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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Optimierung von Kenngrößenwerten von Kenngrößen bei einer Anzahl von einander baulich entsprechenden Einheiten wenigstens eines Wellenenergiekonverters und Mittel zur Implementierung eines derartigen Verfahrens.
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Stand der Technik
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Zur Umwandlung von Energie aus Wasserbewegungen in Gewässern in nutzbare Energie ist eine Reihe unterschiedlicher Vorrichtungen bekannt. Eine Übersicht hierzu gibt beispielsweise
G. Boyle, "Renewable Energy", 2. Aufl., Oxford University Press, Oxford 2004. Derartige Vorrichtungen werden auch als ”Wellenenergiekonverter” bezeichnet.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind insbesondere Wellenenergiekonverter von Interesse, die mit ihren bewegten Teilen unter der Wasseroberfläche angeordnet sind und die eine dort vorliegende Wellenorbitalbewegung ausnutzen. Die Wellenorbitalbewegung kann mittels Rotoren in eine Rotationsbewegung umgesetzt werden. Hierzu können Rotoren mit Kopplungskörpern, z. B. hydrodynamischen Auftriebsprofilen, verwendet werden. Ein derartiges System ist in der
US 2010/0150716 A1 offenbart.
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Die Erfindung kann jedoch bei allen Wellenenergiekonvertern eingesetzt werden, bei denen bestimmte Kenngrößen von jeweils eingestellten Betriebsparametern und jeweils vorherrschenden Rahmenbedingungen beeinflusst werden.
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Solche Kenngrößen, nachfolgend mit K bezeichnet, können beispielsweise ein momentanes Drehmoment, einen momentanen Energieertrag, ein mittleres Drehmoment, einen mittleren Energieertrag, eine Gleichmäßigkeit einer Energieeinspeisung durch den Wellenenergiekonverter in ein Netz und die Reduktion von schädigenden Lasten (z. B. aufgrund von Kavitation) umfassen. Sie lassen sich durch numerische Werte, nachfolgend als Kenngrößenwerte bezeichnet, angeben. Ziel einer Maschinensteuerung oder -regelung, mit der ein Wellenenergiekonverter betrieben wird, ist es unter anderem, die Kenngrößenwerte zu optimieren.
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Betriebsparameter, nachfolgend mit P bezeichnet, umfassen im Sprachgebrauch dieser Anmeldung solche Größen, die an einem Wellenenergiekonverter aktiv eingestellt werden können. Bei rotierenden Wellenenergiekonvertern mit verstellbaren Kopplungskörpern umfassen diese beispielsweise einen Anstellwinkel (Pitchwinkel) der Kopplungskörper, einen Phasenversatz des Wellenenergiekonverters zu einem anregenden Wellenfeld und ein einstellbares Generatormoment. Auch eine Tauchtiefe oder einstellbare Eigenschaften der Verankerung (Mooring, z. B. veränderbare Federsteifigkeit, zusätzliche veränderbare Massen) sind Betriebsparameter. Auch die Betriebsparameter lassen sich in Form entsprechender Größen, nachfolgend als Parametergrößen bezeichnet, angeben.
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Im Gegensatz dazu lassen sich die Rahmenbedingungen, nachfolgend mit R bezeichnet, nicht aktiv einstellen, der Wellenenergiekonverter kann allenfalls an diese angepasst werden. Die Rahmenbedingungen umfassen beispielsweise ein anregendes Wellenfeld, vorherrschende Strömungen und feste Werte des Moorings.
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Kenngrößen, Betriebsparameter und Rahmenbedingungen sind entweder bekannt, weil aktiv eingestellt, oder können am Ort des Wellenenergiekonverters oder entfernt zu diesem als Messgrößen bestimmt werden.
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In bekannten Ansätzen zur Optimierung der Kenngrößenwerte werden Regelstrategien verwendet, welche auf einem modellhaften Verständnis des Maschinenverhaltens basieren. Das Regelergebnis ist damit jedoch sowohl von der Qualität (Güte, zeitliche Auflösung etc.) der Eingangsgrößen, beispielsweise der Messgrößen, als auch von der Qualität des zugrunde liegenden Modells abhängig. Häufig kann nur ein Teil der Effekte, die das Maschinenverhalten beschreiben, modelliert oder in Echtzeit (zur Regelung im Betrieb) berechnet werden.
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Außerdem ist die Erfassung der benötigten Messgrößen, beispielsweise zur Beschreibung eines Strömungsfelds, bisweilen sehr aufwendig.
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Es besteht daher der Bedarf nach Verfahren, die es erlauben, eine oder mehrere Kenngrößenwerte durch eine entsprechende Steuerung und/oder Regelung im Betrieb zu optimieren bzw. auf einem optimalen Wert zu halten, was nachfolgend auch als Modenverfolgung bezeichnet wird, und dabei den Messaufwand bzw. die Modellierungstiefe zu verringern.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zur Optimierung von Kenngrößenwerten von Kenngrößen bei einer Anzahl von einander baulich entsprechenden Einheiten wenigstens eines Wellenenergiekonverters sowie eine Steuereinheit, die zur Durchführung eines derartigen Verfahrens eingerichtet ist, mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Vorteile der Erfindung
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Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren, zu dessen Durchführung auch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Steuereinheit eingerichtet ist, dient zur Optimierung der eingangs erläuterten Kenngrößenwerte und/oder zum Halten von entsprechend optimierten Kenngrößenwerten bei einer Anzahl von einander baulich entsprechenden Einheiten wenigstens eines Wellenenergiekonverters.
