WO2020016651A2 - System und verfahren für wasserfahrzeuge mit einer mobilen energiegewinnung und -versorgung - Google Patents

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Andreas BASCHA
Michael Hesse
David WIESNER
Benny STANDKE
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Solarimpact Yacht Ag
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Definitions

  • the invention relates to a system and a method for mobile energy generation and for electrical energy supply for watercraft.
  • the system and the method serve for the electrical drive and the energy supply of ships, offshore boats, ferries and yachts by means of artificial intelligence.
  • the complete electrical energy requirement of the watercraft is to be covered on a mobile basis by an optimal structure of the watercraft and the integration of regenerative energy generation processes.
  • SWATH Mal-Waterplane-Area-Twin-Hull hulls
  • an arrangement of solar cell surfaces for yachts which is intended to enable ferry operation solely with solar energy.
  • the rigid solar cell surfaces attached to the deck are attached to the railing on the outside with single or multiple folds using hinges or hinges.
  • the outer solar panels point outwards when they are retracted and upwards when they are extended and locked.
  • a tensioned awning is used in addition to the solar areas.
  • Another variant of the solution provides for a second deck, in which telescopically extendable solar areas are accommodated. Depending on the weather, these solar panels can be extended and retracted laterally via the side wall. Although this type of energy supply prevents emissions, it is dependent on the current solar activity. And to bridge the times of lower solar radiation, complex energy storage systems are also required.
  • a supplementary propulsion solution is proposed that relates to the inclusion of kites or kites. This under certain However, an additional drive solution that can be replaced by weather conditions also does not allow full use of renewable forms of energy for the energy supply of watercraft.
  • Hybrid drives consisting of a diesel and an electric motor are used.
  • a module of a hybrid drive for watercraft is proposed according to DE 10 2009 002 265 A1, by means of which a conventional boat drive can be converted into a hybrid drive using simple and inexpensive means.
  • the module is provided with a housing in which an elastic coupling with a drive shaft, an electrical machine, an output shaft connected to a rotor and a clutch are arranged coaxially.
  • Another disadvantage of these hybrid drives like the exclusively conventional drives, is that the emissions are too high.
  • a disadvantage of the watercraft listed above is the lack of the possibility of using only renewable forms of energy for the full mobile energy supply of the watercraft.
  • the object of the invention is therefore to create a system for mobile energy generation and supply of watercraft, with which an exclusive use of renewable energies is made possible while at the same time meeting the demands of the users with regard to the range, the speed and the sea behavior.
  • the task is also to create a procedure to implement the system.
  • a hull which is optimally tailored to the watercraft and is manufactured in a lightweight construction is connected to the use of controllable regenerative energy generation assemblies.
  • sensor-acquired environmental parameters such as temperature, waves, wind strengths and sun intensity are included for the control of the regenerative energy generation modules.
  • a forward-looking determination of the control processes required for an optimal energy balance takes place also by cyclically polling the expected environmental parameters by radio.
  • a data connection is established via satellite or shortwave to other watercraft lying on the intended sea route or to weather stations.
  • the positions of the energy recovery modules required for an optimal energy balance are calculated by the system computer and the control commands are sent to the control modules.
  • the respective efficiency and the optimum position for regenerative energy generation assemblies are controlled by means of the controls.
  • the spatial positions of the subassemblies of the watercraft that form the solar surface are preferably tracked to the sunlight and their light reflections arising on the water surface in such a way that a technically maximum possible energy conversion takes place.
  • additional support elements of the solar system can be extended by means of a lifting mechanism in order to increase the effective solar area in a controlled manner.
  • the extendable support elements of the solar system are advantageously designed as solar wings with a lamella structure.
  • the surfaces of the solar system facing the sunlight are effectively facing the optimal angle of sunlight and the rear surfaces of the solar system are optimally facing the light scattered back from the water surface.
  • the use of sun sails is also advantageous for achieving an optimal energy yield.
  • a self-regulating battery management system regulates the intelligent use of the available amount of energy.
  • the integration of a “self-learning algorithm” in the control advantageously includes the data generated by the users of the watercraft in the control.
  • a pressure equilibrium between the damming and suction waves is efficiently created over the entire length of the underwater ship, in that the torpedo-shaped lower parts attached below the watercraft and the stilt-like connecting parts that produce the connections to the underside of the watercraft form a geometrically complementary system.
