DK174156B1

DK174156B1 - Vind- og bølgeenergianlæg

Info

Publication number: DK174156B1
Application number: DK200000550A
Authority: DK
Inventors: Henrik Frans Christensen
Original assignee: Henrik Frans Christensen
Priority date: 2000-04-03
Filing date: 2000-04-03
Publication date: 2002-07-29
Also published as: DK200000550A; IS6573A; NO20024728D0; US6766643B2; AU2001244099A1; NO20024728L; EP1272758A1; US20030145587A1; WO2001075302A1

Description

i DK 174156 B1

Opfindelsen angår et vind- og bølgeenergianlæg, omfattende en vindmølle med en rotor og en bølgeaktiveret vandpumpe, som kan drive en turbine, hvis udgangsaksel står i drivforbindelse med en elgenerator.

5 US 5,549,445 beskriver en på havet flydende platform til udvinding af vind- og bølgeenergi, hvor et nedadtil frit åbent turbinekammer er omsluttet af en ringformet ponton. Omkring pontonen er arrangeret et stort antal bølgeaktiverede pumper, som drives af 10 neddykkede drivorganer, og som suger vand ud af turbinekammeret, således at vandet stiger op gennem kammeret og derved passerer en i kammeret neddykket elgenerator med tilhørende turbine. Oven over turbinen er der i kammeret endvidere anbragt et pumpehjul, som drives 15 direkte af en vindmølle med lodret aksel og derved også pumper vand op gennem kammeret forbi turbinen. Vandet, som passerer dette pumpehjul, ledes ud til omgivelserne gennem åbninger i den øverste del af turbinekammerets væg.

2 0 Ved anlæg til udvinding af energi fra vind og bølger afhænger den endelige pris af den producerede energi dels af anlægsomkostningerne og dels af den totale virkningsgrad. De kendte anlæg er generelt temmelig komplekse og derfor dyre at bygge, og endvi-25 dere er de opnåede virkningsgrader ikke optimale.

Den foreliggende opfindelse har til formål at anvise et vind- og bølgeenergianlæg, som er af en enklere konstruktion og har en bedre ydelse end de kendte anlæg.

30 Med henblik herpå er anlægget ejendommeligt ved, at vindmøllen omfatter et rørformet mølletårn, som er fast forankret til havbunden, og som mellem havoverfladen og møllens rotor omslutter en lagertank, som ved hjælp af pumpen kan fyldes med vand via en kontra-35 ventil, og hvorfra vand kan ledes til turbinen.

DK 174156 B1 2 På denne måde kan der ved hjælp af ét og samme element, nemlig et fast forankret mølletårn, opnås to væsentlige fordele i kombination, nemlig bedre udnyttelse af vindenergien, idet møllens rotor hæves til 5 en højde, hvor vinden er kraftig, og samtidig en bedre udnyttelse af bølgeenergien, idet der ved at pumpe havvand ind i mølletårnet og lagre vandet der, kan opnås et så stort trykfald over turbinehjulet, at turbinens virkningsgrad er væsentlig højere end ved de 10 kendte anlæg, eksempelvis op til omkring 20%. Der kan således opnås en større produktion af energi uden ekstra fordyrende konstruktionselementer, såsom eksempelvis separate fundamenter for en vindmølle og et bølgeenergianlæg, eller flere, større pumper.

15 Endvidere kan der opnås en bedre kvalitet af den producerede elektricitet, idet turbinens omløbstal kan holdes i det væsentlige konstant, uanset at vandstrømmen fra den bølgeaktiverede pumpe kan variere afhængigt af bølgernes udbredelseshastighed og størrelse. En 20 varierende vandstrøm fra pumpen udlignes nemlig ved en buffervirkning som følge af den oplagrede vandmængde i lagertanken. Generatoren, som drives af turbinen, kan følgeligt levere strøm med en mere ensartet frekvens og spænding, hvilket er en væsentlig kvalitetsparameter.

