WO2023274453A1 - Energieübertragungssystem und verfahren zur energieübertragung - Google Patents
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- B63B—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; EQUIPMENT FOR SHIPPING
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- B63B27/30—Arrangement of ship-based loading or unloading equipment for transfer at sea between ships or between ships and off-shore structures
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- B63J2003/043—Driving of auxiliaries from power plant other than propulsion power plant using shore connectors for electric power supply from shore-borne mains, or other electric energy sources external to the vessel, e.g. for docked, or moored vessels
Definitions
- the invention relates to an energy transmission system for a ship according to the features of patent claim 1 and a method for energy transmission according to the features of patent claim 6.
- Ship power transmission systems are used to provide electrical power to ships in port and/or to charge batteries of electrically powered ships.
- the power transmission from the landside to watercraft must always be designed to compensate for relative movements between the waterside vehicle and the landside. Differences in position result from the tidal range, wind and waves, the loading status and the place where the ship is moored. Differences in position can be compensated for by flexible electrical supply lines. The plugs at the ends of flexible electrical supply lines must be in this case, however, must be gripped and connected manually. This requires staff.
- the invention is based on the object of demonstrating an improved energy transmission system or an improved method for energy transmission between shore and ship.
- the energy transmission system comprises an electrical plug unit which is arranged on the ship or on the shore.
- the term "vessel” is representative of any form of watercraft that is moored at a dock and is configured to receive electrical power from the shore.
- the plug unit can be arranged on land and perform a plug-in movement in the direction of the ship.
- the plug unit is preferably arranged on the ship and performs a plug-in movement in the direction of the plug-in coupling on the shore.
- the connector unit is the system's mobile assembly. The plug-in coupling is not actually shifted for the plug-in process.
- the term "shore-side" also includes floating shore-connected units to which a vessel may be moored for power transmission.
- the electrical plug unit can be coupled to a shore-side electrical plug-in coupling by means of a horizontal coupling movement.
- the shore-side electrical plug-in coupling therefore has plug-in contacts that can only be coupled by a horizontal movement. Mating is accomplished by the electrical connector assembly itself. The horizontal mating movement is not performed manually by operators connecting a connector to a grips the cable end manually and plugs it into a plug-in coupling. Plugging is done mechanically using the plug unit.
- the plug unit includes an articulated arm.
- the articulated arm has at least three arm segments which are each connected to one another via joints.
- At a free end of the articulated arm there is a plug for coupling to the shore-side plug-in coupling.
- the plug carries the electrical plug contacts for the energy transmission.
- the connector can be moved horizontally and vertically via the articulated arm. The plug-in movement itself or the coupling movement between plug and plug-in coupling is horizontal.
- the joints of the articulated arm preferably each have a single degree of freedom. This makes it easier to control the articulated arm.
- the joints are pivot bearings, preferably with a horizontal pivot axis.
- the connection between the last articulated arm and the plug can be made via a compensating joint connection, so that small movements transmitted from the ship to the articulated arm are not transmitted to the plug when it is in the extended state.
- the connector unit arranged on the ship in the preferred embodiment has a rail running unit.
- the rail running unit is guided on a ship's rail system and can be moved horizontally along the rail system.
- Rails of the rail system have in particular a linear, straight course.
- the rail system is preferably of a length to retract the plug in the retracted position far enough so that it does not protrude beyond the ship's hull.
- the rail system is so long that the plug can bridge the distance to the land-side coupling even in different positions of the ship, in particular when the ship is at different heights.
- the rail system in combination with the rail running unit serves in particular to bridge the horizontal distance between the plug and the plug-in coupling.
- the rail running unit includes an arm support.
- the arm support can be pivoted about a pivot axis which is perpendicular to the rails.
- the pivot axis is in particular a vertical axis, so that the articulated arm attached to the arm support can be pivoted horizontally. Horizontal pivoting is required, among other things, when different feeder points are approached.
- the arm support is connected to an adjacent arm segment of the articulated arm via a joint, so that the articulated arm segment can be pivoted vertically.
- the desired 3-dimensional working space, which can be reached by the connector, can be covered by the first arm segment and the pivoting movement relative to the arm support or by the linear movement of the rail running unit.
- the other arm segments of the articulated arm make it possible for the plug to be pivoted up or down parallel to its initial position.
- Each of the joints of the arm support is preferably assigned its own drive.
- the articulated arm segments can optionally be moved via drives, if necessary in combination with a guide linkage, in order to guide the plug in the desired horizontal coupling movement with the plug-in coupling.
- the guide linkage can be designed as a parallel linkage. This allows a drive of the linkage to be located remote from the arm segment to be moved, e.g. remote from the outermost arm segment.
- the energy transmission system comprises a control system.