  • Fig. 1 the schematic representation of the overall perspective view of the
  • Fig. 2 the schematic representation of the side view of the watercraft
  • Fig. 3 the block diagram of the control of energy generation and supply by means of artificial intelligence.
  • FIG. 1 shows the arrangement of a fixed solar surface 1 on the roof of a SWATH hull.
  • adjustable solar surfaces 2 are attached, which are extended in a controlled manner in the case of appropriate wind and sun conditions.
  • the lamellar mounts of the adjustable solar surfaces 2 With the lamellar mounts of the adjustable solar surfaces 2, the effective solar surface of the Control the SWATH ship under control.
  • the individual lamella elements are each brought into the optimal position in relation to the solar radiation in order to achieve a technically maximum possible energy conversion.
  • the top and bottom of the slat elements are each provided with an energy-converting solar surface. In the controlled position of the lamellar elements, their upper surfaces face the direct sunlight and their lower surfaces optimally face the light scattered by the water surface.
  • the brackets when extended, can be turned up and down around a swivel bearing attached to the sides of the roof along the longitudinal axis of the SWATH ship.
  • 4.1 electric drives 3 are arranged on the torpedo-shaped lower parts on both sides of the SWATH fuselage.
  • a two-part support part 5 (stilt) is arranged between the torpedo-shaped lower parts 4.1 and the hull.
  • This two-part support part 5 consists of a stern float and a bow float, between which an opening 6 is made. With this opening 6, a pressure equalization along the entire support part 5 is made possible, so that the interference of the waves emanating from both support parts 5 is reduced. With this measure, the stability compared to a continuous support part 5 is increased.
  • the front lower part 4.2 is formed in a drop shape in order to optimally balance the pressure potential.
  • the formation of the rear lower part 4.1 has a “boat part shape” in order to further reduce the interference of the waves and to reduce the flow resistance.
  • the drop-shaped shape of the front lower part 4.2 can be seen in the side view of the watercraft in FIG. This shape in the form of a bulge creates a strong but concentrated dynamic pressure potential at the top. A low-pressure area is created directly behind it, with which the shaft is “sucked away”. With the overall arrangement, consisting of front lower part 4.2 and rear lower part 4.1, a compensation of the pressure potential is achieved.
  • FIG. 3 schematically shows the interaction of the energy generation by the regenerative energy generation modules with the control of the central system computer 14.
  • the energy generation modules are composed of a wind generator 7, a wave generator 6 and a solar system 9.
  • the solar system 9 consists of the stationary solar surface 1 and the adjustable solar surface 2.
  • the wind generator 7 is installed in the upper part of the hull.
  • the wave generator 8 is designed as a fold-out assembly that drives next to the hull and supplies electrical energy generated by wave energy.
  • the ones from System computer 14 connected energy generation modules conduct their electrical energy to the energy store 10, which is connected to the electrical drive 12 and the electrical consumers 11.
  • the supplied electrical energy is stored by an accumulator within the energy store 10 and supplied to the consumers 11 and the electrical drive 12.
  • existing excess electrical energy is used to generate hydrogen, which is stored in high-pressure tanks for later use.
  • hydrogen is generated in an electrolyzer, which is then dried, compressed and stored. If necessary, the hydrogen is converted into electrical current via fuel cells.
  • the state of charge of the battery is maintained via the fuel cells or the electric drive 12 is operated directly.
  • the current energy states of the energy generation modules, the state of charge of the energy store 10 and the environmental parameters such as temperature, sun intensity, wind strength and wave activity are recorded by means of the system computer 14.
  • the control of the energy generation modules is then carried out on the basis of the calculated position values for optimal energy provision, taking into account the current weather conditions.
  • the control of the electric drives 12 takes place in order to achieve predetermined goals such as speed, geographical goals and safety requirements.
  • the navigation system 15 connected to the system computer 14, expected environmental parameters are queried by radio from other ships or weather stations located on the water route taken.
  • the positions of the energy generation modules can thus be controlled or switched on or off alternatively and with foresight into the corresponding positions.
  • the variety of the unpredictable technical influencing variables influencing the control processes are recorded by the system computer 14, evaluated in a self-learning process and stored in the data memory 17.
