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Die Erfindung betrifft ein Energieübertragungssystem für ein Schiff gemäß den Merkmalen des Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren zur Energieübertragung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 8.
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Energieübertragungssysteme für Schiffe werden verwendet, um Batterien elektrisch angetriebener Schiffe aufzuladen. Die Energieübertragung von der Landseite zu Wasserfahrzeugen muss immer dahingehend ausgelegt sein, Relativbewegungen zwischen dem wasserseitigen Fahrzeug und der Landseite auszugleichen. Lageunterschiede ergeben sich durch den Tidenhub, Wind und Wellengang, den Beladungszustandes und durch den Ort der Festmachung des Schiffes.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein verbessertes Energieübertragungssystem aufzuzeigen bzw. ein verbessertes Verfahren zur Energieübertragung zwischen Landseite und Schiff.
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Der erste Teil der Aufgabe wird durch ein Energieübertragungssystem mit den Merkmalen des Patentanspruch 1 gelöst. Ein geeignetes Verfahren zur Energieübertragung ist Gegenstand des Patentanspruchs 8.
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Die jeweiligen Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
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Das erfindungsgemäße Energieübertragungssystem umfasst eine elektrische Steckereinheit, die schiffseitig oder landseitig angeordnet ist. Der Begriff „Schiff“ steht stellvertretend für jede Form von Wasserfahrzeug, das an einer Anlegestelle festgemacht wird, und dazu ausgebildet ist, elektrische Energie von der Landseite her aufzunehmen. Die Steckereinheit kann landseitig angeordnet sein und eine Steckbewegung in Richtung des Schiffes ausführen. Bevorzugt ist die Steckereinheit schiffseitig angeordnet und führt eine Steckbewegung in Richtung landseitiger Steckkupplung durch. Die Steckereinheit ist die in sich bewegliche Baugruppe des Systems. Die Steckkupplung wird für den Steckvorgang an sich nicht verlagert. Der Begriff „landseitig“, schließt auch schwimmende mit dem Land verbundene Einheiten ein, an denen ein Schiff zur Energieübertragung fest gemacht werden kann.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand der bevorzugten Ausführungsform mit einer landseitigen, also ortfesten Steckkupplung in Zusammenwirken mit einer schiffseitigen Steckereinheit erläutert.
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Die elektrische Steckereinheit ist in der bevorzugten Ausführungsform durch eine horizontale Koppelbewegung mit einer landseitigen elektrischen Steckkupplung koppelbar. Die landseitige elektrische Steckkupplung besitzt daher Steckkontakte, die nur durch eine horizontale Bewegung gekoppelt werden können.
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Die Steckereinheit umfasst einen Gelenkarm. Der Gelenkarm weist mindestens drei Armsegmente auf, die jeweils über Gelenke miteinander verbunden sind. An einem freien Ende des Gelenkarms befindet sich ein Stecker zur Kopplung mit der landseitigen Steckkupplung. Der Stecker trägt die elektrischen Steckkontakte für die Energieübertragung. Der Stecker kann über den Gelenkarm horizontal und vertikal bewegt werden. Die Steckbewegung an sich bzw. die Koppelbewegung zwischen Stecker und Steckkupplung erfolgt horizontal.
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Die Gelenke des Gelenkarms besitzen vorzugsweise jeweils einen einzelnen Freiheitsgrad. Das erleichtert die Steuerung des Gelenkarms. Es handelt sich bei den Gelenken um Schwenklager, bevorzugt mit horizontaler Schwenkachse. Die Verbindung zwischen dem letzten Gelenkarm und dem Stecker kann über eine Ausgleichsgelenkverbindung erfolgen, sodass kleinere Bewegungen, die von dem Schiff auf den Gelenkarm übertragen werden, nicht auf den Stecker übertragen werden, wenn dieser im gestreckten Zustand ist.
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Die in der bevorzugten Ausführungsform schiffseitig angeordnete Steckereinheit weist eine Schienenlaufeinheit auf. Die Schienenlaufeinheit ist auf einem schiffseitigen Schienensystem geführt und ist entlang des Schienensystems horizontal verlagerbar. Schienen des Schienensystems haben insbesondere einen linear geraden Verlauf. Es handelt sich um wenigstens eine Schiene, insbesondere um ein Paar von parallelen Schienen. Das Schienensystem besitzt bevorzugt eine Länge, um den Stecker in der eingefahrenen Position soweit zurück zu ziehen, dass er nicht über den Rumpf des Schiffes vorsteht. Das Schienensystem ist andererseits so lang, dass der Stecker den Abstand zu der landseitigen Kupplung auch in unterschiedlichen Positionen des Schiffs überbrücken kann, insbesondere bei unterschiedlicher Höhenlage des Schiffes. Das Schienensystem in Kombination mit der Schienenlaufeinheit dient insbesondere zur Überbrückung des horizontalen Abstandes zwischen Stecker und Steckkupplung.
