DE3628133A1 - Solar radiation energy utilisation by means of photovoltaic cells (photocells) on a captive balloon - Google Patents

Solar radiation energy utilisation by means of photovoltaic cells (photocells) on a captive balloon

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Abstract

Photovoltaic cells are used in order to utilise the energy of solar radiation. These photovoltaic cells are fitted on the envelope of a captive balloon which floats above the ground in accordance with the hot-air principle at an altitude (approximately 10 km) which is sufficiently free of weather influences, and whose retaining cables are used for transporting the electrical energy produced. That part of the balloon envelope which is fitted with solar cells can be of planar construction, and this solar cell surface can be positioned optimally with respect to the solar radiation direction by automatically controlled variation of the free retaining cable lengths. The freedom from weather influences is associated with the possibility to produce a very large amount of energy at a highly constant rate throughout virtually the entire range of daylight hours.

Description

Zur Nutzbarmachung der Energie der Sonnenstrahlung mittels photo­ voltaischer Zellen, im Folgenden Solarzellen genannt, wurden bisher erdgebundene Anlagen vorgeschlagen und errichtet. Wegen des enormen Flächenbedarfs, bedingt durch den geringen Wirkungsgrad der infrage kommenden Solarzellen-Typen, und wegen des geringen Nutzungsfaktors, bedingt durch die in unseren Breiten gegebenen Witterungsverhält­ nisse, um nur die beiden Haupthindernisse zu nennen, haben jedoch nach Ansicht der Experten solche Anlagen keine Aussicht, sich in ab­ sehbarer Zeit durchsetzen zu können. Allgemein schätzt man deshalb deren Anteil an der Energiebedarfsdeckung der Industrieländer auch für das Jahr 2050 weiterhin als sehr gering ein.To harness the energy of solar radiation using photo voltaic cells, hereinafter referred to as solar cells, have so far been used Earth-based systems proposed and built. Because of the enormous Space requirements due to the low efficiency of the question upcoming solar cell types, and because of the low utilization factor, due to the weather conditions in our latitudes However, to name just the two main obstacles In the opinion of the experts, such plants have no prospect of turning in to be able to enforce visible time. That is why you generally appreciate their share in the energy needs of the industrialized countries too for the year 2050 continues to be very low.

Zur Überwindung der genannten beiden Haupthindernisse für den Ein­ satz von Solarzellen schlägt nun der Erfinder die Verwendung von Fesselballons vor, die auf der Oberseite (Außenseite) mit Solarzellen bedeckt sind, nach dem Heißluftprinzip in einer von Witterungsein­ flüßen ausreichend freien Höhe (etwa 10 km) über dem Erdboden schwe­ ben und als Stromleitungen für den Transport der erzeugten elektri­ schen Energie die Halteseile verwenden.To overcome the two main obstacles mentioned for the one The inventor now proposes the use of solar cells Captive balloons in front, on the top (outside) with solar cells are covered, according to the hot air principle in one of weather conditions flow sufficiently free height (about 10 km) above the ground ben and as power lines for the transport of the generated electri energy use the ropes.

Bild 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer möglichen Ausführungsform solcher Solarballons, wie sie abkürzend genannt werden sollen, Bild 2 zeigt deren räumliche Anordnung. Die Halteseile, die im wesentlichen nur sich selbst zu tragen haben, sind aus einem Material zu fertigen, das bei geringem elektrischen Widerstand ein möglichst niedriges Ver­ hältnis Gewicht zu mechanischer Festigkeit aufweist. In Betracht kommt daher in erster Linie Duraluminium. Eine Unterteilung der Halteseile in mehrere Abschnitte mit verschiedenem, von unten nach oben wachsendem Querschnitt erlaubt eine entscheidende Herabsetzung der auftretenden maximalen Zugbeanspruchung. Zur Vermeidung des Auf­ schaukelns von Schwingungen der Halteseile bei Windbelastung sind Stoßdämpfer geeignet. Die unteren Aufhängungen der Halteseile sind zweckmäßigerweise zur Entnahme der in den Halteseilen fließenden Ströme heranzuziehen. Figure 1 shows the basic structure of a possible embodiment of such solar balloons, as they are to be called, Figure 2 shows their spatial arrangement. The tethers, which essentially only have to carry themselves, are to be made from a material that has the lowest possible weight to mechanical strength ratio with low electrical resistance. Therefore, primarily duralumin comes into consideration. A subdivision of the tether into several sections with different cross-sections growing from bottom to top allows a decisive reduction in the maximum tensile stress that occurs. Shock absorbers are suitable for avoiding the swinging of vibrations of the tethers when exposed to wind. The lower suspensions of the tethers are expediently used to remove the currents flowing in the tethers.

