FI64839C - Energiomvandlingsenhet foer vaogkraftverk - Google Patents

Description

64839

Energianmuuntoyksikkö aaltovoimalaa varten Tämän keksinnön kohteena on energianmuuntoyksikkö, joka käsittää runkorakennelman ja siihen liikkuvasti lii-5 tetyn, aaltoihin reagoivan muuntolaitteen aaltojen liike-energian hyödyntämiseksi muuttamalla se aaltovoimalan keskuskoneisena toimivaa Peiton turbiinia käyttäväksi korkea-painenesteeksi.

Aaltoenergia on aurinko- ja tuulienergian jälkeen 10 suurin puhdas, uusiutuva enrgiamuoto, jonka potentiaalin jäättömillä merialueilla on arvioitu olevan n. 50 TW. Aal-tovoiman hyväksikäyttöön tähtääviä menetelmiä on esitetty jo 1800-luvulta alkaen ja nimenomaan viime vuosina on kiinnitetty suurta huomiota aaltovoimatutkimukseen. Esi-15 tetyistä ratkaisuista mainittakoon prof. Rolf Törnqvistin solumuuttaja, Salterin kieppuva siipi sekä monet taivutus-liikkeeseen perustuvat ehdotukset. Toistaiseksi näistä ei kuitenkaan ole löytynyt, rakenteellisista vaikeuksista ja/ tai heikosta hyötysuhteesta johtuen, selvästi edukseen 20 muista poikkeavaa ja laajaa käyttöä saavuttanutta ratkaisua .

Meriaallon energia on periaatteessa jakautunut tasaisesti yli sen koko aallonpituuden, jolloin teho P esi-merkkiaallokossa, jonka aallonpituus L = 180 m, H=4,5m 25 ja jakso T = 10 s on aaltorintaman metriä kohden 250 kW

(P^m = 0,92 x VET x H^) . Esimerkkiaallon yhden jakson = yhden aallon energiasisältö on siis 2.500 kWs eli 13.88 kWs/m^. Se keskittyy voimakkaasti pintakerroksiin ensimmäisen metrin sisältäessä n. 23 % ja ensimmäisen 2,5 m:n n. 48 % aal-30 lokon koko energiamäärästä vastaten esimerkkiaallokossa keskinopeuksia 2,53 ja 2,31 m/s, ja jo kahden aallonkorkeuden syvyydessä on energiataso vain 10 % pinnan tasosta.

Yleisesti ottaen aallon hiukkasliikettä voidaan kuvata n. 30° tuulen suuntaan kallellaan olevana ellipsinä.

35 Tällöin vesihiukkasen varsin tasaisesta liikkeestä radallaan, poikkeama keskinopeudesta on n. +-1/7, seuraa, että 2 64839 aallonharjalla oleva vesikilo, jonka staattinen energia kes-kipintatasoon nähden on n. 5,5 kertaa suurempi kuin sen vaakasuoran liikekomponentin energia, on seuraavan T/4 aikana keskipintatasoon saapuessaan luovuttanut 86 % staatti-5 sesta energiastaan alleoleville vesimassoille ja saa niiltä seuraavan T/4 aikana aallonpohjaan saapuessaan alkuperäisen staattisen energialatauksen keskipintatasoon nähden, jonka energian se jälleen keskipintatasoon noustessaan luovuttaa nostamalla imulla allaolevia vesimassoja jne.

10 Tapahtumasarja on siis seuraava: aallonharja syntyy sen alla sekä sen edessä- ja takanolevien suurten vesimassojen liike-energian yhteisvaikutuksesta. Aallonpohja syntyy vastaavasti painovoiman luhistaessa aallonharjan, jonka vesimassat allaolevien kerrosten hitausmomenttien ta-15 kia suurelta osin leviävät eteen- ja taaksepäin ja näin saamansa vaakasuoran liikekomponentin ansiosta aiheuttavat laakean painuman vedenpintaan. Painuman aiheuttama hetkellinen alipaine ja siihen edestä ja takaa hakeutuvat vesimassat muodostavat kohdatessaan uuden aallonharjan jne.