  • the data is stored on an external server 18, from which the data stored by all participating ships can be called up.
  • the control processes are progressively possible with increasing precision.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zur mobilen Energiegewinnung sowie zur elektrischen Energieversorgung für Wasserfahrzeuge. Insbesondere dienen das System und das Verfahren zum elektrischen Antrieb und der Energieversorgung von Schiffen, Offshore-Booten, Fähren und Yachten mittels künstlicher Intelligenz. Ausgehend vom Stand der Technik besteht die Aufgabe der Erfindung in der Schaffung eines Systems zur mobilen Energiegewinnung und -versorgung von Wasserfahrzeugen, mit dem eine ausschließliche Nutzung von regenerierbaren Energien bei gleichzeitiger Erfüllung der Ansprüche der Nutzer hinsichtlich der Reichweite, der Geschwindigkeit und des Seegangverhaltens ermöglicht wird. Ebenso besteht die Aufgabe darin, ein zur Umsetzung des Systems dienendes Verfahren zu schaffen. Gelöst wird diese Aufgabe, indem zum Antrieb dienende Elektroantriebe mit einem in Leichtbauweise hergestellten Wasserfahrzeug verbunden werden, diese Elektroantriebe sowie alle elektrischen Verbraucher des Wasserfahrzeuges von einem eine künstliche Intelligenz aufweisenden Systemrechner gesteuert werden, wobei der Systemrechner zwecks optimaler Steuerung der Energiegewinnung und Versorgung mit am Wasserfahrzeug angeordneten Solar-, Wellenenergie- und/oder Windkraftbaugruppen, Energiespeicherbaugruppen sowie mit Umgebungsparameter erfassende Sensoren und einer Navigationsanlage verbunden ist.

Description

System und Verfahren für Wasserfahrzeuge mit einer mobilen Energiegewinnung und -Versorgung
Die Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zur mobilen Energiegewinnung sowie zur elektrischen Energieversorgung für Wasserfahrzeuge. Insbesondere dienen das System und das Verfahren zum elektrischen Antrieb und der Energieversorgung von Schiffen, Offshore- Booten, Fähren und Yachten mittels künstlicher Intelligenz. Mit der erfindungsgemäßen Lösung soll der vollständige elektrische Energiebedarf des Wasserfahrzeuges durch einen optimalen Aufbau des Wasserfahrzeuges und der Einbindung regenerativer Energiegewinnungsverfahren mobil gedeckt werden.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Schiffe mit Elektroantrieb und der Energiegewinnung durch Solarenergie nutzen konventionelle Rümpfe in Monohull oder Katamaran- Bauweise. Die mit den bereits bekannten Lösungen realisierbaren Reichweiten und Geschwindigkeiten sowie des jeweilig erzielbaren Seegangverhaltens erfüllen jedoch nicht die Ansprüche der Nutzer.
Bekannt sind auch sogenannte SWATH (Small-Waterplane-Area-Twin-Hull) Schiffskörper, mit denen die Wechselwirkungen zwischen Wellen und Bootskörper auf ein Minimum reduziert werden können. Dadurch kann die für den Antrieb des Schiffes benötigte Energiemenge reduziert werden.
Nach der DE 41 36 379 A1 ist eine Anordnung von Solarzellen-Flächen für Yachten vorgesehen, die den Fährbetrieb allein mit Sonnenenergie ermöglichen soll. Dazu sind zu den auf dem Deck befestigten starren Solarzellenflächen außen an der Reling Solarflächen mit Gelenken oder Scharnieren einfach oder mehrfach gefaltet befestigt. Dabei zeigen die äußeren Solarflächen im eingezogenen Zustand nach außen und im ausgefahrenen, arretierten Zustand nach oben. Weiterhin wird alternativ für eine autarke Energieversorgung des Elektroantriebes neben den Solarflächen ein gespanntes Sonnensegel genutzt. Eine weitere Variante der Lösung sieht ein zweites Deck vor, in dem teleskopmäßig ausfahrbare Solarflächen untergebracht sind. Diese Solarflächen können je nach Wetterlage seitlich über die Bordwand aus- und wieder eingefahren werden. Obwohl diese Art der Energieversorgung den Emissionsausstoß verhindert, so ist sie von der momentanen Sonnenaktivität abhängig. Und die Zeiten geringerer Sonneneinstrahlung zu überbrücken, werden zudem aufwändige Energiespeicher erforderlich.