Da sich die Solarzellen betriebsmäßig aufheizen, tragen sie im Be­ triebszustand zur Erzeugung der erforderlichen Heißlufttemperatur im Innern der Ballons bei. Zur Resterhitzung können Heizstäbe verwendet werden. Wenn sie in der in Bild 1 gezeigten Weise angeordnet werden, bewirken sie gleichzeitig das Zustandekommen einer Zirkulation der Innenluft. Zur Verstärkung dieser Zirkulation erscheint es erforder­ lich, wie ebenfalls in Bild 1 gezeigt, Umwälzventilatoren vorzusehen. Es erscheint außerdem angezeigt, auch in die unteren Ballonöffnungen Ventilatoren einzubauen, die eine intensive Kühlung der Innenluft ermöglichen, wozu darauf hingewiesen sei, daß die Lufttemperatur in 10 km Höhe -50 Grad Celsius beträgt. Zur Regelung der Luftströmung können über diesen Kühlungsventilatoren schlauchartige Röhren von geeigneter Länge (aus Plastikmaterial) angebracht (aufgehängt) werden. Im Normalbetrieb sind die Heizstäbe und Ventilatoren direkt von den Solarzellen aus, bei abgeschalteten Solarzellen über die Halteseile von der Erde aus zu speisen. Since the solar cells heat up during operation, they contribute to the generation of the required hot air temperature inside the balloons when in operation. Heating rods can be used for residual heating. If they are arranged in the manner shown in Figure 1, they simultaneously cause circulation of the indoor air. To increase this circulation, it also appears necessary, as also shown in Figure 1, to provide circulation fans. It also appears advisable to install fans in the lower balloon openings, which allow intensive cooling of the indoor air, for which it should be noted that the air temperature at a height of 10 km is -50 degrees Celsius. To control the air flow, hose-like tubes of suitable length (made of plastic material) can be attached (suspended) above these cooling fans. In normal operation, the heating rods and fans are fed directly from the solar cells, and when the solar cells are switched off, they are fed from the earth via the tether.

