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"Verbessertes Drachenkraftwerk"
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Die Erfindung betrifft Merbesserungen an einem von prall gefüllten
drachenähnlichen Ballons aus Kunststoff emporgetragenen Windkraftwerk zur Erzeugung
elektrischen Starkstromes.
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Der Gedanke Windräder von Drachen hochtragen zu lassen ist an sich
naheliegend und vom Erfinder auch schon wiederholt öffentlich angedeutet worden.
Er ist daher an sich nicht mehr patentfähig. Neu sind dagegen die aufgezeigten Verbesserungen
und Ausführungsvorschläge, die das Drachenkraftwerk erst zur Alternative für weniger
umweltfreundliche oder gar umweltfeindliche Kraftwerke machen.
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"Beschreibung der Erfindung" Figur 1: zeigt das Drachenkraftwerk
von vorne (der Betrachter steht also mit dem Rücken gegen den Wind.
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Figur 2: zeigt es von der Seite 1) ist der drachenförmige Preßluftballon.
Er besteht aus zwei Blättern, aus biegsamen, aber nicht allzu dehnbarem Material,
sagen wir dem Stoff für Ballonzelte oder mit Kunststoff imprägnierter Segelleinwand
oder dergleichen.
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Diese Blätter sind luftdicht schließend aneinander befestigt, so
daß der Raum zwischen ihnen aufgepumpt werden kann. Sie sind durch weiche, aber
nicht dehnbare Zwischenwände (2) mit einander
verbunden. Ich habe
auf Figur 1 links oben einen Teil des Unterblattes fortgeschnitten, um diese Zwischenwände
anzudeuten. -Die Außenblätter können daher nicht beliebig weit auseinanderrucken
und der ganze Drachenballon erhält dadurch seine bestimmte Gestalt.
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Der Drachenballon hat im Grundriß die Form des Lippisch'schen Nurflügel-Flugzeuges
und entspricht ihm auch ungefähr in seiner Dicke. Er ist aber starker ausgebaut,
denn die Schnüre (3) (4) und (5) ziehen seine Enden nach unten. Dadurch wächst die
Tragkraft. - Diese Schnüre sollen möglichst hohe Keilängen haben.
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Trockene Perlonschnare z.B. haben eine HeiWlänge von b3 km, doch diese
Zahl müsen wir hier stark einschränken, denn das Kabel muß auch noch Metalldrähte
für die Stromleitung festhalten, und diese haben wesentlich geringere Reiblangentund
außen muß man es zum Schutz gegen Nasse und auch zur Verhinderung von Blitzen bei
Gewittern ebenfalls mit einer wasserdichten Metallhülle umgeben, die außerdem auch
noch einen Kamm tragen muß. -Die Anlage erzeugt einen hochgespannten Gleichstrom
von nicht sehr großer Stromstärke, es wird daher möglich sein, diese Außenhülle
mit dem negativen Pol zu verbinden und zu erden, so daß man mit einer einzigen Leitung
auskommt, die am besten im Zentrum des Seiles liegt.
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Durch die Zwischenwände (z) ist der Drachenballon in viele langsgerichtete
Kammern geteilt. Diese Zwischenwände sind mit länglichen oben und unten zu abgerundeten
Fenstern versehen, um auftretende Luftdruckunterschiede möglich schnell auszugleichen.
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Wichtig ist, daß man das Drachenkraftwerk leicht herabholen und wieder
steigen lassen kann. Die Gefahr ist gering, daß die Anlage dabei oder bei einem
etwaigen Absturz Schaden anrichten oder nehmen könnte, denn sie besteht in der Hauptsache
aus aufgepumptes Kunststoff, den man aus welchem man dabei die Luft soeit als nötig
herauslassen kann, so daß auch die Kraftanlage nur langsam fällt und weich niedergeht.
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Sollte beim Steigenlassen der Bodenwind nicht ausreichen, so sind
Fesselballons an besonderen Schnüren denkbar, die man ausklinken kann, wenn der
Wind zum Tragen reicht. Falls der Stoff dieser Ballons nicht dicht genug sein sollte,
um das Gas bis zum nächsten Aufstieg zu halten, kann man es abpumpen und in Druckflaschen
füllen.
