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Die Erfindung betrifft ein Überwachungssystem für eine Tragstruktur einer Windenergieanlage.
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Tragstrukturen von Windenergieanlagen sind diejenigen Strukturen, die einen Turm zu einem Untergrund hin abstützen. Hierbei handelt es sich um hochbelastete Bauteile. Bei Offshore-Windenergieanlagen befinden sich die Tragstrukturen teilweise unter Wasser und sind somit den korrosiven Einflüssen des Meereswassers und des Seegangs ausgesetzt. Die Überwachung der Tragstrukturen ist hierdurch ebenfalls erschwert.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Überwachung der strukturellen Integrität von Tragstrukturen von Windenergieanlagen zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Überwachungssystem für eine Tragstruktur einer Windenergieanlage, umfassend eine Tragstruktur mit einem Hohlkörper oder mehreren Hohlkörpern, die wenigstens einen abgeschlossenen Hohlraum umschließen, wenigstens einer Druckluftquelle, mittels der der wenigstens eine abgeschlossene Hohlraum mit einem Überdruck beaufschlagbar ist, und wenigstens einer Druckmessvorrichtung, mittels der ein in dem wenigstens einen abgeschlossenen Hohlraum herrschende Innendruck messbar ist, sowie einer Überwachungsvorrichtung, die ausgebildet und eingerichtet ist, eine Beaufschlagung des wenigstens einen Hohlraums mit Druckluft aus der Druckluftquelle zu steuern, aus einer Information über Menge, und insbesondere zusätzlich Zeitpunkt, wenigstens einer Einbringung von Druckluft in den wenigstens einen abgeschlossenen Hohlraum einen Innendruck-Erwartungswert zu bilden und den gemessenen Innendruck mit dem Innendruck-Erwartungswert zu vergleichen und/oder einen gemessenen Druckluft-Durchsatz mit einem erwarteten Druckluft-Durchsatz zu vergleichen.
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Mit dem erfindungsgemäßen Überwachungssystem wird ein preiswertes System zur Dauerüberwachung der Tragstrukturen zur Verfügung gestellt, ein so genanntes ”Condition Monitoring”-System. Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, dass die als Tragstrukturen für Windenergieanlagen eingesetzten Strukturen in den meisten Fällen aus geschweißten Hohlkörpern aus Stahl bestehen. Dies betrifft in besonderem Maße sogenannte ”Jacket”-Tragstrukturen, die ein Gittergestell aus aneinander geschweißten Stahlrohren umfassen, aber auch Monopiles, die in den Meeresboden gerammt werden und schwimmende Floating-Tragstrukturen. Diese Tragstrukturen bilden einen zusammenhängenden abgeschlossenen Hohlraum oder mehrere abgeschlossene Hohlräume, die mit Druckluft beaufschlagbar sind und den Überdruck solange halten, wie sie unbeschädigt sind. Auch eine kalkulierbare geringe Entweichrate kann unter Umständen tolerabel sein. Der Verlust darf aber nicht so schnell geschehen, wie er bei Auftreten eines Ermüdungsrisses aufträte.
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Die strukturelle Integrität solcher Tragstrukturen ist besonders durch mögliche Ermüdungsrisse in den Schweißnähten gefährdet. Diese werden erfindungsgemäß erkannt, indem in der Tragstruktur ein Überdruck generiert wird, der, vorzugsweise permanent, überwacht wird. Sobald Luft beispielsweise durch einen durchgehenden Riss in einer Schweißnaht entweicht, wird dies durch den zugehörigen Druckabfall beziehungsweise das gegebenenfalls nachgepumpte Luftvolumen erkannt.
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Es ist besonders vorteilhaft, einen Innendruck-Erwartungswert aus einer Information über Menge, und zusätzlich Zeitpunkt, wenigstens einer Einbringung von Druckluft in den wenigstens einen abgeschlossenen Hohlraum zu bilden. Die zusätzliche Information über den Zeitpunkt erlaubt eine besonders schnelle und umfassende Information über aufgetretene Schäden. Beispielsweise kann so indiziert werden, ob das nachgepumpte Druckluftvolumen von der Tragstruktur vorübergehend gehalten werden kann oder dauerhaft entweicht.
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Das Druckmesssystem umfasst in einer besonders bevorzugten Ausführungsform mehrere Sensoren, um das System redundant auszulegen. Weiterhin bevorzugt sind die Sensoren an unterschiedlichen Positionen, beispielsweise Höhen und Umfangspositionen, angeordnet.
