Die Erfindung betrifft eine Schwimmplattform, insbesondere für Anlagen zur Gewinnung von Solarenergie.

Die Bedeutung der so genannten alternativen Energiegewinnung, insbesondere von Solarenergie, ist stetig im Steigen begriffen. Aufgrund des relativ hohen Platzbedarfs von Solarenergiekraftwerken ist man bestrebt, selbige auf Wasserflächen, vor allem auf die Ozeane zu verlagern ("Off-Shore-Solarkraftwerke"). Zu diesem Zweck wurden in letzter Zeit verschiedene schwimmende Plattformen entwickelt, um die entsprechenden Anlagen zu tragen. Aufgrund der einfachen und leichtgewichtigen Bauweise bei gleichzeitig hoher Belastbarkeit wurden zuletzt insbesondere Plattformen entwickelt, die von einem Luftpolster getragen werden. So beschreibt die WO 2009/001225 A2 eine kreisrunde schwimmende Plattform mit einer äußeren Ringstruktur und einer flexiblen Abdeckung, die mit der Oberseite der äußeren Ringstruktur dicht abschließt und so einen Hohlraum definiert, der mittels eines Kompressors unter einen Überdruck gesetzt werden kann, um den notwendigen Auftrieb zu erzeugen. Die gesamte Plattform ist rotierbar, um sie der Position der Sonne entsprechend ausrichten zu können. Durch den Überdruck kann die Oberseite der Plattform zudem ausgebeult werden, um das Abfließen von Regenwasser zu erleichtern.

Obwohl diese Plattform sowohl als land- als auch als seetauglich bezeichnet wird, geht aus bevorzugten Ausführungsformen, in denen die Rotation mittels Rädern in einem die Plattform umgebenden Ring herbeigeführt wird, hervor, dass vor allem auf einen Einsatz an Land, d.h. in einem kreisrunden Becken schwimmend, abgezielt wird. Weitere Plattformen mit rundum geschlossenen, starren, luftgefüllten Auftriebselementen werden beispielsweise in WO 2009/131826 A2 und US-Patent 4.988.317 beschrieben, wovon das erstere Dokument Systeme aus drei miteinander verbunde- nen, schwimmenden Säulen offenbart, deren Lage im Wasser durch variable Wasserfüllstände in den Säulen steuerbar ist, und das zweitere Dokument ein schwimmendes Floß beschreibt, das eine symmetrische Anordnung aus einer Vielzahl ton- nenförmiger Auftriebskörper umfasst.

Nach unten hin offene, starre Schwimmkörper werden in folgenden Dokumenten offenbart: DE 1 .267.129 B, JP 58-152696 A, EP 1 .925.548 A1 , US 2009/133732 A1 , wobei sowohl Anordnungen von diskreten als auch von aneinander anliegenden Schwimmkörpern beschrieben werden und der Auftrieb mitunter dadurch erzeugt wird, dass Luft in den Raum oberhalb der Wasseroberfläche gepumpt wird.

In AT 509.639 A1 von Heliovis wird eine Ausführungsform ähnlich dem obigen äußeren Ring von WO 2009/001225 A2 beschrieben, die hier jedoch ein nach unten offenes Abdichtelement in Form einer in das Wasser eintauchenden, die Plattform um- laufenden Wand umfasst, die ihrerseits unterhalb eines flächigen Deckelements der Plattform wiederum einen Hohlraum definiert, der mit Druckluft befüllt wird. Die Wand kann entweder eine flexible Kunststoffmembran oder ein starres Material, wie z.B. ein Blech, sein. Am unteren Rand kann die Wand mit Gewichten beschwert sein, um das Eintauchen zu gewährleisten.

Weiters können auch zwei solcher Wände parallel zueinander verlaufen und den Hohlraum in einen inneren Bereich und einen äußeren Kreisring teilen. Der äußere Kreisring kann durch radiale Zwischenwände in Segmente unterteilt sein. Alternativ dazu kann der Hohlraum als Ganzes mittels aufeinander normal stehender Zwi- schenwände in waben- oder schachbrettförmige Abschnitte unterteilt sein. Derartige Unterteilungen erhöhen die Sicherheit und ermöglichen die Einstellung unterschiedlicher Drücke in den einzelnen Abschnitten, z.B. um die Plattform zum Ablassen von Regenwasser verkippen zu können. US-Patent 3.673.975 schließlich beschreibt eine Plattform, die von einer Vielzahl von nach unten offenen Schwimmkörpern aus einem luftdichten, leichtgewichtigen, verformbaren Material, wie z.B. Polyethylen, mit kugelförmigem vertikalem Querschnitt getragen wird. Der Innendruck der Schwimmkörper wird als "Niederdruck, knapp über Atmosphärendruck" angegeben und der bevorzugte Durchmesser ohne Last mit 50 Fuß, was rund 15 m entspricht. In der bevorzugten Ausführungsform sind vier solcher kugelförmiger Schwimmkörper rotationssymmetrisch unterhalb einer Schwimm- plattform angeordet.

Der Hauptnachteil aller dieser Ausführungsformen nach dem Stand der Technik liegt darin, dass die jeweiligen Schwimmplattformen nur unzureichend gegen Kippbewegungen aufgrund von Wellengang gesichert sind, was eine Verringerung des opti- sehen Wirkungsgrads der darauf getragenen Konzentratoren des Kollektorsystems verursacht. Speziell die kugelförmigen, nach unten hin offenen Schwimmkörper gemäß US 3.673.975 laufen bei stärkerem Wellengang Gefahr, aus dem Wasser gehoben zu werden, wodurch der Überdruck aus einem oder mehreren nach unten offenen Auftriebselementen entweichen kann und sich die Plattform absenken und im schlimmsten Fall sogar kentern kann. Der Grund liegt einerseits in der geringen Eintauchtiefe der kugelförmigen Schwimmkörper wegen der starken Verjüngung der Kugelform nach unten hin, wie dies in Fig. 6 des Dokuments gut zu erkennen ist, und andererseits an der Nachgiebigkeit des Materials und dem geringen Innendruck. Als Abhilfe wird in US 3.673.975 vorgeschlagen, die Schwimmkörper mit einem umhül- lenden Mantel zu umgeben, der die Wellen von den Schwimmkörpern selbst abhalten soll, sowie die Plattform mittels Ankerseilen zu vertäuen (siehe Bezugszeichen 25 und 27 in den Fig. 5 und 6).