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Bei derartigen einander baulich entsprechenden Einheiten kann es sich um Einheiten an einem oder an mehreren unterschiedlichen Wellenenergiekonvertern handeln. Beispielsweise kann ein Wellenenergiekonverter zweiseitig ausgebildet sein, d. h. eine rotierende Basis aufweisen, von der ausgehend sich zu beiden Seiten Auftriebsprofile erstrecken. Bei den Auftriebsprofilen auf den beiden Seiten der Basis (also den zwei Seiten des Wellenenergiekonverters) handelt es sich um einander baulich entsprechende Einheiten. Ferner sind beispielsweise sogenannte Käfigläufer bekannt, die zwei Rotorbasen in einem Axialabstand zueinander angeordnet sind, und zwischen denen sich die Auftriebsprofile erstrecken. In diesem Fall sind die zwei Rotorbasen, an denen beispielsweise ein positives oder negatives Moment eingestellt werden kann, ebenfalls zwei einander baulich entsprechende Einheiten. Insbesondere bei den zweiseitigen Wellenenergiekonvertern ist es wichtig, eine Verstimmung zwischen beiden Seiten, also eine Asymmetrie, zu vermeiden. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt dies.
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Einander baulich entsprechende Einheiten finden sich selbstverständlich auch bei einer Anzahl unterschiedlicher, jedoch im Wesentlichen gleichartig aufgebauter Wellenenergiekonverter, beispielsweise eines Wellenenergiekonverterparks.
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Kenngrößenwerte können direkt gemessen werden, es kann sich jedoch auch um entsprechende Mittelwerte, abgeleitete Größen und dergleichen handeln. Diese Kenngrößenwerte sind, wie eingangs erläutert, durch einstellbare Betriebsparameter und durch nicht einstellbare Rahmenbedingungen beeinflussbar.
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Für wenigstens einen der zuvor erläuterten Betriebsparameter umfasst das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren das Einstellen von jeweils unterschiedlichen Parameterwerten bei den einander baulich entsprechenden Einheiten, die in das erfindungsgemäße Optimierungsverfahren einbezogen werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend überwiegend unter Bezugnahme auf genau zwei Wellenenergiekonverter beschrieben, es kann jedoch jederzeit auf eine größere Anzahl von Wellenenergiekonvertern erweitert oder bei zwei oder mehreren einander baulich entsprechenden Einheiten nur eines oder mehrerer Wellenenergiekonverter durchgeführt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ist bereits bei Verwendung einer Zweifachkombination voll funktionsfähig. Es können auch Größen bei mehr als zwei Wellenenergiekonvertern oder einander baulich entsprechenden Einheiten verwendet werden. Diese liegen z. B. in Wellenenergiekonverterparks mit einer beliebig großen Anzahl von Wellenenergiekonvertern vor und werden dort laufend ermittelt. Eine größere Anzahl in das erfindungsgemäße Optimierungsverfahren einbezogener Wellenenergiekonverter oder einander baulich entsprechender Einheiten liefert insbesondere eine schnellere Konvergenz, d. h. eine raschere Optimierung und/oder eine höhere Zuverlässigkeit bzw. Stabilität des erfindungsgemäß durchgeführten Optimierungsverfahrens.
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Die Erfindung umfasst insbesondere, die Parameterwerte wenigstens zweier oder einer Vielzahl von Betriebsparametern gleichzeitig zu verstellen, kann jedoch auch mit nur einem Parameterwert bzw. Betriebsparameter durchgeführt werden. Im ersteren Fall bilden die Parameterwerte einen mehrdimensionalen Zustandsraum, der insgesamt in eine gewünschte Richtung verändert werden kann.
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Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt anschließend ein Bestimmen jeweils zumindest eines Kenngrößenwerts einer oder mehrerer der Kenngrößen bei der Anzahl der einander baulich entsprechenden Einheiten des oder der Wellenenergiekonverter. Auch hier wird nachfolgend eine Vereinfachung dahingehend vorgenommen, dass nur jeweils zwei Kenngrößenwerte beschrieben werden. In der Praxis kann jedoch eine sehr große Anzahl von Kenngrößen mit entsprechenden Kenngrößenwerten einbezogen werden. Auch diese bilden einen mehrdimensionalen Zustandsraum.
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Insgesamt umfasst die nachfolgende Beschreibung eine Reihe derartiger Vereinfachungen. In der Realität beschreiben, wie teilweise erläutert, die Betriebsparameter, die Rahmenbedingungen und/oder die Kenngrößen, bzw. ihre jeweiligen Werte, mehrdimensionale Zustandsräume, in denen die entsprechenden Werte Vektoren darstellen. Einer der besonderen Vorteile des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren ist jedoch der, dass es zur Optimierung bzw. zum Halten eines entsprechend optimierten Werts in einem mehrdimensionalen Raum ausreichend ist, diesen Raum an zwei geeigneten Stellen zu beproben.
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Erfindungsgemäß wird diejenige Einheit aus der Anzahl der einander baulich entsprechenden Einheiten ermittelt, bei der zumindest einer der Kenngrößenwerte der einen oder mehreren Kenngrößen einem feststellbaren Gütewert am nächsten kommt, also betragsmäßig oder in einer sonst beschreibbaren Weise am geringsten von diesem abweicht. Der bei dieser Einheit eingestellte Parameterwert kann als Zwischenwert festgelegt werden. Mit anderen Worten wird die Einheit ermittelt, die die Kenngrößenvorgaben am besten erfüllt.