20 Aallonharjalla on lisäksi tuulen paineesta johtuen melko voimakas vaakasuora liikekomponentti tuulen suuntaan ja aallonpohjalla vastakkainen kompensoiva virtaus.

Koska aallon staattinen energia on pääosin keskittynyt sen ylimpiin osiin olisi merkittävä määrä staattista 25 energiaa saatavissa talteen pidättämällä aallonharjan tietty volyymiosuus paikoilleen kunnes aallonharja muilta osin on siirtynyt eteenpäin. Tällöin tämä staattinen energia ei olisi käytettävissä vain pintatasoon vaan aina seuraavaan aallonpohjaan asti.

30 Esillä olevan keksinnön tarkoituksena onkin aikaan saada yllä esitetyn mukaisesti toimiva erittäin lujarakenteinen ja käyttövarma energianmuuntoyksikkö, jolla on korkea hyötysuhde. Tämä on toteutettu keksinnön mukaisella energianmuuntoyksiköllä, jolle on tunnusomaista, että se 35 koostuu runkorakennelman suhteen vaakasuoraan liikkuvasta kantovaunusta, kantovaunuun liittyvästä aaltoliikkeen mu- 3 64839 kana liikkuvasta ponttoonirakennelmasta, lukitusvälineistä ponttoonirakennelman lukitsemiseksi aallon mukana pystysuunnassa saavuttamaansa ylimpään ja alimpaan asentoonsa ja jälleen vapauttamiseksi aallonharjan/-pohjan siirryttyä 5 eteenpäin niin, että ponttoonirakennelma on lähes kokonaisuudessaan pinnan yläpuolella/sen alapuolella ja yksi- tai kaksitoimisista ponttoonirakennelmaan liitetyistä korkea-painenestepumpuista ponttoonirakennelman vapaan liikkeen energian muuttamiseksi nestepaineeksi.

10 Ponttoonirakennelman kantavan osan muodostavat useat pystysuorassa olevat sylinterinmuotoiset kummastakin päästään lievästi hydrodynaamisesti muotoillut säiliöt. Ponttoonirakennelman massa on likimain puolet tai hieman vähemmän kuin sen säiliöiden syrjäyttämän vesimäärän massa.

15 Keksinnön ydin onkin siinä, että aallonharjalle noussut/aallonpohjaan laskenut sopivasti mitoitettu ja muotoiltu pönttööni pysäytetään ääriasentoonsa kunnes se aallonhar jan/-poh jän siirryttyä riittävästi eteenpäin voi vapaasti pudota/nousta lähes täydellä painollaan/nostovoimal-20 laan.

Keksintöä selostetaan seuraavassa lähemmin viitaten oheiseen piirustukseen, jossa: kuvio 1 esittää kaaviollisesti keksinnön mukaisen energianmuuntoyksikön esimerkinomaista suoritusmuotoa 25 sivulta, kuvio 2 esittää kuvion 1 mukaista yksikköä edestä, ja kuvio 3 esittää kuvion 1 mukaista yksikköä päältä kannatusvaunu poistettuna.