- the control system can be activated automatically and the coupling between the ship-side plug unit and the shore-side plug-in coupling can be established. After the skipper has given his approval, the whole process is preferably fully automated, i.e. without the intervention of an operator.
- the coupling could also be performed manually by manually controlling the articulated arm with the connector.
- a partially automated coupling in which individual steps have to be confirmed or initiated by an operator, is also possible.
- the term control system includes both control processes and preferably also control systems. When controlling, the variable to be controlled continuously measured and compared with the target value. Sensors are provided for this purpose, which send measured values to the control system.
- the energy transmission system according to the invention has a suspended rail system, so that the plug unit can be moved overhead.
- the plug unit according to the invention is arranged in particular on board a ship hanging under a deck, preferably in the bow and/or stern area of a ship a deck. On land, the track system could also be hung under a ceiling/roof or hung on a wall.
- hanging can mean that the rail system is arranged hanging on a wall and in particular on a ceiling of a ship or building. There should be no ground contact.
- This has the advantage that the rail system and ultimately the entire electrical connector unit can be mounted protected from the effects of the weather. Weather influences mean in particular precipitation but also protection from seawater.
- the connector unit is moved to a park position for protection. In the parking position, the connector is retracted with the articulated arm.
- the rail unit is located at an inner end of the rail system so that no components of the electrical plug-in unit are exposed to the weather.
- the articulated arm has a coupling means in the area of its free end in order to lock the free end in the parking position on the rail system side.
- the articulated arm In the parking position, the articulated arm preferably assumes a position below the rail system.
- the expression "latch on the rail system side" is to be understood in such a way that the rail system also has a suitable coupling means to hang the free end of the articulated arm on the rail system side and thereby the drives of the to relieve the articulated arm.
- a coupling means can, for example, be at least one hook on the articulated arm or on the rail system. The hooking can take place, for example, by the articulated arm being pivoted underneath the rail system and then being extended into the parking position, so that the corresponding coupling means engage with one another.
- a compensating joint connection is arranged between the plug and the articulated arm.
- the compensating articulated joint is designed to compensate for roll movements of the ship, i.e. movements about the ship's longitudinal axis, relative to a coupled shore-side connector.
- the coupled plug can thus be arranged in a fixed, predetermined position in the plug-in coupling, while the articulated arm compensates for the rolling movement and other changes in the position of the ship.
- the compensating joint connection can have additional damping means so that the plug has a preferred starting position. It is held in a preferred position by the damping elements.
- the rail running unit is located in the parking position of the plug unit, preferably at an inner end of the rail system. To initiate the plug connection, the rail running unit is shifted in the direction of an outer end of the rail system, so that the plug is located on the shore-side coupling unit.
- the energy can be transmitted from the rail unit to the ship, for example, via an energy chain.
- An advantage of the invention is that the length of the running unit allows the energy transmission system to be individually adapted to the conditions on board and also to the conditions on land.
- the rail system or the rail running unit preferably runs in the longitudinal direction of the ship.
- the length of the articulated arm can be varied depending on the circumstances.
- the invention also relates to a method for energy transmission with such an energy transmission system.
- the rail unit When the ship docks, the rail unit is released from the parked position and shifted in the direction of the plug-in coupling, in particular in the X-direction (longitudinal direction of the ship).
- the articulated arm is pivoted horizontally and/or vertically in the direction of the plug-in coupling, so that the plug is positioned close to the plug-in coupling.
- Sensors detect the position of the plug in relation to the plug-in coupling.
- the sensors record measured values and send them to the control system.
- the control system controls the actuators of the electrical connector unit so that the connector is brought into the desired close position to the connector. This is initially a rough approximation.
- the system leaves the parking position and moves to a pre-position in order to search for and recognize the plug-in coupling on land. All drives are actuated for this.
- the system contacts the plug via the separate arm drives with the plug-in connector on land. During this time, the system is no longer moved on the rail system.
- the drive for the first arm segment is also fixed after the pre-position has been reached. Insertion takes place mainly via the movements of the second and third arm segment.
- the position control is switched to force control.
- the drives for the second and third arm segment implement this.
- the horizontal contact pressure is also applied via these drives.
- the separation is also initially carried out via the drives for the second and third arm segment, before finally all drives bring the system back into the parking position.
- the electrical plug-in coupling which is preferably arranged on land, is preferably protected against unauthorized access when not in use, for example by a cover in the form of a door or generally by a lock. This shutter can be opened automatically or manually. The lock protects the shore-side plug-in coupling from tampering and the elements.
- the closure is only removed when a plug connection is actually made.