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Die Überwachungsvorrichtung ist vorzugsweise als Datenverarbeitungsanlage ausgebildet, deren Ausbildung und Einrichtung zur Durchführung der Überwachung mittels Software sowie entsprechender Schnittstellen zu der Druckluftquelle und den verschiedenen Messvorrichtungen realisiert ist. Die Datenleitungen zwischen der Druckluftquelle und den verschiedenen Messvorrichtungen umfassen vorzugsweise Kabel oder alternativ drahtlose Verbindungen, bspw. Funk.
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Vorteilhaft, weil besonders einfach, ist es, wenn der Innenraum der Tragstruktur zu einem gemeinsamen abgeschlossenen Hohlraum verbunden ist, insbesondere mittels Durchgangsbohrungen in Schweißstellen. Dies ist besonders bei den vergleichsweise kleinvolumigen Jacket-Tragstrukturen bevorzugt. Andererseits ist eine Tragstruktur mit mehreren voneinander unabhängigen abgeschlossenen Hohlräumen vorteilhaft, weil bei einem isoliert auftretenden Druckverlust eine zügige Identifikation des betroffenen Bereichs der Tragstruktur möglich ist.
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Vorzugsweise ist die Tragstruktur eine wenigstens teilweise unter Wasser angeordnete Tragstruktur einer Offshore-Windenergieanlage. Die vorliegende Erfindung ist offshore besonders vorteilhaft einsetzbar, aber nicht hierauf beschränkt. Auch bei Onshore-Windenergieanlagen ist das erfindungsgemäße Condition Monitoring vorteilhaft einsetzbar.
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Die Tragstruktur ist vorteilhafterweise eine Jacket-Tragstruktur mit einer aus miteinander verschweißten Rohren aufgebauten Gitterstruktur, eine Monopile-Tragstruktur oder eine Floating-Tragstruktur.
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Im Unterschied zu der oben beschriebenen Jacket-Struktur ist eine Monopile-Tragstruktur ein zylindrisches Rohr, dessen Durchmesser mit dem Durchmesser des Turms der Windenergieanlage vergleichbar ist und das mehrere Meter tief in den Meeresboden gerammt wird. Der Turm wird direkt oder über ein Übergangsteil (”transition piece”) auf einen oberen Flansch des Monopile aufgesetzt und dort befestigt. Ein Monopile kann großvolumig mit Druckluft aufgefüllt werden, zur Verbesserung der Messgenauigkeit ist eine Unterteilung in gegeneinander abschottbare Kompartmente vorteilhaft.
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Eine Floating-Tragstruktur ist im Wesentlichen eine Art großes Floß, auf dem die Windenergieanlage aufgestellt wird. Dieses kann einen großen Schwimmkörper umfassen. Aus Sicherheitsgründen wird die Struktur eine Vielzahl von kleineren Schwimmkörpern aufweisen. Auch diese lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Überwachungssystem kostengünstig dauerhaft überwachen.
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Zusätzlich sind vorteilhafterweise visuelle Inspektionsmittel umfasst, insbesondere ein Tauchroboter. Mittels der visuellen Inspektionsmittel lassen sich Lecks oder Risse durch austretende Luftblasen erkennen.
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Der Überdruck im wenigstens einen abgeschlossenen Hohlraum beträgt vorzugweise wenigstens 0,1 bar, insbesondere wenigstens 0,3 bar.
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Ferner ist vorteilhafterweise wenigstens eine mit der Überwachungsvorrichtung verbundene oder verbindbare Temperaturmessvorrichtung umfasst, mittels der eine Temperatur im abgeschlossenen Hohlraum und/oder an der Tragstruktur messbar ist, wobei die Überwachungsvorrichtung ausgebildet und eingerichtet ist, die gemessene Temperatur bei der Bildung des Innendruck-Erwartungswerts zu berücksichtigen. Hiermit wird dem Effekt Rechnung getragen, dass eine Temperaturerhöhung den Luftdruck im Hohlraum steigen lässt, während eine Temperaturabsenkung auch den Innendruck fallen lässt, was nicht mit einem unerwünschten Austreten von Luft aus dem Hohlraum verwechselt werden sollte. Die Temperaturmessung kann entweder im Hohlraum selbst erfolgen oder einfacher an der Außenseite der Tragstruktur, besonders bei Jacket-Tragstrukturen, die wenig Platz für Temperaturmessvorrichtungen in ihrem Inneren bieten. Besonders bei Offshore-Windenergieanlagen ist die Messung der Wassertemperatur an der Außenseite der Tragstruktur auch ausreichend, da die üblicherweise stählerne Tragstruktur thermisch gut leitet und eingeschlossene Luftvolumen daher im thermischen Gleichgewicht mit dem Meerwasser ist und somit dessen Temperatur aufweist.