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An der Vorderspitze trägt der Drache eine Art Kammer (6), in der
eine Luftpumpe und ein Gleichstromdynamo laufen.
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Auf Figur 3 bringe ich diese Partie vergrößert. Luftpumpe und Dynamo
werden von einem oder zwei kleinen Windrädern angetrieben, die ich mit (7) angedeutet
habe. An den beiden hinteren Spitzen nat der Drache Sicherheitsventile, welche auch
nicht gezeichnet sind. Sie sollen, wenn nötig, die eingepumpte Luft wieder herauslassen.
Sie können auch (automatisch gesteuert) je nach Temperatur und Windstärke leichter
oder schwerer aufgeben, -Die Preluft laßt sich nämlich auch zur Beheizung des inneren
haunis vern,çenden, wenn Siskristalle verdampfen sollen oder wenn die Gefahr besteht,
daß der Ballonstoff wegen der Kälte brüchig werden könnte. Wenn man heizen muß,
soll die Luft allerdings nicht frei aus der Pumpe in den Innenraum treten. Sie erwärmt
sich dann zwar ebenfalls durch Kompression, aber manchmal vielleicht nicht mehr
geilugend. i?ür diesen Fall mubten wir zwischen Luftpumpe und Ballon noch ein Sicherheitsventil
einbauen, das sich erst bei einem gewanschten, durch Thermostaten am Drachenende
gesteuerten Druck öffnet.
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(8) ist eine automatische Spule für das Seil (5). Sie wird vom Gleichstrom
aus (ó) betätigt und soll die Stellung des Drachens (1) automatisch so regeln, daß
das Kraftwerk zwAr schwebt, daß der Drache aber nicht unnötig stark an den Seilen
(3, 4 und 5) zieht. Ma-Õebend hierfür kann der Zug von (5) an der Achse von (8)
sein, doch die Sache läßt sich natürlich auch mit dem Zug an (4) oder (5) kombinieren.
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Ich habe (8) in das Balloninnere gezeichnet, denn es läßt sich erreichen,
daß neben dem Seil nicht zuviel Luft entweicht.
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Man könnte diese Spule aber natürlich auch außerhalb der Ballonspitze
anbringen, nur ist sie dort nicht so gut gegen Schnee und gälte geschützt. Außerdem
ist die Anbringung im Balloninnern auch aus aerodynamischen Gründen vorzuziehen,
denn der Rücktrieb wird dabei kleiner. - Die Seile (3, 4 und 5) laufen unten am
Seil (9) zusammen.
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Über diesem Kraftwerk kann auch noch ein zweites Kraftwerk stehen,
das vom Seil (1G) gehalten wird. Darüber können dann noch weitere Kraftwerke stehen.
In der Höhe über 3.000 m sind auf diese Weise viele Kraftwerke möglich. - Dabei
ist allerdings eines zu bedenken: Ein einzelnes Kraftwerk kann man in der Höhe
schweben
lassen, in welcher der Wind am gunstigsten ist. Bei einer längeren Kette von Kraftwerken
ist man in der ivahl ihres Standortes nicht mehr so frei, wenn man auch manches
dadurch erreichen kann, daß man die Seile (10) uber Winden laufen läßt und sie verlängert
oder verkürzt.
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Übereinander gestellte Drachen brauchen keinen Wirbelsturm zu befürchten.
In Gehenden, wo Wirbelstürme häufig auftreten könnte man einer Torsion des Seiles
dadurch vorbeugen, daß man es in der Nahe er Verbindungsstelle (5, 4, 5) teilt und
die beiden Enden durch Querringe zusammenhalt, die sich nicht voneinander trennen
lassen, die aber gegeneinander drehbar sind und dabei auch den Strom weiterleiten.
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Der Starkstromgenerator (11) Figur 1, lauft in einer zylindrischen
Hülle, (12, Figur 1/2). Ich habe das Gerät auf Figur 4 dargestellt, etwas vergrößert
und in der Horizontalebene (13/14) eschnitten und von oben gesehen. Als Stromgenerator
habe ich eine elektrostatische Influenzmaschine mit vielen Lamellen vorgesehen.