Das wegen des großen Flächenbedarfs der Solarzellen notwendigerweise große Ballonvolumen erlaubt es, den erforderlichen Auftrieb durch relativ geringe Erhöhungen der Innenlufttemperatur gegenüber der Außenlufttemperatur zu erzeugen. Während des Ballonaufstiegs kommt überdies das Gewicht der Halteseile erst allmählich zur Geltung. Ein durchgerechnetes Beispiel hat bei der in Bild 1 gezeigten Solar­ ballon-Ausführung für eine Schwebehöhe von 10 km Höhe über dem Erd­ boden als erforderlichen Auftrieb 15 t und in Anbetracht der Au­ ßenluftdaten und des Ballonvolumens von 200 000 cbm eine mittlere Innenlufttemperatur +7 Grad Celsius ergeben. Die Änderung des Auf­ triebs beträgt in diesem Fall rund 200 kg je Grad Celsius Änderung der mittleren Innenlufttemperatur. Es ist demnach ohne weiteres mög­ lich, die Schwebehöhe der Solarballons durch Regelung der Heizstäbe und Ventilatoren konstant zu halten. Hinzu kommt, daß wegen der not­ wendigerweise etwas schlaff hängenden Halteseile, wie in Bild 2 ge­ zeigt, die unteren Aufhängepunkte einen Teil des Gewichts der Halte­ seile aufnehmen, und zwar bei sinkendem Ballon einen wachsenden An­ teil und umgekehrt, was zur Stabilisation der Schwebehöhe beiträgt.The balloon volume, which is necessarily large because of the large area requirement of the solar cells, makes it possible to generate the necessary buoyancy by relatively small increases in the inside air temperature compared to the outside air temperature. In addition, the weight of the tethers gradually comes into play during the balloon ascent. A calculated example in the solar balloon version shown in Figure 1 for a levitation height of 10 km above the ground has 15 t as required buoyancy and in view of the outside air data and the balloon volume of 200 000 cbm an average inside air temperature of +7 degrees Celsius surrender. In this case, the change in lift is around 200 kg per degree Celsius. Change in the average indoor air temperature. It is therefore easily possible to keep the suspended height of the solar balloons constant by regulating the heating rods and fans. In addition, because of the needlessly somewhat slack hanging ropes, as shown in Figure 2 ge, the lower suspension points absorb part of the weight of the ropes, and with a falling balloon a growing part and vice versa, which helps to stabilize the suspension height .

Die Tatsache, daß die Außenlufttemperatur erheblich unter der zu­ lässigen Betriebstemperatur der Solarzellen von ca. 40 Grad Celsius liegt und dadurch eine kalte Luftströmung parallel zu der Solarzel­ lenebene zustande kommt, bewirkt eine effektive Kühlung der Solar­ zellen und damit eine Erhöhung ihrer Strombelastbarkeit. Aber auch die Innenluft bewirkt eine Kühlung der Solarzellen, da ihre Temperatur nach obigen Angaben stets deutlich niedriger als die Betriebstempera­ tur liegt. In Anbetracht der durch diese Kühlungseffekte ermöglich­ ten Erhöhung der Strombelastung der Solarzellen ist für die in Bild 1 gezeigte Ausführungsform eines Solarballons mit einer erzeug­ ten Leistung von mindestens 1 Megawatt zu rechnen.The fact that the outside air temperature is significantly below the permissible operating temperature of the solar cells of approx. 40 degrees Celsius and this results in a cold air flow parallel to the solar cell level brings about effective cooling of the solar cells and thus an increase in their current carrying capacity. However, the indoor air also cools the solar cells, since according to the above information, their temperature is always significantly lower than the operating temperature. In view of the increase in the current load of the solar cells made possible by these cooling effects, a generated power of at least 1 megawatt can be expected for the embodiment of a solar balloon shown in FIG. 1.

Durch Variation der freien Längen der einzelnen Halteseile eines Solarballons gemäß Bild 1 kann die Solarzellenebene in einfachster Weise nach allen Richtungen geschwenkt und also über einen großen Bereich der Tageszeit senkrecht zur Einfallsrichtung der Sonnen­ strahlung gehalten werden. Dies bedeutet eine wesentliche Erhöhung des Nutzungsfaktors und in Verbindung mit der Ausschaltung von Wit­ terungseinflüssen die Gewähr der Erzeugung der Höchstenergie über viele Tagesstunden hinweg in einer Konstanz, die von erdgebundenen Solarzellenanlagen nie erreicht werden kann. Dies ist bei einem Vergleich der Investitionskosten insofern zu berücksichtigen, als nicht die installierte Leistung (kW), sondern die während eines Jahres lieferbare Gesamtenergie (kWh) als Vergleichsmaßstab dient.By varying the free lengths of the individual tethers of a solar balloon according to Figure 1, the solar cell level can be swiveled in all directions in the simplest way and thus kept perpendicular to the direction of incidence of the solar radiation over a large area of the day. This means a significant increase in the utilization factor and, in conjunction with the elimination of weather influences, the guarantee of the generation of maximum energy over many hours of the day in a constancy that can never be achieved by earth-bound solar cell systems. This should be taken into account when comparing the investment costs insofar as it is not the installed power (kW) but the total energy (kWh) that can be supplied during a year that serves as a benchmark.

