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Die Erfindung betrifft eine Windenergieanlage mit einem schwimmenden Fundament, das aus einer sich in einer Ebene erstreckenden Tragstruktur und einer Mehrzahl von sich aus dieser Ebene erstreckenden Auftriebskörpern gebildet ist. Eine derartige Anlage ist speziell aus der
EP 3 019 740 B1 , der
DE 10 2016 118 079 B3 und der
DE 10 2019 118 564 B4 bekannt. Weitere schwimmende Anlagen sind aus der
EP 1 876 093 A1 bekannt.
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Schwimmende Offshore-Fundamente für Windenergieanlagen werden häufig als Halbtaucher ausgeführt, bei denen (überwiegend drei) Auftriebskörper zur Stabilisierung eingesetzt werden. Diese Auftriebskörper sind in der überwiegenden Bauform mit Auslegern an eine zentrale Tragstruktur angebunden, auf der die Windenergieanlage gegründet ist.
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Es gibt zahlreiche Varianten für die Grundkonfiguration wie zum Beispiel solche, bei denen eine, zwei oder sogar drei Windenergieanlagen direkt auf die Auftriebskörper montiert sind, um die zentrale Tragstruktur zu vermeiden. Auch die Ausleger werden in verschiedenen Konfigurationen gebaut, z.B. als geschlossene Träger oder auch als aufgelöste (Gitter-) Tragwerke.
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Die Auftriebskörper sind durch zwei Effekte relativ zur Wasserlinie in Bewegung: Zum einen führen Wellenbewegungen zu einer Bewegung der gesamten schwimmenden Offshore-Windenergieanlage (um alle Achsen) in Kombination mit einer Relativbewegung der Wasseroberfläche zu den nur teilweise eingetauchten Auftriebskörpern. Bei extremen Wellenbedingungen kann es zu Bewegungsamplituden kommen, die einen der Auftriebskörper komplett ein- oder austauchen lassen. Zum anderen entsteht an der Windenergieanlage abhängig von der momentanen Windgeschwindigkeit eine Schubkraft, die im Zentrum des Rotors wirkt und über den Hebelarm des Turms eine Stampfbewegung des Schwimmfundaments zur Folge hat.
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Diese Situation wird anhand einer in 1 dargestellten Single-Point-Mooring-Windenergieanlage erläutert, wobei angenommen wird, dass die exemplarisch dargestellten Abmessungen die Anforderungen an die hydrostatische und die dynamische Stabilität erfüllen.
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Wie in der Seitenansicht aus 1A und der Draufsicht aus 1C erkennbar ist, wurde zur Veranschaulichung eine einfache, aber typische Geometrie gewählt. Die Windenergieanlage 10' weist ein schwimmendes Fundament 20', das aus einer sich in einer Ebene erstreckenden Tragstruktur 30' und einer Mehrzahl von sich aus dieser Ebene erstreckenden Auftriebskörpern 40' gebildet ist. Die Tragstruktur 30' wird insbesondere durch drei Tragarme gleicher Länge L gebildet, die im Winkel von jeweils 120° zueinander sternförmig angeordnet sind.
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Bei derart aus Tragstruktur 30' und Auftriebskörpern 40' gebildeten Schwimmfundamenten 20', die passiv in den Wind nachführen, sind die luv- und leeseitigen Auftriebskörper üblicherweise verschieden dimensioniert, um ein optimales Schwimmverhalten in der Hauptachse des Systems parallel zur Wind- (und Wellen-)richtung zu gewährleisten. In dem dargestellten Beispiel haben die bezüglich der Hydrostatik/-dynamik optimierten, zylindrischen Auftriebskörper 40' leeseitig die gleiche Höhe, aber eine doppelt so große Querschnittsfläche im Vergleich zur Fläche der luvseitig angeordneten Auftriebskörper.
