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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Anlagen und Verfahren zum Erzeugen von Wellen und insbesondere auf eine Anlage und ein Verfahren zum Erzeugen von für den Wassersport geeigneten Wellen beträchtlicher Höhe.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Allgemein sind Wellengeneratoren bekannt, z. B. aus Forschungseinrichtungen, um das Strömungsverhalten von Wasserfahrzeugen zu testen oder Uferbefestigungen zu untersuchen. Derartige Tests erfolgen häufig im verkleinerten Modellmaßstab. Wellengeneratoren kommen zudem in Schwimmbädern zum Einsatz.
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Das Prinzip der Wellenerzeugung beruht auf der Verdrängung von Wasser. Z. B. werden Pumpen verwendet, die mithilfe einer starken Wasserströmung unter ständigem Energieaufwand eine ortsfeste Welle erzeugen. Alternativ werden Paddel bzw. Klappen im Wasser auf und nieder bewegt. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Translation eines Rollkörpers im Wasser. Auch Anlagen mit komplexem Aufbau sind bekannt, die im Zeitabstand von Minuten Einzelwellen erzeugen. Herstellung und Betrieb solcher Anlagen sind jedoch entsprechend kostspielig.
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Grundsätzlich sind beliebige Wellenformen möglich. Für den Wassersport sind insbesondere hohe Wellen gewünscht, die sich in den oberen Wasserschichten ausbreiten und brechen.
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In Anbetracht steigender Energiepreise und im Sinne eines wachsenden Umweltbewusstseins, sollte der Energiebedarf für eine Wellenerzeugungsanlage reduziert werden. Unter Rentabilitätsbetrachtungen sollte eine Wellenerzeugungsanlage zudem billig in der Herstellung, langlebig und einfach zu warten sein.
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Die US-amerikanische Patentschrift
US 4,810,129 A zeigt eine Anordnung zur Erzeugung künstlicher Wellen in einem Wassercontainer mit einem Schwimmkörper, der ständig horizontal im Wasser hin- und her bewegt wird, um Wellen zu erzeugen. Durch die besondere Form des Schwimmkörpers werden Resonanzeffekte begünstigt.
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Aus der internationalen Patentanmeldung
WO 98/45553 A1 ist eine Vorrichtung zur Erzeugung von stehenden Wellen bekannt, die einen schalenförmigen Verdrängungskörper umfasst, der mittig in einem Wasserbassin angeordnet ist und durch ein Hubelement vertikal im Wasser auf und nieder bewegt wird. Um Resonanzeffekte auszunutzen, wird die Bewegungsfrequenz an die Wellenfrequenz im Wasserbassin empirisch angeglichen. Die
US 1 871 215 A zeigt eine Anlage zur Erzeugung von Wasserwellen mit Hilfe einer Walze. Auch hier wird die Bewegungsfrequenz der Walze mit der Frequenz der erzeugten Wellen synchronisiert, um Resonanzeffekte zu nutzen.
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Aus der
EP 0 293 831 A1 ist eine Anlage zur Erzeugung stehender Wellen in einem Wasserbecken mit Hilfe einer geneigten Platte bekannt, die durch einen Antrieb in dem Wasserbecken bewegt wird.
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Darüber hinaus zeigt die deutsche Patentanmeldung
DE 25 51 052 A1 einen Generator zur Erzeugung von Wellen in einem Wasserbecken, mit einem im Querschnitt prismenförmigen Verdrängungskörper, der zur Erzeugung von periodischen, im Wesentlichen symmetrischen Wellen entlang einer Böschung im Wasser ebenfalls hin- und her bewegt wird.
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Weitere Anlagen zur Erzeugung von Wasserwellen sind aus
FR 2 465 849 A1 und
FR 344 691 A bekannt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Vorrichtung sowie ein verbessertes Verfahren zum Erzeugen von Wellen bereit zu stellen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Nach einem ersten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine Anlage zum Erzeugen von für den Wassersport geeigneten Wasserwellen in einem mit Wasser gefüllten Becken bereit. Die Anlage umfasst einen ersten Rollkörper. Dieser ist insbesondere zylindrisch geformt. Die Anlage ist derart ausgelegt, dass der Rollkörper aus einer Anfangsposition, in der er sich teilweise oder vollständig oberhalb der Wasseroberfläche befindet, durch Wirkung der Schwerkraft über eine geneigte Ebene in eine Endposition abrollt. Die mit dem Aufprall des Rollkörpers auf die Wasseroberfläche einhergehende Wasserverdrängung erzeugt dabei eine Wasserwelle. Die Anlage umfasst auch ein Mittel zum Zurückführen des Rollkörpers von der Endposition in die Anfangsposition. Das Mittel zum Zurückführen des Rollkörpers umfasst eine Seilzugvorrichtung, die zwei Seilwinden und je ein zumindest teilweise um den Rollkörper geschlungenes Seil umfasst, wobei mit den Seilwinden ein Ausgleich einer Lageverschiebung des Rollkörpers möglich ist. Der Rollkörper ist zur Gewichtstrimmung als mit Wasser befüllbarer Hohlkörper aus Stahl oder Beton ausgebildet. Die geneigte Ebene umfasst eine betonierte Basisfläche und Trägerflächen, die unter dem trimmbaren Gewicht des Rollkörpers nachgeben. Ferner ist auf der geneigten Ebene wenigstens eine Führungsschiene zum Führen der Bewegung des Rollkörpers vorgesehen. Entlang der Drehachse des Rollkörpers ist eine Zuschauerplattform derart angebracht, dass sie an der Rotation des Rollkörpers nicht teilnimmt, wobei die Zuschauerplattform mittels Gestängeanordnung und Rollen am Rollkörper und mittels eines an einem Stützarm angeordneten Stützrads auf der geneigten Ebene angelenkt ist.
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Nach einem zweiten Aspekt stellt die Erfindung ein Verfahren zum Erzeugen von für den Wassersport geeigneten Wasserwellen in einem mit Wasser gefüllten Becken bereit, bei dem ein insbesondere zylindrischer, erster Rollkörper aus einer Anfangsposition, in der er sich teilweise oder vollständig oberhalb der Wasseroberfläche befindet, durch Wirkung der Schwerkraft über eine geneigte Ebene in eine Endposition abrollt, so dass die mit dem Aufprall des Rollkörpers auf die Wasseroberfläche einhergehende Wasserverdrängung eine Wasserwelle erzeugt. Anschließend wird der Rollkörper von der Endposition in die Anfangsposition zurückgeführt. Das Zurückführen des Rollkörpers umfasst ein Ausgleichen einer Lageverschiebung des Rollkörpers mittels einer Seilzugvorrichtung umfassend zwei Seilwinden und je ein zumindest teilweise um den Rollkörper geschlungenes Seil. Der Rollkörper ist zur Gewichtstrimmung als mit Wasser befüllbarer Hohlkörper aus Stahl oder Beton ausgebildet. Die geneigte Ebene umfasst eine betonierte Basisfläche und Trägerflächen, die unter dem trimmbaren Gewicht des Rollkörpers nachgeben. Die Bewegung des Rollkörpers wird mittels wenigstens einer Führungsschiene auf der geneigten Ebene geführt. Entlang der Drehachse des Rollkörpers ist eine Zuschauerplattform derart angebracht, dass sie an der Rotation des Rollkörpers nicht teilnimmt, wobei die Zuschauerplattform mittels Gestängeanordnung und Rollen am Rollkörper abstützt und mittels eines an einem Stützarm angeordneten Stützrads auf der geneigten Ebene entlang rollt.
