DK151350B - Boelgeenergimaskine med reflekterende organ - Google Patents

Description

i 151350

Opfindelsen vedrører en bølgeenergimaskine til uddragning af energi fra bevægelsen af vand i og under bølger i en vandmasse og omfattende et i vandet neddykket, vinkelret på bølgernes forplantningsretning 5 reciprocerende drivorgan i form af en plade eller et sejl i drivforbindelse med en kraftaftagende maskine (pumpe eller elektrisk generator).

Fra U.S.A. patentskrift nr. 4 002 416 kendes en bølgeenergimaskine af den ovenfor angivne art. Den om-10 fatter en vandpumpe af tromletypen placeret i et fast punkt under Tia vover fladen med tromleaksen anbragt horisontalt og parallelt med kysten. Pumpen har en med tromleaksen koaksial aksel, til hvilken en plade eller skovl er koblet, så den er rettet mod havbunden. I pumpen er 15 der en stationær radial vinge fastgjort til tromlen, og en svingbar radial vinge fastgjort på akslen, hvorved pumpen bringes til at pumpe havvandet op i en beholder, når akslen oscillerer som følge af bølgernes indvirkning på skovlen.

20 Bølgeenergimaskinen ifølge opfindelsen adskiller sig fra den kendte maskine ved, at der på drivorganets læside og i en afstand derfra, der ikke overstiger bølgelængden, er anbragt et sekundært organ i form af en plade eller et sejl, der som en reflektor samvirker med 25 drivorganet gennem svingninger af den mellemliggende vandmasse til forøgelse af den samlede energioptagelse.

Et enkelt drivorgan af den i indledningen angivne art vil generelt kun optage en del af den energi, der er indeholdt i de indkommende bølger, og den resterende 30 energi optræder som bølger, der fortsætter fra drivorganets læside. Placeringen af det sekundære organ i form af en plade eller et sejl på drivorganets læside og i kort afstand derfra, vil bevirke, at en del af bølgeenergien, der kommer fra drivorganet, vil blive reflek-35 teret eller kastet tilbage til dette og kan, hvis den 2 151350 ankommer i rigtig fase, medvirke til en forøgelse af den samlede energioptagelse. Svingningstilstanden af vandmassen mellem drivorganet og reflektoren afhænger på kompleks måde af bl.a. perioden af de mod drivorganet 5 indkommende bølger og bølgelængden, afstanden mellem drivorganet og reflektoren, den viskose dæmpningseffekt af den svingende vandmasse og af de indbyrdes bevægelser af drivorganet og reflektoren.

Med henblik på opnåelse af den bedst mulige ener-10 gioptagelse kan bølgeenergimaskinen ifølge opfindelsen have en reflektor, der er lejret således, at den er stationær under driften, eller at den er reciprocerende svingbar om en nedre akse vinkelret på bølgernes forplantningsretning eller translatorisk.

15 En udførelsesform af maskinen er ejendommelig ved, at den har organer, såsom en skruedonkraft, en hydraulisk eller pneumatisk donkraft eller en pal- og tandstangsmekanisme, til indstilling af afstanden mellem drivorganet og reflektoren.

20 Ved hjælp af de ovenfor angivne foranstaltninger er det muligt at afstemme bølgeenergimaskinen således, at den under forskellige forhold vil optage mest muligt af den forhåndenværende bølgeenergi.

Opfindelsen vil nu blive forklaret nærmere ved 25 hjælp af nogle eksempler på udførelsesformer og med henvisning til tegningen, på hvilken fig. 1 er en skematisk fremstilling af en bølgeenergimaskine ifølge opfindelsen med en stationær reflektor og viser mellem drivorganet og reflektoren en 30 stående bølge, der er i fase med den på drivorganets luv side indkommende bølge, fig. 2 et billede som fig. 1 visende en stående bølge, der er 180° faseforskudt i forhold til den på drivorganets luv side indkommende bølge, 35 fig. 3 et skematisk billede af en udførelsesform af bølgeenergimaskinen ifølge opfindelsen med en sving- 3 151350 bar reflektor og en tilbagekoblingsmekanisme mellem drivorganet og reflektoren, fig. 4 et billede af en mekanisme til indstilling af afstanden mellem drivorganet og reflektoren, og 5 fig. 5 et skematisk billede af en yderligere ud førelsesform af en bølgeenergimaskine ifølge opfindelsen.

