DK176883B1 - Apparat til udvinding af bølgeenergi - Google Patents

Description

5 DK 176883 B1 10 1. Opfindelsens område 15 Denne opfindelse omhandler en ny udformning af et apparat til udvinding af bølgeenergi, hvorved den mekaniske energi indeholdt i bølger kan omsættes til en brugbar energiform.

Mere specifikt relaterer denne opfindelse sig til en udformning af et apparat, hvormed bølgeenergi kan udvindes ved at udnytte den oscillerende 20 horisontale komponent af bølgebevægelsen i en række punkter langs en stationær flydende struktur. Grundet apparatets specielle udformning vil konstruktion og anlægsomkostninger være lave, hvorfor det vil være muligt at udvinde bølgernes energi på en hidtil uset økonomisk måde.

Som følge af de lave anlægsomkostninger kan den her omtalte apparattype 25 anvendes selv i kystnære områder og indre farvande hvor bølgernes form og størrelse normalt ikke ville tillade installation af kommercielt bæredygtige bølgekraftanlæg.

En yderligere anvendelse af det her omtalte apparat er som kystsikring. Idet apparatet dræner den kinetiske energi ud af bølgebevægelsen, vil en 30 installation af denne type apparater have en dæmpende effekt på de bølger der når kysten.

En yderligere fordel ved det her omtalte apparat er, at det har lille eller ingen synlighed i det miljø hvori det opererer. Grunden til dette er, at apparatet 35 opererer helt eller delvist neddykket under vandoverfladen hvorfor dets visuelle profil er lav.

En yderlige fordel ved det her omtalte apparat er, at det grundet dets opbygning af små selvstændigt virkende enheder ikke er funktionskritisk, hvis enkelte af disse enheder bliver defekte. Anlægget vil stadig fungere - blot 40 med let nedsat effekt, selvom der er defekte enheder. Disse defekte enheder kan således repareres eller udskiftes en ad gangen, når dette er betimeligt.

2. Beskrivelse af prior art.

Igennem tiderne har talrige apparater og metoder været forslået for at 45 udvinde den kinetiske eller potentielle energi fra bølger og omsætte denne energi til en anvendelig form, denne form værende mekanisk energi, elektrisk energi eller varme.

DK 176883 B1

Betragtes en bølge på en vandoverflade fås det fejlagtige indtryk, at bølger er søjleformede legemer af vand der oscillerer i det vertikale plan, uden at nogen horisontal bevægelse forekommer.

5 Projiceres bølgebevægelsen på et lodret plan vinkelret på bølgens udbredelsesretning erkendes imidlertid at en bølgebevægelse ikke er en endimensional, men en todimensional bevægelse. Dette kan f.eks. erkendes ved at iagttage bevægelsesmønsteret af et element der flyder på en bølgende vandoverflade. Optegnes det flydende elements bevægelse ses, at dette 10 beskriver en cirkulerende bevægelse, vinkelret på vandoverfladen og parallelt med bølgens udbredelsesretning.

Udmåles den kinetiske energi af en bølge i det vertikale plan vinkelret på bølgens udbredelsesretning afsløres det, at den middelkinetiske energi i dette plan er ækvivalent til den potentielle energi i bølgerne som følge af forskellen 15 imellem bølgedal og bølgetop.

I en bølgebevægelse optræder således et konstant skift imellem kinetisk og potentiel energi meget analog til det skift imellem kinetisk og potentiel energi, der forekommer i et penduls oscillerende bevægelse.

20 En lang række forskellige udformninger af bølgekraftanlæg findes i litteraturen.

I litteraturen er den hyppigst forekommende type anlæg udstyret med tøjrede flydere der udnytter højdeforskellen imellem bølgetop og bølgedal. Som 25 eksempel på denne type anlæg kan nævnes US patent 870706 hvor en række flydere bevæger sig op og ned drevet af variationerne i vandoverfladens højde.

En virkemåde ækvivalent til ovennævnte anvendes i europæisk 30 patentansøgning EP 1045138A2 hvor bølgers energi anvendes til at tiyksætte et rør hvorfra en strøm af tryksat vand kan tappes.