Die Variation der freien Längen der einzelnen Halteseile kann auf vielfache Weise automatisch gesteuert werden. In Betracht kommen insbesondere Steuerungen unter Verwendung der astronomischen Daten der Sonnenbewegung oder unter Verwendung von Peilgeräten, die auf Richtung der auffallenden Sonnenstrahlen ansprechen oder unter Ver­ wendung von Messungen der erzeugten elektrischen Leistung, indem diese auf einen Maximalwert eingeregelt wird. The variation in the free lengths of the individual tethers can can be automatically controlled in many ways. Be considered especially controls using the astronomical data the movement of the sun or using direction finders that point to Address the direction of the striking sun rays or under Ver application of measurements of the generated electrical power by this is adjusted to a maximum value.  

Hinsichtlich der Lagerung der Halteseile vor, während und nach dem Auflassen und Ablassen der Solarballons kommt die Verwendung von ho­ rizontalen (runden), um eine vertikale Mittenachse drehbaren Platten und zusätzlich die Anordnung von ringförmigen Behältern auf diesen Platten in Betracht. Da die Halteseile bei Betrieb der Solarzellen unter Spannung stehen, sind diese Behälter oder die Platten selbst elektrisch zu isolieren. In Betracht kommt ferner die Fertigung der Halteseile an Ort und Stelle durch fahrbare Verseilmaschinen, insbesondere bei Verwendung vorgenannter Seilkarussels. Auch die Endfertigung einer Ballonhülle, die aus mehreren Großteilen besteht, nämlich die Herstellung der Nähte zwischen diesen Teilen kann an Ort und Stelle, und zwar des Ballonaufstiegs erfolgen.With regard to the storage of the tether before, during and after the Opening and lowering the solar balloons comes with the use of ho rizontal (round) plates rotatable about a vertical central axis and in addition the arrangement of annular containers thereon Plates into consideration. Because the tethers when operating the solar cells are under tension, these containers or the plates themselves isolate electrically. Manufacturing also comes into consideration the holding ropes in place by mobile stranding machines, especially when using the aforementioned rope carousels. Also the Completion of a balloon envelope, which consists of several large parts, namely the production of the seams between these parts can Place and place, namely the balloon ascent.

Um die durch die Halteseile fließenden, von der Solarzellenanlage ab­ gegebenen Ströme und damit die Leitungsverluste in den Halteseilen klein zu halten, ist eine möglichst hohe Klemmenspannung der Solar­ zelleneinheiten erforderlich. Diese kann durch Hintereinanderschal­ tung der Solarzellen in der in Bild 3 gezeigten Weise erzielt werden.In order to keep the currents flowing through the tethers from the solar cell system and thus the line losses in the tethers small, the highest possible terminal voltage of the solar cell units is required. This can be achieved by connecting the solar cells in series as shown in Figure 3.

Claims (25)