30 Kuvioissa 1...3 on kuvattu keksinnön mukaisen ener gianmuuntoyksikön erään jossain määrin kaaviollisesti esitetyn suoritusmuodon yksityiskohtaisempaa rakennetta. Sen varsinainen aaltoihin reagoiva osa on ponttoonirakennelma 1, joka koostuu toistensa suhteen ristikkäin harvaan sijoi-35 tetuista pitkittäis- ja poikittaispalkeista 6 ja 7, niihin 4 64839 putkimaisten varsien 4 välityksellä kiinnitetyistä lievästi hvdrodynaamisesti muotoilluista säiliöistä 3, ja ohjaus- ja kannatustangoista 5. Kannatustangot 5 liittävät ponttoonirakennelman sen yläpuolelle sijoitettuun kanto-5 vaunuun 2. Kantovaunu 2 on sijoitettu esim. pohjaan tuettujen tai muulla tavoin ankkuroitujen pylväsparien 11a, 11b ja 11c väliin. Pylväiden 11a, 11b ja 11c väliin on kiinnitetty sillat 16, joiden sisään on muodostettu suljetut uurteet 27, joissa kantovaunuun 2 laakeroidut kova-10 kumipyörät 18, joita on esim. neljä paria, liikkuvat. Täten kantovaunu voi siirtyä vaakasuorassa suunnassa pylväiden 11a, 11b ja 11c suhteen. Tätä vaakasuoraa liikettä rajoittavat ja hyödyntävät keskimmäisen pylvään 11b ja kantovau-nun väliin sijoitetut kaksi yksitoimista korkeapaineneste-15 pumppua 19.

Ponttoonirakennelmaan liittyvät johto- ja kannatus-tangot 5 kulkevat kantovaunun 2 ja sen yläpinnalle kiinnitettyjen pitkähköjen ohjausholkkien 8 läpi. Ohjausholkkien 8 yläpäihin on liitetty esim. magneettiset lukitusvälineet 20 9 ponttoonirakennelman lukitsemiseksi halutulle korkeudelle.

Ponttoonirakennelman liikettä rajoittavat ja hyödyntävät aina yhtä kannatustankoparia kohden sovitettu korkeapaine-nestepumppu 12, sekä tankojen 5 päihin muodostetut laajennukset 10. Ponttoonirakennelmaan on liitetty myös välilai-25 pat 20, jotka estävät veden vaakasuoran liikkeen ponttooni-rakennelmassa kun taas lieriöiden 3 sijoittelu sallii veden pystysuuntaisen liikkeen. Ponttoonirakennelman liikettä ylös- ja alaspäin ohjaavat ohjaus- ja kannatustankojen 5 lisäksi myös ponttoonirakennelman sivuihin liitetyt, tarvit-30 taessa jousitetut, pylväisiin 11a, 11b ja 11c tukeutuvat kumipyörät 15.

Kantovaunun 2 tehtävänä on ohjata ponttoonirakennelman 1 liikettä pystysuunnassa sekä pitää se paikoillaan ääriasennoissa sallien samalla koko laitteiston joustami-35 sen aaltojen vaakasuoran komponentin suuntaan. Sitä rasittaa siis vuoroin koko ponttoonirakennelman paino vuoroin 5 64839 sen koko nostovoima.

Energianmuuntoyksikön toiminnan eri vaiheiden mahdollistamiseksi ainakin yhden lieriön 3 vastakkasiin päihin on liitetty anturit 13 ja 14, jotka antavat impulssin 5 vastapaineen tilapäiseksi poistamiseksi korkeapaineneste-pumpuista 12 jäännöskiihtyvyyden antamiseksi ponttoonira-kennelmalle säiliöiden 3 saadessa kosketuksen vedenpintaan. Lukitsemispulssin lukitsemisvälineille antaa esim. jonkin lukitsemislaitteen 9 yhteyteen liitetty ponttoonirakennel-10 man nousu- ja laskuliikkeen pysähtymiseen reagoiva anturi 17. Irroituspulssin lukitsemislaitteille 9 antaa esim. aaltoliikkeen suuntaan nähden viimeiseen pyöräpariin 18 liitetty akselipainon tai -taipuman perusteella toimiva anturi 21 rasituksen saavuttaessa määräarvonsa.