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Weitere Ausführungen und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, den beigefügten Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. So zeigt:
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1a eine schematische Darstellung einer Wellenerzeugungsanlage, mit einem Rollkörper, der sich in seiner Anfangsposition befindet;
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1b die Wellenerzeugungsanlage gemäß 1a mit dem Rollkörper in Endposition;
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2 eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels einer Wellenerzeugungsanlage;
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3 eine schematische Draufsicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Wellenerzeugungsanlage, die vier in Reihe nebeneinander angeordnete Rollkörper aufweist;
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4a eine Seitenansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Wellenerzeugungsanlage, die zwei sich gegenüberliegende Rollkörper aufweist, jeweils in Anfangsposition;
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4b die Wellenerzeugungsanlage gemäß 4a, mit über die geneigte Ebene abrollendem, ersten Rollkörper;
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4c die Wellenerzeugungsanlage gemäß 4a mit in Endposition befindlichem, erstem Rollkörper;
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4d die Wellenerzeugungsanlage gemäß 4a, wobei der zweite Rollkörper die geneigte Ebene abrollt und der erste Rollkörper zurück geführt wird;
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4e die Wellenerzeugungsanlage gemäß 4a, wobei sich der erste Rollkörper in Anfangsposition und der zweite Rollkörper in Endposition befindet;
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4f die Wellenerzeugungsanlage gemäß 4a, wobei der erste Rollkörper die geneigte Ebene abrollt und der zweite Rollkörper zurück geführt wird;
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5 eine Detailansicht eines Ausführungsbeispiels einer Wellenerzeugungsanlage;
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6 eine Detailansicht eines Ausführungsbeispiels einer Trägerfläche der geneigten Ebene;
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7 ein Ausführungsbeispiel eines Rollkörpers einer Wellenerzeugungsanlage, an dem eine Zuschauerplattform angeordnet ist;
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8a eine Draufsicht eines Ausführungsbeispiels eines rechteckigen Beckens mit einer Wellenerzeugungsanlage mit einem Rollkörper;
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8b eine Draufsicht eines Ausführungsbeispiels eines rechteckigen Beckens mit einer Wellenerzeugungsanlage mit zwei seitlich nebeneinander liegenden Rollkörpern;
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8c eine Draufsicht eines Ausführungsbeispiels eines rechteckigen Beckens mit einer Wellenerzeugungsanlage mit zwei sich gegenüberliegenden Rollkörpern;
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8d eine Draufsicht eines Ausführungsbeispiels mit zwei benachbarten rechteckigen Becken, in denen jeweils ein Rollkörper einer Wellenerzeugungsanlage auf sich gegenüberliegenden Seiten der Becken angeordnet sind;
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8e eine Draufsicht eines Ausführungsbeispiels eines rechteckigen Beckens, in dem eine Wellenerzeugungsanlage mit zwei Rollkörpern angeordnet ist, die gegeneinander versetzt auf sich gegenüberliegenden Seiten des Beckens angeordnet sind;
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8f eine Draufsicht eines Ausführungsbeispiels eines einseitig trapezförmigen Beckens mit einer Wellenerzeugungsanlage mit einem Rollkörper;
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8g eine Draufsicht eines Ausführungsbeispiels eines beidseitig trapezförmigen Beckens mit einer Wellenerzeugungsanlage mit einem Rollkörper;
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8h eine Draufsicht eines Ausführungsbeispiels eines Beckens mit konvex verlaufenden Seitenwänden und einer Wellenerzeugungsanlage mit einem Rollkörper;
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8i eine Draufsicht eines Ausführungsbeispiels eines Beckens mit konkav verlaufenden Seitenwänden und einer Wellenerzeugungsanlage mit einem Rollkörper;
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9 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Beckens; und
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10 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zur Erzeugung von Wellen.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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1a zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Anlage zum Erzeugen von Wellen. Vor einer detaillierten Beschreibung der Wellenerzeugungsanlage folgen zunächst allgemeine Erläuterungen zu den Ausführungsbeispielen und deren Vorteile.
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Wie eingangs erwähnt, ist es Ziel der Ausführungsbeispiele, eine Anlage und ein Verfahren zur Wellenerzeugung bereit zu stellen, die möglichst wenig Energie verbrauchen.
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Aus den oben genannten Druckschriften
DE 25 51 052 A1 und
US 4,810,129 sind Vorrichtungen bekannt, die einen Verdrängungskörper permanent in einer Hin- und Her-Bewegung (sog. ”rocking motion”) antreiben. Dies erfordert eine ständige Energiezufuhr, um den Verdrängungskörper im Wasser zu bewegen, z. B. mittels einer Hydraulik-Anlage. Der in der Druckschrift
WO 98/45553 gezeigte Verdrängungskörper wird in seiner vertikalen Aufwärtsbewegung angetrieben und in Abwärtsrichtung fallen gelassen. Ein Hubelement hebt den Verdrängungskörper vertikal gegen dessen Gewichtskraft an. Da sich der gezeigte Verdrängungskörper beim Eintauchen ins Wasser mit Wasser füllt, ist ein leistungsstarkes und damit teures Hubelement notwendig.
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Die Erfinder haben nun erkannt, dass für den Wassersport geeignete, insbesondere hohe Wellen mit einer Wellenerzeugungsanlage wiederholbar und kostengünstig unter Ausnutzung der Schwerkraft erzeugt werden können.
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Zu diesem Zweck umfasst die Wellenerzeugungsanlage einen Rollkörper, der bei Aufprall auf eine Wasseroberfläche durch die damit einhergehende Wasserverdrängung eine Wasserwelle erzeugt. Der Rollkörper ist auf einer geneigten Ebene angeordnet und kann durch eine Abrollbewegung über die geneigte Ebene aus einer Anfangsposition in eine Endposition übergehen. In Anfangsposition befindet sich der Rollkörper wenigstens teilweise außerhalb des Wassers, d. h. er befindet sich entweder vollständig oberhalb der Wasseroberfläche oder ist teilweise eingetaucht. Die Endposition liegt unterhalb der Wasseroberfläche, sodass der Rollkörper in Endposition vollständig oder teilweise unterhalb der Wasseroberfläche ist.
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Die geneigte Ebene erstreckt sich bei manchen Ausführungsbeispielen entsprechend von außerhalb in ein Gewässer bzw. Becken und verläuft unterhalb der Wasseroberfläche weiter. Ihr Neigungswinkel kann grundsätzlich beliebige Werte, z. B. 10° relativ zur Wasseroberfläche annehmen.
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Bei manchen Ausführungsbeispielen ist der Rollkörper als rotationssymmetrischer, walzenförmiger Körper ggf. auch mit entlang der Rotationsachse veränderlichem Umfang ausgestaltet. Dies ermöglicht beliebige Wellenformen, z. B. Kreiswellen. Die Form der geneigten Ebene muss entsprechend der gewählten Rollkörperform angepasst sein. Alternativ ist der Rollkörper im Querschnitt z. B. ellipsenförmig und nicht rotationssymmetrisch.
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Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen ist der Rollkörper ein Zylinder, der z. B. Linearwellen erzeugt. Durchmesser und Breite des Zylinders sind beliebig und entsprechend gewünschter Wellenform und/oder Umgebungsbedingungen anpassbar, z. B. beträgt der Durchmesser des Rollkörpers bei einer großen Anlage 5 m und seine Breite 20 m.
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Eine Welle wird wie folgt erzeugt:
In der Anfangsposition befindet sich der Rollkörper in Ruhe. Durch die Schwerkraft rollt er die geneigte Ebene hinab. Dabei wird er beschleunigt und prallt mit einer Geschwindigkeit v, die von der Anfangshöhe abhängt, auf die Wasseroberfläche auf. Bei Eintritt ins Wasser überträgt der Rollkörper impulsartig seine Bewegungsenergie auf das Wasser, wodurch das Wasser verdrängt und der Rollkörper abgebremst wird. Die verdrängten Wassermassen türmen sich zu einer Welle auf, die sich wegen der Richtung des übertragenen Impulses p entlang der Wasseroberfläche vom Rollkörper entfernt und im Becken ausbreitet.
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Amplitude und Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle werden maßgeblich durch den Impuls p des Rollkörpers bei Aufprall auf das Wasser bestimmt. Je größer Masse m und Geschwindigkeit v des Rollkörpers, desto größer auch der Impulsübertrag Δp.
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Die Erfinder haben nun erkannt, dass die Geschwindigkeit v der Welle über die Masse m variiert werden kann. Der Rollkörper ist ein Hohlkörper, der mit Wasser befüllbar ist, um seine Masse m anzupassen. Andere Füllstoffe sind ebenfalls möglich, z. B. Bentonit-Wasser-Suspensionen, deren Masse ca. doppelt so groß ist wie die von Wasser. Alternativ ist er als Vollkörper mit fester Masse m ausgebildet. Darüber hinaus kann die Höhe der Anfangsposition auf der geneigten Ebene variiert werden, um die Geschwindigkeit v des Rollkörpers bei Eintritt ins Wasser zu verändern.