Im Zuge früherer, vor dem Einreichdatum der vorliegenden Anmeldung noch unveröf- fentlichter Forschungen (AT 51 1.850 und PCT/AT2012/050096) haben die Erfinder eine Schwimmplattform entwickelt, die Folgendes umfasst: ein Deckelement; zumindest drei voneinander getrennte, an der Unterseite des Deckelements ortsfest angebrachte, nach unten hin offene Auftriebskörper aus einem gasdichten, druck- und korrosionsbeständigen, flexiblen Material, die bei Kontakt mit einer Flüssigkeitsober- fläche jeweils einen geschlossenen Hohlraum mit dieser einschließen; und zumindest eine Drucklufterzeugungsvorrichtung zur Herstellung eines Überdrucks in den einzelnen Hohlräumen. Durch das Vorsehen mehrerer voneinander getrennter druckluftbefüllbarer Auftriebskörper kann sich ein von heranrollenden Wellen oder vom Wind ausgeübter seitlicher Druck nicht von einem Auftriebskörper zum anderen fortpflanzen, wie dies bei einfachen Unterteilungen durch Zwischenwände der Fall ist. Darüber hinaus wirken die einzelnen Auftriebskörper einem Kippen der Plattform gemeinsam entgegen: Wird die Plattform durch eine äußere Last bzw. eine sonstige Störung des Gleichgewichts gekippt, müsste sich durch das mit dem Kippen verbundene Anheben auf einer Seite das Volumen des Hohlraums der dortigen Auftriebskörper erhöhen. Aufgrund der Gasdichtheit verringert sich jedoch der Luftdruck in diesem Hohlraum und wirkt so dem Anheben entgegen. Gleichzeitig wird beim Kippen wegen des Eintauchens der Auftriebskörper auf der gegenüberliegenden Seite in den dort befindichen Hohlräumen der Druck erhöht, was ebenfalls dem Kippen entgegenwirkt. Die sich unterschiedlich einstellenden Drücke in den verschiedenen Kammern sorgen somit für die Schwimmstabilität der Plattform. Auf diese Weise ist ein starkes Verkippen der erfin- dungsgemäßen Plattform selbst bei stärkerem Wellengang oder Wind kaum möglich. Und dies, obwohl ein weiterer großer Vorteil der Erfindung darin besteht, dass die gesamte Plattform aus leichtgewichtigen Bauteilen konstruierbar ist.

Ein gezieltes Kippen einer solchen Plattform, insbesondere zur Ausrichtung von dar- auf getragenen Sonnenkollektoren oder dergleichen je nach Sonnenstand, ist durch Einstellung unterschiedlicher Drücke in auf gegenüberliegenden Seiten der Plattform liegenden Auftriebskörpern sehr wohl möglich. Weiters sind in bevorzugten Ausführungsformen die unteren Ränder der Auftriebskörper in bekannter Weise mit Gewichten beschwert, um zu verhindern, dass sie durch äußere Einwirkung, sei es durch Wellengang, Treibgut oder auch größere Meeresbewohner, an die Oberfläche gehoben oder gedrückt werden, so dass die Luft aus dem Hohlraum entweichen kann.

Die vertikale Querschnittsform und das Material der Auftriebskörper einer solchen Schwimmplattform waren in den früheren Anmeldungen nicht speziell eingeschränkt, wobei als Material vorzugsweise Kunststofffolien eingesetzt wurden und in bevorzugten Ausführungsformen ein Querschnittsprofil gewählt wurde, das im Wesentlichen einem auf den Kopf gestellten U entspricht, noch bevorzugter ein auf den Kopf ge- stelltes U-Profil, dessen Querschnitt sich nach unten hin verjüngt, wodurch die Formstabilität des Auftriebskörpers erhöht wird - insbesondere gegenüber den kugelförmigen Auftriebskörpern gemäß US 3.673.975. Die jüngsten Forschungen der Erfinder haben jedoch ergeben, dass auch solche Ausführungsformen von Schwimmplattformen Nachteile bezüglich der Stabilität, vor allem bei starkem Wellengang auf dem offenen Meer aufweisen. Auch ist die Berechnung der optimalen Dimensionierung der Auftriebskörper für konkrete Plattformkonstruktionen aufwändig.

Ziel der Erfindung war daher die Bereitstellung einer schwimmenden Plattform, die verbesserte Schwimmeigenschaften aufweist und besser gegen die Einflüsse von Wellengang und Wind gesichert ist und deren Dimensionierung auf vergleichsweise einfache Weise möglich ist.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG

Dieses Ziel haben die Erfinder durch Vornahme einer gezielten Auswahl aus ihrer früheren Erfindung erreicht. Demzufolge stellt die vorliegende Auswahlerfindung eine Schwimmplattform bereit, die Folgendes umfasst:

a) ein Deckelement;

b) zumindest drei voneinander getrennte, an der Unterseite des Deckelements ortsfest angebrachte, nach unten hin offene Auftriebskörper aus einem gasdichten, druck- und korrosionsbeständigen, flexiblen Material, die bei Kontakt mit einer Flüssigkeitsoberfläche jeweils einen geschlossenen Hohlraum mit dieser einschließen; und

c) zumindest eine Drucklufterzeugungsvorrichtung zur Herstellung eines Überdrucks in den einzelnen Hohlräumen;

und die gemäß vorliegender Erfindung dadurch gekennzeichnet ist, dass

i) die nach unten hin offenen Auftriebskörper aus einer gasdichten, druck- und korro- sionsbeständigen, flexiblen Kunststofffolie gefertigt sind;

