DE2524360A1

DE2524360A1 - Windkraftwerk

Info

Publication number: DE2524360A1
Application number: DE19752524360
Authority: DE
Inventors: Alberto Kling
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1975-06-02
Filing date: 1975-06-02
Publication date: 1977-01-13
Also published as: FR2313577A1; FR2313577B1; DE2542619A1

Description

PATENTANWÄLTE A. GRÜNECKER

DlPU-ING;

H. KINKELDEY

DR-ING.

2524360 ^W- STOCKMAlR

*■ πα im-. AJiPAiTTrW

K. SCHUMANN

OR. BER MAT. DlPU-PHYS

P. H. JAKOB

G. BEZOLD

DR HER M»T- DPL-CHEM.

MÜNCHEN

E. K. WEIL

DR RER OeC IMG

8 MÜNCHEN 22

MAXIMILIANSTRASSE 43

LINDAU

2. Juni- 1975 P. 9334-30/Hä

Alberto Kling

8156 Percha

Am Hügel 14

Win dkr af txire rk

Die Erfindung bezieht sich auf ein Windkraftwerk mit einer Rotoranordnung mit mindestens einem mit einem Stromgenerator gekoppelten Rotor, einer Tragvorrichtung zur Lagerung von Rotoranordnung und Stromgenerator und einer Vorrichtung zur xlusrichtung der Rotoranordnung in die Windrichtung.

Bisher bekannte Windkraftwerke der vorstehend erläuterten Art weisen Tragvorrichtungen auf, welche als Gerüste ausgebildet sind, mittels derer der oder die Rotoren und der damit gekoppelte Stromgenerator am Erdboden abgestützt sind. Derartige Traggerüste sind ortsfest und im übrigen in ihrer Höhe beschränkt, da beim überschreiten einer relativ geringen Höhe der Bauaufwand unangemessen groß wird. Daher

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TELEFON (OBS) 22 as 89 TELEX OS-2938O TELEBHAMME MONAPAT

sind bei diesen bekannten Windkraftwerken die Rotoren . in relativ geringer Höhe über der Erdoberfläche angeordnet und können nur von sehr bodennahen Winden beaufschlagt werden. Die Stärke, Richtung und Häufigkeit bodennaher Winde ist jedoch stark von den geographischen Gegebenheiten abhängig und im übrigen erheblichen Schwankungen unterworfen. Die in großen Bodenabständen vorherrschenden Höhenwinde, die in ihrer Intensität und Richtung sehr viel gleichmäßiger sind als bodennahe Winde können mit den bekannten Windkraftwerken nicht ausgenützt werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Windkraftwerk der eingangs erläuterten Art zu schaffen, welches bei einfachem Aufbau eine wirtschaftliche Ausnutzung und Umwandlung der Windenergie von Höhenwinden in großem Bodenabstand ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Tragvorrichtung mindestens einen aerostatischen, sein Eigengewicht und das Gewicht der übrigen mit ihm verbundenen Vorrichtungen wie Rotoranordnung, Stromgenerator, Ausrichtvorrichtung tragenden Schwebekörper, beispielsweise gasgefüllten Hohlkörper, der über mindestens eine Fesselleine mit einer Verankerung am Erdboden oder einem Schwimmkörper auf See verbunden ist, aufweist.

Bei dem erfindungsgemäßen Windkraftwerk ist die Tragvorrichtung somit nicht mehr als starr mit dem Erdboden verbundenes Traggerüst ausgebildet, sondern als aerostatisch schwebende Vorrichtung, die in die gewünschte Höhe über dem Erdboden gebracht werden kann und dort mittels mindestens einer Fesselleine, die sie mit einer Verankerung am Erdboden oder einem Schwimmkörper, beispielsweise einer

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Schwimmboje verbindet, in der gewünschten Höhe gehalten werden kann. Mittels der schwebenden Tragvorrichtung wird der oder die Rotoren in Höhen gebracht, in denen starke und in ihrer Intensität und Windrichtung relativ geringen Schwankungen unterworfenen Höhenwinde herrschen. Die dort erzeugte Energie kann beispielsweise über eine Stromleitung zur Erde transportiert werden. Dabei ist es beispielsweise möglich, eine Fesselleine gleichzeitig als Stromkabel auszubilden. Es ist beispielsweise auch möglich, die in großer Höhe erzeugte Energie dort unmittelbar zu verbrauchen, beispielsweise zur Speisung eines ebenfalls vom Schwebekörper getragenen Senders oder zur Speisung von optischen Anzeigegeräten, beispielsweise Leuchtschriften, die vom Schwebekörper getragen x^erden. Es ist beispielsweise auch denkbar, die in großer Höhe erzeugte Energie unmittelbar zur Durchführung von Umwelt gefährdenden Prozessen einzusetzen, die in Einrichtungen durchgeführt werden, die ebenfalls vom Schwebekörper getragen werden. Die bei derartigen Prozessen entstehenden Abfallprodukte könnten gegebenenfalls in unschädlicher Höhe an die Atmosphäre abgegeben werden. Die erfindungsgemäßen schwebenden Windkraftwerke haben den weiteren Vorteil, daß sie nicht mit großem Aufwand mit Transporteinrichtungen, beispielsweise mit Zügen oder Lastkraftwagen an den Aufstellungsort transportiert und dort aufgebaut werden müssen, sondern in der Fabrik fertig aufgebaut v/erden können und dann schwebend, sich selbst tragend an den Einsatzort geführt werden können. Erfindungsgemäße Windkraftwerke sind daher unter anderem insbesondere zum Einsatz in unerschlossenen Gebieten, wie beispielsweise in Wüstengebieten und großen Waldgebieten, in denen keine Transportwege bestehen, geeignet. Sie können beispielsweise auch zur Stromversorgung von schwimmenden oder abgesetzten Bohrtürmen auf hoher See verwendet werden.