Fig. 1 viser et drivorgan 210 og en stationær reflektor 212. I figurens venstre side angiver pilret-10 ningen de bølger, der løber ind mod drivorganets luv side. Mellem drivorganet 210 og reflektoren 212 er vist en stående bølge, som er i fase med bølgen på drivorganet 210's luv side. Henvisningstallene 209, 211 og 213 angiver typiske former for banerne af vandpar-15 tiklerne, henholdsvis i nærheden af det bevægelige drivorgan 210, midt imellem drivorganet 210 og reflektoren 212 og i nærheden af reflektoren 212. Bevægelsen af vandet i den stående bølge vil forstærke bevægelsen af drivorganet 210 ved, at den transmitterede energi 20 reflekteres tilbage til og i fase med bevægelsen af drivorganet 210.

Fig. 2 viser et drivorgan 204 og en om en nedre akse svingbar reflektor 206, og mellem drivorganet 204 og reflektoren 206 en stående bølge, der er 180° 25 faseforskudt i forhold til bølgen på drivorganet 204's luv side. Det ses, at drivorganet 204 er underkastet maksimal hydrostatisk kraft og kan aftage størst mulig energi. Størrelserne af kræfterne på luvart siden, henholdsvis læsiden af drivorganet 204 er illustreret med 30 de viste pile, der angiver, hvorledes trykket på drivorganet 204 vokser med dybden under vandoverfladen.

For at opretholde denne tilstand er det nødvendigt, at reflektoren 206 bevæges. Denne bevægelse skal helst kun have en lille amplitude, eftersom enhver bevæ-35 gelse af reflektoren 206 vil fremkalde bølger på den- 4 151350 nes læside repræsenterende videretransmitteret og dermed spildt energi.

Fig. 3 viser et eksempel på et simpelt rent mekanisk system til tilvejebringelse af 180° faseforskyd-5 ning mellem drivorganet og reflektoren. Radiale arme Γχ og Γ2 stikker ud fra aksen af en skive 221, der er lejret på passende måde til rotation med fast akse, og har en indbyrdes vinkelafstand på 180° om denne akse. En stang 224 er lejret med sine ender henholdsvis på ar-10 men τ\ og på drivorganet 226, medens en anden stang 228 er lejret med sine ender henholdsvis på armen r2 og reflektoren 232. Drivorganet 226 er i drivforbindelse med en kraftaftagende maskine, såsom en generator eller en pumpe. Drivorganet og reflektoren kan være ud-15 ført med stiv eller fleksibel drivflade og er anbragt på tværs af den indkommende bølges bevægelsesretning. Dette arrangement giver en mekanisk tilbagekoblingskreds, hvor drivorganet 226, der er svingbart lejret ved sin underkant 234, så det kan svinge frem og tilbage bevæget af 20 de indkommende bølger, vil sætte reflektoren 232, der er svingbart lejret ved sin underkant 236 om en parallel svingakse, i svingende bevægelse. Bevægelsen af reflektoren er imidlertid 180° ude af fase med bevægelsen af drivorganet. Da længden af armen r2 bestemmer am-25 plituden af bølgerne på reflektorens læside, bør den være så kort som mulig. Hvis tilbagekoblingskredsen er baseret på resonanstilstand, kan reflektorens bevægelsesamplitude være meget lille, så kun lidt energi vil gå tabt på dens læside, medens den samtidig vil afgive den 30 størst mulige reflekterede energi til drivorganet.