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Der Rollkörper besteht aus Beton oder Stahl. Andere Stoffe oder Stoffgemische, bspw. Kunststoff, sind möglich. Insbesondere eignen sich die verwendeten Materialien für den Einsatz in Wasser und sind korrosionsbeständig gegen Wasser, Salz und/oder UV-Strahlung.
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Bei manchen Ausführungsbeispielen kann der Rollkörper vor Ort leicht montiert werden, z. B. aus modularen Ringen aus Stahl oder Beton. Betonringelemente werden z. B. mittels axial wirkender Spannbänder zusammengepresst, sodass der Rollkörper großen Belastungen, z. B. bei Aufprall auf das Wasser, stand hält. Alternativ werden Stahlringelemente vor Ort verschweißt oder Kunststoffringe nach bekannten Verfahren verklebt.
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Bei manchen Ausführungsbeispielen ist eine erhöhte Massenkonzentration um die Drehachse des Rollkörpers vorgesehen, z. B. durch Einlegen von Betonkernen um die Drehachse. Die Betonkerne können einstückig oder modular für einzelne Rollkörperringelemente ausgestaltet sein und mittels Leichtbeton oder Hartschaum mit dem Rollkörper bzw. den Ringelementen fest verbunden sein. Alternativ oder zusätzlich kann der Rollkörper innwandig mit einem Betonmantel ausgekleidet sein.
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Der Hohlraum des Rollkörpers kann zur Gewichtstrimmung zum Teil oder ganz mit Wasser gefüllt werden. Dadurch wird außerdem der Anteil der beim Ablauf gewonnenen Rotationsenergie reduziert und ein Rutschen (”Durchdrehen”) des Rollkörpers auf der geneigten Ebene beim Aufprall auf das Wasser vermieden. Die Erfinder haben hierbei auch erkannt, dass die Rotationsenergie nur über die Reibung zwischen Walze und Ablaufbahn an das Wasser abgegeben werden kann. Eine erhöhte Massenkonzentration in der Mitte des Rollkörpers kann z. B. durch Einlegen von Betonkernen erreicht werden. Einfachstes Mittel gegen Durchrutschen aber ist die Erhöhung des Rollkörpergewichtes mit folgendem Doppeleffekt: Erhöhtes Gewicht des Rollkörpers erhöht die Reibung zwischen Walze und geneigter Ebene und reduziert gleichzeitig die erforderliche Starthöhe und damit die entstehende Rotationsenergie, die quadratisch von der Drehzahl abhängt.
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Die Materialien der geneigten Ebene und des Rollkörpers sind bei manchen Ausführungsbeispielen aneinander angepasst, um Reibungseffekte zu optimieren. Alternativ sind reibungsoptimierende Materialauflagen und/oder Oberflächenbeschichtungen auf der geneigten Ebene und/oder dem Rollkörper vorgesehen.
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Die geneigte Ebene ist bei manchen Ausführungsbeispielen an einem Uferbereich eines natürlichen Gewässers gebildet, z. B. einer uferständigen Hangfläche eines Sees, oder durch Abtragung oder Aufschüttung bestehender Flächen in gewünschter Form. Die geneigte Ebene umfasst eine betonierte Basisfläche, die auf den Untergrund aufgebracht ist. Bevorzugt, insbesondere in künstlich angelegten Becken, ist auch der Untergrund betoniert. Zur Aufnahme des Rollkörpergewichts sind entlang der geneigten Ebene Trägerflächen vorgesehen, die sich der Rollkörperform anpassen und unter dessen Gewicht vorteilhaft nachgeben.
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Die Erfinder haben auch erkannt, dass die Welle geformt werden kann.
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Dazu steigt bei manchen Ausführungsbeispielen der Boden des Beckens bzw. Gewässers nach der Endposition des Rollkörpers an und ist derart geformt, dass die Welle die gewünschte Form erhält. Der Boden weist direkt hinter der Endposition eine Erhebung auf, die derart ausgestaltet ist, dass sie die verdrängten Wassermassen zur Wasseroberfläche hin ablenkt, z. B. als im Querschnitt halbkreis-, ellipsoid- oder dreieckförmiger Körper. Andere, funktionserhaltende Formen sind ebenfalls möglich. Die Erhebung des Bodens erstreckt sich mindestens über die Breite der geneigten Ebene und ist einstückig mit dem Boden verbunden oder liegt darauf auf. Die Erhebung besteht aus korrosionsbeständigem Material, z. B. Gestein, befestigtem Sand, Beton, Stahl oder Kunststoff. Diese Ausgestaltung des Bodens verhindert eine Ausbreitung der Welle in tiefe Wasserschichten und verursacht ihre gerichtete Bewegung nach schräg oben, so dass ein hoher Wellenberg entsteht.
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Bei manchen Ausführungsbeispielen dient die beschriebene Erhebung des Bodens auch dazu, den Rollkörper in seiner Rotationsbewegung abzubremsen und in der Endposition zu stabilisieren.
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Wie eingangs erwähnt, sind für Wassersportler insbesondere hohe Wellen mit langen Laufweiten attraktiv, die zudem brechen. In einigen Ausführungsbeispielen ist es daher vorgesehen, dass das Becken in Ausbreitungsrichtung der Welle abflacht. Dies verursacht eine Impulsübertragung auf in Ausbreitungsrichtung befindliche Wassermassen und sorgt für eine lange Laufweite. Die Abflachung bewirkt zudem eine Aufsteilung der Wellenflanke, bis diese bricht. Ein Anstieg des Bodens kann natürlich bestehen, angepasst werden und/oder künstlich entsprechend den gewünschten Welleneigenschaften in einem Becken angelegt sein.
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Bei einigen Ausführungsbeispielen können am Boden den Beckens lokale Erhöhungen vorgesehen sein, die das Brechen der Welle beeinflussen, z. B. in Form von flachen, stufenförmigen quer oder schräg am Boden angeordneten Störkörpern. An einer der Wellenerzeugungsanlage gegenüberliegenden Seite des Beckens kann ein steiler Anstieg des Bodens vorgesehen sein, um Wellenreste zu zerschlagen.
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Zur weiteren Formung der Welle kann das Becken verschiedenartig ausgestaltet sein, z. B. in Ausbreitungsrichtung der Welle breiter werden oder sich verjüngen. Auch eine konkave oder konvexe Form des Beckenrandes ist denkbar. Bei schmäler werdendem Becken wird die Wellenfront erhöht, während sie bei breiter werdendem Becken zumindest in den Randbereichen schnell abflacht. Dies ermöglicht die Errichtung einer Wasserlandschaft im Becken, z. B. mit einem Surf-Bereich für Wassersportler mit hohem Wellen und einem Bade-Bereich für Familien und Kinder mit flachen Wellen.
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Bei manchen Ausführungsbeispielen verläuft die Seitenwand des Beckens bzw. der Beckenrand teilweise nach außen geneigt und/oder gekrümmt ins Wasser, um in Wandnähe die Welle abzuflachen und Kollisionen von Wassersportlern bzw. Surfakrobaten mit dem Beckenrand zu vermeiden.
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Für eine erneute Wellenerzeugung muss der Rollkörper aus der Endposition zurück in die Anfangsposition befördert werden. Zu diesem Zweck umfasst die Wellenerzeugungsanlage ein Mittel zum Zurückführen des Rollkörpers von der Endposition in die Anfangsposition, die den Rollkörper unter Überwindung der Schwerkraft über die geneigte Ebene in die Anfangsposition bringt.
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Das Mittel zum Zurückführen des Rollkörpers umfasst eine Seilzugvorrichtung, die derart ausgebildet ist, dass sie den Rollkörper mittels Seilwinde und einem zumindest teilweise um den Rollkörper geschlungenen Seil in die Anfangsposition bewegen kann. Die Seilzugvorrichtung umfasst mehrere Seilwinden und Seile. Seilwinden sind billige Standardbauteile, wodurch die Herstellungskosten der Anlange gering gehalten werden können. Das bzw. die Seile können den Rollkörper z. B. umfänglich umgreifen und am Fußpunkt der Seilwinde verankert sein. Diese Seilführung halbiert die Kraft, die von der Seilwinde aufgebracht werden muss. Zwischen Fußpunkt und Rollkörper können die Seile in einer Vertiefung auf der geneigten Ebene geführt verlaufen. Um ein Verrutschen der Seile am Rollkörper zu verhindern, können in dessen Mantelfläche umfänglich verlaufende Vertiefungen, Rillen bzw. Nuten zur Führung der Seile vorgesehen sein. Alternativ greifen die Seile seitlich drehbar gelenkig an der Drehachse des Rollkörpers an.