25 I en fordelagtig udførelsesform er lagertanken langstrakt og udstrækker sig i det væsentlige fra området omkring havoverfladen til området ved rotoren.

På denne måde kan stort set hele mølletårnets længde udnyttes til samtidigt at opnå et stort trykfald over 30 turbinen med deraf følgende stor virkningsgrad og en stor volumen af oplagret vand, hvorved muliggøres særlig jævn drift af turbinen.

I en konstruktionsmæssig særlig fordelagtig udførelsesform udgøres mølletårnet af et slankt rør, 3 5 som i sig selv danner væg for lagertanken. Herved 3 DK 174156 B1 spares materialer til udformning af en separat lagertank i tårnet, idet tårnet blot skal lukkes ved bunden.

Turbinen og den tilhørende elgenerator kan med fordel være anbragt i mølletårnet under lagertanken. På 5 denne måde kan turbinens indløb være placeret i umiddelbar forlængelse af lagertanken, hvorved særdeles gunstige strømningsforhold kan opnås ved indløbet med yderligere bedre virkningsgrad og ensartet drift til følge. Endvidere kan et separat hus for turbinen og ge-10 neratoren undlades, og disse komponenter ligger særdeles godt beskyttet mod vejrlig i mølletårnet, idet dette som følge af sin højde må være af kraftig konstruktion. Der muliggøres således en særlig driftssikker funktion.

15 Ligeledes kan pumpen og kontraventilen fortrinsvis være integreret i mølletårnet, hvorved der opnås korte strømningsveje med deraf følgende mindre tab og endvidere en enkel og robust konstruktion.

I en særlig kompakt udførelsesform har mølletårnet 20 et fodafsnit, hvor turbinen og generatoren er anbragt centralt i forlængelse af hinanden, og hvori et støbt fundament for møllen rager centralt op, og pumpen er en stempelpumpe med et eller flere stempler, som kan bevæge sig op og ned i et område, som omslutter et 25 eller flere af elementerne turbine, generator eller fundament. På denne måde kan turbinens indløb placeres nær ved havets overfladeniveau, hvilket muliggør højere vandsøjle over turbinen, samtidigt med at pumpens stempler kan have en passende lang slaglængde, idet 30 disse kan være anbragt ud for turbinen, generatoren eller fundamentet i mølletårnets højderetning. Da pumpestemplerne således ligger perifert i mølletårnet umiddelbart inden for dettes ydervæg, kan de på enklere måde forbindes med uden for tårnet beliggende bølgeak-35 tiverede drivorganer.

DK 174156 B1 4 I en foretrukken udførelsesform kan pumpestemplet eller pumpestemplerne bevæges af et bølgeaktiveret, langstrakt drivorgan, såsom et flydelegeme, som udstrækker sig i det væsentlige i diametral retning i 5 forhold til tårnet, og som omkring tårnets fodafsnit er lejret drejeligt omkring tårnets længdeakse. Drivorganet kan på denne måde dreje sig i forhold til de indkommende bølger afhængigt af disses udbredelsesretning, således at drivorganets længdeakse ligger i 10 det væsentlige parallelt med bølgetoppene, hvorved mest mulig af bølgernes energi overføres til drivorganet, idet dette påvirkes af en jævn opadrettet kraft over hele sin længde. Ved at lejre drivorganet omkring tårnets længdeakse kan det på enkel og robust måde 15 forbindes med inden i tårnet beliggende pumpestempler. Endvidere opnås der den fordel, at drivorganet påvirkes af en ekstra vandhævning, som forekommer ved opbremsning af en del af en indkommende bølge, idet denne rammer mølletårnets fodafsnit og det nedenunder be-20 liggende fundament.

Drivorganet kan endvidere have form af et flydele-geme, som i området omkring tårnet har et særligt stort opdriftsvolumen, hvorved den ovenfor omtalte ekstra vandhævning kan udnyttes bedre.