Det er vigtigt at forstå, at vandmassen mellem drivorganet og reflektoren vil medføre forbrug af energi som følge af vandets viskositet, og dette energitab vil generelt være større, jo større afstanden mellem 35 drivorganet og reflektoren er. I viskose systemer er den 5 151350 virkelige resonansfrekvens altid mindre end resonansfrekvensen for et udæmpet system, og resonansfrekvensen reguleres af dæmpningsfaktoren, som i dette tilfælde teoretisk er meget kompleks. Yderligere varierer også 5 grænsebetingelserne med tiden og kan kræve computeranalyse i stor malestok til udfinding af de optimale forhold, som igen vil kræve yderligere ændringer af afstanden i den praktiske udførelse.

I naturen vil både perioden og bølgelængden af en 10 bølge variere. Disse variationer hidrører fra skiftende vindtilstande og storme over havet enten lokalt eller i nogen afstand. Systemer som det i fig. 3 viste kan f.eks. være konstrueret til bestemte lokale betingelser, således som disse fremgår af historiske optegnelser, men 15 vil da virke med mindre end optimal virkningsgrad, når bølgeængden og -perioden ændrer sig. Det er derfor ønskeligt at have midler til forandring af afstanden mellem drivorganet og reflektoren som følge af ændringer i bølgeperioden og -længden. Antages det f.eks., at en 20 storm ude til havs frembringer bølger af længere periode end ved en bølgemaskines lokalitet, vil den stormenergi, der overføres af bølgerne, efterhånden nå maskinen og forøge den lokale bølgeperiode. Dette tager sædvanligvis en vis tid (dage), som er meget længere end bølgeperio-25 den (sekunder). Bølgeperioden kan således betragtes som en langsomt varierende funktion, og der er derfor rigelig tid til rådighed til indstilling af afstanden mellem drivorganet og reflektoren.

En positionsservo styret af indgangsimpulser fra 30 en føler, der måler den lokale periode, kan anvendes til indstilling af afstanden mellem drivorganet og reflektoren. Indstillingen af denne afstand kan tilvejebringes af mekaniske indstillingsorganer af standardudførelse, såsom en vandret skruedonkraft eller lignende skrue-35 hjulsarrangementer, i tilfælde hvor et af organerne er 6 151350 styret til bevægelse hen imod og bort fra det andet. Andre typiske positionsorganer, såsom en hydraulisk positioneringsdonkraft, kan anvendes. Positioneringsanordningerne kan drives under anvendelse af en lille 5 procentdel af den af drivorganet udviklede energi.

En forholdsvis simpel positioneringsanordning, der virker med de naturligt forekommende kræfter og udgør en del af denne opfindelse, er vist i fig. 4. En lille vogn 250 bærer en reflektor 251. Denne er vist 10 svingbart lejret på en aksel 252, men kan være stift forbundet med vognen. Denne er styret ved hjælp af skinner 253. Klinkhager C og D er svingbart lejret på vognen 250 og holdes normalt, f.eks. ved hjælp af torsionsfjedre på deres omdrejningsaksler, i indgreb med 15 paltandstænger A og B, der forløber parallelt med skinnerne 253 og forhindrer derved vognen i at bevæge sig. Hvis perioden af den indkommende bølge (der bevæger sig fra venstre mod højre i fig. 4) begynder at ændre sig over en rimelig tid (minutter), er det ønskeligt at 20 bevæge vognen mod højre, såfremt perioden er tiltagende, og drivorganet er beliggende til venstre for reflektoren. På tilsvarende måde skal reflektoren bevæges mod venstre, når perioden er aftagende. Fig. 4 viser systemet i to repræsentative tidspunkter, nemlig sam-25 menfaldende med en bølgetop (t = 0) og med en bølgedal (t = 2 ) · Det fremgår klart af fig. 4, at en flad plade 255 under omdrejningsakslen 252 i tidsintervallet fra t = 0 (bølgekam) til t = T/4 (middelniveau) vil være påvirket af større tryk på venstre side end på højre side.