- the plug is stopped when approaching a plug-in coupling after a minimum distance from the plug-in coupling has been exceeded and is only extended further when a lock on the land-side plug-in coupling has been or is being opened. If the lock has already been opened, the ship side is informed that the plug can also be moved in the direction of the plug-in coupling without stopping. Communication is an important aspect of pairing security. The pairing process should be aborted if the communication between the land side and the ship side was lost. In particular, in the event of such an interruption in communication, the energy transmission between ship and shore is also interrupted by the plug being removed from the plug-in coupling.
- the wireless communication can in particular be a WLAN connection. If the WLAN connection is interrupted, the system can also immediately be put into an emergency disconnection mode, in which the articulated arm pulls the plug out of the plug-in coupling.
- the next step is to pre-position the plug in relation to the plug-in coupling.
- the plug has a convex area and the plug-in coupling has a concave area. These two mating areas are aligned or centered and brought into contact with each other.
- the convex and concave areas are preferably located on the outside of a plurality of plug contacts. They form in a way a frame for the connector.
- the convex or concave area is designed in particular in the shape of a funnel. The areas serve to rotate the plug into the correct position.
- the equalizing joint connection between the last arm segment of the articulated arm and the plug can be a ball joint which is consequently free to rotate about all axes. If the plug is moved too quickly in the direction of the plug-in coupling, it may hit one side of the plug-in coupling without the control being able to react quickly enough and correct the position. The connector rotates and may therefore not be exactly aligned with the plug-in coupling. As a result, the sensors can under certain circumstances incorrectly transmit a correct position, although the plug is not yet in the correct position for the plug-in coupling.
- the sensors are used for fine positioning of the connector in combination with a multi-stage mechanical guide system. The pre-positioning takes place via the convex and concave areas of the plug and the plug-in coupling in conjunction with suitable sensors, preferably ultrasonic sensors.
- the plug As soon as the plug has entered the concave area to a certain extent, the plug is guided into its final position via guide elements which are aligned parallel to the plug contacts. After pre-positioning, the guide elements of the plug and plug-in coupling come into mechanical engagement. The guide elements guide the plug parallel to the plug contacts, so that a jam-free plug-in coupling is possible.
- the plug contacts on the ship side and on the land side are in a concentric alignment with each other.
- the position of the plug is detected before the plug is moved parallel and aligned with the plug contacts.
- a mating process cannot take place if the plug contacts are not exactly aligned with one another. Only when the correct position has been detected should the contacts be plugged in by moving the plug parallel to the plug contacts on the socket.
- the mating process is a complex process. Different sensors and sensor ranges are used to detect the correct position in order to rule out incorrect positioning. If the detection range of a sensor is large, the system could report a correct position of the plug to the plug-in coupling, although this is not the case.
- a convex edge area of the plug can hit a concave edge area of the plug-in coupling too early and thereby start rotating.
- the sensors report that a correct position has been reached, although the plug is not yet in the correct position for the plug-in coupling. It is therefore important that the final plug-in process is only triggered when the sensors report a defined value. If this is not the case, the plug-in process should be aborted automatically.
- the individual plug contacts are designed in such a way that when plugging in, the PE contacts can be coupled first (if PE contacts are present), then the main current contacts and only then the pilot contacts. Finally, the signal to release the main current is given via the pilot contacts. According to the invention, it is therefore provided that the mechanical contact between plug contacts of different functions is produced with a time offset, the time offset being achieved by plug contacts of different lengths.
- the energy transmission system according to the invention therefore includes multiple plug contacts for multiple functions.
- the torques of the drives of the articulated arm are adjusted in such a way that the drives or other parts of the system cannot be damaged if the position of the ship changes in a changed for a short time and pushes the plug on the ship in a direction towards the plug-in coupling.
- the drive of the rail unit can apply a certain torque in order to ensure a secure contact.
- the rails of the rail system are preferably oriented in such a way that, if possible, they point towards the land-side plug-in coupling in order to maintain a securely plugged-in state with a low drive torque. The combination of several drives and not just a single drive ensures that the plugged-in state is maintained.
- the system is switched over from the previous position control to a force control.
- a certain driving force or horizontal pressing force must be maintained on the plug-in coupling. Reliable contact is guaranteed. If the ship moves due to external influences (load, tide, swell, etc.), the articulated arm can move passively without the plug becoming tense in the plug-in coupling. In addition, a development of the invention provides that the horizontally acting insertion force counteracts a counterforce of an emergency disconnection system.
- An emergency disconnection only takes place in the coupled state.
- the plug In the case of an active emergency disconnection, the plug is removed from the plug-in coupling via the multiple drives.
- the plug In the event of a passive emergency disconnection (power failure), the plug is released from the plug-in coupling by the opposing force between the plug and the plug-in coupling.
