FI125302B - Menetelmä vesiaaltojen energian muuttamiseksi sähköksi aaltovoimalalla ja aaltovoimala - Google Patents

Description

Menetelmä vesiaaltojen energian muuttamiseksi sähköksi aalto-voimalalla ja aaltovoimala

Keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdannon mukainen menetelmä vesiaaltojen energian muuttamiseksi sähköksi aaltovoimalalla. Keksinnön kohteena on myös patenttivaatimuksen 8 johdannon mukainen aalto-voimala.

Julkaisuista EP 1 384 824 Bl ja W02005/071257 AI tunnetaan vastaavan tyyppinen menetelmä, jossa hyrrän pyörimisen liikemäärä momenttia käytetään synnyttämään rotaattorin vääntömomentti kun aaltojen avulla keinutetaan hyrrän akselia. Näiden tunnettujen aaltovoimaloiden ongelmana on, että rotaattorin akselille saadaan sen pyörimistä edistävä vääntömomentti vain lyhytaikaisesti kaksi kertaa rotaattorin täyden pyörähdyksen aikana, kun taas välivaiheissa hyrräakselin kääntyessä hyrrän pyörimisen liikemäärämomentti synnyttää runkoa kallistavan vääntömomentin. Jos runko pääsee kallistumaan vääntömomentin suuntaan, se tekee tarpeetonta työtä ja jarruttaa rotaattorin pyörimistä. Näin ollen rotaationa on vaikea saada pyörimään aaltojen tahdissa ja aaltovoimalan runkoa on vaikea saada keinumaan aaltojen tahdissa. Aaltovoimalan toiminta on melko tehotonta ja epäsäännöllisessä aallokossa voimalaa on vaikea saada toimimaan.

Edelleen tunnetaan julkaisusta US 7,375,436 B1 aaltovoimala, jossa hyrrä-voiman aiheuttamaa momenttia, joka syntyy voimalan kallistellessa (keinuessa), käytetään rotaattorin pyörittämiseen. Julkaisussa on tarkasteltu voimalan tehontuottoa hyrrän erilaisilla pyörimisnopeuksilla suhteessa aallon taajuuteen. Rotaattoria pyörittävä momentti saadaan sykkivästi kaksi kertaa kierroksen aikana eli on epätasainen ja rotaattorin pyöriminen on vaikea tahdistaa aallon taajuuteen vaihtelevissa aalto-olosuhteissa. Lisäksi antoteho on vaatimaton. Tehoa huonontaa erityisesti se, että kelluva runko kallistelee aallon pinnan suunnan mukaan, jolloin vaakasuuntaisten kiihtyvyyksien aiheuttamat momentit osuvat vaiheeseen, jossa ne suurelta osin kumoavat kallis tuksen ja gravitaation aiheuttamat momentit. Tällöin vain hyrrävoimaa voidaan hyödyntää.

Keksinnön tarkoituksena on saada aikaan parannettu menetelmä ja aalto-voimala, joilla edellä mainittujen tunnettujen aaltovoimaloiden ongelmat voidaan ratkaista. Erityisesti keksinnön tarkoituksena on parantaa aaltovoimalan antotehoa ja toimintaedellytyksiä vaihtelevissa aalto-olosuhteissa. Tätä varten keksinnössä on oivallettu luoda edellytykset sille, että rungon kallistuminen ja vaakasuuntaiset kiihtyvyydet osuvat keskenään sellaiseen vaiheeseen, että kallistuksen/gravitaation ja kiihtyvyyden momentit vahvistavat toisiaan ja lisäksi osuvat vuorovaiheeseen hyrrävoiman momentin kanssa, jolloin saadaan suuri ja suhteellisen tasainen momentti ja hyvä antoteho. Tämä tarkoitus saavutetaan keksinnön mukaisella menetelmällä oheisessa patenttivaatimuksessa 1 esitettyjen piirteiden avulla. Tarkoitus saavutetaan myös keksinnön mukaisella aaltovoimalalla oheisessa patenttivaatimuksessa 8 esitettyjen piirteiden perusteella. Epäitsenäisissä patenttivaatimuksissa on esitetty keksinnön edullisia suoritusmuotoja.

Keksinnönmukainen aaltovoimala tuottaa hyvällä hyötysuhteella kohtalaisen tasaisesti tehoa aallon koosta riippumatta, koska eniten esiintyvien, tyypillisten luonnon aaltojen mittasuhteet pituus/korkeus ovat jokseenkin vakiot.

Keksinnössä kelluvan rungon kallistelu aiheutetaan aallon pinnan suunnasta poikkeavalla tavalla aallon sisäisillä virtauksilla, jotka kohdistuvat upoksissa olevaan rungon osaan. Tämä rungon upoksissa oleva osa ulottuu niin syvälle, että aallon sisäiset vastakkaissuuntaiset virtaukset osuvat eri korkeuksille runkoa rungon eri puolilla. Tällöin rungon kallistusmomentti ja kiihtyvyysmo-mentti vahvistavat toisiaan ja osuvat vuorovaiheeseen hyrrämomentin kanssa.