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Ich habe auf Figur 5 nur 7 Stator und 8 Hotorlamellen gezeichnet,
doch in Wirklichkeit könnten es mehr sein.
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Ich habe die Hulle, in der das Windrad laufen soll, auf gut Glück
als langgestreckten Zylinder angenommen. Es wäre aber zu untersuchen, ob die gedrungenere
konische Form von Figur 2 A nicht vorzuziehen ware.
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Figur 5 zeigt noch mehr vergrößert den Rand des Windrades mit dem
Stromgenerator und seiner Umgebung. Der Zylinder (12) besteht ebenfalls aus Kunststoff
und ist aufgepumpt. Auben- und Innenwand werden von den Wänden (15) zusammengehalten.
Ich habe auf Piur z einen Teil der Aubenwand abgetragen, um diese Wände anzudeuten.
ber sie gilt dasselbe, was ich über die Wände (2) gesagt habe, nur u hier der Innendruck
größer sein, als beim Drachenballon. Der Zylinder (12) hängt an einem horizontalen
Steg (16) Figur 1, 2, 4, der von den Seilen(4)und (5) gehalten wird0 Der Zylinder
läst sich nach oben und unten kippen. Er soll unabhängig von der Stellung der Seile
immer waagerecht stehen.
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Das lßt sich außer durch richtige Aufhangung und Gewichtsverteilung
auch durch Luftruder erreichens (17) Figur 1 und 2.
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Zur Horizontal- und Drallsteuerung könnte man ebenfalls Ruder (1S)
anbringen. Zur Stabilisierung läßt sich auch eine Schnur (19)
denken,
die an einer im Zylinder angebrachten Spule hangt und von dem Gerät (20) Figur 1,
2 und 3, hinauf- und hinuntergezogen wird. Auf Figur 3 deutet (21) die Spule an,
über die das Seil (3) mit einigen Windungen läuft. (22) sind Funrungsräder.
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Durch die Seile (4) und (5) kann der Gleichstrom aus (6) auch nach
(12) und der Starkstrom aus (12) nach (9) weitergeleitet werden Das Windrad (23)
figur 4, möchte ich nicht eben bauen, sondern an der Achse und am Rand vorölben.
Dann sind die Schaufeln weniger auf Biegung und mehr auf Zug beansprucht und können
dementsprechend leichter sein. Dabei gibt es eine errechenbare Optimalform.
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Es ist eine etwas abgeanderte Kettenlinie und die Durchbiegung ist
so groß, daß das Rad dabei am leichtesten wird. Ist das Rad nämlich flach, so sind
die Schaufeln auf Biegung beansprucht und müssen starker und schwerer sein; ist
es dagegen zu stark durchgebogen, so wiegen die Schaufeln ihrer Lange wegen mehr.
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Ein glücklicher Umstand ist hier, daß der Winddruck im Quadrat der
Windgeschwindigkeit und die Zentrifugalkraft im Quadrat der Drehgeschwindigkeit
wächst. Dabei bleiben die Spannungen im Windrad weitgehend proportional, wenn die
Drehgeschwindigkeit der Windgeschwindigkeit proportional bleibt, auch wenn der Wind
verschieden schnell bläst und das Rad sich verschieden schnell dreht.
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Die errechnete Schaufelform ist daher für einen weiten Bereich die
beste.
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Um Hotorgeschwindigkeit und Windgeschwindigkeit in weiten Grenzen
proportional zu halten, kann man auch daran denken, an das Verbrauchernetz auch
Stellen anzuschließen, die den Starkstrom herabtransformieren (eine elektrostatische
Influenzmaschine kann bekanntlich auch als Motor dienen) und Wasser zersetzen und
dann arbeiten und den Energieüberschuß aufnehmen, wenn der Wind überdurchschnittlich
stark ist. Der Sauerstoff kann dabei in die Industrie gehen, und den Wasserstoff
kann man an die Industrie oder Gaswerke abgeben oder auch sammeln und in Zeiten
geringerer Windstärke als Energiereserve benutzen. Um den Wasserstoff als Energiegewinner
zu benutzen, braucht man dabei keiner neue Anlage.
