NO165041B

NO165041B - DEVICE FOR EXTRACTION OF ENERGY FROM WASHER BELLS.

Info

Publication number: NO165041B
Application number: NO870596A
Authority: NO
Inventors: George William Moody; Robert Anthony Meir
Original assignee: Secretary Energy Brit
Priority date: 1977-08-31
Filing date: 1987-02-16
Publication date: 1990-09-03
Also published as: NO165041C; NO870596L; NO870596D0

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en anordning dimensjonert for optinal energiutvinning fra overflatebølger på en væske som anordningen er innrettet for å flyte på. The present invention relates to a device designed for optimal energy extraction from surface waves on a liquid on which the device is designed to float.

Som eksempler på bøyeanordninger innrettet for å utvinne bølgeenergi kan nevnes de anordninger som er beskrevet i GB-PS 1.014.196 samt anordninger beskrevet i norsk patentansøkning 77.2854. Disse anordninger er utført for å utvinne energi fra bølger ved hjelp av svingninger av en væskesøyle som er anordnet for å utføre nyttig arbeid. Andre eksempler på anordninger for utvinning av energi av bølger er den såkalte Salters "and", som er gjenstand for GB-PS 1.482.085, samt den såkalte "flåte"-anordning som er foreslått av Sir Christopher Cockerell FRS og er gjenstand for GB-PS 1.448.204. Ved alle disse utførelser er en asymmetrisk form under vannlinjen naturlig for å kunne omforme den absorberte energi fra bølgene til nyttig energi f.eks. ved hjelp av svingende vannsøyle. Examples of bending devices designed to extract wave energy can be mentioned the devices described in GB-PS 1.014.196 as well as devices described in Norwegian patent application 77.2854. These devices are designed to extract energy from waves by means of oscillations of a liquid column arranged to perform useful work. Other examples of devices for the extraction of energy from waves are the so-called Salter's "duck", which is the subject of GB-PS 1,482,085, as well as the so-called "raft" device proposed by Sir Christopher Cockerell FRS and the subject of GB -PS 1,448,204. In all these designs, an asymmetrical shape below the waterline is natural in order to transform the absorbed energy from the waves into useful energy, e.g. using a swinging water column.

En av de vanskeligheter som foreligger ved konstruksjon av sådanne anordninger for utvinning av energi fra bølgebevegelser er nødvendigheten av å oppnå en virkningsgrad som gjør anordningen verdt å konstruere for praktisk bruk. De kompli-serte krefter som opptrer ved energiutveksling mellom bølgene og såvel den flytende konstruksjon som helhet som dens bevegelige deler for å utnytte den absorberte energi fra bølgene, er så vanskelig å bestemme at de hittil ikke har vært mulig å beregne. One of the difficulties that exist in the construction of such devices for extracting energy from wave movements is the necessity to achieve a degree of efficiency that makes the device worth constructing for practical use. The complicated forces that occur during energy exchange between the waves and both the floating structure as a whole and its moving parts to utilize the absorbed energy from the waves are so difficult to determine that they have not been possible to calculate until now.

Før 1977 var det en viss forståelse for at det var ønskelig å unngå at den bevegelige del som utnyttes for å utvinne energi fra bølgene frembragte transmisjons- og refleksjonsbølger. Dette er omtalt av Salter i GB-PS 1.482.085. Det var imidlertid ikke erkjent før utviklingen av foreliggende oppfin-nelsesgjenstand at kravet om utslukning av sekundærbølgene måtte stilles til anordningen som helhet, nemlig kombinasjonen av det flytende bærelegeme og de bevegelige deler som sørget for den praktiske utnyttelse av bølgeenergien. På denne bakgrunn er det da et formål for oppfinnelsen å frembringe en anordning av innledningsvis angitt art med sikte på å oppnå optimal energiutvinning innenfor et spesielt spektrum av bølgelengder for vedkommende væskebølger. Before 1977, there was a certain understanding that it was desirable to avoid that the moving part used to extract energy from the waves produced transmission and reflection waves. This is discussed by Salter in GB-PS 1,482,085. However, it was not recognized before the development of the present invention that the demand for extinguishing the secondary waves had to be made to the device as a whole, namely the combination of the floating support body and the moving parts which ensured the practical utilization of the wave energy. Against this background, it is then an object of the invention to produce a device of the kind indicated at the outset with the aim of achieving optimal energy extraction within a particular spectrum of wavelengths for the liquid waves in question.