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Vorliegend beschrieben ist auch ein Verfahren zur Überwachung einer Tragstruktur einer Windenergieanlage, wobei die Tragstruktur einen Hohlkörper oder mehrere Hohlkörper umfasst, die wenigstens einen abgeschlossenen Hohlraum umschließen, mit den Schritten:
- – Beaufschlagen des wenigstens einen abgeschlossenen Hohlraums (36, 56) mit einem Überdruck
- – Messen des in dem wenigstens einen abgeschlossenen Hohlraum (36, 56) herrschende Innendrucks
- – Steuern einer Beaufschlagung des wenigstens einen Hohlraums (36, 56) mit Druckluft mit einer Überwachungsvorrichtung (86)
- – Bilden eines Innendruck-Erwartungswerts aus einer Information über Menge wenigstens einer Einbringung von Druckluft in den wenigstens einen abgeschlossenen Hohlraum (36, 56) und
- – Vergleichen des gemessenen Innendrucks mit dem Innendruck-Erwartungswert und/oder eines gemessenen Druckluft-Durchsatzes mit einem erwarteten Druckluft-Durchsatz.
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Möglich ist ein solches Verfahren zur Überwachung einer Tragstruktur einer Windenergieanlage, wobei die Tragstruktur einen Hohlkörper oder mehrere Hohlkörper umfasst, die wenigstens einen abgeschlossenen Hohlraum umschließen, wobei mittels wenigstens einer Druckluftquelle der wenigstens eine abgeschlossene Hohlraum mit einem Überdruck beaufschlagt wird und mittels wenigstens einer Druckmessvorrichtung ein in dem wenigstens einen abgeschlossenen Hohlraum herrschende Innendruck gemessen wird, wobei mittels einer Überwachungsvorrichtung eine Beaufschlagung des wenigstens einen Hohlraums mit Druckluft aus der Druckluftquelle gesteuert wird und aus einer Information über Menge, und insbesondere zusätzlich Zeitpunkt, wenigstens einer Einbringung von Druckluft in den wenigstens einen abgeschlossenen Hohlraum ein Innendruck-Erwartungswert gebildet und der gemessene Innendruck mit dem Innendruck-Erwartungswert verglichen wird und/oder ein gemessener Druckluft-Durchsatz mit einem erwarteten Druckluft-Durchsatz verglichen wird.
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Das vorliegend beschriebene Verfahren kann die gleichen Merkmale, Eigenschaften und Vorteile auf wie die erfindungsgemäße Tragstruktur aufweisen.
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Es ist weiterhin möglich, bei einer signifikanten Abweichung vom Innendruck-Erwartungswert, die einen vorbestimmten oder vorbestimmbaren Toleranzwert übersteigt, oder bei einer Beschleunigung eines Druckverlustes oder einer Steigerung des Druckluft-Durchsatzes über ein vorbestimmtes oder vorbestimmbares Maß hinaus ein Leck und/oder ein Riss einer Schweißnaht festzustellen. In einem solchen Fall kann automatisch ein Alarm generiert werden, so dass Instandhaltungs- und Reparaturmaßnahmen eingeleitet werden können.
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Weiterhin ist es möglich, bei der Bildung des Innendruck-Erwartungswerts eine Temperatur im abgeschlossenen Hohlraum und/oder an der Tragstruktur zu berücksichtigen.
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Wenn bei dem beschriebenen Verfahren zusätzlich eine visuelle Inspektion, insbesondere durch einen Taucher oder einen Tauchroboter, durchgeführt wird, insbesondere, wenn eine signifikante Abweichung des gemessenen Drucks im abgeschlossenen Hohlraum vom Innendruck-Erwartungswert festgestellt wird, so ist sichergestellt, dass ein Alarm des Überwachungssystems kein Fehlalarm war, und es wird festgestellt, wo die Fehlstelle aufgetreten ist.
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Zusätzlich besteht die Möglichkeit, bei einer Floating-Tragstruktur einen Tiefgang zu überwachen. Bei einem allmählichen Absinken der Tragstruktur muss ebenfalls auf eine strukturelle Schwachstelle geschlossen werden, die es zu reparieren gilt.