ii) die Auftriebskörper im Wesentlichen zylindrische Form aufweisen; und

iii) die unteren Ränder der Auftriebskörper mit Gewichten beschwert sind. Durch diese mehrfache Auswahl aus ihrer früheren Erfindung gewährleisten die Erfinder einerseits die Stabilität der Schwimmplattform auch bei starkem Wellengang, z.B. auf dem offenen Meer, da eine an der Unterseite mit Gewichten beschwerte Zylinderform selbst von hohen Wellen, Treibgut oder auch größeren Meeresbewohnern nur schwer aus dem Wasser gehoben werden kann. Andererseits ermöglicht die Verwendung von Kunststofffolien als Material für die Auftriebskörper sowohl ein relativ geringes Gesamtgewicht als auch geringe Fertigungskosten, und die dünnwandigen Kunststofffolien besitzen die notwendige Dehnbarkeit, um Druckschwankungen aufgrund von unterhalb der Auftriebskörper durchlaufenden Wellen zu dämpfen. Und drittens vereinfacht die Zylinderform die Berechnung der notwendigen Dimensionen der Auftriebskörper für eine geplante Schwimmplattform, z.B. bei Verwendung der Plattform zum Tragen von Sonnenkollektoren eines Off-Shore-Solarkraftwerks.

Der Grund für letzteren Vorteil liegt in der Tatsache, dass für zylindrische, dünnwan- dige Auftriebskörper die Kesselformel zur Anwendung kommen kann, aus der die erforderlichen Parameter zumindest näherungsweise berechenbar sind. Die Kesselformel (DIN 2413) ermöglicht dabei das Abschätzen der Tangentialspannung o _t und der Axialspannung o _a in der Wand eines durch Innendruck belasteten Zylinders, der an den Enden abgeschlossen ist. Die Kesselformel gilt für dünnwandige Zylinder, was bedeutet, dass die Wandstärke klein im Vergleich zum Durchmesser ist. pD pD

o _t —— σ„ =—

τ 2s ^a 4s

Darin steht p für den Innendruck, D für den Zylinderdurchmesser und s für die Wand- dicke. Ein konkretes Rechenbeispiel für Auftriebskörper der Erfindung folgt später.

Unter "im Wesentlichen zylindrisch" ist hierin eine Kreiszylinderform der Auftriebskörper zu verstehen, bei der der Zylinderdurchmesser über die gesamte Höhe nicht mehr als 20 %, vorzugsweise nicht mehr als 10 %, variiert - auch im belasteten Zu- stand. Das heißt, die Ausbauchung der im unbelasteten Zustand kreiszylinderförmi- gen Auftriebskörper einer erfindungsgemäßen Schwimmplattform bei Verwendung, d.h. unter Last, macht nicht mehr als 10 % bzw. 20 % des Durchmessers an den Enden der Zylinder aus. Eine stärkere Abweichung von der Kreiszylinderform würde die näherungsweise Berechnung anhand der Kesselformel erschweren. Die Parameter einer erfindungsgemäßen Schwimmplattform, d.h. vor allem das Material und die Dimensionen der Auftriebskörper, der Innendruck und das zu tragende Gewicht der Plattform und der Betrag der Beschwerungsgewichte am unteren Rand, werden vorzugsweise so aufeinander abgestimmt, dass die Stabilität der Plattform gegen Verkippen selbst bei stärkstem Wellengang gewährleistet wird. Die Höhe der Hohlräume in den Auftriebskörpern wird vor allem durch die eingeblasene Luftmenge bestimmt und kann so auf einen gewünschten Wert eingestellt werden. Der Druck in den Hohlräumen wird dabei von der zu tragenden Last bestimmt. Aus Stabilitätsgründen sollte die Höhe der Hohlräume nicht größer als ihr Durchmesser sein. Insbesondere sollte die unterhalb der Wasserlinie liegende Höhe der Zylinder größer sein als die im jeweiligen Gewässer zu erwartende Wellenamplitude, um ein Austauchen des unteren Randes zu verhindern.

Die Art der Kunststofffolien als Material für die Auftriebskörper der erfindungsgemäßen Schwimmplattform ist nicht speziell eingeschränkt, solange die Folie in der Lage ist, den bei Verwendung auftretenden Bedingungen standzuhalten, d.h. insbesondere über eine ausreichende Zugfestigkeit bei gleichzeitig hoher Elastizität zur Verringerung des Druckanstiegs im Hohlraum der Auftriebskörper aufgrund von durchlaufenden Wellen verfügt. Beispielsweise kommen PVC (Polyvinylchlorid), Polyamide (z.B. Nylon 6 oder 6.6), Polypropylen, PET (Polyethylenterephthalat), PTFE (Poly- tetrafluorethylen, Teflon ^® ) usw. in Frage. Das Material kann in bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung auch verstärkt, z.B. glasfaserverstärkt, und erforderlichenfalls weichgemacht sein. Details finden sich im späteren Beispiel. Durch die Möglichkeit der näherungsweisen Berechnung der Verhältnisse anhand der Kesselformel, sind solche Abstimmungen für den Fachmann ohne unzumutbares Experi- mentieren möglich. Die Dicke der Folien hängt von der zu tragenden Last und den Dimensionen der Auftriebskörper ab, beträgt aber vorzugsweise zumindest 1 mm, noch bevorzugter mehrere Millimeter, z.B. 2 bis 5 mm. Der Zylinderdurchmesser hängt von den Dimensionen des Deckelements und der darauf zu tragenden Last ab und kann in bevorzugten Ausführungsformen mehrere Dutzend Meter und mitunter sogar 100 m oder mehr betragen. In ähnlicher Weise ergeben sich bevorzugte Werte für die Zylinderhöhe von mehreren Metern oder Dutzenden von Metern. Näheres folgt im späteren Rechenbeispiel.