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Bei einem feststellbaren Gütewert kann es sich um einen numerisch bestimmbaren Zielwert handeln. Es kann sich jedoch auch beispielsweise um einen Maximal- und/oder einen Minimalwert handeln. Ein entsprechender Gütewert muss daher nicht notwendigerweise als Zahlenwert vorgegeben sein, sondern kann auch beispielsweise in Form eines (positiven oder negativen) unendlichen Werts vorliegen. Ein feststellbarer Gütewert muss nicht a priori bekannt sein sondern kann sich auch erst bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben. Bezüglich der eingangs erläuterten Kenngrößen, wie dem momentanen Drehmoment, dem momentanen Energieertrag, dem mittleren Drehmoment, dem mittleren Energieertrag und der Gleichmäßigkeit der Energieeinspeisung, bzw. den diese Kenngrößen angebenden Kenngrößenwerten, wird ein Maximalwert angestrebt. Umgekehrt ist beispielsweise hinsichtlich solcher Kenngrößenwerte, die schädigende Lasten angeben, ein Gütewert ein Minimalwert. Bei einem feststellbaren Gütewert kann es sich jedoch auch um einen Gleichmäßigkeitswert, beispielsweise einer Energieeinspeisung in ein Netz, auftretender Momente oder dergleichen handeln.
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Nach diesem Schritt erfolgt ein Erhöhen des Parameterwerts bei jeder Einheit aus der Anzahl der einander baulich entsprechenden Einheiten, bei der der eingestellte Parameterwert geringer ist als der Zwischenwert oder bei der der eingestellte Parameterwert sowohl dem größten Parameterwert, der bei der Anzahl der einander baulich entsprechenden Einheiten eingestellt wurde, als auch dem Zwischenwert entspricht. Ein Verringern des Parameterwerts erfolgt bei jeder Einheit aus der Anzahl der einander baulich entsprechenden Einheiten, bei der der eingestellte Parameterwert höher ist als der Zwischenwert oder bei der der eingestellte Parameterwert sowohl dem kleinsten Parameterwert, der bei der Anzahl der einander baulich entsprechenden Einheiten eingestellt wurde, als auch dem Zwischenwert entspricht. Bei den Einheiten, bei denen keine dieser Bedingungen zutrifft, erfolgt keine Veränderung. Wie erwähnt, können auch mehrere Parameterwerte eines entsprechenden Zustandsraums in Form eines entsprechenden Parametervektors entsprechend verändert werden. Die Erläuterungen gelten hierfür in gleicher Weise.
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Die jeweils bei der Ermittlung des Zwischenwerts eingestellten Parameterwerte definieren einen Wertebereich mit einem Minimalwert und einem Maximalwert. Der Fall, dass der eingestellte Parameterwert bei einer Einheit dem größten der bei der Anzahl der einander baulich entsprechenden Einheiten eingestellten Parameterwerte (also dem Maximalwert) und dem Zwischenwert entspricht, lässt den Schluss zu, das Maximum einer entsprechenden Optimumskurve noch außerhalb des genannten Wertebereichs liegt. Damit werden die Parameterwerte aller Einheiten erhöht. Dies gilt für ein zu erreichendes maximales Optimum. Entsprechendes gilt jedoch auch für ein zu erreichendes Minimum: So lässt der Fall, dass der eingestellte Parameterwert bei einer der Einheiten dem geringsten der bei der Anzahl von Wellenenergiekonvertern eingestellten Parameterwerte (also dem Minimalwert) und dem Zwischenwert entspricht, den Schluss zu, das Minimum einer entsprechenden Optimumskurve noch außerhalb des genannten Wertebereichs liegt. Damit werden die Parameterwerte aller Einheiten verringert.
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In anderen Fällen liegt das Maximum (bzw. Minimum) einer entsprechenden Optimumskurve innerhalb des Wertebereichs, so dass Parameterwerte so zu verstellen sind, dass sich die Einheiten in Richtung des Maximums bewegen (konvergieren). Dies erfolgt durch Erhöhen der Parameterwerte bei einem Teil (oder auch nur einer) der Einheiten und durch Verringern der Parameterwerte bei einem anderen Teil (oder auch nur einer) der Einheiten. Die Einheit, deren Parameterwert dem Zwischenwert entspricht (also die momentan ”am besten” eingestellte Einheit) kann ebenfalls verändert oder so lange bezüglich des Parameterwerts konstant gehalten werden, bis bei dem iterativ wiederholten Verfahren eine andere der Einheiten die ”beste” Einstellung besitzt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird anschließend erneut mit dem Bestimmen jeweils zumindest eines Kenngrößenwerts einer oder mehrerer der Kenngrößen bei der Anzahl von einander baulich entsprechenden Einheiten fortgesetzt. Erneut wird anschließend diejenige Einheit ermittelt, bei der zumindest einer der Kenngrößenwerte der einen oder mehreren Kenngrößen dem feststellbaren Gütewert am nächsten kommt und der bei dieser Einheit eingestellte Parameterwert als Zwischenwert festgelegt. Anschließend folgt erneut eine Verstellung (also Erhöhung und/oder Verringerung) der Parameterwerte wie oben erläutert.
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Dies erfolgt so lange, gegebenenfalls unter Verringerung der bei der Verstellung (Erhöhen oder Verringern) verwendeten Schrittweite, bis alle aus der Anzahl der einander baulich entsprechenden Einheiten auf oder um den entsprechend ermittelten Optimalwert eingestellt wurden. Dabei können alle Einheiten exakt auf den ermittelten Optimalwert eingestellt werden. Um eine kontinuierliche Nachführung zu ermöglichen, wird jedoch vorteilhafterweise eine gewisse Spreizung eingehalten. Das Verfahren kann beliebig fortgesetzt werden, auch wenn der Parameterwert bei einem oder auch nach mehreren Durchlaufen bei keiner der Einheiten verstellt wurde. Denn es kann die Situation eintreten, dass sich nun die Rahmenbedingungen verändern und hierdurch eine Abweichung vom Optimum herbeiführen.