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Die Schienenlaufeinheit umfasst einen Armträger. Der Armträger ist um eine Schwenkachse, die senkrecht zu den Schienen steht, verschwenkbar. Die Schwenkachse ist insbesondere eine vertikale Achse, sodass der an dem Armträger befestigte Gelenkarm horizontal verschwenkbar ist. Das horizontale Verschwenken ist u.a. erforderlich, wenn unterschiedliche Anlegerstellen angefahren werden.
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Der Armträger ist über ein Gelenk mit einem angrenzenden Armsegment des Gelenkarms verbunden, sodass das gelenkig angeschlossene Armsegment vertikal verschwenkbar ist. Über das erste Armsegment und die Schwenkbewegung gegenüber dem Armträger bzw. über die lineare Bewegung der Schienenlaufeinheit lässt sich der gewünschte 3-dimensionale Arbeitsraum abdecken, der von dem Stecker erreicht werden kann.
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Die weiteren Armsegmente des Gelenkarms ermöglichen es, denn Stecker parallel zur seiner Ausgangslage nach oben oder nach unten zu verschwenken. Bevorzugt ist jedem der Gelenke des Armträgers ein eigener Antrieb zugeordnet. Die gelenkig angeschlossenen Armsegmente können optional über Antriebe ggf. in Kombination mit einem Führungsgestänge bewegt werden, um den Stecker in der gewünschten horizontalen Kopplungsbewegung mit der Steckkupplung zu führen. Das Führungsgestänge kann als Parallelgestänge ausgeführt sein. Dadurch kann ein Antrieb des Gestänges entfernt von dem zu bewegenden Armsegment angeordnet werden, z.B. entfernt vom äußersten Armsegment.
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Das erfindungsgemäße Energieübertragungssystem umfasst ein Steuerungssystem. Das Steuerungssystem kann automatisiert aktiviert werden und die Koppelung zwischen der schiffseitigen Steckereinheit und der landseitigen Steckkupplung herstellen. Der ganze Vorgang erfolgt nach der Freigabe durch den Schiffsführer bevorzugt vollautomatisiert, das heißt ohne Eingriff eines Bedieners. Die Koppelung könnte ebenso manuell durchgeführt werden. Auch eine teilautomatisierte Kopplung, bei welcher einzelne Schritte von einem Bediener bestätigt werden müssen bzw. initiiert werden müssen, ist möglich. Der Begriff Steuerungssystem beinhaltet sowohl Steuerungsabläufe und bevorzugt auch Regelungssysteme. Bei der Regelung wird die zu regelnde Größe fortlaufend gemessen und mit dem Sollwert verglichen. Hierzu sind Sensoren vorgesehen, die Messwerte an das Steuerungssystem senden.
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Es wird als besonders vorteilhaft angesehen, wenn das erfindungsgemäße Energieübertragungssystem ein hängendes Schienensystem aufweist, sodass die Steckereinheit flurfrei verlagerbar ist. Die erfindungsgemäße Steckereinheit ist insbesondere an Bord eine Schiffes unter einem Deck hängend angeordnet, vorzugsweise im Bug- und/oder Heckbereich eines Schiffs Das Schienensystem erstreckt sich vorzugsweise in Längsrichtung oder im Wesentlichen in Längsrichtung des Schiffes nahe der Außenwand und befindet sich durch die hängende Anordnung unter einem Deck.. An Land könnte das Schienensystem ebenso unter einer Decke/einem Dach hängend oder an einer Wand hängend angeordnet sein.
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Hängend kann in diesem Fall bedeuten, dass das Schienensystem an einer Wand und insbesondere an einer Decke eines Schiffes oder Gebäudes hängend angeordnet ist.
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Es soll keine Bodenberührung stattfinden. Das hat den Vorteil, dass das Schienensystem und letztendlich die gesamte elektrische Steckereinheit von den Witterungseinflüssen geschützt montiert sein kann. Unter Witterungseinflüssen sind insbesondere Niederschläge aber auch Schutz vor Seewasser zu verstehen. Die Steckereinheit wird zum Schutz in eine Parkposition verfahren. In der Parkposition ist der Stecker mit dem Gelenkarm eingefahren.
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Die Schienenlaufeinheit befindet sich an einem inneren Ende des Schienensystems, sodass keine Komponenten der elektrischen Steckeinheit der Witterung ausgesetzt sind.
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Um das freitragende Ende des Gelenkarms in der Parkposition zu entlasten, ist in einer vorteilhaften Weiterbildung vorgesehen, dass der Gelenkarm im Bereich seines freien Endes ein Kupplungsmittel aufweist, um das freie Ende in der Parkposition schienensystemseitig einzurasten. Der Gelenkarm nimmt in der Parkposition vorzugsweise eine Position unterhalb des Schienensystems ein. Der Ausdruck „schienensystemseitig einrasten“ ist so zu verstehen, dass das Schienensystem zusätzlich ein geeignetes Kupplungsmittel aufweist, um das freie Ende des Gelenkarms schienensystemseitig einzuhängen und dadurch die Antriebe des Gelenkarms zu entlasten. Ein Kupplungsmittel kann bspw. wenigstens ein Haken am Gelenkarm oder am Schienensystem sein. Das Einhaken kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass der Gelenkarm unterhalb des Schienensystems geschwenkt wird und anschließend in die Parkposition ausgefahren wird, sodass die entsprechenden Kupplungsmittel miteinander in Eingriff gelangen.