En metode til direkte at udvinde elektrisk energi med en punktformet bøje er præsenteret i US patent 5347186. Dette patent omhandler generation af 35 elektrisk energi ved hjælp af en lineær generator indeholdende en bevægelig magnet. Såfremt generatoren accelereres langs med magnetens bevægelsesretning vil nævnte magnet forskydes internt i generatoren hvilket kan udnyttes til at generere elektrisk energi. Anbringes en eller flere af denne type generatorer på en bøje vil disse generatorer kontinuert generere 40 en elektrisk energi qua bøjens konstante bevægelse. Om end denne type generatorer nemt kan installeres på eksisterende bøjer og virke som strømforsyning for disse, er denne type generatorer ikke egnede til at generere en elektrisk effekt der kan godtgøre bøjens installationsomkostninger.

Et vigtigt problem for samtlige af de ovennævnte anlæg er, at deres nytteeffekt er lav relativt til anlægsomkostningerne. Den lave nytteeffekt 45 DK 176883 B1 skyldes at denne type anlæg kun kan udtage energi over et areal svarende til flyderens areal. Da den anvendte flyder er langt mindre end en typisk bølgelængde sættes således en skarp begrænsning på den maksimale teoretiske ydelse pr. flyder idet flyderen kun påvirker en lille del af bølgens 5 areal.

Om end anlæg med vertikalt bevægelige flydere er intuitivt lettest at forstå findes der i litteraturen også omtalt anlæg hvor den horisontale og ikke den vertikale komposant af bølgens energi udnyttes.

10 Et af det tidligste kendte eksempler på denne type anlæg findes i US patent 875950 hvor en række neddykkede modstandselementer tvinges frem og tilbage som følge af den horisontale komposant i den cirkulerende bølgebevægelse. Modstandselementerne ifølge US patent 875950 svinger ikke frit, men hæmmes i deres bevægelse af en eller flere pumpeenheder der som 15 følge af modstandselementernes tvungne bevægelse tvinger havvand under tryk ind i et opsamlingsrør. Dette opsamlingsrør føres til en turbinestation hvor det tryksatte havvand anvendes til at drive en turbine.

Et problem forbundet med princippet beskrevet i US patent 875950 er, at modstandselementerne er ophængt som vertikalt hængslede døre. I praksis 20 betyder dette, at kun en lille del af modstandselementerne bevæger sig med optimal hastighed i forhold til den drivende bølge idet delen tæt på omdrejningspunktet vil bevæge sig for langsomt i forhold til bølgens horisontale bevægelse, mens modstandselementernes del fjernest fra ophængningspunktet vil bevæge sig for hurtigt i forhold til bølgens 25 horisontale bevægelse.

Et yderligere forhold, der gør apparatet beskrevet i US patent 875950 uanvendelig i praksis er, at den horisontale komposant af bølgens bevægelse aftager med dybden. Således vil den horisontale komposant af bølgebevægelsen være udslukt nær bunden af modstandselementeme.

30

En lignende, men mere effektiv metode til at anvende bølgernes horisontale komposant findes beskrevet i WO ansøgning 9817911. Til forskel fra fremgangsmåden beskrevet i US patent 875950 er modstandselementet her forankret hængslende på havbunden, hvilket medfører at der ikke er stor 35 uoverensstemmelse imellem bølgens bevægelse og modstandselementets bevægelse. Yderligere har denne opfindelse den fordel, at den ikke indeholder væsentlige statiske elementer der skal stå fast i forhold til vandes relative bevægelse, hvilket reducerer vandmassernes kraftpåvirkning på anlægget.

40 Et fælles problem for de ovenfor nævnte metoder til udnyttelse af bølgers energi er at anlægsomkostningerne er voldsomme relativt til den installerede nytteeffekt. Dette forhold skyldes at eksisterende metoder til udnyttelse af bølgekraft er baseret på lokalt forankrede punktformede modstandselementer. Disse lokale forankringspunkter skal være voldsomt 45 overdimensionerede da de skal kunne klare de belastninger der måtte opstå under en storm.

