DE102007011711A1 - Verfahren zur Antizipation von Wellen- und Windbewegungen und zu deren Kompensation - Google Patents

Verfahren zur Antizipation von Wellen- und Windbewegungen und zu deren Kompensation Download PDF

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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63BSHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; EQUIPMENT FOR SHIPPING 
    • B63B39/00Equipment to decrease pitch, roll, or like unwanted vessel movements; Apparatus for indicating vessel attitude

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Abstract

Durch die Beobachtung des Winds (2) und des Wellengangs (5) in der Umgebung eines Schiffes (1) oder einer anderen Anlage werden zukünftige Bewegungen bzw. Lasten in dieser Anlage antizipiert. Ein schnelle Reaktion und ein Ausgleich dieser Bewegungen bzw. Krafteinwirkungen kann insbesondere durch die Regelung eines Rotorkreises erreicht werden, die eine Verdrehung der Rotorblätter (4) bewirkt, womit die Schubkräfte auf diesen Rotorkreis beeinflusst werden und damit die Anlage stabilisiert oder gezielt bewegt werden kann.

Description

  • Aufgabe und Stand der Technik
  • Schiffe, feste Bauwerke und andere Anlagen auf See unterliegen dem Einfluß der Wellen. Als Schiff angesprochen sind im folgenden alle Arten von auf dem Wasser schwimmenden Fahrzeugen, einschließlich der größenbedingt häufig als Yacht oder Boot bezeichneten Schiffe sowie halbtauchender Plattformen und antriebslose, schwimmende Anlagen und Schuten.
  • Den Windkräften und dadurch ausgelösten Bewegungen ausgesetzt sind neben den Schiffen insbesondere hängende Gegenstande, in deren Aufhängung Schaukelbewegungen entstehen können.
  • Unerwünscht sind insbesondere die Entstehung von Bewegungen, die hieraus resultierende Seekrankheit bei Menschen und die Entstehung von zu Materialermüdung führenden Wechsellasten sowie die Gefahr des Aufschaukelns von Schwingungen.
  • Schiffstransporte zu Zielen auf hoher See bzw. zu wenig geschützten Anlegestellen werden durch die Relativbewegungen zwischen dem durch Wellen bewegten Schiff und dem feststehenden Zielort erschwert. Unerwünscht ist insbesondere ein Aufstoßen eines bewegten Gegenstands gegen das ruhende Ziel, an dem er abgesetzt werden soll, etwa bei der Übergabe von Gütern zu einer feststehenden Offshore-Plattform bzw. zu einer Absetzstelle auf dem Meeresboden. Das gleiche gilt für das Umladen auf See zwischen zwei Schiffen und das Absetzen eines kleineren (Rettungs- oder Lande-)Bootes von einem größeren Schiff aus. Entsprechende Probleme stellen sich auch beim Übertritt von Menschen von einem Schiff zum anderen (z. B. im Lotseneinsatz), vom Schiff ins Wasser (z. B. bei Taucheinsätzen) bzw. von einem Schiff zu einer festen Installation im Meer (z. B. zur Wartung an offshore-Windturbinen). Die Gefahr von stärkeren Stößen ergibt sich ebenfalls beim Absetzen der Beine einer Hubinsel bzw. eines Hubschiffes (jack-up) am Meeresboden.
  • Insbesondere bei kranartigen Aufbauten, Hubbühnen oder anderen Kragarmen verstärkt sich die Wirkung von Drehbewegungen des Schiffes zusätzlich durch den größeren Abstand zum Mittelpunkt des Schiffes bzw. der Drehbewegung.
  • Beim Übergang zwischen einem festeren Objekt (z. B. einer offshore-Windturbine oder einem größeren Schiff) und einem stärker bewegten Objekt (z. B. einem kleineren Schiff oder Boot) kommt die Erzeugung von Bewegungen in Frage, die den Bewegungen des stärker bewegten Objekts folgen, um einen stoßfreien Übergang zu erhalten: Davits zum Aussetzen und Bergen von Rettungsbooten aus Schiffen werden regelmäßig mit einer passiven Vorrichtung zum Ausgleich des Wellengangs ausgerüstet, bei der eine Winde den Bewegungen des Bootes folgend ein- und ausgefahren wird und eine ständige Vorspannkraft herstellt.
  • Konventionelle Seegangsfolgeeinrichtungen folgen den vorhandenen Bewegungen eines Schiffes. Nachdem ein mit dem Schiff verbundener Kragarm bzw. eine am Ende des Kramarms befestigte Plattform unmittelbar den Bewegungen des Schiffes folgt, müßte eine Regelung diese Bewegungen zeitgleich kompensieren können, um Regelabweichungen zu vermeiden.
  • Bei rein passiven Seegangsfolgeeinrichtungen, etwa Federn, die ein Seil gespannt halten, gelingt die verzögerungsfreie Bewegungsfolge recht gut. Die bekannten Lösungen sind jedoch häufig auf Anwendungsfälle mit geringer Belastung beschränkt. Im Falle eines Hubseiles etwa erfolgt die Seegangsfolge oft nur zur Straffhaltung des Seils im Zeitraum bis kurz vor dem Anheben, also bevor die eigentliche Last gehoben wird, die eigentliche Anhebung erfolgt dann ohne Wirkung der Seegangsfolgevorrichtung durch zügiges Anheben in einem günstigen Moment.
  • Dies ist ausreichend beim Anheben eines Gegenstands von einem bewegten Schiffsdeck, bzw. beim Anheben eines Rettungsboots von der Wasseroberfläche, wenn der Gegenstand bzw. das Boot sodann schnell genug aus dem Bereich der Bewegungen entfernt wird. Möglichst erfolgt dabei die Auslösung des Hubs unmittelbar vor Erreichen des Wellenbergs. In Gegenrichtung wird ab dem Absetzen eines schwimmenden Körpers auf der Wasseroberfläche angestrebt, dass das Hubseil nur noch geringfügig gestrafft bleibt.
  • Gefederte Lösungen haben grundsätzlich den Nachteil, dass sie eine Regelabweichung entsprechend der Federkonstante auf einweisen. Ein Lastwechsel (z. B. Gewichtsübergang zum Gegenüber) führt daher auch zu einer Bewegung der Seegangsfolgeeinrichtung.
  • Andere Vorrichtungen erfassen die durch die Wellen ausgelösten Bewegungen eines Schiffes und erzeugen dem entgegengesetzte Bewegungen, um etwa eine auf dem Schiff montierte Plattform zu stabilisieren. Ein Beispiel hierfür ist eine als Ampelmann bezeichnete Entwicklung der TU Delft (vgl. NL 000001027103C bzw. www.ampelmann.tudelft.nl), bei der Bewegungen und Beschleunigungen an einer Stelle des Schiffes mit einem Gyrokompass gemessen und in erwartete Bewegungen und Verschiebungen an anderen Stellen des Schiffes umgerechnet werden, womit die Steuerung einer stabilisierten Plattform erfolgen soll. Wird auf dieser Plattform der Fußpunkt eines Kragarms aufgesetzt, hat die unbewegte Positionierung der Plattform zur Folge, dass auch keine Bewegungen mehr verbleiben, die sich durch die Länge des Kragarms verstärken.
  • Ein Schiff kann auch durch Umpumpen von Wasser stabilisiert werden, bei bewegtem Schiff können mit Stabilisierungsflossen(Roll-)Bewegungen vermindert werden. Bekannt ist auch, dass ein (Stütz-)Segel zur Stabilisierung im Wellengang beiträgt.
  • Bei höheren Lasten und bei aktiv durch die Regelung in das System eingebrachter Energie zur Ansteuerung braucht es regelmäßig eine gewisse Zeit, bis sich ein Steuerimpuls auch in einer tatsächlichen Bewegung des Antriebs auswirkt. Bis dahin ist evtl. bereits eine zu große Regelabweichung entstanden.
  • Die Reaktion auf festgestellte Bewegungen des Schiffes kann in an sich bekannter Weise dadurch beschleunigt werden, dass ein Differentialregler verwendet wird, der bereits auf marginale Änderungen der Bewegung bzw. der Ursprungsposition reagiert, und nicht erst nach Entstehen einer größeren Regelabweichung. Allerdings besteht die Gefahr des Aufschwingens, wenn eine Regelung zu stark auf eine Abweichung reagiert, bzw. ein Differentialregler stark auf Veränderungen reagiert.
  • Geübte Kranführer berücksichtigen die Schwingungen und die Schwingperiode von Gegenständen, die an Seilen an dem Kran hängen, wenn sie selber Bewegungen des Krans oder des Gegenstands ausführen. Eine Reaktion auf von außen aufgeprägte Bewegungen ist zwar ebenfalls theoretisch möglich, aber sehr schwierig. Hängende oder zu Schwingungen neigende Gegenstände müssen daher zusätzlich durch seitlich angreifende Seile gehalten oder durch Bewegungsdämpfer stabilisiert werden.
  • All diesen Vorrichtungen oder Vorgehensweisen ist weiterhin gemeinsam, dass derartige Vorrichtungen erst an einem vergleichsweise spätem Zeitpunkt der Kausalkette angreifen:
    Beispielsweise führen die Teilchenbewegungen im Wasser zum Auftürmen von Wellenbergen. Die gegen das Schiff auflaufende Wellen führen zu erhöhtem Auftrieb und zu Kräften gegen die Schiffsflanken. Durch diese Kräfte wird das Schiff beschleunigt. Durch die Massenträgheit kommt erst allmählich eine Bewegung des Schiffes zustande und schließlich eine Strecke, um die sich auch die Plattform bewegt hat. Eine Regelung, die erst auf diese Bewegung des Schiffes reagiert, kommt daher zu spät.
  • Erfinderischer Grundgedanke
  • Erfindungsgemäß soll eine Gegenwirkung nun früher eingeleitet werden.
  • Es sollen bereits Informationen über die Eingangsgrößen gesammelt werden, die anschließend zu einer (Schiffs-)Bewegung führen werden. Damit kann die Kompensation dieser Bewegung bereits eingeleitet werden, während es erst zu der (Schiffs-)Bewegung kommt bzw. in der Zeit, in der es ohne den kompensierenden Eingriff zu der Bewegung kommen würde. Hierzu ist also eine Beobachtung der Wasserbewegungen in der Nähe des Schiffes oder – wenn etwas später angesetzt wird – des Wasserstands am Schiffsrumpf erforderlich.
