-
Die Erfindung betrifft einen Schwimmkörper, insbesondere Schiffe oder Plattformen, mit einem Kran, welcher eine Referenzfixierung und einen einstellbaren Arbeitsort aufweist und in drei Raumrichtungen veränderbar ist.
-
Insbesondere beim Warten und beim Inspizieren von Windenergieanlagen im Offshore-Bereich entstehen Probleme, da der Zugang von außen an die Windenergieanlage eingeschränkt ist. Direkt an der Windenergieanlage angebrachte Kransysteme führen zu sehr hohen Kosten, da diese bei jeder Windenergieanlage angebracht sein muss, jedoch nur selten zum Einsatz kommen.
-
Seeseitige Kräne auf Schiffen müssen Arbeitshöhen von 100m bis 150m gewährleisten, da diese der Nabenhöhe einer typischen Windenergieanlage entsprechen. Durch die mechanische Kopplung des Kranes mit dem Schiff führen kleinste Bewegungen des Schiffes zu großen Ausschlägen des Kranes auf Nabenhöhe.
-
Üblicherweise können Schiffe und Arbeitsplattformen über den Wasserspiegel angehoben werden, wodurch das Schiff stabil ist. Durch dieses Anheben entspricht praktisch das Koordinatensystem des Schiffes dem Koordinatensystem der Windenergieanlage. Dieses Vorgehen ist jedoch teuer und zeitaufwändig, da vor dem eigentlichen Warten oder Reparieren jeweils das Schiff angehoben werden muss.
-
Zudem besteht großer Aufwand Mensch und Material auf offener See an die Windenergieanlage heranzuführen.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, den Stand der Technik zu verbessern.
-
Gelöst wird die Aufgabe durch einen Schwimmkörper, insbesondere Schiff oder Plattform, mit einem Kran, welcher eine Referenzfixierung und einen einstellbaren Arbeitsort aufweist und in drei Raumrichtungen veränderbar ist, wobei der Arbeitsort mittels der Referenzfixierung von einer Schwimmkörperbewegung entkoppelbar ist.
-
Somit kann ein System bereitgestellt werden, bei dem der Arbeitsort in Bezug auf die Windenergieanlage unveränderlich ist, so dass Wartungs-, Inspektions- und Reinigungsarbeiten, beispielsweise an den Rotorblättern von außen erfolgen können.
-
Insbesondere können die beschriebenen Nachteile bei gekoppelten Systemen, bei denen eine Schwimmkörperbewegung aufgrund der hohen Höhen des Krans zu einer relevanten Ortsveränderung führt, welche ein Warten oder ein Reparieren an der Windenergieanlage quasi unmöglich macht, beseitigt werden.
-
Dadurch, dass sich Schiffsbewegungen nicht direkt auf den Arbeitsort auswirken, wird zudem die subjektive Sicherheit einer am Arbeitsort befindlichen Person gesteigert.
-
Folgendes Begriffliche sei erläutert:
Als „Kran“ werden manuell oder durch Motoren betriebene Einrichtungen zur vertikalen und horizontalen Verladung von Lasten und Personen bezeichnet. Insbesondere sind Montagekräne zum Errichten einer Offshore-Windenergieanlage und Wartungskräne zum Warten von Offshore-Windenergieanlagen umfasst.
-
Mittels der „Referenzfixierung“ wird insbesondere der Ort des Arbeitsortes im ortsfesten Bezugssystem der Windenergieanlage definiert und „fixiert“. Somit ist nicht ein Bezugssystem des Schwimmkörpers, sondern das ortsfeste Bezugssystem der Windenergieanlage relevant. Über die Referenzfixierung erfolgt das Entkoppeln des Arbeitsortes von Bewegungen des Schwimmkörpers.
-
Zum einen kann der Arbeitsort mittels Koordinatendaten in Bezug zur Referenzfixierung positioniert werden. Auch ein mechanisches Koppeln ist möglich. In allen Fällen wird dabei der Arbeitsort im Wesentlichen konstant in Bezug auf die Windenergieanlage gehalten.