25 I en fordelagtig udførelsesform omfatter anlægget en sensor til registrering af bølgernes udbredelsesretning og et styresystem til afhængigt af den registrerede retning og ved hjælp af en fortrinsvis elektrisk aktuator at indstille drivorganet således, at 30 dets længdeakse ligger i det væsentlige parallelt med bølgetoppene. Herved kan drivorganets orientering optimeres i forhold til bølgernes udbredelsesretning, således at drivorganet påvirkes af størst mulig opadrettet kraft fra bølgetoppene. Endvidere behøver 35 drivorganet så ikke at udformes således, at det selv 5 DK 174156 B1 indstiller sig stabilt efter bølgernes retning, eksempelvis kan et område med særligt stort opdriftsvolumen ved hjælp af aktuatoren holdes konstant ved den side af mølletårnet, som vender mod de indkommende 5 bølger.

Tårnets fundament kan under havoverfladen have nedad tiltagende diameter. Herved kan bevirkes en forstærkning af den ekstra vandhævning, som forekommer ved opbremsning af en indkommende bølge, idet fundamen-10 tet kan danne en opadgående rampe for bølgerne.

I en udføre Ise s form er den ved havoverfladen beliggende del af tårnets ydervæg er af metal, og der omfattes organer til elektrisk opvarmning af denne del af ydervæggen. På denne måde kan smeltes is, som i 15 nogle tilfælde ellers kan hæmme drivorganets funktion, eller skade tårnet hvis isskruning opstår.

Opfindelsen vil i det følgende blive forklaret nærmere ved hjælp af eksempler på udførelsesformer under henvisning til den skematiske tegning, på hvilken 20 fig. 1 viser i perspektiv et vind- og bølgeenergi anlæg ifølge opfindelsen, fig. 2 vind- og bølgeenergianlægget i fig. 1 set fra en anden vinkel, fig. 3 et delvist aksialt snit gennem anlægget i 25 fig. 1, og fig. 4 et delvist aksialt snit gennem anlægget langs linien IV-IV i fig. 3

Fig. 1 viser et vind- og bølgeenergianlæg 1 til forankring på havbunden, omfattende et rørformet mølle-30 tårn 2, en møllerotor 3 og et langstrakt flydelegeme 4. Møllerotoren 3 er en såkaldt HAWT (Horizontal Axis Wind Turbine), hvis vandrette aksel driver en elgenerator 5 placeret ved toppen af tårnet 2. Mølletårnet 2 kan være fremstillet af stål og kan eksempelvis være 100 meter 3 5 højt, hvor møllegeneratoren 5 eksempelvis kan være på DK 174156 B1 6 2 MW. Anlægget kan imidlertid bygges i mange forskellige størrelser. Tårnet 2 har forneden et fodafsnit 6, som i fig. 3 er vist i aksialt snit.

I fig. 3 ses fodafsnittet 6 monteret på havbunden 5 ved hjælp af et støbt betonfundament 7, som har et øvre cylindrisk afsnit 9, som rager et stykke op i fodafsnittet. Fundamentet 7 har endvidere et nedre afsnit 8, hvor diameteren er nedad tiltagende, således at bølger, som bevæger sig ind mod fundamentet, presses opad mod 10 flydelegemet 4. Fundamentets højde kan tilpasses den aktuelle vanddybde. Forankringen muliggør endvidere, at tårnet kan fyldes med vand, og at de store opadrettede kræfter på flydelegemet 4 kan udnyttes til energifremstilling .