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Weil aber bei jedem Durchgang diejenige Einheit ermittelt wird, bei der zumindest einer der Kenngrößenwerte der einen oder mehreren Kenngrößen einem vorgegebenen Zielwert am nächsten kommt, kann ein entsprechendes ”Herauslaufen” aus dem Optimum durch die veränderten Rahmenbedingungen verhindert werden. In diesem Fall sind die oben genannten Bedingungen für die Verstellung der Parameterwerte erneut erfüllt und dem Optimum kann entsprechend gefolgt werden. Hierbei handelt es sich um die eingangs erwähnte Modenverfolgung.
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Zu Merkmalen und Vorteilen der erfindungsgemäß ebenfalls vorgeschlagenen Steuereinheit sei auf die obigen und die nachfolgenden Erläuterungen verwiesen. Die Steuereinheit steuert bzw. regelt eine Anzahl einander baulich entsprechender Einheiten von Wellenenergiekonvertern nach den entsprechend erläuterten Prinzipien.
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Die Erfindung und bevorzugte Ausgestaltungen werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen weiter erläutert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt Wellenorbitalbewegungen unter der Oberfläche eines wellig bewegten Gewässers in schematischer Darstellung und entsprechende Rahmenbedingungen.
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2 zeigt einen Wellenenergiekonverter, dessen Kenngrößen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung optimiert werden können, in schematischer Darstellung.
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3 zeigt auf den Wellenenergiekonverter der 2 einwirkende Rahmenbedingungen sowie eingestellte Betriebsparameter und entsprechend erhaltene Kenngrößen.
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4 veranschaulicht eine Optimierung zweier Wellenenergiekonverter gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in Form von Betriebsparameter-/Kenngrößendiagrammen.
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5 veranschaulicht eine Optimierung zweier Wellenenergiekonverter gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in Form eines Betriebsparameter-/Kenngrößendiagramms.
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6 veranschaulicht ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in Form eines schematischen Ablaufplans.
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In den Figuren tragen gleiche oder gleich wirkende Elemente identische Bezugszeichen. Auf eine wiederholte Erläuterung wird verzichtet.
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Ausführungsformen der Erfindung.
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1 zeigt Wellenorbitalbewegungen unter der Oberfläche eines wellig bewegten Gewässers in schematischer Darstellung. Eine Welle an der Oberfläche des Gewässers ist mit 10 bezeichnet. An einer Position A liegt ein Wellenberg, an einer Position C ein Wellental vor. Die Welle breitet sich in einer Wellenausbreitungsrichtung 11 aus. An den Positionen B und D befinden sich die Übergänge Wellenberg/Wellental bzw. Wellental/Wellenberg. Die mittlere Gewässeroberfläche ist mit 12 bezeichnet.
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Aufgrund der Wellenbewegung ergeben sich unterhalb der Oberfläche des Gewässers Wellenorbitalbewegungen in Form von Orbitalbahnen 13, die nur teilweise mit Bezugszeichen versehen sind. Unmittelbar unter der Oberfläche des Gewässers weisen diese Orbitalbahnen 13 jeweils Radien r auf, die der Amplitude der Welle 10 entsprechen. Die Radien verringern sich mit zunehmender Distanz zur Oberfläche des Gewässers. Im Tiefwasser sind die Orbitalbahnen 13 kreisförmig, im Flachwasser zunehmend elliptisch.
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Die lokale Wasserbewegung ist in der 1 jeweils in Form kurzer, fetter Pfeile dargestellt, die den jeweiligen Bewegungsvektoren v entsprechen. Unter einem Wellenberg an Position A bewegt sich die Gesamtheit der Wasserteilchen dabei in Richtung der Wellenausbreitungsrichtung 11. Unter einem Wellental an Position C bewegt sich die Gesamtheit der Wasserteilchen der Wellenausbreitungsrichtung 11 entgegen. Beim Übergang von einem Wellenberg (Position A) zu einem Wellental (Position C), und zwar in Wellenausbreitungsrichtung fortschreitend, kommt es an Position B zu einer Situation, in der sich die Gesamtheit der Wasserteilchen senkrecht nach oben bewegt. Umgekehrt bewegt sich beim Übergang von einem Wellental (Position C) zu einem Wellenberg (Position A), wiederum in Wellenausbreitungsrichtung 11 fortschreitend, die Gesamtheit der Wasserteilchen senkrecht nach unten. Insgesamt ergibt sich an einer festen Position eine kontinuierliche Änderung der Anströmrichtung, deren Rotationsgeschwindigkeit der Wellenfrequenz entspricht. Bei multichromatischen Wellen besteht eine zeitliche Variabilität.
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Die Wellenausbreitungsrichtung 11, die Radien der Orbitalbahnen 13, deren Rotationsgeschwindigkeit und damit das anregende Wellenfeld sowie vorherrschende Strömungen und die Verankerung des Wellenenergiekonverters (Mooring) am Meeresgrund sind Rahmenbedingungen R, unter denen ein Wellenenergiekonverter betrieben wird.