Nach der DE 10 2007 022 498 A1 wird eine ergänzende Antriebslösung vorgeschlagen, die sich auf die Einbeziehung von Zugdrachen oder Kites bezieht. Diese unter bestimmten Wetterverhältnissen ersetzbare zusätzliche Antriebslösung ermöglicht jedoch ebenfalls keine vollständige Nutzung regenerativer Energieformen für die Energieversorgung von Wasserfahrzeugen.
Um eine höhere Flexibilität des Antriebes der Boote mit einer damit verbundenen Reduktion der Emissionen zu erreichen, kommen z.B. aus einem Diesel- und einem Elektromotor bestehende Hybridantriebe zur Anwendung. Zu diesem Zweck wird nach der DE 10 2009 002 265 A1 ein Modul eines Hybridantriebes für Wasserfahrzeuge vorgeschlagen, mittels dessen ein konventioneller Bootsantrieb mit einfachen und kostengünstigen Mitteln in einen Hybridantrieb umgerüstet werden kann. Dazu ist das Modul mit einem Gehäuse versehen, in welchem eine elastische Kupplung mit einer Antriebswelle, eine elektrische Maschine, eine mit einem Rotor verbundene Abtriebswelle und eine Schaltkupplung koaxial angeordnet. Ebenfalls nachteilig sind an diesen Hybridantrieben wie bei den ausschließlich konventionellen Antrieben die zu hohen Emissionen.
Nachteilig an den vorstehend aufgeführten Wasserfahrzeugen ist die fehlende Möglichkeit der ausschließlichen Nutzung von regenerativen Energieformen für die vollumfängliche mobile Energieversorgung der Wasserfahrzeuge.
Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb in der Schaffung eines Systems zur mobilen Energiegewinnung und -Versorgung von Wasserfahrzeugen, mit dem eine ausschließliche Nutzung von regenerierbaren Energien bei gleichzeitiger Erfüllung der Ansprüche der Nutzer hinsichtlich der Reichweite, der Geschwindigkeit und des Seegangverhaltens ermöglicht wird. Ebenso besteht die Aufgabe darin, ein zur Umsetzung des Systems dienendes Verfahren zu schaffen.
Gelöst wird diese Aufgabe durch das System nach den beschreibenden Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen des Systems werden durch die Merkmale der Patentansprüche 2 bis 4 beschrieben. Das geschaffene Verfahren zur Umsetzung des Systems beschreiben die Merkmale des Patentanspruchs 5. Vorteilhafte Ausbildungen des Verfahrens sind durch die Merkmale der Patentansprüche 5 bis 11 gekennzeichnet.
Mit dem erfindungsgemäßen System wird ein optimal auf das Wasserfahrzeug zugeschnittener, in Leichtbauweise hergestellter Rumpf mit der Anwendung von steuerbaren regenerativen Energiegewinnungsbaugruppen verbunden. Durch die computergestützte künstliche Intelligenz des Systemrechners werden für die Steuerung der regenerativen Energiegewinnungsbaugruppen sensorisch erfasste Umgebungsparameter wie Temperatur, Wellengang, Windstärken und Sonnenintensität einbezogen. Eine vorausschauende Ermittlung der für einen optimalen Energiehaushalt erforderlichen Steuervorgänge erfolgt weiterhin durch zyklische Abfragen der zu erwartenden Umgebungsparameter per Funk. Dazu wird eine Datenverbindung über Satelliten oder Kurzwelle zu anderen auf dem vorgesehenen Seeweg liegenden Wasserfahrzeugen oder zu Wetterstationen hergestellt. Unter Einbeziehung der zu erwartenden Wettersituationen werden die für einen optimalen Energiehaushalt erforderlichen Stellungen der Energiegewinnungsbaugruppen vom Systemrechner errechnet und die Stellbefehle an die Steuerungsbaugruppen geleitet. Mittels der Steuerungen werden der jeweilige Wirkungsgrad und die für die Energiegewinnung optimale Position von regenerativen Energiegewinnungsbaugruppen gesteuert. Vorzugsweise werden die räumlichen Positionen der die Solarfläche bildenden