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In einer alternativen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Steckereinheit flurseitig eines Decks des Schiffes angeordnet ist. Das heißt, dass das Schienensystem auf einem Deckboden aufliegend angeordnet ist. Auch an Land ist eine flurseitige Platzierung möglich.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist zwischen dem Stecker und dem Gelenkarm eine Ausgleichsgelenkverbindung angeordnet. Die Ausgleichsgelenkverbindung ist dazu ausgebildet, Rollbewegungen des Schiffes, d.h. Bewegungen um die Längsachse des Schiffes, gegenüber einem landseitigen gekoppelten Stecker zu kompensieren. So kann der gekoppelte Stecker in einer fest vorgegebenen Position in der Steckkupplung angeordnet sein, während der Gelenkarm die Rollbewegung und andere Lageveränderungen des Schiffes kompensiert.
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Die Ausgleichgelenkverbindung kann zusätzliche Dämpfungsmittel aufweisen, damit der Stecker eine bevorzugte Ausgangsposition aufweist. Er wird über die Dämpfungselemente in einer Vorzugsposition gehalten.
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Die Schienenlaufeinheit befindet sich in der Parkposition der Steckereinheit, vorzugsweise an einem inneren Ende des Schienensystems. Zum Einleiten der Steckverbindung wird die Schienenlaufeinheit in Richtung zu einem äußeren Ende des Schienensystems verlagert, sodass sich der Stecker an der landseitigen Kupplungseinheit befindet. Die Energieübertragung von der Schienenlaufeinheit zum Schiff kann beispielweise über eine Energiekette erfolgen.
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Ein Vorteil der Erfindung ist, dass durch die Länge der Laufeinheit eine individuelle Anpassung des Energieübertragungssystems an die Gegebenheiten an Bord möglich ist und auch an die landseitigen Gegebenheiten. Das Schienensystem bzw. die Schienenlaufeinheit verläuft vorzugsweise in Längsrichtung des Schiffs. Der Gelenkarm kann je nach Gegebenheiten in der Länge variiert werden.
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Die Erfindung betrifft neben dem Energieübertragungssystem auch ein Verfahren zur Energieübertragung mit einem solchen Energieübertragungssystem. Bei dem Anlegevorgang des Schiffes wird die Schienenlaufeinheit aus der Parkposition gelöst und in Richtung zur Steckkupplung verlagert, insbesondere in X-Richtung (Längsrichtung des Schiffes). Der Gelenkarm wird in Richtung zur Steckkupplung je nach Position des Schiffes horizontal und/oder vertikal verschwenkt, sodass der Stecker nahe der Steckkupplung positioniert wird. Die Erkennung der Position des Steckers zur Steckkupplung erfolgt über Sensoren. Die Sensoren erfassen Messwerte und senden diese an das Steuerungssystem. Das Steuerungssystem steuert die Antriebe der elektrischen Steckereinheit, sodass der Stecker in die gewünschte nahe Position zur Steckkupplung gebracht wird. Hierbei handelt es sich zunächst um eine grobe Annäherung.
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Zusammengefasst lässt sich der Steckvorgang wie folgt beschreiben:
- Zunächst verlässt die Anlage die Parkstellung fährt in eine Vorposition, um die Steckkupplung an Land zu suchen und zu erkennen. Hierfür werden alle Antriebe betätigt. Wenn die
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Sobald der Schiffsführer die Freigabe zur Verbindung mit der Steckkupplung an Land erteilt hat, kontaktiert das System den Stecker über die separaten Armantriebe mit der Steckkupplung an Land. Das System wird währenddessen nicht mehr am Schienensystem verfahren. Auch der Antrieb für das erste Armsegment wird nach Erreichen der Vorposition festgesetzt. Das Stecken erfolgt maßgeblich über die Bewegungen des zweiten und dritten Armsegments.
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Bei diesem Vorgang ist es wichtig, dass die Antriebe für das zweite und dritte Armsegment in Abhängigkeit voneinander betrieben werden und zwar derart, dass lineare Bewegungen des Steckers (horizontal und auch vertikal) ausgeführt werden.
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Nach dem Stecken wird von der Lageregelung auf Kraftregelung umgeschaltet. Die Antriebe für das zweite und dritte Armsegment setzen das um. Über diese Antriebe wird auch die horizontale Anpresskraft aufgebracht.
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Auch das Trennen erfolgt zunächst über die Antriebe für das zweite und dritte Armsegment, bevor schließlich alle Antriebe das System wieder in die Parkposition bringen.
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Die bevorzugt landseitig angeordnete elektrische Steckkupplung wird bei Nichtgebrauch vorzugsweise vor unbefugtem Zugriff geschützt, bspw. durch eine Abdeckung in Form einer Tür oder allgemein durch einen Verschluss. Dieser Verschluss kann automatisch oder manuell geöffnet werden. Der Verschluss schützt die landseitige Steckkupplung vor Manipulationen und Witterungseinflüssen.
