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Die Erfindung bezieht sich auf ein Gründungssystem für eine Offshore-Windkraftanlage nach dem Patentanspruch 1.
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Offshore-Windkraftanlagen erfordern eine Gründung am bzw. im Meeresboden. Hierfür sind grundsätzlich zwei verschiedene Systeme bekannt, nämlich Pfahlgründungen und Schwerkraftgründungen. Pfahlgründungen haben den Nachteil großer Lärmentwicklung beim Eintreiben der Pfähle. Außerdem können durch Verkolkungen Schiefstellungen entstehen, welche zu einem Stillstand der Windkraftanlage führen. Schwerkraftgründungen erfordern unter Umständen umfangreiche Vorarbeiten am Meeresboden, z. B. die Bereitstellung eines Planums, bevor der Fundamentkörper auf den Meeresboden abgestellt werden kann. Auch bei Schwerkraftgründungen spielen durch Einfluss von Wasser und Wellenbewegungen hervorgerufene Verkolkungen eine große Rolle.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gründungssystem für eine Offshore-Windkraftanlage zu schaffen, das sich für unterschiedliche Beschaffenheiten des Meeresbodens eignet.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Das erfindungsgemäße Gründungssystem weist ein Schwergewichtsfundament auf, dessen Fundamentkörper in der Mitte eine durchgehende Öffnung aufweist und das weitere vertikale Durchgänge aufweist, in denen Rohrstützen eines Gestells eingelassen sind, die am oberen Ende eine Plattform tragen, auf der ein Turmschaft für die Windkraftanlage abgestützt ist. An der Unterseite weist das Schwergewichtsfundament Düsen auf, die mit Zuleitungen in den Rohrstützen verbunden sind und die ihrerseits mit Druckpumpen in den Stützen verbunden sind.
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Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ragen die Rohrstützen als Beine über die Unterseite des Schwergewichtsfundaments nach unten, und die Beine weisen seitliche Öffnungen auf. Die seitlichen Öffnungen dienen dazu, das beim Absenken des Schwergewichtsfundaments auf den Meeresboden in die Beine eintretende Wasser herauszulassen, damit das inkompressible Wasservolumen in den Beinen das Einsinken der Beine in den Untergrund nicht erschwert. Die Beine ragen z. B. 4 m unter der Unterfläche des Fundaments nach unten. Sie können daher horizontale Schubkräfte, die auf das Fundament einwirken, in den Untergrund abtragen.
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Die Unterfläche des Fundamentkörpers ist eben oder angeschrägt und mit einer Vielzahl von Düsen versehen. Die Düsen sind an ein Verteilsystem angeschlossen, das so angeordnet sein kann, dass einzelne Bereiche, z. B. Sektoren beaufschlagt und angesteuert werden können. Dadurch ist nicht nur das gleichmäßige Absenken des Fundamentkörpers in den Meeresgrund möglich, sondern auch ein einseitiges, um Schiefstellungen des Fundamentkörpers und damit der Windkraftanlage zu vermeiden oder zu korrigieren. Die Zuleitungen zu den Düsen werden durch die Rohrstützen geführt und in den Rohrstützen können, etwa in Höhe des Wasserspiegels, Druckwasserpumpen eingebaut sein. Diese werden über Kabel elektrisch betrieben und gesteuert, indem das Kabel über das obere Ende der Rohrstützen herausgeführt wird. Erforderliche Aggregate und Steuereinrichtungen können auf einer Plattform angeordnet werden, die am oberen Ende der Rohrstützen geordnet ist. Diese liegt z. B. mindestens 20 m über dem Meeresspiegel.