1. Nutzung der Energie der Sonnenstrahlung durch photovoltaische Zellen in Anlagen, dadurch gekennzeichnet, daß die photovoltai­ schen Zellen auf die Außenhaut von Feselballons aufgebracht wer­ den, die in nach dem Heißluftprinzip in einer von Witterungsein­ flüssen ausreichend freien Höhe über dem Erdboden schweben und die als Stromleitungen für die erzeugte elektrische Energie die Halteseile verwenden.1. Use of the energy of solar radiation by photovoltaic cells in plants, characterized in that the photovoltaic cells are applied to the outer skin of Feselballons who who float in accordance with the hot air principle in a sufficiently free height above the ground and which as Power lines for the generated electrical energy use the tethers. 2. Solaranlagen gemäß Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Aufbringung der Solarzellen verwendeten Teile der Ballon­ hülle ebenflächig ausgebildet werden, Beispiel Bild 1.2. Solar systems according to claim 1, characterized in that the parts of the balloon envelope used to apply the solar cells are formed flat, example Figure 1. 3. Solaranlagen gemäß Patentansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeich­ net, daß im unteren Bereich der Ballons zur Stabilisation der senkrechten Achse Gewichte angebracht werden.3. Solar systems according to claims 1 and 2, characterized net that in the lower part of the balloons to stabilize the vertical axis weights are attached. 4. Solaranlagen gemäß Patentansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die Ballonhülle von mehreren Großteilen gebildet wird, die erst am Auflaßort der Fesselballons zusammengefügt werden.4. Solar systems according to claims 1 to 3, characterized net that the balloon envelope is formed by several large parts, which are only put together at the place where the tethered balloons are released. 5. Solaranlagen gemäß Patentansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die Halteseile aus Duraluminium gefertigt sind.5. Solar systems according to claims 1 to 4, characterized net that the tethers are made of duralumin. 6. Solaranlagen gemäß Patentansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeich­ net, daß die Halteseile aus mehreren Abschnitten mit verschie­ denem, von unten nach oben wachsendem Querschnitt gebildet werden.6. Solar systems according to claims 1 to 5, characterized net that the tethers from several sections with different denem, cross-section growing from bottom to top are formed. 7. Solaranlagen gemäß Patentansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeich­ net, daß zur Vermeidung des Aufschaukelns von Schwingungen der Halteseile Stoßdämpfer verwendet werden.7. Solar systems according to claims 1 to 6, characterized net that to avoid the rocking of vibrations of the Retaining cables shock absorbers can be used. 8. Solaranlagen gemäß Patentansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeich­ net, daß die unteren Aufhängungen für die Halteseile derart ge­ staltet werden, daß sie auch für die Entnahme der von den Halte­ seilen beförderten Ströme geeignet sind.8. Solar systems according to claims 1 to 7, characterized net that the lower suspensions for the tethers so ge stalten that they are also used for the removal of the stops ropes transported currents are suitable. 9. Solaranlagen gemäß Patentansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeich­ net, daß zur Erhitzung der Innenluft Heizstäbe im Balloninnern angebracht werden.9. Solar systems according to claims 1 to 8, characterized net that heating rods inside the balloon to heat the interior air be attached. 10. Solaranlagen gemäß Patentansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeich­ net, daß zur Unterstützung der Innenluftzirkulation im Ballon­ innern Ventilatoren angebracht werden.10. Solar systems according to claims 1 to 9, characterized net that to support indoor air circulation in the balloon be installed inside fans. 11. Solaranlagen gemäß Patentansprüchen 1 bis 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Kühlung der Innenluft im unteren Bereich der Ballons Ventilatoren angebracht werden.11. Solar systems according to claims 1 to 10, characterized records that for cooling the indoor air in the lower area of the Balloons fans are attached. 12. Solaranlagen gemäß Patentansprüchen 1 bis 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Ventilatoren gemäß den Patentansprüchen 10 und 11 aus jeweils zwei oder mehr Ventilatoren bestehen, die mit gegenläufigen Drehrichtungen betrieben werden, so daß auf die Ballons kein Drehmoment ausgeübt wird.12. Solar systems according to claims 1 to 11, characterized records that the fans according to claims 10 and 11 consist of two or more fans, each with opposite directions of rotation are operated, so that on the Balloons no torque is applied. 