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Es wird besonders als vorteilhaft angesehen, wenn der Verschluss nur dann entfernt wird, wenn tatsächlich eine Steckverbindung hergestellt wird. Hierzu erfolgt erfindungsgemäß vorzugsweise eine drahtlose Kommunikation zwischen der wasserseitigen Steckereinheit und der landseitigen Steckkupplung.
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Im Rahmen der drahtlosen Kommunikation wird der Stecker bei einer Annäherung an eine Steckkupplung nach Überschreiten eines Mindestabstandes zur Steckkupplung gestoppt und erst dann weiter ausgefahren, wenn ein Verschluss an der landseitigen Steckkupplung geöffnet wurde oder wird. Ist der Verschluss bereits geöffnet worden, wird zur Schiffseite kommuniziert, dass der Stecker auch ohne zu stoppen in Richtung der Steckkupplung bewegt werden kann. Die Kommunikation ist ein wichtiger Aspekt im Hinblick auf die Sicherheit des Koppelvorgangs. Der Koppelvorgang soll abgebrochen werden, wenn die Kommunikation zwischen der Landseite und der Schiffsseite unterbrochen wurde. Insbesondere wird bei einer solchen Unterbrechung der Kommunikation auch die Energieübertragung zwischen Schiff und Landseite unterbrochen, indem der Stecker von der Steckkupplung entfernt wird.
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Bei der drahtlosen Kommunikation kann es sich insbesondere um eine WLAN-Verbindung handeln. Über die Unterbrechung der WLAN-Verbindung kann das System auch sofort in einen Nottrenn-Modus versetzt werden, in welchem der Gelenkarm den Stecker aus der Steckkupplung herauszieht.
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Nach der Annäherung an die Steckkupplung erfolgt im nächsten Schritt eine Vorpositionierung des Steckers gegenüber der Steckkupplung. Der Stecker besitzt einen konvexen und die Steckkupplung einen konkaven Bereich. Diese beiden zusammenpassenden Bereiche werden zueinander ausgerichtet bzw. zentriert und miteinander in Kontakt gebracht. Die konvexen und konkaven Bereiche befinden sich vorzugsweise außenseitig von mehreren Steckkontakten. Sie bilden gewissermaßen einen Rahmen für den Stecker. Der konvexe bzw. konkave Bereich ist insbesondere trichterförmig ausgebildet. Die Bereiche dienen dazu, den Stecker in die richtige Position zu drehen.
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Die Ausgleichsgelenkverbindung zwischen dem letzten Armsegment des Gelenkarms und dem Stecker kann eine Kugelverbindung sein, die sich folglich frei um alle Achsen drehen kann. Wenn der Stecker zu schnell in Richtung der Steckkupplung gefahren wird, dann stößt er eventuell an einer Seite der Steckkupplung an, ohne dass die Steuerung schnell genug reagieren und die Lage korrigieren könnte. Der Stecker dreht sich und ist somit unter Umständen nicht exakt zur Steckkupplung ausgerichtet. Dadurch kann die Sensorik unter Umständen fälschlicherweise eine korrekte Position übermitteln, obwohl der Stecker noch nicht in der richtigen Position zur Steckkupplung steht. Die Sensorik dient zur Feinpositionierung des Steckers in Kombination mit einem mehrstufigen mechanischen Führungssystem. Die Vorpositionierung erfolgt über die konvexen und konkaven Bereiche der Stecker und der Steckkupplung in Verbindung mit geeigneten Sensoren, bevorzugt Ultraschall-Sensoren.
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Sobald der Stecker ein gewisses Maß in den konkaven Bereich eingetaucht ist, wird der Stecker über Führungselemente, die parallel zu den Steckkontakten ausgerichtet sind, in seine Endposition geleitet. Die Führungselemente von Stecker und Steckkupplung gelangen nach der Vorpositionierung in mechanischen Eingriff. Die Führungselemente führen den Stecker parallel zu den Steckkontakten, sodass eine klemmungsfreie Steckkupplung möglich wird. Die Steckkontakte an der Schiffseite und an der Landseite befinden sich in einer jeweils konzentrischen Ausrichtung zueinander.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass vor dem parallel und zu den Steckkontakten ausgerichtete Verlagern des Steckers die Position des Steckers erfasst wird. Es kann kein Steckvorgang erfolgen, wenn die Steckkontakte nicht exakt zueinander ausgerichtet sind. Nur wenn die korrekte Position erfasst worden ist, soll der Steckvorgang der Kontakte erfolgen, indem der Stecker parallel zu den Steckkontakten an der Steckdose bewegt wird.
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Der Steckvorgang ist ein komplexer Prozess. Zur Erfassung der korrekten Position kommen unterschiedliche Sensoren und Sensorbereiche zum Einsatz, um Fehlpositionierungen auszuschließen. Ist der Erfassungsbereich eines Sensors groß gewählt worden, könnte das System eine korrekte Position des Steckers zur Steckkupplung melden, obwohl das nicht der Fall ist. Auch durch eine extreme Schieflage des Schiffes z.B. einer Fähre, verursacht durch Wellen, durch auf die Fähre auffahrenden Fahrzeuge und Toleranzen im Eingriff zwischen Landrampe und Fähre, ist eine große Winkelabweichung vom Stecker zur Steckkupplung möglich, ggfs. sind Stecker und Steckkupplung auch zueinander verdreht.