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Die Düsen werden mit Wasser unter hohem Druck beaufschlagt. Durch das mit hohem Druck austretende Wasser (Injektion) wird unter dem Fundament ein Porenwasserüberdruck erzeugt, wodurch die Festigkeit des Bodens stark verringert wird. Der Fundamentkörper senkt sich um einen gewissen Betrag ab. Dieser Vorgang verläuft etwa schichtweise und wird beendet, wenn der Fundamentkörper etwa um die Hälfte seiner Höhe oder um etwas mehr in den Meeresboden eingesunken ist. Der aufgelockerte Boden wird unter dem Eigengewicht des Fundaments nach außen und innen verdrängt. Dadurch sinkt das Fundament mehr oder weniger in den Untergrund ein. Der verdrängte Boden wird vorzugsweise unter eine Kolkschutzmatte gefördert, die nach einer Ausgestaltung der Erfindung an der Oberkante des Fundaments befestigt wird. Die Oberfläche des Fundaments ragt z. B. nur 2 m aus dem Meeresboden heraus. Bei einer Breite der Kolkschutzmatte von z. B. 8 m ergibt sich eine Anrampung mit einer Neigung von 1:4, so dass Verwirbelungen und Kolkwirkungen minimiert werden.
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Die auf das Fundament einwirkenden horizontalen Schubkräfte werden, wie erwähnt, durch die Beine der Rohrstützen, die z. B. 4 m unter dem Fundament enden, in den Untergrund abgeführt.
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Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist das Schwerkraftfundament von einem Ringkörper gebildet. Die durchgehende Öffnung wird damit von dem Innenraum des Rings gebildet. Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das Schwergewichtsfundament als Balkenkreuz ausgebildet, in dessen Mitte die durchgehende Öffnung, vorzugsweise in Quadratform, ausgebildet ist. Die Rohrstützen sind zwischen den Enden der Balken angeordnet.
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Sowohl der Ringkörper als auch das Balkenkreuz können mit mindestens einer nach oben geöffneten Ausnehmung versehen werden, beispielsweise als nach oben offener Kasten in den Balken des Balkenkreuzes. In die offene Form kann Beton oder schweres Steinmaterial eingefüllt werden, um die erforderliche Ballastierung zu erhalten. Auch ein Diagonalbalken zwischen den Enden der Balken des Balkenkreuzes kann nach oben offen ausgebildet sein zur Aufnahme von Steinmaterial. Das Steinmaterial bietet ideale Voraussetzungen für die Besiedlung mit Pflanzen und Kleinlebewesen.
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Die Unterseite des Fundaments kann angeschrägt sein an einem Punkt nahe der Öffnung oder im Abstand zu dieser, wobei die Unterseite nach außen ansteigt. Dadurch wird die Verlagerung des Materials beim Einsenkvorgang nach außen unter die Kolkschutzmatte erleichtert. Ein geringerer Anteil des verdrängten Materials kann zur Mitte in Richtung Öffnung wandern.
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Das erfindungsgemäße Schwergewichtsfundament lässt sich relativ einfach herstellen und zum Einbauort transportieren. Das Schwergewichtsfundament wird vorzugsweise auf einem Absenkponton hergestellt. Insbesondere durch die offene Bauweise ist die Herstellung und Herausnahme der Schalungen vereinfacht. Die Rohrstützen für das Gestell werden an einem Baukai in das Fundament eingesetzt. Danach kann die Plattform auf die Rohrstützen aufgebaut werden. Die Rohrstützen können durch geeignete Verstrebungen gegeneinander stabilisiert werden. Der die Gondel tragende Turmschaft wird auf die Plattform aufgesetzt. Vorzugsweise ist der Turmschaft in der Plattform so gelagert, dass er in der Höhe verstellt werden kann. Dadurch kann der Turmschaft während der Montage der Gondel und des Rotors minimale Höhe aufweisen, was die Arbeiten auf der Plattform erheblich erleichtert. Anschließend nach dem Einbau des Fundaments kann der Turmschaft auf die erforderliche Höhe gebracht und in der Plattform fixiert werden. Es ist jedoch auch denkbar, die Höhe des Turmschafts über der Plattform in Abhängigkeit von den Windverhältnissen zu variieren. Bei sehr starken Winden kann der Turmschaft eine relativ geringe Höhe aufweisen, um den Weiterbetrieb der Windkraftanlage zu gewährleisten. Bei schwächerem Wind wird der Turmschaft vollständig ausgefahren. Auf dem Turmschaft wird vorzugsweise eine Schalenlagerung angeordnet, wobei die untere Schale turmschaftfest ist, während die obere Schale mit einem Pendel verbunden ist, das durch eine Öffnung der unteren Schale hindurchgeführt ist und entsprechend ballastiert. Das Pendel sorgt für eine Ausrichtung der Gondel in der Vertikalen, unabhängig von einer Schiefstellung des Gestells bzw. des Fundamentkörpers. Eine geeignete Verdrehmöglichkeit, die im Schalenlager selbst ausgebildet sein kann, sorgt für eine Ausrichtung des Rotors. Es ist jedoch auch denkbar, auf der oberen Schale ein Ringlager anzuordnen, und mit Hilfe eines Antriebs des Ringlagers die Ausrichtung der Gondel mit dem Rotor zu bewerkstelligen. Zusätzlich oder alternativ zum Pendel, das als Pendelschaft in den Turmschaft hineinragt, kann auch ein Antrieb an der oberen Schale des Schalenlagers vorgesehen werden, um die gewünschte Ausrichtung in der Vertikalen automatisch zu gewährleisten.