15 Keksinnön mukainen aaltovoimalaitoksen yksi energian- muuntoyksikkö toimii mahdollisista naapurimoduleista riippumatta seuraavasti: Ponttoonirakennelman 1 saavuttaessa lakikorkeutensa n. 24° aallonharjan huipun jälkeen antaa sensori 17 lukitsemisimpulssin lukituslaitteille 9. Pont-20 toonirakennelma 1 jää tähän asentoon kunnes veden kantovoima aallonpohjan lähestyessä on vähentynyt 6...10 %:ksi maksimiarvostaan. Tällöin takimmaisten kannatuspyörien 18 kasvava akselipaino laukaisee sensorin 21, jonka antama impulssi lukituslaitteille 9 vapauttaa ponttoonirakennelman.

25 Vapauttamisimpulssi voidaan antaa ennakoiduisti, sillä ponttoonirakennelman liike on pienen jäännöskiihtyvyyden takia aluksi varsin hidas ja tässä vaiheessa nopeassa las-kuliikkeessä oleva vedenpinta jättää sen hetkessä kokonaan vapaaksi. Mainittua suurempi ennakointi ei kuitenkaan käy 30 päinsä, koska korkeapainenestepumppujen 12 vastapaine tällöin pyrkisi nostamaan ponttoonirakennelmaa. Esimerkiksi jäännöskiihtyvyys n. 0,06 g antaa nyt ponttoonirakennel-malle loppunopeuden 2,03 m/s sen iskeytyessä aallonpohjaan. Solumaisen rakenteensa ansiosta se jatkaa liikettään sen 35 syrjäyttämän vesimäärän kohottaessa vedenpintaa yli aallon-mukaisen kohoamisen. Esimerkissä on ponttoonirakennelman 6 64839 vedelle vapaa pinta-ala = säiliöpinta-ala, joten ylimääräinen pinnannousu = ponttoonin veteentunkeutumissyvyys. Vapaan pinta-alan lisääminen pidentäisi ponttoonirakennelmaa kohtuuttomasti, jolloin sen ääriosat kohtaisivat vedenpin-5 nan oleellisesti keskikohtaa aikaisemmin.

Mikäli ponttoonirakennelman 1 annetaan jatkaa pin-takosketuksen jälkeen työtä tehden pysähtyy se jo edettyään 0,5 m, jolloin lähtökohta seuraavalle nousuvaiheelle jää varsin epäedulliseksi. Jos sensijaan antureiden 13 ja 14 10 antamalla impulssilla pintakosketuksen tapahtuessa poistetaan korkeapainenestepumppujen 12 aiheuttama vastapaine ja ponttoonirakennelma saa vapaasti jatkaa liikettään pysähtyy ja lukkiutuu se vasta edettyään 1,44 m syvyyssuuntaan pintakosketuskohdasta. Näin menetellen paranee laitteiston 15 kokonaishyötysuhde n. 16 %.

Ponttoonirakennelman korkeuden ollessa 2,5 m ja aallon keskikorkeuden mainitut 4,5 m on ponttoonirakennelman yläpinta nyt tasolla - 2,25 - 1,44 + 2,5 = -1,19 m.

Tämän tason - sallitun ennakon n. 0,1 m saavuttaa nouseva 20 aallonharja n. 35° ennen pintatasoa, jolloin sensori 21 antaa vapauttamisimpulssin lukituslaitteille 9 ja nousu-vaihe alkaa. Aallon oma nousuliike antaa tällöin ponttooni-rakennelmalle ylimääräistä alkuvauhtia ja kun sen säiliöiden hydrodynaminen muotoilu vähentää kitkaa nopeuden kasvaessa 25 ei ponttoonin nostovoiman tarvinne olla sanottavasti sen painoa suuremman saman loppunopeuden saavuttamiseksi. Ponttoonirakennelman saatua pintakosketuksen sensori 14 impulssillaan poistaa korkeapainenestepumppujen 9 vastapaineen ja ponttoonirakennelma jatkaa nousuaan saavuttaen lakikorkeu-30 den 2,25+1,44 = 3,69 m (yläpinta) lukkiutuen tähän a- sentoon. Sen alapinnan korkeus yli vedenpinnankeskitason on tällöin 1,19 m. Poistuvan aallonharjan takapinnan saavuttaessa tämän tason + sallitun ennakon antaa sensori 21 vapauttamisimpulssin lukitsemismekanismeille 9 ja uusi pe-35 riodi alkaa.