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Wie bereits oben erwähnt, kann in diesem Fall ein konvexer Randbereich des Steckers zu früh an einem konkaven Randbereich der Steckkupplung anstoßen und sich dadurch in eine Drehung versetzen. Die Sensoren melden noch während der Drehung, dass eine korrekte Position erreicht wurde, obwohl der Stecker sich noch nicht in der richtigen Position zur Steckkupplung befindet. Es ist daher wichtig, dass der finale Steckvorgang erst dann ausgelöst wird, wenn die Sensorik einen definierten Wert meldet. Trifft dies nicht zu, soll der Steckvorgang automatisch abgebrochen werden.
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In vorteilhaften Weiterbildungen der Erfindung sind vorgesehen, dass die Kontaktgüte der Steckverbindung über Kontaktschleifen gemessen wird.
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Die einzelnen Steckkontakte sind so ausgeführt, dass beim Stecken zuerst die PE-Kontakte (falls PE-Kontakte vorhanden sind), dann Hauptstromkontakte und anschließend erst Pilotkontakte gekoppelt werden können. Über die Pilotkontakte wird schließlich das Signal zur Freischaltung des Hauptstroms gegeben. Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen, dass der mechanische Kontakt zwischen Steckkontakten verschiedener Funktionen zeitlich versetzt hergestellt wird, wobei der zeitliche Versatz durch unterschiedlich lange Steckkontakte erreicht wird. Das erfindungsgemäße Energieübertragungssystem umfasst daher mehrere Steckkontakte für mehrere Funktionen.
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Während der Positionierung und des Steckvorganges sind die Drehmomente von Antrieben des Gelenkarms so eingestellt, dass die Antriebe oder andere Teile des Systems nicht beschädigt werden können, wenn sich die Position des Schiffes in einer kurzen Zeit verändert und den schiffseitigen Stecker in eine Richtung zur Steckkupplung drückt. Im gesteckten Zustand kann z.B. der Antrieb der Schienenlaufeinheit ein gewisses Moment aufbringen, um einen sicheren Kontakt zu gewährleisten. Vorzugsweise sind die Schienen des Schienensystems so orientiert, dass sie möglichst zur landseitigen Steckkupplung weisen, um mit einem geringen Antriebsmoment einen sicheren gesteckten Zustand aufrecht zu erhalten. Die Kombination der mehreren Antriebe und nicht nur eines einzigen Antriebs sorgt für das Aufrechthalten des gesteckten Zustandes.
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Nachdem der gesteckte Zustand erreicht wurde, wird das System von der bisherigen Lageregelung in eine Kraftregelung umgeschaltet. Das bedeutet, dass sich der Gelenkarm kraftgeregelt in jeder Armstellung selbst tragen muss. Der Arm darf sich in jeder Stellung nur sehr gering auf der Steckkupplung abstützten.
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Ferner muss eine gewisse Antriebskraft bzw. horizontale Anpresskraft auf die Steckkupplung aufrechterhalten werden. Es wird eine sichere Kontaktierung gewährleistet. Wenn sich das Schiff durch äußere Einflüsse bewegt (Ladung, Tide, Wellengang, etc.), kann sich der Gelenkarm passiv mitbewegen, ohne dass sich der Stecker in der Steckkupplung verspannt. Zudem ist in einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass die horizontal wirkende Steckkraft einer Gegenkraft eines Nottrennsystems entgegenwirkt.
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Eine Nottrennung erfolgt nur im gekoppelten Zustand. Bei einer aktiven Nottrennung wird der Stecker über die mehreren Antriebe aus der Steckkupplung entfernt. Bei einer passiven Nottrennung (Stromausfall) wird der Stecker von der Gegenkraft zwischen Stecker und Steckkupplung von der Steckkupplung gelöst.
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Ein passives Nottrennsystem kann bspw. auf einer Federkraft basieren, die zwischen dem Stecker und der Steckkupplung entgegen der Steckrichtung wirksam ist. Diese Federkraft muss überwunden werden, um den gesteckten Zustand aufrecht zu erhalten. Ein Nottrennsystem dient als unabhängige Energiespeicherung. Es wird für ein schnelles Trennen der Steckkontakte in Notsituationen benötigt. Ein Auslöser für eine Noteinholung kann ein Stromausfall an einem Teilsystem oder am gesamten System sein.
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Eine aktive Noteinholung kann durch Betätigung eines Not-Trenn-Schalters eingeleitet werden, z. B., wenn sich das Schiff während der Energieübertragung aus dem Arbeitsbereich herausbewegt oder sich während der Energieübertragung mit zur hoher Beschleunigung oder mit zur hoher Geschwindigkeit bewegt. Unabhängig von einem Not-Trennsignal ist ein Not-Stopp für das System vorgesehen, wenn ein Not-Stopp-Signal ausgelöst wird. In diesem Fall darf sich das System nicht mehr bewegen. Im gesteckten Zustand sind mehrere Antriebe vorzugsweise auf ein definiertes Drehmoment eingestellt, sodass zur jederzeit genügend Anpresskraft innerhalb der Steckverbindung anliegt. Die Antriebe für das horizontale und vertikale Verschwenken in Z- und Y- Richtung sorgen dafür, dass der Stecker im gesteckten Zustand in Position bleibt, auch wenn sich das Schiff geringfügig bewegt.