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Die Ballastierung des Fundaments kann im Hafen erfolgen oder in Hafennähe. Es ist aber auch möglich, den Ballast von einem gesonderten Schiff aus auf der Offshore-Position einzubringen.
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Der Transport der kompletten Windkraftanlage erfolgt vorzugsweise mit einem Katamaranponton oder einem Katamaranschiff. Beide können so ausgebildet sein, dass gleichzeitig zwei Windkraftanlagen aufgenommen und transportiert werden können. An dem Einbauort wird das gesamte System abgesetzt. Dies geschieht vom Katamaranponton oder vom Katamaranschiff aus z. B. mit Hilfe so genannter Litzenheber, die nach und nach das Fundament auf den Meeresboden absenken. Es ist jedoch auch unter Umständen vorteilhaft, ein ungebremstes Absinken des Fundaments vorzunehmen, was naturgemäß weitaus schneller vonstatten geht als das langsame Absenken mit Hilfe von Litzenhebern oder ähnlichen Hub- und Senkeinrichtungen. Bei dem ungebremsten Absinken sorgt die mittige Öffnung im Fundamentkörper dafür, dass dieser keine unnötigen Taumelbewegungen ausführt. Die rohrartigen Beine dringen als erste in den Meeresboden ein, wobei die seitlichen Öffnungen das in die Beine eingepresste Wasser abströmen lassen. Mit Hilfe der Düsen an der Unterseite des Fundamentkörpers wird der Boden unterhalb des Fundamentkörpers durch Erzeugung eines Porenwasserüberdrucks aufgelockert und bewirkt ein Einsinken des Fundamentkörpers über eine gewisse Tiefe. Das durch das Gewicht des Fundamentkörpers verdrängte Material gelangt seitlich unter die an der Oberkante des Fundamentkörpers angebrachte Kolkschutzmatte, die schräg nach unten weist. Ein geringerer Teil des Bodens wird nach innen verdrängt zur Öffnung hin. Durch sektorweises Ansteuern der Düsen ist es möglich, eine vorhandene Schiefstellung des Fundamentkörpers zu korrigieren. Für diese und weitere Arbeiten an der Windkraftanlage wird kein Schiff oder Schwimmkörper benötigt. Die Plattform ist so ausgebildet, dass sie Mannschafts- und Werkstatträume enthält sowie auch alle Aggregate und Steuereinrichtungen. Das Hochfahren des Turmschafts einschließlich der Gondel und des Rotors erfolgt somit mit Bordmitteln, so dass auch hierfür kein Kranschiff oder eine Hubinsel erforderlich ist.
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Die Schichtstärke des unter Porenwasseraberdruck gesetzten Bodens ist durch Steuerung des Wasserdrucks und der Wassermenge bestimmten, variablen Zeitintervallen einstellbar. Bei fortlaufender Wasserinjektion entsteht ein kontinuierlicher Prozess durch Aufbau von Porenwasserüberdruck in dem unmittelbar unter dem Fundament anstehenden Boden und durch die schichtweise Verdrängung des Bodens. Die unter dem Fundament angeordneten Düsen, Pump-Zuleitungs- und Steuerungssysteme sind, wie bereits erwähnt, in Sektoren unterrteilt, sodass das Einsenken des Fundaments gesteuert werden kann. Mit dem Steuerungssystem kann auf die Bodenverhältnisse, Festigkeiten und Lagerungsdichten, die in der Aufstandsfläche unterschiedlich sein können, entsprechend reagiert werden. Es kann auch auf das Verhalten des Fundaments, bzw. der kompletten Windkraftanlage ohne auf die Einwirkungen durch Wind Wellen reagiert werden.