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Bei manchen Ausführungsbeispielen sind mehrere Seilwinden z. B. über eine gemeinsame Antriebswelle mechanisch oder elektrisch durch Steuersignale synchronisiert.
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Eine Seilwinde wird bei manchen Ausführungsbeispielen durch einen Motor, z. B. einen Elektro- oder Dieselmotor angetrieben. Insbesondere werden Motoren eingesetzt, die auf alternative oder erneuerbare Energiequellen zurückgreifen, z. B. solar-betriebene Elektromotoren, um die Betriebskosten der Wellenanlage gering zu halten. Der eingeschaltete Motor bewirkt, dass das Seil auf die Seilwinde aufgewickelt wird, wodurch der Rollkörper aus der Endposition in die Anfangsposition geführt wird. Dabei rollt der Rollkörper über die geneigte Ebene.
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Bei manchen Ausführungsbeispielen sind die verwendeten Materialien für die Seilzugvorrichtung korrosionsbeständig, besonders gegen Wasser, Salz und/oder UV-Belastung.
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Bei manchen Ausführungsbeispielen kann vorgesehen sein, dass die Seilzugvorrichtung den Rollkörper auch in der Anfangsposition hält, z. B., wenn eine Wellenerzeugung mit mehreren Rollkörpern der Wellenerzeugungsanlage synchronisiert oder zeitlich versetzt erfolgen soll, wie weiter unten erläutert wird. Dazu weist die Seilzugvorrichtung eine Fixiereinheit auf, z. B. einen Freilauf oder Sperrklinke, die in einem Sperrzustand eine Bewegung des Rollkörpers aus der Startposition in die Endposition verhindern. Vorteilhaft umfasst die Fixiereinheit eine Momentenstütze, die die an der Seilwinde angreifende, durch den Rollkörper verursachte Drehmomentenlast abführt. Alternative, am Rollkörper angreifende Fixiereinheiten, sind ebenfalls möglich. Bei manchen Ausführungsbeispielen dient die Fixiereinheit dazu, den Rollkörper in der Anfangsposition zu halten, wenn die Wellenerzeugungsanlage außer Betrieb ist, z. B. zu Wartungs- oder Reparaturzwecken.
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Die Seilzugvorrichtung dient bei manchen Ausführungsbeispielen dazu, die Rotationsbewegung des Rollkörpers in die Endposition zu bremsen bzw. zu stabilisieren. Dies verhindert zum einen Beschädigungen und ermöglicht zum anderen eine weitere Kontrolle der Wellenform über die Einstellung einer Geschwindigkeit des Rollkörpers.
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Mit mehreren Seilwinden und Seilen ist ein Ausgleich einer Lageverschiebung des Rollkörpers auf der geneigten Eben durch Verändern der Laufgeschwindigkeiten von zwei Seilwinden beim Zurückführen des Rollkörpers in die Anfangsposition möglich. Zusätzlich kann der Fußpunkt der Seilwinde verschiebbar angeordnet sein und mittels Stellantrieb eines der Seile geringfügig anziehen oder nachlassen, um den Rollkörper zu zentrieren. Dabei kann ein Untersetzungshebel zum Einsatz kommen, um die Kraft des Stellantriebs zu verändern. Kleinere Abweichungen des Rollkörpers von der Mittellage können z. B. mittels Lasertechnik oder anderen bekannten Verfahren ermittelt werden. Ein nachgeschalteter Regler erzeugt dann entsprechende Steuersignale und übermittelt diese an den Stellantrieb.
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Zur Lagekorrektur des Rollkörpers ist eine Führungseinrichtung in Form einer oder mehrerer Führungsschienen auf der geneigten Ebene vorgesehen. Diese führt die Bewegung des Rollkörpers auf der geneigten Ebene und wird insbesondere bei deutlicher Lageverschiebung wirksam. Weitere Führungsmechanismen sind ebenfalls möglich.
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Alternativ zu der beschriebenen Seilzugvorrichtung kann eine am Rollkörper angreifende Hydraulik-Anlage zum Einsatz kommen.
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Die beschriebene, erfindungsgemäße Wellenerzeugungsanlage verfügt demnach über einen einfachen Aufbau ohne sensible Komponenten, was es erlaubt, mit großen Abmessungen und einer großen Masse des Rollkörpers bevorzugt hohe Wellen zu erzeugen. Zudem erzeugt die Wellenerzeugungsanlage einzelne translatorische Wasserwellen. Diese Betriebsweise ermöglicht es, die dafür erforderliche Energie über eine bestimmte Zeitdauer, z. B. einige Minuten, zu kumulieren, während der Rollkörper in die Anfangsposition zurückgeführt wird. Die so dem Rollkörper zugeführte potentielle Energie wird anschließend in wenigen Sekunden unter Erzeugung einer Welle auf das Wasser übertragen. Antriebsleistung und damit einhergehender Energieverbrauch der Wellenerzeugungsanlage können so im Vergleich zu Permanentwellengeneratoren gering gehalten werden.
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Bei manchen Ausführungsbeispielen umfasst die Wellenerzeugungsanlage eine Steuerung, die deren Betrieb steuert. Die Steuerung kommuniziert dabei über Datenverbindungen insbesondere mit dem Mittel zum Zurückführen des Rollkörpers. Die Datenverbindungen können Kabelverbindungen, aber auch kabellose Datenverbindungen, z. B. bekannte Infrarot- oder Funktechniken, sein. Die Steuerung kann bei manchen Ausführungsbeispielen in Abhängigkeit der Zeit steuern. Zu diesem Zweck kann sie mit einem Zeitgeber versehen sein. Um die aktuelle mit einer vorbestimmten, z. B. einer in einer Speichereinheit hinterlegten Betriebszeit für die Wellenerzeugungsanlage zu vergleichen, kann die Steuerung eine Recheneinheit aufweisen. Bei alternativen Ausführungsbeispielen steuert die Steuerung den Betrieb der Wellenanlage in Abhängigkeit der Position des Rollkörpers. Dazu umfasst sie wenigstens einen Sensor, der z. B. in der Anfangsposition und/oder Endposition angebracht ist. Der Sensor kann als Bewegungsmelder unter Verwendung von elektromagnetischen Wellen, Ultraschall oder Infrarotstrahlung, oder als Drucksensor ausgestaltet sein. Steuerung und Sensor kommunizieren ebenfalls über eine der schon beschriebenen Datenverbindungen. Signale von einem Sensor werden auch in der Recheneinheit verarbeitet. Bei anderen Ausführungsbeispielen steuert die Steuerung in Abhängigkeit der Zeit und der Position eines Rollkörpers.
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Wie schon erwähnt, kann die Wellenerzeugungsanlage mehrere Rollkörper umfassen. Dann umfasst die Wellenerzeugungsanlage auch ein Mittel zum Zurückführen für jeden der Rollkörper und ggf. mehrere Positionssensoren. Die Steuerung steuert jedes dieser Mittel zum Zurückführen in schon beschriebener Weise in Abhängigkeit der Zeit und/oder der Positionen der Rollkörper. Bei manchen Ausführungsbeispielen sind seitlich versetzt zum ersten Rollkörper ein oder mehrere weitere Rollkörper vorgesehen. Dabei ist die Wellenerzeugungsanlage derart ausgebildet, dass der Abrollvorgang der mehreren Rollkörper gleichzeitig oder zeitlich nacheinander ablaufen kann. Ein synchronisierter Abrollvorgang ermöglicht besonders breite Linearwellen, die unter Einhaltung von Sicherheitsabständen von mehreren Wassersportlern gleichzeitig genutzt werden können. Um natürliche Wellenphänomene nachzubilden und abwechslungsreiche Wellenmuster zu erzeugen, können benachbarte Rollkörper auch zeitlich versetzt, insbesondere nacheinander abrollen.