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Eine Nottrennung erfolgt auch dann, wenn das Kommunikationssignal zwischen Land- und Schiffseite nicht mehr besteht. In diesen Fällen soll der Gelenkarm aktiv über seinen Antrieb in einem sicheren Bereich verfahren werden. Die äußeren Grenzen des zulässigen Arbeitsbereiches sowie die auftretenden Dynamiken werden mit Hilfe von Sensoren überwacht, die mit dem Steuerungssystem verbunden sind. Bei Überschreiten der definierten Werte wird das System in den aktiven Nottrenn-Modus versetzt. Der aktive Nottrennvorgang bezieht sich auf die Fälle, in denen sich das Schiff während des Ladens aus dem Arbeitsbereich herausbewegt oder sich mit zu hoher Beschleunigung oder Geschwindigkeit bewegt. Eine passive Nottrennung bezieht sich auf einen Stromausfall an Teil- oder Gesamtsystems.
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Nach Abschluss des Ladevorgangs und vor dem Losmachen des Schiffes fährt der Gelenkarm zuerst in einen sicheren Bereich, wobei der Stecker aus der Steckdose gezogen wird. Danach fährt der Gelenkarm in die Parkposition, in den er vorzugsweise arretiert wird.
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Im Rahmen der Erfindung werden landseitige Steckdosen komplett eingehaust und mit abdichtenden Kabelverschraubungen/Kabeleinführungen versehen. Die Schiffseinheit besitzt eine Rahmenkonstruktion mit einem Klemmkasten mit abdichtenden Kabelverschraubungen/Kabeleinführungen. Die schiffseitige Einheit umfasst mithin eine Stahlkonstruktion, welche sich im Wesentlichen aus dem Schienensystem, der Schienenlaufeinheit und dem Gelenkarm mit dem Stecker zusammensetzt. Zusätzlich sind elektrische Leitungen und eine Steuereinheit vorgesehen. Das System kann während der Fahrt des Schiffes, also bei Nichtgebrauch, in einer geschützten Parkposition fixiert werden.
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Die landseitige Einheit kann eine Heizung aufweisen. Auch der vorzugsweise konkave Bereich zur Vorpositionierung kann beheizt sein, bspw. eine Silikonmattenheizung aufweisen.
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Die Erfindung ist nachfolgend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbespiele erläutert. Es zeigen:
- 1 eine perspektivische Ansicht eines schiffseitig montierbaren Energieübertragungssystems;
- 2 die Lage eines Koordinatensystems bezogen auf ein Schiff;
- 3 ein Energieübertragungssystem an einem Schiff in einer eingefahrenen Position;
- 4 das Energieübertragungssystem der 3, wobei der Gelenkarm entriegelt wurde;
- 5 das Energieübertragungssystem der 4, bei dem der Gelenkarm abgesenkt und leicht geschwenkt wurde;
- 6 das Energieübertragungssystem der 5, bei welchem der abgesenkte Gelenkarm seitlich verschwenkt und mehrfach abgewinkelt wurde;
- 7 den Gelenkarm der 6 in einer in +X-Richtung verfahrenen Richtung;
- 8 den Gelenkarm der 7 in einer um die Hochachse verschwenkten Position;
- 9 den Gelenkarm der 8 während der Feinpositionierung;
- 10 den Stecker in der eingesteckten Position;
- 11 die elektrische Steckverbindung des Energieübertragungssystems in einer anderen Position des Schiffes relativ zur landseitigen Steckkupplung;
- 12 das Energieübertragungssystem in einer weiteren Position des Schiffes relativ zur landseitigen Steckkupplung.
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Die 1 zeigt als Bestandteil eines Energieübertragungssystems 1 eine elektrische Steckereinheit 2, die durch eine horizontale Koppelbewegung mit einer landseitigen elektrischen Steckkupplung 3 (3) koppelbar ist. Die 1 dient zur Veranschaulichung der Kinematik der elektrischen Steckereinheit 2 im Verhältnis zur ortsfesten landseitigen elektrischen Steckkupplung 3.
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Die 2 zeigt ein Schiff 4 in einer Seitenansicht und in einer Ansicht von oben. Das Schiff 4 ist bspw. eine Fähre, die in +X bzw. -X Richtung von Kraftfahrzeugen befahren werden kann. Die X-Richtung entspricht der Längsrichtung des Schiffes 4. Die Y-Richtung entspricht der Querrichtung des Schiffes 4 und die +Z-Richtung der Hochrichtung des Schiffes 4.