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Bei feinkörnigen Böden mit verhältnismäßig hoher Festigkeit werden bei der Wasserinjektion höhere Drücke, Mengen und längere Zeiten erforderlich. Erfahrungsgemäß können solche Böden mit Wasserinjektionsverfahren umgelagert werden, sodass auch bei solchen Bodenverhältnissen die Einsenkung von Schwergewichtsfundamenten nach dem beschriebenen Konzept erfolgen kann.
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Der erzeugte Porenwasserdruck kann verhältnismäßig schnell abklingen, sodass kurzzeitig nach dem Einsenkvorgang die planmäßige Belastbarkeit und Stabilität erreicht wird. Die sonst durch dynamische Einwirkungen auf das Fundament mögliche Ausbildung von Porenwasserüberdrücken und hohen Verflüssigungen unter dem Fundament wird durch die zum Einsenkvorgang erforderlichen Installationen vermieden.
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Das Wasserinjektionssystem kann wiederholt benutzt werden, sodass auch nach längerer Nutzungszeit der Anlage mögliche Lageveränderungen des Fundaments korrigiert werden können. Schließlich kann das System auch beim Rückbau benutzt werden. Durch den möglichen Aufbau von Wasserdruck unter dem Fundament, kann das Fundament leichter aus dem Untergrund herausgehoben und abtransportiert werden.
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Über die Düsen- und Leitungssysteme können auch aus dem Untergrund aussteigende Gase, zum Beispiel Methan, Schwefel-Wasserstoff und Ähnliches an die Oberfläche abgeführt werden.
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Die für die Wasserinjektion erforderlichen Aggregate und die für die Steuerung der Fundamenteinsenkung erforderlichen Mess- und Steuereinrichtungen werden auf der Plattform oberhalb der Rohrstützen installiert. Der Einsenkvorgang und die Errichtung von Windenergieanlagen erfolgt somit ohne Zuhilfenahme von Hubinseln, Kranschiffen usw. und kann auch bei schlechten Wetterverhältnissen und zu jeder Jahreszeit, auch bei hohem Seegang, erfolgen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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1 zeigt die Draufsicht auf ein sogenanntes Balkenkreuzfundament nach der Erfindung,
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2 zeigt einen horizontalen Schnitt durch das Fundament nach 1,
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3 zeigt die Draufsicht auf eine gesamte Ausführungsform eines Balkenkreuzfundaments nach der Erfindung,
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4 zeigt einen Horizontalschnitt durch die Darstellung nach 3,
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5 zeigt das Balkenkreuzfundament nach 1 mit einer Kolkschutzmatte,
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6 zeigt einen Schnitt durch die Darstellung nach 3 entlang der Linie A-A,
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7 zeigt einen Schnitt durch die Darstellung nach 3 entlang der Linie B-B.
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8 zeigt eine andere Ausführungsform eines Schwergewichtsfundaments in Draufsicht.
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9 zeigt einen Schnitt durch die Darstellung nach 8 entlang der Linie 9-9.
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10 zeigt perspektivisch eine Windkraftanlage mit einem Gewichtsfundaments nach den 8 und 9.
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11 zeigt eine ähnliche Darstellung wie 10, jedoch bei hochgefahrenem Turmschaft für die Rotoren.
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In 1 ist ein Balkenkreuzfundament 10 dargestellt, dessen vier Balken 12 gleiche Länge und Breite haben. In der Kreuzmitte befindet sich eine quadratische Öffnung 14. Zwischen den Enden der Balken ist jeweils ein kreisförmiger Durchgang 16 vorgesehen für die Aufnahme von Rohrstützen, worauf weiter unten noch eingegangen wird. In 2 ist zu erkennen, dass die Balken als nach oben offene Kästen ausgebildet sind. Innerhalb dieser Kästen befinden sich massive Traversen 18 mit den Durchgängen 16 für die Aufnahme von Rohrstützen, wie bereits angedeutet.