30 Hvis klinkerne C og D løftes i tidsrummet t = -T/4 til t = T/4 (hele varigheden af bølgekammen), vil vog nen bevæge sig mod højre, hvorefter klinkerne kan bringes i indgreb igen, og den sideværts afstand imellem drivorganet og reflektoren 251 vil være forøget til 35 opretholdelse af den ønskede svingningstilstand for van- 7 151350 det mellem disse organer. På tilsvarende måde vil reflektoren bevæge sig mod venstre, hvis klinkerne løftes i tidsintervallet < t < (den samlede varighed af bølgedalen). Da bølgebevægelsen er periodisk, vil kræf-5 terne gentage sig, og det er således kun nødvendigt at løfte og sænke klinkerne på de rigtige tidspunkter.

Der kendes talrige midler til løftning og sænkning af klinkerne på de rigtige tidspunkter. Pig. 4 viser ét forslag, hvor en motor 260, som er forbundet med 10 klinkerne C og D ved stænger 261 og 263, og som drives f.eks. af en positionsservo, der styres af en føler, som måler de lokale perioder, løfter klinkerne i det rigtige tidsrum. Det skal bemærkes, at den ønskede positionsændring muligvis ikke vil kræve, at klinkerne 15 løftes i en fuld halvperiode, men kun i en brøkdel af dette tidsinterval.

Som bekendt ændrer den gennemsnitlige vanddybde sig langsomt med tiden på grund af tidevandsfænomenet.

Dette er forholdsvis uvigtigt i dybvandstilfælde, men af 20 nogen vigtighd for middeldybder og lave dybder. En bølgeenergimaskine kan f.eks. være anbragt i vand af en dybde på 10 m, hvor tidevandsvariationen er ± 1 m, så afstanden mellem drivoganet og reflektoren til opnåelse af forbedret virkningsgrad bør indstilles eller afstem-25 mes såvel efter dybdevariationen, som efter periodevariationen. Denne afstemning kan tilvejebringes af en lokal trykføler, der sender indformation til en mikrocomputer, der bearbejder informationen ikke alene på basis på basis af perioden, men også tager den langsomt skif-30 tende gennemsnitsdybde med i beregningen.

Nutidig teknologi gør det muligt at tage hensyn til, at bølgeformerne i naturen er mere komplekse end den enkle teoretiske sinusform. Bølger på det åbne ocean er en kompleks kombination af særdeles mange periodiske 35 bølgeformer. Det er velkendt, at komplekse periodiske 8 151350 bølgeformer kan repræsenteres ved Fourier-rækker, og at man med computere er i stand til at udføre spektralanalyse, af hvilke Fourier-analyser er et eksempel. Bølger er af periodisk natur, men overfladeprofilen vil variere 5 fra bølge til bølge. En tryktransducer beliggende et passende stykke til luvart for drivorganet kan bestemme overfladeprofilen (den indkommende bølgeform), der da kan anvendes til at bestemme den disponible energi under små afsnit af bølgen.

10 Fig. 5 viser et arrangement af et anticiperende servosystem til udførelse af denne ønskede funktion. Det er her af betydning, af den indkommende bølges hastighed er meget mindre end den hastighed, med hvilken elektriske signaler forplanter sig. Tryktransduceren i fig. 5 15 vil derfor have modtaget sin information, længe før den faktiske bølgeform (affølt af transduceren) ankommer til drivorganet. Der vil derfor være tilstrækkelig tid til gennemførelse af spektral-, dybde- og periodeanalyser, der er nødvendige til optimering af beregningen. I al-20 mindelighed vil beregningerne foregå meget hurtigt, og der vil kræves tidsforsinkelsesenheder i servokredsen.