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Bei manchen Ausführungsbeispielen ist auf der gegenüberliegenden Seite des Beckens bzw. an sich gegenüberliegenden Ufern eines Gewässers ein zweiter Rollkörper gegenüber dem ersten Rollkörper vorgesehen. Diese Anordnung eignet sich besonders zur Erzeugung von zeitlich versetzten Wellen, sodass im Wesentlichen ständig eine Welle auf dem Gewässer läuft. Leerlaufzeiten infolge des Zurückführens des Rollkörpers zurück in die Anfangsposition werden reduziert bzw. eliminiert. Für Wassersportler entfällt die Notwendigkeit, zunächst wieder auf die andere Seite des Gewässers gelangen zu müssen. Sie werden von der ”Rückholwelle” zurück gebracht. Alternativ oder zusätzlich ist der zweite Rollkörper seitlich versetzt zum ersten Rollkörper angeordnet, bevorzugt in einem separaten Becken. Dies ermöglicht einen regelrechten Pendelbetrieb. Mit mehr als zwei Rollkörpern können die beschriebenen Anordnungsvorteile kombiniert werden.
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Die mit der Wellenerzeugungsanlage erzeugten Wellen haben von Beginn an einen hohen Wellenkamm und flachen bei ihrer Ausbreitung ab. Um den Wassersportlern ein Aufspringen auf die Wellen zu erleichtern, umfasst die Anlage bei manchen Ausführungsbeispielen eine Startplattform für Wassersportler, die über der Wasseroberfläche hinter der Endposition des Rollkörpers angeordnet ist. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Startplattform höhenverstellbar und an die Wellenhöhe anpassbar, z. B. mittels einer Hydraulikanlage. Alternativ ist sie stufenförmig ausgebildet, sodass ein Wassersportler die für ihn ideale Starthöhe selbst wählen kann.
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Die Startplattform ist bei manchen Ausführungsbeispielen vom Ufer erreichbar, indem sie z. B. als Brücke oder Steg ausgestaltet ist. Sie kann mehrere Personen tragen. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann die Startplattform aus Sicherheitsgründen zusätzlich Absperrvorrichtungen vorsehen, z. B. Geländer, Gitter oder Netze, die an den Außenseiten der Startplattform angeordnet sind und diese zumindest teilweise absperren. Bei manchen Ausführungsbeispielen ist die Startplattform an einem Absperrgitter angeordnet, welches sich vom Boden des Beckens bis zu den Seitenwänden erstreckt.
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Bei machen Ausführungsbeispielen wird die Startplattform gleichzeitig als Zuschauerplattform benutzt, die damit aus der Nähe sowohl Wassersportler als auch den bzw. die Rollkörper beobachten können.
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Bei manchen Ausführungsbeispielen ist eine Zuschauerplattformen vorgesehen, die quer über dem Becken angeordnet und für Zuschauer vom Ufer bzw. Beckenrand her zu erreichen ist.
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Längs des Rollkörpers ist eine Zuschauerplattform derart angebracht, dass sie an der Rotation des Rollkörpers nicht teilnimmt, aber die Translation des Rollkörpers entlang der geneigten Ebene nachführt. Zuschauer auf dieser Zuschauerplattform werden gemeinsam mit dem Rollkörper beschleunigt und bei Eintritt des Rollkörpers ins Wasser abgebremst. Zuschauer können so eine Wellenerzeugung hautnah miterleben. Die Zuschauerplattform ist bei manchen Ausführungsbeispielen als Gitter ausgestaltet, erstreckt sich über die Breite des Rollkörpers und kann mehrere Personen aufnehmen. Aus Sicherheitsgründen weist sie Geländer oder vergleichbare Sicherheitsvorrichtungen auf. Die Zuschauerplattform ist derart über dem Rollkörper angeordnet, dass der Rollkörper unter der Plattform rotieren kann, und die Zuschauerplattform dennoch stabil in ihrer Lage gehalten wird, z. B. über eine Gewichte umfassende Stabilisatoreinrichtung.
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Der Begriff ”Becken” umfasst künstlich angelegte, mit Wasser gefüllte Gewässer, aber auch natürliche Gewässer. Er umfasst auch teils künstlich angelegte und teils natürlich bestehende Gewässer. Die beschriebene Wellenerzeugungsanlage eignet sich für einen Betrieb in natürlichen Gewässern wie Seen, dem Meer bzw. Flüssen und künstlichen Gewässern wie Baggerseen, Steinbrüchen, Stauseen oder eigens dafür angelegten Becken. Bei manchen Ausführungsbeispielen ist die Anlage als Indooranlage ausgestaltet, z. B. in einer Halle, oder sie wird im Outdoorbetrieb oder wenigstens teilweise unter permanenter Bedachung genutzt. Die Wellenerzeugungsanlage ist somit unabhängig von vorherrschenden Wetter-, Klima- bzw. Windbedingungen. Sie ist insbesondere unabhängig von einem natürlichen Wellengang. Die Anlage eignet sich für den Einsatz in Urlaubsregionen und Touristikzentren, z. B. dem Mittelmeerraum, oder in regionalen Freizeitparks mit weiteren Freizeitangeboten. Sie kann auch als lokal angesiedelte Einzelattraktion dienen. Dies kann den Reisebedarf von Wassersportlern reduzieren, die nicht mehr, z. B. in südliche Touristenregionen mit Wasser und natürlichem Wellenaufkommen reisen müssen. Das spart Ressourcen. Für die Benutzer ergibt sich gleichzeitig eine Zeitersparnis aufgrund verkürzter Reisezeiten.
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Zurückkommend zu 1a ist dort eine Wellenerzeugungsanlage 1 in einer schematischen Darstellung gezeigt, bei der z. B. die dargestellten Winkel von den tatsächlichen abweichen können. Die Wellenerzeugungsanlage 1 ist ausgestaltet, ein Verfahren zur Erzeugung von Wellen 37 (siehe 1b) auszuführen, das als Ablaufdiagramm in 10 veranschaulicht ist.
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In der folgenden Beschreibung haben gleiche Komponenten gleiche Bezugszeichen.
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Die Wellenerzeugungsanlage 1 in 1a befindet sich an einem Gewässer 4 in einem künstlich angelegten Becken 14 mit Beckenrand 15. Die Wellenerzeugungsanlage 1 umfasst eine geneigte Ebene 3, auf der sich ein Rollkörper befindet, der als Zylinder ausgestaltet ist. Der Zylinder 7 hat eine Breite von 20 m und einen Durchmesser von 5 m. Er befindet sich in 1a in Anfangsposition A am oberen Ende der geneigten Ebene 3. Die Ebene 3 verläuft von außerhalb des Gewässers 4 unter einem Neigungswinkel α von 10° in das Gewässer 4. Unterhalb der Wasseroberfläche 4a mündet die geneigte Ebene 3 in eine Vertiefung 6, die zwischen unterem Ende der geneigten Ebene 3 und einer am Boden 17 des Gewässers 4 verlaufenden Barriere 5 gebildet wird. Diese Vertiefung 6 entspricht der Endposition E (siehe 1b) des Zylinders 7. Die Wellenerzeugungsanlage 1 umfasst eine Steuerung 38, die auf einem Sockel 2 am oberen Ende der geneigten Ebene 3 angeordnet ist. Sie steuert den Betrieb der Wellenerzeugungsnlage 1, Zu diesem Zweck weist sie zwei Sensoren 39a sowie 39b auf, die in der Anfangsposition A und Endposition E angeordnet sind, um die Position des Zylinders 7 zu ermitteln. Beide Sensoren 39a, 39b sind z. B. als Drucksensoren ausgestaltet, die Druckänderungen ermitteln, wenn sich der Zylinder 7 auf der geneigten Ebene 3 über sie hinweg bewegt. Sie kommunizieren über Datenverbindungen (gestrichelte Linien) mit der Steuerung 38. Die Steuerung 38 steht ferner mit einem Seilzug 21 zum Zurückführen des Zylinders 7 aus der Endposition E in die Anfangsposition A ebenfalls über eine drahtlose Datenverbindung (gestrichelte Linie) in Kontakt. Die Steuerung 38 aktiviert und deaktiviert mittels entsprechender Steuersignale, die über die Datenverbindung übermittelt werden, den Motor der Seilwinde 10. Neben der Seilwinde 10 umfasst der Seilzug 21 ein teilweise auf der Seilwinde 10 aufgewickeltes Stahlseil 8 und einen Ankerpunkt 9 im Sockel 2, an dem das freie Ende des Stahlseils 8 befestigt ist. Das Stahlseil 8 ist um den Zylinder 7 gelegt und greift in eine Führungsnut 23 in umfänglicher Richtung auf der Mantelfläche 7a des Zylinders 7 ein.