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Der auf den Rotor der Windenergieanlage (WEA) wirkende Schub bewirkt ein Drehmoment auf das Schwimmfundament, das zu einer Neigung des Systems in Windrichtung führt. Für die hier verwendete Beispielkonfiguration wird angenommen, dass das Zentrum dieser Neigungsbewegung im Knotenpunkt des WEA-Turms und der Fundamentausleger liegt. Das Drehmoment aus dem Rotorschub muss durch ein hydrostatisches Gegenmoment ausbalanciert werden. Dieses ergibt sich beispielsweise aus dem luvseitig um die Strecke S auftauchenden sowie den leeseitig um S/2 abtauchenden Auftriebskörpern 40' bzw. aus der Veränderung der Neigung um 2α. Diese Beispielkonfiguration ist so getrimmt, dass sich im Stillstand bei ruhiger See eine Neigung -α und bei maximalem Schub eine Neigung α einstellt.
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Das Ein- und Austauchen der Auftriebskörper 40' um die Strecke S bzw. S/2 führt zu einer Veränderung des eingetauchten Volumens und damit der jeweils wirkenden Auftriebskraft. Die Summe der veränderten Auftriebskräfte ergibt über den jeweiligen Hebelarm der Ausleger das erforderliche Gegenmoment zum Rotorschub.
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Die Rotationsbewegung um die Querachse der schwimmenden Windenergieanlage 10' ohne und bei maximalem Windschub ist durch die gestrichelten Linien angedeutet. Typische Bereiche für Neigungswinkel von schwimmend gegründeten Windenergieanlagen als Funktion des Rotorschubs liegen bei ±5° bis ±6°. Für den Betrieb ist es bezüglich der Belastung sowie des Energieertrags der Windenergieanlage vorteilhaft, den Bereich der sich windabhängig einstellenden Neigungswinkel zu reduzieren, z.B. auf maximal ±3°.
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Eine Halbierung der aus dem Schub resultierenden Neigung führt nämlich (mit einer für kleine Winkel zulässigen Vereinfachung) zu einer Halbierung der Strecken, mit der die Auftriebskörper 40' ein- bzw. auf-tauchen. Um aber trotzdem die gleiche Auftriebsveränderung und damit das gleiche Gegenmoment zum Ausbalancieren des Systems zu erreichen, müssen die Auftriebskörper in den ein- und auftauchenden Bereichen eine doppelte Querschnittsfläche haben. Für die Durchmesser der Auftriebskörper bedeutet das (bei einem Zylinder) eine Vergrößerung des Durchmessers um den Faktor √2.
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Dieses führt - wie in 1B für die schwimmende Windenergieanlage 10" dargestellt - zu einer Ausgestaltung, bei der die Auftriebskörper 40" des schwimmenden Fundaments 20" durch Ausbildung einer großen Querschnittsfläche eine möglichst große Wasserlinienfläche aufweisen. Durch Ausbildung einer von den Auftriebskörpern 40" bewirkten möglichst großen Wasserlinienfläche wird der maximal überstrichene Stampfwinkelbereich drastisch verringert und die schwimmende Windenergieanlage 10" im Sinne einer Maximierung von Winderträgen sowie der Minimierung von Bewegungen in der Horizontalen stabilisiert.
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An dieser Ausgestaltung nachteilig sind jedoch der für die Auftriebskörper 40" erforderliche hohe Materialaufwand und das aus dem Auftrieb der Auftriebskörper 40" resultierende Biegemoment, das - wie 2 anhand der Varianz des Biegemoments an der Wurzel des Tragarms in Abhängigkeit vom Auftrieb, der sich aus der jeweiligen Eintauchtiefe des Auftriebskörpers 40" ergibt, veranschaulicht - insgesamt negative Auswirkungen auf das Belastungsregime des schwimmenden Fundaments 20" hat.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, die eingangs genannte Windenergieanlage dahingehend weiterzubilden, dass das schwimmende Fundament auch bei durch Wellenbewegungen und durch Schubkräfte erzeugten dynamischen Lasten mittels der am Fundament vorgesehenen Auftriebskörper in der horizontalen Ebene stabilisiert wird, ohne das Belastungsregime der Windenergieanlage zu erhöhen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Windenergieanlage mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung wieder.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass auf das Tragwerk ein Biegemoment wirkt, das sich im Wesentlichen aus der Bilanz der Gewichts- und Auftriebskräfte ergibt, die auf das Tragwerk selbst, auf die Verankerungen der Auftriebskörper sowie auf die Auftriebskörper wirken. Der statische Anteil dieses Biegemoments, der sich aus dem Kräfteverhältnis bei Schwimmlage in ruhiger See errechnet, wird dabei von einem dynamischen Anteil überlagert, der sich aus dem variierenden Auftrieb der ein- und austauchenden Auftriebskörper ergibt.