Keksinnön mukaisessa aaltovoimalassa painovoi maiseen voiman ulosottoon soveltuva rotaattori voi olla olennaisesti kevyempi kuin esim. julkaisussa W02010/034888 esitetyssä aaltovoimalassa, koska osa rotaattorin vääntö-momentista tuotetaan hyrrän liikemäärämomentilla (spin angular momentum). Erityisen suuri etu tunnettuihin aaltovoimaloihin verrattuna saavutetaan keksinnöllä sen johdosta, että kallistuksen ja kiihtyvyyden aiheuttamat momentit summautuvat keskenään kuolleen massan vääntömomentiksi ja hyrrän aiheuttama vääntömomentti ja kuolleen massa aiheuttama vääntö-momentti vuorottelevat rotaattorin kierroksen aikana ja kumpikin vääntömomentti vaikuttaa kaksi kertaa kierroksen aikana, jolloin aikaansaadaan tyypillisesti noin 90° välein toistuvat vääntömomentit, jotka pyrkivät pyörittämään rotaattoria samaan pyörityssuuntaan. Hyrrän pyörimissuunta määrää rotaattorin pyörimissuunnan, joka on siis valittavissa.

Kun runko on muotoiltu riittävän syvälle upotetuksi pystysuuntaiseksi tai kaltevaksi seinämäksi, saadaan aallon sisäisiä virtauksia hyödyntäen rungon kallistelun vaihe sellaiseksi, että myös vaaka kiihtyvyyden aiheuttama momentti voidaan hyödyntää, mikä ei ole mahdollista aallon pinnan suunnan mukaan kelluvilla rungoilla. Keksinnöllä saadaan lisäksi mahdollisimman tasainen ja tehokas vääntömomentti koko kierroksen ajaksi.

Seuraavassa keksintöä havainnollistetaan viittaamalla oheisiin piirustuksiin, jossa: kuvio 1 esittää kaaviollisesti sivulta nähtynä keksinnön yhden suoritusmuodon mukaista aaltovoimalan runko-osaa; kuvio 2 esittää kuvion 1 mukaista runko-osaa edestä nähtynä; kuvio 3 esittää kuvion 1 mukaista runko-osaa päältä nähtynä; kuvio 4 esittää kuvion 1 mukaista runko-osaa takaa yläviistosta nähtynä; kuvio 5 esittää kaavallisesti päältä nähtynä keksinnön yhden suoritusmuodon mukaisen aaltovoimalan voimalayksiköltä; kuvio 6 esittää perspektiivikuvana keksinnön toisen suoritusmuodon mukaisen aaltovoimalan voimalayksikköön kuuluvaa rotaattoria (ilman kelluvaa runkoa); kuvio 7 esittää kuvion 6 mukaiseen aaltovoimalaan liittyvää säätölaitetta; ja kuvio 8 esittää keksinnön mukaisella aaltovoimalalla tuotetun vääntö-momentin eri komponentteja rotaattorin kierrosaseman funktiona.

Kuvioissa 1-4 on esitetty aaltovoimalan runko-osan 1 eräs edullinen toteutustapa kaaviollisena periaatekuvana. Runko 1 on pääasiassa pystysuuntainen tai toiminnassa ollessaan keskimäärin aallon tulosuuntaan kalteva seinä, joka on suurimmalta osaltaan vedenpinnan W alapuolella, mutta yläosaltaan vedenpinnan yläpuolella. Rungon seinämäinen muotoja pääasiassa pystysuuntainen tai kalteva asento muuttaa tehokkaasti ja suurella pinta-alalla aaltojen virtausenergiaa rungon liike-energiaksi. Runko-osan 1 syväys on edullisesti mitoitettu vastaamaan 0,5 x pienimmän halutun toiminnallisen aallon pituutta vastaten kyseisen aallon liikettä pystysuunnassa. Rungon upoksissa olevan osan pystysuuntainen dimensio on tyypillisesti suurempi kuin poikkileikkauksen vaakasuuntainen dimensio. Esitetyssä edullisessa suori-tusesimerkissä rungon poikkileikkaus on yleismuodoltaan kolmio, jonka lyhin sivu 16 on vedenpinnan yläpuolella ja yksi pitkä sivu loivan S-kirjaimen muotoinen. Runko kapenee alaspäin mentäessä ja yli 80% rungon korkeudesta on upoksissa kun runko on tyynessä vedessä. Kuvioiden mukaisessa esi-merkkitoteutuksessa rungon 1 aaltojen pääasiallista tulosuuntaa A kohti olevan etupuolen yläosa 21 on muotoiltu eteenpäin kaareutuvaksi ja alaosa 22 taaksepäin kaareutuvaksi muodostaen poikkileikkauksessa katsottuna loivan S-kirjaimen. Tällöin etenevä aalto kohtaa rungon ylä- ja alaosan aallon eri vaiheissa, jolloin aallon edetessä laitteen yläpää ja alapää ovat enimmäkseen aallon eri vaiheessa. Tällöin kyseisillä alueilla syntyy voimia ja liikettä vastakkaisiin suuntiin nosteen ja aallon kineettisen liikkeen (virtauksen) ansiosta. Pienessä aallossa laitteen alaosassa ei ole käytännössä aaltoliikettä lainkaan, jolloin paikoillaan oleva vesi vastustaa tämän osan liikettä. Yläosan muotoilu pyrkii siihen, että aallon pystysuuntaisen liikkeen aiheuttama nosteen vaihtelu yhdessä kineettisen liikkeen aiheuttaman paineen vaihtelun kanssa liikuttaa rungon yläosaa vaiheittain eri suuntiin: ylös, taakse, alas ja eteen. Alaosan ollessa ainakin pääosin eri vaiheessa olevan aallon osan kanssa tekemisissä tämän kineettisen painevaihtelun (virtauksen) aiheuttama voima liikuttaa sitä pääosin vastakkaiseen suuntaan yläosaan verrattuna. Kun rotaattori 3 on sijoitettu rungon 1 yläosaan ja ankkurointipiste 33 rungon alaosaan, kohdistuu rotaattoriin huomattavan suuria vaakasuuntaisia kiihtyvyyksiä rungon kallistellessa aallon sisäisten virtauksien vaikutuksesta. Rungon 1 yläpinta 16 on muodostettu umpinaiseksi.

