrequenztechnisch gut abgeschirmtes leichtes Gleichstromkabel (2.26), welches mechanisch über eine geeignete und reibungsarme kugelgelagerte Kabeltrommel leicht längensteuerbar ist, besonders mechanisch und elektrisch verlustarm an einen geeigneten Wechselrichter (2.10), z.B. mit präzise angesteuerten JGBTs, weitergeleitet werden. Weiter wird die hohe elektrische Wechselspannung (Hochspannung) mit Hilfe eines geeigneten Transformators (2.11) in eine kleine Wechselspannung (Niederspannung) transformiert und einem Frequenzumrichter (2.24) zugeführt. Der Frequenzumrichter wandelt den Wechselstrom einer bestimmten Spannung und Frequenz in einen Wechselstrom mit einer anderer Spannung und Frequenz so um, dass die technischen Daten zu den elektrotechnischen Verbraucherdaten betriebstechnisch kompatibel und wie gefordert einstellbar sind. Die elektrische Energie wird mit einem geeigneten Elektro-Zwischenspeicher (2.30) für eine Energiepufferung zwischen gelagert. Die elektrische Energie ist wird dann über ein geeignetes Niederspannungskabel (2.21) für ein Verbrauchemetzwcrk oder ein Elektrizitätskraftwerk zur Nutzung zur Verfügung gestellt.
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In der Technischen Zentraleinheit (2.13, Mechatronische Zentraleinheit) sind pneumatische sowie elektromechanische und sensorische Mess-, Regel- u. Steuervorrichtungen sowie ein zentraler Mikrocomputer bzw. Signalprozessor verbaut. Die Zentraleinheit (2.13) ist über eine mechanische Kopplung K7 mit dem Wechselrichter (2.10) starr verbunden. Die jeweiligen Oberflächen der drei Halte-Drahtseile sind jeweils mit einer DMS-Tcchnologie so versehen, dass die mechanischen Spannungszustände der Halte-Drahtseile zeitgleich überwacht werden können. Eine geeignete Vorrichtung (wie in 2 als elektromechanische Halteseil-Box (2.23) skizziert) besteht aus einem geeigneten Elektromotor der über seine Antriebswelle, verbunden mit seiner Halte-Seilrolle und einem geeignete mehrstufigen potentiometrischen Seil-Sensor zur Erfassung der ausgefahrenen Seillänge, sowie auch zur Überwachung der Drahtseil-Straffung und der Überwachung des Ab- bzw. Aufwickelns der Halte-Drahtseile (2.14) sowie eines zentralen Kabelschlauches (2.26) mit einem abgeschirmten Signalkabel (2.19) für eine Erfassung der aktuellen Steighöhen und eine Überwachung des Prallzustands des Steigballons (2.1) sowie einem geschirmten Signalkabel (2.20) zu der Steuerung des Gasdruckventils (2.9) und einem Koaxial-kabel (2.25) mit Abschirmung (2.26) zu der Ansteuerung des Transformators (2.11) zu einer Generierung der elektrischen Verbraucherenergie bzw. -wechselstromes versehen ist. Das Datenleitungskabel 2.20 dient zur bidirektionalen Übertragung von externen physikalischen Signalen zur Steuerung und Protokollierung der laufenden Arbeitsprozesse.