Die Mindestanzahl drei der erfindungsgemäßen Auftriebskörper ergibt sich aus der oben beschriebenen Wirkung. Erst ab drei Auftriebskörpern, die zueinander versetzt, d.h. nicht in einer Linie angeordnet sind und vorzugsweise um einen Winkel von etwa 120° zueinander versetzt um den Schwerpunkt der Plattform angeordnet sind, kann sich die obige, aus potenziellen Unter- und Überdrücken in den Hohlkörpern entwickelnde Rückstellkraft gegen Verkippen entfalten. Allgemein formuliert sind aus diesem Grund in bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung drei oder mehr Auftriebskörper symmetrisch um den Schwerpunkt der Plattform angeordnet. In manchen bevorzugten Ausführungsformen ist das Deckelement quadratisch, und es sind vier oder neun Auftriebskörper symmetrisch um dessen Mittelpunkt angeordnet. Oder es kann eine beliebige Anzahl größer 3 kreis-, kreuz- oder sternförmig um den Schwerpunkt angeordnet sein. Besonders bevorzugt ist ein quadratisches Deckelement mit vier rotationssymmetrisch um den Schwerpunkt angeordneten Auftriebskörpern.

Aus ähnlichen Überlegungen bezüglich der Sicherung gegen ein Herausheben der Auftriebskörper aus dem Wasser durch Wellengang oder etwaige Kollisionen sind in bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung die Auftriebskörper intern verspannt, um das Volumen der jeweiligen Hohlräume im Wesentlichen konstant zu halten. Zu diesem Zweck werden vorzugsweise gegenüberliegende Punkte der Innenwände über Streben, z.B. aus Aluminium oder Kunststoff, miteinander verbunden, beispielsweise 4 Punkte kreuzförmig bzw. 6 oder 8 Punkte sternförmig verbunden. In besonders bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Schwimmplattform sind an der Unterseite des Deckelements neben den Auftriebskörpern zusätzlich eine oder mehrere Spierentonnen oder ähnliche Elemente angebracht. Diese verstärken nicht nur den von den Auftriebskörpern erzeugten Auftrieb, sondern kön- nen in gewissem Ausmaß auch als Treibanker fungieren, indem sie einem Abdriften der Schwimmplattform entgegenwirken. Außerdem können solche Spierentonnen manche der Auftriebskörper ersetzen, solange die verbleibende Anzahl ausreicht, um den erforderlichen Auftrieb zu erzeugen. Darüber hinaus können an der Unterseite des Deckelements zusätzlich auch ein oder mehrere geschlossene Schwimmkörper angebracht sein, z.B. luftgefüllte geschlossene Schwimmkörper oder Schwimmkörper aus einem Material mit geringer Dichte und hohem Eigenauftrieb, z.B. aus Kunststoffschaum. Diese dienen einerseits zur Sicherheit bei einem etwaigen Totalausfall der Kompressoren, anderseits verein- fachen sie den Transport und das Positionieren der Schwimm plattform vor Inbetriebnahme, d.h. bevor die Hohlräume der Auftriebskörper mit Druckluft befüllt werden. Alternativ dazu kann auch die gesamte Deckplatte schwimmend ausgeführt sein.

Das Verhältnis zwischen der Summe der Querschnittsflächen bzw. der Hohlraum- volumina der Auftriebskörper und der Fläche des Deckelements ist zwar nicht speziell eingeschränkt, solange das Volumen der von den Auftriebskörpern eingeschlossenen Hohlräume ausreicht, um der gesamten Schwimmplattform, samt der darauf getragenen Last, wie z.B. eines Solarkraftwerks, den erforderlichen Auftrieb zu verleihen. Vorzugsweise macht die Summe der Querschnittsflächen der Auftriebskörper jedoch zumindest die Hälfte der Fläche des Deckelements aus, um den Überdruck in den Auftriebskörpern zu begrenzen. Bei einem eher kleinen Verhältnis zwischen der Summe der Querschnittsflächen der Auftriebskörper und der Fläche des Deckelements sind die Auftriebskörper vorzugsweise vorwiegend an den Rändern der Plattform angebracht, um ein Kippen zu verhindern. Zusätzlich ist ein im Rahmen der konstruktiven Machbarkeit möglichst großes Verhältnis zu bevorzugen, da jene Teile des Deckelements, die nicht direkt über einem Auftriebskörper liegen, "durchhängen" und somit zu mechanischen Belastungen der Deckelementstruktur führen können. Theoretisch kann zur Befüllung der Auftriebskörper auch ein anderes Gas als Luft, z.B. ein Edelgas, eingesetzt werden. Aus Kostengründen und im Hinblick auf die Verfügbarkeit im Off-Shore-Betrieb wird aber Luft das Gas der Wahl sein. Das Deckelement ist nicht speziell eingeschränkt. Im Gegensatz zum Stand der Technik braucht es sich dabei nicht um ein flächiges Deckelement zu handeln, da dieses nicht die obere Begrenzung für den druckluftbefüllten Hohlraum darunter darstellt. Daher kann es sich bei dem Deckelement der Erfindung beispielsweise auch um eine Fachwerkstruktur handeln, was im Hinblick auf geringes Gewicht bevorzugt ist. Eine zumindest teilweise Fachwerkbauweise bietet neben dem verringerten Gewicht auch den Vorteil, dass Regen- oder Spritzwasser ungehindert abfließen kann. Bei flächigen Deckelementen kann dafür aber auch durch Vorsehen von entsprechenden Abflussöffnungen Sorge getragen werden. Die Form des Deckelements ist ebenfalls nicht speziell eingeschränkt, wobei jedoch auf Gründen der Stabilisierung gegen Wellengang aus allen Richtungen eine symmetrische Form, wie z.B. Kreis oder Quadrat, bevorzugt wird.

Vorzugsweise soll die erfindungsgemäße Schwimm plattform auf hoher See zum Ein- satz kommen. Aufgrund des dort mitunter herrschenden Wellengangs weist das Deckelement vorzugsweise eine Seitenlänge von zumindest 100 m, noch bevorzugter zumindest 300 m auf. Näheres hierzu folgt ebenfalls im späteren Rechenbeispiel.