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Da, wie oben ausgeführt, die Auftriebskörper in einem optimierten System bei Extremwellen nahezu komplett ein und austauchen, ergibt sich daraus bei sehr großvolumigen Auftriebskörper eine entsprechend große Varianz im Auftrieb, die über das gesamte Tragwerk auf das resultierende Biegemoment wirkt. Insbesondere bestimmt der voll eingetauchte Auftriebskörper das maximale und damit designtreibende Biegemoment, wobei man, um die Biegemomente auf die Verankerung der Auslegerarme möglichst klein zu halten, das Volumen der Auftriebskörper so klein wie möglich gestalten will. Diese beiden parallelen Anforderungen einer möglichst großen Wasserlinienfläche bei möglichst kleinem Gesamtvolumen führt zu einer vorteilhaften Auftriebskörpergeometrie.
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Grundgedanke der Erfindung ist es daher, zur Maximierung von Winderträgen aufgrund minimierter Bewegungen des schwimmenden Fundaments eine Auftriebskörpergeometrie zu schaffen, die im Bereich der (Konstruktions-) Wasserlinie innerhalb eines für die schwimmende Windenergieanlage errechneten maximalen Schwimmwinkelbereichs einen zylindrischen Bereich mit über die Höhe gleichbleibendem Querschnitt und damit gleichbleibender Wasserlinienfläche aufweist. Die Abschnitte des Auftriebskörpers ober- und unterhalb der Wasserlinie, also derjenigen Bereiche, die im regulären Betrieb der Windenergieanlage ständig unterhalb bzw. oberhalb der Wasserlinie angeordnet sind, sind zur Verringerung des Belastungsregimes hingegen konisch ausgebildet.
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Das Volumen oberhalb der nominalen Wasserlinie ergibt sich aus den hydrostatischen Stabilitätsanforderungen, um ausreichend Aufrichtmoment gegen eine Krängung sicherzustellen. Dieses Volumen muss sich je nach Gesamt-Layout des Schwimmfundaments über eine minimale Höhe verteilen, woraus sich verschiedene Konfigurationen für die Geometrie eines Kegelstumpfs ergeben können. Eine Optimierung wird jedoch immer auf ein möglichst geringes Volumen über eine möglichst kleine Höhe verteilt hinauslaufen.
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Für die gewünschte Reduktion der Neigung muss der Querschnitt der Auftriebskörper also nur für denjenigen Bereich der Auftriebskörper vergrößert werden, der durch die Neigung um ±α ein- bzw. austaucht. Dieser Bereich ist aber nur ein kleiner Teil der hydrostatisch erforderlichen Gesamthöhe des Auftriebskörpers und erstreckt sich beispielsweise um nur etwa 2/5 der Gesamthöhe.
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Das Volumen unterhalb der Wasseroberfläche ist Teil des Gesamtauftrieb des Schwimmfundaments, welches im Wechselspiel mit den Massen aller Komponenten und gegebenenfalls eingesetztem Ballastwasser die Schwimmlage bestimmt. Sinnvollerweise wird ein möglichst großer Teil des Auftriebs nahe des Systemschwerpunkts konzentriert und nur wenig Auftriebsvolumen in den Auftriebskörpern vorgesehen, weil die Hebelarmwirkung des Tragwerks aus diesem Auftriebsanteil wiederum unerwünschte Biegemomente auf die innere Verankerung des Tragwerks generiert.
