NO153542B - Vaeskeboelgeenergiabsorbator. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører en væskebølgeenergiabsorb-ator for utnyttelse av energien i vannbølger, innbefattende et kammer med en neddykket åpning hvor væsken kan strømme inn og ut hvorved væskemassen i kammeret settes i svingninger, og en anordning som tapper energi fra svingesystemet ved å dempe væskemassens svingninger, idet det på hver side av åpningen er plassert som grenseflater virkende veggelementer for styring av vannet mot åpningen.

Som typiske eksempler på slike bølgeenergiab-sorbatorer skal her nevnes slike som arbeider etter resonant fastkropp (bøye)-prinsippet og energiabsorbatorer som arbeider etter prinsippet med svingende vannsøyle.

Oppfinnelsen er særlig utviklet i forbindelse med såkalte bølgekraftverk, hvor man ikke bare absorberer bølge-energien, men også utnytter den til kraftproduksjon.

Fra US-PS nr. 1.331.209 er det kjent et bølge-kraftverk hvor det er benyttet vegger som kan betegnes som grenseflater for styring av vannet mot en åpning. Det dreier seg imidlertid om en enkel traktformet utførelse,

dvs. om en ledetrakt for innstyring av vannet.

En traktformet utførelse for innstyring av

vannet, er også kjent fra US-PS nr. 4.022.549.

Ved bølgeenergiabsorbatorer av den type som

er nevnt foran vil ved konstant amplitude og varierende frekvens på de innkommende bølger svingamplituden variere etter en karakteristisk resonanskurve. Båndbredden for denne svingemoden vil være relativt liten. Det foreligger et klart behov for å oppnå større båndbredde. Dette kan man ifølge oppfinnelsen oppnå ved å utnytte den såkalte havneresonans, hvorved det oppnås en ekstra svingemode.

Denne havneresonans oppnås ifølge oppfinnelsen ved å

plassere grenseflater i bølgeenergiabsorbatorens nærhet, eventuelt fast forbundet med absorbatoren, på en slik måte at energiabsorbsjonens avhengighet av bølgefrekvensen får ett eller flere nye maksimum ved frekvenser bestemt gjennom grenseflatens plassering.

For havneresonansens vedkommende vil resonanskurvens beliggenhet langs frekvensskalaen være avhengig av lengden av grenseflatene. Ved egnet utforming av grenseflatene og bølgeenergiabsorbatoren kan man således bestemme de to resonanskurvers beliggenhet slik at de tilsammen gir systemet en gunstig båndbredde i det aktuelle frekvensområdet.

Grenseflatenes plassering beregnes på grunnlag

av kjent bølgeteori, og fordelaktig også under hensyntagen til topografien på stedet.

Oppfinnelsen kan virkeliggjøres på mange måter.

I det etterfølgende skal den beskrives i forbindelse med

et realiserbart bølgekraftverk av den type hvor man i en nedsenket og bunnfast betongkonstruksjon har et kammer med en neddykket åpning hvor væsken kan strømme inn og ut hvorved væskemassen, dvs. sjøvannet, i kammeret settes i svingninger, og hvor væskemassens svingninger påvirker en i toppen av kammeret forhåndenværende luftmasse slik at luften bringes til å strømme gjennom en luftturbin som driver en strøm-generator.

I denne forbindelse skal det vises til tegningene hvor

fig. 1 viser et lengdesnitt gjennom et bølgekraft-verk,

fig. 2 viser et tverrsnitt gjennom bølgekraft-verket,

fig. 3 viser et horisontalsnitt gjennom bølge-kraftverket, etter snittlinjen i fig. 1 og i større måle-stokk, og

fig. 4 viser et utsnitt av området hvor turbin

og generator er plassert.

Bølgekraftverket er oppbygget som en betongkonstruksjon med en bunnplate 1, fra denne oppragende side-vegger 2, 3, en fra bunnplaten oppragende bakvegg 4, fet tak 5 og en tverrvegg 6 som strekker seg mellom sidevegg-

ene 1, 2 og ned fra taket 5, idet tverrveggen 6 avsluttes i en avstand over bunnplaten 1, slik at det her dannes en åpning 7 inn til et av sideveggene 1, 2, bakveggen 4, taket 5 og bunnplaten 1 begrenset kammer 8.

Bunnplaten 1 er som vist på tegningene hul og således forsynt med ballastrom 9. Også tverrveggen 6 er hul som vist. Her kan det fordelaktig innredes apparatrom og bekvemmeligheter for personell osv. Som vist strekker deler av sideveggene 1, 2 seg opp over taket 5, slik at det dannes et oppad åpent kammer 9. Dette åpne kammer er beregnet for opptak av ballast.