Die Art der Beschwerungsgewichte ist ebenso wenig eingeschränkt wie die Art der Befestigung am unteren Rand der Auftriebskörper. Beispielsweise können schweres Material, wie z.B. Stein oder, vorzugsweise korrosionsbeständiges, Metall, enthaltende Behälter an den Rändern fixiert, z.B. angebunden oder -geklebt (z.B. mittels durch Ösen im Kunststoffmaterial geführten Seilen angebunden) sein. Oder es kann ein - durchgehender oder auch in mehrere Ringsegmente unterteilter - Ring aus Stein oder Metall, z.B. Edelstahl, in einen Saum am unteren Rand der Folie eingenäht sein. Ausschlaggebend ist lediglich, dass die Masse der Gewichte ausreicht, um den jeweiligen Auftriebskörper zu stabilisieren. Von der zumindest einen Drucklufterzeugungsvorrichtung, wobei es sich aus Sicherheitsgründen vorzugsweise um zumindest zwei Vorrichtungen, wie z.B. Gebläse oder Kompressoren, handelt, erstrecken sich Rohr- oder Schlauchverbindungen in die Hohlräume der Auftriebskörper hinein, um diese mit Druckluft zu befüllen. Vorzugs- weise münden diese Luftzuleitungen im Mittelpunkt des jeweiligen Auftriebskörpers von oben in diesen ein, um für eine gleichmäßige Befüllung der Auftriebskörper zu sorgen. Die Auftriebskörper können, wenn konstruktiv nicht anders möglich, über Überdruckventile verfügen, um dynamische Druckoszillationen begrenzen zu können. Diese Überdruckventile, sofern vorhanden, sind vorzugsweise in einer solchen Höhe angebracht, dass sie im Normalbetrieb der Schwimmplattform über dem Wasserspiegel liegen. Aufgrund der Herstellungskosten sind Überdruckventile jedoch nicht bevorzugt.

Schließlich ist die erfindungsgemäße Plattform vorzugsweise mit Antriebselementen versehen, um sie auf dem Wasser bewegen zu können, vor allem, um sie um eine vertikale Achse drehen zu können. Dies ist bei einer Verwendung für schwimmende Solarkraftwerke von großer Bedeutung, um auf der Plattform getragene Sonnenkollektoren je nach Einfallswinkel der Sonnenstrahlen ausrichten zu können. Diese An- triebslemente sind nicht speziell eingeschränkt, und es können beispielsweise belie- bige Arten von Schiffsmotoren mit Schraubenantrieb eingesetzt werden. Im Hinblick auf die Verwendung der Plattform für Solarkraftwerke sind Elektromotoren bevorzugt, die mit einem Teil der gewonnenen Solarenergie betrieben werden können.

Die Schwimmplattform der vorliegenden Erfindung ist zwar nicht auf die Verwendung für Off-Shore-Solarkraftwerke beschränkt, sondern kann prinzipiell für beliebige Zwecke eingesetzt werden, beispielsweise als Landeplatz für Hubschrauber. Bevorzugt ist jedoch in einem zweiten Aspekt der Erfindung ihre Verwendung zum Tragen einer Anlage zur Gewinnung von Solarenergie, da hier die erfindungsgemäß besonders gute Stabilisierung der Plattform gegen Verkippen eine unmittelbare Verbesserung des Wirkungsgrads des Solarkraftwerks zur Folge hat, vorzugsweise auf dem offenen Meer. KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben, die Folgendes zeigen: Fig. 1 ist eine schematische isometrische Ansicht einer Ausführungsform der erfin- dungsgemäßen Schwimmplattform von schräg unten.

Fig. 2 ist eine schematische vertikale Querschnittsansicht einer Ausführungsform eines Auftriebskörpers der erfindungsgemäßen Schwimmplattform.

Fig. 3 ist eine schematische Unteransicht eines Auftriebskörpers der erfindungsgemäßen Schwimmplattform.

Fig. 4 ist eine schematische vertikale Querschnittsansicht der Ausführungsform eines Auftriebskörpers aus Fig. 3.

Fig. 5 ist eine schematische Unteransicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schwimm plattform unter Verwendung mehrerer Auftriebskörper aus Fig. 4. Fig. 6 ist eine schematische vertikale Querschnittsansicht der Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schwimmplattform aus Fig. 5.

Fig. 7 zeigt schematische Ansichten einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in isometrischer Ansicht (Fig. 7a), als Draufsicht (Fig. 7b) und als Seitenansicht (Fig. 7c).

Fig. 8 zeigt eine grafische Darstellung des Zusammenhangs zwischen der effektiven axialen Verkürzung h eines Kreiszylinders, d.h. der Höhe des Hohlraums, mit Radius R=r beim Durchlaufen von Wellen mit Einheitsamplitude und Wellenlänge K=2ulk.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

In Fig. 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schwimm- plattform schematisch in isometrischer Ansicht von schräg unten dargestellt. Das Deckelement 1 , hier flächig dargestellt, weist eine quadratische Form auf. An seiner Unterseite sind neun Auftriebskörper 2 symmetrisch um den Schwerpunkt des Quadrats (einer davon direkt im Schwerpunkt) angeordnet, deren Querschnittsflächen in Summe den größten Teil der Fläche des Deckelements 1 abdecken.

Jeder Auftriebskörper 2 besitzt - hier im druckluftbeaufschlagten Zustand unter Last dargestellt - eine Querschnittsform, die im Wesentlichen zylindrisch ist, wobei ober- halb der (hier nicht dargestellten) Wasseroberfläche eine Ausbauchung zu beobachten ist, unter Wasser feilich nicht. Der Auftriebskörper 2 definiert zusammen mit der Wasseroberfläche einen Hohlraum 4. Bezugszeichen 6 markiert Luftansaugleitungen, die zu (hier nicht dargestellten) Pumpen und von diesen in die einzelnen Auf- triebskörper führen. Neben den Auftriebskörpern und um diese herum sind zusätzliche geschlossene Schwimmkörper 8 vorgesehen. Letztere weisen jeweils die Form von Kreisringsegmenten auf. Als Beschwerungsgewichte an den unteren Rändern der Auftriebskörper dienen hier in jeweils einen ringförmigen Saum eingenähte Ringe, die demnach in dieser Figur nicht dargestellt, in nachstehend erläuterten Figuren aber gut zu erkennen sind.

