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Aufgabe und Stand der Technik
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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.
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Den
Windkräften und dadurch ausgelösten Bewegungen
ausgesetzt sind neben den Schiffen insbesondere hängende
Gegenstande, in deren Aufhängung Schaukelbewegungen entstehen
können.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Erfinderischer Grundgedanke
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Erfindungsgemäß soll
eine Gegenwirkung nun früher eingeleitet werden.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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Eine über
den Wasserstand an der Struktur hinausgehende Kenntnis der Wasserbewegungen um
den Schiffsrumpf bzw. die Struktur verbessert daher die Regelmöglichkeiten.
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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).
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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.
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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.
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Diese
Schubwirkung des Windes auf den Rotorkreis, genaugenommen gezielte
Veränderungen der Stärke der Schubkraft, sollen
nun zur Stabilisierung eingesetzt werden.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Bei
Gegen- oder Rückenwind kann ein Rotor, der in genügender
Höhe angebracht ist, Nickbewegungen bewirken bzw. unerwünschten
Nickbewegungen entgegenwirken.
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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.
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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).
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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.
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Weitere
Anwendungsmöglichkeiten bestehen im Betrieb im labilen
Gleichgewicht oder näher an Grenzzuständen (vgl. 4).
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Detaillierte Beschreibung
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Anspruch
1 zielt auf den möglichst ständigen Ausgleich
der (Wellen-)Bewegungen, während Anspruch 2 eine Reaktion
für besondere Situationen vorsieht.
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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.
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Umgekehrt
kann eine ähnliche Steuerung von Aufbauten an einem festen
Bauwerk die Aufbauten so steuern, dass Bewegungen des Schiffes gefolgt
wird (Anspruch 6).
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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Die
Ansprüche 11 und 13 beschreiben mögliche Messungen
bei Wasserwellen und damit die Erfassung der Eingangsgrößen
des Regelkreises.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Art des Ausgleichs
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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.
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Zwei
weitere Ausgleichsmechanismen sind in Anspruch 16 bzw. 17 beschrieben.
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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).
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Lastminderung bei Offshore-Windtubinen
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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.
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Die
Dämpfung kann gemäß Anspruch 14 vergrößert
werden, indem ganz gezielt Kräfte bewirkt werden, die eine
Schwingbewegung abbremsen, insbesondere durch Verstellung des Rotors.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Mögliche Ausführung
bei der Prognose der Wellenentwicklung
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Dauerbetrieb – Kappen
von Maxima – Warnung vor Extremen
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In
den beschriebenen Anwendungsfällen kann eine Reaktion praktisch
ständig auf die Wellen eines vorherrschenden Seegangs erfolgen.
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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).
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Weitere
Merkmale ergeben sich aus den Ansprüchen.
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Abbildungen
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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.
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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.
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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
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
-
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-
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]