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Mit Vorteil ist ein Windkraftwerk gemäß der Erfindung so ausgebildet, daß die Rotoranordnung aus mindestens einem Paar koaxial angeordneter, gegenläufiger, drehimpulsausgeglichener Rotoren besteht. Bei einer derartigen Ausgestaltung treten bei einer Lageänderung der sich drehenden Rotoren keine Präzessionswirkungenauf, da sich die Präzessionswirkungen der gegenläufigen Rotoren gegenseitig kompensieren. Eine Ausrichtung der Rotoren in die vorherrschende Windrichtung durch entsprechende Positionssteuerung der Schwebekörper oder durch auf die Rotoren einwirkende Ausrichtvorrichtungen, beispielsweise an die Rotoren tragenden, an den Schwebekörpern gelagerten Gerüsten angebrachte Steuerklappen ist daher rasch und einfach bewerkstelligbar.

Bei dem erfindungsgemäßen Windkraftwerk können Rotoren unterschiedlichster Bauart und Wirkungsweise eingesetzt werden, beispielsweise frontal angeströmte Propeller oder tangential angeströmte Flügelräder oder als 3?lettner-Rotoren ausgebildete sich drehende Zylinder mit Magnuseffekt.

Eine besonders vorteilhafte Kombination von Rotoren und Stromgenerator wird dadurch erreicht, daß jeweils zwei koaxiale und koplanare gegenläufige Rotoren verwendet werden, von denen jeder rings um einen Umfang mit einer Vielzahl von Polen besetzt ist, die mit gegenüberliegenden Polen auf einem Umfang des jeweils anderen Rotors zusammenwirken. Auf diese Weise bilden die gegenläufigen Rotoren die relativ zueinander drehbaren Teile eines Stromgenerators. Durch diese Konstruktion läßt sich eine hohe Stromenergieerzeugung bei geringem Gewicht auf aerodynamisch äußerst günstige V/eise bewerkstelligen.

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Eine günstigeAusbildung des erfindungsgemäßen Windkraftv/erks ist auch dadurch gegeben, daß der Schwebekörper .über eine Gelenkverbindung mit drei Freiheitsgraden, (Kardangelenkverbindung) mit der IPesselleine gekoppelt ist. Durch eine solche Ankopplung ist gewährleistet, daß der Schwebekörper ohne entgegenwirkende äußere Kräfte in die jeweilige gewünschte Position gesteuert v/erden kann. Dabei ist die Anlenkung des Schwebekörpers an der oder den Fesselleinen selbstverständlich so durchzuführen, daß die Schwerpunktslage berücksichtigt ist. Beispielsweise kann eine Anlenkung bei langgestreckten Schwebekörpern vor dem Schwerpunkt sachdienlich sein, oder auch eine Anlenkung im Schwerpunkt. Falls die Fesselleine selbst nur eine geringe Drehsteifigkeit aufweist, gewährleistet sie eine Verdrehbarke it um ihre Achse, so daß dann unter Umständen auf die Ausbildung eines speziellen Gelenks mit drei Freiheitsgraden verzichtet werden kann und eine Anlenkung des Schwebekörpers an der Fesselleine an einem quer zur Fesselleinenachse verlaufenden Kippgelenk den gleichen Effekt erbringt.

ine weitere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Windkraftwerks kann dadurch gegeben sein, daß der Schwebekörper über mehrere Fesselleinen in seiner Position gehalten ist. Auf diese Weise kann bewerkstelligt werden, daß der Schwebekörper im wesentlichen an einer bestimmten Stelle über dem Boden gehalten wird. Es ist auch möglich, einen Schwebekörper mittels mehrerer Fesselleinen so zu fesseln, daß er in einer Parallelführung stets horizontal gehalten ist;, aber in unterschiedliche Höhenlagen bewegbar ist.

Eine günstige Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Windkraftwerks ist auch dadurch gegeben, daß am Schwebekörper mindestens eine Vorrichtung zur Ausrichtung und Haltung in einer gewünschten Position, beispielsweise Höhenruder,

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Seitenruder, Steuerklappen, vorgesehen ist. Kit Hilfe derartiger Ausrichtvorrichtungen ist es möglich, den gefesselten Schwebekörper in einer bestimmten Lage zu halten. Beispielsweise kann dies mit Hilfe von Rudern erfolgen, die unter Ausnutzung des vorbeiströmenden Windes den Schwebekörper in die gewünschte Stellung drücken. Die Ruder können mit Steuervorrichtungen gekoppelt sein und !k ufend verstellbar sein. Es ist aber auch möglich, Ruder in bestimmten Stellungen fest einzustellen und auf diese Weise Kraflwirkungen zur Positionierung des Schwebekörpers auf diese auszuüben. Die Ruder- oder Steuerklappen können am Schwebekörper selbst angebracht sein, sie können auch an am Schwebekörper befestigten "Verlängerungsgerüsten angebracht sein, um auf diese Weise größere Hebelwirkungen hervorbringen zu können.

Eine vorteilhafte Ausbildung eines erfindungsgemäßen Windkraftwerks ist auch dadurch gegeben, daß der Rotor oder die Rotoren in ihrer Lage relativ zum Schwebekörper oder den Schwebekörpern unveränderlich angeordnet sind. Bei dieser Ausgestalt-ung ändert sich bei einer Lageänderung des Schwebekörpers auch die Position der Rotoranordnung relativ zur Windrichtung. Es ist somit bei dieser Ausgestaltung möglich, durch Steuerung der Lage des Schwebekörpers die Stellung der Rotoranordnung relativ zur Windrichtung zu steuern. Bei dieser Ausgestaltung ergibt sich außerdem ein kompakter Aufbau.