15 Flydelegemet 4, som i fig. 3 kun er vist delvist, er lejret omkring fodafsnittet 6 således, at det kan dreje omkring mølletårnets længdeakse og forskydes op og ned, idet det flyder på forbipasserende bølger. Ved hjælp af flere lodret forløbende holdearme 10 er 20 flydelegemet 4 via et ved bunden af fodafsnittet anbragt omdrejningsleje 11 forbundet med flere inden i fodafsnittet beliggende lodret forskydelige pumpestænger 12 med tilhørende pumpestempler 13. Lejet 11 forløber hele vejen rundt om betonfundamentets cylin-25 driske afsnit 9, således at flydelegemet 4 kan dreje sig omkring lejets lodrette drejeakse til en hvilken som helst vinkelstilling, og kan eksempelvis være udformet som et i sig selv kendt rulleleje. Holdearmene 10 og pumpestængerne 12 er alt efter den aktuelle 30 geografiske placering af anlægget dimensioneret så tilpas lange, at flydelegemet 4 kan bevæge sig tilstrækkeligt langt op og ned med bølgerne til at kunne udnytte energien bedst muligt under de fleste forekommende vejrforhold.

7 DK 174156 B1

Hvert pumpestempel 13 er lejret lodret forskydeligt i en pumpecylinder 14, som er placeret i et ringformet område mellem en rundtgående ydervæg 15 af fodafsnittet 6 og et indre rør 16, som er en forlæn-5 gelse af selve mølletårnet 2. Pumpestemplet opdeler således cylinderen 14 i et nedre pumpekammer 19 og et øvre pumpekammer 20. Ved en første pumpecyklus bevæger pumpestemplerne 13 sig først opad som følge af en forbi tårnet passerende bølge, som løfter flydelegemet 4, og 10 herved suges der gennem ikke viste kontraventiler vand fra havet og ind i hver cylinder i det nedre pumpekammer 19 under stemplet. Vandet kan eksempelvis suges ind gennem en i fig. 4 vist åbning 17 i ydervæggen 15. Når bølgetoppen bevæger sig væk fra tårnet, bevæger flyde-15 legemet sig nedad under indflydelse af sin egenvægt, hvorved stemplerne 13 føres med ned i deres cylindre 14. I hvert stempel 13 er der anbragt en kontraventil 18, som tillader vand at strømme fra det nedre pumpekammer 19 til det øvre pumpekammer 20, men ikke i 20 modsat retning. Ved den nedadgående stempelbevægelse strømmer vandet derfor fra det nedre til det øvre pumpekammer. Ved de efterfølgende pumpecykler pumpes der via en kontraventil 21 ved hver opadgående bevægelse af pumpestemplet vand ud af det øvre pumpekam-2 5 mer 20 og ind i en lagertank 22, som udgøres af den over fodafsnittet 6 beliggende hule del af mølletårnet 2, samtidigt med at der suges vand ind i det nedre pumpekammer 19. Der kan i øvrigt anvendes en eller flere pumper, og disse kan være udformet på mange 30 forskellige måder, og kontraventilerne kan være placeret anderledes og være af forskellige kendte typer.

Ved fortsat drift af pumpestemplerne 13 kan lagertanken i mølletårnet 2 fyldes helt eller delvist med vand, således at der opbygges et forholdsvist stort 35 vandtryk ved bunden af mølletårnet, eksempelvis 10 til DK 174156 B1 8 12 bar i forhold til omgivelserne. Lagertanken 22 kan eventuelt være lukket foroven, således at der oven over vandoverfladen i tårnet ligger et luftvolumen, som komprimeres ved opfyldning af tårnet. På denne måde kan 5 skabes et endnu større tryk i lagertanken. Ved bunden af lagertanken 22 er der centralt i tårnrøret 2 anbragt en turbine 2 3 med et indløb 24, som er åbent op i lagertanken, og et udløb 25, som er åbent til omgivelserne gennem sidevæggen 15 af fodafsnittet 6, se fig.

10 4. Turbinen har skovlblade 26, som drejer en turbineaksel 27, som via et gear 28 driver en elgenerator 29, som for det viste anlæg eksempelvis kan være på 3 MW. Turbineakslen forløber lodret ned gennem en tætnende skillevæg 30, som beskytter gear og generator mod vand.