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In 3 ist das Balkenkreuz gemäß 1 dargestellt und daher mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Außerdem sind benachbarte Balken durch Diagonalbalken 20, 22 miteinander verbunden, die jedoch eine geringere Höhe haben als die Balken 12.
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In 5 ist gezeigt, wie das Balkenkreuz 10 von einer achteckigen Kolkschutzmatte 24 umgeben ist.
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In 6 ist zu erkennen, dass in die Durchgänge 18 Rohrstützen 26 eingelassen sind, die mit einem Bein 28 über die Unterseite des Balkenkreuzfundaments herausragen, zum Beispiel um vier Meter. Die Beine 28 haben mehrere schlitzartige Öffnungen 30. In die kastenförmigen Balken 12 ist Steinmaterial 32 eingefüllt, um eine Ballastierung des Fundamentkörpers zu bewirken. Aus der Schnittdarstellung nach 7 geht hervor, dass die Diagonalverbindungsbalken 20, 22 ebenfalls kastenförmig ausgebildet sind und mit Steinmaterial 34 befüllt sind. Ihre Höhe ist nur etwa 1/3 der Höhe des Fundamentkörpers 10. Wie aus den 6 und 7 ferner hervorgeht, ist die Kolkschutzmatte 24 an der oberen Kante des Balkenkreuzfundaments 10 außen an den Balken 12 und an dem äußeren Diagonalbalken 20 angebracht.
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In den 8 und 9 ist als Fundamentkörper für eine Windkraftanlage ein Ringfundament 40 gezeigt, das in gleichmäßigen Abständen nach oben offene Ausnehmungen 42 aufweist. Die Ausnehmungen 42 sind von sektorartigen Stegen 44 voneinander getrennt. In den Stegen befinden sich kreisförmige Durchbrüche 46. Sie dienen zur Aufnahme von Rohrstützen für ein Stützgestell der nicht dargestellten Windkraftanlage. Der Außendurchmesser des Ringfundaments beträgt z. B. 40 m. Sein Innendurchmesser beträgt z. B. 20 m. Die Sohle 48, die die Ausnehmungen oder Kammern 42 unten begrenzt, hat z. B. eine Dicke von 1 m. Die Wände der Ausnehmungen 42 sind z. B. ebenfalls 1 m dick. Der Durchmesser der Durchbrüche beträgt z. B. 3 m.
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Unterhalb der Sohle des Ringfundaments 40 können Düsen angeordnet sein, um unterhalb des Ringfundaments die Tragfestigkeit des Bodens durch Porenwasserüberdruck zu verringern, damit das Fundament in den Meeresboden einsinken kann. Die Düsen sind über ein nicht gezeigtes Verteilsystem mit Leitungen in den Stützrohren (in den 8 und 9 ebenfalls nicht gezeigt) verbunden, damit sie über Druckpumpen mit Druckwasser versorgt werden können. Das Einsenkprinzip eines derartigen Schwergewichtsfundaments wurde weiter oben bereits erläutert.