Fig. 2 ist eine schematische vertikale Querschnittsansicht einer Ausführungsform eines Auftriebskörpers der erfindungsgemäßen Plattform ohne Ausbauchungen. Mit Bezugszeichen 2 ist hier erneut die Membranwand des Auftriebskörpers markiert, mit 3 die Wasseroberfläche und mit 4 erneut der Hohlraum darüber. Hier sind nun auch zwei Luftpumpen oder Kompressoren 5 dargestellt. Wie aus den weiteren Zeichnungen noch besser zu erkennen ist, wird jeder Auftriebskörper 2 in bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung von mehreren Kompressoren 5 mit Luft versorgt, um etwaigen Fehlfunktionen vorzubeugen.

Die Luftzuleitung 6 mündet hier zentral in den Auftriebskörper 2 ein. Entweder in der Luftzuleitung 6 oder im Bereich des Dichtkörpers 9 zwischen Luftzuleitung und Auftriebskörper kann ein (nicht dargestelltes) Rückschlagventil vorgesehen sein. Der untere Rand des Auftriebskörpers 2 ist mit Gewichten 10 beschwert, um dessen Ein- tauchen zu gewährleisten. Mit Bezugszeichen 8 sind erneut geschlossene Schwimmkörper markiert, wobei hier mit 8a außerhalb, d.h. oberhalb, des Auftriebskörpers 2 liegende und mit 8b innerhalb desselben liegende geschlossene Schwimmkörper bezeichnet werden. Zuoberst ist schließlich beispielhaft eine Vielzahl von auf dem Deckelement aufliegenden röhrenförmigen Sonnenkollektoren 1 1 eingezeichnet.

Fig. 3 ist eine schematische Unteransicht eines ähnlichen Auftriebskörpers, wie die in Fig. 1 dargestellten. Bezugszeichen 2 markiert erneut die Membranwand des Auf- triebskörpers, wobei der äußere der beiden konzentrischen Kreise die ausgebauchte Zylinderwand oberhalb der Wasseroberfläche und der innere den nicht ausgebauchten Zylinder unter Wasser darstellt. Die Variation durch die Ausbauchung beträgt weniger als 10 % des Durchmessers. Es sind insgesamt vier Luftgebläse bzw. Kom- pressoren 5 zu erkennen, von denen der Auftriebskörper gespeist werden kann. Erneut sind außerhalb (d.h. oberhalb und daher in der vorliegenden Unteransicht strich- liert gezeichnet) des Auftriebskörpers 2 liegende geschlossene Schwimmkörper mit 8a und innerhalb desselben liegende mit 8b gekennzeichnet. Insgesamt vier neben dem Auftriebskörper 2 liegende geschlossene Schwimmkörper sind einfach mit 8 markiert.

Fig. 4 ist eine schematische vertikale Querschnittsansicht eines Auftriebskörpers aus Fig. 3 entlang der dortigen Linie A-A mit denselben Bauteilen und Bezugszeichen. Zusätzlich ist in dieser Zeichnung das ringförmige Beschwerungsgewicht 10 gut zu erkennen, sowie erneut die Tatsache, dass die Ausbauchung der Zylinderform oberhalb der Wasseroberfläche 3 weniger als 10 % des Durchmessers unter Wasser ausmacht.

Fig. 5 ist eine schematische Unteransicht einer Ausführungsform der erfindungsge- mäßen Schwimmplattform unter Verwendung mehrerer der in den Fig. 3 und 4 dargestellten Auftriebskörper. Genauer gesagt kann eine erfindungsgemäße Schwimmplattform auch in modularer Bauweise zusammengestellt werden, indem einzelne, mit Auftriebskörpern sowie gegebenenfalls mit geschlossenen Schwimmkörpern und/ oder Spierentonnen und dergleichen ausgestattete Abschnitte miteinander zu einer Gesamtplattform kombiniert werden. Dies ermöglicht eine Vereinfachung der Herstellung der erfindungsgemäßen Plattform, da nur wenige unterschiedliche Module gefertigt zu werden brauchen und diese dann gezielt, in Abhängigkeit vom geplantem Einsatzort und den dort herrschenden Meeres- und Windverhältnissen, zu der am besten geeigneten Plattform kombiniert werden können. Auch aus diesem Grund ist eine quadratische Form der erfindungsgemäßen Schwimmplattform bevorzugt. Fig. 5 veranschaulicht eine solche modulare Bauweise, wobei fünf Module mit Auftriebskörpern 2 und geschlossenen Schwimmkörpern, wie in den Fig. 3 und 4 dargestellt, kreuzförmig miteinander verbunden und punktsymmetrisch um den Schwerpunkt angeordnet sind. In den Ecken der Plattform sind vier Module vorgesehen, die keine Auftriebskörper oder geschlossene Schwimmkörper aufweisen, sondern lediglich jeweils eine Spierentonne 7. Auch dieses Beispiel ist genau wie die anderen nur als Veranschaulichung der Erfindung und keineswegs als Einschränkung anzusehen. Beispielsweise können auch Spierentonnen innerhalb der Auftriebskörper vorgesehen sein usw.

Fig. 6 ist eine schematische vertikale Querschnittsansicht der Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schwimmplattform aus Fig. 5 entlang der dortigen Linie B-B.

Fig. 7 zeigt schließlich drei schematische Ansichten einer bevorzugten Ausführungs- form der erfindungsgemäßen Schwimmplattform für den Betrieb auf hoher See, wie sie sich unter anderem aus dem nachfolgenden Rechenbeispiel unter Anwendung der Kesselformel ergibt.

Fig. 7a zeigt dabei in einer isometrischen Ansicht von schräg oben das Deckelement 1 , Auftriebskörper 2 und die Wasseroberfläche 3. Fig. 7b ist eine Draufsicht von unten, in der zusätzlich die Beschwerungsgewichte 10 an den unteren Rändern der Auftriebskörper 2 zu erkennen sind. Und Fig. 7c ist eine Seitenansicht, aus der darüber hinaus die Eintauchtiefe der Auftriebskörper 2 zu erkennen ist, die in diesem Fall etwa 40 % der Zylinderhöhe ausmacht.