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Wie eingangs erwähnt, befindet sich der Zylinder 7 in 1a in Anfangsposition A und wird dort durch den Seilzug 21 gehalten. Dazu wird die Seilwinde 10 durch eine Sperrklinke blockiert. Das Seil 8 ist durch das Gewicht des Zylinders 7 straff zwischen Seilwinde 10 und Ankerpunkt 9 gespannt.
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Eine Welle wird nun erzeugt, indem der Zylinder 7 über die geneigte Ebene 3 durch die Schwerkraft aus der Anfangsposition A in die Endposition E übergeht (Schritt 100, 10). Dabei vollzieht der Zylinder 7 eine Rotationsbewegung um seine Drehachse 12, tritt durch die Wasseroberfläche 4a in das Gewässer 4 ein und verdrängt Wasser, das sich als Wellenberg über die Breite des Zylinders 7 and der Wasseroberfläche 4a auftürmt. Um die Höhe der erzeugten Welle 37 zu vergrößern, weist die Barriere 5 einen im Wesentlichen halbkreisförmigen Querschnitt auf und lenkt das durch den Zylinder 7 verdrängte Wasser in Richtung Wasseroberfläche 4a ab.
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Das Stahlseil 8 rollt entsprechend des durch den Zylinder 7 zurückgelegten Weges von der Seilwinde 10 ab. Die Seilwinde 10 übt in diesem Zustand keine Kraft über das Stahlseil 8 auf den Zylinder 7 aus. Die Bewegung des Zylinders wird lediglich durch das Wasser 4 und notfalls durch die Barriere 5 gebremst.
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Damit der Zylinder 7 in die Endposition E übergeht, erzeugt die Steuerung 38 zuvor ein Steuersignal und übermittelt es an die Seilwinde 10, um deren Sperrklinke zu lösen. Die Seilwinde 10 kann infolgedessen frei abrollen. Dieses Steuersignal zum Lösen der Sperrklinke wird durch die Steuerung 38 nach Ablauf einer bestimmten Zeit erzeugt. Zu diesem Zweck verfügt die Steuerung 38 über einen entsprechenden Zeitgeber, der die aktuelle Zeit angibt und eine Recheneinheit, in der sie vorbestimmte Zeitwerte mit der aktuellen Zeit vergleicht. Bei Übereinstimmung beider Werte erzeugt sie besagtes Steuersignal. Die vorbestimmte Zeit kann durch den Anlagenbetreiber frei eingestellt werden und richtet sich nach der Laufdauer der erzeugten Welle 37 im Becken 14.
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Die Wellenerzeugungsanlage 1, deren Zylinder 7 sich in der Endposition E befindet, ist in 1b dargestellt. Um erneut eine Welle erzeugen zu können, wird der Zylinder 7 zunächst aber die geneigte Ebene aus der Endposition E wieder in die Anfangsposition A geführt (Schritt 200, 10).
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Dazu ermittelt Sensor 39b eine z. B. Druckvarianz, sobald sich Zylinder 7 in Endposition E befindet und erzeugt ein Signal für Steuerung 38. Getriggert durch den Empfang des Sensorsignals erzeugt die Recheneinheit der Steuerung 38 ein Steuersignal, welches sie über die Datenverbindung an die Seilwinde 10 übermittelt wird und diese dadurch aktiviert. Im aktivierten Zustand treibt der Motor die Seilwinde 10 an, sodass sie durch eine Drehbewegung das Seil 8 aufwickelt. Das Seil 8 spannt sich und zieht den Zylinder 7 entlang der geneigten Ebene 3 nach oben.
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Sobald sich der Zylinder 7 dem Positionssensor 39a nähert, z. B. dieser eine Druckveränderung und erzeugt ein Signal, um der Steuerung 38 anzuzeigen, dass der Zylinder 7 die Anfangsposition A eingenommen hat (1a). Die Steuerung 38 erzeugt daraufhin ein Steuersignal für die Seilwinde 10, wodurch diese deaktiviert wird. Dadurch wird der Motor in seiner Drehbewegung gestoppt. Gleichzeitig wird durch das Steuersignal die Sperrklinke eingerastet, um zu verhindern, dass der Zylinder 7 in die Endposition E zurück rollt. Wie eingangs beschrieben, hält der Seilzug 21 den Zylinder 7 so eine vorbestimmte Zeit in der Anfangsposition A, bevor die Steuerung 38 zum Erzeugen einer weiteren Welle 37 ein weiteres Steuersignal erzeugt, das die Sperrklinke löst.
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Die oben beschriebenen Schritte 100 und 200 des Verfahrens zum Erzeugen einer Welle (10) können beliebig oft wiederholt werden, sodass eine Wellenabfolge in regelmäßigen zeitlichen Abständen erzeugt werden kann.
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Bei einer Wellenperiode von 3 min, einer Wellenamplitude von 4 m und den genannten Ausmaßen des Zylinders 7 beträgt die Antriebsleistung der Seilwinde ca. 100 kW, der Energiebedarf für die Erzeugung einer Welle beläuft sich auf ca. 7 kWh. Die Kosten für die Erzeugung einer Welle belaufen sich damit ca. auf 0,5 EUR. Der Energiebedarf verringert sich im Wesentlichen quadratisch mit der Wellenamplitude.
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Der in 1a gezeigte Zylinder 7 ist als Vollkörper bestehend aus Stahl oder Beton ausgestaltet. Im Gegensatz dazu verfügt die in 2 gezeigte Wellenerzeugungsanlage 1 über einen Zylinder 7 aus Stahl oder Beton, der in seinem Inneren einen Hohlraum 41 aufweist, der mit veränderbarer Wassermenge, hier z. B. zu zwei Dritteln mit Wasser gefüllt ist, um die Masse m des Zylinders 7 anzupassen. Die Anfangsposition A des Zylinders 7 befindet sich in 2 an dem Punkt, an dem die geneigte Ebene 3 in die Horizontale übergeht. Hier wird der Zylinder 7 während Wartungsarbeiten oder Reparaturen gelagert. Die Endposition E liegt am unteren Ende der geneigten Ebene 3.
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Die in 1a gezeigte Wellenerzeugungsanlage 1 weist zwei seitlich auf der geneigten Ebene 3 angeordnete Führungsschienen 11 auf, um die Bewegung des Zylinders 7 zu führen. Sie greifen passgenau in zwei in der Mantelfläche 7a des Zylinders 7 umfänglich angeordnete Führungsnuten 24 ein. Ein seitliches Verrutschen des Zylinders 7 wird dadurch verhindert. Bei der in 2 gezeigten Wellenerzeugungsanlage 1 ist ein Stellantrieb 40 vorgesehen, der zwischen Ankerpunkt 9 und Seil 8 angreift. Der Stellantrieb 40 strafft das Seil 8 oder lockert es, um eine Lageverschiebung zu korrigieren. Der Stellantrieb 40 ist besonders dann, vorteilhaft, wenn die Seilzüge 21 mechanisch durch dieselbe Antriebswelle synchronisiert sind.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante der Wellenerzeugungsanlage 1, ist ein in 5 dargestellter Zylinder 7 vorgesehen, dessen zwei Führungsnuten 24 in der Mantelfläche 7a wesentlich breiter sind als die auf der geneigten Ebene 3 angeordneten Führungsschienen 11. Dadurch werden die Führungsschienen 11 erst bei erheblicher Abweichung des Zylinders 7 aus seiner Mittellage wirksam, indem sie bei Anstreifen der Seitenflächen der Führungsnuten 24 ein korrigierendes Kraftmoment auf den Zylinder 7 ausüben. Anstelle der zwei seitlich am Zylinder 7 angeordneten Führungsnuten 24 und entsprechenden -schienen 11 kann bloß ein Nut-Schienen-Paar vorgesehen sein.