Eine andere günstige Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Windkraftmaschine ist dadurch gegeben, daß die Rotoren in ... ihrer Lage zueinander unveränderlich, jedoch relativ zum Schwebekörper oder den Schwebekörpern veränderlich an diesem, bzw. diesen angebracht, beispielsv/eise kardanisch angelenkt, sind. Bei dieser Ausgestaltung kann die Position der Rotor-

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anordnung unabhängig von der Lage des Schv/ebekörpers eingesteuert werden. Man kann daher unter Umständen auf eine Positionssteuerung für den Schwebekörper ganz verzichten und diesen beispielsweise als einfachen Ballon ausgestalten. Die Positionssteuerung der Rotoranordnung ist in einem solchen Falle mittels einer einer unmittelbar auf die Rotoranordnung einwirkenden Ausrichtvorrichtung durchzuführen.

Eine günstige Ausbildung der vorstehend erwähnten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Windkraftwerks wird dadurch erreicht, daß der Rotor oder die Rotoren mit einer Vorrichtung zum Ausrichten in Windrichtung und Halten einer gewünschten Postion, beispielsweise Höhenrudern, Seitenrudern, Steuerklappen, Windfahnen, gekoppelt sind. Derartige Steuervorrichtungen können beispielsweise an Traggestellen angebracht sein, in denen die Rotoranordnung gelagert ist und die ihrerseits an dem Schwebekörper oder den Schwebekörpern angelenkte sind. Die Aus rieht vor richtungen, beispielsweise Seitenruder und/oder Höhenruder können als verschwenkbare Klappen ausgebildet sein, die in Abhängigkeit von einer Steuervorrichtung die RotoranOrdnung unter Ausnutzung der Windkräfte in die Windrichtung stellen.

Bei dem erfindungsgemäßen Windkraftwerk ist hinsichtlich der Ausgestaltung des oder der Schwebekörper eine Vielzahl von Ausgestaltungsmöglichkeiten gegeben. Wie bereits erwähnt, kann der Schwebekörper in manchen Fällen als einfacher Ballon ausgestaltet sein, der keine starre Hülle hat, sondern seine Form nur unter dem Innendruck des Füllgases und dem in der Atmosphäre herrschenden Druck annimmt. Die Anlenkung einer Rotoranordnung an einen solchen Ballon kann beispielsweise mittels eines netzartigen Überwurfs erfolgen, der über

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den Ballon gelegt ist und an seinem unteren Rand eine Gelenkvorrichtung trägt, an der die Rotoranordnung angelenkt ist. Die Anbringung des Gelenks am Ballon kann in ähnlicher Weise erfolgen wie der Passagierkorb bei üblichen Gasballonen. Es ist aber auch möglich, dem Schwebekörper eine sich nicht verändernde Form, beispielsweise eine starre Hülle, zu geben und diese Form nach den aerodynamischen Erfordernissen auszugestalten. Beispielsweise kann die Form des Schwebekörpers ähnlich der bekannter Zeppeline von langgestreckter Tropfengestalt sein. Es kann jedoch auch vorteilhaft sein, den Schwebekörper scheibenförmig oder pilzförmig zu gestalten. Der Schwebekörper kann aus einer "Vielzahl von Hohlkammern aufgebaut sein. Er kann auch als Gerüstkonstruktion mit in dem Gerüst angeordneten separaten Hohlkammern ausgebildet sein. Selb stverständlich ist es auch möglich, mehrere Schwebekörper miteinander zu koppeln, beispielsweise mittels Verbindungsstreben oder eines Verbindungsgerüsts.

Eine günstige Ausgestaltung eines Schwebekörpers eines erfindungsgemäßen Windkraftwerkes kann dadurch erreicht werden, daß ein Schwebekörper als koaxial zu dem oder den Rotoren angeordneter Nabenkörper ausgebildet ist.In einer solchen Ausgestaltung kann der Schwebekörper aerodynamisch besonders günstig im Achszentrum eines Rotors oder zweier koplanarer koaxialer Rotoren angeordnet werden, wobei die Lagerung des oder der Rotoren innerhalb des Schwebekörpers angeordnet werden kann und gegebenenfalls auch der Stromgenerator und Steuergeräte im Schwebekörper untergebracht werden können.

Eine weitere günstige Ausgestaltung kann dadurch erreicht werden, daß ein Schwebekörper als den oder die Rotoren konzentrisch umschließender Ringmantel ausgebildet ist.

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Sine solche Ausgestaltung kann su einer erheblichen Steigerung der Effektivität der Rotoren durch Führung der Windströmung führen. Selbstverständlich kann ein derartiger Ringmantel-Schwebekörper auch in Verbindung mit einem zentralen nabenförmigen Schwebekörper Verwendung finden.

Eine weitere günstige Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Windkraftwerks kann dadurch erreicht werden, daß ein Schwebekörper als aerodynamische Tragfläche ausgebildet ist. In dieser Ausgestaltung ist es möglich, bei dem gefesselten Schwebekörper zusätzlich einen durch den vorbeiströmenden Wind erzeugten aerodynamischen Auftrieb auszunutzen und auf diese Weise die aerostatischen Auftriebskräfte zu verstärken. Ein solcher tragflügelartiger Schwebekörper verhält sich im gefesselten Zustand ähnlich wie ein an einer Fesselleine hängender Drachen. Durch entsprechende Formgebung des tragflächenartigen Schwebekörpers und gegebenenfalls durch Anordnung von Steuerklappen läßt sich auch eine sehr exakte Lagesteuerung des Schwebekörpers erreichen.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Windkraftwerks im Längsschnitt,

Fig. 2 eine Gesamtansicht des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. Λ in noch weiter verkleinertem Maßstab,

Fig. 3 ein Windkraftwerk gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel in perspektivischer Darstellung, teilweise schematisiert,

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5¹12. 4- ein erfindungsgemäßes v/ind>raftwerk gemäß einen dritten Ausführungsbeispiel in perspektivischer Darstellung, teilv/eise schematisiert,

Fig. 5 eine Ansicht des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 4-von unten,