- a passive emergency disconnection system can be based, for example, on a spring force that acts between the plug and the plug-in coupling in the opposite direction to the plug-in direction. This spring force must be overcome in order to maintain the plugged-in state.
- An emergency disconnect system serves as independent energy storage. It is required for quick disconnection of the plug contacts in emergency situations.
- a trigger for an emergency recovery can be a power failure in a subsystem or in the entire system.
- An active emergency retrieval can be initiated by actuating an emergency disconnect switch, e.g. B. if the ship moves out of the working area during the energy transfer or moves with too high acceleration or with too high speed during the energy transfer. Independent of an emergency disconnect signal, an emergency stop is provided for the system when an emergency stop signal is triggered.
- An emergency disconnection also takes place if the communication signal between shore and ship no longer exists.
- the articulated arm should be moved actively via its drive in a safe area.
- the outer limits of the permissible working range and the dynamics that occur are monitored using sensors connected to the control system. If the defined values are exceeded, the system is put into the active emergency disconnection mode.
- the active emergency separation procedure refers to the cases when the ship moves out of the working area during loading or moves with excessive acceleration or speed.
- a passive emergency disconnect refers to a power failure of a part or the entire system.
- the articulated arm After the loading process is complete and before the vessel is detached, the articulated arm first moves to a safe area, with the plug being unplugged from the socket. The articulated arm then moves into the parking position, in which it is preferably locked.
- shore-side sockets are completely enclosed and provided with sealing cable glands/cable entries.
- the ship unit has a frame construction with a terminal box with sealing cable glands/cable entries.
- the ship-side unit therefore comprises a steel construction, which essentially consists of the rail system, the rail running unit and the articulated arm with the connector. Additionally electrical lines and a control unit are provided.
- the system can be fixed in a protected parking position while the ship is in motion, i.e. when not in use.
- the shore unit may have a heater.
- the preferably concave area for pre-positioning can also be heated, for example it can have a silicone mat heater.
- FIG. 1 shows a perspective view of an energy transmission system which can be installed on board a ship;
- FIG. 2 shows the position of a coordinate system in relation to a ship
- Figure 3 shows a power transmission system on a ship in a retracted
- Figure 4 shows the energy transfer system of Figure 3 with the articulated arm unlocked
- Figure 5 shows the energy transfer system of Figure 4 with the articulated arm lowered and pivoted slightly
- FIG. 6 shows the energy transmission system of FIG. 5, in which the lowered articulated arm has been pivoted laterally and angled several times;
- FIG. 7 shows the articulated arm of FIG. 6 in a direction moved in the +X direction
- Figure 8 shows the articulated arm of Figure 7 in one about the vertical axis
- FIG. 9 shows the articulated arm of FIG. 8 during fine positioning
- FIG. 10 shows the plug in the plugged-in position
- FIG. 11 shows the electrical plug connection of the energy transmission system in a different position of the ship relative to the shore-side plug-in coupling
- FIG. 12 shows the energy transmission system in a further position of the ship relative to the shore-side plug-in coupling.
- FIG. 1 shows, as part of an energy transmission system 1, an electrical plug unit 2 which can be coupled by a horizontal coupling movement to a land-side electrical plug-in coupling 3 (FIG. 3).
- Figure 1 serves to illustrate the kinematics of the electrical plug unit 2 in relation to the stationary land-side electrical plug-in coupling 3.
- FIG. 2 shows a ship 4 in a side view and in a view from above.
- the ship 4 is, for example, a ferry on which motor vehicles can travel in the +X or ⁇ X direction.
- the X direction corresponds to the longitudinal direction of the ship 4.
- the Y direction corresponds to the transverse direction of the ship 4 and the +Z direction to the vertical direction of the ship 4.
- the electrical connector unit 2 comprises an articulated arm 5 with three arm segments 6, 7, 8, which are each connected to one another via joints 9, 10, as an essential element. At a free end 11 of the articulated arm 5, a plug 12 for coupling to the land-side plug-in coupling 3 is attached. At the free end 11 of the last arm segment 8 there is also a joint 27 with a drive 28 for pivoting the stretcher 12 .
- the ship-side electrical connector unit 2 also includes a ship-side rail system 13 to which a rail unit 14 is movably attached.
- the rail running unit 14 comprises an arm support 15.
- the articulated arm 5 is connected in an articulated manner to the arm support 15 via a joint 16.
- the arm support 15 can be pivoted about a vertical axis (Z-axis) relative to a chassis of the rail running unit 14 via a rotary joint 17 .
- the rail running unit 14 can be displaced in the longitudinal direction of the rail system, ie in the +/- X direction.