Utenfor tverrveggen 6, dvs. på åpningens 7 inn-strømningsside er sideveggene 1, 2 forlenget med veggelementer 10, 11. Som vist i horisontalsnittet i fig. 3 kan disse veggelementer 10, 11 og også deler av sideveggene 2, 3 være hule, for opptak av ballast og for å styrke konstruksjon-en .

Øverst i kammeret 8, under taket 5, er det ved hjelp av fra taket nedragende vegger 12, 13 avgrenset et rom som munner ut i det fri ved en åpning 14 hvori det er plassert en luftturbin 15 og en tilhørende, av luftturbinen drevet strømgenerator 16. En rist 17 avgrenser rommet nedentil og strekker seg mellom veggene 12, 13. Denne rist 17 inngår som et element i en innretning som har til hensikt å be-skytte luftturbinen mot vanninntrengning fra kammeret 8. Denne beskyttelsesanordning innbefatter i tillegg et flyte-legeme 18 som er opptatt i et bur 19.

Øverst i kammeret 8, mellom sideveggene 2 henholds-vis 3 og de respektive vegger 12, 13, dannes det nedad åpne kammeravsnitt 20 og 21.

Som nevnt er bølgekraftverket utført som en betongkonstruksjon. Betongkonstruksjonen støpes ferdig i tørrdokk, det nødvendige maskineri monteres og ballast på-fylles slik at betongkonstruksjonen flyter rett og stabilt. Betongkonstruksjonen kan så som en enhet fløtes ut til opp-stillingsområdet og kan der senkes på plass uten bruk av kraner ved at de forhåndenværende hulrom fylles i fornøden utstrekning med vann. Deretter kan man så påfylle mer ballast, bl.a. i det nevnte oppad åpne kammer 9 over betongkonstruksjonens tak 5. Etter at en ilandføringskabel (ikke vist) er tilknyttet, vil bølgekraftverket være klart til kraftproduksjon.

Bølgekraftverket arbeider på følgende måte: Kammeret 8 vil utgjøre et svingekammer som står i forbindelse med sjøen gjennom den neddykkede åpning 7 som vender mot bølgenes fremherskende innfallsretning. De innfallende bølger vil da sette vannsøylen i svingekammeret i svingninger. Ved konstant amplitude og varierende frekvens på de innkomne bølger vil svingeamplituden variere etter en karakteristisk resonanskurve. Båndbredden for denne svingemode vil imidlertid være relativt liten. For å oppnå større båndbredde er betongkonstruksjonen utstyrt med de tidligere omtalte veggfremspring 10 og 11 på hver side av åpningen 7. Dermed oppnås en ekstra svingemode, en såkalt havneresonans foran åpningen.

Resonanskurvens beliggenhet langs frekvensskalaen vil for havneresonansens vedkommende være avhengig av lengden på de fremstikkende vegger 10, 11, som representerer de foran nevnte grenseflater, mens beliggenheten av resonanskurven for vannsøylesvingningen vil være avhengig av svingekammerets geometri. De to resonanskurvers beliggenhet kan derfor velges uavhengig av hverandre på en slik måte at de tilsammen gir systemet en gunstig båndbredde i det aktuelle frekvensområdet.

Vannsøylen i svingekammeret vil virke som et stem-pel som vekselvis vil skyve luft ut og suge luft inn gjennom luftturbinen 15. Turbinen er av en i og for seg kjent type som kan arbeide med samme rotasjonsretning uansett driv-mediets gjennomstrømningsretning. Man behøver derfor ikke likeretting av luftstrømmen ved hjelp av ventiler, noe som er vanskelig å realisere med de store luftmengder det her er tale om. Luftturbinens løpehjul kan fordelaktig ha eksempelvis åtte skovler bestående av symmetriske vinge-profiler med midtlinjen i omdreiningsplanet. Et sett faste ledeskovler 22 tjener samtidig som opplagring for generator-bulben 16. Luftturbinen avgir effekt til generatoren og yter samtidig motstand mot luftstrømmen slik at svingningene dempes. Turbinytelsen må velges slik at dempingen blir optimal og energiutbyttet dermed blir størst mulig. I et realiserbart utførelseseksempel vil turbinens løpehjul eksempelvis kunne ha en ytterdiameter på 8,4 m og rotere med et turtall på 428 omdreininger pr. minutt. Turbinen vil ikke kunne dimensjoneres slik at den tåler det ruseturtall den vil få i ubelastet tilstand. For å hindre rusing ved utfall fra nettet bør man derfor fordelaktig sørge for at generatoren automatisk koples til en elektrisk bremsemot-stand. Turtallet vil da bli redusert så meget at en mekanisk brems på turbinen kan overta og stoppe og senere fastholde aggregatet. Hvis alt annet svikter, vil den mekaniske brems-en kunne stoppe aggregatet fra fullt turtall med skader begrenset til bremseutstyret. Detaljer vedrørende bremseutstyret er ikke vist, da det anses å ligge innenfor fagmann-ens rekkevidde og man her kan benytte i og for seg kjente komponenter.