Oppfinnelsen gjelder således en anordning for utvinning av energi fra bølger på en væske som anordningen er innrettet for å flyte på, idet anordningen er installert slik at den under . påvirkning av nevnte bølger tillates å bevege seg fritt i et vertikalplan orientert i bølgenes forplantningsretning, og omfatter et kammer med lukket nedre ende og en åpning under væskenivået for strømning av væske inn i og ut av kammeret og derved svingebevegelse av væsken i kammeret under påvirkning fra bølgene, med det formål å drive en innretning til forbruk eller anvendelse av energi som utvinnes fra den svingende væske i kammeret. The invention thus relates to a device for extracting energy from waves on a liquid on which the device is designed to float, the device being installed so that it under . the influence of said waves is allowed to move freely in a vertical plane oriented in the direction of propagation of the waves, and comprises a chamber with a closed lower end and an opening below the liquid level for the flow of liquid into and out of the chamber and thereby swinging movement of the liquid in the chamber under the influence of the waves, with the purpose of operating a device for consumption or application of energy extracted from the oscillating liquid in the chamber.

For å komme frem,til korrekt dimensjonering for det angitte formål er det for en sådan anordning utført forsøk av den art som er beskrevet i norsk utlegningsskrift 163.247 og går ut på at forholdet mellom bølgehøyden av sekundære henholdsvis transmisjons- og refleksjonsbølger fra anordningen og bølge-høyden av innfallende primærbølger bestemmes under de tilsiktede driftsforhold for anordningen, idet beliggenheten av tyngepunktet og treghetsradien om tyngdepunktet for anordningen som helhet varieres ved forandring av anordningens vektfordeling under gjentatte bestemmelser av nevnte bølge-høydeforhold, inntil tilfredsstillende minimumsverdier av disse forhold er oppnådd. In order to arrive at the correct dimensioning for the stated purpose, experiments of the kind described in Norwegian interpretation document 163.247 have been carried out for such a device and based on the relationship between the wave height of secondary respectively transmission and reflection waves from the device and wave the height of incident primary waves is determined under the intended operating conditions for the device, the location of the center of gravity and the radius of inertia around the center of gravity for the device as a whole being varied by changing the device's weight distribution during repeated determinations of said wave-height ratio, until satisfactory minimum values of these conditions are achieved.

Ved hjelp av disse forsøk er det da funnet at de tilsiktede optimale forhold kan oppnås ved en slik relativ dimensjonering av anordningen i henhold til oppfinnelsen at: a) avstanden i kammeret mellom innsidene av henholdsvis dem fremre og den bakre vegg i forplantningsretningen av de With the help of these tests, it has then been found that the intended optimal conditions can be achieved by such a relative dimensioning of the device according to the invention that: a) the distance in the chamber between the insides of the front and rear walls respectively in the propagation direction of the

innkommende bølger velges omtrent lik 1/10 av bølgelengden av de innkommende bølger, incoming waves are chosen approximately equal to 1/10 of the wavelength of the incoming waves,

b) den lukkede ende av kammeret er anbragt slik at den midlere væskehøyde i kammeret er omtrent 9/80 av bølgelengden b) the closed end of the chamber is arranged so that the average liquid height in the chamber is approximately 9/80 of the wavelength