  • Hierzu sollen als erste Maßnahme die Wellen beobachtet werden, bevor sie eine Wirkung auf das Objekt ausgelöst haben (Anspruch 1), bzw. der Wind (Anspruch 3).
  • Bevorzugt sollen die durch die Wellen ausgelösten Schiffsbewegungen vorweggenommen werden, um eine diese ausgleichende Gegenbewegung frühzeitig einzuleiten. Die Kraftwirkung von Wellen auf Schiffe beruht zu einem guten Teil auf dem Auftrieb, der wegen dem unterschiedlichen Wasserstand im Wellenberg bzw. Wellental zu Bewegungen des Schiffes führt. Die Kraftwirkung kann somit in erster Näherung durch den Wasserstand am Rand des Schiffes vorhergesagt werden: Steigt der Wasserstand etwa am Bug des Schiffes durch Kontakt mit einem Wellenberg an, ist mit geringer Zeitverzögerung auch mit einem Anheben des Bugs zu rechnen (Anspruch 11). Die Zeitverzögerung kommt vor allem aufgrund der Trägheitswirkung der Schiffsmasse zustande. In einer Darstellung der Bewegungsgleichung würde die Schiffsbewegung durch das Integral über die Wellenkräfte erklärt werden.
  • Durch Koppelung der Gegenreaktion an die auslösende Ursache (Welle) statt an die Wirkung (Schiffsbewegung) kann eine Gegenbewegung nun viel schneller ausgelöst werden. Dies ist besonders deshalb von Bedeutung, weil die Ansteuerung einer Gegenbewegung ebenfalls Zeitverzögerungen unterliegt, etwa bis zur Aktivierung von Antrieben.
  • Nicht nur der Auftrieb, sondern auch der Strömungswiderstand des Schiffsrumpfes bzw. des Gegenstands im Wasser spielt eine Rolle für die Entstehung von Kräften. Bei den Wellenkräften auf Rohrtürmen, die im Meeresboden verankert sind, spielt der Auftrieb ohnehin keine Rolle. Auch die Bewegung eines solchen Turms ist gegenüber der Wellenbewegung gering und vor allem insofern von Bedeutung, als eine Bewegung des Turms mit einer Verbiegung des Turms und damit der Entstehung von Kräften in der Turmstruktur verbunden ist.
  • Eine über den Wasserstand an der Struktur hinausgehende Kenntnis der Wasserbewegungen um den Schiffsrumpf bzw. die Struktur verbessert daher die Regelmöglichkeiten.
  • Sollen die entstehenden Bewegungen bzw. Lasten vermieden werden, ist es noch wirksamer, zu reagieren, bevor die entsprechenden Wasserbewegungen die Anlage erreichen. Auch beim Ausgleich von Schiffsbewegungen ist es effektiver, die Bewegung des Wassers nicht erst dann zu berücksichtigen, wenn sie den Rand des Schiffes erreicht haben. Die Möglichkeit, Wasserströmungen mit akustischen Mitteln zu erfassen, wird durch Schiffsgeräusche beeinträchtigt. Der Wasserstand ist die am besten zugängliche Information (vgl. Anspruch 13).
  • Die genannten Bewegungen sind direkt oder indirekt mit dem Wind verbunden, der zu Bewegungen führt bzw. die Wellenentstehung antreibt. Bei einem Schiff oder einem frei hängenden Gegenstand fehlt die Möglichkeit, eine Gegenkraft durch Abstützung auf dem Erdboden zu erzeugen.
  • Die Erzeugung einer Gegenkraft kann stattdessen vorteilhaft durch gezielte Nutzung und Steuerung der Windkräfte bewirkt werden (Anspruch 18). Eine weitere, bevorzugte Maßnahme zur Erzielung einer frühzeitigen Reaktion ist daher die Verwendung einer Windturbine mit pitch-Verstellung mit rotierenden und zusätzlich um ihre Längsachse verstellbaren flachen Rotorblättern, bzw. die Verwendung einer ähnlich funktionierenden, vorrangig nicht auf Energiegewinnung abzielenden Vorrichtung mit rotierenden Rotorblättern; als Rotorblätter werden hier generell die einen Schubwiderstand im Wind erzeugenden flachen Gegenstande gerechnet, die um eine Rotorachse kreisen. Die überstrichene Fläche wird als Rotorfläche bezeichnet.
  • Diese Schubwirkung des Windes auf den Rotorkreis, genaugenommen gezielte Veränderungen der Stärke der Schubkraft, sollen nun zur Stabilisierung eingesetzt werden.
  • Durch die Kreisbewegung des Rotorblattes bzw. der Rotorblätter wird eine Rotorfläche überstrichen, die groß ist im Vergleich zur Fläche eines Rotorblattes. Für die Schubwirkung auf das kreisende Rotorblatt ist in erster Linie die Fläche des Rotorkreises maßgeblich, nicht die Abmessungen der Rotorblattes. Wegen seiner länglichen Form erfordert eine Verdrehung des Rotorblattes um seine Längsachse relativ geringe Kräfte und kann deshalb vergleichsweise schnell erfolgen. Damit kann das Rotorblatt sehr schnell zwischen einer Position senkrecht zum Rotorkreis bzw. zur Anströmrichtung (geringe Schubkräfte) und quer zum Rotorkreis (hohe Schubkräfte) verstellt werden. Die Rotorblattverstellung bietet daher eine Möglichkeit zur sehr zügigen Veränderung der Schubkraft des Windes. Bei Windturbinen wird diese Möglichkeit u. a. zur Begrenzung von Extremlasten genutzt, insbesondere bei Böen kann eine schnelle Abregelung der Windturbinenleistung erreicht werden.
  • Im normalen Betriebszustand von Windturbinen wird die Rotorblattverstellung dazu genutzt, den Rotor so zu verstellen, dass die Stromerzeugung maximiert wird, bzw. dass sie bei starker Wind entsprechend der maximalen Leistung des Generators eingestellt wird. Eine Verstellung der Rotorblätter nach anderen Gesichtspunkten ist regelmäßig nicht vorgesehen.
  • Durch eine auf die Schubkraftentstehung abzielende Steuerung eines Rotorblattes können nun bei genügendem Wind Kräfte quer zum Rotorkreis in kurzer Zeit auf- und abgebaut werden. Durch eine Drehung des Rotorkreises bzw. der Rotorebene schräg zur Windrichtung (statt senkrecht zur Windrichtung, wie es zur Windenergieerzeugung zweckdienlich ist) kann auch die Richtung dieser Kräfte beeinflußt werden. Gelingt es, das Rotorblatt während des Umlaufs wiederholt so zu verstellen, dass sich auf verschiedenen Seiten des Rotorkreises während des Umlaufs jeweils unterschiedlich starke Schubkräfte ergeben, kann damit auch ein Drehmoment erzeugt werden.
  • Auch durch die Anordnung mehrerer solcher Rotoren, vorzugsweise mit genügendem Abstand an Hebelarmen beidseitig eines zu stabilisierenden Objektes, an denen in unterschiedlicher Weise Schubkräfte erzeugt werden, kann ein Drehmoment bewirkt werden.
  • Bei Schiffen kann die Anordnung eines derartigen Rotorpaares im vorderen und hinteren Teil des Schiffes bei seitlichem Wind dazu genutzt werden, die Gierbewegungen des Schiffes auszugleichen. Sofern dabei gleichzeitig Drehmomente um die Längsachse des Schiffes entstehen, die Rollbewegungen auslösen würden, können diese zusammen mit den wellenbedingten Rollbewegungen durch Ansteuerung der Stabilisatorflossen des Schiffes ausgeglichen werden, da Rollbewegungen fahrender Schiffe von solchen Stabilisatoren vergleichsweise gut kompensiert werden können. Sind der vordere und der hintere Rotor gleich hoch über der Rollachse des Schiffes angebracht und werden sie so angesteuert, dass die Summe der Schubmomente auf die Rotoren gleich bleibt, und sie nur unterschiedlich auf beide Rotorflächen verteilt werden, entstehen erst gar keine Rollbewegungen durch den Rotorbetrieb. Durch Auf- und Abbau der Schubkräfte an beiden Rotoren gleichzeitig können Rollbewegungen eingeleitet werden bzw. kann der Entstehung von Rollbewegungen aus Wellenkräften entgegengewirkt werden.
  • Bei Gegen- oder Rückenwind kann ein Rotor, der in genügender Höhe angebracht ist, Nickbewegungen bewirken bzw. unerwünschten Nickbewegungen entgegenwirken.
  • Eine weitere Anwendung der Erfindung ist der Ausgleich der Schaukelbewegung von hängenden Gegenständen, etwa Bergbahnen oder von Kränen gehobenen Gegenständen, durch entsprechend angebrachte Rotorkreise. Da die unerwünschten Bewegungen hier durch Windkräfte entstehen, ist in der Regel auch genügend Wind vorhanden, um eben diesen Bewegungen entgegenzuwirken.
  • Auch ohne besondere Regelung der Schubkraft wirken derartige Rotoren in der Regel dampfend auf Bewegungen senkrecht zum Rotorkreis, sofern es nicht zu einem Strömungsabriß an den Rotorblättern kommt. Ohne Regelung könnte ein Rotor, der mit einem hängenden Gegenstand mitschaukelt, einerseits die Schaukelbewegungen dampfen, sie andererseits durch die vergrößerte wirksame Fläche auch verstärken. Eine Abweichung von der Senkrechten des hängenden Seils durch die Wirkung der Schubkraft ist allerdings unvermeidlich. Mit einem geregelten, die Schubkraft stabilisierenden Rotor kann aber auch diese Abweichung in einer festen Schräglage stabilisiert werden, so dass auch insofern eine konstante Position des etwa von einem Kran gehobenen Gegenstands erreicht werden kann (Anspruch 21).
  • Besondere Bedeutung hat diese Anwendung bei Gegenstanden mit großen Abmessungen im Vergleich zu ihrem Gewicht, bei großen schwingenden Seillängen bzw. Hubhöhen, und bei starken Windgeschwindigkeiten, wie sie auf See und bei großen Hubhöhen häufig vorkommen.
  • Weitere Anwendungsmöglichkeiten bestehen im Betrieb im labilen Gleichgewicht oder näher an Grenzzuständen (vgl. 4).
  • Detaillierte Beschreibung
  • Eine regelnde Handlung soll gemäß Anspruch 1 bzw. 3 eingeleitet werden, bevor eine von den Wasserbewegungen bzw. vom Wind ausgelöste Bewegung der Anlage festgestellt wird.