-
Beispielsweise können an der Windenergieanlage Retroreflektoren angebracht sein, welche mittels Laserstrahl vom Arbeitsort oder vom Kran aus angestrahlt werden und deren Abstand bestimmt werden. Anhand dieser (Orts-)Informationen kann der Arbeitsort derart ausgerichtet werden, dass dieser zwar in Bezug zum Schiff sich verändert, jedoch in Bezug zum Koordinatensystem der Windenergieanlage konstant bleibt. Konstant in diesem Zusammenhang werden Systeme verstanden, die in der Lage sind, höchsten 50 cm, bevorzugt 10 cm, Ortsveränderung in Bezug auf die Windenergieanlage zu gewährleisten.
-
Ein „einstellbarer Arbeitsort“ ist dann gegeben, wenn mittels einer Steuerung oder einer Regelung manuell oder automatisch der Arbeitsort geführt werden kann. Dabei ist der Arbeitsort insbesondere eine Gondel, in der eine Person seine Wartungstätigkeit verrichten kann. Auch ein Kranhaken oder ein am Ende des Krans angebrachtes Werkzeug sind von dem Begriff Arbeitsort mit umfasst.
-
Insbesondere kann die Steuerung des Arbeitsortes die Fixierung in Bezug auf das Koordinatensystem der Windenergieanlage überlagern, so dass der Arbeitsort in Bezug auf das Koordinatensystem der Windenergieanlage geführt wird.
-
Mit dem Begriff „Schwimmkörperbewegung“ sind insbesondere sämtliche Bewegungen eines Schiffes umfasst. Sowohl Vorwärts- als auch Rückwärts-, wie auch Backbord- und Steuerbordveränderungen als auch das Rollen und die Krängung sind mit umfasst.
-
Im vorliegenden Sinn ist unter einem „Entkoppeln“ zu verstehen, dass die Schiffsbewegung im Wesentlichen keine Auswirkungen auf den Arbeitsort hat, sodass der Arbeitsort in Bezug auf die Windenergieanlage ortsfest ist. Dabei sind Bewegungen/Schwingungen des Arbeitsortes um 50 cm pro Sekunde, insbesondere 10 cm pro Sekunde oder geringere Werte, im vorliegenden Sinne als konstant zu betrachten.
-
Somit sind durch die Lösung der Aufgabe Schiffsschwimmkörperbewegungen und Arbeitsort bezüglich ihrer Bewegungen entkoppelt. Beispielhaft sei angeführt, dass eine Person am Arbeitsort quasi das Schiff betrachtend lediglich die Bewegungen des Schiffes sieht, diese jedoch nicht spürt, obwohl eine mechanische Verbindung mit dem Schiff besteht.
-
In einer diesbezüglichen Ausführungsform kann der Arbeitsort mittels der Referenzfixierung derart mittels Stellglieder einstellbar sein, dass eine vertikale Beabstandung zu einer Wasseroberfläche von mehr als 40 m, insbesondere von mehr als 60 m oder bevorzugt von mehr als 100 m realisierbar ist. Somit können Arbeitshöhen bereitgestellt werden, welche ein Warten oder Reparieren einer Offshore-Windenergieanlage erst ermöglichen.
-
Als „Stellglieder“ für den Kran können sowohl hydraulische Stellglieder, pneumatische Stellglieder und/oder elektromechanische Stellglieder eingesetzt werden.
-
Als „Wasseroberfläche“ sind die durchschnittlich gemittelten Werte über fünf Minuten zu verstehen, so dass vorliegend von einer glatten Oberfläche als Referenzfläche ausgegangen werden kann.
-
Als „Vertikalbeabstandung“ wird der kürzeste Abstand zwischen der (glatten) Wasseroberfläche und dem Arbeitsort verstanden.