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In 2 ist ein Wellenenergiekonverter gezeigt, der sich eine derartige Wellenorbitalbewegung zu Nutze machen kann. Der Wellenenergiekonverter ist insgesamt mit 1 bezeichnet. Er weist einen Rotor 2, 3, 4 mit einer Rotorbasis 2 auf, an der über Rotor- bzw. Hebelarme 4 längliche Auftriebsprofile 3 angebracht sind. In 1 ist ein einseitiger Rotor gezeigt, das Verfahren kann jedoch auch bei zweiseitigen Rotoren durchgeführt werden. Die Auftriebsprofile 3 sind mit einem Ende mit den Hebelarmen 4 verbunden und beispielsweise über Verstelleinrichtungen 5 in einem Winkel (sogenannter Pitchwinkel) um ihre Längsachse drehbar. Den Verstelleinrichtungen 5 können Positionsgeber 6 zugeordnet sein. Die jeweils eingestellten Pitchwinkel stellen Parameterwerte von Betriebsparametern, die durch die Positionsgeber 6 gemessenen Werte der Pitchwinkel entsprechende Messgrößen dar.
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Die Auftriebsprofile 3 sind, bezogen auf die Achse des Rotors 2, 3, 4, in einem Winkel von 180° versetzt zueinander angeordnet. Vorzugsweise sind die Auftriebsprofile 3 in der Nähe ihres Druckpunktes mit den Hebelarmen 4 verbunden, um im Betrieb auftretende Rotationsmomente auf die Auftriebsprofile 3 und damit die Anforderungen an die Halterung und/oder die Verstelleinrichtungen zu reduzieren. Der radiale Abstand zwischen einem Aufhängungspunkt eines Auftriebsprofils 3 und der Rotorachse beträgt beispielsweise 1 m bis 50 m, vorzugsweise 2 m bis 40 m und besonders bevorzugt 6 m bis 30 m. Die Sehnenlänge der Auftriebsprofile 3 beträgt beispielsweise 1 m bis 8 m. Die größte Längserstreckung kann beispielsweise 6 m oder mehr betragen.
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Der Wellenenergiekonverter 1 weist einen integrierten Generator auf. Hierbei ist die Rotorbasis 2 drehbar in einem Generatorgehäuse 7 gelagert. Die Rotorbasis 2 bildet den Läufer des Generators, das Generatorgehäuse 7 dessen Stator. Die erforderlichen elektrischen Einrichtungen wie Spulen und Leitungen sind nicht dargestellt. Auf diese Weise kann eine durch die Wellenorbitalbewegung induzierte Rotationsbewegung der Rotorbasis 2 mit den hieran über die Hebelarme 4 angebrachten Auftriebsprofilen 3 direkt in elektrische Energie umgesetzt werden. Beispielsweise ist ein mittels des Rotors 2, 3, 4 erzeugtes bzw. in den Generator eingeleitetes momentanes Drehmoment eine Kenngröße K, die sich durch einen entsprechenden Kenngrößenwert ausdrücken lässt. Entsprechendes gilt für den momentanen Energieertrag, der auf Grundlage dieses Drehmoments erhalten wird, ein mittleres Drehmoment, einen mittleren Energieertrag und eine Gleichmäßigkeit einer Energieeinspeisung durch den Wellenenergiekonverter in ein Netz.
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Wenngleich in der 2 ein Wellenenergiekonverter 1 gezeigt ist, bei dem die Auftriebsprofile 3 über ihre Hebelarme 4 nur an einer Seite einer Rotorbasis 2 angebracht sind, kann die Erfindung auch bei Wellenenergiekonvertern 1 zum Einsatz kommen, bei denen an beiden Seiten der Rotorbasis 2 Hebelarme 4 bzw. Auftriebsprofile 3 befestigt sind.
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Auch müssen die Rotorarme 4 nicht notwendigerweise in der dargestellten Weise ausgebildet sein. Beispielsweise können die Auftriebsprofile 3 auch über ein scheibenförmiges Element mit der Rotorbasis 2 verbunden sein.
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In 3 ist der Wellenenergiekonverter 1 der 2 nochmals in Draufsicht auf die Rotorbasis 2 gezeigt. Wie erwähnt, weist der Wellenenergiekonverter 1 ein Generatorgehäuse 7 und einen daran drehbar gelagerten Rotor 2, 3, 4 mit einer Rotorbasis 2 und zwei jeweils über Rotorarme 4 drehfest an der Rotorbasis 2 angebrachten Kopplungskörpern in Form hydrodynamischer Auftriebsprofile 3 auf. Die Auftriebsprofile 3 ragen in der 3 von hinten nach vorne in den Wasserkörper. Eine Steuereinheit ist schematisch dargestellt und mit 200 bezeichnet.
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Der Rotor 2, 3, 4 sei unterhalb der Wasseroberfläche eines wellig bewegten Gewässers, beispielsweise eines Ozeans, angeordnet. Hierbei sollen beispielsweise Tiefwasserbedingungen vorliegen, bei denen die Orbitalbahnen 23 (vgl. 1) der Wasserteilchen weitgehend kreisförmig verlaufen. Eine Rotationsachse des Rotors (senkrecht zur Papierebene) sei weitgehend horizontal und weitgehend senkrecht zur Ausbreitungsrichtung 21 der Wellen 20 des wellig bewegten Gewässers orientiert.