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Erfindungsgemäß weist die Windenergieanlage ein schwimmendes Fundament, das aus einer sich in einer Ebene erstreckenden Tragstruktur und einer Mehrzahl von sich aus dieser Ebene erstreckenden Auftriebskörpern gebildet ist, auf, wobei wenigstens ein Auftriebskörper einen zylindrischen Abschnitt, einen sich vom zylindrischen Abschnitt in Richtung des freien Endes des Auftriebskörpers verjüngenden ersten Abschnitt und einen sich vom zylindrischen Abschnitt in Richtung der Tragstruktur verjüngenden zweiten Abschnitt aufweist, wobei die Windenergieanlage so ausgelegt ist, dass die Wasserlinie während des Betriebs der Windenergieanlage unter Berücksichtigung des maximal einnehmbaren Schwimmwinkels α des schwimmenden Fundaments stets im Bereich des zylindrischen Abschnitts zu liegen kommt.
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Nach einer ersten bevorzugten Ausgestaltung ist der erste Abschnitt und/oder der zweite Abschnitt konisch ausgebildet. Alternativ ist eine bevorzugte Ausbildung des ersten Abschnitts und/oder des zweiten Abschnitts als Halbellipsoid, insbesondere als triaxiales Halbellipsoid vorgesehen.
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Der zylindrische Abschnitt ist bevorzugt als senkrechter Zylinder oder als schiefer Zylinder ausgebildet, wobei der zylindrische Abschnitt besonders bevorzugt ein Kreiszylinder ist. Höchst bevorzugt entsprechen - bei entsprechender Ausgestaltung - die Grundflächen der konischen Abschnitte der Grundflächen des zylindrischen Abschnitts, wobei die Abschnitte allgemein nicht notwendigerweise als Segmente ausgebildet sein müssen. Vielmehr ist es ebenso denkbar, dass der Auftriebskörper einstückig oder aus einer Vielzahl von den Auftriebskörper bildenden Einzelelementen zusammengesetzt ist.
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Weiter ist bevorzugt vorgesehen, dass der erste konische Abschnitt und/oder der zweite konische Abschnitt als Kegelstumpf ausgebildet sind bzw. ist. Der erste konische Abschnitt ist insbesondere als gerader Kegel oder als schiefer Kegel ausgebildet. Entsprechendes gilt für den zweiten konischen Abschnitt.
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Sind beide konischen Abschnitte als schiefe Kegel ausgebildet, ist bevorzugt vorgesehen, dass die Achsen der konischen Abschnitte parallel sind. Alternativ ist vorgesehen, dass der Öffnungswinkel des ersten konischen Abschnitts kleiner als der Öffnungswinkel des zweiten konischen Abschnitts ist. Die Öffnungswinkel der Abschnitte liegen dabei bevorzugt im Bereich von 20° bis 60°.
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Um die Masse des Auftriebskörpers möglichst gering zu halten, ist die Höhe des zylindrischen Abschnitts bevorzugt geringer als die Höhe des ersten konischen Abschnitts. Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Höhe des zylindrischen Abschnitts auch geringer als die Höhe des zweiten konischen Abschnitts ist, wobei schließlich besonders bevorzugt vorgesehen ist, dass die Höhe des ersten konischen Abschnitts größer als die Höhe des zweiten konischen Abschnitts ist.