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Die vorhandene Wasserzersetzungsanlage und Influenzmaschine kann man
so einrichten, daß sie umschaltbar sind und umgekehrt nasser zu zersetzen aus Wasserstoff
(und auch Luftsauerstoff) wieder hochgespannten elektrischen Strom erzeugen. Wenn
man namlich für eine
leichte Bewegung des Wassers in den Zersetzungszellen
sorgt und wenn man die Zellen so in Kolonnen hintereinander schaltbar macht, daß
man entweder 1,) mehr Kolonnen mit weniger Zellen oder 2.) weniger Kolonnen mit
mehr Zellen hat, so würde die Anlage im Falle 1.) Wasser zersetzen, im Falle 2.)
Energie liefern.
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Dabei würde ein Wasserstoffbehälter von 20 m Durchmesser und 20 m
Höhe bei der Fällung 220 KWh verbrauchen, von denen meiner Rechnung nach 215 KWh
rückgewinnbar werden-Naturlich könnte man den überschüssigen Strom auch manche anderen
Arbeiten machen lassen, die nicht regelmäßig laufen müssen.
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Die Nabe des Windrades ruht auf einem Zapfen (24, Figur 4), der von
Seilen (25) nach vorne gezogen wird. Er ist innen hohl, hat nach vorne eine Öffnung
und darin laufen eine oder zwei Luft pumpen, die den Reifen (26) des Windrades durch
dessen hohle Schaufeln (23) und den Zylinder (12) durch die Leitschaufeln (27) und/oder
(28) mit Preßluft versehen. Den Antrieb besorgt das Windrad.
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Figur 6 zeigt Rad- und Leitschaufeln im Schnitt (29/30), (Figur 4
und 5,und in dem etwas vergrößerten Maßstab von Figur 5. ich Die Leitschaufeln (27
und 28) haben vorgesehen a) damit die Luft keine Drehung besitzt, wenn sie den Zylinder
(12) verläßt, das würde nämlich im Endeffekt zu einer unerwünschten Torsion des
Zylinders führen, b) damit das Drehmoment, das die Starkstrommaschine (31) bei (32)
auf den Zylinderrand ausübt aus nächster Nähe abgestützt wird.
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Die Schaufeln (27 und 28) sind dabei so zu berechnen, daß ihre Drehkräfte
einander gleich und zusammen so groß wie die Drehkraft der Influenzmaschine sind.
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Die Starkstrommaschine besteht aus einem Stator mit Lamellen, der
mit der Zylinderwand in Verbindung steht und einem Rotor, dessen Lamellen zwischen
jenen des Stators laufen und der mit dem Windrad verbunden ist. Die Starkstromanlage
ist im Reifen (26) des Windrades eingebettet. Der Rotor (31) wird von den Rädern
(33 bis 36) so gehalten, daß er sich zwar drehen, aber nicht seitlich verschieben
kann; die Räder (33 bis 35) sind am Stator1 letzten Endes also am Zylinder (12)
befestigt und laufen auf Schienen oder Platten (37), die mit dem Rotor (31) starr
verbunden sind.
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(36) sind mit dem Rotor verbunden und laufen auf der Platte (38),
die mit dem Stator verbunden ist.
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Der Rücktrieb und seine Bekämpfung Je mehr man den Rücktrieb herabsetzen
kann, desto höher können die Drachenkrfterke steigen und desto mehr Kraftwerke kann
das gleiche Seil tragen.
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Riacktriebverringerung ist außer durch richtige Formgebung, richtige
Stellung, durch Aufstellung der Seilwinde auf hohen Bergen etc. bei Drachen, die
über dem Meer schweben, auch durch eine Erfindung möglich, die ich im Jahr 1957
als Angestellter der NASA (damals hie sie noch ABMA d.i. Army Ballistic Missile
Agency) für diese als Diensterfindung unter dem Namen ,,Spreizring" angemeldet hatte.
Sie sollte ursprünglich Drahtnetze für Weltraumspiegel (Figur 7) und andere Grovbauten
im Weltraum versteifen.