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Durch die Verstelleinrichtungen 5 (nur am rechten Auftriebsprofil bezeichnet) kann ein Anstell- bzw. Pitchwinkel α (also ein Parameterwert P) der beiden Auftriebsprofile 3 gegenüber einer jeweils senkrecht nach oben bzw. unten verlaufenden Tangente zum Rotor (nur am linken Auftriebsprofil gezeigt) eingestellt werden. Die Anstellwinkel α der beiden Auftriebsprofile sind vorzugsweise einander entgegen gerichtet orientiert und weisen beispielsweise Werte von –20° bis +20° auf. Insbesondere beim Anfahren des Wellenenergiekonverters 1 können jedoch auch größere Anstellwinkel vorgesehen sein. Vorzugweise können die Anstellwinkel α unabhängig voneinander verstellt werden. Bei den Verstelleinrichtungen 5 kann es sich beispielsweise um elektromotorische Verstelleinrichtungen, vorzugsweise mit Schrittmotoren, und/oder um hydraulische und/oder pneumatische Komponenten handeln.
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Den beiden Verstelleinrichtungen 5 können, wie erwähnt, Positionsgeber 6 zur Bestimmung der aktuellen Anstellwinkel α zugeordnet sein, wodurch eine entsprechende Messgröße erhalten werden kann. Eine weitere, nicht dargestellte Sensorik kann den Rotationswinkel der Rotorbasis 2 gegenüber dem Gehäuse 7 als weitere Messgröße bestimmen, aufgrund derer ein Phasenversatz des Rotor 2, 3, 4 zum anregenden Wellenfeld als Parameterwert ermitteln lässt. Die Erfindung eignet sich jedoch auch für Anlagen ohne Verstelleinrichtungen 5 zur Verstellung der Anstell- bzw. Pitchwinkel α und/oder entsprechende Sensorik.
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Der Wellenenergiekonverter 1 wird von der Orbitalströmung mit einer Anströmungsgeschwindigkeit ν → angeströmt. Dabei handelt es sich bei der Anströmung um die Orbitalströmung von Meereswellen (siehe 1), deren Richtung sich kontinuierlich mit einer Winkelgeschwindigkeit Ω ändert. Bei sogenannten monochromatischen Wellen ändert sich die Anströmungsrichtung dabei mit der Winkelgeschwindigkeit Ω = 2πf = const., wobei f die Frequenz der monochromatischen Welle darstellt. In multichromatischen Wellen unterliegt Ω einer zeitlichen Änderung, Ω = f(t), da die Frequenz f eine Funktion der Zeit ist, f = f(t). Die 3 zeigt damit eine Momentaufnahme. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst im Fall multichromatischer Wellen entsprechende (lokale) Anpassungen.
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Im dargestellten Fall ist die Drehung der Orbitalströmung entgegen dem Uhrzeigersinn orientiert, die dazugehörige Welle breitet sich also von rechts nach links aus. Es ist vorgesehen, dass der Rotor 2, 3, 4 synchron zur Orbitalströmung der Wellenbewegung mit einer Winkelgeschwindigkeit ω rotiert, wobei der Begriff der Synchronizität bei multichromatischen Wellen im zeitlichen Mittel zu verstehen ist.
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Durch die Einwirkung der Strömung mit der Anströmungsgeschwindigkeit ν → auf die Auftriebsprofile 3 werden jeweils ein Auftrieb (angegeben jeweils durch den Kraftvektor F) und dadurch ein auf den Rotor 2, 3, 4 wirkendes erstes Drehmoment erzeugt. Zur Einstellung der Synchronizität kann auf den Rotor 2, 3, 4 ein vorzugsweise veränderbares zweites Drehmoment in Form eines Widerstands, also eines Bremsmoments, oder eines Beschleunigungsmoments aufgebracht werden, welche ebenfalls einen Betriebsparameter P darstellen. Mittel zur Erzeugung des zweiten Drehmoments können dabei beispielsweise zwischen der Rotorbasis 2 und dem Generatorgehäuse 7 angeordnet sein.
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Zwischen der Rotororientierung, die durch eine untere gestrichelte Linie veranschaulicht ist, und die durch die Rotorachse und die Mitte der beiden Verstelleinrichtungen 5 verläuft, und der Richtung der Orbitalströmung, die die durch eine obere gestrichelte Linie veranschaulicht ist, und die durch einen der Geschwindigkeitspfeile ν → verläuft, besteht ein Phasenwinkel bzw. -versatz Δ, dessen Betrag als Parameterwert durch eine geeignete Einstellung des ersten und/oder des zweiten Drehmoments beeinflusst werden kann. Dabei erscheint ein Phasenwinkel von –45° bis 45°, vorzugsweise von –25° bis 25° und besonders bevorzugt von –15° bis 15° zur Erzeugung des ersten Drehmoments als besonders vorteilhaft, da hier bei die Orbitalströmung 1 und die Anströmung aufgrund der Eigenrotation weitgehend senkrecht zueinander orientiert sind, was zu einer Maximierung des Rotormoments führt.
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Die Darstellung der Auftriebsprofile 3 in den 2 und 3 erfolgt nur beispielhaft zur Definition der unterschiedlichen Betriebsparameter. So können im Betrieb die Anstellwinkel der beiden Auftriebsprofile 3 auch entgegengesetzt zur Darstellung ausgeführt sein. Das in 3 linke Auftriebsprofil 3 wäre dann nach innen verstellt und das in 3 rechte Auftriebsprofil 3 nach außen. Dabei kann entgegen dieser schematischen Darstellung mit ungekrümmten symmetrischen Profilen auch der Einsatz von anderen Profilgeometrien vorgesehen sein, die zudem auch noch in Bezug auf die kreisförmige Bahnlinie angepasst und/oder transformiert sein können.