DK 176883 B1

Da udlægnings og forankringsomkostningerne udgør en stor del af de totale anlægsomkostninger er der således en tilnærmelsesvis proportionalitet imellem den energi anlægget potentielt kan generere de omkostninger der er forbundet med anlægget.

5 3. Sammenfatning af opfindelsen

Det er formålet med denne opfindelse at anvise et apparat til udnyttelse af 10 den horisontale komposant af bølgers oscillerende bevægelse hvor en betydelig reduktion af den summerede kraftbelastning på det samlede apparat og hermed en betydelig reduktion af anlægsomkostningerne på apparatet opnås.

Denne og andre fordele opnås ved at udforme apparatet som en langstrakt 15 flydende struktur der ikke lader sig bevæge væsentligt af bølgernes horisontale oscillerende bevægelse og på denne montere en række modstandselementer der ved bølgernes påvirkning påtvinges en oscillerende bevægelse parallelt med den langstrakte flydende struktur. Ved at placere tre eller flere af disse modstandselementer således at deres indbyrdes 20 oscillerende bevægelse er ude af fase med hinanden reduceres den summerede kraftpåvirkning på apparatet.

I en fortrukken udformning udlægges et apparat over en længde der svarer til mere end en bølgelænge. Såfremt et stort antal modstandselementer monteres på dette apparat vil den summerede oscillerende belastning fra alle 25 modstandselementer være langt mindre end den numeriske sum af modstandselementernes enkeltbelastning grundet disses indbyrdes faseforskydning.

I en fortrukken udførselsform orienteres apparatet parallelt til bølgernes 30 udbredelses retning ved hjælp af et eller flere forankringspunkter.

For at lette udlægning og service af apparatet er det en stor fordel at dette opbygges af delelementer hver med en længde sammenlignelig med middelafstanden imellem to modstandselementer. I en fortrukken 35 udførselsform opbygges apparatet derfor af en række moduler med en længde mindre end apparatets samlede længde.

En metode til at nyttiggøre den energi der kan udvindes som følge af den tvungne bevægelse af modstandselementerne langs med den langstrakte 40 flydende struktur er ved at overføre kraften til hydraulisk tiyk. Enten kan dette hydrauliske tryk transmitteres i et lukket hydraulisk system eller også kan det hydrauliske tryk opbygges ved at pumpe havvand ind i et eller flere rør der er indeholdt i den langstrakte flydende struktur. Herved opnås at energi fra mange modstandselementer kan samles og udvindes centralt.

45 DK 176883 B1 I en fortrukken udførselsform vil en bevægelse af modstandselementene i relativt til den stationære struktur medføre opbygning af hydraulisk tryk hvorfra nyttig energi kan udvindes.

5 Såfremt formålet med den flydende struktur er at udvinde elektrisk energi kan det under visse omstændigheder være en fordel at montere en del af en lineær generator på den langstrakte flydende struktur og en anden del af en lineær generator på et modstandselement. Således vil en bevægelse af modstandselementet relativt til den langstrakte struktur resultere i 10 generering af elektrisk energi.

I en fortrukken udførselsform vil en bevægelse af modstandselementene relativt til den stationære struktur medføre generering af elektrisk energi.

Kort Beskrivelse af tegninger 15

Figur 1 I figur 1 er skematisk angivet hvorledes en bølgebevægelse kan beskrives som en superposition af et antal roterende bevægelse.

Figur 2 Skematisk tegning af modstandselement monteret på en 20 stationær struktur.

Figur 3 Tre modstandselementer udlagt på samme styrkegivende streng.

Figur 4 Detaljeret udformning af modstandselement. Bemærk, at den på 25 modstandselementets monterede plade afstives af stag hvorved en meget stor stivhed af konstruktionen opnås.

Figur 5 Et eller flere modstandselementer kan samles i moduler der sammenføjes til det endelige anlæg ved udlægning. Opdelingen af 30 det samlede apparat i moduler resulterer i langt lettere installation og vedligehold.

Figur 6 Apparat til udnyttelse af bølgeenergi i kystnært vand ifølge opfindelsen.