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Die NASA hat das Patent inzwischen erlöschen lassen und die Idee zum
allgemeinen Gebrauch frei gegeben. Sie liege sich nämlich auch auf der Erde verwenden,
z.B. wen zum Hochtragen von Feuerwehrleitern oder auch zum Hochtragen von Plastikschläuchen,
durch welche in Städten mit sehr schlechter Luft aus größerer Höhe reine Luft herabgepumpt
werden könnte. Die Erfindung ist bis jetzt meines Wissens allerdings noch nirgends
realisiert worden.
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Es handelt sich dabei um folgendes: Ein Springbrunnenstrahl ist imstande,
eine Kappe zu tragen (Figur 8). Ebenso wird ein glatter, schwerer, biegsamer, lockerer
senkrecht in die Höhe geworfener Strang (39, Figur 9) oben eine Lenk- oder Umkehrvorrichtung
(40) emporheben und tragen können.
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Die beiden Enden des Stranges sind miteinander glatt verbunden, so
daß er einen nahtlose Ring bildet. Dieser Ring muß schneller laufen, als die schnellste
im Strang mögliche Wellenbewegung, sonst spannt er sich und weitet sich zu einem
Kreis aus.
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Die Vorrichtung (40) besteht aus Transmiasionsrädern, auf denen zwei
elastische Bänder laufen. Sie haben in der Mitte je eine Rinne, die den Strang (39)
aufnimmt und führt. (41) ist ein Gestell für die Räder, (42) sind Taue, die dies
Gestell halten.
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Unten ist eine ähnliche Umkehrvorrichtung (43), die auch einen (nicht
gezeichneten) Antriebsmotor trägt.
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Das später erfundene Bölkow'sche Magnetkissen und der Linearmotor
haben dieser Erfindung nun einen unerwarteten weiteren Anwendungsbereich erschlossen.
Sie machen es möglich (Figur 10) den hier in eeignetey Weige mit ferromagnetischem
Material beladenem
Strang (39) in einer hochevakuierten Röhre
laufen zu lassen, so daß die Reibungsverluste fortfallen und der Spreizring daher
mit ganz wesentlich welliger Energieaufwand in Gang gehalten und sogar schrag gestellt
und in Kurven gelenkt werden kann.
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Um Material zu sparen habe ich auf Figur 10 die beiden Xchrenhalften
aneinander gelegt und nur an den Umkehrstellen Schleifen gelassen und dazwischen
eine Platte (45) gesetzt.
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In der Ebene (46) habe ich die obere Schleife geschnitten,um diese
Platte zu zeigen. Zur Erzeugung des erforderlichen hohen Vakuumsgenügt eine einfache
Vorpumpe, denn der Strang (39) wirkt dann wie eine Gaede'sche Molekularluftpumpe
und schleudert in den schleifen die Luft heraus.
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Vielleicht wird es aber zweckmaßiger sein, die beiden Röhrenhalften(wie
auf Figur 9) so breit wie die Schleife ist, paralell nebeneinander laufen zu lassen
und mit einem hier überall gleichstarken Blatt zu verbinden. Das Gewicht braucht
uns dabei keine Sorgen zu machen, denn das Blatt wird von unten vom Winde angeblasen,
und der ist wahrscheinlich stark genug, um das ganze zu tragen.
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Figur 11 zeigt die Anlage im ganzen. (47) ist eine schwimmender Kasten,
ein Schiff oder dergleichen. Der Spreizring (44) stützt sich auf ein Schiff (48).
Die beiden Halteketten (49 und 50) sind am gleichen Punkt (51) im Meeresboden verankert
und zwar so, daß (50) um (49) laufen kann, denn der Spreizring muß je nach der Windrichtung
um das Kraftwerk herumfahren können.
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Bei Verwendung des Spreizringes begibt man sich allerdings des Vorteils,
die Kraftwerke auch bei Wirbelstürmen arbeiten zu lassen. Selbstverständlich ließe
sich die Erfindung auch ohne Spreizring durdhführen, wenn auch in bescheidenerem
Rahmen; doch da er die Leistungsmöglichkeit steigert, erwähnte ich ihn ebenfalls
in dieser Patentschrift.
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Ich will nun die Vorteile zusammenfassen, die diese Ausführungsform
gegenüber anderen Windkraftwerken bietet.