Fig. 6 eine Ansicht des Ausführungsbeispiels gemäß Fig.4-von vorne,

Fig. 7 ein erfindungsgemäßes Windkraftwerk gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel im Längsschnitt, teilweise schematisiert ,

Fig. 8 ein erfindungsgemäßes Windkraftwerk gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel in Vorderansicht, teilweise im Schnitt,

Fig. 9 eine Draufsicht auf das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 8, teilweise im Horizontalschnitt,

Fig.10 einen Querschnitt durch das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 8,

Fig. 11 ein erfindungsgemäßes Windkraftwerk gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel in Seitenansicht,

Fig.12 eine Vorderansicht des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 11, teilweise im Schnitt,

Fig.13 einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Windkraftwerk gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel,

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Pig.14 eine Ansicht des Ausführungsbeispiels gemäß Fig.13 von unten,

Pig.15 eine Ansicht des Ausführungsbeispiels gemäß Pig.13 von hinten,

Pig.16 eine Ansicht des Ausführungsbeispiels gemäß Pig.13 von vorne,

Pig.17 eine schematische perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Windkraftwerks gemäß einem achten Ausführungsbeispiel ,

Pig.18 eine schematische perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Windkraftwerks gemäß einem neunten Ausführungsbeispiel.

In den Pig.1 und 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel des Windkraftwerks dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind zwei koaxiale und koplanare Rotoren 1 und 2 um eine Welle gegenläufig drehbar gelagert. Die Welle ist im mittleren Teil verdickt und als Hohltrommel ausgebildet und trägt dort an ihrem Außenumfang eine Vielzahl mit elektrischen Leitungswicklungen versehene Pole 4, die am Umfang der Trommel verteilt angeordnet sind. Jeder der beiden Rotoren 1 und 2 besteht aus je einem Rotorblattkranz, der jeweils an Streben 6 bzw. 7» <üe zu beiden Seiten der Rotorhauptebene innerhalb des jeweiligen Rotorblattkranzes verlaufen, angehängt ist. Die Streben 6 des äußeren Rotors 1 übergreifen den Innenrotor 2 und sind an ihren inneren Enden unmittelbar an der Welle befestigt. Die Streben 7 des Innenrotors.2 sind an ihren Enden mit Lagerbüchsen verbunden, die drehbar auf der Welle gelagert sind. Dieser Aufbau der Rotoren gewährleistet bei hoher Formstabilität ein sehr geringes Gewicht. Am Innenumfang des Innenrotors 2 ist ene Anzahl von Dauermagnetpolen 5» cLLe mit den Polen der Trommel, die ihrerseits drehfest mit dem äußeren Rotor 1 verbunden sind, zusammenwirken. Durch diese Anordnung bilden die beiden gegenläufigen Rotoren 1 und 2 die relativ zueinander drehbaren Teile eines Stromgenerators 3· Die Rotoren 1 und 2, die gegenläufig umlaufen, sind drehimpulsausgeglichen

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und kompensieren sich in ihrer Kreiselwirkung gegenseitig, so daß an den Endstellen der gemeinsamen Welle auch dann keine Kreiselmoiaente auftreten, wenn eine Lageänderung des gesamten Systems erfolgen sollte.

Die Welle, auf der die Rotoren 1 und 2 gelagert

sind, ist an ihren beiden Enden in einer Gerüstkonstruktion 8 eines Schwebekörpers 9 drehbar gelagert.Die Schwebekörper hat eine langgestreckte aerodynamisch günstige Form mit Kreisquerschnitt und ist so ausgebildet, daß er einen Nabenkörper im Zentrum der Rotoren 1 und 2 bildet. Der Schwebekörper 9 weist in seinem Inneren eine Anzahl von Hohlräumen auf, die mit einem Gas, das leichter als Luft ist, beispielsweise mit Helium, gefüllt sind.

Rings um den Außenumfang des äußeren Rotors 1 herum ist in geringem radialem Abstand ein kreisringförmiger Schwebekörper 10 angeordnet, der als gasgefüllter Hohlkörper ausgebildet ist. Dieser Kreisringkörper 10 ist mittels Streben 11, die das Rotorpaar 1,2 zu beiden Seiten übergreifen, mit dem Gerüst 8 des Schwebekörpers 9 starr verbunden. Die Schwebekörper 9 und 10 bilden ein aerostatisches Schwebekörpersystem, dessen Auftrieb sowohl das Eigengewicht der Schwebekörper als auch das Gewicht der Rotoren, des Stromgenerators und weiterer Einrichtungen trägt. Der Schwebekörper 10 hat darüberhinaus noch die Funktion der Strömungsführung zur Erzeugung einer "Tunnelströmung" des Windes durch die beiden Rotoren. Auf diese Weise wird der Wirkungsgrad der beiden Rotoren stark verbessert. Im übrigen haben auch die Rotoren selbst an ihren Innen- und Außenumfängen geschlossene Ringe, durch die die Strömung geführt und ihre Wirkung verbessert wird. Im unteren Bereich des Außenumfangs des Schwebekörpers 10 ist ein dreiachsiges Kardangelenk 12 befestigt, an dem eine Gruppe von vier Fesselleinen 13 befestigt sind. Die unteren Enden dieser