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Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung wird dann erreicht, wenn die Windenergieanlage als Single-Point-Mooring-Windenergieanlage ausgestaltet ist. Besonders weist eine derartige Anlage einen luvseitig angeordneten Auftriebskörper auf, der sich im rechten Winkel zur Tragstruktur erstreckt. Höchst bevorzugt ist dabei vorgesehen, dass eine derartige Anlage wenigstens einen leeseitig angeordneten Auftriebskörper aufweist, dessen Längsachse zur Ebene der Tragstruktur geneigt ist. Dabei ist der luvseitig angeordnete Auftriebskörper speziell so ausgebildet, dass der erste Abschnitt des luvseitigen Auftriebskörpers einen geringeren Öffnungswinkel als der zweite Abschnitt aufweist und der zweite Abschnitt bei gleicher Grundfläche eine entsprechend geringere Höhe als der erste Abschnitt besitzt.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von in den beigefügten Zeichnungen dargestellten, besonders bevorzugt ausgestalteten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
- 3 einen Querschnitt durch ein besonders bevorzugt ausgestaltetes erstes Ausführungsbeispiel eines Auftriebskörpers;
- 4 einen Querschnitt durch ein besonders bevorzugt ausgestaltetes zweites Ausführungsbeispiel eines Auftriebskörpers;
- 5 ein besonders bevorzugt ausgestaltetes drittes Ausführungsbeispiel in einer Frontalansicht (A) und in einer Seitenansicht (D);
- 6 eine Seitenansicht eines besonders bevorzugt ausgestalteten vierten Ausführungsbeispiels eines an einer Single-Point-Mooring-Windenergieanlage leeseitig angeordneten Auftriebskörpers;
- 7 eine perspektivische Ansicht einer besonders bevorzugt ausgestalteten Windenergieanlage; und
- 8 eine Frontalansicht der in 7 dargestellten Windenergieanlage.
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3 zeigt einen Querschnitt durch ein besonders bevorzugt ausgestaltetes erstes Ausführungsbeispiel eines Auftriebskörpers. Der Auftriebskörper 40 ist Bestandteil einer in dieser Darstellung nicht gezeigten Windenergieanlage mit einem schwimmenden Fundament, an dessen sich in einer Ebene erstreckenden Tragstruktur der Auftriebskörper 40 befestigt ist. Der Auftriebskörper 40 weist einen zylindrischen Abschnitt 42, einen sich oberhalb vom zylindrischen Abschnitt 42 in Richtung des freien Endes des Auftriebskörpers 40 erstreckenden ersten konischen Abschnitt 44 und einen sich unterhalb vom zylindrischen Abschnitt 42 in Richtung der (nicht dargestellten) Tragstruktur erstreckenden zweiten konischen Abschnitt 46 auf.
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Der zylindrische Abschnitt 42 ist als senkrechter Kreiszylinder ausgebildet, wobei die Grundflächen der konischen Abschnitte 44, 46 der Grundflächen des zylindrischen Abschnitts 42 entsprechen. Wie ohne weiteres ersichtlich, sind die konischen Abschnitte 44, 46 speziell als Kegelstümpfe ausgebildet. Bei genauer Beobachtung des Ausführungsbeispiels ist zusätzlich zu erkennen, dass der Öffnungswinkel des ersten konischen Abschnitts 44 kleiner als der Öffnungswinkel des zweiten konischen Abschnitts 46 ist.
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Die Windenergieanlage ist in jedem Fall so auszulegen, dass die Wasserlinie WL während des Betriebs der Windenergieanlage unter Berücksichtigung des maximal einnehmbaren Schwimmwinkels α des schwimmenden Fundaments stets im Bereich des zylindrischen Abschnitts 42 zu liegen kommt.
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4 zeigt einen Querschnitt durch ein besonders bevorzugt ausgestaltetes zweites Ausführungsbeispiel eines Auftriebskörpers, der sich insbesondere als luvseitiger Auftriebskörper einer Single-Point-Mooring Windenergieanlage eignet. Der Auftriebskörper 40' weist - wie zuvor auch der in 3 dargestellte Auftriebskörper 40 - einen zylindrischen Abschnitt 42, einen sich vom zylindrischen Abschnitt 42 in Richtung des freien Endes des Auftriebskörpers 40 verjüngenden ersten Abschnitt 44 und einen sich vom zylindrischen Abschnitt 42 in Richtung der Tragstruktur 30 verjüngenden zweiten Abschnitt 46 auf. Der erste Abschnitt 44 und der zweite Abschnitt 46 sind insbesondere als Kegelstümpfe ausgebildet.