av de innkommende bølger, of the incoming waves,

c) åpningen har en høydimensjon lik omtrent 2/3 ganger den midlere væskehøyde i kammeret, idet enten d) anordningens tyngepunkt ligger omkring 1/9 ganger den midlere væskehøyde i kammeret fra nevnte lukkede ende av c) the opening has a height equal to approximately 2/3 times the average liquid height in the chamber, with either d) the center of gravity of the device being about 1/9 times the average liquid height in the chamber from said closed end of

kammeret, samt 5/16 ganger nevnte avstand mellom innerflåtene av henholdsvis fremre og bakre vegg i kammeret bakover fra innerflaten av den bakre vegg, og the chamber, as well as 5/16 times the aforementioned distance between the inner rafters of the front and rear wall respectively in the chamber backwards from the inner surface of the rear wall, and

e) anordningens treghetsradius om tyngdepunktet er omkring 3/4 ganger avstanden mellom innsidene av henholdsvis fremre og e) the device's radius of inertia if the center of gravity is about 3/4 times the distance between the insides of the front and

bakre vegg i kammeret, eller rear wall of the chamber, or

f) anordningens tyngepunkt ligger i omtrent samme høyde som den lukkede ende av kammeret samt bakenfor kammerets f) the center of gravity of the device is at approximately the same height as the closed end of the chamber as well as the rear of the chamber

bakvegg i en avstand på omkring 1/8 ganger nevnte avstand mellom innsidene av henholdsvis fremre og bakre vegg i kammeret, og rear wall at a distance of about 1/8 times the said distance between the insides of the front and rear walls respectively in the chamber, and

g) anordningens treghetsradius er omkring 7/8 ganger nevnte avstand mellom innsidene av henholdsvis fremre og g) the device's radius of inertia is about 7/8 times the aforementioned distance between the insides of the front and

bakre vegg i kammeret. rear wall of the chamber.

Oppfinnelsen vil nå bli nærmere beskrevet ved hjelp av utførelseseksempler og under henvisning til de vedføyde tegninger, hvorpå: Fig. 1 viser skjematisk i et tverrsnitt tyngdepunktplas-sering og de optimale parametre for en flytende anordning av foreliggende art, Fig. 2 viser skjematisk i et tverrsnitt tyngdepunktplas-sering og de optimale parametre for en annen utførelse av en flytende anordning i henhold til oppfinnelsen, Fig. 3 viser skjematisk et tverrsnitt gjennom en anordning for utvinning av bølgeenergi og med de parametre som er angitt i fig. 1, The invention will now be described in more detail with the help of design examples and with reference to the attached drawings, on which: Fig. 1 shows schematically in a cross-section the location of the center of gravity and the optimal parameters for a floating device of the present kind, Fig. 2 shows schematically in a cross-section center of gravity location and the optimal parameters for another embodiment of a floating device according to the invention, Fig. 3 schematically shows a cross-section through a device for extracting wave energy and with the parameters indicated in fig. 1,

Fig. 4 viser et snitt langs linjen V-V i fig. 3, Fig. 4 shows a section along the line V-V in fig. 3,

Fig. 5 viser skjematisk et snitt gjennom en anordning for utvinning av bølgeenergi og med de parametre som er angitt i fig. 2. Fig. 5 schematically shows a section through a device for extracting wave energy and with the parameters indicated in fig. 2.

I fig. 1 er en utførelse av anordningen i henhold til oppfinnelsen vist skjematisk og sett i snitt fra siden, samt påført de relative dimensjoner av undervannsdelen, angivelse av tyngdepunktet CG samt modellens treghetsradius 3a om tyngdepunktet, sammen med den midlere vannhøyde i kammeret, modellens vannlinje, sett i forhold til bølgelengden av de innfallende bølger. Den angitte dimensjon "L" i fig. 1 er avledet fra bølgelengden for de innfallende bølger, og det er ønskelig å anvende de angitte størrelsesforhold i fig. 1 og 2 ved praktiske anvendelser hvor "L" er tilnærmet lik en tiendedel av bølgelengden for de innfallende bølger. In fig. 1 is an embodiment of the device according to the invention shown schematically and seen in section from the side, as well as showing the relative dimensions of the underwater part, indication of the center of gravity CG and the model's radius of inertia 3a about the center of gravity, together with the average water height in the chamber, the model's waterline, seen in relation to the wavelength of the incident waves. The specified dimension "L" in fig. 1 is derived from the wavelength of the incident waves, and it is desirable to use the specified size ratios in fig. 1 and 2 in practical applications where "L" is approximately equal to one tenth of the wavelength of the incident waves.