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Fesselleinen sind ihrerseits an einem GeIenie 14- befestigt, das eine Drehung um eine dritte Achse (Hochachse) zuläi3t und seinerseits an einem schweren Ankerkörper 15 angebracht ist. Dieser Ankerkörper 15, der halbkugelförmig ausgestaltet ist, kann als auf einer Bodenplatte aufruhendes schweres Gewicht angesehen werden, das eine Verankerung des gesamten Systems am Boden darstellt und eine allseitige Beweglichkeit zuläßt. Das Gewicht des Körpers 15 ist so groß, daß ein Hochziehen durch die Schwebekörper 9 vend 10 mit Sicherheit verhindert wird. In Fig. 1 sind die Fesselleinen 13 wegen des großen Haßstabs unterbrochen gezeichnet. In Fig. 2 ist die gesamte Anordnung in kleinem Maßstab nochmals dargestellt. Aus Fig. 2 ist auch erkennbar, daß am nabenförmigen zentralen Schwebekörper 9 am hinteren Ende Steuerflächen 16 und 17» die als Seiten- bzw. Höhenruder wirken, angebracht sein können. Mittels dieser Steuerflächen läßt sich das Schwebekörpersystem 9? 10 und die damit verbundenen Rotoren 1 und 2 in einer der herrschenden Windrichtung entsprechenden Stellung halten, wobei der Wind selbst für eine Ausrichtung der Rotoren in der Windrichtung sorgt. Mittels der Gelenke 12 und 14 ist dabei gewährleistet, daß eine Lageeinstellung der Schwebekörper und der Rotoren unbeeinflußt von der Zugrichtung der Fesselleinen 13 erfolgen kann.

Der im Stromgenerator 3 erzeugte Strom kann mittels einer Stromleitung, von der in Fig. 1 nur der Beginn 18 darge-

*. -,ι4. · α.gegebenenfalls über.Schleifringkontakte _ . , stellt xst,/zum Srdöoden gelextet werden? TJxe Stromlextung kann beispielsweise entlang einer der Streben 11 und weiter entlang einer der Fesselleinen 13 geführt sein. Es ist unter Umständen auch möglich, eine der Streben 11 und eine der Fesselleitungen 13 selbst als Stromleiter auszubilden. Der Strom kann am Erdboden einer Verbrauchsstation zugeführt werden.

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In Fig. 3 ist ein zweites Ausführunssbeispiel eines erfindungsgemäßen Windkraftwerks dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel hat der Sohwebekörper eine langgestreckte tropfenförmige Gestalt ähnlich der eines Zeppelins. Der Schwebekörper kann aus einem starren Strebengerüst, das eine Anzahl gasgefüllter Kammern enthält, aufgebaut sein. Der Schwebekörper hat kreisförmigen Querschnitt. Im vorderen und im hinteren Bereich des Schwebekörpers ist koaxial je ein Rotorpaar mit je zwei gegenläufigen koaxialen und koplanaren Rotoren angeordnet. In jedem dieser Rotorpaare ist die Kreiselwirkung nach außen kompensiert. Beide Rotorpaare sind so am Schwebekörper gelagert, daß sie ihre Stellung relativ zu diesem nicht verändern. Die Rotorpaare treiben einen aus Übersichtlichkeitsgründen nicht dargestellten Stromgenerator an. Die Konstruktion kann im einzelnen ähnlich der anhand der I¹Xg. 1 beschriebenen Konstruktion ausgebildet sein.

Bei diesem Ausführungsbeispiel erfolgt die Lageeinsteuerung des Schwebekörpers und damit auch die Ausrichtung der Rotoren gegenüber der Windrichtung mittels am Endteil des Schwebekörpers angeordneter Höhen- und Seitenruder, die mittels einer, aus Übersichtlichkeitsgründen nicht dargestellten, im Inneren des Schwebekörpers angeordneten Steuervorrichtung verschwenkbar sind. Der Schwebekörper ist an seinem vorderen Ende über ein Kardangelenk am oberen Ende einer ITesselleine, die aus Übersichtlichkeitsgründen ebenfalls nicht dargestellt ist, angehängt. Die Fesselleine ist an ihrem unteren Ende an einer, ebenfalls nicht dargestellten, "Verankerung am Erdboden befestigt. Durch die Anhängung des vorderen Endes des Schwebekörpers an der Fesselleine wird bewirkt, daß der Schwebekörper vom Wind automatisch in dessen Windrichtung ausgerichtet wird. Die Fessel-

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leine kann auch, dazu verwendet werden, den Scliwebekörper und damit das gesamte v/indkraftwerk von einer Stelle zu einer anderen zu schleppen. Zu diesem Zweck ist die Fesselleine an einem entsprechend schweren Erdfahrzeug mit ihrem unteren Ende zu befestigen. Auf diese Weise läßt sich, ein einfacher und billiger Transport des gesamten Windkraftwerks von einem Standort zu einem anderen durchführen. Auch, bei diesem Windkraftxferk kann der erzeugte Strom, über eine nicht dargestellte Leitung entlang der Fesselleine nach, unten geleitet werden.

In den S¹Ig. 4 bis 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des Windkraftwerks dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind drei Schwebekörper 19, 20 und 21 parallel zueinander angeordnet und über ein Gerüst 22 miteinander verbunden. Koaxial zu jedem der Schwebekörper 20 und 21 ist je ein Paar koplanarer gegenläufiger Rotoren 23,24 bzw. 23',24' an diesen Schwebe körpern gelagert. Die Lagerung und Konstruktion der Rotoranordnung im einzelnen kann wiederum analog der anhand der Fig. 1 besprochenen ausgebildet sein. Bei diesem Ausführungsbeispiel treibt jedes Rotorpaar 23,24 bzw. 23', 24' je einen Stromgenerator an. Der in diesen Generatoren erzeugte Strom wird über Leitungen zum Boden geführt, die entlang der Fesselleitung mit der das gesamte Windkraftwerk am Erdboden verankert ist, nach unten geführt. Diese Fessel leitung ist mit ihrem oberen Ende im Schwerpunktbereich. des gesamten Windkraftwerks an der Unterseite desselben angelenkt und zwar an der in Fig. 5 und 6 dargestellten Stelle 25. Die Anlenkung erfolgt mittels eines Kardangelenks, das eine allseitige Bewegbarkeit des Windkraftxverks relativ zum Erdboden ermöglicht. Die Lagestellung des Windkraftwerks relativ zur Windrichtung erfolgt mittels Höhenrudern 26 und Seitenrudern 27, die an den hinteren Enden

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der Schwebekörper 20 und 21 angebracht sind und die mittels nicht dargestellter, im Inneren der Schwebekörper angeordneter Steuervorrichtungen einstellbar sind.