-
Um die anhand der Referenzfixierung ermittelten Positionsdaten in Bezug zur Windenergieanlage konstant zu halten, kann der Schwimmkörper eine Kranregelung aufweisen, welche derart eingerichtet ist, dass der Arbeitsort raumfest in Bezug auf das Koordinatensystem der Windenergieanlage einstellbar ist. Raumfest im vorliegenden Sinne ist insbesondere dann gegeben, wenn der Arbeitsort im Wesentlichen konstant ist.
-
Bei der „vorliegenden Kranregelung“ entspricht der raumfeste Arbeitsort dem Sollwert und entsprechende Abweichungen von dem Sollwert als Regelabweichung. Aufgrund dieser Regelabweichungen wird ermittelt, wie die Stellglieder anzusteuern sind, so dass der Arbeitsort in Bezug zur Windenergieanlage raumfest ist.
-
In einer weiteren Ausführungsform weist der Schwimmkörper eine Positionierungseinrichtung auf, welche derart ausgestaltet ist, dass der Schwimmkörper ortsfest positionierbar ist.
-
Durch diese ortsfeste Positionierung wird das Schiff bezüglich seines Standortes mittels der Schiffspropeller und sonstiger Steuermethoden ortsfest gehalten. Diese Steuerung erfolgt insbesondere mittels satellitenbasierter Ortungssysteme wie Galileo oder GPS. Somit reduzieren sich die Schwimmkörperbewegungen im Wesentlichen auf Rollen und Krängung. Dadurch kann der Regelaufwand zum Nachführen des Arbeitsortes (Sichtweise des Schiffs) verringert werden.
-
Ortsfest in diesem Zusammenhang ist insbesondere kartographisch zu betrachten. Die Schwimmkörperposition, beschrieben mittels Längen- und Breitengraden, ist im Wesentlichen konstant.
-
Um die Schiffsbewegungen ausreichend stabil vom Arbeitsort zu entkoppeln, kann der Kran einen ersten Ausleger und einen zweiten Ausleger aufweisen, welche unabhängig voneinander regelbar und/oder steuerbar sind.
-
So kann der erste Ausleger insbesondere anhand von Bewegungsdaten des Schwimmkörpers eine langsame Regelung aufweisen. Beispielsweise werden Dabei Lagesensoren, insbesondere Gyroskopsensoren, ausgewertet, welche eine Lageänderung des Schwimmkörpers detektieren.
-
Im Gegensatz dazu kann die Regelung des zweiten Auslegers schneller sein. Insbesondere kann dies wiederum mittels Referenzpositionsermittlung in Bezug auf das Koordinatensystem der Windenergieanlage erfolgen.
-
Durch diese voneinander unabhängigen Regelungen, kann der Arbeitsort optimiert von Schiffsbewegungen entkoppelt werden.
-
Der erste Ausleger ist insbesondere der Ausleger, welche schiffsseitig angeordnet ist. Der zweite Ausleger ist insbesondere windenergieanlagenseitig angeordnet.
-
Weiterhin kann der Kran weitere Ausleger mit weiteren separaten/unabhängigen Steuerungen und/oder Regelungen aufweisen.
-
Um ein für das Bedienpersonal optimiertes Ergebnis zu gewährleisten, kann der erste Ausleger nach einer Schwimmkörperfolge und der zweite Ausleger in Bezug auf die Referenzfixierung geregelt und/oder gesteuert werden.
-
Dabei kann die „Schwimmkörperfolge“ insbesondere der Bewegung des Schwimmkörpers aufgrund der Wellen, des Windes oder sonstiger Parameter erfolgen. Diese Bewegungen sind im Allgemeinen sehr langsam, so dass eine „langsame“ Regelung erfolgen kann.