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In der 4 ist eine Optimierung zweier Wellenenergiekonverter gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in Form von Betriebsparameter-/Kenngrößendiagrammen A bis D veranschaulicht. In gleicher Weise gelten die nachfolgenden Erläuterungen aber auch beispielsweise für einander baulich entsprechende Einheiten nur eines Wellenenergiekonverters oder mehrerer Wellenenergiekonverter. In diesen Diagrammen sind jeweils ein Parameterwert eines Betriebsparameters P auf der x-Achse und ein hierbei erhaltener Kenngrößenwert einer Kenngröße K auf der y-Achse aufgetragen. Die Rahmenbedingungen werden bei der Erläuterung der 4 als konstant angenommen.
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Die Kenngrößenwerte der Kenngrößen K folgen einer Optimumskurve 400, die jedoch vor der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht bekannt ist. Mit den Punkten 401 und 402 sind jeweils bei entsprechenden Parameterwerten erhaltene Kenngrößen angegeben. Diese Kenngrößen unterscheiden sich durch Ihren y-Wert, also den Kenngrößenwert. Beispielsweise stellt der Parameterwert in Diagramm A einen Verstellwinkel (Pitchwinkel) eines Auftriebsprofiles eines Wellenenergiekonverters dar. Die Kenngröße K gibt das hierdurch erhaltene Drehmoment an. Das Drehmoment bei Punkt 401 ist geringer als das Drehmoment bei Punkt 402. Der Wellenenergiekonverter, bei dem ein dem Punkt 401 entsprechender Pitchwinkel eingestellt ist, liefert also ein geringeres Drehmoment als der Wellenenergiekonverter, bei dem ein dem Punkt 402 entsprechender Pitchwinkel eingestellt ist.
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Die entsprechend eingestellten Parameterwerte können einen vorgegebenen Abstand d zueinander aufweisen. Dieser Abstand d kann sich beispielsweise nach der Lage auf einer Optimumskurve 400 richten, der in einem vorigen Iterationsschritt ermittelt wird, beispielsweise nach der Steigung der Optimumskurve 400.
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Aus den Ergebnissen, die in Diagramm A dargestellt sind, kann abgeleitet werden, dass die Punkt 402 entsprechende Einstellung offensichtlich ein verbessertes Drehmoment ergibt. Wird, wie erfindungsgemäß vorgeschlagen, derjenige aus der Anzahl von Wellenenergiekonvertern (hier aus den zwei Wellenenergiekonvertern) ausgewählt, bei dem der Kenngrößenwert, beispielsweise jener bezüglich des Drehmoments, einem vorgegebenen Zielwert (Maximum) am nächsten kommt, würde der Wellenenergiekonverter mit dem Kenngrößenwert 402 ausgewählt. Der hier eingestellte Kenngrößenwert wird als Zwischenwert festgelegt und ist gleichzeitig der größte der bei der Anzahl von Wellenenergiekonvertern eingestellten Parameterwerte. Das bei zwei Wellenenergiekonvertern veranschaulichte Verfahren lässt sich ohne weiteres auf mehrere Wellenenergiekonverter übertragen. Gleiches gilt für einander baulich entsprechende Einheiten.
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Aufgrund dieser Feststellung werden die Parameterwerte für den Betriebsparameter P daher erhöht. Das Ergebnis ist in Diagramm B gezeigt, das im Übrigen dem Diagramm A entspricht. Der ”alte” Wert 401 ist in dem Diagramm B erneut angegeben. Die entsprechend verstellten (erhöhten) Parameterwerte sind mit 401' und 402' bezeichnet. Die Verstellung erfolgt beispielsweise mit einer Schrittweite s zwischen dem (alten) Parameterwert 401 und dem neuen Betriebsmeterweit 401'. Auch diese Schrittweite kann auf Grundlage einer Form, beispielsweise einer Steigung der Optimumskurve 400, ermittelt werden. Nahe dem Optimum, also bei abnehmender Steilheit der Optimumskurve 400, kann beispielsweise eine feinschrittigere Verstellung erfolgen. Aus dem Diagramm B geht hervor, dass offensichtlich eine weitere Optimierung durch eine Erhöhung der Parameterwerte erfolgen kann.
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Dies führt letztlich zu einer Situation, wie sie in dem Diagramm C dargestellt ist. In dieser Situation liegen die nun mit 401'' und 402'' bezeichneten Punkte am Scheitelpunkt der Optimumskurve 400. Eine weitere (lokale) Optimierung kann nun dadurch erfolgen, dass die Parameterwerte 401'' und 402'' aufeinander zugeführt werden. Dies ist jedoch nicht weiter veranschaulicht.
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Die Betriebsparameter B und die Rahmenbedingungen R spannen in der Realität einen Zustandsraum des Systems auf. Die resultierenden Eigenschaften einer Position im Zustandsraum entsprechen den zuvor erläuterten Kenngrößen K. Kern der Erfindung ist also die Verknüpfung von Daten (K, P, R), welche während des Betriebs an mehr als einer Position im Zustandsraum ermittelt werden, sodass hieraus Betriebs-/Regelanpassungen abgeleitet werden können, welche eine Optimierung oder Beibehaltung von optimierten Betriebszuständen erlauben. Die unterschiedlichen Positionen im Zustandsraum werden dabei nicht von ein und derselben Maschine bzw. ein und demselben Maschinenteil (Wellenenergiekonverter oder Einheit hiervon) sondern durch unterschiedliche Einheiten eingenommen.