- the rail system 13 is suspended under a ceiling (not shown) or suspended under a deck of the ship 4 . All pivoting movements of the arm support 4 or the individual arm segments 6, 7, 8 of the articulated arm 5 via drives, in particular electromechanical drives or via hydraulic drives.
- a first drive 18 in the form of a linearly acting actuating cylinder acts between the arm support 15 and the arm segment 6 articulated to it. As a result, the entire articulated arm 5 can be raised and lowered.
- Another drive 19 is effective between the first and second arm segment 6 , 7 of the articulated arm 5 .
- Another drive 29 is effective between the second and third arm segment 7, 9 of the articulated arm 5. It is pointed out that the last arm segment 8, which is connected to the plug 12, is guided horizontally, since the plug 12 is also intended to be plugged horizontally into the associated electrical plug-in coupling 3 on the land side.
- Another joint 27 with a drive 28 is located between the last arm segment 8 and the plug 12 in order to compensate for movements of the ship 4 relative to the plug 12 and thus relative to the electrical plug-in coupling 3 in the coupled state.
- the system has drives for moving the rail running unit 14 and for pivoting the arm support 15 in a manner that is not shown in detail.
- FIG. 1 The reference symbols introduced in FIG. 1 are used in the following figures for components that are functionally identical in construction.
- FIG. 3 shows a bow area of a ship 4 that is moored on land.
- the electrical plug unit 2 on board the ship is located under a deck and is thus at least partially protected from the effects of the weather.
- the system is in the retracted state.
- the following figures explain the coupling process with the shore-side plug-in coupling 3.
- FIG. 4 shows that the articulated arm 5 has been extended somewhat in the X-direction of the ship 4 and is now protruding from under the ceiling 20.
- a coupling means 21 is arranged at the end of the rail system 13 and originally engaged with a coupling means 22 at the free end 11 of the articulated arm 5 (FIG. 3).
- the mutual engagement of the coupling means 21, 22 causes the articulated arm 5 relieved and it is held in the parking position shown in FIG. Shifting to the position shown in Figure 4 is primarily used to decouple the articulated arm 5.
- the articulated arm has been pivoted about the vertical axis (Z-axis), so that the articulated arm 5 can be angled upwards, as shown in FIG.
- the position of the arm segments 6, 7, 8 causes the end connector 12 to remain in a substantially vertical position for mating in the horizontal (X-direction) direction.
- the rail system 13 runs in the X direction.
- FIGS. 7 and 8 now show how the plug 12 is brought closer to the plug-in coupling 3 on the land side.
- the rail running unit 14 is shifted from the parked position at an inner end of the rail system 13 in the direction of an outer end of the rail system 13, as a result of which the plug 12 is closer to the plug-in coupling 3 on the land side.
- Wireless communication between the ship's electrical plug unit 2 and the land-side electrical plug-in coupling 5 takes place in a way that is not detailed, so that the position of the plug 12 can be controlled by correcting movements of the articulated arm 5 or the rail running unit 14 .
- the articulated arm 5 pulls the plug 12 out of the plug-in coupling 3.
- the plug 12 has a convex area 24.
- the electrical plug-in coupling 3 has a matching concave area in a manner that is not shown in detail.
- the two diametrically opposed areas are designed in the shape of a truncated pyramid. A pre-positioning of the plug 12 takes place via these two areas.
- guide elements of plug 12 and plug-in coupling 13 engage with one another.
- the guide elements are aligned parallel to plug contacts, via which the electrically conductive connection is to be made later.
- the guide elements lead the plug 12 parallel to the plug contacts.
- Sensors detect the respective position of the plug 12. At Correct position of the plug 12 is pushed into its plugged position. The contact quality of the connector is then measured using contact loops.
- a plug-in force is maintained via the articulated arm 5 as a counterforce to a release force of an emergency disconnection system.
- the insertion force acts in the direction of the plug-in coupling 13.
- the release force of the emergency disconnect system acts in the opposite direction.
- FIGS. 11 and 12 show the bow area of the same ship 4 in different mooring positions.
- the distance of the ship 4 from the plug-in coupling 3 on the shore is somewhat greater than in the exemplary embodiment of the preceding figures.
- the length compensation takes place via a different position of the rail running unit 14 on the rail system 13.
- FIG. 11 also shows lines 25, via which the rail running unit 14 is connected to a connection box 26 of the energy transmission system.
- the connection box 26 is the interface for introducing the recorded electrical energy into the ship 4.
- FIG. 12 shows the ship 4, for example, at high tide.
- the ship-side electrical connector unit 2 is in a much higher position than in FIG.
- the sensors used for positioning are, in particular, ultrasonic sensors.
- Such an arrangement can transmit electrical power of, for example, 15 KV AC/DC with a current of, for example, 900 A per pole.