  • Die Wellen (Anspruch 1) bzw. der Wind (Anspruch 3) werden in der Nähe beispielsweise eines Schiffes erfaßt, daraus werden Erkenntnisse über die künftige Bewegung des Schiffes abgeleitet und diese Information wird für die Regelung genutzt.
  • Der Regeleingriff kann zu einer Stabilisierung des gesamten Schiffes (Anspruch 1) oder zur Stabilisierung von Aufbauten bzw. von damit verbundenen Objekten (Anspruch 4 ff.) dienen. Bei den Aufbauten kann es sich um Kräne handeln, an denen Objekte hängen, deren Vertikalbewegung durch die Ansteuerung von Winden gesteuert wird (Anspruch 9). Bei den Aufbauten kann es sich auch um Ausleger bzw. Kragarme mit einer Plattform bzw. Standfläche handeln, die z. B. zum Übertritt von dem Schiff auf ein festes Bauwerk, als Arbeitsbühne oder als Absetzfläche für aufzunehmende oder zu übergebende Gegenstände genutzt wird (Anspruch 7). Bei Transporten bzw. dem Übertritt von Menschen zwischen zwei Schiffen würde die Regelung Bewegungen der Aufbauten gegenüber dem anderen Schiff bzw. gegenüber Aufbauten an dem anderen Schiff infolge Bewegungen der ersten Schiffes möglichst vermeiden, und ggf. die Bewegungen des anderen Schiffes nachbilden.
  • Insbesondere kann bei während einer Welle ansteigendem bzw. absteigendem Wasserstand eine bevorstehende Aufwärtsbewegung einer schwimmenden Anlage bzw. einer Seite derselben durch eine Gegenbewegung eines beweglichen Aufbaus bzw. von Aufbauten kompensiert werden.
  • Beim Erkennen einer zu starken, nicht mehr vollständig kompensierbaren, bevorstehenden Krafteinwirkung oder Bewegung des Schiffes kann eine Warnung ausgelöst werden, und dann ein Anheben oder Wegschwenken des an sich zu stabilisierenden Gegenstands erfolgen. Etwa könnte ein ursprünglich gegenüber den Bewegungen des Schiffes stabilisierter Kragarm, der zu einem feststehenden offshore-Bauwerk reicht, aus dem Bereich in der Nähe des Bauwerks weggeschwenkt werden. Dies würde aber einige Sekunden vorher angekündigt, damit Personen in diesem Moment keinen Übertritt mehr zwischen Kragarm und Plattform vornehmen und sich Personen auf dem Kragarm vor Beginn der Bewegung festhalten können.
  • Anspruch 1 zielt auf den möglichst ständigen Ausgleich der (Wellen-)Bewegungen, während Anspruch 2 eine Reaktion für besondere Situationen vorsieht.
  • In einer einfachen Ausführung gemäß Anspruch 4 könnte die Regelung den Wasserstand an unterschiedlichen Seiten des Schiffes erfassen, und bei zunehmendem Wasserstand einen Antrieb so steuern, dass sich dadurch eine Bewegung eines zu stabilisierenden Aufbaus gegenüber dem Schiff ergibt, die der von den Wellen ausgelösten Bewegung des Schiffes gegenläufig ist, so dass sich beide Bewegungen möglichst kompensieren und damit eine relevante Stelle an dem Aufbau stabilisiert wird. Bei dem Aufbau kann es sich insbesondere um einen Kragarm (Anspruch 7) handeln, mit dem ein Übertritt von dem Schiff zu einer feststehenden meerestechnischen Installation ermöglicht werden soll, oder um eine Plattform bzw. Standfläche (Anspruch 8), bei der insbesondere die Übergabe von Lasten zwischen der in vertikaler Richtung stabilisierten Plattform bzw. Standfläche auf dem Schiff und einer zu dem festen Bauwerk gehörigen Seilwinde stattfinden kann.
  • Umgekehrt kann eine ähnliche Steuerung von Aufbauten an einem festen Bauwerk die Aufbauten so steuern, dass Bewegungen des Schiffes gefolgt wird (Anspruch 6).
  • Die Kompensation kann insbesondere bei an einem Seil hängenden Gegenstand in vertikaler Richtung durch Betätigung einer Winde erreicht werden (Anspruch 9 und 10). Dabei kann bei ansteigendem oder absteigendem Wasserstand eine bevorstehende Aufwärtsbewegung oder Abwärtsbewegung einer schwimmenden Anlage bzw. einer Seite derselben durch eine entgegengesetzt wirkende Bewegung der Winde ausgeglichen werden, die ein Seil auf- oder abwickelt, an dem ein Gegenstand hängt, dessen vertikale Position auf diese Weise beruhigt wird.
  • Dabei ist vorteilhaft, dass Bewegungen des Aufhängepunkts in horizontaler Richtung durch Pendelbewegungen an dem Seil ausgeglichen werden können, die ggf. durch relativ schwache äußere Kräfte gesteuert werden können. Eine Steuerung des hängenden Gegenstands ist auch auf nachstehend erläuterte Weise (Anspruch 18, 21) möglich.
  • Für die Steuerung der Aufbauten kann es sinnvoll sein, einen getriebelosen Ringgenerator oder einen hydraulischen Antrieb zu verwenden; weil damit im Falle eines unerwünschten Aufstoßens ein „Durchschlupfen" des Antrieb gegenüber der Stoßbewegung stattfinden kann, wie es bei einem Antrieb mit Getriebe schwerlich möglich wäre, und weil anschließend wieder eine Kraftübertragung einsetzen kann. Zusätzlich zu dem regulären Antrieb kann eine Bremse angeordnet werden.
  • Eine analytische Herleitung der ausgelösten Bewegungen und der erforderlichen steuernden Eingriffe in den Regelkreis nach physikalischen Gegebenheiten unter Beachtung der mechanischen Zusammenhänge wäre möglich (Ansprüche 13, 14). Denkbar wäre es beispielsweise, während des Betriebs fortlaufend ein strömungsmechanisches finite-Elemente-Modell des Schiffes und des umgebenden Wassers in Gang zu halten, mit dem die erwarteten Wirkungen der Wasserbewegungen auf das Schiff sowie die Wirkung der Gegenmaßnahmen prognostiziert werden. Stattdessen könnte aber auch ein adaptives bzw. ein selbstlernendes Verhalten der Regeleinrichtung programmiert werden, etwa mit einer Fuzzy-Logik (vgl. Anspruch 15).
  • Für selbststeuernde Lerneffekte der Regelung kann eine Erfolgskontrolle dadurch stattfinden, dass die tatsächliche Bewegung an der zu stabilisierenden Stelle mit Hilfe geeigneter Mittel wie GPS-Positionsbestimmung, Beschleunigungssensoren oder Messung der Abstände zu dem zu folgenden bzw. dem feststehenden Objekt bestimmt wird.
  • Die Ansprüche 11 und 13 beschreiben mögliche Messungen bei Wasserwellen und damit die Erfassung der Eingangsgrößen des Regelkreises.
  • Eine Erfassung des Wasserstand an einem Schiff bzw. für bessere Prognosen eine flächenhafte Erfassung der Wellen in der Umgebung eines Schiffes oder eines Bauwerks ist möglich u. a.
    • – durch optische Beobachtung der Wasseroberfläche, vorzugsweise stereoskopisch;
    • – durch Abtastung der Wasseroberfläche mit elektromagnetischen Wellen wie Laser oder Radar;
    • – durch Drucksensoren, etwa Messung des Wasserdrucks am unteren Teil der Schiffswand (höherer hydrostatischer Druck bei einem Wellenberg);
    • – durch Messung des elektrischen Widerstands an mehreren übereinander angeordneten Aufnehmern am Schiffsrumpf bzw. mit größeren, vertikal am Schiffrumpf befestigten Meßaufnehmern (hoher Wasserstand führt zu verstärktem Stromfluß in das elektrisch leitende Seewasser);
    • – theoretisch könnte die Erfassung des Wasserstands auch mit von dem Schiff auskragenden Auslegern, mit mechanischen Meßaufnehmern an in etwas Abstand angeordneten Meßbojen oder an festen Bauwerken, an denen das Schiff anlegt, erfolgen, wenn sich diese Meßstellen in Wellen- oder Windrichtung vor dem Schiff befinden.
  • Sinnvoll wären mindestens sechs Meßpunkte in Ecklage und beidseitig der Schiffsmitte; im Falle der elektrischen Widerstandsmessung jeweils mit mehreren Sensoren übereinander. Dies sollte möglichst in Kombination und im Abgleich mit einer Positionsbestimmung (der Ausrichtung bzw. Schräglage) des Schiffes erfolgen; letztere kann mittels GPS erfolgen.
  • Zusätzlich zur Messung des Wasserstands könnte eine Messung der Teilchenbewegung im Wasser erfolgen, etwa durch
    • – Akustische Verfahren (Dopplereffekt),
    • – Druckmessung an Meßaufnehmern, die einen Strömungswiderstand im Wasser darstellen, für die Praxis erscheint dies aber weniger aussichtsreich.
  • Bei einem Übertritt zwischen zwei Schiffen, etwa durch einen Lotsen, kann die Beobachtung der Wasseroberfläche dazu genutzt werden, außer den Bewegungen des Lotsenversetzbootes auch die Bewegung des anderen Schiffes zu prognostizieren, so dass auch diesen gefolgt werden kann.
  • Art des Ausgleichs
  • Der Ausgleich von Wasserwellen kann zunächst mit an sich bekannten Ausgleichsmechanismen wie Stabilisierungstanks erfolgen (vgl. Anspruch 16). Je nach Aufgabenstellung kann ein Ausgleich nur in einer Bewegungsrichtung erfolgen (z. B. Ein- und Ausfahren einer Winde, um einen hängenden Gegenstand zu stabilisieren oder einen Gegenstand an einer feststehenden Winde den Bewegungen eines Schiffes folgen zu lassen), in zwei oder drei Bewegungsrichtungen (z. B. Stabilisierung der Position einer von einem Schiff auskragenden Plattform, von der ein Übertritt zu einer festen Anlage erfolgt) oder mit bis zu sechs bewegten Steuerelementen (Stabilisierung der Position und gleichzeitig der Schräglage einer Plattform) erfolgen. Auch eine Kombination solcher Mechanismen kann vorteilhaft sein. Beispielsweise kann mit einem Teil der Steuerelemente die Stabilisierung vorrangig der Schräglage einer Zwischenplattform erreicht werden, die aber noch vertikalen Bewegungen des Schiffes folgt, so dass ein dort befestigter, weit auskragender Ausleger nicht die Verdrehungen der Schiffsrumpfes in starke radiale Bewegungen verstärkt, während eine zusätzliche Verstellmöglichkeit des Auslegers größere Auf- und Abbewegungen des Schiffes ausgleicht, die über die Ausgleichsmöglichkeiten der vorgenannten Plattform hinausgehen.