Baugruppen des Wasserfahrzeugs dem Sonnenlicht und deren auf der Wasserfläche entstehenden Lichtreflexionen derart nachgeführt, dass eine technisch maximal mögliche Energieumwandlung stattfindet. Um die Effizienz der Solaranlage zu erhöhen, können zusätzliche Trägerelemente der Solaranlage zwecks gesteuerter Vergrößerung der effektiven Solarfläche mittels eines Hebe-Mechanismus ausgefahren werden. Dabei sind die ausfahrbaren Trägerelemente der Solaranlage vorteilbringend als Solarflügel mit einer Lamellenstruktur ausgebildet. Effektvoll sind die dem Sonnenlicht zugewandten Flächen der Solaranlage dem optimalen Sonnenlichteinstrahlwinkel und die rückseitigen Flächen der Solaranlage dem von der Wasseroberfläche rückgestreuten Licht optimal zugewandt. Ebenso ist je nach gegebenen Windverhältnissen der Einsatz von Sonnensegeln für die Erreichung einer optimalen Energieausbeute von Vorteil. Durch ein selbstregulierendes Batteriemanagementsystem wird eine intelligente Nutzung der zur Verfügung stehenden Energiemenge geregelt. Vorteilhaft werden durch die Integration eines „selbstlernenden Algorithmus“ in die Steuerung die von den Nutzern des Wasserfahrzeugs generierten Daten in die Steuerung einbezogen. Effizient wird ein Druckgleichgewicht zwischen Stau- und Sogwelle über die gesamte Länge des Unterwasserschiffes geschaffen, indem die unterhalb des Wasserfahrzeuges angebrachten torpedoförmigen Unterteile und die die Verbindungen zur Unterseite des Wasserfahrzeuges herstellenden stelzenförmigen Verbindungsteile ein geometrisch komplementäres System bilden. Mit dieser Maßnahme wird der Strömungswiderstand entscheidend reduziert und dadurch der erforderliche elektrische Energieaufwand für den Antrieb gesenkt. Wirkungsvoll wird das Manövrierverhalten verbessert, indem am SWATH-Rumpf Flossen und/oder Ruder angebracht werden. Mittels am vorderen Bereich des Schiffskörpers angebrachter Sensoren werden die vorhandenen Wellenbewegungen erfasst und vorausschauend die Steuerung der Flossen und/oder Ruder durchgeführt. Bewirkt werden dadurch eine weitere Stabilisierung der Schiffslage sowie die Verringerung der erforderlichen Antriebskraft für die Vorwärtsbewegung. Die während einer Fahrt ermittelten Steuerungswerte der Energiegewinnungsbaugruppen, Energieverbrauchswerte und erforderliche Zuschaltungen von Energiespeicherbaugruppen werden zusammen mit den jeweiligen zu diesen Zeitpunkten bestandenen Umgebungsparameter in dem Datenspeicher des Systemrechners abgespeichert. Der Datenaustausch erfolgt zudem gebündelt über einen am Land befindlichen externen Server. Zu den gespeicherten Daten dieses Servers haben dann weitere gleichartig ausgerüstete Schiffe Zugriff. Somit werden die z.T. umfangreichen Daten der einzelnen Selbstlernvorgänge aller teilnehmenden Schiffe extern gespeichert und abrufbar zur Verfügung gestellt. So werden beispielsweise bei Fahrtantritt einer identischen oder vergleichbaren Wasserroute die abgespeicherten Daten abgerufen und als Anfangswerte der Steuervorgänge genutzt.
Mit der Nutzung eines in Leichtbauweise hergestellten wellenausgleichenden Rumpfes mit einem darauf abgestimmten vollelektrischen Antrieb sowie der Bereitstellung der elektrischen Energie mittels der geschaffenen Einrichtung sind die Voraussetzungen für eine maritime Energiewende geschaffen worden. Die Anwendung der erfindungsgemäßen Lösung bewirkt eine wesentliche Reduktion der C02 Emissionen und eine nahezu lautlose Fortbewegung der Wasserfahrzeuge. Die Belastung der Umwelt wird verringert und der Komfort der Wasserfahrzeuge erheblich gesteigert.