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In der 1 sind Pfeile eingezeichnet, welche die Bewegungsmöglichkeiten der elektrischen Steckereinheit 2 symbolisieren. Die elektrische Steckereinheit 2 umfasst als wesentliches Element eines Gelenkarm 5 mit drei Armsegmenten 6, 7, 8, die jeweils über Gelenke 9, 10 miteinander verbunden sind. An einem freien Ende 11 des Gelenkarms 5 ist ein Stecker 12 zur Kopplung mit der landseitige Steckkupplung 3 befestigt. Am freien Ende 11 des letzten Armsegments 8 ist zudem ein Gelenk 27 mit einem Antrieb 28 zum Verschwenken des Streckers 12 angeordnet. Die schiffseitige elektrische Steckereinheit 2 umfasst ferner ein schiffseitiges Schienensystem 13 an dem eine Schienenlaufeinheit 14 verfahrbar befestigt ist. Die Schienenlaufeinheit 14 umfasst einen Armträger 15. Der Gelenkarm 5 ist über ein Gelenk 16 mit dem Armträger 15 gelenkig verbunden. Zusätzlich ist der Armträger 15 über ein Drehgelenk 17 um eine Hochachse (Z-Achse) gegenüber einem Fahrwerk der Schienenlaufeinheit 14 verschwenkbar. Die Schienenlaufeinheit 14 ist in Längsrichtung des Schienensystems verlagerbar, das heißt in +/-X-Richtung. Das Schienensystem 13 ist hängend unter einer nicht näher dargestellten Decke bzw. hängend unter einem Deck des Schiffes 4 befestigt. Alle Schwenkbewegungen des Armträgers 4 bzw. der einzelnen Armsegmente 6, 7, 8 des Gelenkarms 5 erfolgen über Antriebe, insbesondere elektromechanische Antriebe oder auch über hydraulische Antriebe. Ein erster Antrieb 18 in Form eines linear wirkenden Stellzylinders ist zwischen dem Armträger 15 und dem gelenkig daran befestigten Armsegment 6 wirksam. Dadurch kann der gesamte Gelenkarm 5 angehoben und abgesenkt werden. Ein weiterer Antrieb 19 ist zwischen dem ersten und zweiten Armsegment 6, 7 des Gelenkarms 5 wirksam. Ein weiterer Antrieb 29 ist zwischen dem zweiten und dritten Armsegment 7, 9 des Gelenkarms 5 wirksam. Es wird darauf hingewiesen, dass das letzte Armsegment 8, das mit dem Stecker 12 verbunden ist, horizontal geführt wird, da auch der Stecker 12 horizontal in die zugehörige landseitige elektrische Steckkupplung 3 gesteckt werden soll. Zwischen dem letzten Armsegment 8 und dem Stecker 12 befindet sich ein weiteres Gelenk 27 mit einem Antrieb 28, um im gekoppelten Zustand Bewegungen des Schiffes 4 relativ zum Stecker 12 und damit relativ zur elektrischen Steckkupplung 3 auszugleichen. In nicht näher dargestellter Weise weist das System Antriebe für das Verfahren der Schienenlaufeinheit 14 und für das Verschwenken des Armträgers 15 auf.
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Die zu 1 eingeführten Bezugszeichen werden in den nachfolgenden Figuren für funktional baugleiche Komponenten verwendet.
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Die 3 bis 12 zeigen ein weiteres praktisches Ausführungsbeispiel eines solchen Energieübertragungssystems. Die 3 zeigt einen Bugbereich eines Schiffes 4, das an Land fest gemacht hat. Die schiffseitige elektrische Steckereinheit 2 befindet sich unter einem Deck und ist so zumindest teilweise vor Witterungseinflüssen geschützt. Das System befindet sich im eingefahrenen Zustand. Die nachfolgenden Figuren erläutern den Kupplungsvorgang mit der landseitigen Steckkupplung 3.
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Die 4 zeigt, dass der Gelenkarm 5 etwas in X-Richtung des Schiffes 4 ausgefahren wurde und nun unter der Decke 20 hervorragt. Aus der Darstellung der 5 ist erkennbar, dass an dem Schienensystem 13 endseitig ein Kupplungsmittel 21 angeordnet ist, das mit einem Kupplungsmittel 22 am freien Ende 11 des Gelenkarms 5 ursprünglich (3) in Eingriff stand. In der eingefahrenen Position wird über den gegenseitigen Eingriff der Kupplungsmittel 21, 22 der Gelenkarm 5 entlastet und er wird in der 3 dargestellten Parkposition gehalten. Das Verlagern in die Position gemäß 4 dient in erster Linie zum Entkuppeln des Gelenkarms 5.
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In der 5 wurde der Gelenkarm um die Hochachse (Z-Achse) verschwenkt, sodass der Gelenkarm 5 nach oben abgewinkelt werden kann, wie es die 6 zeigt. Die Stellung der Armsegmente 6, 7, 8 bewirkt, dass der endseitige Stecker 12 in einer im Wesentlichen vertikalen Position verbleibt, um in horizontale Richtung (X-Richtung) gekoppelt zu werden. Das Schienensystem 13 verläuft in X-Richtung.