7 64839

Sinänsä suuren volyyminsa sekä siihen sitoutuneiden huomattavien vesimassojen ansiosta on ponttoonirakennel-malla 1 mitä parhaat edellytykset hyödyntää myöskin aallonharjan ja -pohjan vaakasuorat liikekomponentit, mikä aikaan-5 saadaan jarruttamalla kantovaunun liikettä yksitoimisten korkeapainenestepumppujen 19 avulla.

Pienen kiihtyvyytensä takia jää ponttoonirakennelma nousuvaiheensa alussa, jolloin aallon pinnan nousunopeus on jo lähellä maksimiarvoaan huomattavan syvälle pinnan alle. 10 Jotta ponttoonin tukirakennelmat eivät tässä vaiheessa jarruttaisi sen nousuliikettä on ponttoonin säiliöt varustettava putkimaisilla kiinnikevarsilla 4, joiden pituus on valitun vallitsevan keskiaallokon periodista T riippuen 1/3...1/2 aallonkorkeutta H.

15 Pitkässä valtameriaallokossa, T = 10...15 sekuntia, antaa aaltovoimavoimalan ankkuroidussa versiossa ponttoonira-kennelman pitkäaikainen paino/nostovoima huomattavan kiih-tyvyyden koko voimalarakennelmalle. Ponttoonirakennelman laskuvaiheen päättyessä jatkaa siten koko laitos alaspäin 20 ja tämä liike päättyy vasta kun ponttoonirakennelman nostovoima on sen kumonnut suunnilleen keskipintatasossa seu-raavan nousuvaiheen aikana. Tästä liikkeestä, joka saattaa kohota useaan metriin, ei ole haittaa sen pidentäessä hyö-tyliikkeen pituutta nousu-ja laskuvaihetta kohden, mutta 25 se saattaa kontrolloimattomana aiheuttaa resonanssihäiri-öitä joutuessaan epätahtiin aaltoliikkeen kanssa. Tästä syystä on aiheellista moninkertaistaa voimalarakenteen oma massa sitomalla siihen allaolevia vesimassoja pääasiassa vaakasuorilla levytasoilla, joita ei ole esitetty, niin, 30 että näin aikaansaatu massa on 10...15 kertaa ponttoonirakennelman yhteismassaa suurempi.

Esimerkkitapauksessa on itse ponttoonirakennelman nousu- ja laskujaksojen tehollinen liikepituus 3,69 + 1,19 - 1,44 = 3,44 mm ja sen antama mekaaninen energia siis: 35 2 x 3,44 m x 200.000 kg x 0,94 . , /1Λ . .

--Ϊ0-s-2--— = 1^9.000 kgm/s/10 m nnta- maleveyttä. Tämä vastaa tehoa 126,8 kW/1 m rintamaleveyttä 8 64839 hyötysuhteen ollessa 126,8/250 = 0,507.

Aallonharja ja -pohjan vaakasuora liikekomponentti on n. 0,73 x 0,267 W/kg, joten ponttoonirakennelman ja siihen sidotun samansuuruisen vesimassan energiasisältö on: 5 o,73 x 0,267 x 800.000 kg = 156.000 W, josta määrästä n. 50 % eli 78 kW hyödynnetään. Kokonaishyötysuhde kohoaa näin jopa yli 0,8:n.

Staattisen ja liike-energian yhteissumma on edellisessä suurempi kuin esimerkkiaallon nimellisteho 250 kW, 10 mikä johtuu energian jaksoittaisesta kasautumisesta ja laimenemisesta aaltoliikkeen eri vaiheissa.