  • Zwei weitere Ausgleichsmechanismen sind in Anspruch 16 bzw. 17 beschrieben.
  • Soweit ein Schiff mit einer auf Zug belasteten Seilverbindung auf dem Meeresboden verankert ist, etwa gemäß US-Patent 6,964,552 , 5 mit Saugpfählen bzw. gemäß Patentanmeldung DE 10 2006 056 772 mit dort ruhenden Gewichten verbunden ist, verstärkt sich der wirksame Auftrieb des von dem Seil nach unten gezogenen Schiffes in einem Wellenberg, was zu zunehmenden Zugkräften in den Verbindungsseilen zwischen dem Meeresboden bzw. den Gewichten und dem Schiff führt. Dennoch kann eine gewisse Aufwärtsbewegung dadurch zustande kommen, dass die Verbindungsseile eine Elastizität aufweisen, und sich somit ein Gleichgewicht zwischen einer begrenzten Aufwärtsbewegung, der Dehnung der Seile und der Entstehung einer dem Auftrieb entgegengesetzten Zugkraft einstellt. Dann kann durch eine zusätzliche, aktive Straffung der Seile eine bessere Stabilisierung erreicht werden (Anspruch 17).
  • Lastminderung bei Offshore-Windtubinen
  • Bei Offshore-Windturbinen entstehen Wechsellasten durch die gegen den Turm laufenden Wellen. Möglich ist auch die Entstehung von Schwingungen, d. h. einer Schaukelbewegung mit der Eigenfrequenz des Turmes. Es ist bekannt, dass die Stärke solches Schwingungen durch die Wirkung des Rotors aerodynamisch gedampft wird, unabhängig von einer evtl. Verstellung des Rotors. Diese Dämpfung vermindert das an sich mögliche Aufschaukeln durch mehrere aufeinanderfolgende Wellenstöße.
  • Die Dämpfung kann gemäß Anspruch 14 vergrößert werden, indem ganz gezielt Kräfte bewirkt werden, die eine Schwingbewegung abbremsen, insbesondere durch Verstellung des Rotors.
  • Auch dann bliebe es aber bei wenigstens im ersten Schwingungsverlauf bei den durch die Einzelwelle unmittelbar entstehenden Wellenlasten. Erfindungsgemäß soll nun aber auch die ursächliche Entstehung von wellenbedingten Lasten in einer Tragstruktur – vorzugsweise Momentlasten im unteren Turmteil unweit des Meeresbodens – und von mit Lastwechseln verbundenen Bewegungen des unteren Turmbereiches durch eine Beeinflussung der Windkräfte ausgeglichen werden.
  • Verlaufen Wellengang und Wind in ungefähr gleicher Richtung, kann hierzu der Windschub jeweils dann reduziert werden, wenn der Wellenberg einer größeren Welle, der sonst den Turm zusätzlich in Windrichtung belasten würde, auf den Turmfuß trifft.
  • Andererseits könnte bei rechtzeitiger Vorhersage eines Wellenauflaufs die Schubkraft auf den Rotor zunächst durch das frühzeitige Verdrehen der Rotorblätter kurzzeitig vergrößert werden, um eine Pendelbewegung des Turms, zunächst in Windrichtung, zu erreichen. Dabei würde angestrebt werden, dass der Turm zum Zeitpunkt des Wellenauflaufs bzw. der größten Wellenkräfte bereits zurück pendelt, also eine Bewegung von Gondel und Turm entgegengesetzt zu der anlaufenden Welle erreicht wurde. Damit würde die Welle zunächst diese Bewegung des Turms abbremsen, bevor sie ggf. wieder eine Verbiegung in Wellenrichtung bewirkt. Durch die Vermeidung einer Summation von Wellen- und Windkraft kann besonders die Materialermüdung des unteren Turmteils reduziert werden. Dazu erfolgt jeweils eine Vorhersage der Wellenkräfte, die nur durch eine Beobachtung des Wellenverlaufs in Umgebung des Turms erreicht werden kann.
  • Umgekehrt tritt bei Durchlauf des Wellentals eine rückwärts gerichtete Kraft gegen den Turm ein. Würde gleichzeitig der Schub auf den Rotor erhöht werden, würde dies das insgesamt am Turmfuß wirkende Kippmoment stabilisieren, also seine Veränderung vermindern und somit die Materialermüdung begrenzen.
  • Wegen der unterschiedlichen Wirkhöhe der Schubkraft des Rotors und der Wellenkräfte kann eine Kompensation nur bedingt erfolgen, und ggf. wird eine Minderung von Lasten am Turmfuß durch eine Erhöhung von Lasten an der Turmspitze erkauft. Daher kann sinnvollerweise nur eine Reduzierung von Lasten erreicht werden kann, kein völliger Ausgleich.
  • Bei mittlerem bis starker Wellengang, der zu erheblichen Ermüdungslasten führt, befindet sich eine Windturbine häufig im Bereich der Nennleistung, und die aerodynamische Leistungsaufnahme wird durch Verstellung des Rotorblattes so geregelt, dass sie die Leistung des Generators und anderer Energiewandler nicht übersteigt. Wenn nun also, entsprechend dem Wellengang, die Anlage teils mehr und teils weniger aerodynamischen Schub erzeugen soll, führt dies auch zu wechselnder Energieaufnahme durch den Rotor. Verbunden mit einer konstant gehaltenen elektrischen Leistungsabfuhr führt dies zu einem abwechselnden Beschleunigen und Abbremsen des Rotors, wobei die Drehträgheit des Rotors und die durch die Rotorbewegung gespeicherte kinetische Energie einen Leistungsausgleich bewirkt. Der Ausgleich der Wellenlasten muß daher nicht zu Einbußen an Erzeugungsleistung führen.
  • Mögliche Ausführung bei der Prognose der Wellenentwicklung
  • Durch Abtastung der Wasseroberfläche mit Radar oder Laserstrahl bzw. durch stereoskopische Erfassung und Auswertung des optischen Bildes kann prinzipiell zu jedem Zeitpunkt ein zweidimensionales Bild des Höhenlage der Wasseroberfläche für die Umgebung der zu regelnden Anlage erreicht werden.
  • Die Wellenenergie der Wasserwellen teilt sich in jedem Moment ein
    • – in die potentielle Energie der gegenüber dem Ruhewasserspiegel angehobenen Wasserteilchen, die durch die unebene Höhe der Wasseroberfläche repräsentiert wird, und einer Erfassung zugänglich ist, und
    • – in die kinetische Energie durch die Bewegung des Wasserteilchen in unterschiedlicher Tiefe, die einer Erfassung in ihrer dreidimensionalen Struktur praktisch nicht zugänglich ist, sowie
    • – weitere Komponenten wie die Kompression des Wassers unter Druck und die potentielle Energie durch die vertikale Verschiebung von Wasserschichten unterschiedlicher Temperatur, die demgegenüber meist vernachlässigbar sind.
  • Gäbe es in einem bestimmten Zeitpunkt eine wellenartige Auslenkung der Wasseroberfläche gegenüber dem Ruhewasserspiegel, aber (noch) keine Bewegung im Wasser, könnte der weitere Bewegungsverlauf bei Kentnnis der Temperatur, Viskosität usw. aus der Vermessung der Wasseroberfläche abgeleitet werden. Tatsächlich gibt es aber keinen unbewegten Ausgangszustand, vielmehr liegt in jedem Zeitpunkt eine Bewegung der Wasserteilchen vor, die die weitere Wellenausbreitung mitbestimmt. Wäre zu einem Zeitpunkt die potentielle und zugleich die kinetische Energie der Welle bekannt, könnte ebenfalls mit Bewegungsgleichungen die weitere Entwicklung fortgeschrieben werden. Diese Bewegung kann aber nicht umfassend gemessen werden.
  • Stattdessen kann nun in einem ersten Schritt prognostiziert werden, wie sich die Bewegungen im Wasser entwickelt hätten, wenn nur die zu einem Zeitpunkt vorhandene potentielle Energie vorhanden gewesen wäre, das Wasser sich also im Stillstand befunden hätte und sich aus der gemessenen Position der Oberfläche heraus in Bewegung gesetzt hätte. Dieses Rechenergebnis kann nun zu einem nachfolgenden Zeitpunkt mit dem tatsächlichen Bild der Entwicklung der Wasseroberfläche vergleichen werden, um aus der Differenz Erkenntnisse über die zusätzlich vorhandene kinetische Energie zu gewinnen.
  • Dies wird nun für mehrere Zeitpunkte nacheinander gemacht, bzw. fortlaufend, und die in früheren Rechenschritten ermittelten Abschätzungen zur kinetischen Energie bzw. zur Bewegung des Wassers unter der Wasserlinie werden in die weitere Prognose und Differenzbildungen einbezogen. Dies erfolgt fortlaufend, so dass für einen aktuellen Zustand jeweils eine Messung der Oberflächenlage und eine indirekt bestimmte Annahme über die Bewegungen unterhalb der Wasseroberfläche vorliegen. Damit kann dann eine Prognose über die Fortentwicklung der Wellen ermittelt werden, die ebenfalls ständig fortgeschrieben wird (vgl. Anspruch 12).
  • Diese Prognose wird nun für die Steuerung der Wellenausgleichsvorrichtung verwendet, bzw. für die anderen anspruchsgemäßen Verfahren.
  • Bei relativ niedrigem Seegang und ausreichender Wassertiefe, bevorzugt auch ebenem Meeresboden, kann mit guter Genauigkeit mit der linearen Wellentheorie gerechnet werden. Sofern durch Überlagerung mehrerer Wellenkämme bzw. Wellentäler eine Aufsteilung entstehen würde, die dann zu nichtlinearem Verhalten und ggf. Brechen der Welle führen würde, kann ggf. bereits die Kenntnis, dass es (z. B. in Schiffsnähe) zu einem solchen Ereignis kommen kann, das erwünschte Ergebnis sein, wenn es vor allem beabsichtigt ist, bei besonders starken Wellen Vorsichtsmaßnahmen zu ergreifen.