35

Figur 7 Udlagt apparat til udnyttelse af bølgeenergi i et farvand hvor bølgeretningen kan variere kraftig eller hvor der skal optages tværkræfter som følge af strøm 40 Figur 8 Detaljeret udformning af en mulig mekanisk løsning der muliggør opbygning af et hydraulisk tryk som følge af en relativ bevægelse imellem modstandselement og stationære struktur.

Figur 9 Et stort antal apparater udspændt over et kystnært areal.

Detaljeret beskrivelse af opfindelsen 45 DK 176883 B1 På trods af at en bølge er fremadskridende er den reelle bevægelse af et tilfældigt vandvolumen en oscillation i både det vertikale og i det horisontale plan. Det er denne opfindelses formål at udnytte den horisontale del af 5 bølgens oscillerende bevægelse til at udvinde energi. Et yderlige formål med denne opfindelse er, at anvise et apparat til udnyttelse af den horisontale komposant af bølgers bevægelse, hvor der ikke er proportionalitet imellem antallet af modstandselementer og anlægsomkostninger. Det er yderligere formålet med denne opfindelse at anvise en forankringsmetode for dette 10 apparat, der sikrer særdeles lave installationsomkostninger.

Disse og yderligere fordele opnås ved at udforme et apparat bestående af mindst en aflang stationær struktur hvorpå en række uafhængigt af hinanden bevægelige modstandselementer monteres. Disse 15 modstandselementer karakteriseret ved at de, indenfor et givent længdeinterval, kan bevæge sig langs den stationære struktur. Under påvirkning af en bølgebevægelses horisontale komposant påtvinges disse modstandselementer en relativ vandring i forhold til den stationære struktur. Denne relative vandring imellem disse to dele kan anvendes til 20 udvinding af energi.

I figur 2 er skematisk vist et såkaldt modstandselement der er monteret på en stationær struktur (1). På den stationære struktur (1) er monteret en eller flere forhindringer (2) der begrænser modstandselementets (3) frie bevægelse 25 parallelt med den stationære struktur langsgående akse. I figur 8 er vist hvorledes en forhindring (2) sammen med et endestop (4a, 4b) begrænser den længde, hvorover modstandselementet (3) kan vandre. Placeringen af endestop i figurene 2 og 8 er eksemplarisk og på ingen måde udtømmende, idet andre former for begrænsende elementer kan indføres ifølge opfindelsen.

30 I en anden lige så foretrukken udførselsform er modstandselementets (3) vandring hæmmet af to forhindringer, nemlig en i hver ende af modstandselementets vandring. Den tilladte vandring af modstandselementet (3) kan med fordel vælges således at denne ikke overskrider en typisk bølgelængde i det farvand, hvori apparaturet påtænkes 35 anvendt.

En afgørende fordel ved bølgekraftanlæg ifølge denne opfindelse er, at ikke alle modstandselementer på den stationære struktur påvirkes samtidigt og i samme retning. I figur 3 er vist et tænkt eksempel hvor tre 40 modstandselementer (3a, 3b, 3c) er anbragt på samme stationære struktur (1). Under de tre modstandselementer (3a, 3b, 3c) er med en pil angivet den retning hvormed bølgen påvirker de tre elementer under forudsætning af, at bølgens udbredelsesretning er fra venstre imod højre. Bemærk, at den resulterende kraft på den stationære struktur vil være mindre end den 45 opsummerede numeriske kraft af enkeltelementerne, da en eller flere af de kræfter de påvirker den stationære struktur (1) er modsatrettede.

DK 176883 B1 I praksis vil man ikke placere modstandselementerne (3a, 3b, 3c) så tæt som i figur 3, men udbrede dem over en eller flere bølgelængder. Effekten vil være at den resulterende nettopåvirkning i forankringspunkterne være lavere end det summerede numeriske bidrag fra de enkelte modstandselementer, idet 5 trækket fra de forskellige modstandselementer vil udligne hinanden.