-
Aufgrund der starken Schwankungen am Arbeitsort aufgrund kleinster Bewegungen des Schiffskörpers, ist die Regelung für den zweiten Ausleger „schnell“ ausgelegt. Insbesondere aus dem Grund, dass nach einer Position (Referenzfixierung) der Windenergieanlage geregelt wird.
-
Um die Schiffsbewegungen vollständig vom Arbeitsort zu entkoppeln können der erste und der zweite Ausleger über eine Referenzfixierung miteinander verbunden.
-
Die in dieser speziellen Ausgestaltungsform vorliegende „Referenzfixierung“ ist eine mechanische Fixierung, welche direkt mit der Windenergieanlage oder dem zugehörigen Fundament verbindbar ist. Somit ist es wesentlich, dass das Koordinatensystem der Windenergieanlage mit dem Koordinatensystem des Schwimmkörpers mechanisch gekoppelt, insbesondere verbunden, ist.
-
So sind insbesondere der erste Ausleger mit dem Schiff und der Windenergieanlage und der zweite Ausleger mit der Windenergieanlage verbunden.
-
Als „Ausleger“ werden für den gesamten Text insbesondere über eine Abstützung eines Krans hinausragende Bauteile verstanden. Über die Ausleger und deren gesteuerten oder geregelten Führung werden mittels der Ausleger erst die gewünschten Arbeitsorte erreicht.
-
In einer diesbezüglichen Ausführungsform ist der Arbeitsort am zweiten Ausleger angekoppelt und/oder befestigt. Somit kann das Entkoppeln der Schwimmkörperbewegung vom Arbeitsort besonders gut realisiert werden. Selbstverständlich kann das Ankoppeln oder Befestigen über weitere Ausleger erfolgen.
-
Um den Kran mehrfach einsetzen zu können, kann in diesbezüglichen Ausführungsformen die Referenzfixierung eine lösbare Windenergieanlagenkopplung aufweisen. Somit kann mit ein und demselben Kran eine Offshore-Windenergieanlage nach der anderen gewartet und/oder repariert werden.
-
Die „Windenergieanlagenkopplung“ ist so ausgestaltet, dass sie eine lösbar feste Verbindung mit den Windenergieanlagen oder der zugehörigen Gründungen, auch als Fundamente bezeichnet, ausbildet.
-
Um die schützende Lackierung einer Windenergieanlage und insbesondere ihres Turms nicht zu verletzen, kann die lösbare Windenergieanlagenkopplung ein Polsterelement aufweisen.
-
So kann die Windenergieanlagenkopplung als verstellbarer Greifer ausgestaltet sein, an dessen Innenseiten zusätzlich aufblasbare Luftsäcke angeordnet sein können, welche beim Schließen des Greifers sich mit Luft füllen, so dass bei geschlossener Windenergieanlagenkopplung etwaige Bewegungen der Windenergieanlage oder des Schiffes abgefedert werden können.
-
Um den Arbeitsort über den zweiten Ausleger optimal positionieren zu können, kann der Kran eine separate Steuerung und/oder separate Regelung für den zweiten Ausleger und entsprechend für den Arbeitsort aufweisen, so dass der zweite Ausleger ausgehend von der Referenzfixierung separat veränderbar ist.
-
In einer diesbezüglichen Ausführungsform kann die separate Steuerung oder die separate Regelung oder der zweite Ausleger vom Arbeitsort mittels einer Bedieneinrichtung bedient werden.
-
Dies kann einem Bediener ermöglichen, seinen Arbeitsort zu verändern und dabei weiterhin von der Schiffskörperbewegung entkoppelt zu sein.
-
Um die für die Wartung von Offshore-Windenergieanlagen notwendigen Höhen zu erreichen, kann der zweite Ausleger länger als der erste Ausleger sein. Mithin kann der Schwimmkörper sehr nah an die Offshore-Windenergieanlage heranfahren und den Kran auf kurzer Distanz bspw. an dem Turm der Windenergieanlage ankoppeln und über den zweiten Ausleger die entsprechenden Arbeitshöhen des Arbeitsortes ansteuern.