Kuvioiden 5 ja 6 yhteydessä lähemmin kuvattuja voimalayksiköltä on esitetyssä suoritusmuodossa kaksi kappaletta. Ankkurointi kiinnitetään edullisesti laitteen alaosaan vähäliikkeiseen paikkaan 33, jolloin ankkurivoimat ja -liikkeet ovat helposti hallittavissa. Ankkurivoima osallistuu rungon liikkeen synnyttämiseen/voiman tuottoon ja sen energia otetaan talteen. Ankkurointi on esimerkkitapauksessa toteutettu laitteen alapuolelle ripustettujen painojen 30 kautta. Painojen yhteyteen on järjestetty poikittaissuunnassa ulottuvat pitkänomaiset ankkuroi nti välineet 31, jotka on liitetty aaltovoimalan asen-nusalueen pohjaan. Painot antavat ankkuroinnille joustoa ja muodostavat alemman nivelpisteen 32 järjestelmälle suurissa aalloissa. Pienissä aalloissa nivelpiste on rungossa olevan ankkuroinnin kiinnityspisteen 33 kohdalla. Tällä järjestelyllä järjestelmä sopeutuu erikokoisten aaltojen aiheuttamiin energioihin. Liikkeet järjestelmässä ovat hyvin pieniä ja samoin voimien vaihtelut jäävät kohtuullisiksi. Ankkuroinnin painot voivat olla kuvioissa esitetyn pallomai sen muodon lisäksi myös esim. litteitä tai lautasmaisia, mikä tehostaa ankku-rivoiman hyväksikäyttöä liikkeen synnyttämisessä ja energian tuotannossa.

Ankkuroinnin painot 30 ovat edullisesti onttoja, esim. osittain betonitäytteisiä ja osittain ilmalla täytettyjä, jolloin ne kelluvat kuljetettaessa. Täytettäessä onteloilla vedellä painot uppoavat ja vetävät samalla myös kelluvan voimalan oikeaan asentoon. Poistettaessa laitetta painojen ontelotila täytetään ilmalla, jolloin ne jälleen kelluvat kuljetuksen helpottamiseksi. Myös itse voimala kohoaa tällöin pinnan lähelle vaaka-asentoon jolloin syväys on pieni helpottaen esim. telakalle viemistä. Ankkurivoimat käytetään hyväksi energian tuotannossa. Voima on pääasiallisesti vastakkainen rungon ylä-etu-osan liikkeen (voiman) suunnalle jolloin se tehostaa osaltaan energian tuotantoa.

Myös sähkökaapelin (ei esitetty) liityntä runko-osaan sijoitetaan edullisesti vähäliikkeiseen paikkaan ankkurointipisteen lähelle ja johdetaan meren pohjaan ankkurilinjoja mukaillen liikkeiden minimoimiseksi, jossa sen kuluminen on vähäistä. Laite voidaan tehdä suureksi, koska sen leveys on valittavissa. Teho on jopa useita megawatteja, aallon epäsäännöllisyyden muodostaessa tietyn rajan runko-osan leveydelle. Rungon korkeus voi olla esim. alueessa 10-40 m, edullisesti n. 15-25 m ja pituus esim. alueessa 30-100m, edullisesti n. 50-75 m. Nämä ovat vain esimerkkejä laitteen mittasuhteista kuvaten sen suuruusluokkaa suuren tehontuoton mahdollistamiseksi. Suuri koko on mahdollinen, koska voimat muunnetaan sähköenergiaksi suljetun rungon sisällä.