Nachfolgend soll das erfindungsgemäße System und das zur Durchführung des Systems dienende Verfahren anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. In der wiedergegebenen Zeichnung zeigt
Fig. 1 : die schematische Darstellung der perspektivischen Gesamtansicht des
Wasserfahrzeuges,
Fig. 2: die schematische Darstellung der Seitenansicht des Wasserfahrzeuges und
Fig. 3: das Blockschema der Steuerung der Energiegewinnung und - Versorgung mittels künstlicher Intelligenz.
Die perspektivische Gesamtansicht der Figur 1 zeigt die Anordnung einer ortsfesten Solarfläche 1 auf dem Dach eines SWATH- Schiffskörpers. Zu beiden Seiten des Daches sind verstellbare Solarflächen 2 angebracht, die bei entsprechenden Wind- und Sonnenverhältnissen gesteuert ausgefahren werden. Mit den lamellenförmig ausgebildeten Halterungen der verstellbaren Solarflächen 2 lässt sich die effektive Solarfläche des SWATH-Schiffes gesteuert vergrößern. Die einzelnen Lamellenelemente werden dabei jeweils in die optimale Stellung gegenüber der Sonneneinstrahlung gebracht, um eine technisch maximal mögliche Energieumwandlung zu erreichen. Die Lamellenelemente sind auf ihrer Ober- und Unterseite jeweils mit einer energieumwandelnden Solarfläche versehen. In der gesteuert herbeigeführten Stellung der Lamellenelemente sind deren obere Flächen der direkten Sonneneinstrahlung und deren untere Flächen dem von der Wasseroberfläche gestreuten Licht optimal zugewandt. Zudem können die Halterungen im ausgefahrenen Zustand um eine an den Seiten des Daches entlang der Längsachse des SWATH-Schiffes angebrachte Drehlagerung nach oben und unten gedreht werden. Zu beiden Seiten des SWATH-Rumpfes sind an den torpedoförmigen Unterteilen 4.1 Elektroantriebe 3 angeordnet. Zwischen den torpedoförmigen Unterteilen 4.1 und dem Bootskörper ist ein zweigeteiltes Stützteil 5 (Stelze) angeordnet. Dieses zweigeteilte Stützteil 5 besteht aus einem Heckschwimmer und einem Bugschwimmer, zwischen denen eine Öffnung 6 eingebracht ist. Mit dieser Öffnung 6 wird ein Druckausgleich entlang des gesamten Stützteiles 5 ermöglicht, so dass die von beiden Stützteilen 5 ausgehende Interferenz der Wellen reduziert wird. Mit dieser Maßnahme wird die Stabilität gegenüber einem durchgehenden Stützteil 5 erhöht. Die Ausbildung des vorderen Unterteiles 4.2 erfolgt tropfenförmig, um einen optimalen Ausgleich der Druckpotenziale zu erreichen. Die Ausbildung des hinteren Unterteiles 4.1 besitzt eine „Boat-Teil-Form“ um die Interferenzen der Wellen weiter zu reduzieren und den Strömungswiderstand zu senken.
In der Figur 2 wird in der Seitenansicht des Wasserfahrzeuges die tropfenförmige Form des vorderen Unterteiles 4.2 erkennbar. Diese Form in Art eines Wulstberges bewirkt ein starkes, aber konzentriertes Staudruck-Potenzial an der Spitze. Direkt dahinter wird ein Niederdruckgebiet erzeugt, mit dem die Welle„weggesaugt“ wird. Mit der Gesamtanordnung, bestehend aus vorderem Unterteil 4.2 und hinterem Unterteil 4.1 wird ein Ausgleich der Druckpotenziale erreicht.