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In den 10 und 11 ist eine vollständige Windkraftanlage, die auf dem Meeresboden gründet, dargestellt. Sie weist das Ringfundament 40 gemäß den 8 und 9 auf, wobei jedoch lediglich vier Rohrstützen 50 vorgesehen sind, die in entsprechenden Durchbrüchen 46 eingelassen sind. Sie erstrecken sich über die Unterseite oder Sohle des Ringfundaments 40 nach unten, z. B. um 4 m und bilden entsprechend Beine 52. In die übrigen Durchbrüche sind Beine 54 eingeführt, die sich um einen gleichen Betrag nach unten über die Sohle des Ringfundaments 40 erstrecken. Die Beine 52, 54 dienen der seitlichen Stabilität der Windkraftanlage. Die im Quadrat angeordneten Rohrstützen 50 sind durch Quer- bzw. Diagonalstäbe 56 stabilisiert. Sie tragen eine obere Plattform 58 und erstrecken sich durch eine darunter befindliche Plattform 60. Innerhalb des durch die Rohrstützen 50 gebildeten Bereichs erstreckt sich ein Turmschaft 62, der durch beide Plattformen 58, 60 hindurch erstreckt ist und am oberen Ende drehbar einen horizontalen Lagerbalken 64 lagert an dessen Enden jeweils eine Gondel 66 bzw. 68 mit einem zweiflügeligen Rotor 70, 72 gelagert ist. Die Rotoren 70, 72 sind zwar entgegengesetzt zueinander gerichtet, jedoch in der Lage, durch eine entsprechende Anstellung der Rotorblätter Windenergie in Drehung zu wandeln. Die Lagerung der Gondeln 66, 68 erfolgt über Schalenlager (nicht im Einzelnen dargestellt). Durch die untere Schale der Schalenlager erstreckt sich ein Pendelschaft 74 bzw. 76, der mit der oberen Lagerschale verbunden ist. Auf diese Weise kann für eine automatische Ausrichtung der Gondel zur Vertikalen Sorge getragen werden. Es ist auch möglich, dem Schalenlager ein Drehmechanismus zuzuordnen, der für die Drehung der Gondel relativ zum Lagerbalken 64 sorgt. Die Ausrichtung zum Wind kann jedoch auch über den Lagerbalken 64 erfolgen, der mit einem entsprechenden Drehantrieb versehen ist.
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In 10 ist die Anordnung der Gondeln und des horizontalen Lagerbalkens in der unteren Position dargestellt. Die Plattformen 58, 60 sind z. B. 20 m oberhalb des Meeresspiegels, der bei 80 angedeutet ist. Der Meeresgrund ist bei 82 angedeutet, auf dem das Ringfundament 40 abgestellt bzw. in diesen um einen gewissen Betrag eingesenkt ist. Das Ringfundament ist von einer Kolkschutzmatte 84 umgeben, die wie hier nicht gezeigt, böschungartig schräg nach unten geneigt ist. Dadurch wird das durch die Düsen aufgelockerte Bodenmaterial aufgrund des Eigengewichts des Ringfundaments 40 nach außen unter die Kolkschutzmatte 40 verlagert. Ein Teil der verlagerten Masse gelangt auch nach innen. Die einzelnen Ausnehmungen oder Kammern 62 sind z. B. mit Steinmaterial gefüllt, um das Ringfundament ausreichend zu ballastieren.
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Wegen der geringen Höhe der Gondeln 66, 68 können die Montagearbeiten an diesen ohne weiteres und einfach von den Plattformen 58, 60 aus vorgenommen werden. Außerdem kann bei einem sehr starken Wind eine Einstellung gemäß 10 zweckmäßig sein. Ein Abschalten der Rotoren ist dann nicht erforderlich. Bei mittlerem oder weniger starkem Wind wird der Turmschaft 62 in die in 11 gezeigte Position nach oben gefahren. In dieser Position haben die Rotoren 70, 72 einen Versatz von etwa 90°, während sie in der Darstellung nach 10 aus Wartungsgründen annähernd gleich ausgerichtet sind.
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Der Turmschaft 62 ist als Gittermast mit gleichmäßigem Querschnitt zwischen den Enden ausgebildet. Er wird durch eine geeignete Vorrichtung in der Höhe verstellt, die hier nicht dargestellt ist. Außerdem sind geeignete Mittel vorgesehen, um den Turmschaft in der gewünschten Höhe an den Plattformen 58, 60 zu sichern.
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Wie in den 10 und 11 ferner zu erkennen, ist der Außendurchmesser der Rohrstützen 50 nahe dem Ringfundament 40 etwas größer. Er geht in den Durchmesser der Beine 52 über. Die Fixierung der Rohrstützen 50 in den Durchbrüchen 46 erfolgt in geeigneter Weise, ohne dass dies im Weiteren erläutert werden soll.
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An der unteren Plattform 60 sind Spannseile 90 befestigt, die zu Saugtöpfen 92 geführt sind, die mittels Vakuum am Meeresboden 62 festgesaugt sind. Ein derartiges Verankerungsprinzip ist an sich bekannt.