Fig. 5 viser et drivorgan 260 monteret på en omdrejningsaksel 262. En reflektor 264 er svingbart lejret på en vogn 266 om en akse parallel med drivor-25 ganets omdrejningsakse. Vognen befinder sig på læsiden af drivorganet 260 på skinner 267 til retliniet bevægelse hen imod og bort fra drivorganet. Vilkårlige egnede midler, såsom en motordrevet skruedonkraft 268, kan anvendes til bevægelse af vognen. Afstanden mellem 30 drivorganet og reflektoren justeres efter lokale betingelser som bestemt af en tryktransducer og analysatorer, der nu skal beskrives. En tryktransducer 270 beliggende et passende stykke til luvart af drivorganet tjener til at bestemme overfladeprofilen og at føre information 35 herom til en spektralanalysator 272, dybdeanalysator 151350 9 274 og periodeanalysator 276. Disse analysatorer afgiver information til en computer 278, fra hvilken der afgives et signal til den motordrevne skruedonkraft 268 gennem et tidsforsinkelsesaggregat 269 til bevægelse 5 af vognen 266 bort fra drivorganet 260, når bølgens periode (længde) er tiltagende eller hen imod drivorganet, når bølgens periode (længde) er aftagende.

I fig. 5 kan både drivorganet og reflektoren have kraftaftagende maskiner, såsom generatorer eller pumper, 10 til at aftage den samlede kraftydelse, som resulterer af bevægelsen af disse organer. I det foreliggende tilfælde anvendes der generatorer, hvis feltspoler er vist skematisk ved 280 og 281. Transducersignaler behandlet af analysatorerne overføres af computerne til variation af 15 feltspolestyrkerne i disse generatorer gennem tidsforsinkelsesaggregater 282 og 284 til uddragelse af størst mulig energi.

I fig. 5 er den simple mekaniske fasevariator i fig. 3 udeladt, og faseforandring kan tilvejebringes 20 ved, at reflektoren drives af en motor 281. Formålet med denne motor ville være at svinge reflektoren til opnåelse af 180° faseforskel i vandet mellem drivorganet og reflektoren til frembringelse af resonanstilstand.

Den i fig. 5 viste konstruktion muliggør tre for-25 skellige driftsmåder til at optimere den af den indkommende bølge uddragne energi. For det første til rolige (hovedsagelig monochromatiske) bølger vil den motordrevne skruedonkraft eller en tilsvarende mekanisme indstille reflektoren i afhængighed af et signal fra trans-30 ducer/analysatorsystemet i en fikseret optimeret position. Reflektoren kan være lejret stift i forhold til vognen i stedet for bevægeligt. Dette repræsenterer et simpelt tilfælde og virker nærmest som en stiv sømurre-flektor. For det andet kan systemet under anvendelse af 35 et generatorsystem ved reflektoren virke som to kraftaf-

Claims (10)

151350 tagende maskiner i tandem, begge med mulighed for at bevæge sig i svingbevægelse eller retliniet bevægelse. Dette repræsenterer den "passive styringsløsning", hvor feltspolestyrkerne imidlertid i begge generatorer kan 5 være computeroptimerede til uddragelse af maksimal energi. For det tredje ville reflektoren under anvendelse af et motorsystem for denne blive drevet af motoren i svingende (eller retliniet) bevægelse i overensstemmelse med transducersignaler bearbejdet af analysatorerne til 10 tilvejebringelse af en 180° faseforskel og resonanstilstand. Dette repræsenterer den løsning med "aktiv styring", der teoretisk ville maksimere den uddragne energi og være særlig effektiv i tilfældig eller irregulær søgang i sammenligning med de to andre virkemåder. Felt-15 spolestyrken i drivorganets generator kan til stadighed være computeroptimeret til uddragelse af størst mulig energi fra den indkommende bølge og fra bølgen reflekteret fra reflektoren. En anden driftsform med aktiv styring kan tilvejebringes i fig. 5, hvor et signal 285 20 proportionalt med bevægelsen af drivorganet udtages fra den frembragte energi fra dette og sendes gennem computeren til behandling (f.eks. forstærkning, dæmpning, fasekontrol etc.). Dette signal føres da tilbage gennem det rette tidsforsinkelsesaggregat 284 til tilveje-25 bringelse af drivkraft for reflektoren som direkte tilbagekobling fra bevægelsen af drivorganet. Der er beskrevet et enkelt aggregat, men det vil sluttelig være klart, at et større antal aggregater arrangeret i kolonier eller grupper er en logisk udvik-30 ling.