Das Blockschema der Figur 3 gibt schematisch das Zusammenwirken der Energiegewinnung durch die regenerativen Energiegewinnungsbaugruppen mit der Steuerung des zentralen Systemrechners 14 wieder. Die Energiegewinnungsbaugruppen setzen sich in der beispielhaft angeführten Ausführungsform aus einem Windgenerator 7, einem Wellengenerator 6 und einer Solaranlage 9 zusammen. Ebenso ist aber auch eine Erweiterung durch Nutzung von Sonnensegeln, Zugdrachen und Kites möglich. Dabei besteht die Solaranlage 9 aus der ortsfest eingebrachten Solarfläche 1 und der verstellbaren Solarfläche 2. Der Windgenerator 7 ist im oberen Teil des Schiffskörpers eingebracht. Der Wellengenerator 8 ist als eine ausklappbare und neben dem Schiffskörper treibende Baugruppe gestaltet, die durch Wellenenergie erzeugte Elektroenergie liefert. Die vom Systemrechner 14 zugeschalteten Energiegewinnungsbaugruppen leiten ihre Elektroenergie zum Energiespeicher 10, der mit dem Elektroantrieb 12 und den elektrischen Verbrauchern 1 1 verbunden ist. Innerhalb des Energiespeichers 10 wird die zugeleitete Elektroenergie durch einen Akku gespeichert und den Verbrauchern 11 sowie dem Elektroantrieb 12 zugeführt. Alternativ wird vorhandene überschüssige Elektroenergie genutzt, um Wasserstoff zu erzeugen, der in Hochdrucktanks für den späteren Gebrauch gespeichert wird. Dazu wird in einem Elektrolyseur Wasserstoff erzeugt, der dann getrocknet, verdichtet und gelagert wird. Bei Bedarf wird der Wasserstoff über Brennstoffzellen in elektrischen Strom umgewandelt. Über die Brennstoffzellen wird der Ladezustand des Akkus aufrecht erhalten oder der Elektroantrieb 12 direkt betrieben. Mittels des Systemrechners 14 werden die aktuellen Energiezustände der Energiegewinnungsbaugruppen, der Ladezustand des Energiespeichers 10 sowie die Umgebungsparameter wie Temperatur, Sonnenintensität, Windstärke und Wellenaktivität erfasst. Anhand der errechneten Stellungswerte für eine optimale Energiebereitstellung unter Einbeziehung der aktuellen Wetterverhältnisse wird dann die Steuerung der Energiegewinnungsbaugruppen vorgenommen. Ebenso erfolgt die Steuerung der Elektroantriebe 12 zwecks Erreichung vorgegebener Ziele wie Geschwindigkeit, geographische Ziele und Sicherheitsvorgaben. Über die mit dem Systemrechner 14 verbundene Navigationsanlage 15 werden zu erwartende Umgebungsparameter von anderen auf der eingeschlagenen Wasserroute befindlichen Schiffen oder Wetterstationen per Funk abgefragt. Die Stellungen der Energiegewinnungsbaugruppen können so älternativ und vorausschauend in die entsprechenden Stellungen gesteuert bzw. zu- oder abgeschaltet werden. Die Vielfalt der nicht vorhersagbaren auf die Steuerungsvorgänge einwirkenden technischen Einflussgrößen werden vom Systemrechner 14 erfasst, in einem Selbstlernvorgang ausgewertet und im Datenspeicher 17 abgespeichert. Zudem erfolgt die Abspeicherung der Daten auf einen externen Server 18, von dem die von allen beteiligten Schiffen abgespeicherten Daten abgerufen werden können. Durch die im jeweiligen Selbstlernvorgang der einzelnen beteiligten Schiffe ermittelten und im externen Server 18 gespeicherten Daten werden die Steuerungsvorgänge fortschreitend immer präziser möglich.
Durch die Kombination der in Leichtbauweise hergestellten sowie einer strömungstechnisch optimierten Gestaltung von SWATH-Schiffskörpern mit optimal genutzten regenerativen Energiegewinnungsbaugruppen wird ein emissionsloser Antrieb ermöglicht. Dabei können ebenso die Ansprüche der Nutzer wie Geschwindigkeit, Seegang und Reichweite realisiert werden. Bezugszeichen ortsfeste Solarfläche
verstellbare Solarfläche
Elektroantrieb
torpedoförmiges Unterteil
hinteres Unterteil
vorderes Unterteil
Stützteil
Öffnung
Windgenerator
Wellengenerator
Solaranlage
Energiespeicher
Elektroverbraucher
Elektroantrieb
Antriebssteuerung
Systemrechner
Navigationsanlage
Umgebungssensoren
Datenspeicher
externer Server

Claims

Patentansprüche
1. System für Wasserfahrzeuge mit regenerativer Energiegewinnungsbaugruppen zur mobilen Energiegewinnung und elektrischen Energieversorgung, dadurch gekennzeichnet, dass zum Antrieb dienende Elektroantriebe (12) mit einem in Leichtbauweise hergestellten Wasserfahrzeug verbunden werden, diese Elektroantriebe (12) sowie alle elektrischen Verbraucher (11) des Wasserfahrzeuges von einem eine künstliche Intelligenz aufweisenden Systemrechner (14) gesteuert werden, wobei der Systemrechner (14) zwecks optimaler Steuerung der Energiegewinnung und - Versorgung mit am Wasserfahrzeug angeordneten Solar-, Wellenenergie- und/oder Windkraftbaugruppen, Energiespeicherbaugruppen sowie mit Umgebungsparameter erfassende Sensoren und einer Navigationsanlage (15) verbunden ist.