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Es ist dabei zu erkennen, dass der zweite Abschnitt 46 einen wesentlich größeren Öffnungswinkel als der erste Abschnitt 44 aufweist, wobei der zweite Abschnitt 46 eine wesentlich geringere Höhe als der erste Abschnitt 44 besitzt. Diese besondere Ausgestaltung dient dazu, den Auftrieb des unterhalb des zylindrischen Abschnitts 42 angeordneten zweiten Abschnitts 46 weitgehend zu reduzieren, sodass der zweite Abschnitt 46 im vorliegenden Beispiel speziell dem „Slamming“ beim Eintauchen des Auftriebskörpers in eine Welle entgegenwirkt.
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Weiter zeigt 5 ein besonders bevorzugt ausgestaltetes drittes Ausführungsbeispiel in einer Frontalansicht (A) und einer Seitenansicht (B).
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Speziell zeigt 5 einen Auftriebskörper 40 mit einem zylindrischen Abschnitt 42 und zwei sich vom zylindrischen Abschnitt 42 erstreckenden Abschnitten 44, 46, die jeweils als triaxiales Halbellipsoid ausgebildet sind.
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6 zeigt ein besonders bevorzugt ausgestaltetes viertes Ausführungsbeispiels eines an einer Single-Point-Mooring-Windenergieanlage leeseitig angeordneten Auftriebskörpers in Seitenansicht. Der in 6 dargestellte Auftriebskörper 40 weist die Besonderheit auf, dass die Achse des leeseitig an der Tragstruktur 30 des Fundaments 20 der Windenergieanlage angeordneten Auftriebskörpers 40 in Richtung einer Energiewandlungseinheit geneigt ist. Hierfür sind der zylindrische Abschnitt 42 als schiefer Zylinder sowie der erste konische Abschnitt 44 und der zweite konische Abschnitt 46 schiefer Kegel ausgebildet. Die Öffnungswinkel der konischen Abschnitte 44, 46 sind identisch, wobei die Achsen der konischen Abschnitte 44, 46 parallel zueinander sind.
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Wie zuvor kann der zylindrische Abschnitt 42 eine kreisförmige Grundfläche aufweisen. Bevorzugt ist die Grundfläche jedoch als Ellipse ausgebildet, deren Längsachse sich mit der Längsachse des schwimmenden Fundaments 30 deckt.
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7 zeigt eine perspektivische Ansicht einer besonders bevorzugt ausgestalteten Windenergieanlage 10. Die schwimmende Windenergieanlage 10 zeigt im Wesentlichen die Merkmale der als „nezzy2“ bekannten Windenergieanlage mit einem schwimmenden Fundament 20, das eine sich in einer Ebene erstreckende Tragstruktur 30 und eine Mehrzahl von sich aus dieser Ebene erstreckende Auftriebskörper 40 aufweist. Im Gegensatz zum Stand der Technik sind im gezeigten Beispiel erfindungsgemäß ausgestaltete Auftriebskörper 40 vorgesehen., die in ihrem Aufbau im Wesentlichen den vorgenannten Beispielen von Auftriebskörpern 40 entsprechen.
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Wie 7 zeigt ist es nicht zwingend notwendig, dass alle Auftriebskörper 40 der schwimmenden Windenergieanlage 10 identisch ausgebildet sind. Gemeinsam ist diesen jedoch der Aufbau aus einem zylindrischen Abschnitt, einen sich vom zylindrischen Abschnitt in Richtung des freien Endes des Auftriebskörpers 40 erstreckenden ersten konischen Abschnitt und einen sich vom zylindrischen Abschnitt in Richtung der Tragstruktur 30 erstreckenden zweiten konischen Abschnitt aufweist. Dabei muss - wie der luvseitig angeordnete Auftriebskörper 40 zeigt - der sich in Richtung der Tragstruktur 30 erstreckende konische Abschnitt nicht zwingend bis an die Tragstruktur 30 heranreichen.
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Schließlich zeigt 8 eine Frontalansicht der in 7 dargestellten Windenergieanlage. Die leeseitig angeordneten Auftriebskörper 40 sind bei grundsätzlich identischem axialen Aufbau nach Außen geneigt und dienen zugleich zur Abspannung der am Turm angeordneten Ausleger. Der luvseitig angeordnete Auftriebskörper 40 hingegen erstreckt sich senkrecht zur Ebene der Tragstruktur.