15 I den viste udførelsesform ligger generatoren oven på betonfundamentet 7, men den kunne også ligge i en udsparing i dette, eventuelt sammen med gear og/eller turbine.

Som følge af det store trykfald over turbinen i 20 forhold til kendte anlæg, hvor der ikke benyttes en lagertank, kan der anvendes en højtryksturbine, eksempelvis en såkaldt francisturbine, som har en væsentlig større virkningsgrad end en lavtryksturbine, som anvendes i kendte anlæg. Den store vandmængde, som kan 25 lagres i tårnet, muliggør at turbinen kan køre med et veldefineret omløbstal i vid udstrækning uafhængigt af variationer af den indpumpede vandstrøm. Gearet 28 kan have forskellige udvekslinger, således at flere turbinehastigheder er mulige ved en generatorhastighed, som 30 resulterer i en i det væsentlige fast frekvens af den genererede strøm, eksempelvis 50 Hz.

Drivorganet 4 kan udformes på forskellige måder, idet det er langstrakt og placeret med sin længdeakse i det væsentlige vinkelret på tårnaksen og drejelig 35 omkring denne. Den viste udførelsesform ses i fig. 1 9 DK 174156 B1 skråt forfra, forstået på den måde, at flyderen 4 er indstillet passende i forhold til bølger, som bevæger sig ind mod papirets plan, lidt skråt fra venstre. I fig. 2 ses den skråt bagfra. I fig. 1 ses det, at 5 flyderen har et midterområde 31 med særligt stort opdriftsvolumen med henblik på udnyttelse af den ekstra vandhævning, som forekommer, når indkommende bølger rammer tårnfundamentet. Midterområdet 31, som forbinder to flyderarme 32, er derfor placeret foran tårnet, 10 vendt mod de indkommende bølger. Med denne udformning af flyderen kan den ikke selv indstille sig i den viste stilling, idet stillingen vil være ustabil, og derfor er den styret ved hjælp af en ikke vist elektrisk servomotor. Motoren styres elektronisk på basis af 15 målesignaler fra en sensor, som registrerer bølgernes udbredelsesretning. Sensoren kan eventuelt være en flowmåler af kendt type, eller omfatte flere trykmålere placeret i vandet rundt omkring tårnet. Flyderen kan imidlertid godt være udformet således, at den selv ind-20 stiller sig i en stabil stilling med sin længdeakse parallelt med bølgetoppene. Dette sker, hvis flyderen har en midterakse, som ligger bag ved omdrejningsaksen.

Ved at kunne indstilles parallelt med bølgetoppene udnytter drivorganet ifølge opfindelsen bølgeenergien 25 bedre end kendte drivorganer, idet en større del af det hævede vandvolumen påvirker drivorganet.

Drivorganet 4 kan være en flyder, som kan være hul eller porøs, men den kan også udformes som et skovlblad, eventuelt med en facon lignende en omvendt sne-30 skraber. Et sådant skovlblad kan være enklere og derfor billigere at realisere. I denne udførelsesform kan drivorganets nedadgående bevægelse være begrænset af et anslag, som ved hjælp af en aktuator, eksempelvis en servomotor, kan højdereguleres afhængigt af den aktuel-35 le vandstand, således at skovlbladet holdes i passende DK 174156 B1 10 højde til, at indkommende bølger kan løfte skovlbladet op. Denne aktuator kan styres på basis af målesignaler fra en vandstandsmåler, eksempelvis en flyder.