2. System nach Patentanspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das in Leichtbauweise hergestellte Wasserfahrzeug mit Elektroantrieben (12) versehen wird, die zusammen mit den übrigen elektrischen Verbrauchern (11) und den Energiespeicherbaugruppen mit dem Systemrechner (14) verbunden sind und der Systemrechner (14) zwecks optimaler Energiebereitstellung die Solar-,
Wellenenergie- und/oder Windkraftbaugruppen in ihrer Stellungsposition und ihrem Wirkungsgrad steuert.
3. System nach den Patentansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwecks Verbesserung des Manövrierverhaltens am Rumpf des Wasserfahrzeuges Flossen und/oder Ruderbaugruppen angeordnet sind, die vom Systemrechner (14) vorausschauend nach sensorischer Erfassung der Wellenbewegung gesteuert und die durch einen Selbstlernvorgang ermittelten Steuerungsdaten für eine optimierte Lagestabilisierung und geringstem Energieaufwand für den Antrieb ermittelten Daten gespeichert werden.
4. System nach Patentanspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass bei einem in Leichtbauweise hergestellte SWATH-Rumpf mit seinen unterhalb des Wasserfahrzeuges angebrachten torpedoförmigen Unterteilen (4.1 ; 4.2) und die die Verbindungen zur Unterseite des Wasserfahrzeuges herstellenden stelzenförmigen Verbindungsteile ein geometrisch komplementäres System bilden.
5. Verfahren zur Umsetzung des Systems nach Patentanspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein softwaregestützt mit künstlicher Intelligenz ausgestatteter Systemrechner (14) a) die zur Steuerung der Antriebe und zur Energieversorgung der Energieverbraucher erforderliche Energie durch die gesteuerte Zu- und/oder Abschaltung der Solar-, Wellenenergie- und/oder Windkraftbaugruppen sowie Energiespeicherbaugruppen durchführt sowie b) die optimale Energiegewinnung durch Erfassung der Umgebungsparameter und eine daran angepasste Steuerung der Stellungsposition und des Wirkungsgrades der Energiegewinnungsbaugruppen durch den Systemrechner (14) vorgenommen wird.
6. Verfahren nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die räumlichen Positionen der die Solarfläche (1 ; 2) bildenden Baugruppen des Wasserfahrzeugs dem Sonnenlicht und deren auf der Wasserfläche entstehenden Lichtreflexionen derart nachgeführt werden, dass eine technisch maximal mögliche Energieumwandlung stattfindet.
7. Verfahren nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzliche Trägerelemente der Solaranlage (9) zwecks gesteuerter Vergrößerung der effektiven Solarfläche mittels eines Hebe-Mechanismus ausgefahren werden.
8. Verfahren nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Sonnenlicht zugewandten Flächen der Solaranlage dem optimalen Sonnenlichteinstrahlwinkel und die rückseitigen Flächen der Solaranlage dem von der Wasseroberfläche rückgestreuten Licht optimal zugewendet werden.
9. Verfahren nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die ausfahrbaren Trägerelemente der Solaranlage als Solarflügel mit einer Lamellenstruktur ausgebildet sind.
10. Verfahren nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die durch Umwandlung von Windenergie gewonnene elektrische Energie mittels Windturbinen erfolgt, die in dem oberhalb der Wasseroberfläche liegenden Rumpf des Wasserfahrzeuges eingebracht sind.
11. Verfahren nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zur elektrischen Energiegewinnung dienenden Wellenenergiebaugruppen als auf das Wasser ausklappbare und neben dem Wasserfahrzeug fahrende Baugruppen ausgebildet sind.
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