-
In einer weiteren diesbezüglichen Ausführungsform kann der Kran derart eingerichtet sein, dass bei arretierter Windenergieanlagenkopplung der erste Ausleger entkoppelt von einer Schwimmkörperbewegung ist.
-
Dies kann insbesondere dadurch erfolgen, dass die Stellelemente, welche bei dem Kran den ersten Ausleger mit dem Schiff (indirekt) verbinden, im „Freilauf“ sind. Hierzu kann beispielsweise das Arbeitsmedium aus dem Stellglied entfernt werden, so dass beispielsweise ein Kolben frei beweglich ist.
-
Um etwaige Bewegungen des Schwimmkörpers zu reduzieren, kann der Schwimmkörper wiederum eine Positionierungseinrichtung aufweisen, welche derart ausgestaltet ist, dass der Schwimmkörper ortsfest positionierbar ist.
-
Wie bereits erläutert (siehe Ausführungen oben), kann mithin die Schwimmkörperbewegung auf Rollen und Krängung beschränkt werden.
-
Um größtmögliche Sicherheit für das Bedienpersonal zu gewährleisten, kann der Kran derart eingerichtet sein, dass in einem Störfall der zweite Ausleger in eine Sicherheitsposition verfährt.
-
Eine „Sicherheitsposition“ ist insbesondere dann gegeben, wenn der Arbeitsort von der Windenergieanlage entfernt wird. Dies kann beispielsweise durch ein Absenken des zweiten Auslegers oder durch ein Schwenken des Krans realisiert werden.
-
Ein „Störfall“ ist insbesondere dann gegeben, wenn ein Sensor und/oder ein Stellglied und/oder ein Regel- und/oder Steuerkreis ausfällt oder beschädigt ist.
-
In einer weiteren Ausführungsform kann der Arbeitsort einen Montagekran aufweisen. Somit können Werkzeuge und Material zum Arbeitsort geschafft werden, ohne hierfür den Arbeitsort verlassen zu müssen.
-
Der vorliegende Montagekran kann wiederum Ausleger aufweisen oder auch lediglich ein Hebezeug umfassen.
-
Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen
-
1a eine stark schematische Darstellung eines Schiffes mit einem Kran und einem Arbeitsort in einer ersten Position nach dem Stand der Technik,
-
1b eine stark schematische Darstellung des Schiffes mit dem Kran aus 1a an einer zweiten Position (ebenfalls Stand der Technik),
-
1c eine stark schematische Darstellung eines Schiffes mit einem erfindungsgemäßen Kran nach einem ersten Aspekt der Erfindung in einer ersten Position,
-
1d eine stark schematische Darstellung des Schiffes mit Kran aus 1c in einer zweiten Position,
-
2 eine schematische Darstellung eines Schiffs mit Kran, welcher an einer Windenergieanlage angekoppelt ist, nach einem weiteren erfinderischen Aspekt.
-
Ein Schiff 101 mit einem Kran 103 weist nach dem Stand der Technik einen Arbeitsort 102 auf (siehe 1a, 1b).
-
Aufgrund der mechanischen Kopplung des Arbeitsortes 102 über den Kran 103 mit dem Schiff 101 führt eine Bewegung des Schiffes 101 unweigerlich zu einer starken Veränderung des Arbeitsortes 102 (siehe veränderte Arbeitsorte 102 von 1a und 1b im Vergleich).
-
Diese Veränderung der Arbeitsorte 102 ist umso stärker ausgeprägt, je höher der Arbeitsort 102 in Bezug auf das Schiff 101 verortet ist. Diese starke Ortsveränderung des Arbeitsortes 102 wird erfindungsgemäß verhindert.
-
In einem ersten Aspekt (siehe 1c, 1d) wird dies regelungs- oder steuerungstechnisch realisiert. Trotz der unterschiedlichen Schiffslagen des Schiffes 101 (siehe 1c und 1d) bleibt der Arbeitsort 102 unverändert.