In Fig. 7 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Windkraftwerks im Längsschnitt dargestellt. Bei diesem Windkraftwerk sind wiederum zwei koaxiale, koplanare gegenläufige Rotoren 28 und 29 auf einer gemeinsamen Welle 30 drehbar gelagert. Die Enden der Welle 30 sind in einem Gerüst 31 eines langgestreckten Schwebekörpers 32 mit Kreisquerschnitt befestigt. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Rotorblattkränze der Rotoren 28 und 29 wiederum über zu beiden Seiten der Rotorhauptebene verlaufende Streben 33 bzw. 34 mit Lagerbuchsen der die Welle 30 umschließenden Lager verbunden. Die Lagerbuchsen des äußeren Rotors 28 sind miteinander verbunden und bilden einen Rotationskörper, an dessen Außenumfang mit elektrischen Leitungswicklungen versehene Pole angeordnet sind. Diesen Polen gegenüberliegend sind am Innenumfang des Innenrotors 29 Dauermagnetpole vorgesehen. Beim Umlauf der Rotoren 28 und 29 laufen die mit dem jeweiligen -^otor verbundenen Pole gegenläufig υη so daß die Rotoren 28 und 29 die relativ zueinander verdrehbaren Teile eines Stromgenerators bilden. Der auf diese Weise erzeugte Strom kann über nur schematisch dargestellte Leitungen 35 über Schleifkontakte 36 und weiter über nichtdargestellte Stromleitungen, die entlang einer Fesselleine der Vorrichtung zum Boden führen, einem Verbrauchs aggregat am Erdboden zugeführt werden.

Wie aus Fig. 7 ersichtlich, ist bei diesem Ausführungsbeispiel des Windkraftwerks am vorderen und am hinteren Ende des Schwebekörpers 32 je eine Fesselleine 37 bzw. 38 angebracht. Mittels dieser Fesselleine wird der Schwebekörper 32, der eine Anzahl mit Gas gefüllter Hohlräume enthält, in einer

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bestimmten Position über den Erdboden gehalten. Eine Ausrichtung gegenüber der vorherrschenden Windrichtung ist nur in relativ engen Grenzen oder durch Verstellen der Verankerung am Boden möglich, doch ist andererseits der Aufbau dieses Ausführungsbeispiels des Windkraftwerks sehr einfach und insbesondere zur Verwendung in Gegenden mit weitgehend konstanter Windrichtung geeignet.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel des Windkraftwerks ist in den ?ig. 8 bis 10 dargestellt. Wie insbesondere aus der Schnittansicht in Fig. 9 hervorgeht, ist ein Paar koaxialer, koplanarer gegenläufiger Rotoren 39 und 40 um eine gemeinsame Welle 41 drehbar gelagert. Die Rotoren tragen Magnetpole und bilden die gegenläufigen Teile eines StroI/ⁿH^a££5£e£iie-n ist der Aufbau dieser Rotoranordnung und des Stromgenerators analog dem anhand der Fig. 7 beschriebenen, so daß auf.die dortigen Ausführungen verwiesen werden kann. Wie aus Fig. und 10 ersichtlich, ist die Welle 4-1 mit ihrem vorderen und ihrem hinteren Ende an einem Ring 4-3 gelagert, der seinerseits an diametral gegenüberliegenden Stellen über Achsstummel an einem Ring 44 um eine senkrecht zur Welle 4-1 verlaufende Achse drehbar gelagert ist. Der Ring 44- wiederum ist an diametral gegenüberliegenden Stellen mittels Achsstummeln an zwei Schwebekörpern 45 und 46 um eine senkrecht zur Welle 41 und zur Schwenkachse des Rings 43 bzw. des Rings 44 verlaufende Achse schwenkbar gelagert. Die beiden Schwebekörper 45 und 46 sind über ein Gerüst 47 starr miteinander verbunden. Aus dem Vorstehenden geht hervor, daß bei diesem Ausführungsbeispiel die Rotoren 39 und 40 gegenüber den Schwebekörpern 45 und 46 kardanisch um drei senkrecht zueinander stehende Achsen schwenkbar gelagert sind.

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Bei diesem Ausführungsbeispiel kann auch, der Ring 4-4-zusätzlich zu den Schwebekörpern 4-5 und 4-6 als Schwebekörper ausgebildet sein, der nicht nur zur Strömungsführung beiträgt, sondern auch den aerostatischen Auftrieb des Windkraftwerks erhöht.

Wie aus 2?ig. 8 ersichtlich, sind an den Unterseiten der Schwebekörper 4-5 und 4-6 Fesselleinen 4-8 und 4-8' angelenkt, die mit ihren unteren Enden an einem Gelenk 4-9 zusammengeführt sind. An dem Gelenk 4-9 greift das obere Ende einer zweiten Fesselleine 50 an, die mit ihrem unteren Ende m einem Verankerungsgewicht, beispielsweise einem in Pig. dargestellten Verankerungsgewicht, angelenkt ist. Zur Kompensation des Gewichts der Fesselleine 50 ist an dieser selbst nochmals ein zusätzlicher Schwebekörper 51 angebracht.

Am hinteren Ende des Gerüstes 4-7 sind als Steuervorrichtungen Höhenruder 52 und Seitenruder 53 angebracht, die mittels einer nicht-dargestellten Steuervorrichtung einstellbar sind und mittels derer die Schwebekörper in eine bestimmte Stellung zum Wind gebracht werden können. Bei diesem Windkraftwerk ist wegen der dreiachsigen kardanischen Lagerung des Rotorpaars 39*4-0 an dem Schwebekörper eine zusätzliche Einstellung des Rotorsystems unabhängig von dem Schwebekörper möglich. Hierzu können beispielsweise Elektrostellmotoren verwendet werden, die auf die verschiedenen Achsen der Rotorlagerung einwirken und somit eine Einstellung der Rotoren in die Windrichtung in feinfühliger Weise ermöglichen.