Maksimal ytelse i middel over flere bølgeperioder vil i utførelseseksempelet være 4 MW. Det er her valgt en synkrongenerator med fastlåst turtall og man vil derfor ikke få noen utjevning over bølgeperioden som følge av svinghjulseffekten fra de roterende masser. Generatoryt-elsen vil derfor variere mellom 0 og en maksimal verdi på 8 MW to ganger pr. bølgeperiode. Overskrides denne maksimal-ytelse, vil aggregatet bli frakoplet nett og bremset til stillstand.

Dersom turbinskovelene dykkes i vann med fullt turtall, vil de bli slått av med totalhavari til følge.

For å hindre vannsøylen i å svinge opp til turbinen ved ekstremt høye bølger er det innsatt en flottørventil foran turbinen. Denne flottørventil består av en elastisk, opp-blåst gummipølse 18 som vil løftes av vannsøylen og legge seg an mot risten 17 og stenge for åpningene i risten og således isolere det overliggende rom fra svingekammeret. Vannsøylen vil, hvis den svinger videre opp, komprimere de innestengte luftvolumer i kammeravsnittene 20, 21. Dette vil gi en myk avdemping og hindre slag av vannsøylen mot betongkonstruksjonens tak.

Bølgekraftverket vil normalt være ubetjent, men ved første gangs oppstarting og ellers når det er ønskelig, kan personell oppholde seg ombord. Bølgekraftverket kan entres fra båt via en liten kai 23 på lesiden, eller fra helikopter. Som nevnt kan den hule tverrvegg 6 innredes med apparatrom og bekvemmeligheter for personell. Rommet mellom flottørventilen, dvs. over risten 17, og aggregatet 15, 16 kan nås via en luftsluse 24. Langs veggene 12, 13

er det anordnet en dørk 25 som går frem til aggregatet 15, 16.

Trykksvingningene vil vanligvis ikke være større enn at det vil være mulig å oppholde seg på denne dørken,

i alle fall ved lavere turbinyteiser.

På bølgekraftverkets tak er det festet et åk 26 med to trinser 27 og 28. Når aggregatet 15, 16 skal demonter-es for vedlikehold, anbringes først en vinsj 29 på toppen av åket (se fig. 4), f.eks. ved hjelp av et helikopter. Løfte-kabelen føres over trinsene og gjennom en luke i taket over aggregatet. Delene kan så fires ned i en båt 30, som vist 1 fig. 4. Generatoren monteres/demonteres som en vanntett enhet.

Grenseflatene, i dette tilfelle veggforlengelsene 10 og 11, kan være fast forbundet med bølgeenergiabsorbatoren, som vist i utførelseseksempelet, men veggelementene eller grenseflatene kan også være utformet som selvstendige ele-menter. Eventuelt kan de gå opp som veggelementer fra bunnplaten, idet det da vil være adgang for sjøvannet å strømme mellom veggelementene og de kantsider av veggene 2 og 3 som begrenser åpningen 7.

Bølgekraftverket kan eventuelt ha flere ved siden av hverandre beliggende svingekammere, men det foretrekkes å bygge dem som vist og beskrevet, av byggetekniske og oppstillingstekniske grunner, som vil være åpenbare for fagmannen.

For å få en tilfredsstillende kraftproduksjon

på et sted, kan eksempelvis 50 enheter som vist og beskrevet plasseres ved siden av hverandre langs den aktuelle kyst-strekning, eksempelvis med en innbyrdes avstand på ca. 80 m.

For å gi et inntrykk av dimensjonene skal her nevnes at nedsettingsdypet på tegningene er ca. 30 m.

Bølgeenergiabsorbatorene kan være plassert vil-kårlig i forhold til hverandre og i innfallende bølgeretning. Absorbatorene kan også være plassert på en ekvidistant rekke i rett vinkel på bølgenes innfallretning, eller på en ekvidistant rekke parallelt med bølgenes innfallsretning.

Claims (2)

1. Væskebølgeenergiabsorbator for utnyttelse av energien i vannbølger, innbefattende et kammer (8) med en neddykket åpning (7) hvor væsken kan strømme inn og ut hvorved væskemassen i kammeret settes i svingninger, og en anordning (15) som tapper energi fra svingesystemet ved å dempe væskemassens svingninger, idet det på hver side av åpningen (7) er plassert som grenseflater virkende veggelementer (10,11) for styring av vannet mot åpningen, karakterisert ved at veggelementene (10,11) er slik utformet og plassert at energiabsorbsjonens avhengighet av bølgefrekvensen får ett eller flere nye maksimum ved frekvenser bestemt av grenseflatens plassering, for utnyttelse av den såkalte havneresonans.

2. Væskebølgeenergiabsorbator ifølge krav 1, karakterisert ved at grenseflatenes (10,11) plassering er beregnet også med hensyn til topografien på stedet.