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Hierdurch wird einerseits der aufzubringende Messaufwand bzw. die benötigte Modellierungstiefe verringert. Andererseits wird eine Verfälschung von Ergebnissen bzw. eine Beeinträchtigung des Maschinenverhaltens durch das Testen unterschiedlicher Zustände mit einem System während des Betriebs verringert. Der zuvor erläuterte Abstand zwischen d und die Schrittweite s kann variabel gestaltet werden. Typischerweise wird der Abstand in der Nähe des Optimums verringert, um die einzelnen Einheiten nahe an den optimalen Betriebszustand heranzuführen. Die Schrittweite wird typischerweise in einem Kompromiss zwischen Konvergenzgeschwindigkeit und Stabilität gewählt. Als Basis für die Schrittweiten- und Abstandssteuerung können beispielsweise die ermittelten Kenngrößen oder der Verlauf der Kenngrößen (z. B. aus der Historie) verwendet werden.
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Während im Rahmen der 4 die Rahmenbedingungen als konstant angenommen wurden, ist dies in der Realität nicht der Fall. Üblicherweise ändern sich die Rahmenbedingungen über die Zeit. Beispielsweise kann sich die Stärke des an den Auftriebsprofilen anliegenden Strömungsfelds auf Grundlage von Tiefen- und/oder Raumeffekten, wie unter Bezugnahme auf die 1 erläutert, ändern. Zur Veranschaulichung dieser Situation dient die 5. Die Achsen K und P des in 5 dargestellten Diagramms entsprechen den Achsen Kopt und P der 4. Die Diagramme A bis C der 4 stellen dabei jeweils einen Ebenenschnitt durch die 5 für gegebene Rahmenbedingungen R zu einem Zeitpunkt t dar. Die Achse R(t) bezeichnet die Änderung der Rahmenbedingungen über die Zeit.
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Ein Punkt mit festem Parameterwert wird sich entlang der Achse R(t) bei einer entsprechender zeitlichen Entwicklung der Rahmenbedingungen bewegen, welche von außen vorgegeben und nicht beeinflussbar ist. Dies ist in der 5 durch die mit Kreuzen angegebenen Positionen für P = 0,5 und fünf unterschiedliche Zeitpunkte dargestellt. Wird nun das zu optimierende System aus zwei Einheiten an einer Position 501 ”gestartet” und die Veränderung der Parameterwerte entsprechend dem zuvor erläuterten Vorgehen durchgeführt, findet zusätzlich zur Parallelverschiebung entlang R(t) ein ”Aufsteigen” des Systems in Richtung P und damit eine Optimierung (Maximierung) des Kenngrößenwerts K statt.
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Die Bewegung des entsprechenden Systems ist in der 5 durch die Positionen 511, 512, 521, 522 usw. dargestellt. Es ist ersichtlich, dass sich mit dem oben erläuterten Vorgehen eine fortlaufende Optimierung der Parameterwerte ergibt. Im Bereich R(t) = 0 ... 1 ist in diesem Beispiel P = 1,5 optimal. Die Punkte konvergieren auf diesem Wert. Bei R(t) > 1 findet eine Verschiebung eines Optimums in Richtung P = 1,0 statt. Die zwei Werte folgen dieser Verschiebung automatisch, sodass ein optimaler Betrieb auch bei veränderlichen Rahmenbedingungen gewährleistet ist. Dieses Vorgehen kann auch als sogenannte Modenverfolgung bezeichnet werden.
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Die 6 zeigt ein Verfahren gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in schematischer Darstellung. Das Verfahren ist insgesamt mit 100 bezeichnet.
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Das Verfahren 100 beginnt in einem Schritt 110 mit dem Einstellen von jeweils unterschiedlichen Parameterwerten für einen Betriebsparameter P bei einer Anzahl von einander baulich entsprechenden Einheiten des oder der Wellenenergiekonverter 1, die in das Verfahren einbezogen werden.
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In einem Schritt 120 erfolgt anschließend ein Bestimmen jeweils zumindest eines Kenngrößenwerts einer oder mehrerer Kenngrößen K bei der Anzahl der einander baulich entsprechenden Einheiten.
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Anschließend wird in einem Schritt 130 diejenige aus der Anzahl der einander baulich entsprechenden Einheiten ermittelt, bei der zumindest einer der Kenngrößenwerte der einen oder mehreren Kenngrößen K einem feststellbaren Gütewert am nächsten kommt. Der bei dieser Einheit momentan eingestellte Parameterwert wird als Zwischenwert 131 festgelegt, wie durch einen entsprechenden Pfeil veranschaulicht.
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In einem nächsten Schritt 140 erfolgt gegebenenfalls ein Verstellen des Parameterwerts. Dies umfasst ein Erhöhen des Parameterwerts bei jeder aus der Anzahl der einander baulich entsprechenden Einheiten, bei der der momentan eingestellte Parameterwert geringer ist als der Zwischenwert oder dem größten der bei der Anzahl der einander baulich entsprechenden Einheiten eingestellten Parameterwerte und dem Zwischenwert entspricht. Ferner erfolgt in Schritt 140 ein Verringern des Parameterwerts bei jeder aus der Anzahl der einander baulich entsprechenden Einheiten, bei dem der eingestellte Parameterwert höher ist als der Zwischenwert oder dem kleinsten der bei der Anzahl der einander baulich entsprechenden Einheiten eingestellten Parameterwerte und dem Zwischenwert entspricht.
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Das Verfahren kehrt dann zu Schritt 120 zurück. Erneut erfolgt anschließend ein Bestimmen jeweils zumindest eines Kenngrößenwerts einer oder mehrerer Kenngrößen K bei der der Anzahl der einander baulich entsprechenden Einheiten usw.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2010/0150716 A1 [0003]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- G. Boyle, ”Renewable Energy”, 2. Aufl., Oxford University Press, Oxford 2004 [0002]