  • Bei genügendem Fortschritt der Rechnertechnik kann ggf. zusätzlich die Wechselwirkung mit der untersten Luftschicht berücksichtigt werden.
  • Bei der Abtastung der Wasseroberfläche könnte neben der Laufzeit des Signals und damit der Entfernung auch eine Dopplerverschiebung und damit die Bewegung der Wasseroberfläche unmittelbar gemessen werden; dies wäre aber wegen der Vielzahl von sich überlagernden Bewegungen technisch schwierig umsetzbar.
  • Die Abtastung der Wasseroberfläche kann von dem Schiff aus erfolgen, auf dem sich das zu stabilisierende Objekt befindet. Für Manöver an offshore-Windturbinen kommt auch eine Messung von der Windturbine aus in Betracht, womit ggf. ein besserer Betrachtungswinkel und ein besseres Reflexionsverhalten erreicht wird.
  • Zusätzlich bzw. alternativ kann der Wasserdruck an mehreren Stellen des Schiffsrumpfes gemessen und ggf. mit dem Wasserstand verglichen werden. Daraus können zusätzliche Erkenntnisse über die auf das Schiff wirkenden Kräfte und die Strömungen in der Umgebung des Rumpfes gewonnen werden.
  • Anwendung von Anspruch 2 bei einer Schiffsstabilisierung durch Abstützen auf dem Boden bzw. an der Windturbine mit Anpassung im Falle besonders hoher Einzelwellen Die Stabilisierung eines Schiffes gemäß der Patentanmeldung DE 10 2006 056 772 (tension jack, dort Anspruch 13) könnte auch mit einem Seil oder einer Kette zustande kommen, die neben einem Turm gespannt wird. An dieser Kette kann sich nun ein Schiff ein Stück weit anheben, so dass es zwar noch überwiegend vom Wasser getragen wird, der Wellengang aber weniger zu einem Auf und Ab des Schiffes als zu einer Abnahme und Zunahme des Auftriebs und damit zu einer Zu- und Abnahme der auf die Kette übertragenen Kraft führt. Dieselbe Kette könnte zu anderen Zeitpunkten auch der vollständigen Anhebung von kleineren Schiffen bzw. Booten gemäß DE 101 53 359 dienen, statt einer Kette kann es sich auch um ein Drahtseil oder ein anderes, Zugkräfte aufnehmendes Bauteil handeln.
  • Eine ähnliche Stabilisierung des Schiffes könnte auch durch ein begrenztes Anheben mit Hubbeinen nach dem in der DE 600 13 310 , Absatz 0036 ff. beschriebenen Verfahren zustande kommen.
  • Im Regelfall würde dann bei einem nicht zu starker Seegang bei der Mehrzahl der Wellen der Kraftausgleich bei weitgehend unveränderter Position des Schiffes durch eine sich ändernde Kraft in den Hubbeinen bzw. in der Kette zustande kommen. Bei Anwendung der genannten Verfahren muß jedoch gewährleistet werden, dass auch bei den größten während eines Arbeitsvorgangs vorkommenden Wellen keine zu großen Kräfte auftreten, und dass insbesondere bei dem Hubschiff auch ein kurzzeitiges Abheben der Hubbeine des Schiffes – mit einem anschließenden Wiederaufprall auf dem Boden – vermieden wird. Die erfindungsgemäße Vorhersage der auf das Schiff wirkenden Wellen und Wellenkräfte kann nun dazu genutzt werden, rechtzeitig vor besonders starken Einzelwellen zu warnen und etwa vor einem besonders tiefen Wellental ein Absenken bzw. vor einer besonders hohen Wellenspitze ein Anheben entlang der Kette bzw. entlang den Hubbeinen zu bewirken. Eine weitere Möglichkeit wäre das Freigeben der Verbindung kurz vor einer solchen Welle. Damit kann der Einsatz dieser Hubvorrichtungen auch bei einem signifikanten Wellengang erfolgen, bei dem sie zwar bei der Mehrzahl der Wellen ohne steuernde Einwirkung betrieben werden können, bei dem aber gelegentlich auch mit Wellen zu rechnen ist, die außerhalb der normalen Betriebsbedingungen dieser Vorrichtungen liegen.
  • Messung der Windbewegung und der Windkräfte
  • Ähnlich wie bei den Wellen soll auch der Wind und die in der Windströmung vorhandene Turbulenz beobachtet werden, um Gegenreaktionen auszulösen, bevor windbedingte Bewegungen bzw. Verformungen eintreten.
  • Die Windgeschwindigkeit wird auf Windturbinen meist an der Gondel gemessen. Dabei handelt es sich aber um einen einzigen Meßort innerhalb eines Rotorkreises, der bei großen Windturbinen über einen Hektar groß sein kann. Es bietet sich daher an, Messungen stattdessen auf einem umlaufenden Punkt auf einem Rotorblatt vorzunehmen, womit der Meßaufnehmer einen größeren Bereich umstreicht und den Wind in einem kreisförmigen Bereich des Rotorkreises erfasst. (Anspruch 12). Vorzugsweise bietet sich eine Messung im äußeren Drittel der Rotorblattlänge an.
  • Windstärke und -richtung können dabei mit an sich bekannten Methoden ermittelt werden, wobei die Bewegung des Meßaufnehmers zu berücksichtigen ist. Beispielsweise können sie mit der Aussendung von Wellen und der Messung des Dopplereffektes an zurückgestreuten Signalen auch im Abstand vom Meßaufnehmer ermittelt werden. Vorzugsweise würde eine Messung gegen die Windrichtung erfolgen, also den anströmenden Wind erfassen. Bei bekannten Geräten zur fernwirkenden Messung der Windgeschwindigkeit kommt Schall (SODAR-Verfahren) oder bevorzugt Laserstrahlung (LIDAR-Verfahren) zum Einsatz. Ein mit der Rotordrehung bewegter Messaufnehmer hat ggf. zusätzlich den Vorteil, dass bei Messung in unterschiedlichen Richtungen vom Mesaufnehmer aus ein aus der Drehbewegung resultierender Unterschied der gemessenen Ergebnisse je Meßrichtung resultiert; dieser Unterschied kann dann bei Vergleich mit der Drehgeschwindigkeit des Rotors zur ständigen Eichung der Windmessung verwendet werden.
  • Ebenso könnte eine Druck- bzw. Strömungsmessung am Rotorblatt erfolgen, um indirekt auf die Windverhältnisse am Rotorblatt zu schließen. Ggf. kann bei fortgeschrittenerer Rechnerleistung mit Hilfe von Kontinuitätsgleichungen eine umfassendere Rückberechnung des Windfelds erfolgen.
  • Im Vergleich etwa zu in den Rotorblätten eingebauten Sensoren zur Messung der mechnischen Spannung, die also erst auf die Verformung reagieren, kann durch Messung des Winds selbst eine weitaus früher einsetzende Regelung erreicht werden. Dabei kann z. B. das Rotorblatt, bevor eine Böe in einem Teil des Rotorkreises durchläuft, in diesem Bereich etwas aus dem Wind gedreht werden. Konventionelle Regelungen mit Meßaufnehmern an der Gondel drehen die Rotorblätter nur insgesamt in Abhänigkeit von der Windstärke zur Leistungsbegrenzung bei zu starker Windgeschwindigkeit aus dem Wind.
  • Bei Windturbinen wird auch eine Absaugung von Luft an der Oberfläche des Rotorblattes in Erwägung gezogen, um unerwünschte Bremseffekte an Grenzschichten zu vermeiden. Dann könnte auch eine Abschaltung bzw. Steuerung dieser Absaugung zur Regelung der Windkräfte genutzt werden.
  • Hängende Gegenstände im Wind
  • Bei an einem Seil hängenden Gegenständen besteht die Möglichkeit eines Schaukelns des Gegenstandes. Das Schaukeln kann insbesondere durch Bewegungen des Aufhängepunktes durch den Wellengang zustande kommen, die ggf. trotz der hier beschriebenen Regelung nicht ganz vermieden werden konnten. Dazu kommen weitere Bewegungseinflüsse, z. B. Winddruck. Zum Ausgleich einmal eingetretener Schaukelbewegungen sind dann weitere Ausgleichsbewegungen des Aufhängepunkts erforderlich. Diese Ausgleichsbewegungen erfordern in an sich bekannter Weise die Berücksichtigung des Schwingverhaltens des hängenden Gegenstands. Sie sind dann grundsätzlich zusätzlich zu den Bewegungen zum Ausgleich des aktuellen Wellengangs vorzunehmen. Es ist also sinnvoll, die Regelung der Antriebe, die den Aufhängepunkt gegenüber dem Schiff verstellen, und gegebenenfalls auch eine Erfassung der Position des Gegenstands beinhalten, um eine Regelung zu ergänzen, die die Schiffsbewegungen und insbesondere die künftigen, zu prognostizierenden Bewegungen des Schiffes vorwegnimmt.
  • Stabilisierung durch Steuerung der Schubkräfte eines Rotors
  • An sich bekannt ist die Tatsache, dass ein Segel bzw. Stützsegel zur Stabilisierung eines Schiffes beiträgt. Ein Segel ist jedoch entsprechend seiner Größe vergleichsweise träge aktiv zu handhaben, bzw. es sind große Kräfte erforderlich, um ein Segel zu bewegen, insbesondere um es zu trimmen. Demgegenüber kann bei einer Windturbine die Last relativ schnell verändert werden, weil ein vergleichsweise kleines Profil eine größere (Rotor-)Fläche überstreicht. Hierzu ist lediglich eine Verdrehung des Rotorblattes um seine Längsachse erforderlich, also eine Drehung gegen ein vergleichsweise geringes Dreh-Trägheitsmoment. Dadurch kann die vom Wind erzeugte Schubkraft senkrecht zur Rotorfläche sehr schnell verändert werden (Anspruch 18, 19). Mit einem Aufbau möglichst hoch auf dem Schiff, bevorzugt an der Spitze eines Masten, kann ein hohes Kippmoment durch die Vorrichtung erreicht werden.