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Abstract
Energieübertragungssystem (1) für ein Schiff 4 mit folgenden Merkmalen: Eine elektrische Steckereinheit (2) ist durch eine horizontale Koppelbewegung mit einer elektrischen Steckkupplung 3 koppelbar. Die Steckereinheit (2) umfasst einen Gelenkarm (5) mit mindestens drei Armsegmenten (6), die jeweils über Gelenke miteinander verbunden sind, wobei an einem freien Ende des Gelenkarms (5) ein Stecker (12) zur Kopplung mit der Steckkupplung (3) befestigt ist. Die Steckereinheit (2) weist eine Schienenlaufeinheit (14) auf, die an einem Schienensystem (13) geführt ist und entlang des Schienensystems (13) horizontal verlagerbar ist. Die Schienenlaufeinheit (13) ist über eine Drehverbindung drehbeweglich mit einem Armträger verbunden, wobei der Armträger um eine Hochachse verschwenkbar ist, so dass der an dem Armträger befestigte Gelenkarm (5) horizontal verschwenkbar ist, wobei der Armträger über ein Gelenk mit einem angrenzenden Armsegment (6) des Gelenkarms (5) verbunden ist, so dass das gelenkig angeschlossene Armsegment (6) vertikal verschwenkbar ist. Alle Armsegmente (6) werden entweder über separate Antriebe oder Führungsgestänge geführt, um den Stecker (12) mit der Steckkupplung (3) zu verbinden. Das Schienensystem (13) ist hängend angeordnet, so dass die Steckereinheit (2) flurfrei verlagerbar ist.
Description
Enerqieübertraqunqssvstem und Verfahren zur Enerqieübertraqunq
Die Erfindung betrifft ein Energieübertragungssystem für ein Schiff gemäß den Merkmalen des Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren zur Energieübertragung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 6.
Energieübertragungssysteme für Schiffe werden verwendet, um im Hafen liegende Schiffe mit elektrischem Strom zu versorgen und/oder 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. Lageunterschiede können durch flexible elektrische Zuleitungen ausgeglichen werden. Die Stecker an den Enden von flexiblen elektrischen Zuleitungen müssen in diesem
Fall allerdings manuell gegriffen und angeschlossen werden. Hierfür ist Personal erforderlich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein verbessertes Energieübertragungssystem aufzuzeigen bzw. ein verbessertes Verfahren zur Energieübertragung zwischen Landseite und Schiff.
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.
Die jeweiligen Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
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.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der bevorzugten Ausführungsform mit einer landseitigen, also ortfesten Steckkupplung in Zusammenwirken mit einer schiffseitigen Steckereinheit erläutert.
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. Das Koppeln erfolgt durch die elektrische Steckereinheit selbst. Die horizontale Koppelbewegung wird nicht manuell durch Bedienpersonal durchgeführt, das einen Stecker an einem
Leitungsende manuell greift und in eine Steckkupplung steckt. Das Stecken erfolgt maschinell mittels der Steckereinheit.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Das erfindungsgemäße Energieübertragungssystem umfasst ein Steuerungssystem. Das Steuerungssystem kann automatisiert aktiviert werden und die Koppelung zwischen der schiffseitigen Steckereinheit und der landseitigen Steckkupplung hersteilen. 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, indem der Gelenkarm mit dem Stecker manuell gesteuert wird. 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.
Das erfindungsgemäße Energieübertragungssystem weist ein hängendes Schienensystem auf, sodass die Steckereinheit flurfrei verlagerbar ist. Die erfindungsgemäße Steckereinheit ist insbesondere an Bord eines 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.
Hängend kann in diesem Fall bedeuten, dass das Schienensystem an einer Wand und insbesondere an einer Decke eines Schiffes oder Gebäudes hängend angeordnet ist. 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.
Die Schienenlaufeinheit befindet sich an einem inneren Ende des Schienensystems, sodass keine Komponenten der elektrischen Steckeinheit der Witterung ausgesetzt sind.
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.
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.
Die Ausgleichgelenkverbindung kann zusätzliche Dämpfungsmittel aufweisen, damit der Stecker eine bevorzugte Ausgangsposition aufweist. Er wird über die Dämpfungselemente in einer Vorzugsposition gehalten.
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.
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.
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.
Zusammengefasst lässt sich der Steckvorgang wie folgt beschreiben:
Zunächst verlässt die Anlage die Parkstellung und fährt in eine Vorposition, um die Steckkupplung an Land zu suchen und zu erkennen. Hierfür werden alle Antriebe betätigt.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
In vorteilhaften Weiterbildungen der Erfindung sind vorgesehen, dass die Kontaktgüte der Steckverbindung über Kontaktschleifen gemessen wird.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 zu hoher Beschleunigung oder mit zu 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.