1. Bølgeenergimaskine til uddragning af energi 35 fra bevægelsen af vand i og under bølger i en vandmasse 151350 og omfattende et i vandet neddykket, vinkelret på bølgernes forplantningsretning reciprocerende drivorgan (210) i form af en plade eller et sejl i drivforbindelse med en kraftaftagende maskine (pumpe eller elektrisk 5 generator), kendetegnet ved, at der på drivorganets læside og i en afstand derfra, der ikke overstiger bølgelængden, er anbragt et sekundært organ i form af en plade eller et sejl (212), der som en reflektor samvirker med drivorganet gennem svingninger af den 10 mellemliggende vandmasse til forøgelse af den samlede energioptagelse.

2. Bølgeenergimaskine ifølge krav 1, kendetegnet ved, at reflektoren (212) er lejret således, at den er stationær under driften. 15

3. Bølgeenergimaskine ifølge krav 1, kende tegnet ved, at reflektoren (232) er lejret reciprocerende svingbar om en nedre akse (236) vinkelret på bølgernes forplantningsretning eller translatorisk.

4. Bølgeenergimaskine ifølge krav 1, 2 eller 3, 20kendetegnet ved organer, såsom en skruedonkraft, en hydraulisk eller pneumatisk donkraft eller en pal- og tandstangsmekanisme (A, B, C, D), til indstilling af afstanden mellem drivorganet og reflektoren (251). 25

5. Bølgeenergimaskine ifølge krav 3 eller 4, kendetegnet ved en sekundær kraftaftagende maskine i drivforbindelse med reflektoren til uddragning af energi fra dennes bevægelse.

6. Bølgeenergimaskine ifølge krav 5, kende-30 t e g n e t ved en tilbagekoblingsmekanisme (221, 224, 228. med organer til ændring af de imellem drivorganet (226) og dettes kraftaftagende maskine og/eller de imellem reflektoren (232) og dennes kraftaftagende maskine optrædende kræfter. 35

7. Bølgeenergimaskine ifølge krav 6, kende tegnet ved signalorganer til afføling af bølgefor- « 151350 men i nærheden af reflektoren og sluttet til organer til frembringelse og overføring af et herpå baseret signal til styring af tilbagekoblingsmekanismen.

8. Bølgeenergimaskine ifølge krav 4, 5 eller 6, 5 kendetegnet ved signalorganer til afføling af bøleperioden og middelvanddybden, hvilke signalorganer er sluttet til organer til frembringelse, behandling og overføring af et herpå baseret signal til styring af organerne til indstilling af afstanden mellem drivorganet 10 og reflektoren.

9. Bølgeenergimaskine ifølge krav krav 3-8, kendetegnet ved organer til tvangsmæssig frem- og tilbagegående bevægelse af reflektoren i bevægelsesretningen for bølgerne, f.eks. ved hjælp af en 15 tilbagekoblet servomekanisme styret ved et fra drivorganets bevægelse afledt signal.

10. Bølgeenergimaskine ifølge krav 9, kendetegnet ved, at organerne til tvangsmæssig bevægelse af reflektoren (264) består af en motor tilsluttet 20 signalorganer til afføling af bølgeformen i nærheden af drivorganet (260) og organer til frembringelse, bearbejdning og overføring af et herpå baseret signal til motoren, hvilke affølings- og bearbejdningsorganer omfatter en tryktransducer (270), en signalspektrumsanaly-25 sator (272) og vandhøjde- og periodeanalysatorer (274, 276).