  • Je nach Aufgabenstellung kann dies genutzt werden, um eine Stabilisierung der Lage eines Schiffes herbeizuführen, oder um den Wellenbewegungen gezielt zu folgen. Bewegt sich ein Schiff etwa auf einen Wellenberg zu, gibt es je nach Zielsetzung und Schiffsgröße unterschiedliche Reaktionsmöglichkeiten:
    Es kann eine den Bug absenkende Kraft erzeugt werden, um dem zunehmenden Auftrieb des Bugs entgegenzuwirken und damit Stampfbewegungen zu vermeiden. Dies ist vor allem bei großen Schiffen bzw. bei Schiffen mit vergleichsweise geringer Wasserlinienfläche im Verhältnis zur Masse aussichtsreich.
  • Dazu kann bei Wind von hinten der Rotor auf einem Wellenberg so gestellt werden, dass er eine maximal Schubkraft aufnimmt, mithin das Schiff nach vorne gekippt wird (Nickbewegung) und somit der Bug des Schiffes der Welle nach unten folgt. Umgekehrt würden die Rotorblätter in einem Wellental in Fahnenstellung gedreht würden, so dass der Rotor nur noch eine minimale Schubkraft aufnimmt und somit einem Eintauchen des Bugs in die nächste Welle entgegengewirkt wird.
  • Es kann umgekehrt eine den Bug aufrichtende Kraft erzeugt werden, um damit dem Wellenberg zu folgen und abbremsende horizontale Kräfte zu vermindern, die bei einem Eintauchen des Bugs bzw. beim „Durchstechen" des Wellenbergs entstehen würden. Dies ist vor allem bei kleinen Schiffen bzw. einem großem Verhältnis zwischen Querschnitt des Rumpfes und Schiffsmasse sinnvoll, und wenn vor allem eine große Geschwindigkeit angestrebt wird.
  • Als dritte Möglichkeit kann auch eine nützliche Nickbewegung des Schiffes ausgelöst werden:
    Es könnte rechtzeitig vor Erreichen einer Welle eine den Bug absenkende Kraft erzeugt werden:
    Beispielsweise könnte noch in dem Wellental durch Verstärkung des von hinten angreifenden Schubs ein Kippmoment nach vorne und somit ein Eintauchen des Bugs bewirkt werden. Die den Bug absenkende Kraft wird dann knapp vor dem Wellenberg wieder aufgehoben, woraus dann durch die Wirkung von Auftrieb die erwünschte, nach oben gerichtete Gegenbewegung folgt, deren Schwung nun genutzt wird, um noch besser über den nächsten Wellenberg hinweg zu kommen.
  • Häufig wird der Wind etwa senkrecht zu den Wellenkämmen stehen, so dass eine Rotorstellung senkrecht zum Wind auch eine vorteilhafte Richtung der regelbaren Schubkräfte ergibt. Mit Hilfe zweier unterschiedlich ausgerichteter Rotorkreise könnten Kräfte bzw. Drehmomente in zwei unterschiedlichen Kipprichtungen unterstützt werden. Bei eine Ausrichtung des Rotors senkrecht zur Bewegungsrichtung des Schiffes kann der Wellenausgleich bzw. das Folgen der Wellen im Vordergrund stehen, dagegen bei Ausrichtung der Rotorachse parallel zur Bewegungsrichtung das Vermeiden eines seitlichen Umkippens des Schiffes durch Windkräfte (zu große Rollbewegung).
  • Eine Ausrichtung schräg zum Wind würde dann aber mit einer ungünstigeren bzw. zusammenbrechenden Energieerzeugung in der Windturbine einher gehen. In solchen Fällen kann es günstiger sein, die Rotorblätter nicht mit einem klassischen Tragflächenprofil auszustatten, sondern auf die Auftriebswirkung der Profile zu verzichten und ihnen eine andere Form zu geben. Wichtig ist, dass die Rotorblätter je nach Ausrichtung viel oder wenig Schubkraft aufnehmen, was vorzugsweise durch eine flache Form erreicht wird. Der Querschnitt des Rotorblätter könnte z. B. eine Ellipse sein.
  • Bei der Navigation von Schiffen, besonders bei seitenwindempfindlichen Schiffen und Nutzung enger Fahrwasser, kann der Rotor dazu genutzt werden, dem Schiff in der Ausgangssituation eine weiter vergrößerte laterale Windangriffsfläche zu verleihen, die dann mit einem Gegensteuern des Ruders ausgeglichen würde. Wenn dann eine Böe den Windangriff verstärkt, kann die Windangriffsfläche des Rotors wesentlich schneller weggeregelt werden, als eine Reaktion des Ruders möglich wäre. Große Kreuzfahrtschiffe weisen oft eine Windangriffsfläche von über 5.000 qm auf, ebenso die Rotorkreise großer Windturbinen.
  • Die Anordnung eines stabilisierenden Rotors könnte auch bei Segelschiffen an der Spitze des Masten erfolgen. Dies könnte bei Zweirumpfschiffen einen Betrieb mit einem aus dem Wasser angehobenen, „fliegenden" Rumpf erleichtern. In einer solchen Position würde die Stabilisierung gegenüber der an sich stark erhöhten Kentergefahr dann durch eine schnelles Regeln des Rotorkreises zustande kommen.
  • Das Reglement bei Segelwettkämpfen kann dazu führen, dass auf eine stromerzeugende Turbine verzichtet werden muss und deshalb eine auftriebserzeugende Tragflächenform des Profils unnötig wird. Solche Reglements können auch eine manuelle Bedienung des Pitch-Mechanismus der Windturbine vorschreiben. Dabei kann es sinnvoll sein, dem Bediener einen intuitiv wahrnehmbaren Eindruck von der Stärke der wirkenden Schubkraft zu geben. Das kann z. B. durch Verstellung des Bodens, auf den der Bediener steht, oder durch eine Gegenkraft in den Bedienhebeln erfolgen.
  • Die Verwendung eines Rotors mit nur einem Rotorblatt würde es leicht ermöglichen, dieses Rotorblatt bei Stillstand des Rotors sinnvoll auszurichten und wie ein stillstehender Segel zu nutzen. Dies könnte etwa bei Schwachwind erfolgen.
  • Dauerbetrieb – Kappen von Maxima – Warnung vor Extremen
  • In den beschriebenen Anwendungsfällen kann eine Reaktion praktisch ständig auf die Wellen eines vorherrschenden Seegangs erfolgen.
  • Es ist auch möglich, dass das Regelsystem die Wellen zwar ständig überwacht, aber nur bei besonders großen Wellen, bzw. bei besonders großen erwarteten Schiffsbewegungen, aktiviert wird. Dann wird nur die Wirkung besonders starker Einzelwellen ausgeglichen, bzw. es werden nur Wellenspitzen ausgeglichen, wie sie durch Überlagerung mehrerer Wellen punktuell entstehen. Beispielsweise könnte ein Schiff eine Plattform mit einem Ausleger haben, die auf konventionelle Weise durch Reaktion einer Wellenausgleichsvorrichtung auf festgestellte Schiffsbewegungen stabilisiert wird. Die Wellenausgleichsvorrichtung der Plattform hat jedoch nur eine begrenzte Verstellmöglichkeit. Steht also eine Bewegung des Schiffes voraus, die die Verstellmöglichkeit der Wellenausgleichsvorrichtung übersteigt, wird dann zunächst ein Signal gegeben, das die Beteiligten warnt (z. B. vor einem Überstieg zwischen dem Ausleger und einem festen Bauwerk), und sodann den Ausleger einfährt, bevor die Wellenausgleichsvorrichtung ihre Extremposition erreicht und somit die weitere Bewegung nicht mehr ausgleichen kann. Mit einer Prognose der wellenbedingten Bewegungen können die Grenzen der Wellenausgleichsvorrichtung besser ausgenutzt werden; insbesondere können unnötige Warnungen bei Wellenbewegungen, die das Schiff knapp an der Grenze des Verstellbereichs der Wellenausgleichsvorrichtung bewegen, dessen Grenzen aber nicht überschreiten, vermeiden werden. (Anspruch 2).
  • Weitere Merkmale ergeben sich aus den Ansprüchen.
  • Abbildungen
  • 1 zeigt ein Schiff 1, das gegen die Windrichtung 2 unterwegs ist, mit einer Windturbine 3 mit verstellbaren Rotorblättern 4 ausgestattet ist und auf einen Wellenberg 5 zufährt. In Nähe des Bugs und des Hecks des Schiffes sind Sensoren 6, 7 angebracht, die den Wasserstand messen. In der gezeigten Situation zeigen die Sensoren 6 am Bug des Schiffes einen steigenden Wasserstand an, die Sensoren 7 am Heck des Schiffes einen fallenden. Ohne Kompensation würde es bei Erreichen des Wellenbergs 5 zu einer Nickbewegung 8 des Schiffes kommen, bei der sich der Bug des Schiffes gegenüber dem Heck anhebt.
  • Um dem entgegenzuwirken, werden nun die Rotorblätter 4 der Windturbine 3 in Fahnenstellung gebracht, um die in Windrichtung 2 wirkende Schubkraft auf den Rotor zu reduzieren. Da sich die Windturbine in genügender Höhe befindet und mit einem entsprechenden Hebelarm auf das Schiff wirkt, wird dadurch das zuvor in Richtung der möglichen Nickbewegung 8 wirkende Drehmoment aus Windkräften reduziert. In der Summe beider Wirkungen kommt es zu einer Vermeidung bzw. Verminderung der Nickbewegung.
  • 2 zeigt eine mit einem Mast 10 auf einem Schiff 11 montierte WEA in Seitenansicht (oben) und Grundriß (unten) mit der Windrichtung 12. Um mit Hilfe der WEA ein Drehmoment zu erzeugen, dass das Schiff nach rechts bzw. im Uhrzeigersinn 13 drehen kann, werden die Rotorblätter in jedem Umlauf so um ihre Längsachse verdreht, dass sie immer dann, wenn ein Rotorblatt den linken Teil 14 des Rotorkreises überstreicht, so gestellt sind, dass maximale Schubkräfte entstehen. Auf der rechten Seite 15 werden sie so gestellt, dass die Schubkraft möglichst gering ist. Während des Durchlaufs durch die oberen und unteren Teile 16 und 17 des Rotorkreises erfolgt die Verstellung des jeweiligen Blattes. Dadurch, dass die von hinten schiebenden Windkräfte links größer sind als rechts, wird ein Drehmoment auf das Schiff ausgeübt. Dieses kann nun zur Bewirkung einer Drehbeweung des Schiffes genutzt werden, ebenso aber auch zur Begrenzung einer sonst entstehenden Drehbewegung in entgegengesetzter Richtung
  • 3 zeigt zwei Windenergieanlagen mit den Rotoren 20 und 21 auf einem Schiff 22, das sich zur rechten Blattseite bewegt, bei von rechts der Fahrtrichtung kommendem seitlichen Wind. Wird der Schub auf den Rotor 20 durch Verdrehung des Rotors in Richtung Fahenenstellung reduziert und gleichzeitig ein stärkerer Schub auf den Rotor 21 ausgeübt, dann wird ein Drehmoment gegen den Uhrzeigersinn ausgeübt. Wird der Schub auf beide Rotoren vergrößert, kommt es zu einer Kraft, die eine Rollbewegung auslöst, die die oberen Teile des Schiffes vom Beobachter weg bewegt, bzw. es wird eine entgegengerichtete Anregung des Schiffes durch Wellen kompensiert.