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Weiterhin können mit dem beschriebenen Verfahren zur Überwachung einer Tragstruktur einer Windenergieanlage in einer bevorzugten Ausführungsform auch weniger ermüdungsbelastet Strukturen als die Tragstruktur selbst, wie z. B. sogenannte Attachments an der Tragstruktur, hinsichtlich Rissbildung überwacht werden. Diese Attachments weisen geschlossene Hohlquerschnitte auf, die mit einem Druck beaufschlagbar sind, wie bspw. ein Boatlanding für den Personenzugang oder auch eine tragende Struktur einer Wartungsplattform, welche vorzugsweise am Übergangsstück oberhalb der Tragstruktur befestigt ist. So kann sichergestellt werden, dass auch diese Strukturen und/oder ihre Verbindungsstellen nicht defekt sind.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird weiterhin gelöst durch Windenergieanlage mit einer zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Tragstruktur.
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Weitere Merkmale der Erfindung werden aus der Beschreibung erfindungsgemäßer Ausführungsformen zusammen mit den Ansprüchen und den beigefügten Zeichnungen ersichtlich. Erfindungsgemäße Ausführungsformen können einzelne Merkmale oder eine Kombination mehrerer Merkmale erfüllen.
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Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, wobei bezüglich aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich auf die Zeichnungen verwiesen wird. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Überwachungssystems,
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2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Überwachungssystems und
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3 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Überwachungssystems.
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In den Zeichnungen sind jeweils gleiche oder gleichartige Elemente und/oder Teile mit denselben Bezugsziffern versehen, so dass von einer erneuten Vorstellung jeweils abgesehen wird.
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In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Überwachungssystems an einer als Jacket-Tragstruktur 10 ausgebildeten Tragstruktur für eine Windenergieanlage schematisch gezeigt. Die beispielhaft dargestellte Jacket-Tragstruktur 10 umfasst Eckträger 12 und Querstreben 14, die jeweils als Hohlrohre aus Stahl ausgebildet sind. An Verbindungs- und Kreuzungsstellen 16 sowie Fußpunkten 18 sind sie so miteinander verschweißt, dass sich eine stabile Tragstruktur ergibt. Die Schweißstellen können so durchbrochen sein, dass sich im Inneren der Jacket-Tragstruktur 10 ein einziger zusammenhängender und gegen die Umgebung abgeschlossener Hohlraum ergibt. Dieser Hohlraum ist im Vergleich zu dem von der Jacket-Tragstruktur 10 insgesamt umrahmten Volumen sehr klein und umfasst nur die Summe der Innenvolumina der verwendeten Stahlrohre.
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Der oberste Teil der Jacket-Tragstruktur 10 ragt bei Offshore-Windenergieanlagen aus dem Wasser heraus. Auf ihm wird vorzugsweise eine Übergangsstück und wiederum darauf die Windenergieanlage befestigt. Die Fußpunkte 18 stehen auf dem Meeresboden und sind dort entsprechend verankert. Im oberen Bereich der Jacket-Tragstruktur 10 ist eine Druckluftquelle 80 vorgesehen, mittels der Druckluft in die Jacket-Tragstruktur 10 einführbar ist, um in ihrem Inneren einen Überdruck zu erzeugen. In einer alternativen Ausführungsform ist die Druckluftquelle am oder im Turm oder am oder im Übergangsstück angeordnet. Weiter unten sind am oder im Jacket eine Druckmessvorrichtung 82 und eine Temperaturmessvorrichtung 84 schematisch dargestellt, die ausgebildet sind, den Überdruck im Inneren der Jacket-Tragstruktur 10 sowie eine Temperatur entweder der Druckluft oder des umgebenden Meerwassers bzw. der Jacket-Tragstruktur 10 selbst zu messen. Besonders bevorzugt ist die Verwendung mehrerer Messvorrichtungen, um Redundanzen zu schaffen. Druckluftquelle 80 und die Messvorrichtungen 82, 84 sind über Datenleitungen 90, 92 und 94 mit einer Überwachungsvorrichtung 86 verbunden, die die Messdaten der Messvorrichtungen 82, 84 erhält, einen Erwartungswert für den Innendruck in der Jacket-Tragstruktur 10 ermittelt und mit dem von der Druckmessvorrichtung 82 gemessenen Innendruck vergleicht. Die Überwachungsvorrichtung 86 steuert außerdem die Druckluftzugabe der Druckluftquelle 80 in die Jacket-Tragstruktur 10 hinein.
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Als weitere Komponente ist schematisch ein Tauchroboter 88 als visuelle Inspektionsvorrichtung dargestellt, die über Datenleitung 96 ebenfalls mit der Überwachungsvorrichtung 86 verbunden sein kann. Eine erfindungsgemäß mögliche Betriebsart besteht darin, nach einem durch die Überwachungsvorrichtung 86 aufgrund einer Abweichung des gemessenen Innendrucks vom Innendruck-Erwartungswert ausgelösten Alarms das Äußere der Jacket-Tragstruktur 10, und besonders die Schweißnähte an den Verbindungsstellen, gezielt zu untersuchen, vor allem in Bezug auf den Austritt von Luft.