Drivorganet 4 skal dimensioneres afhængigt af de 5 fremherskende vejrforhold på anlægsstedet. Således må længden og opdriftsvolumenen eller skovlfladen langs organets længdeakse afpasses efter forekommende bølgelængder, -amplituder og -frekvenser, idet der vælges et passende kompromis ud fra de forskellige forekommende 10 forhold. Drivorganet 4 kan eventuelt lejres med mulighed for begrænset vipning omkring en akse vinkelret på såvel organets egen længdeakse og tårnets længdeakse, og ligeledes eventuelt begrænset drejeligt omkring sin længdeakse, hvorved drivorganet vil kunne følge bølger-15 nes bevægelse nøjere. Med henblik på at skåne drivorganet for isdannelser om vinteren kan fodafsnittets yderkappe eventuelt opvarmes til smeltning af isen, eller drivorganet kan være lejret på tårnet med mulighed for at hæve det op over isen til en ikke aktiv 20 stilling. Det beskrevne drivorgan 4 med tilhørende pumpe- og turbinesystem er i sig selv en separat opfindelse, som kan anvendes som bølgeenergianlæg uden en vindmølle, idet systemet blot kan monteres på et eget fundament på havbunden.

25 Tårnet 2 kan være overfladebehandlet på inder- og ydersiden på kendt vis og eventuelt yderligere være forsynet med katodisk korrosionsbeskyttelse.

Claims

2. Vind- og bølgeenergianlæg ifølge krav 1, kendetegnet ved, at lagertanken (22) er langstrakt og i det væsentlige udstrækker sig fra 15 området omkring havoverfladen til området ved rotoren (3) .
3. Vind- og bølgeenergianlæg ifølge krav l eller 2, kendetegnet ved, at mølletårnet (2) udgøres af et slankt rør, som i sig selv danner væg for 2. lagertanken (22) .
4. Vind- og bølgeenergianlæg ifølge et af de ovenstående krav, kendetegnet ved, at turbinen (23) og den tilhørende elgenerator (29) er anbragt i mølletårnet (2) under lagertanken (22) , og at 25 pumpen (12, 13, 14) og kontraventilen (21) fortrinsvis er integreret i mølletårnet (2).
5. Vind- og bølgeenergianlæg ifølge et af de ovenstående krav, kendetegnet ved, at mølletårnet (2) har et fodafsnit (6), hvor turbi- 30 nen (23) og generatoren (29) er anbragt centralt i forlængelse af hinanden, og hvori et støbt fundament (7) for møllen rager centralt op, og at pumpen (12, 13, 14) er en stempelpumpe med et eller flere stempler (13) , som kan bevæge sig op og ned i et DK 174156 B1 område, som omslutter et eller flere af elementerne turbine (23), generator (29) eller fundament (7).
6. Vind- og bølgeenergianlæg ifølge et af de ovenstående krav, kendetegnet ved, at 5 pumpestemplet (13) eller pumpestemplerne kan bevæges af et bølgeaktiveret, langstrakt drivorgan (4), såsom et flydelegeme, som udstrækker sig i det væsentlige i diametral retning i forhold til tårnet (2), og som omkring tårnets fodafsnit (6) er lejret drejeligt 10 omkring tårnets længdeakse.
7. Vind- og bølgeenergianlæg ifølge krav 6, kendetegnet ved, at drivorganet (4) har form af et flydelegeme, som i området omkring tårnet har et særligt stort opdriftsvolumen (31) .
8. Vind- og bølgeenergianlæg ifølge krav 6, kendetegnet ved, at anlægget omfatter en sensor til registrering af bølgernes udbredelsesretning og et styresystem til afhængigt af den registrerede retning og ved hjælp af en fortrinsvis elektrisk 20 aktuator at indstille drivorganet (4) således, at dets længdeakse ligger i det væsentlige parallelt med bølgetoppene.
9. Vind- og bølgeenergianlæg ifølge et af de ovenstående krav, kendetegnet ved, at 25 tårnets fundament (7) under havoverfladen har nedad tiltagende diameter.
10. Vind- og bølgeenergianlæg ifølge et af de ovenstående krav, kendetegnet ved, at den ved havoverfladen beliggende del af tårnets (2) yder-30 væg (15) er af metal, og at der omfattes organer til elektrisk opvarmning af denne del af ydervæggen.