  • 4 zeigt ein Zweirumpfschiff 30 in seitlichem Wind 31 mit einem Segel 32, das in üblicher Weise Vortrieb erzeugt. Im Beispiel handelt es sich um eine Zweirumpfschiff mit unterschiedlicher Rumpfgröße, wie es auch als Proa bezeichnet wird. An der Mastspitze befindet sich eine Windturbine 33, deren Schubkraft 34 senkrecht zur Rotorachse und somit seitlich auf das Schiff wirkt. Das davon ausgelöste Kippmoment wird jeweils so eingestellt, dass sich der in Windrichtung (luv) befindliche Rumpf 35 ständig ein Stück über der Wasseroberfläche 36 befindet, sich also in der Regel nur der leeseitige Rumpf 37 im Wasser befindet, so dass Schiff also möglichst wenig Strömungswiderstand im Wasser erzeugt. Hierbei handelt es sich um eine an sich sehr instabile Betriebsweise, die eine sehr schnelle Reaktion auf Kippbewegungen voraussetzt, was durch die sehr gut regelfähigen Schubkräfte der Windturbine erreicht wird.
  • Falls am Bug des luvseitigen „fliegenden" Rumpfes 35 ein Stoß gegen eine Welle registriert bzw. vorhergesagt wird, werden die Rotorblätter der Windturbine 33 sofort in Fahnenstellung verdreht, um ein Kentern des Schiffes in Windrichtung zu vermeiden, das sonst durch das Zusammenspiel der antizipierten Auftriebskräfte des auf der Wasseroberfläche „gelandeten" Rumpfes und der Windkräfte 34 eintreten könnte. Auch die Abwärtsbewegung des zuvor fliegenden Rumpfes und das damit verbundene Drehmoment kann stabilisierend wirken.
  • Ebenfalls möglich ist es, rechtzeitig vor einem solchen Wellenberg die Luvseite noch weiter anzuheben, so dass der luvseitigen Rumpf über den Wellenberg hinweg gehoben wird.
  • 5 zeigt ein 50 m langes Rotorblatt 40 an der Gondel 41 einer Windturbine und die vorherrschende Windrichtung 42. Die Drehrichtung des Rotorblattes 40 ist senkrecht zur Blattebene. In 40 m Entfernung von der Rotorachse befindet sich ein Windmeßsystem 43 nach dem LIDAR-Verfahren, das den anlaufenden Luftstrom vermißt. Durch die Befestigung des Meßsystems im äußeren Teil des rotierenden Rotorblatts wird bei jeder Umdrehung ein kreisförmiger Bereich vor dem Rotor vermessen. Dabei kann die Einstellung so vorgenommen werden, dass vor allem das Luftvolumen vermessen wird, das – bei Annahme kontinierlicher Fortbewegung der Luft – das nächste Rotorblatt erreicht. Bei beispielsweise 20 Rotorumdrehungen pro Minute und drei Rotorblättern dauert es eine Sekunde, bis das nächste Rotorblatt dieselbe Position erreicht; bei einer Windgeschwindigkeit von 10 Metern je Sekunde erreicht dann jeweils das Luftvolumen, das sich 10 Meter vor einem Rotorblatt befindet, das nächste Rotorblatt. Damit sind die Anforderungen an die Meßtechnik wesentlich geringer, als beispielsweise bei einer Messung von der Rotormitte aus der Fall wäre, von wo mindestens die Strecke bis zum äußeren Teil des Rotors überbrückt werden müsste.
  • 6 zeigt die Gondel 50 einer Bergbahn, die an einem Tragseil 51 hängt und Windkräften senkrecht zum Seilverlauf und der Zeichenebene ausgesetzt ist. Der Betrieb von Bergbahnen wird häufig unterbrochen, weil diese vom Wind zu Schaukelbewegungen angeregt werden. An der Unterseite der Gondel befinden sich daher zwei Ausleger 52, 53 mit je einer Rotornabe und in der Rotorkreisen 54 und 55 kreisenden Rotorblättern. In der Gondel befindet sich ein Beschleunigungssensor, mit dem Schaukelbewegungen der Gondel festgestellt werden.
  • Die Rotorblätter können im Lee der Ausleger 52, 53 angeordnet sein, und dabei drehbar um die Achse des Auslegers gelagert sein, so dass sich der Rotorkreis ohne aktive Steuerung senkrecht zur Windrichtung ausrichtet.
  • Bei mäßigen Schaukelbewegungen der Gondel 50 wird die Ausrichtung der Rotorblätter nicht verändert und die aerodynamische Dämpfung des ungesteuerten Rotors genutzt. Bei Bewegungen gegen die Windrichtung steht das Rotorblatt in an sich normaler Stellung, so dass es eine (möglichst) große Schubkraft aufnimmt. Bei stärkerer Schaukelbewegung werden die Rotorblätter durch Drehung um deren Längsachse jeweils so ausgerichtet, dass sie sich während einer Bewegung der Bergbahn-Gondel in Windrichtung teilweise oder ganz aus dem Wind drehen (d. h. in Fahnenstellung), so dass die von dem Wind auf die Rotoren erzeugte Schubkraft reduziert wird. Da in diesem Teil der Gondelbewegung die Schubkraft ähnlich zur Richtung der Gondelbewegung gerichtet ist, führt diese Minderung der Schubkraft zu einer Dämpfung der Schaukelbewegung. In einer minimalen Ausführung käme je Gondel nur ein Rotor an einem Ausleger mit einem Rotorblatt zum Einsatz. In der Parkposition könnte das Rotorblatt neben dem Ausleger zum Halten kommen, und der Ausleger nebst Rotorblatt könnte zur Gondel der Bergbahn hin geschwenkt werden, so dass der Rotorkreis nicht mehr wahrnehmbar wäre und die Gondeln auch keinen zusätzlichen Platz benötigen würden, was insbesondere bei den Berg- und Talstationen von Bedeutung sein kann.
  • 7 und 8 verdeutlichen mit einem zweidimensionalen Beispiel eine Möglichkeit der Prognose der Wellenbewegung durch Abtastung der Wasseroberfläche: In 7 ist zunächst gestrichelt die gemessene Auslenkung des Meeresspiegels M(0) zum Zeitpunkt t = 0 dargestellt. Rechts von der Welle befindet sich ein Schiff (Proportionen übertrieben dargestellt).
  • Für eine erste Prognose, wie sich die Welle ausbreiten wird, ist noch keine Richtungsinformation vorhanden. Daher wird im 2-dimensionalen Modell für t = 1 ein allmähliches „Abschmelzen" der Welle in beide Richtungen modelliert (in der Realistät ein Abschmelzen in alle Richtungen). Dies ergibt die dünn gestrichelt dargestellte erste Prognose des Wasserstands P(1).
  • Tatsächlich soll es sich in dem Beispiel aber um eine von links nach rechts durchlaufende Welle handeln, so dass zum Zeitpunkt t = 1 die durchgezogen dargestellte Messung des Wasserstands M(1) erreicht wird. Durch Differenzbildung wird D(1) = M(1) – P(1) als Abweichung ermittelt (strichpunktiert). Dieser Wert erhält somit eine Information über die Wellenausbreitungsrichtung, die aus dem Wasserstand nicht zu erkennen war.
  • Die Ableitung von D(1) über den Weg dx (Horizontalrichtung) ergibt dD(1)/dx. Diese Funktion ist noch besser geeignet, den Bewegungseffekt zu veranschaulichen. Für die in 8 dargestellte neue Prognose des tatsächlichen Wellenstands M(2) zum Zeitpunkt t = 2 wird wiederum eine „einfache" Prognose P(2) durch das „Abschmelzen" des Wellenverlaufs aus M(1) gebildet. Hierzu wird –dD(1)/dx addiert, was eine verbesserte Prognose P*(2) für t = 2 ergibt dünne, durchgezogene Linie). Wie man sieht, wird damit bereits eine verbesserte Vorwarnung eines Schiffes, das sich im rechten Teil des Diagramms befindet, über den bevorstehenden Wellenberg erreicht. Im Zetpunkt t = 2 würde wiederum aus dem gemessenen Wellenstand M(2) und der Differenz zu der Prognose P*(2) eine neue Prognose für t = 3 ermittelt werden, usw..
  • In einer praktischen Implementierung würde man bevorzugt eine dreidimensionale Modellierung des Wasservolumens vornehmen, und ggf. noch weitere physikalische Gegebenheiten berücksichtigen. Bei realen Wellenverläufen wäre eine Glättung der Meßergebnisse vor der Ableitung vorzunehmen. Vorzugsweise würde man versuchen, für den dreidimensionalen Raum unter der Wasseroberfläche die Bewegungen der Waserteilchen in den drei Raumrichtungen mitsamt der sich ergebenden Druckdifferenzen zu modellieren. Im Rahmen der linearen Wellentheorie wäre dies noch relativ einfach darstellbar. Als zweiter Schritt wäre die Kraftwirkung durch die Wellen auf das Schiff zu ermitteln. Dabei würden wenigstens die Auftriebswirkungen und Strömungswiderstände bei der Wechselwirkung zwischen der Wasserbewegung und dem Schiffskörper bzw. dem feststehenden Bauwerk berücksichtigt würden. Anspruchsvoller würde es, eine umfassende Modellierung des das Schiff umgebenden Strömungsflusses erfolgen soll, wobei ja nur die Auslenkung der Wasseroberfläche im Zeitverlauf als Eingangswert bzw. Randwertbedingung bekannt ist.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - NL 000001027103 C [0011]
    • - US 6964552 [0058]
    • - DE 102006056772 [0058, 0078]
    • - DE 10153359 [0078]
    • - DE 60013310 [0079]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • - www.ampelmann.tudelft.nl [0011]

Claims (22)

  1. Verfahren zur Begrenzung von Bewegungen und Lasten in bzw. an Anlagen (1), auf die durch Wellenbewegung des Wassers Kräfte ausgeübt werden, insbesondere in Schiffen und in offshore-Bauwerken und deren Aufbauten, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserbewegungen in der Nähe der Anlage von einer Regelung (6, 7) erfasst werden, was auch indirekt durch Messung des Wasserdrucks oder Feststellung des wellenbedingten Wasserstands erfolgen kann, und dass in Abhängigkeit davon, auch bevor eine von den Wasserbewegungen ausgelöste Bewegung (8) der Anlage festgestellt wird, eine regelnde Handlung eingeleitet wird, die der Entstehung von Bewegungen der Anlage oder von Lasten in bzw. an der Anlage entgegenwirkt.