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2 zeigt eine Abwandlung zu 1, indem in 2 als Tragstruktur eine Monopile-Tragstruktur 30 gezeigt ist. Diese besteht aus dem Monopile, einem zylindrischen Träger mit einem Durchmesser von mehreren Metern, der tief in den Meeresboden 2 hinein gerammt wird. Mit seiner Oberkante ragt der Monopile über das Wasser 4, also über den Meeresspiegel 4', hinaus. In dem Ausführungsbeispiel ist auf den oberen Flansch des Monopiles ein Übergangsstück 32 aufgesetzt, das eine Durchmesseranpassung an den Turm 34 der ebenfalls dargestellten Windenergieanlage 70 erzeugt. Dafür ist das Übergangsstück 32 konisch ausgeführt. Der Turm 34 kann bei Wahl passender Abmessungen jedoch auch ohne Übergangsstück 32 direkt auf den Monopile aufgesetzt werden.
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Bekannte Elemente einer Windenergieanlage 70, wie Rotorblätter und Maschinen, sind in 2 nicht eigens bezeichnet.
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Die Monopile-Tragstruktur 30 umschließt einen großen Hohlraum 36. Eine Druckluftquelle 80 ist in der Monopile-Tragstruktur 30 oberhalb des Meeresspiegels 4' angeordnet, Druckmessvorrichtung 82 und Temperaturmessvorrichtung 84 sind im Inneren des Monopile unterhalb des Meeresspiegels 4' angeordnet. Die Überwachungsvorrichtung 86 kann im oberen Teil der Windenergieanlage 70, im Maschinenhaus, im Turm 34, im Übergangsstück 32 oder im Monopile selbst angeordnet sein.
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In 3 ist ein drittes Ausführungsbeispiel schematisch dargestellt. Die Windenergieanlage 70 steht in diesem Fall auf einer schwimmenden Floating-Tragstruktur 50, die als großes Floß ausgebildet ist. Die Floating-Tragstruktur 50 umfasst einen Schwimmkörper 52 mit einem Hohlraum 56 mit unten angeordnetem Ballast 54 einer oberen Stützstruktur 58 für die Windenergieanlage 70. Diese Angaben zur Schwimmstruktur sind rein beispielhaft schematisch zu verstehen und nicht strukturell eingrenzend. Die Überwachungsvorrichtung ist mit Bezugszeichen 86 im oberen Turmbereich und mit Bezugszeichen 86' im unteren Turmbereich auf der oberen Stützstruktur 58 dargestellt. Auch die Druckluftquelle 80 befindet sich zumindest mit einem Lufteinlass oberhalb des Meeresspiegels 4'. Die Druckmessvorrichtung 82 und die Temperaturmessvorrichtung 84 sind im Inneren des Hohlraums 56 angeordnet.
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Statt eines zusammenhängenden Hohlraums 56 umfasst die Floating-Tragstruktur vorzugsweise eine Vielzahl von Schwimmkörpern, so dass die Schwimmfähigkeit der Floating-Tragstruktur 50 nicht bereits bei einem einzelnen Leck beeinträchtigt ist.
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Alle genannten Merkmale, auch die den Zeichnungen allein zu entnehmenden sowie auch einzelne Merkmale, die in Kombination mit anderen Merkmalen offenbart sind, werden allein und in Kombination als erfindungswesentlich angesehen. Erfindungsgemäße Ausführungsformen können durch einzelne Merkmale oder eine Kombination mehrerer Merkmale erfüllt sein. Im Rahmen der Erfindung sind Merkmale, die mit „insbesondere” oder „vorzugsweise” gekennzeichnet sind, als fakultative Merkmale zu verstehen.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Meeresboden
- 4
- Wasser
- 4'
- Meeresspiegel
- 10
- Jacket-Tragstruktur
- 12
- Eckträger
- 14
- Querstrebe
- 16
- Kreuzungsstelle
- 18
- Fußpunkt
- 30
- Monopile-Tragstruktur
- 32
- Übergangsstück
- 34
- Turm
- 36
- Hohlraum
- 50
- Floating-Tragstruktur
- 52
- Schwimmkörper
- 54
- Ballast
- 56
- Hohlraum
- 58
- obere Stützstruktur
- 70
- Windenergieanlage
- 80
- Druckluftquelle
- 82
- Druckmessvorrichtung
- 84
- Temperaturmessvorrichtung
- 86
- Überwachungsvorrichtung
- 88
- Tauchroboter
- 90–96
- Datenleitung