13. Solaranlagen gemäß Patentansprüchen 1 bis 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Regelung der Luftströmung über den Ventila­ toren gemäß Patentanspruch 11 Rohre von geeigneter Länge ange­ bracht werden.13. Solar systems according to claims 1 to 12, characterized records that to regulate the air flow over the Ventila goals according to claim 11 tubes of a suitable length be brought. 14. Solaranlagen gemäß Patentansprüchen 1 bis 13, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sie mit Einrichtungen zur Variation der freien Längen der Halteseile ausgestattet werden, die eine derartige Ausrichtung von mit Solarzellen belegten Teilen der Ballon­ hülle ermöglichen, daß die auffallenden Sonnenstrahlen optimal ausgenutzt werden.14. Solar systems according to claims 1 to 13, characterized records that they have facilities for varying the free Lengths of the tether can be equipped, such Alignment of parts of the balloon covered with solar cells cover allow that the striking sun rays optimal be exploited. 15. Einrichtungen gemäß Patentanspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß ihre Steuerung unter Verwendung der astronomischen Daten der Sonnenbewegung erfolgt. 15. Devices according to claim 14, characterized in that their control using the astronomical data the movement of the sun takes place.   16. Einrichtungen gemäß Patentanspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß ihre Steuerung unter Verwendung von Peilgeräten erfolgt, die auf die Richtung der auffallenden Sonnenstrahlen ansprechen.16. Devices according to claim 14, characterized in that their control is carried out using direction finders that respond to the direction of the striking sun rays. 17. Einrichtungen gemäß Patentanspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß ihre Steuerung unter Verwendung von Messungen der erzeugten elektrische Leistung erfolgt, indem diese auf einen Maximalwert eingeregelt wird.17. Devices according to claim 15, characterized in that their control using measurements of the generated electrical power takes place by taking this to a maximum value is settled. 18. Solaranlagen gemäß Patentansprüchen 1 bis 17, dadurch gekenn­ zeichnet, daß alle, zusätzlich zur Solarzellenanlage selbst ver­ wendeten elektrischen Ausrüstungen im Normalbetrieb von der Solarzellenanlage und bei deren Abschaltung über die Halteseile von der Erde aus mit Strom versorgt werden.18. Solar systems according to claims 1 to 17, characterized records that all, in addition to the solar cell system ver used electrical equipment in normal operation of the Solar cell system and when it is switched off using the tether be powered from Earth. 19. Solaranlagen gemäß Patentansprüchen 1 bis 18, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Lagerung der Halteseile horizontale, um eine vertikale Achse drehbare Platten, im Folgenden Seilkarussels genannt, verwendet werden.19. Solar systems according to claims 1 to 18, characterized records that for the storage of the tether horizontal to a vertical axis rotatable plates, hereinafter rope carousels called, are used. 20. Seilkarussels gemäß Patentanspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß sie elektrisch gegen Erde isoliert werden.20. Rope carousel according to claim 19, characterized in that they are electrically isolated from earth. 21. Seilkarussels gemäß Patentansprüchen 19 und 20, dadurch gekenn­ zeichnet, daß auf die Platten ringförmige Behälter zur Aufnahme der Halteseile aufgesetzt werden.21. Rope carousels according to claims 19 and 20, characterized records that annular plates for receiving on the plates the ropes are put on. 22. Seilkarussels gemäß Patentanspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmigen Behälter gegen die Platten elektrisch iso­ liert werden.22. Rope carousel according to claim 21, characterized in that the annular container is electrically against the plates be lated. 23. Solaranlagen gemäß Patentansprüchen 1 bis 22, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Halteseile an Ort und Stelle von fahrbaren Verseilmaschinen hergestellt werden.23. Solar systems according to claims 1 to 22, characterized records that the tethers in place of mobile Stranding machines are manufactured. 24. Solaranlagen gemäß Patentansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeich­ net, daß zur Erzeugung einer möglichst hohen Klemmenspannung der Solarzelleneinheiten die Solarzellen gemäß Bild 3 hinter­ einander geschaltet werden.24. Solar systems according to claims 1 and 2, characterized in that in order to generate the highest possible terminal voltage of the solar cell units, the solar cells according to Figure 3 are connected in series. 25. Stabilisationsgewichte gemäß Patentanspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß diese Gewichte als Kranz um die untere Ballonöff­ nung ausgebildet werden.25. Stabilization weights according to claim 3, characterized records that these weights as a wreath around the lower balloon opening be trained.
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