Aallon voiman vastavoimana vääntömomentin synnyttämisessä on gravitaatio ja hyrrävoima sekä pääasiassa vaakasuuntaisia kiihtyvyyksiä vastustava hitausvoima. Gravitaation ja hyrrävoiman maksimikohdat vuorottelevat ja voimat esiintyvät yhtäaikaisesti. Sähkön tuottamiseen käytettävät voimat (gravitaatiovoima, hyrrävoima ja aallon liikkeen synnyttämä vaihteleva kiihtyvyys eri suuntiin) ovat suljetun rungon sisäisiä. Tämä mahdollistaa yksinkertaisen mekanismin joka on meri-ilmastolta ja -vedeltä suojattu. Suljetun rungon ulkopuolella ei ole liikkuvia mekanismeja.

Laitteen ulottuvuudet korkeus- ja leveyssuunnassa ovat suuret suhteessa aallon kokoon, jolloin pystytään hyödyntämään vastakkaissuuntaiset vaiheet aallossa. Laite hyödyntää samanaikaisesti myös muuttuvaa nostetta ja aallon liike-energiaa kaikkiin suuntiin. Muuttuvan nosteen eli pystysuuntaisten kiihtyvyyksien hyödyntämiseksi on edullista, että rotaattorin pystyakseli 2 on asetettu hieman sivullepäin kallistettuun asentoon.

Laitteessa on edullisesti rantautumisramppi huoltoveneen vastaanottamiseksi turvallisesti. Rampin yläosasta taaksepäin lähtee kelluva köysi jota käytetään vinssin kautta avuksi rantautumisessa. Aallon tulosuunnan puolella on rampin edessä suoja 34, jonka kautta on järjestetty huoltosisäänkäynti.

Kuvion 5 suoritusesimerkeissä pitkänomainen kelluva runko 1 keinuu rungon pituussuuntaisen keinumisakselin B ympäri edestakaisin. Keinumisakseli B on olennaisen matkan voimalayksiköiden rotaattoreiden 3 ratatason alapuolella. Tämä matka on vähintään rotaattorivarren pituinen tai edullisesti sen moni-kerta, jotta vaakakiihtyvyyksiä voidaan tehokkaasti käyttää hyväksi. Varsinaisesta keinumisakselista ei ole kysymys, koska erilaisissa aalto-olosuhteissa ja erilaisilla ankkurointitavoilla keinumisakselin B sijainti voi vaihdella ja keinumisen aikana se voi myös liikkua. Olennaista on, että rungon kallistelun seurauksena rotaattorin 3 ratataso kallistelee vaakatasoon nähden ja samanaikaisesti rotaattoriin 3 kohdistuu edestakaisia vaakasuuntaisia kiihtyvyyksiä. Kelluvan rungon muotoilun ansiosta syvälle upotetuksi pystyseinäksi, kallistuksen ja painovoiman aiheuttama momentti ja vaaka kiihtyvyyden aiheuttama momentti esiintyvät olennaisesti samaan aikaan ja samaan suuntaan. Näiden summamomentti vuorottelee hyrrän aiheuttaman momentin kanssa, kuten kuviossa 8 on havainnollistettu. Mitoittamalla momentit sopivasti keskenään, saadaan kaikkien kolmen momentin summa melko tasaisesti vaikuttavaksi summamomentiksi. Mitoitukseen voidaan vaikuttaa mm. rotaattorin massalla ja rotaattorivarren pituudella sekä hyrrän massalla ja pyörimisnopeudella. Aaltovoimalan toiminnan aikana momenttien keskinäiseen ajoituk- seen ja suuruuteen voidaan vaikuttaa hyrrän pyörimisnopeuden säädöllä ja rotaattorin kulma-asennon säädöllä suhteessa kallistussuuntaan. Viimeksi mainittua voidaan säätää generaattorin kuormituksella ja myöskin hyrrän pyörimisnopeuden säädöllä.

Kuviossa 5 Aaltojen tulosuunta A on kohtisuorassa rungon 1 keinumisakseliin B nähden. Rungon varaan on sijoitettu kaksi tai useampia voimalayksiköltä, jotka muuttavat aaltoenergiaa sähköksi. Kumpaankin voimalayksikköön kuuluu rotaattori 3, joka pyörii keskimäärin pääasiassa pystysuuntaisen rotaatto-riakselin 2 ympäri. Rotaattoriin 3 kuuluu hyrrä 5, joka pyörii keskimäärin pääasissa vaakasuuntaisen hyrräakselin 4 ympäri. Hyrrä 5 ja hyrräakseli 4 pyörivät rotaattorin 3 mukana rotaattoriakselin 2 ympäri. Generaattori 6 on kytketty pyörimään yhdessä hyrrän kanssa. Rotaattoriin 3 kuuluu massa M, jonka painopiste on matkan päässä rotaattoriakselista 2, jolloin rungon kallistellessa massa M ja hyrrä 5 aiheuttavat vuoronperään samansuuntaisen vääntömomentin rotaattorille 3, kuten myöhemmin tarkemmin selostetaan. Massa M liittyy rotaattoriakseliin 2 olennaisesti hyrrän pyörimisakselin 4 suuntaisella rotaattorivarrella 10. Hyrrä 5 ja generaattori 6 muodostavat kuolleen massan M osittain tai kokonaan