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Gemäß dem im 5 gezeigten Ausführungsbeispiel der Wellenerzeugungsanlage 1 sind den zwei Seilführungen gegenüberliegend zwei als Seilnuten dienende Vertiefungen 44 in der geneigten Ebene 3 angeordnet, in denen die Seile 8 entlang der geneigten Ebene 3 zu den Ankerpunkten 9 laufen. Dadurch werden die Seile 8 vor Beschädigungen durch den Zylinder 7 geschützt. Zudem wird gewährleistet, dass der Zylinder 7 flach auf den gemäß 6 in der geneigten Ebene 3 eingelassenen Trägerflächen 43 aufliegt. Diese erstrecken sich parallel und längs in Rotationsrichtung des Zylinders 7 zwischen Anfangs- und Endposition A, E. Die Trägerflächen 43 können aus einer dichten Packlage von Steghölzern 46 bestehen, die auf einer elastischen Unterlage 47, bestehend aus Gummi, aufgebracht ist. Über der Steghölzer-Packlage 46 befindet sich eine Schicht 45 aus belastungsfähigem, insbesondere abriebsfestem Gewebegummi. Bei elastischer Ausgestaltung der Trägerflächen 43 wird die Auflagefläche des Zylinders 7 vorteilhaft vergrößert, da die beschriebenen Komponenten dem Gewicht des Zylinders 7 nachgeben, wie in 6 anhand der Pfeile veranschaulicht. Anstelle von Steghölzern 46 können auch Metallrohre zum Einsatz kommen. Bevorzugt sind die beschriebenen Drucksensoren 39a, 39b unterhalb der Trägerflächen 43 angebracht.
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Die Barriere 5 in 1a ist als Stahl-Hohlkörper ausgestaltet, der im Boden 17 des Beckens 14 befestigt ist. Die Barriere 5 in 2 hingegen wurde aus dem Untergrundmaterial des Bodens 17, hier Beton, gebildet.
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Um die Lauflänge der erzeugten Welle 37 entlang der Wasseroberfläche 4a zu vergrößern, ist der Boden 17 des Gewässers 4 hinter der Barriere 5 in 1a und 2 um den Winkel β von 1° bis 2° geneigt, so dass das Becken 14 in Ausbreitungsrichtung der Welle 37 kontinuierlich abflacht. In 2 ist zusätzlich ein flacher Störkörper 42 am Boden 17 des Beckens 14 angeordnet, an dem die Welle 37 bricht.
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In 1a ist hinter der Barriere 5 eine Startplattform 13 für Wassersportler, z. B. Surfer und Bodyboarder angeordnet. Die als Metallgitter ausgestaltete Startplattform 13 ist vom Beckenrand 15 bequem erreichbar und kann mehrere Wassersportler gleichzeitig tragen. Um Unfälle zu vermeiden, weist sie an der der Wellenerzeugungsanlage 1 zugewanten Seite ein Sicherheitsnetz 16 auf. Alternativ verläuft ein Sicherheitsgitter 16' am Boden 17 des Beckens 14 und erstreckt sich dabei über die gesamte Breite des Beckens 14 über Wasseroberfläche 4a und Startplattform 13 hinaus nach oben, wie in 2 veranschaulicht. An dem Sicherheitsgitter 16' ist eine stufenförmige Startplattform 13 angeordnet, die für Wassersportler bequem vom Wasser 4 aus erreicht werden kann.
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Am oberen Ende des Sicherheitsgitters 16' befindet sich eine ortsfeste Zuschauerplattform 28', die sich ebenfalls über die gesamte Breite des Beckens 14 erstreckt und die es Zuschauern ermöglicht, die Wassersportler und die Wellenerzeugungsanlage 1 zu beobachten.
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Wie in 7 gezeigt ist der Zylinder 7 mit einer Zuschauerplattform 28 ausgestattet. Die Zuschauerplattform 28 ist mittels einer Gestängeanordnung 25 am Zylinder 7 angebracht. Sie umgreift die Mantelfläche 7a des Zylinders 7 umfänglich und ist über Rollen 26 an der Mantelfläche 7a des Zylinders 7 angelenkt, sodass der Zylinder 7 unter der Gestängeanordnung 25 hinwegrollen kann. Wenn der Zylinder 7 um seine Drehachse 12 entlang der geneigten Ebene 3 rotiert, führt der Rollkörper 7 die Zuschauerplattform 28 in seiner Translation mit. Zuschauer in der Zuschauerplattform 28 können so die Beschleunigung des Zylinders 7 entlang der geneigten Ebene 3 miterleben. Die Gestängeanordnung 25 ist mit einer Stabilisatorvorrichtung versehen, um die Zuschauerplattform 28 stabil über dem Zylinder 7 zu halten. Dazu zeigt 7 einen aus der Gestängeanordnung 25 nach hinten ragenden Stützarm 30 und ein daran angeordnetes, rotierbares Stützrad 29. Bei Bewegung des Zylinders 7 läuft das Stützrad 29 auf der geneigten Ebene 3 entlang. Auf dem Stützarm 30 ist zudem ein stabilisierendes Gewicht 27 angebracht. Die beschriebene Vorrichtung verhindert ein Verkippen der Gestängeanordnung 25 und Zuschauerplattform 28 um die Drehachse 12 des Zylinders 7.
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Gemäß eines weiteren in 3 gezeigten Ausführungsbeispiels weist die Wellenerzeugungsanlage 1 zwei Seilzüge 21 auf, die jeweils seitlich am Zylinder 7 angreifen. Die Führungsschiene 11 ist in diesem Beispiel zentral auf der geneigten Ebene 3 angeordnet.
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Gemäß dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel erfolgt die Wellenerzeugung mehrerer, benachbart in Reihe angeordneter Zylinder 7, 7', 7'', 7''' synchron, um besonders breite Wellen zu erzeugen. Das Steuersignal zum Stoppen einer Seilwinde 10, 10', 10'', 10''' bzw. zum Lösen ihrer Sperrklinke wird in Abhängigkeit der Position der weiteren Zylinder 7, 7', 7'', 7''' gegeben. Alle Seilwinden 10, 10', 10'' und 10''' sind über Datenverbindungen (gestrichelte Linien) mit der Steuerung 38 gekoppelt und weisen jeweils einen Positionssensor 39a bis 39a'' in ihrer Anfangsposition A bis A''' auf. Die druckempfindlichen Positionssensoren 39a bis 39a''' erzeugen und übermitteln ein Signal an die Steuerung 38, sobald sich die Zylinder 7 bis 7''' in ihren Anfangspositionen A bis A''' befinden. Sobald die Steuerung 38 von allen Sensoren 39a bis 39a''' ein Signal empfangen hat, erzeugt sie synchron Steuersignale für die Seilwinden 10 bis 10'''. Entsprechend dieses Steuersignals werden die Seilwinden 10 bis 10''' gleichzeitig deaktiviert, sodass die Zylinder 7 bis 7''' synchron aus den Anfangspositionen A bis A''' in die Endpositionen E bis E''' übergehen.
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Zwischen den in 3 gezeigten Wellenerzeugungsanlagen 1 bis 1''' befinden sich zudem Treppen 35, die vom Rand 15 eines Beckens 14 entlang der geneigten Ebene 3 zu Stegen 36 führen. Über die Stege 36 ist eine Startplattform 13 für Wassersportler bequem erreichbar, die sich über die gesamte Breite der vier Wellenerzeugungsanlagen 1 bis 1''' erstreckt, sodass in einem Sicherheitsabstand mehrere Wassersportler gleichzeitig auf einer Welle starten können.
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In den 4a bis 4f ist eine Wellenerzeugungsanlage 1 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Ein erster Zylinder 7 ist gegenüber einem zweiten Zylinder 7'''' angeordnet, der sich auf der gegenüberliegenden Seite des Beckens 14 befindet. Beide Zylinder 7, 7'''' stehen über entsprechende Datenverbindungen (gestrichelte Linien) mit einer Steuerung 38 in Kontakt, so dass die Steuerung 38 Steuersignale an die Seilwinden 10, 10'''' übertragen kann. Zudem umfasst die Steuerung 38 Sensoren 39a und 39a'''', die jeweils ermitteln, ob sich die Zylinder 7 bzw. Zylinder 7'''' in der Anfangsposition A, A'''' auf der geneigten Ebene 3 bzw. 3'''' befindet.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird die Wellenerzeugungsanlage folgendermaßen betrieben:
In 4a befindet sich Anlage 1 außer Betrieb, die Zylinder 7 und 7'''' sind in ihrer Anfangsposition A, A'''', jeweils gehalten durch eine Sperrklinke in den Seilwinden 10, 10''''. Die Seilwinden 10, 10'''' sind deaktiviert. Zunächst erzeugt Steuerung 38 ein Steuersignal für Seilwinde 10, so dass sich ihre Sperrklinke löst. Der Zylinder 7 rollt durch seine Gewichtskraft entlang der geneigten Ebene 3 aus der Anfangsposition A.