Auch bei diesem Ausf ütirungsbeispiel wird der erzeugte Strom über Sammelleitungen und Schleifkontakte zum Boden geführt, wobei die Elektroleitungen wiederum entlang der -Fesselleinen geführt v/erden können. Aus übersichtlichkeitsgründea sind die Sammelleitungen, die Schleifkontakte und die Stellmo-

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toren sowie in den OchwebekÖrpern untergebrachte Steuereinrichtungen in der Zeichnung nicht dargestellt.

In den Fig. 11 und 12 ist ein Ausführungsbeispiel des Windkraftwerkes in Seitenansicht und in Vorderansicht dargestellt, bei dem ein scheibenförmig ausgebildeter Schwebekörper 54- an seiner Unterseite an einem Strebengerüst 55 zwei Rotorpaare, jeweils bestehend aus gegenläufigen koplanaren Rotoren 56,57 bzw. 56',57',trägt. Die Ausbildung jedes dieser Rotorpaare kann entweder entsprechend dem in Fig. 1 dargestellten Aufbau oder entsprechend dem in I?ig.7 dargestellten Aufbau erfolgen.

Der Schwebekörper 54- der als Strebengerüst mit einer Vielzahl von darin enthaltenen gasgefüllten Hohlkammern ausgebildet sein kann, ist an seiner Unterseite unterhalb seines Schwerpunkts an einer Fesselleine 58 über eine Verbindungslasche 59 angelenkt. Die Rotorpaare sind vor dem Anlenkpunkt entgegen der Strömungsrichtung gesehen, angeordnet. Hinter dem Anlenkpunkt sind, in Strömungsrichtung gesehen, Seiten-. steuerflächen 60 bzw. 61 angebracht. Bei diesen Steuerflächen handelt es sich um starre Flächen, die den Schwebekörper und damit auch die an ihm angebrachten Rotorpaare in Abhängigkeit von der Beaufschlagung durch den Wind in die Windrichtung stellen. Durch die scheibenförmige Ausgestaltung des Schwebekörpers 54· ergibt sich bei Anströmung durch den Wind zusätzlich zum aerostatischen Auftrieb ein aerodynamischer Auftrieb.'"

Der durch die Rotorpaare erzeugte Strom wird über nicht dargestellte Sammelleitungen in der vorstehend bereits mehrmals erläuterten Weise zum Boden zu einer Verbrauchsstation geführt. Es ist aber beispielsweise auch möglich, im Inneren des Schwebekörpers 54- selbst stromverbrauchende Aggregate vorzusehen, beispielsweise Sendeanlagen und dort den von den

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Rotoren und den damit zusammenwirkenden Stromgeneratoren erzeugten Strom zu verbrauchen.

In den Fig. 13 bis 16 ist ein Windkraftwerk dargestellt, bei dem ein als aerodynamische Tragfläche gestalteter Schwebekörper 62 vorgesehen ist. Dieser Schwebekörper v/eist in seinem Längsschnitt ein Tragflügelprofil auf. In Draufsicht gesehen ist der Schwebekörper zu seiner Längsachse symmetrisch ausgebildet. An der Unterseite des Schwebekörpers 62 erstrecken sich im Bereich der Längsmitte Träger 63 und 64· nach unten, an denen über Streben 65 und 66 zwei Rotorpaare mit gegenläufigen koplanaren Rotoren gelagert sind. Der Aufbau und die Wirkungsweise dieser Rotoren kann beispielsweise dem Aufbau in Fig. 1 oder in Fig. 7 entsprechen, so daß auf die dortigen Darstellungen verwiesen werden kann. Zwiscfen den Trägern 63 und 64- ist unterhalb des Schwebekörpers 62 eine "Verbindungslasche 67 schwenkbar angelenkt, deren unteren Ende gelenkig mit einer nicht-dargestellten Fesselleine verbunden ist, die ihrerseits mit einer Verankerung am Erdboden verbunden ist. Im Bereich der Hinterkante des Schwebekörpers 62 sind zu beiden Seiten von dessen Längsmitte Steuerklappen 68 und 69 vorgesehen, mittels derer sowohl eine Höhenlagensteuerung als auch eine Rollsteuerung des Schwebekörpers 62 und damit auch der Rotorpaare erfolgen kann. Bei diesem Windkraftwerk verhält sich der Schwebekörper 62 nicht nur wie ein aerostatischer Schwebekörper sondern gleichzeitig ähnlich wie ein an einer Fesselleine hängender Drachen, der durch die Windanströmung einen aerodynamischen Auftrieb erfährt. Durch die Steuerung mittels der Klappen 68 und 69 lassen sich die Rotoren in die Windrichtung stellen. Der von den Rotoren erzeugte Strom wird wiederum über eine nicht-dargestellte Stromleitung zur Erde geführt.

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In -^?ig. 17 ist schenatisch ein Aiiafilhrungsbeispiel eines Windkraftwerks dargestellt, bei dsm der Schwebekörper als einfacher Ballon ausgebildet ist, an den eine Rotoranordnung an einen Gestell 70 ,das um eine horizontale Querachse 71 schwenkbar am Ballon angelenkt ist, gelagert ist. Die Rohranordnung besteht aus zwei koaxial gegenläufigen Motoren, die auf einem Traggestell 7?- gelagert sind, das seinerseits am Gestell 70 um eine horizontale Achse schwenkbar gelagert ist. Das Traggestell 72 ist nach hinten verlängert und trägt an seinem hinteren Ende einen aerostatischen Schwebekörper 73 _? der dazu dient, das Gestell 72 und damit die Rotoren in einer bestimmten Lage zu halten, unabhängig von der Stellung des Gestells 70. Das Gestell 70 ist an seinem unteren Ende gelenkig an einer Fesselleine 7^ angelenkt, die ihrerseits über eine Ankervorrichtung mit dem Boden verbunden ist. Die Rotoren können bei diesem Windkraftwerk analog der anhand der vorhergehenden Ausführungsbeispiele beschriebenen Rotoren ausgebildet sein oder aber als tangential beaufschlagte Flügelräder oder unter Umständen auch als Flettner-Rotoren ausgestaltet sein.