Figurene 4 og 5 viser en mulig udformning af større modstandselementer hvor de resulterende kræfter og dimensioner må forventes at være store. I figur 4 vises således hvordan det er muligt at øge stivheden af et 10 modstandselement ved at montere eksterne stivere. I figur 5 vises hvorledes den langtstrakte stationære struktur kan tænkes at blive opbygget af en række mindre moduler. Sektionen i figur 5 har en længde der tillader montage af 3 modstandselementer. Bemærk, at sektionen vist i figur 5 er monteret med langsgående stag (1) der er fastgjort i holdeplader (2). Formålet 15 med disse stag er at afstive konstruktionen og dermed forhindre vridning af denne som følge af påvirkning fra modstandselementerne (3). I figur 5 bemærkes yderligere at de langsgående stag i konstruktionens fjerne ende føres til samme punkt, medens stagene i konstruktionens nære ende afsluttes på en holdeplade. I den fjerne ende vil stagene overføre deres 20 kræfter til en forankringstrosse eller et andet forankrende element medens stagene i den nære ende vil kunne blive forbundet til et andet modul ved sammenkobling igennem forankringspladen.

Grundet den udjævnende effekt af mange modstandselementer der påvirkes i 25 forskellig retning, vil det være muligt med kun et eller to forankringspunkter, selv for meget lange stationære strukturer. I figur 6 er vist en typisk kystnær udlægning hvor den ene ende af den styrkebærende streng er forankret i to punkter, det ene punkt nær kysten og det andet punkt i stor afstand fra kysten. Idet kun to forankringspunkter er påkrævet er 30 anlægsomkostningerne for denne type anlæg ekstremt små. En yderligere fordel ved netop denne fremgangsmåde er, at den energi der skal udtages fra apparatet kan udtages på land hvilket dramatisk reducerer omkostningerne til løbende vedligehold af systemet.

35 Såfremt et anlæg etableres i et farvand med varierende bølgeretninger eller stærk strøm kan det være nødvendigt at etablere forankringspunkter langs med den stationære struktur som vist i figur 7. På trods af at disse ekstra forankringspunkter vil fordyre anlægget, vil anlægsomkostningerne ikke vokse proportionalt med antallet af forankringspunkter, idet disse yderligere 40 forankringspunkter kun behøver en relativt lille styrke sammenlignet med de to hovedforankringspunkter i enderne. 1 figur 8 er vist et tværsnit igennem et modstandselement, der er monteret på en stationær struktur der også virker som krafttransmitterende element i en 45 udformning, hvor bølgeenergi omsættes til hydraulisk tryk. I denne udførselsform er den stationære struktur (1) udført som en armeret rørledning, således at denne samtidig giver mulighed for at fremføre tryksat DK 176883 B1 vand til en turbinestation. På den stationære struktur (1) er monteret en forhindring(2) der er udformet som en envejsventil der kun tillader strømning ind i det rør der udgør den stationære struktur (1). På den stationære struktur (1) er monteret et modstandselement (3) der i 5 hovedsagen består af et rørformet legeme (5) på hvilke ender der er monteret endestop (4a, 4b). Disse endestop virker samtidig som envejsventiler der kun tillader vand at strømme fra omgivelserne til det ringformede volumen der defineres af ydersiden af den stationære struktur (1) og indersiden af det rørformede legeme (5). Fastholdes den stationære struktur (1) vil en 10 forskydning af det rørformede legeme nu medføre opbygning af tryk i den del af det ringformede volumen der ligger modsat bevægelsesretningen medens vand indsuges i den del af det ringformede volumen der ligger i bevægelsens retning. Forskydes det rørformede legeme (5) således relativt til den stationære struktur vil vand pumpes fra omgivelserne og ind det indre 15 volumen der er defineret af indersiden af den stationære struktur.

Til at overføre kræfter fra de omgivende bølger til det rørformede legeme (5) er der på dette monteret en finne (6).

Det vil for en fagmand være indlysende, at ovenstående hydrauliske 20 overførselsmetode kun er en af mange metoder der kan benyttes for at opsamle energi fra en bølge ifølge ovenstående metode.