-
Dies wird wie folgt erreicht: An einer Windenergieanlage sind drei Retroreflektoren an unterschiedlichen Positionen angeordnet. Diese Retroreflektoren werden von einer Gondel 102 aus, mittels eines Lasers, angestrahlt und aufgrund des reflektierten Lichts wird die Position der Gondel 102 im Raum bestimmt.
-
Bewegt sich das Schiff 101 unterhalb, erfolgt eine kleine Auslenkung der Gondel 102. Diese Änderung wird einem Regler zugeführt, welcher die hydraulischen Stellelemente der Kranausleger derart ansteuert, dass die Auslenkung des Arbeitsortes 102 kompensiert wird. Die Stellelemente sind dabei an allen beweglichen Teilen angeordnet. Alternativ werden elektromechanische Stellelemente verwendet.
-
Durch ein Bedienelement an der Gondel 102 kann durch eine Steuerung die Gondel verfahren werden, wobei weiterhin die Retroreflektoren an der Windenergieanlage von den Laserstrahlen beaufschlagt werden und die Position im Raum bestimmt wird. Somit liegt die neue Ortsinformation vor, anhand derer der Regler die Gondel 102 ansteuert.
-
Durch dieses Regeln des Kranes 103 mit seinen Auslegern über die Stellelemente ist die Gondel 102 von Bewegungen des Schiffes 101 entkoppelt.
-
In einer zweiten Alternative (siehe 2) weist ein Schiff 101 einen Kran 103 auf. Der Kran 103 wiederum weist einen ersten Ausleger 105 und einen zweiten Ausleger 107 auf. Erster und zweiter Ausleger 105, 107 sind über eine Windenergieanlagenkopplung 111 miteinander verbunden. Die Windenergieanlagenkopplung 111 ist als Klammer mit innenliegenden befüllbaren Luftsäcken ausgestaltet.
-
An dem zweiten Ausleger 107 befindet sich die Gondel 109, in welcher eine Wartungsperson Platz findet. Fährt nun das Schiff 101 zu einer Offshore-Windenergieanlage 121 mit einem Windenergieanlagenturm 127, einem Windenergieanlagenmaschinenhaus 125 und zugehörigen Rotorblättern 123, wird über den ersten Ausleger 105 die geöffnete Klammer 111 um den Windenergieanlagenturm 127 verfahren. Sobald der Windenergieanlagenturm 127 vollständig von der Klammer 111 umfasst ist, werden die innenliegenden Luftsäcke aufgeblasen und die Klammer 111 derart geschlossen, dass das Schiff 101 mechanisch fest mit dem Windenergieanlagenturm gekoppelt ist.
-
Nun werden die Stellglieder schiffseitig gelöst, so dass Schiffsbewegungen zwar zu einem Verfahren des ersten Auslegers 105 führen können, jedoch die Klammer 111 fest mit der Windenergieanlage 121 verbunden ist. Nun kann der zweite Ausleger 107 aufgrund seiner separaten Stellglieder, welche den zweiten Ausleger 107 mit der Klammer 111 verbinden, derart verfahren werden, dass ein gewünschter Arbeitsort von der Gondel 109 erreicht wird.
-
Nachdem die Wartungsarbeiten erfolgreich verlaufen sind, fährt der zweite Ausleger 107 mit der Gondel 109 wieder an seinen ursprünglichen Startort zurück, die Stellglieder des Schiffes 101 werden wieder betrieben, während gleichzeitig die Klammer 111 geöffnet wird.
-
Anschließend wird der gesamte Kran 103 im Schiff 101 abgelegt. Das Schiff 101 kann nun über das Wasser 131 zur nächsten Offshore-Windenergieanlage 121 fahren und, wie gezeigt, erneut die weitere Windenergieanlage warten oder reinigen.