Generaattori 6 on sijoitettu hyrräakseli Ile 4 tai kytketty hyrräakselin käyttä-mäksi. Rotaattorin 3 ulkopää, joka on etäällä rotaattoriakselista 2, on varustettu pinellä pyörällä 8, jonka varassa rotaattorin ulkopää lepää ja joka pyörii liukumatta pitkin rengasmaista rataa 9, joka ympäröi samankeskisesti rotaat-toriakselia 2. Pyörä 8, hyrrä 5 ja generaattori 6 ovat kytketyt pyörimään yhdessä. Ne voivat olla samalla akselilla tai kytketyt sopivilla välityssuhteilla toisiinsa. Välityssuhteen on oltava riittävä antamaan hyrrälle pyörimisnopeus, joka on vähintään 20 kertaa, tyypillisesti 40 - 100 kertaa rotaattorin pyörimisnopeus. Tässä suoritusesimerkissä, toisin kuin jäljempänä selostettavassa kuvioiden 6 ja 7 suoritusesimerkissä, hyrrän pyörimisnopeus on vakio suhteessa rotaattorin 3 pyörimisnopeuteen rotaattoriakselin 2 ympäri ja vastaavasti vakio suhteessa aaltojen periodiin. Tässä suoritusmuodossa tarvitaan vain yksi generaattori 6 kussakin voimalayksikössä. Hyrrä 5 ja generaattori 6 voivat olla sijoitetut lähelle rotaattorin ulkopäätä, jolloin ne muodostavat olennaisen osan massaa M, joka pyörittää rotaationa painovoiman perusteella kun massa pyrkii liikkumaan siihen suuntaan, johon runko on kallellaan.

Pyörivän hyrrän 5 liikemäärämomentti aiheuttaa myös rotaattorin 3 pyörimistä edistävän momentin kun rungon 1 keinuminen kääntää hyrräakselia 4, jolloin precessiovoima aiheuttaa rotaattoriin vääntömomentin, jonka suunta on 90 asteen kulmassa kääntämissuuntaan nähden. Hyrrän pyörimissuunnan tulee olla sellainen, että hyrrä ikäänkuin pyörisi/etenisi rotaattorin pyörimissuuntaan.

Kun rungon 1 kallistuskulma on suurimmillaan ja sen keinumissuunta kääntyy, on rotaattorilla edullisesti kuviossa 1 näkyvä suunta, joka on sama kuin keinumisakselin B suunta. Tällöin rotaattorin suunnan ja rungon kallistus-suunnan välinen kulma eli ns. vaihejättämä on 90 astetta. Toisin sanoen rotaation on 90 asteen jättämällä (jäljessä) rugon kallistukseen nähden. Tällöin massa M antaa parhaan vääntömomentin painovoiman vaikutuksesta. Sensijaan hyrrä 5 ei tässä vaiheessa vaikuta rotaattorin 3 vääntömomenttiin radan 9 tasossa, koska keinumisakseli B ja hyrräakseli 4 ovat samansuuntaiset. Vaakasuuntaisen kiihtyvyyden aiheuttama momentti on tällöin suurimmillaan, koska kallistuksen suunta vaihtuu eli hidastuvuus vaihtuu kiihdytykseen. Rungon pystykorkeuden ja upotuksen ansiosta runko kallistuu aallon sisäisten virtausten pakottamana eri vaiheessa kuin se kallistuisi pinnan suunnan mukaan. Tämän seurauksena vaakakiihtyvyyden momentti osuu olennaisesti samaan vaiheeseen kallistuksen aiheuttaman momentin kanssa, jolloin ne vahvistavat toisiaan eivätkä kumoa, kuten tunnetuissa ratkaisuissa.

Kun rotaattori 3 jatkaa pyörimistään kohti suuntaa, jossa hyrräakseli 4 on kohtisuorassa keinumisakselia B vastaan, kääntää keinumisliike hyrräakselia yhä nopeammin. Hyrräakselin 4 suunnan muutos on nopeimmillaan kun akseli 4 on kohtisuorassa keinumisakselia B vastaan, jolloin hyrrävoiman mo mentti työntää rotaattoria maksimivoimallaan radan 9 suunnassa. Tällöin rungon keinumisliike on nopeimmillaan ja radan taso on olennaisesti vaakasuuntainen. Massa M ei tällöin lisää vääntömomenttia. Hyrrävoiman ja massan vääntömomentit siis vuorottelevat 90 asteen kulmavälein ja ovat kumpikin erikseen maksimissaan 180 asteen kulmavälein, siis kumpikin kaksi kertaa rotaattorin yhden kierroksen aikana.