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Vorteile gegenüber bisher vorgeschlagenen Windkraftwerken: A) Das
Emporheben durch Drachenballons gestattet: 1. Größere Höhen zu erreichen, als bei
Anbringung an statischen Bauwerken und dadurch die Wetterabhängigkeit zu verringern
und die Leistungsfähigkeit zu steigern.
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B) Die Herstellung dieser Windkraftanlagen aus Ballonstoff oder ähnlichem
plastischen Material und die Möglichkeit, sie durch Innendruck zu versteifen, bringt
folgende Vorteile: 1. Sie stellen sich im Bau billiger als vergleichbare Leichtmetallkonstruktionen.
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2. Sie sind leichter herabzuholen, zusammenzulegen und zu verstauen,
falls die Gefahr besteht, daß sie bei einem Sturm Schaden nehmen könnten, oder wenn
sich Ausbesserungsarbeiten als nötig erweisen sollten.
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3. Sie richten bei einem etwaigen Absturz (z.B. wenn das Seil reißen
sollte) weniger Schaden an und nehmen auch selbst weniger Schaden, insbesondere,
wenn dafür Sorge getragen wird, daß sich ihr Innendruck in einem solchen Falle so
weit als nötig senkt.
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4. Die Prall füllung mit Preßluft ermöglicht in einfacher Weise eine
Beheizung und dadurch die Verhinderung von Feuchtigkeit oder Vereisung oder das
Brüchigwerden des Baustoffs infolge Kälte.
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b) Die Verwendung elektrostatischer Influenzmaschinen als Stromerzeuger
bietet folgende Vorteile: 1. Größere Leichtigkeit und daher Erhöhung der Leistung
bei gleicher Größe der Drachenballons.
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2. Hochgespannten Gleichstrom und daher Verbilligung der Uberlandleifung.
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3o Unabhängigkeit der Maschinenspannung von der Windstärke und Umlaufgeschwindigkeit
und daher 4. Einfacher Anschluß aller Stromgeneratoren an das gleiche Stromnetz
ohne besondere Synchronisierungsmaßnahmen oder Stromspannung eXarkeregulierung.
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5. Benützung der Kraftleitung auch für Telefonate, in dem ihr durch
Induktionsspulen die Telefonwellen aufgedrückt werden.
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6. Der Umstand, daß die Influenzmaschine auch als Motor verwendbar
ist, gestattet im besonderen Kraftspeicher, welche nach Wunsch Wasser zu Wasserstoff
und Sauerstoff zersetzen oder Wasserstoff und Sauerstoff unter geringen Verlusten
wieder zur Energieerzeugung verwenden.
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D) Einbettung des Windrades in eine versteifte Röhre.
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Gewinn: 1. Möglichkeit, auch das Windrad aus weichem Stoff zu bauen
und dadurch in den Genuß der oben erwähnten Vorteile zu kommen.
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wirbel 2. Vermeidung der Randwirkseg.
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5. Erleichterung des Einholens und des Wiederaufstiegs.
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4. Verringerung des Gesamtgewichtes durch die Möglichkeit, die Windradschaufeln
entsprechend zu formen.
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5. Die Möglichkeit, den Rotor des Stromgenerators im Radreifen laufen
zu lassen und diesen Reifen wen d kwicnwad nur durch einen schmalen Spalt vom Außenzylinder
zu trennen. Dies bringt insbesondere den Vorteil mit sich, daß Eiskristalle kaum
zwischen Rotor und Stator gelangen können und dort sofort verdampfen, wonach der
Dampf gleich abgesaugt wird.
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E) Die Vernichtung des Rücktriebs durch den Spreizring, wenn man die
Anlage auf offenen Wasserflächen aufstellen kann.
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F) Wo dieses nicht möglich ist, besteht die Möglichkeit Torsionen
des Seils dadurch zu verhindern, daß man es schneidet und durch zwei Ringe gegeneinander
verbindet, die auch den Strom leiten können.
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G) Verwendung eines Gleichstromdynamos: 1. Zur automatischen Regelung
von Drachenstellung, Zylinderstellung usf.
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2. Zur Beheizung des äuberen Metallmantels in Regionen, wo Vereisungsgefahr
besteht.
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L e e r s e i t e