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In 4b hat Zylinder 7 die Wasseroberfläche 4a des Gewässers 4 erreicht und erzeugt durch Wasserverdrängung eine Welle 37.
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In 4c hat Zylinder 7 seine Endposition E erreicht. Die Welle 37 setzt ihre Bewegung in Richtung Wellenerzeugungsanlage 1 fort. Wassersportler, z. B. Surfer, Bodyboarder, aber auch Schwimmer, gelangen mit der Welle 37 von einer Seite des Gewässers 4 auf die andere. Nach einer vorgegebenen Zeitdauer, der Laufzeit der Welle erzeugt die Steuereinrichtung 38 ein Steuersignal für Seilwinde 10'''', um ihre Sperrklinke zu lösen. Zylinder 7'''' setzt sich entlang der geneigten Ebene 3'''' in Bewegung. Gleichzeitig erzeugt Steuerung 38 ein Steuersignal, mit dem sie Seilwinde 10 aktiviert, um Zylinder 7 zurück in die Anfangsposition A zu befördern.
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In 4d hat Zylinder 7'''' bereits die Wasseroberfläche 4a erreicht und erzeugt durch Wasserverdrängung eine Welle 37''''. Seilwinde 10 hat das Seil 8 aufgerollt, und dadurch Zylinder 7 entlang der geneigten Ebene 3 teilweise aus dem Gewässer 4 herausgezogen.
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In 4e hat Zylinder 7'''' seine Endposition E'''' eingenommen. Die durch die Wasserverdrängung erzeugte Welle 37'''' pflanzt sich auf die gegenüberliegende Seite des Gewässers 4 fort, so dass Wassersportler ohne Zeitverlust wieder auf die andere Seite des Gewässers 4 gelangen. Zylinder 7 hat seine Anfangsposition A erreicht, was der Steuerung 38 mittels eines Signals durch Positionssensor 39a angezeigt wird. Infolgedessen erzeugt Steuerung 38 ein Steuersignal für Seilwinde 10, welches diese deaktiviert und ihre Sperrklinke einrastet. Dadurch wird der Zylinder 7 für die Laufzeit der Welle 37'''' in der Anfangsposition A gehalten. Nach Ablauf der Zeit erzeugt Steuerung 38 erneut ein Steuersignal für Seilwinde 10, wodurch sich deren Sperrklinke löst, sodass sich Zylinder 7 erneut entlang der geneigten Ebene 3 in Bewegung setzt. In 4e erzeugt Steuerung 38 auch ein Steuersignal, das Seilwinde 10'''' aktiviert, um Zylinder 7'''' wieder in die Anfangsposition A'''' zu ziehen.
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In 4f hat Zylinder 7 die Wasseroberfläche 4a erreicht und erzeugt erneut eine Welle 37. Seilwinde 10' hat hier Zylinder 7'''' bereit teilweise aus dem Wasser 4 gezogen.
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Ein zeitlich aufeinander abgestimmter Betrieb von gegenüberliegenden Zylindern 7, 7'''' unnötige Wartezeiten für Wassersportler. Diese brauchen zwischen zwei Wellen 37, 37'''' nicht von einer Seite des Gewässers 4 auf die andere Seite paddeln bzw. laufen.
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Zusammenfassend können mehrere Zylinder 7, 7' auf einer Seite des Beckens 14 seitlich nebeneinander (8b), oder auf sich gegenüberliegenden Seiten eines Beckens 14 direkt gegenüberliegend angeordnet sein (8c). In einem weiteren Ausführungsbeispiel sind zwei benachbarte Becken 14, 14' mit je einem Zylinder 7, 7' vorgesehen (8d), die an gegenüberliegenden Seiten der Becken 14, 14' liegen. Dieselbe Anordnung der Zylinder 7, 7' ist auch in nur einem Becken 14 möglich (8e). Entsprechend der in Bezug auf 3 und 4a–4f beschriebenen Verfahren können beliebige Wellenmuster bzw. Wellenabfolgen erzeugt werden.
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Das Becken 14 kann eine rechteckige Grundfläche aufweisen, wie in den 8a bis 8e gezeigt. In diesem Fall ist der Wellenkamm einer erzeugten Welle 37 über die gesamte Breite des Beckens 14 annähernd gleich hoch. Das Becken 14 kann aber auch trapezförmig gestaltet sein, indem eine oder beide (8f–8i) Seitenwände 15 des Beckens 14 in Ausbreitungsrichtung der Welle 37 auseinander laufen, um eine Welle zum Rand hin abzuschwächen, d. h. die Wellenhöhe zu verringern. Dies erhöht die Sicherheit für die Wassersportler und ermöglicht zum anderen die Unterteilung des Beckens 14 für weitere Benutzungsmöglichkeiten. Bereiche mit flachen Wellen können bevorzugt für Schwimmer, Familien und Kinder angelegt werden. Bereiche mit hohen Wellen werden für Wassersportler angelegt. Der Verlauf der Seitenwände 15 kann geradlinig (8f, 8g) oder konvex bzw. konkav sein (8h, 8i), um den abschwächenden Effekt zu milder oder zu verstärken. Bei nur einseitiger Aufweitung der Beckens (8f) ergibt sich vorteilhaft eine ”harte” und eine ”weiche” Wellenflanke. Analog kann sich das Becken 14 mit entgegengesetztem Effekt in Ausbreitungsrichtung der Welle verjüngen.
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Eine zu den Beckenrändern 15 abflachende Welle 37 ist frontal in 9 abgebildet. Während in 1a, 1b und 2 die Seitenwände 15 vertikal verlaufen, wird in 9 der Abflachungseffekt zusätzlich durch schräg nach außen geneigte Seitenwände 15 verstärkt, um Wassersportler zusätzlich zu schützen. Während die Seitenwände 15 aus hartem Material 15a, z. B. Betonformteilen, bestehen, ist der Boden 17 des Beckens 14 aus einer Schicht Schüttgut 48 gebildet, die auf den Untergrund 50 aufgetragen wurde. Dies ermöglicht während der Inbetriebnahme der Wellenerzeugungsanlage 1, leicht die optimale Konfiguration des Bodens 17 zu finden und später Korrekturen in einfacher Weise vorzunehmen. Das Schüttgut 48 wird mit einer schweren Kunststoffplane 49 bedeckt, um einen Wasserabfluss, eine damit einhergehende Erosion des Untergrunds 50 sowie eine Verlagerung des Schüttguts 48 durch die Wellen 37 zu vermeiden. Die Plane 49 ist in dem Ausführungsbeispiel auch über die Seitenwände 15 gezogen und ggf. mit Dämmmaterial unterlegt, um Wassersportlern zusätzlichen Aufprallschutz zu bieten.
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Am Rand des Beckens 14 und/oder zwischen zwei Becken 14, 14' kann ein gastronomischer Betrieb eingerichtet sein, mit bester Position für die Beobachtung der kühnen Surfakrobaten und für das Fotoshooting. Diese Anlage 1 würde schon bald ihr begeistertes Publikum finden. Darüber hinaus können die Zuschauer auf den Zuschauerplattformen 28, 28' das gewaltige Elementarerlebnis der Wellenerzeugung hautnah und auch körperlich miterleben. Damit wird auch den Nicht-Wassersportlern ein kribbelndes Erlebnis geboten. Der Aufenthalt auf den Zuschauerplattformen 28, 28' kann den Zuschauern gegen ein Eintrittsgeld gewährt werden, welches zum Gesamtbetrag der Anlagen beiträgt und/oder als Sponsoring der Surfakrobaten eingesetzt werden kann.