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Die 7 und 8 zeigen nun, wie der Stecker 12 der landseitigen Steckkupplung 3 angenähert wird. Hierzu wird die Schienenlaufeinheit 14 von der Parkposition an einem inneren Ende des Schienensystems 13 in Richtung zu einem äußeren Ende des Schienensystem 13 verlagert, wodurch sich der Stecker 12 näher an der landseitigen Steckkupplung 3 befindet.
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In nicht naher gestellter Weise erfolgt eine drahtlose Kommunikation zwischen der schiffseitigen elektrischen Steckereinheit 2 und der landseitigen elektrischen Steckkupplung 5, sodass die Position des Steckers 12 über Korrekturbewegungen des Gelenkarms 5 bzw. der Schienenlaufeinheit 14 gesteuert werden kann.
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Wenn die drahtlose Kommunikation unterbrochen wird, zieht der Gelenkarm 5 den Stecker 12 aus der Steckkupplung 3.
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Wie es in der 1 schematisch dargestellt ist, besitzt der Stecker 12 einen konvexen Bereich 24. Die elektrische Steckkupplung 3 hat in nicht näher dargestellter Weise einen dazu passenden konkaven Bereich. Die beiden gegengleichen Bereiche sind pyramidenstumpfförmig ausgebildet. Über diese beiden Bereiche erfolgt eine Vorpositionierung des Steckers 12.
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Nach der Vorpositionierung gelangen Führungselemente von Stecker 12 und Steckkupplung 13 miteinander in Eingriff. Die Führungselemente sind parallel zu Steckkontakten ausgerichtet, über die später die elektrisch leitende Verbindung hergestellt werden soll. Die Führungselemente führen den Stecker 12 parallel zu den Steckkontakten. Sensoren erfassen die jeweilige Position des Steckers 12. Bei korrekter Position wird der Stecker 12 in seine Steckposition geschoben. Anschließend wird die Kontaktgüte der Steckverbindung über Kontaktschleifen gemessen.
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Während des gesteckten Zustandes wird über den Gelenkarm 5 eine Steckkraft aufrechterhalten, als Gegenkraft zur einer Lösekraft eines Nottrennsystems. Die Steckkraft wirkt in Richtung der Steckkupplung 13. Die Lösekraft des Nottrennsystems wirkt in die Gegenrichtung.
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Die 11 und 12 zeigen den Bugbereich desselben Schiffes 4 in unterschiedlichen Anlegepositionen. In 11 ist der Abstand des Schiffes 4 von der landseitigen Steckkupplung 3 etwas größer ist als bei dem Ausführungsbeispiel der vorangegangenen Figuren. Der Längenausgleich erfolgt über eine andere Position der Schienenlaufeinheit 14 am Schienensystem 13. Zudem zeigt die 11 Leitungen 25, über welche die Schienenlaufeinheit 14 mit einem Anschlusskasten 26 des Energieübertragungssystems verbunden sind. Der Anschlusskasten 26 ist die Schnittstelle zur Einleitung der aufgenommenen elektrischen Energie in das Schiff 4.
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Die 12 zeigt das Schiff 4 bspw. bei Hochwasser. Die schiffseitige elektrische Steckereinheit 2 befindet sich in einer wesentlich höheren Position als bei der 11. Der Gelenkarm 5 muss in diesem Fall nicht nach oben, sondern nach unten verschwenkt werden, was durch ein Abwinkeln des ersten Armsegments 6 nach unten erreicht wird.
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Mit einem derartigen Energieübertragungssystem können bspw. in X-Richtung ca. 1.500 mm Bewegungen einer Fähre aufgrund von Tiede, Beladungszustand, Wellengang und Toleranzen im Anlegebereich ausgeglichen werden bzw. in Y-Richtung 2.000 mm und in Z-Richtung ca. 5.500 mm. Dreh- und Kippwinkel können im Bereich von ca. 5-10 Grad um die jeweilige Achse (X, Y, Z) ausgeglichen werden.
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Die verwendeten Sensoren zur Positionierung sind insbesondere Ultraschallsensoren. Eine solche Anordnung kann elektrische Leistungen von bspw. 15 KV AC/DC übertragen bei einer Stromstärke von bspw. 900 A pro Pol.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Energieübertragungssystem
- 2
- elektrische Steckereinheit
- 3
- elektrische Steckkupplung
- 4
- Schiff
- 5
- Gelenkarm
- 6
- Armsegment v. 5
- 7
- Armsegment v. 5
- 8
- Armsegment v. 5
- 9
- Gelenk zw. 6 und 7
- 10
- Gelenk zw. 7 und 8
- 11
- freies Ende von 5
- 12
- Stecker v. 2
- 13
- Schienensystem v. 2
- 14
- Schienenlaufeinheit v. 2
- 15
- Armträger v. 14
- 16
- Gelenk an 15
- 17
- Drehgelenk
- 18
- Antrieb
- 19
- Antrieb
- 20
- Decke
- 21
- Kupplungsmittel an 13
- 22
- Kupplungsmittel an 11
- 23
- äußeres Ende von 13
- 24
- konvexen Bereich v. 12
- 25
- Leitung
- 26
- Anschlusskasten
- 27
- Gelenk
- 28
- Antrieb
- 29
- Antrieb