Voimakkain toiminta siis saavutetaan kun mainittu vaihejättämä säädetään 90 asteeksi. Välimuodoissa massan aiheuttama momentti ja hyrrän aiheuttama momentti rotaattorille on verrannollinen vaihejättämän siniin. Vaihejät-tämää voidaan säätää säätämällä generaattorin 6 kuormitusta. Aaltovoimalan toiminnassa sen tehoa voidaan siis säätää muuntelemalla vaihejättämää 0-90 asteen välillä, ja lisäksi hyrrän pyörimisnopeutta säätelemällä. Toiminta-olosuhteissa on edullista pitää vaihejättämän asetusarvo alueella 90 - 60 astetta. Toisin sanoen rungon kallistuksen ääriasennossa rotaattorin 3 ja hyr-räakselin 4 suunta pyritään saamaan 0-40 asteen kulmaan keinumisakseliin B nähden.

Kuvion 6 mukainen voimalayksikkö eroaa kuvion 5 mukaisesta voimalayksiköstä lähinnä siten, että varsinainen voiman ulosottogeneraattori 7 on asennettu rotaattoriakselille 2. Hyrrää ksel il le 4 asennettu sähkökone 6' toimii pääasiassa moottorina, jolla hyrrälle 5 annetaan haluttu pyörimisnopeus, jota säädetään esim. kuvion 3 mukaisella säätölaitteella (jota selostetaan myöhemmin tarkemmin). Pääperiaatteena on, että mitä kovempi aallokko, sitä kovempi pyörimisnopeus hyrrälle 5 annetaan. Hyrrä toimii siis kuolleen painon eli massan M vaikutuksen säätimenä, joka säätää voimalan toimintaa aallokon voimakkuuden mukaan. Kuvion 2 ratkaisu eroaa kuviosta 1 vielä siinä, että hyrrän 5 ja sähkökoneen 6' pyöriminen ei ole kytketty radalla 9 pyörivän rullan 8 pyörimiseen kuten kuviossa 1 vaan niiden pyörimistä säädetään edellä mainitussa tarkoituksessa.

Rungon keinumistaajuuden sovittaminen aallon taajuuteen voidaan tehdä säätämällä hyrrän 5 nopeutta ja rotaattorin vaihekulmaa a suhteessa rungon kallistukseen. Näillä saavutetaan edullinen ja laaja-alainen säädettävyys.

Kuviossa 7 esitetylle säätölaitteelle syötetään tulotietoina aaltovoimalan rungon X, Y ja Z kiihtyvyydet, rotaattorin 3 suunta eli suuntakulma a suhteessa aaltojen tulosuuntaan A eli keinumisakselin B normaaliin rungon maksimikal-listuksella, ja hyrrän kulmanopeus ω. X ja Y kiihtyvyydet määritetään rotaation massan painopisteen tasalla, kun Z akseli on kiinnitetty rotaattorin akselin suuntaiseksi. X, Y ja Z kiihtyvyyksien ja rotaattorin suuntakulman a perusteella yksikkö 12 laskee dynaamisen vääntömomentin, jolla massa M pyrkii vääntämään rotaattoria akselin 2 ympäri. Optimaalisen toiminnan kannalta on tärkeää tietää myös rotaattorin suuntakulman a vaihejättämä, eli X-Y kiihtyvyyksien resultantin ja suuntakulman a välinen kulma. Tämä lasketaan ohjausyksikössä 13 liikehavaintoyksikön 14 antaman X-Y resultantti-suunnan perusteella. Jos keinuminen on yksiakselista kuten kuviossa 5, riittää pelkkä kallistuskulman suuruuden ja kiihtyvyyden suunnan ja suuruuden havainnointi yhden keinumisakselin B suhteen. Vääntömomentin ja vaihejät-tämän perusteella yksikkö 15 antaa konvertterille 11 ohjaussignaalin, jolla konvertteri säätää generaattorin 7 kuormitusta niin, että rotaattori pyörii aaltojen tahdissa ja vaihejättämä on haluttu, esim. 90 astetta. Lisäksi ohjausyksiköltä 13 saatava vaihejättämä on tulotietona konvertterin 11 osalle, joka säätää hyrrän 5 pyörimisnopeutta sähkökoneen 6' välityksellä. Konvertterin 11 toiminta voi perustua taajuusmuuttajiin. Generaattori 7 syöttää sähkötehoa verkkoon ja tarvittaessa myös suoraan moottorille 6'. Moottori 6' saa ainakin käynnistystilanteessa tehoa myös verkosta. Hyrrää hidastettaessa moottori 6' voi toimia generaattorina ja syöttää sähkötehoa verkkoon.