Det er ved forsøk funnet at den viste utførelse i fig. 1 omvandlet omtrent 75 % av energien i de innfallende bølger til nyttig arbeid., mens omtrent 5 % ble avgitt som transmitterte sekundære bølger og omtrent 5 % som reflekterte bølger, idet de gjenværende 15 % av bølgeenergien gikk tapt i selve modellen. Fribordet over vannlinjen er av liten betydning bortsett fra dets forhold til tyngdepunktets plassering og verdien av treghetsradien. Det vil forstås at så lave verdier som 5 % for henholdsvis transmitterte og reflekterte sekundærbølger utgjør en betraktelig reduksjon av de energitap som fremkommer ved kjente anordninger av foreliggende art. It has been found by trial that the embodiment shown in fig. 1 converted about 75% of the energy in the incident waves into useful work., while about 5% was emitted as transmitted secondary waves and about 5% as reflected waves, the remaining 15% of the wave energy being lost in the model itself. The freeboard above the waterline is of little importance except for its relationship to the location of the center of gravity and the value of the radius of inertia. It will be understood that values as low as 5% for respectively transmitted and reflected secondary waves constitute a considerable reduction of the energy losses that occur with known devices of the present kind.

I fig. 2 er det vist en utførelse av lignende art som i fig. 1 og påført dimensjonsforhold på lignende måte. Vannfortreng-ningen av utførelsen i fig. 2 er imidlertid sterkt nedsatt sammenlignet med utførelsen i fig. 1, og dette er oppnådd med bare ubetydelig nedsatt virkningsgrad når det gjelder anordningens uttrekk av energi fra bølgene. In fig. 2 shows an embodiment of a similar nature to that in fig. 1 and applied dimensional ratios in a similar manner. The water displacement of the embodiment in fig. 2 is, however, greatly reduced compared to the embodiment in fig. 1, and this has been achieved with only a negligible reduction in efficiency when it comes to the device's extraction of energy from the waves.

De dimensjonsforhold som er angitt i fig. 1 og 2 kan anvendes ved bølgeenergianordninger for forskjellige formål. The dimensional ratios indicated in fig. 1 and 2 can be used with wave energy devices for different purposes.

De utførelser som er vist i fig. 1 og 2 gjelder anordninger som utnytter svingebevegelser av en vannsøyle for å utvinne energi fra innfallende bølger ved sammentrykning av gass,, f.eks. luft, over vannsøylen og utslipp av vedkommende gass gjennom en åpning, enten til en mekanisk innretning slik som en turbin, eller ved å dimensjonere åpningen 28 slik at energi går tapt ved gasstrømning gjennom åpningen, således at anordningen kan fungere som en bølgebryter. Dimensjonsforholdene for den åpning som er vist i fig. 1 og 2 gjelder en åpning som passer for anvendelse i en bølgebryter. The designs shown in fig. 1 and 2 apply to devices which utilize swinging movements of a column of water to extract energy from incident waves by compression of gas, e.g. air, above the water column and discharge of the relevant gas through an opening, either to a mechanical device such as a turbine, or by dimensioning the opening 28 so that energy is lost when gas flows through the opening, so that the device can function as a breakwater. The dimensional conditions for the opening shown in fig. 1 and 2 apply to an opening suitable for use in a breakwater.