BEISPIEL

Im bevorzugten Einsatzgebiet der erfindungsgemäßen Schwimmplattform auf offener See, wie z.B. im Mittelmeer, sind mittlere Wellenperioden von 4 bis 5 s zu erwarten. Laut der linearen Wellentheorie für tiefes Wasser haben solche Wellen Wellenlängen λ von etwa 25 bis 40 m. Volumenveränderung einer "starren" Kammer aufgrund von durchlaufenden Wellen Stellt man sich eine starre, kreiszylindrische, unten offene Luftkammer mit einem Radius R vor, durch die eine Welle ohne Störung durchwandert, so ergibt sich durch die Verschiebung der Wasseroberfläche eine periodische Veränderung des Volu- mens der Luftkammer. Diese Volumenänderung lässt sich über ein Oberflächenintegral der Wasseroberfläche (Welle) über den Grundriss einer Kammer errechnen. Das Ergebnis ist die effektive Verkleinerung der Höhe der Luftkammer um den Wert h. In Fig. 8 ist die Amplitude der periodischen effektiven Verkleinerung h der Luftkammer für Wellen mit Einheitsamplitude dargestellt. Es ist ersichtlich, dass die effektive Ver- kleinerung der Luftkammer erst ab R > λ starke Auswirkungen hat, also wenn der Radius der Luftkammer größer wird als die Wellenlänge.

Eine Verkürzung der Luftkammer führt durch die Volumenverkleinerung zu einem Druckanstieg, der über die ideale Gasgleichung berechnet werden kann. Dieser wirkt sich als Kraft auf die darauf getragene Plattform aus, was zu unerwünschter periodischer Bewegung im Wellengang führt.

Einfluss von flexiblen Membranen

Ist die Membran flexibel, so wird der Druckanstieg durch die effektive Verkürzung des Luftzylinders beim Durchwandern einer Welle dadurch gemindert, dass sich die Membran radial dehnt. Die Druckänderung Δρ, die sich bei einer Verkürzung Ah des Zylinders ergibt, errechnet sich mittels

wobei o den statischen Druck in der Kammer, h ₀ die Höhe der Kammer, γ den Isentropenexponenten des Gases in der Kammer (1 ,4 für Luft) und tE die Dehnsteifigkeit der Membran, gebildet aus dem Produkt aus Membrandicke und Elastizitätsmodul des Membranmaterials, bezeichnet.

Die Druckminderung im Vergleich zu starren Kammerwänden ist durch den Faktor

1

1 + 2r# o

tE bestimmt. Aus obiger Beziehung ist ersichtlich, dass eine möglichst geringe Dehn- steifigkeit nötig ist, um die Druckminderung zu maximieren. Dies bedeutet geringe Membrandicken und flexible Materialien, d.h. solche mit niedrigem E-Modul. Nimmt man nun beispielhaft einen Durchmesser der Auftriebskörper von 135 m und eine Gesamtmasse der Schwimmplattform von 7.800 t an (obwohl das Prinzip der Erfindung auch für wesentlich größere oder kleinere Gesamtmassen anwendbar und vorteilhaft ist), ergibt sich ein Innendruck in den Auftriebskörpern von 1 .300 Pa. Man erkennt, dass bei weiterer Annahme von 2 mm dicken Polymerfolien aus entweder PVC-HI (schlagzähem Polyvinylchlorid) mit einem E-Modul von 2,5 GPa oder PE-LD (Polyethylen niederer Dichte) mit einem E-Modul von 0,2 GPa der Druckanstieg um 4 bis 40% reduziert werden kann.

Abschätzung der Druckoszillation durch Wellen

Wird zur Vereinfachung angenommen, dass die Platte, die die Luftkammer nach oben abschließt, unbeweglich ist, so kann die von durch die Kammer wandernden Wellen verursachte Druckoszillation leicht abgeschätzt werden.

Unter Annahme von 7 m hohen Wellen mit einer Wellenlänge von 40 m (Periode ca. 5 s) und obigem Kammerradius ergibt sich aus Fig. 8 (R/λ ca. 0,6) eine effektive Verkürzung der Luftkammer von etwa

Die Amplitude der Druckschwankung Δρ ergibt sich somit aus obiger Formel unter Annahme einer Luftkammerhöhe von Η. ₀ ⁼ \ 0 m und den zuvor verwendeten Zahlenwerten zu 75 Pa bis 123 Pa, je nach Foliensteifigkeit. Diese Werte liegen deutlich un- ter dem statischen Überdruck in der Kammer und stellen in Bezug auf die Festigkeit der Membran kein Problem dar.

Weitere Überlegungen

Systeme mit starren, unten offenen Luftkammern sind, wie eingangs ausgeführt wurde, seit Langem Stand der Technik. In Bezug auf die Wellendynamik einer schwim- menden Struktur haben sie im Vergleich zu herkömmlichen Schwimmkörpern den Vorteil einer gleichmäßigen Druckverteilung in der gesamten Kammer. Dies kann einerseits die Antwort der Schwimmstruktur auf Wellenbewegung ermöglichen und andererseits die Wellenlasten auf die Struktur verringern. Eine weitere Verbesserung ergibt sich, wenn die Wände der Luftkammern flexibel gestaltet sind. Diese erlauben erstens eine Verringerung der von durchlaufenden Wellen verursachten Druckschwankungen. Zweitens können die Wellen auch wirklich horizontal durch die Kammerbegrenzungen wandern, da die Partikelbewegung der Wasserteilchen von den flexiblen Membranen mitgemacht wird.

Das horizontale Durchwandern der Wellen funktioniert umso besser je geringer der statische Überdruck in den Kammern ist. Dies liegt einerseits am geringeren Wasserspiegelunterschied bei geringerem Überdruck und andererseits an der zunehmenden Versteifung der Gesamtstruktur bei erhöhtem Innendruck.