Esitetyissä suoritusmuodoissa hyrrä 5 on sijoitettu epä keskeisesti akseliin 2 nähden, jolloin se muodostaa osan rotaattorin epäkeskeisestä massasta M. Hyrrä 5 voi sijaita myös keskeisesti rotaattorin akselilla 2, mikä kuitenkin lisää voimalayksikön kokonaispainoa, koska tällöin tarvitaan vastaava kuolleen massan lisäys etäällä akselista 2. Akselin 2 suunta vaihtelee pystysuunnan eri puolille rungon kallistusmäärän mukaan. Siitä syystä voidaan sanoa, että akseli 2 on keskimäärin pääasiassa pystysuuntainen. Vastaavalla tavalla hyr-räakseli 4 on pääasiassa keskimäärin vaakasuuntainen. Voimalan seisoessa tyynessä vedessä akseli 2 on olennaisesti pystysuuntainen ja akseli 4 olennaisesti vaakasuuntainen. Akseli 2 voi kuitenkin olla hieman sivulle tai etu-taka suunnassa kallistettu, jotta myös pystykiihtyvyyksiä voidaan paremmin hyödyntää.

Claims (15)

1. Menetelmä vesiaaltojen energian muuttamiseksi sähköksi aaltovoimalalla, johon kuuluu kelluva runko (1), rotaattori (3), joka on tuettu rungon varaan ja pyörii keskimäärin pystysuuntaisen tai hieman sivulle kallistetun rotaatto-riakselin (2) ympäri, hyrrä (5), joka pyörii keskimäärin vaakasuuntaisen hyr-räakselin (4) ympäri, hyrrän ja hyrräakselin pyöriessä rotaattorin mukana rotaattoriakselin (2) ympäri, sekä ainakin yksi generaattori (6), joka on kytketty pyörimään yhdessä hyrrän tai rotaattorin kanssa, menetelmään kuuluessa seuraavat vaiheet: keinutetaan kelluvaa runkoa aaltojen avulla aaltojen tahdissa pyöritetään hyrrää (5) hyrräakselin (4) ympäri aiheutetaan hyrräakselin (4) kallistelu vaakatasoon nähden rungon keinumis-liikkeen seurauksena, ja vaikutetaan rotaattorin (3) pyörimiseen rotaattoriakselin (2) ympäri hyrrän (5) vääntömomentilla, joka seuraa hyrräakselin kallistelusta, tunnettu siitä, että rotaattorin massalla (M) aiheutetaan rotaationa samaan suuntaan samassa vaiheessa pyörittävät momentit yhtäältä rungon kallistuksen ja gravitaation synnyttämän kallistusmomentin avulla ja toisaalta rotaattoriakselin (2) vaakasuuntaisen kiihtyvyyden synnyttämän kiihtyvyysmomentin avulla, että mainitut kallistus ja kiihtyvyys aiheutetaan keinuttamalla runkoa aallon pinnan suunnan mukaisesta keinutussuunnasta poikkeavassa suunnassa, mikä aikaansaadaan kohdistamalla aallon sisäiset virtaukset upoksissa olevaan rungon (1) osaan, joka on pääasiassa pystysuuntainen tai toiminnassa ollessaan keskimäärin aallon tulosuuntaan kalteva seinä, joka on poikittain aaltojen kulkusuuntaan nähden, että rungon alaosaan vaikutetaan ankkuri-voimalla, joka osallistuu rungon kallistuksen ja kiihtyvyyden synnyttämiseen, ja että hyrrävoiman synnyttämää momenttia käytetään mainittujen kallistus-ja kiihtyvyysmomenttien tasaajana kierroksen aikana ja hyrrän kineettistä energiaa käytetään energiavarastona aaltovoimalan antotehon tasaamiseksi.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että vaakasuuntaista kiihtyvyyttä tehostetaan siirtämällä massan kiertoradan taso vähintään kiertoradan säteen etäisyydelle ylöspäin rungon keinumisakselista.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että hyrrää pyöritetään pyörimisnopeudella, joka on yli 20 kertaa, edullisesti yli 40 kertaa suurempi kuin rotaattorin pyörimisnopeus.

4. Jonkin patenttivaatimuksen 1-3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että rotaattorin pyörimisen vaihejättämää eli rotaattorin suunnan (a) ja rungon kallistuksen suunnan välistä kulmaa säädetään siten, että hyrrän vääntömo-mentin huippukohta osuu olennaisesti kallistus- ja kiihtyvyysmomenttien mini mikohtaan.

5. Jonkin patenttivaatimuksen 1-4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että rotaattorin pyörimisen vaihejättämää eli rotaattorin suunnan (a) ja rungon kallistuksen suunnan välistä kulmaa säädetään säätämällä generaattorin (6, 7. kuormitusta.

6. Jonkin patenttivaatimuksen 1-5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että vaihejättämän eli rotaattorin suunnan asetusarvo on säädettävissä alueella 0-90 astetta ja että rotaattorin (3) suuntaa (a) pyritään pitämään 0-90 astetta, edullisesti 60-90 astetta jäljessä rungon (1) kallistussuunnasta.

7. Jonkin patenttivaatimuksen 1-6 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että aaltovoimalan tehoa säädetään muuntelemalla vaihejättämää eli rotaattorin suunnan (a) ja rungon kallistuksen suunnan välistä kulmaa 0-90 asteen välillä ja lisäksi hyrrän pyörimisnopeutta säätelemällä.