Den anordning som er vist i fig. 3 er en flytende konstruksjon som har de dimensjonsforhold og den vektfordeling som er vist i fig. 1, i et vertikalplan orientert i forplantningsretningen for bølger på en væskeoverflate hvorpå anordningen er vist flytende. Denne anordning er utstyrt med en forvegg 35, en passende utformet bakvegg 36, en nedre endevegg 37 samt et øvre parti 38, som avgrenser et kammer 23 mellom forveggen 35 og bakveggen 36. En åpning 39 mellom den nedre ende av forveggen 35 og den nedre endevegg 37 tillater væske å strømme inn og ut av kammeret 23 i samsvar med bølgebevegelsene på vedkommende væskeoverflate. The device shown in fig. 3 is a floating construction which has the dimensional ratios and the weight distribution shown in fig. 1, in a vertical plane oriented in the direction of propagation of waves on a liquid surface on which the device is shown floating. This device is equipped with a front wall 35, a suitably designed rear wall 36, a lower end wall 37 and an upper part 38, which delimits a chamber 23 between the front wall 35 and the rear wall 36. An opening 39 between the lower end of the front wall 35 and the lower end wall 37 allows liquid to flow into and out of chamber 23 in accordance with the wave movements on the relevant liquid surface.

Et retningsvirkende ventilarrangement omfatter en enveis innløpsventil 41 til kammeret 23 og en enveis utløpsventil 40 fra samme kammer 23, som gjennom nevnte enveisventiler står i forbindelse med en luftkanal 42 utstyrt med en enveis inn-løpsventil 43 fra den omgivende atmosfære samt en enveis utløpsventil 44 til atmosfæren. En luftturbin 45 er anordnet i luftkanalen 42 og sammenkoblet med elektrisk generator 46 med det formål å drive nevnte generator 46 når luft strømmer gjennom luftkanalen 42. A directional valve arrangement comprises a one-way inlet valve 41 to the chamber 23 and a one-way outlet valve 40 from the same chamber 23, which through said one-way valves is connected to an air channel 42 equipped with a one-way inlet valve 43 from the surrounding atmosphere and a one-way outlet valve 44 to the atmosphere. An air turbine 45 is arranged in the air duct 42 and connected to an electric generator 46 for the purpose of driving said generator 46 when air flows through the air duct 42.

Foreliggende bølgekraftanordning er av langstrakt form i en retning parallelt med bølgene, slik som vist i fig. 4 som det nå skal henvises til, idet anordningen er utstyrt med skille-vegger 49 for dannelse av et antall kammere 23 som står i forbindelse med hver sin luftturbin 45 (ikke vist) og elek-triske generator 46 (ikke vist). The existing wave power device is of an elongated shape in a direction parallel to the waves, as shown in fig. 4 to which reference must now be made, as the device is equipped with dividing walls 49 to form a number of chambers 23 which are each connected to an air turbine 45 (not shown) and an electric generator 46 (not shown).

Ved drift av den anordning som er vist i fig. 3 og 4 vil svingebevegelse av væsken i kammeret 23 i samsvar med bølge-bevegelsene suge luft inn i kammeret 23 gjennom luftinnløpene 43 og 41, for senere å støte ut luft fra nevnte kammer 23 When operating the device shown in fig. 3 and 4, swinging movement of the liquid in the chamber 23 in accordance with the wave movements will suck air into the chamber 23 through the air inlets 43 and 41, to later expel air from said chamber 23

gjennom luftutløpene 40 og 44. Luftstrømmen gjennom kanalen 42 through the air outlets 40 and 44. The air flow through the channel 42

har i begge tilfeller samme retning, slik det vil fremgå av de piler som angir retningen av strømningsbevegelsen, og lufttur- has the same direction in both cases, as will be evident from the arrows indicating the direction of the flow movement, and air travel

binen 45 drives således både under væskebevegelse oppover og nedover av væsken i kammeret 23. the bin 45 is thus driven both during liquid movement upwards and downwards by the liquid in the chamber 23.