Af andre relevante metoder skal specielt fremhæves muligheden af at udforme det rørformede legeme (5) og den af det rørformede legeme 25 omsluttede del af den stationære struktur således at disse dele udgør en lineær generator der direkte omsætter bevægelsen af det rørformede emne til elektrisk energi.

En anden metode af interesse kan være, at udnytte den relative bevægelse 30 imellem den stationære struktur og modstandselementerne til pumpning af hydrauliske væsker i et lukket kredsløb.

Da det enkelte apparat til udvinding af bølgeenergi er en streng er det særdeles simpelt at kombinere multiple strenge for på denne måde at 35 udvinde bølgernes energi over et større areal. I figur 9 er angivet hvorledes 6 strenge kan udlægges som et tæppe der udvinder bølgeenergi over et større areal. Af figur 9 fremgår tydeligt, at man kan forbinde strengene i disses ender hvilket kan være en stor fordel. Pumper strengene i figur 9 f.eks. vand imod land, vil en enkelt turbinestation kunne optage energi fra alle 40 strengene, hvilket reducerer anlægsomkostningerne yderligere.

Det vil for en fagmand være indlysende at ovenstående udførselsformer er eksemplariske og således ikke begrænser opfindelsens omfang. Således dækker opfindelsens omfang alle tænkelige modifikationer og ækvivalenter 45 der er omfattet af opfindelsens ånd således som beskrevet i nedenstående krav.

Claims (8)

1. DK 176883 B1 1: Langstrakt flydende apparat til opsamling af den horisontale bevægelsesenergi i bølgers oscillerende bevægelse bestående af mindst en 5 gennemgående stationær struktur arrangeret overvejende parallelt med bølgernes udbredelsesretning og mindst tre på den stationære struktur monterede modstandselementer der ved bevægelse parallelt med den stationære struktur overfører brugbar energi til denne, kendetegnet ved, at modstandselementerne hver især er begrænset til at bevæge sig inden for en 10 veldefineret længde langs med den stationære struktur og at den korteste afstand imellem de to fjerneste modstandselementer er større end en halv middelbølgelængde i det farvand hvori apparatet er lokaliseret.
2. 2: Langstrakt flydende apparat til opsamling af den horisontale 15 bevægelsesenergi i bølgers oscillerende bevægelse ifølge krav 1 kendetegnet ved at apparatets placering i forhold til bølgerne sikres ved hjælp at et eller flere forankringspunkter.
3. 3: Langstrakt flydende apparat til opsamling af den horisontale 20 bevægelsesenergi i bølgers oscillerende bevægelse ifølge krav 1 kendetegnet ved at den langstrakte stationære struktur er opbygget af sammenføjelige delelementer.
4. 4: Langstrakt flydende apparat til opsamling af den horisontale 25 bevægelsesenergi i bølgers oscillerende bevægelse ifølge krav 1 kendetegnet ved at den langstrakte stationære struktur indeholder et cylindrisk volumen.
5. 5: Langstrakt flydende apparat til opsamling af den horisontale bevægelsesenergi i bølgers oscillerende bevægelse ifølge krav 4, kendetegnet 30 ved, at bevægelse af et eller flere modstandselementer relativt til den stationære struktur vil pumpe tryksat vand ind i det cylindriske volumen.
6. 6: Langstrakt flydende apparat til opsamling af den horisontale bevægelsesenergi i bølgers oscillerende bevægelse ifølge krav 1, kendetegnet 35 ved at modstandselementets bevægelse relativt til den stationære struktur udnyttes til tryksætning af en hydraulisk væske i et lukket system.
7. 7: Langstrakt flydende apparat til opsamling af den horisontale bevægelsesenergi i bølgers oscillerende bevægelse ifølge krav 1, kendetegnet 40 ved, at enten et eller flere modstandselementer eller den stationære struktur indeholder udstyr der kan omsætte ændringer i magnetisk flux til elektrisk energi.
8. 8: Langstrakt flydende apparat til opsamling af den horisontale 45 bevægelsesenergi i bølgers oscillerende bevægelse ifølge krav 1, kendetegnet ved, at enten et eller flere modstandselementer eller den stationære struktur indeholder magneter.