  2. Verfahren zur Durchführung von Tätigkeiten auf Anlagen, auf die durch Wellenbewegung des Wassers Kräfte ausgeübt werden, insbesondere in Schiffen (1) und auf offshore-Bauwerken und deren Aufbauten, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserbewegungen bzw. der wellenbedingte Wasserstand von einer Regelung (6, 7) erfasst werden, und hieraus eine Prognose über die weitere Bewegung der Anlage abgeleitet wird, die über die Fortschreibung einer bereits in Gang gesetzten und festgestellten Bewegung der Anlage hinausgeht, und dass ein Warnsignal und/oder ein regelnder Eingriff erfolgt, wenn die prognostizierte Bewegung der Anlage über ein bestimmtes Maß hinaus geht.
  3. Verfahren zur Begrenzung von Bewegungen und Lasten bei Gegenständen, auf die Windkräfte ausgeübt werden, insbesondere bei an Seilen hängenden Gegenständen (50), bei Schiffen (22, 30) und deren Aufbauten oder bei Windturbinen, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftbewegungen in der Nähe des Gegenstands von einer Regelung erfasst werden, und in Abhängigkeit davon, auch bevor eine hiervon ausgelöste Bewegung der Anlage festgestellt wird, eine regelnde Handlung eingeleitet wird, die der Entstehung von Bewegungen des Gegenstands bzw. von Lasten an dem Gegenstand entgegenwirkt.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 zur Stabilisierung von Aufbauten an Schiffen, bei dem eine Regelung Bewegungen der Aufbauten bzw. von mit den Aufbauten verbundenen Objekten infolge Bewegungen des Schiffes durch eine gegenläufige Bewegung möglichst kompensiert, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellen bzw. der Wind in der Nähe des Schiffes erfaßt werden und diese Information für die Steuerung der Aufbauten genutzt wird.
  5. Verfahren zur Steuerung von Aufbauten an Schiffen, die Transporten bzw. dem Übertritt von Menschen zwischen zwei Schiffen dienen, bei dem eine Regelung Bewegungen der Aufbauten gegenüber dem anderen Schiff bzw. gegenüber Aufbauten an dem anderen Schiff infolge Bewegungen des Schiffes möglichst verhindert oder mindert, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellen oder der Wind in der Nähe eines bzw. beider Schiffe erfaßt werden und in Abhängigkeit davon, auch bevor eine bestimmte von diesen Wasser- und Luftbewegungen ausgelöste Bewegung der beiden Schiffe festgestellt wird, eine regelnde Handlung eingeleitet wird, die einen mit dem einem Schiff verbundenen Aufbau so steuert, dass er den Bewegungen einer Stelle des anderen Schiffes folgt.
  6. Verfahren zur Steuerung von Aufbauten an einem Bauwerk im Meer, wobei die Aufbauten dem Transport bzw. dem Übertritt von Menschen zwischen einem Schiff und dem Bauwerk dienen, bei dem eine Regelung die Aufbauten so steuert, dass Bewegungen des Schiffes gefolgt wird, dadurch gekennzeichnet, dass Wellen bzw. Wind in der Nähe eines bzw. beider Schiffe erfaßt werden und diese Information für die Regelung genutzt wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 3, 4, 5, oder 6, bei dem ein mit einem Schiff verbundener Kragarm stabilisiert werden soll.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 3, 4, 5, oder 6, bei dem eine mit einem Schiff verbundene Standfläche stabilisiert werden soll.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 3, 4, 5, 6, 7 oder 8, bei dem Bewegungen vorzugsweise in vertikaler Richtung stabilisiert bzw. kompensiert werden.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die Kompensation durch Ansteuerung der Winde eines Seils erfolgt, an dem der Gegenstand hängt, der stabilisiert bzw. gleichgerichtet mit dem zu folgenden Schiff bewegt werden soll.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstand an mehreren Randpunkten eines Schiffes (6, 7) festgestellt wird und ein Anstieg des Wasserstands als Indikator für eine bevorstehende Anhebung (8) der entsprechenden Seite des Schiffes durch eine herannahende Welle genutzt wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 10, angewendet bei einer Windturbine, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung des Winds mit wenigstens einer auf dem Rotorkreis umlaufenden Messvorrichtung (43) erfolgt.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in der Umgebung einer Anlage die Höhe bzw. die Schräglage des Wasserstands fortlaufend festgestellt wird und auf Grundlage der physikalischen Zusammenhänge bei der Wellenausbreitung hieraus eine ständig fortgeschriebene Prognose der Wellenbewegung bzw. der Kräfteentstehung an der Anlage erfolgt.
  14. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwingverhalten der Anlage vorhergesagt wird und der regelnde Eingriff so erfolgt, dass eine Dämpfung der Schwingung bewirkt wird.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammenhänge zwischen dem Wellengang bzw. dem Wind als Eingangsgrößen, den ausgelösten Wirkungen in Form von Bewegungen bzw. Kräften und den durch die Regelung ausgelösten Gegenwirkungen nicht bzw. nicht insgesamt analytisch durch explizite Berücksichtigung der physikalischen Zusammenhänge bei der Wellenausbreitung und der Kraftübertragung auf die Anlage ermittelt werden, um den Zusammenhang zwischen der Messung der Wellen und der regelnden Reaktion festzulegen, sondern hierzu vielmehr ein adaptives bzw. ein selbstlernendes Verhalten der Regeleinrichtung programmiert wird.
  16. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, zur Begrenzung der Bewegungen von schwimmenden Gegenständen, insbesondere Schiffen, dadurch gekennzeichnet, dass vor bzw. bei sich änderndem Wasserstand eine bevorstehende Bewegung des schwimmenden Gegenstands durch die Verlagerung von Massen innerhalb des schwimmenden Gegenstands kompensiert wird, insbesondere durch das Umpumpen einer Flüssigkeit in Tanks.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, angewendet bei einem schwimmenden Gegenstand, der am Meeresgrund verankert bzw. der mit Gewichten verbunden ist, die am Meeresboden ruhen, dadurch gekennzeichnet, dass die zugehörigen, Zugkräfte aufnehmenden Verbindungen in Abhängigkeit von den antizipierten wellenbedingten Kraftwirkungen gestrafft oder gelockert werden, insbesondere durch Betätigung von Winden auf dem schwimmenden Gegenstand, durch die die Zugspannung in den Seilen zwischen schwimmenden Gegenstand und der Verankerung bzw. den Gewichten auf dem Meeresboden gesteuert wird.
  18. Verfahren zur Stabilisierung von Gegenständen bzw. zur Steuerung der Bewegung von Gegenständen, die Windkräften und ggf. auch Wellenkräften ausgesetzt sind, dadurch gekennzeichnet, – dass mit dem Gegenstand mindestens ein in einer überstrichenen Fläche rotierender, länglicher und zugleich flacher Körper verbunden ist, vorzugsweise das in der Rotorfläche kreisende Rotorblatt einer Windturbine (33, 54, 55), – dass durch Verdrehung des Körpers die Schubkraft auf die überstrichene Fläche verändert wird, – und dass hiermit eine schnelle Regelbarkeit von Kräften auf den Gegenstand bewirkt wird, die dazu genutzt werden, den übrigen, durch Wind und ggf. Wellen induzierten Bewegungen des Gegenstands entgegenzuwirken, bzw. die Bewegung (13) des Gegenstands zu steuern.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass während eines Umlaufs ein Rotorblatt bzw. ein in der überstrichenen Fläche kreisender länglicher und zugleich flacher Gegenstand unterschiedlich angestellt wird, so dass dadurch die Schubkraft des Windes in unterschiedlichen Teilen (14, 15) des durchlaufendes Rotorkreises vergrößert bzw. verkleinert wird, so dass die im Mittel während eines Umlaufs entstehende Schubkraft in einer gezielten Weise außermittig zum Mittelpunkt des Rotorkreises angreift.
  20. Verfahren nach Anspruch 18 zum Betrieb eines Schiffes im Wellengang, dadurch gekennzeichnet, – dass auf einem Schiff mindestens ein rotierender, länglicher und zugleich flacher Körper aufgebaut ist, vorzugsweise eine Windturbine (4, 20, 21, 33), – dass durch Verstellung des Rotorblattes bzw. durch Verdrehung des Körper die Schubkraft auf die Rotorfläche bzw. die überstrichene Fläche verändert wird, – dass eine gezielte Bewegung eines Schiffes herbeigeführt wird, mit der das Schiff den Wellen besser folgen soll, oder Bewegungen des Schiffes entgegengewirkt wird.
  21. Verfahren nach Anspruch 18 zur Steuerung der Position hängender Gegenstände (50), vorzugsweise der Lasten von Kränen, dadurch gekennzeichnet, dass Pendelbewegungen des Gegenstands durch die Steuerung der windbedingten Schubkräfte gegen mindestens einen rotierenden Körper (54, 55) vermieden bzw. gesteuert werden.
  22. Verfahren zum Betrieb einer offshore-Windturbine, dadurch gekennzeichnet, dass wellenbedingten Lasten bzw. Lastwechseln dadurch entgegengewirkt wird, dass durch Verstellung des Rotorblatt-Anstellwinkels (pitch-Winkels) die windbedingte Schubkraft so verändert wird, dass in Teilen der Tragstruktur ein teilweiser Ausgleich der wellenbedingten Lasten bzw. Lastwechsel durch veränderte windbedingte Kräfte erreicht wird.
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