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.
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.
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.
Die landseitige Einheit kann eine Heizung aufweisen. Auch der vorzugsweise konkave Bereich zur Vorpositionierung kann beheizt sein, bspw. eine Silikonmattenheizung aufweisen.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbespiele erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine perspektivische Ansicht eines schiffseitig montierbaren Energieübertragungssystems;
Figur 2 die Lage eines Koordinatensystems bezogen auf ein Schiff;
Figur 3 ein Energieübertragungssystem an einem Schiff in einer eingefahrenen
Position;
Figur 4 das Energieübertragungssystem der Figur 3, wobei der Gelenkarm entriegelt wurde;
Figur 5 das Energieübertragungssystem der Figur 4, bei dem der Gelenkarm abgesenkt und leicht geschwenkt wurde;
Figur 6 das Energieübertragungssystem der Figur 5, bei welchem der abgesenkte Gelenkarm seitlich verschwenkt und mehrfach abgewinkelt wurde;
Figur 7 den Gelenkarm der Figur 6 in einer in +X-Richtung verfahrenen Richtung;
Figur 8 den Gelenkarm der Figur 7 in einer um die Hochachse verschwenden
Position;
Figur 9 den Gelenkarm der Figur 8 während der Feinpositionierung;
Figur 10 den Stecker in der eingesteckten Position;
Figur 11 die elektrische Steckverbindung des Energieübertragungssystems in einer anderen Position des Schiffes relativ zur landseitigen Steckkupplung;
Figur 12 das Energieübertragungssystem in einer weiteren Position des Schiffes relativ zur landseitigen Steckkupplung.
Die Figur 1 zeigt als Bestandteil eines Energieübertragungssystems 1 eine elektrische Steckereinheit 2, die durch eine horizontale Koppelbewegung mit einer landseitigen elektrischen Steckkupplung 3 (Fig. 3) koppelbar ist. Die Figur 1 dient zur Veranschaulichung der Kinematik der elektrischen Steckereinheit 2 im Verhältnis zur ortsfesten landseitigen elektrischen Steckkupplung 3.
Die Figur 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.
In der Figur 1 sind Pfeile eingezeichnet, welche die Bewegungsmöglichkeiten der elektrischen Steckereinheit 2 symbolisieren. Die elektrische Steckereinheit 2 umfasst als wesentliches Element einen 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 landseitigen 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.
Die zu Figur 1 eingeführten Bezugszeichen werden in den nachfolgenden Figuren für funktional baugleiche Komponenten verwendet.
Die Figuren 3 bis 12 zeigen ein weiteres praktisches Ausführungsbeispiel eines solchen Energieübertragungssystems. Die Figur 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.
Die Figur 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 Figur 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 (Figur 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 Figur 3 dargestellten Parkposition gehalten. Das Verlagern in die Position gemäß Figur 4 dient in erster Linie zum Entkuppeln des Gelenkarms 5.
In der Figur 5 wurde der Gelenkarm um die Hochachse (Z-Achse) verschwenkt, sodass der Gelenkarm 5 nach oben abgewinkelt werden kann, wie es die Figur 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.
Die Figuren 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.
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.
Wenn die drahtlose Kommunikation unterbrochen wird, zieht der Gelenkarm 5 den Stecker 12 aus der Steckkupplung 3.
Wie es in der Figur 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.
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.
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.
Die Figuren 11 und 12 zeigen den Bugbereich desselben Schiffes 4 in unterschiedlichen Anlegepositionen. In Figur 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 Figur 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.
Die Figur 12 zeigt das Schiff 4 bspw. bei Hochwasser. Die schiffseitige elektrische Steckereinheit 2 befindet sich in einer wesentlich höheren Position als bei der Figur 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.
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.
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.