8. Aaltovoimala, johon kuuluu kelluva runko (1), rotaattori (3), joka on tuettu rungon varaan ja pyörii keskimäärin pystysuuntaisen tai hieman sivulle kallistetun rotaattoriakselin (2) ympäri, hyrrä (5), joka pyörii keskimäärin vaa kasuuntaisen hyrräakselin (4) ympäri, hyrrän ja hyrräakselin pyöriessä ro-taattorin mukana rotaattoriakselin (2) ympäri, sekä ainakin yksi generaattori (6, 7), joka on kytketty pyörimään yhdessä hyrrän tai rotaattorin kanssa, tunnettu siitä, että rungon upoksissa oleva osa on pääasiassa pystysuuntainen tai toiminnassa ollessaan keskimäärin aallon tulosuuntaan kalteva seinä, joka on poikittain aaltojen kulkusuuntaan nähden ja ulottuu niin syvälle, että aallon sisäiset virtaukset osuessaan eri korkeuksille runkoa aikaansaavat rungon kallistelun keinuttamalla runkoa aallon pinnan suunnan mukaisesta kei-nutussuunnasta poikkeavassa suunnassa, että rotaattori on sijoitettu rungon yläosaan ja ankkurointikohta rungon alaosaan ankkurivoiman hyödyntämiseksi rungon liikkeen synnyttämiseen, että rotaattoriin (3) kuuluu massa (M), jonka painopiste on matkan päässä rotaattoriakselista (2) ja jonka painopisteen kiertoradan ratataso on vähintään mainitun matkan päässä rungon ank-kurointikohdasta (33), jolloin rungon kallistellessa massa aiheuttaa vääntö-momentin sekä painovoiman että rotaattoriakselin vaakasuuntaisen kiihtyvyyden vaikutuksesta rotaattorin pyörittämiseksi, ja että hyrrä on järjestetty käytettäväksi mainittujen vääntömomenttien tasaajana kierroksen aikana ja energiavara ston a aaltovoimalan antotehon tasaamiseksi.

9. Patenttivaatimuksen 8 mukainen aaltovoimala, tunnettu siitä, että hyrrä (5) on järjestetty pyöritettäväksi pyörimisnopeudella, joka on yli 20 kertaa, edullisesti yli 40 kertaa suurempi kuin rotaattorin pyörimisnopeus ja että hyrrän pyörimisnopeus on järjestetty aktiivisesti säädettäväksi rotaattorin kunkin kierroksen sisällä.

10. Patenttivaatimuksen 8 tai 9 mukainen aaltovoimala, tunnettu siitä, että massa (M) liittyy rotaattoriakseliin (2) olennaisesti hyrrän pyörimisakselin (4) suuntaisella varrella (10).

11. Jonkin patenttivaatimuksen 8-10 mukainen aaltovoimala, tunnettu siitä, että generaattori (6) on sijoitettu hyrräakselille (4) tai kytketty hyrräakselin käyttämäksi, ja rotaattorin (3) ulkopää, joka on etäällä rotaattoriakselista (2), on varustettu pinellä pyörällä (8), jonka varassa rotaattorin ulkopää lepää ja joka pyörii pitkin rengasmaista rataa (9), joka ympäröi sama n keski sesti ro-taattoriakselia (2).

12. Patenttivaatimuksen 11 mukainen aaltovoimala, tunnettu siitä, että pyörä (8), hyrrä (5) ja generaattori (6) ovat kytketyt pyörimään yhdessä.

13. Jonkin patenttivaatimuksen 8 - 12 mukainen aaltovoimala, tunnettu siitä, että generaattorin kuormitus on järjestetty säädettäväksi säätölaitteella, joka määrittää rotaattorin suunnan vaihejättämän, eli rotaattorin suunnan (a) ja rungon kallistussuunnan välisen kulman, ja että vaihejättämän ase-tusarvo on säädettävissä.

14. Jonkin patenttivaatimuksen 8-13 mukainen aaltovoimala, tunnettu siitä, että aaltovoimalan toimiessa pitkänomainen runko (1) keinuu yhden kei-numisakselin (B) suhteen edestakaisin, että aaltovoimalaan kuuluu säätölaite, jolla generaattorin kuormitus ja/tai hyrrän pyörimisnopeus on järjestetty säädettäväksi ja että rungon kallistuksen ääriasennossa rotaattorin (3) ja hyrrä-akselin (4) suunta pyritään saamaan 0-40 asteen kulmaan keinumisakseliin (B) nähden, eli rotaattorin suunnan ja rungon kallistussuunnan välisen kulman eli vaihejättämän asetusarvo on 90-60 astetta.

15. Jonkin patenttivaatimuksen 8 - 14 mukainen aaltovoimala, tunnettu siitä, että rungon poikkileikkaus on yleismuodoltaan kolmio, jonka lyhin sivu (16) on vedenpinnan yläpuolella ja yksi pitkä sivu loivan S-kirjaimen muotoinen, että runko kapenee alaspäin mentäessä ja että yli 80% rungon korkeudesta on veden pinnan (W) alapuolella kun runko on tyynessä vedessä käyttökuntoon ankkuroituna.