En bølgekraftanordning som stort sett er lik den anordning som A wave power device which is largely similar to the device which

er vist i fig. 3 og 4, men har de dimensjonsforhold og den vektfordeling som er angitt i fig. 2, er vist i fig. 5, som det nå vil bli henvist til. Skjønt anordningen i fig. 5 er utstyrt med en bakvegg 36a med parallelle sideflater i stedet for en trekantformet bakvegg slik som anordningen i fig. 3, vil denne anordning fungere på lignende måte som beskrevet under hen- is shown in fig. 3 and 4, but has the dimensions and weight distribution indicated in fig. 2, is shown in fig. 5, to which reference will now be made. Although the device in fig. 5 is equipped with a rear wall 36a with parallel side surfaces instead of a triangular rear wall such as the device in fig. 3, this device will function in a similar way as described under

visning til fig. 3, for å trekke ut energi fra bølgebevegelser. view to fig. 3, to extract energy from wave motion.

Det vil forstås at skjønt enveisventilene for luftinnløpene 43 It will be understood that although the one-way valves for the air inlets 43

og 41 samt luftutløpene 40 og 44 er vist i fig. 3 og 5 med et enkelt ventillegeme hver, kan også flere ventillegemer (ikke vist) i parallell anvendes, alt etter dimensjonene av luftinn- and 41 as well as the air outlets 40 and 44 are shown in fig. 3 and 5 with a single valve body each, several valve bodies (not shown) can also be used in parallel, depending on the dimensions of the air inlet

løpene 43 eller 41 og luftutløpene 40 eller 44. the runners 43 or 41 and the air outlets 40 or 44.

Et viktig særtrekk ved "den ovenfor beskrevede oppfinnelse- An important feature of "the invention described above-

gjenstand er at alle de viktigste periodiske krefter som virker på anordningen, inkludert de massekrefter som virker i nevnte vertikalplan orientert i bølgenes forplantningsretning, vil være hovedsakelig i balanse, idet det ikke foreligger noen ytre hindringer. object is that all the most important periodic forces acting on the device, including the mass forces acting in said vertical plane oriented in the direction of propagation of the waves, will be mainly in balance, as there are no external obstacles.

Claims

Device for extracting energy from waves on a liquid on which the device is arranged to float, the device being installed so that under the influence of said waves it is allowed to move freely in a vertical plane oriented in the direction of propagation of the waves, and comprises a chamber (23 ) with

closed lower end (37) and an opening (39) below the liquid level for the flow of liquid into and out of the chamber (23) and thereby oscillating movement of the liquid in the chamber under the influence of the waves, for the purpose of driving a device (45, 46 ) for consumption or application of energy extracted from the oscillating liquid in the chamber (23), characterized in that

a) the distance (L) in the chamber (23) between the insides of respectively the front (35) and the rear wall (36) in the direction of propagation of the incoming waves is chosen approximately equal to 1/10 of the wavelength of the incoming waves, b) the closed end (37) of the chamber (23) is arranged so that the average liquid height in the chamber (23) is approximately 9/80 of the wavelength of the incoming waves, c) the opening (39) has a height dimension equal to approximately 2/3 times the average liquid height in the chamber (23), with either d) the device's center of gravity being about 1/9 times the average liquid height in the chamber (23) from said closed end (37) of the chamber, as well as 5/16 times said distance (L) between the inner rafts of respectively front (35) and rear (36) wall of the chamber (23) backwards from the inner surface of the rear wall (36), and e) the device's radius of inertia about the center of gravity is about 3/4 times the distance (L) between the insides of the front ( 35) and rear (36) wall of the chamber (23), or f) the device's center of gravity is located in trained at the same height as the closed end (37) of the chamber (23) as well as behind the rear wall (36a) of the chamber at a distance of about 1/8 times the mentioned distance (L) between the insides of the front (35) and rear (36a) wall respectively in the chamber (23), and g) the device's radius of inertia is about 7/8 times the said distance (L) between the insides of the respective front (35) and rear (36a) wall in the chamber (23).