Bezuqszeichen:
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
Claims
1. Energieübertragungssystem (1 ) für ein Schiff (4) mit folgenden Merkmalen: a. Eine elektrische Steckereinheit (2) ist durch eine horizontale Koppelbewegung der elektrischen Steckereinheit (2) mit einer elektrischen Steckkupplung (3) koppelbar, wobei sich an Bord des Schiffes (4) entweder die Steckereinheit (2) oder die Steckkupplung (4) befindet, wobei Sensoren dafür vorgesehen sind, die Position des Steckers (12) zur Steckkupplung (3) zu erkennen; b. Die Steckereinheit (2) umfasst einen Gelenkarm (5) mit mindestens drei Armsegmenten (6, 7, 8), die jeweils über Gelenke (9, 10) miteinander verbunden sind, wobei an einem freien Ende (11) des Gelenkarms (5) ein Stecker (12) zur Kopplung mit der Steckkupplung (3) befestigt ist; c. Die Steckereinheit (2) weist eine Schienenlaufeinheit (14) auf, die an einem Schienensystem (13) geführt ist und entlang des Schienensystems (13) horizontal verlagerbar ist; d. Die Schienenlaufeinheit (13) ist über eine Drehverbindung (17) drehbeweglich mit einem Armträger (15) verbunden, wobei der Armträger (15) um eine Hochachse verschwenkbar ist, so dass der an dem Armträger (15) befestigte Gelenkarm (5) horizontal verschwenkbar ist; e. Der Armträger (15) ist über ein Gelenk (16) mit einem angrenzenden Armsegment (6) des Gelenkarms (5) verbunden, so dass das gelenkig angeschlossene Armsegment (6) vertikal verschwenkbar ist; f. Alle Armsegmente (6, 7, 8) werden entweder über separate Antriebe (16, 19, 29) oder Führungsgestänge geführt, um den Stecker (12) mit der Steckkupplung (3) zu verbinden; g. Das Schienensystem (13) ist hängend angeordnet, so dass die Steckereinheit (2) flurfrei verlagerbar ist.
2. Energieübertragungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steckereinheit (2) in einer eingefahrenen Parkposition vor Witterungseinflüssen geschützt hängend angeordnet ist.
3. Energieübertragungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gelenkarm (5) im Bereich seines freien Endes (11) ein Kupplungsmittel (22) aufweist, um das freie Ende (11) in der Parkposition schienensystemseitig einzurasten.
4. Energieübertragungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Stecker (12) über eine Ausgleichsgelenkverbindung mit dem Gelenkarm (5) verbunden ist, wobei die Ausgleichgelenkverbindung dazu ausgebildet ist, Rollbewegungen des Schiffes (4) gegenüber einem landseitig gekoppelten Stecker (12) auszugleichen.
5. Energieübertragungssystem nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schienenlaufeinheit (14) in der Parkposition der Steckereinheit (2) an einem inneren Ende des Schienensystems (13) angeordnet ist und zum Einleiten der Steckverbindung in Richtung zu einem äußeren Ende (23) des Schienensystem (13) verlagerbar ist, so dass der Stecker (12) sich näher an der Steckkupplung (3) befindet.
6. Verfahren zur Energieübertragung mit einem Energieübertragungssystem nach eine der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass nach einem Anlegevorgang des Schiffes (4) die Schienenlaufeinheit (14) in Richtung zur Steckkupplung (3) verlagert wird und der Gelenkarm (5) in Richtung zu Steckkupplung (3) je nach Position des Schiffes horizontal und/oder vertikal verschwenkt wird, so dass der Stecker (12) nahe der Steckkupplung (3) positioniert wird, wobei die Erkennung der Position des Steckers (12) zur Steckkupplung (3) über Sensoren erfolgt.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine drahtlose Kommunikation zwischen der Steckereinheit (2) und der Steckkupplung (3) erfolgt, sodass der Stecker (12) bei einer Annäherung an die Steckkupplung (3) nach
Überschreiten eines Mindestabstandes zur Steckkupplung (3) erst dann weiter ausgefahren wird, wenn ein Verschluss an der Steckkupplung (3) geöffnet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Unterbrechung der Kommunikation der Steckvorgang abgebrochen und der Stecker (12) von der Steckkupplung (3) entfernt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Stecker (12) einen konvexen Bereich (24) und die Steckkupplung (3) einen konkaven Bereich aufweist, wobei über diese beiden Bereiche (24) eine Vorpositionierung des Steckers (12) erfolgt.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Vorpositionierung Führungselemente von Stecker (12) und Steckkupplung (3) miteinander in Eingriff gelangen, wobei die Führungselemente parallel zu Steckkontakten ausgerichtet sind und den Stecker parallel zu den Steckkontakten ausrichten und führen.
11.Verfahren nach 10, dadurch gekennzeichnet, dass vordem parallel und zu den Steckkontakten ausgerichteten Stecken des Steckers (12) die Position des Steckers (12) mittels Sensoren erfasst wird, und dass bei korrekter Position der Stecker (12) in seine Steckposition geschoben wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktgüte der Steckverbindung über Kontaktschleifen gemessen wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass Steckkontakte mit verschiedenen Funktionen zeitlich versetzt hergestellt werden, wobei ein Kontakt für die Freischaltung eines Flauptstromes zuletzt hergestellt wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass während des gesteckten Zustandes über den Gelenkarm (5) eine Steckkraft aufrecht erhalten wird, als Gegenkraft zu einer Lösekraft eines Nottrennsystems.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass über den Gelenkarm Bewegungen (5) des Schiffes (14) ausgeglichen werden.
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