Keksinnön mukaista laitetteistoa voidaan soveltaa joko lähinnä pienimuotoisena kiinteänä tai ankkuroituna aaltovoimavoimalana sekä esimerkiksi öljynporauslauttoihin 15 mikäli sen vaakasuora työntövoima kompensoidaan.

Edellä esitetty ponttoonirakennelma-kantovaunuyhdis-telmä voidaan korvata ponttoonirakennelmalla, jonka pitkä, pystysuoraan liikkuva kantovarsi yhdistää vaakasuunnassa joustavalla ja lukittavalla nivelellä voimalan runkoon.

Claims (7)

9 64839

1. Energianmuuntoyksikkö aaltovoimalaa varten käsittäen runkorakennelman (11, 16) ja siihen liikkuvasti lii- 5 tetyn aaltoihin reagoivan muuntolaitteen, tunnettu siitä, että muuntolaite koostuu runkorakennelman (11, 16) suhteen vaakasuoraan liikkuvasta kantovaunusta (2), kanto-vaunuun liittyvästä aaltoliikkeen mukana liikkuvasta pont-toonirakennelmasta (1), lukitusvälineistä (12) ponttooni-10 rakennelman (1) lukitsemiseksi aallon mukana pystysuunnassa saavuttamaansa ylimpään ja alimpaan asentoonsa ja jälleen vapauttamiseksi aallonharjan/-pohjan siirryttyä eteenpäin niin, että ponttoonirakennelma on lähes kokonaisuudessaan pinnan yläpuolella/sen alapuolella ja yksi- tai kaksi-15 toimisista ponttoonirakennelmaan liitetyistä korkeapaine-nestepumpuista (9) ponttoonirakennelman vapaan liikkeen energian muuttamiseksi nestepaineeksi.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen energianmuuntoyksikkö, tunnettu siitä, että ponttoonirakennelman 20 kantavan osan muodostavat useat pystysuorassa olevat sylinterinmuotoiset kummastakin päästään lievästi hydrodynaamisesta muotoillut säiliöt (3).

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen energianmuuntoyksikkö, tunnettu siitä, että ainakin yhteen säi- 25 liöön (3) liitetyt anturit (13, 14) antavat vedenpintaa koskettaessaan impulssin vastapaineen tilapäiseksi poistamiseksi korkeapainenestepumpuista (12) jäännöskiihtyvyyden antamiseksi ponttoonirakennelmalle (1).

4. Patenttivaatimuksen 2 mukainen energianmuunto-30 yksikkö, tunnettu siitä, että ponttoonirakennelman (1) massa on likimain puolet tai hieman vähemmän kuin sen säiliöiden (3) syrjäyttämän vesimäärän massa.

5. Patenttivaatimuksen 2 mukainen energianmuuntoyksikkö, tunnettu siitä, että säiliöt (3) on sijoi- 35 tettu ponttoonirakennelmaan (1) erilleen toisistaan, joten ne sallivat veden liikkuvuuden pystysuunnassa, kun sitävas- 1Λ 64839 10 toin veden liike vaakasuunnassa on estetty välilaipoilla (20).

6. Patenttivaatimuksen 2 mukainen energianmuuntoyksikkö, tunnettu siitä, että säiliöt (3) on varustettu putkimaisilla varsilla (4), joiden pituus on 1/3...1/2 vallitsevan keski- 5 aallokon korkeudesta.

7. Patenttivaatimuksen 1 mukainen energianmuuntoyksikkö, tunnettu siitä, että kantovaunun (2) vaakasuoran liikkeen rajoittamiseksi runkorakennelman (14, 16) suhteen on kanto-vaunun ja runkorakennelman väliin sovitettu toisesta päästään 10 kantovaunuun ja toisesta päästään runkorakennelmaaan kiinnitettyjä yksitoimisia painenestepumppuja (19). 11 64839