Konstruktion der erfindungsgemäßen Schwimmplattform

Die obigen Überlegungen und dynamischen Berechnungen - unter Annahme von vier Auftriebskörpern mit einem Durchmesser von jeweils 135 m - das Deckelement eine Mindestseitenlänge von 300 m benötigt, um ausreichend stabil zu sein. Mit einer angenommenen Gesamtmasse der Plattform von 7.800 t stellt sich, wie oben erwähnt, ein Druck von etwa 1 .300 Pa in den Auftriebskörpern ein.

Das Deckelement kann daher vorzugsweise aus einem Fachwerk bestehen, das aus kubischen Einheitszellen, z.B. mit einer Kantenlänge von ca. 5 m, zusammengesetzt wird. Diese Einheitszellen werden an der Ober- bzw. Unterseite beispielsweise von einem wenige Millimeter starken Blech begrenzt. Dieses Blech erhöht einerseits die Steifigkeit der Plattform, andererseits schließt es auf der Unterseite die Luftkammer ab und bietet auf der Oberseite die für den Betrieb des Solarkraftwerks benötigte geschlossene Oberfläche. Die Oberfläche des Deckelements kann somit als Unter- grund für das Kraftwerk dienen. Werden auch vertikale, luftdichte Schotten eingezogen, kann das Deckelement bei entsprechend geringer Masse schwimmfähig sein. Anwendung der Kesselformel

Aufgrund des Einsatzes von im Wesentlichen zylinderförmigen Auftriebskörpern gemäß vorliegender Erfindung ist die Kesselformel anwendbar. Diese ermöglicht das Abschätzen der Tangentialspannung und der Axialspannung in einem durch Innen- druck belasteten, an den Enden abgeschlossenen Zylinders. Die Kesselformel gilt für dünnwandige Zylinder, also solche mit geringer Wandstärke im Vergleich zum Durchmesser.

Im vorliegenden Fall ist der Zylinder an einer Seite von der Wasseroberfläche be- grenzt. Es handelt sich also nicht um einen abgeschlossenen Zylinder konstanten Volumens, sondern um einen Zylinder konstanten Drucks. Die Axialspannung hängt somit vom Gewicht der Beschwerung, also der getragenen Last, und nicht vom Innendruck ab. Die Tangentialspannung o _t ist jedoch wie im Fall des geschlossenen Zylinders weiterhin druckabhängig und kann daher mit der Kesselformel bestimmt werden.

Darin steht p für den (relativen) Innendruck, D für den Zylinderdurchmesser des Auftriebskörpers und s für dessen Wandstärke. Setzt man nun die obigen Werte, also einen Durchmesser von 135 m, einen Innendruck von 1 .300 Pa und eine Wandstärke von 2 mm ein, erhält man für die Tangentialspannung Folgendes:

1300Pa - 135m

2 ^■ 0,002m N

o _t = 22,6

mm ² Dieser Wert von rund 23 N/mm ² bzw. MPa entspricht der minimalen Zugfestigkeit, die das Kunststoffmaterial der Auftriebskörper aufweisen muss, um (bei der angenommenen Wandstärke) der Belastung standhalten zu können. Von den beiden obigen Beispielen PVC-HI und PE-LD trifft dies nur auf Ersteres zu: PVC-HI hat üblicherweise eine Zugfestigkeit von rund 45 MPa, während PE-LD hier typischerweise nur einstellige Werte aufweist (z.B. 8 bis 9 MPa). Selbst PE-HD (hochdichtes Polyethylen) erreicht oftmals keine Zugfestigkeitswerte von 23 MPa oder darüber, besitzt jedoch in der Regel einen etwa fünfmal so hohen E-Modul wie PE-LD.

Der Druckanstieg in den Auftriebskörpern aufgrund des Wellengangs könnte demnach mit PE-HD um einen Faktor 5 weniger gut vermindert werden als mit PE-LD. Folglich stellt Polyethylen kein bevorzugtes Material für flexible, unten offene Auftriebskörper einer Schwimmplattform gemäß vorliegender Erfindung dar und wäre für einen Hochseebetrieb sogar ungeeignet. Dies steht im Gegensatz zur Auswahl im US-Patent 3.673.975, das PE als bevorzugtes Material offenbart. Überblick über verschiedene Kunststoffe

Nachstehend folgen in Tabelle 1 Werte für die Zugfestigkeit und den E-Modul verschiedener gängiger industrieller Kunststoffe des Herstellers Thyssen-Krupp (Quelle: www.thyssenkrupp-plastics.de). Tabelle 1

Werkstoffe mit ausreichend hoher Zugfestigkeit und gleichzeitig vergleichsweise niedrigem E-Modul sind demnach beispielsweise PVC (Polyvinylchlorid), PP (Polypropylen), PC (Polycarbonat), ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol), PVDF (Polyvinylidenfluo- rid) und PPO (Polyphenylenoxid). Natürlich können die Eigenschaften aber durch Modifikation der Kunststoffe durch Herstellung von Blends und/oder Zusatz gezielter Modifikatoren angepasst werden - und das in oft extrem weiten Bereichen. Siehe hierzu etwa die obigen (E-Modul-)Werte für PC und PC+20%GF (mit 20 % Glasfasern verstärktes Polycarbonat). Die Auswahl eines geeigneten Materials beruht freilich nicht allein auf der mechanischen Belastung durch den Innendruck und die Druckerhöhungsreduktion, da viele weitere Einflussfaktoren berücksichtigt werden müssen, wie z.B. UV-Beständigkeit, Salzwasser-Resistenz usw. Der Fachmann ist jedoch aufgrund seines allgemeinen Fachwissens und den hierin enthaltenen Anleitungen ohne übermäßiges Experimen- tieren in der Lage, ein für seine Zwecke am besten geeignetes Material auszuwählen. Beispielsweise wäre es ein Leichtes, PA 6 oder 6.6. d.h. Polyamid (Nylon) 6/6.6, mit geringen Mengen an elastischerem Material, wie z.B. PE oder PP, zu mischen, um geeignete Polymerblends zu erhalten.