In Fig. 18 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel schematisch dargestellt, bei dem ein langgestreckter Schwebekörper an seinem hinteren Ende Höhen- und Seitensteuerflächen bzw. 77 aufweist, mittels der er in die V/indrichtung gestellt wird. Am unteren Bereich des Schwebekörpers 75 ist ein dreiachsiges Kardangelenk angebracht, an dem ein Tragrahmen 78 angelenkt ist. In diesen Tragrahmen 78 ist ein Tragrahmen 79 um eine Horizontalachse 80 schwenkbar gelagert. Auf dem Tragrahmen 79 ist ein Rotorpaar drehbar gelagert, das zusammen mit dem Tragrahmen 79 um die Achse kippbar ist. Am hinteren Ende des Tragrahmens 79 ist ein Aerostatkörper 81 angebracht, mittels dessen eine bestimmte Lage des Tragrahmens 79 und damit des Rotorpaares unabhängig von der Stellung des Tragrahmens 78 gewährleistet ist.

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Außerdem sind am hinteren Ende des Gestells 79 Höhen- und Seitensteuerflächen 82 und 83 vorgesehen, mittels derer das Rotorpaar in die Windrichtung unabhängig von der Stellung des Schwebekörpers 75 gestellt werden kann. Am unteren Ende des Tragrahmens 78 ist dieser an einer Pesselleine 84 angelenkt und über diese Leine mit einer Verankerung am Erdboden verbunden. Bei diesem Ausführungsbeispiel erfolgt die Einstellung der Rotoren gegenüber der Windrichtung somit unabhängig von der Stellung des Schwebekörpers 75·

Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Beispielsweise ist es auch möglich, die Schwebekörper pilzförmig oder kugelförmig auszubilden. Anstelle der im einzelnen gezeigten Rotorkonstruktionen können auch tangential beaufschlagte Flügelräder oder Flettner-Rotoren mit Magnusprinzip als Rotoren Verwendung finden.

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Claims

Patentansprüche

J 1.)Windkraftwerk mit einer Rotoranordnung mit mindestens einem mit einem Stromgenerator gekoppelten Rotor, einer Tragvorrichtung zur Lagerung von Rotoranordnung und Stromgenerator und einer Vorrichtung zur Ausrichtung der Rotoranordnung in die Windrichtung, dadurch gekennzeichnet , daß die Tragvorrichtung mindestens einen aerostatischen, sein Eigengewicht und das Gewicht der übrigen mit ihm verbundenen Vorrichtungen wie Rotoranordnung, Stromgenerator, Ausrichtvorrichtung tragenden Schwebekörper, beispielsweise gasgefüllten Hohlkörper, der über mindestens eine Fesselleine mit einer Verankerung am Erdboden oder einem Schwimmkörper auf See verbunden ist, aufweist.
2. Windkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Rotoranordnung aus mindestens einem Paar koaxial angeordneter, gegenläufiger, drehimpulsausgeglichener Rotoren besteht.
3. Windkraftwerk nach Anspruch Λ oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Schwebekörper über eine Gelenkverbindung mit drei Freiheitsgraden (Kardangelenkverbindung) mit der Fesselleine gekoppelt ist.
4-. Windkraftwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Schwebekörper über mehrere Fesselleinen in seiner Position gehalten ist.

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5· Windkraftwerk nach mindestens einen der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet , daß am Schwebekörper mindestens eine Vorrichtung zur Ausrichtung und Halterung in einer gewünschten Position, beispielsweise Höhenruder, Seitenruder, Steuerklappen, vorgesehen ist.
6.Windkraftwerk nach mindestens einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet , daß der Rotor oder die Rotoren in ihrer Lage relativ zum Schwebekörper oder den Schwebekörpern unveränderlich angeordnet sind.
7· Windkraftwerk nach mindestens einem der Ansprüche 1-5₅ dadurch gekennzeichnet , daß die Rotoren in ihrer Lage zueinander unveränderlich, jedoch relativ zum Schwebekörper oder den Schwebekörpern veränderlich an diesem bzw. diesen angebracht, beispielsweise kardanisch angelenkt, sind.
8. Windkraftwerk nach Anspruch 7 ·> dadurch gekennzeichnet , daß der Rotor oder die Rotoren mit einer Vorrichtung zum Ausrichten in Windrichtung und Halten in einer gewünschten Position, beispielsweise Höhenrudern, Seitenrudern, Steuerklappen, Windfahnen, gekoppelt sind.
9. Windkraftwerk nach mindestens einem der Ansprüche 1-ß, dadurch gekennzeichnet , daß ein Schwebekörper als koaxial zu dem oder den Rotoren angeordneter Nabenkörper ausgebildet ist.
10. Windkraftwerk nach mindestens einem der Ansprüche 1-9? dadurch gekennzeichnet , daß ein Schwebekörper als den oder die Rotoren konzentrisch umschließender Ringmantel ausgebildet ist.

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11. Windkraf b'./erk nach mindestens einem der Ansprüche 1-10, dadurch, gekennzeichnet , daß ein Schwebekörper als aexⁿo dynamische Tragfläche ausgebildet ist.
12. Windkraftwerk nach mindestens einem der Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet , .daß eine Anzahl von Schwebekörpern miteinander verbunden sind und gemeinsam die Tragvorrichtung bilden.

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