NO20100906A1 - Havbølgeenergisystem og fremgangsmåter for drift derav - Google Patents

Description

BØLGEREFLEKTOR (WARE) HAVBØLGEENERGISYSTEM

Oppfinnelsens fagfelt

Den foreliggende oppfinnelse vedrører havbølgeenergisystemer for å produsere energi fra havbølgebevegelser, hvor systemene inkluderer undervannsstrukturer som for eksempel plane elementer, for å tilveiebringe en forbedret tilpassing av innkommende havbølger til energioppsamlingsanordninger inkludert i systemene. Videre vedrører den foreliggende oppfinnelsen også fremgangsmåter for å anvende slike systemer til å produsere energi fra havbølgebevegelser, hvor fremgangsmåten ibefatter justering av undervannsstrukturene for å tilveiebringe en forbedret tilpassing mellom innkommende havbølger og energioppsamlingsanordningene inkludert i systemene. Videre vedrører den foreliggende oppfinnelsen strukturer som omfatter for eksempel ett eller flere plane elementer som er nedsenket når i drift, og som tilveiebringer en forbedret tilpassing mellom innkommende havbølger og energioppsamlingsanordningene.

Oppfinnelsens bakgrunn

Havbølger produseres i et havområde av vind som virker på den øvre overflaten av havområdet. Vinden er tilvirket av romlige forskjeller i atmosfærisk temperatur som er en konsekvens av solstråling som absorberes av jorden. Havbølger virker som overflatebølger uten en generell overordnet flyt av havvann, men bare er en svingende vannbevegelse rundt en midtstilling. Energiinnholdet til havbølger reduseres eksponentialt med dybden fra en øvre havoverflate med en hastighetsgrad som er avhengig av havbølge bølgelengden. På lignende vis som for andre bølgetyper, som for eksempel elektromagnetiske bølger, kan havbølger reflekteres, avbøyes, brytes og absorberes.

Fornybare energisystemer tilpasset energigenerering fra havbølger må hanskes med mange tekniske utfordringer. For eksempel er havbølger korroderende. I tilegg varierer havbølger over tid svært mye i amplitude, bølgelengde og kompleksitet. Havbølgeenergi kan ofte bli en størrelsesorden større under stormforhold sammenlignet med normale forhold. Videre kan situasjoner oppstå hvor havbølgeenergien er ubetydelig. I tilegg må designere av havbølgeenergisystemer vurdere den kommersielle levedyktigheten til slike systemer sammenlignet med alternative systemer så som vindturbinkraftgenereringssystemer, hydroelektriske kraftsystemer, tidevannskraftgenereringssystemer, kraftgenereringssystemer som får energi fra a brenne fossilt brennstoff, og kjernekraftsystemer. Mange fornybare energisystemer har et problem med at de krever kostbare robuste strukturer, for eksempel for å klare seg i løpet av stormforhold, mens de produserer relativt begrensede mengder kraft når de er i drift når sammenlignet med kraftstasjoner av sammenlignbar størrelse for kjernekraft eller fossilt brennstoff. For å forbedre den kommersielle levedyktigheten til havbølgeenergisystemer er det derfor svært ønsket å sikre at slike systemer utvikles og implementeres for å utvise en forbedret driftseffektivitet ved omdanning av energi fra havbølger til elektrisk energi eller lignende alternative anvendbare energityper, mens de samtidig utviser tilstrekkelig robusthet for å overleve stormforhold.

Mange systemer har blitt foreslått for å ta ut brukbare energimengder fra bølger, for eksempel anvendelse av konfigurasjoner av flottører som forflytter seg med havbølgene og er koblet for å pumpe hydraulikkfluider for å produsere elektrisk strøm, ramper for å motta bølger med øvre overflytskanter slik at bølgene som flyter derover samles opp for å drive en turbin, og vertikale oscillerende søyler hvori havbølger med jevne mellomrom kompromitterer luften i søylene og derved aktiverer en luftturbin som produserer elektrisitet. I det offentliggjorte Norske patent nr. NO 327593 tilhørende Geir Arne Solheim beskrives en luftsøyle 10 som ved drift er plassert i en skrå vinkel a i forhold til et generelt overflateplan 20 på et havområde 30, som vist i FIG. 1. En første ende av søyle 10 er innrettet til å motta bølger 40 under drift. En andre ende av søyle 10 er koblet via luftventiler til en luftturbin 50 for å produsere elektrisitet. Vinkelen a er fortrinnsvis i området fra 10° til 35°. Selv om luftsøyle 10 er plassert ved skråvinkelen «og tilveiebringer en betydelig forbedring i driftseffektiviteten når sammenlignet med tidligere vertikale svingende luftsøyler for fremstilling av elektrisk kraft fra havbølger, er det ønskelig å ytterligere forbedre driftseffektiviteten til systemet som illustreres i FIG. 1, for å sikre dets kommersielle konkurransedyktighet i forhold til andre energiformer, som for eksempel fossile brennstoffer og kjernekraftsystemer.

Sammendrag av oppfinnelsen

Den foreliggende oppfinnesen er rettet mot å videreforbedre effektiviteten til havbølgeenergisystemer som bruker svingende (oscillerende) luftsøyler.

I følge en første utførelse av den foreliggende oppfinnelsen, tilveiebringes et havbølgeenergisystem som krevd i etterfølgende krav 1: der er tilveiebrakt et havbølgesystem for å produsere kraft fra havbølger, hvor systemet inkluderer en plattform som støtter en regelmessig oppstilling av hule søyler hvis nedre ender er i fluidforbindelse med havbølger, og hvis øvre ender er i luftforbindelse med en turbininnrettning slik at bølgebevegelse ved de nedre endene fører til luftbevegelse inne i søylene som driver turbininnrettningen til å produsere kraft,karakterisert vedat systemet videre omfatter en eller flere posisjonsjusterbare og/eller vinkeljusterbare undervannsstrukturer nær de nedre endene til søylene for å danne havbølger som under drift forflyttes mot de nedre endene til søylene for å, på kontrollert vis, koble bølgene inn i de hule søylene.

Oppfinnelsen har den fordel at de en eller flere undrevannsstrukturene er i stand til å forbedre havbølgekoblingen til den regelmessige oppstillingen av søyler, og derved gjøre en større andel av bølgeenergien i stand til å bli omdannet til kraft fra systemet når det er i drift.

Valgfritt realiseres havbølgeenergisystemet slik at undervannsstrukturene er en eller flere plane strukturer utstyrt med et aktuatorelement som forflytter og/eller heller de en eller flere plane strukturene i forhold til det regelmessige oppsettet av søyler.

Valgfritt blir havbølgeenergisystemet realisert slik at det inkluderer en måleanordning for å bestemme en eller flere egenskaper til havbølgene som under drift forflyttes mot søylene og deres medfølgende undervannsstrukturer, og en kontrollanordning for å motta bølgeegenskapindikatoriske signaler fra måleanordningen, og for prosessering av signalene for justering av posisjonene og/eller vinklene til undervannsstrukturene for å tilveiebringe en dynamisk reagerende kontroll av undervannsannordningen. Mer fortrinnsvis utføres havbølgeenergisystemet slik at kontrollanordningen anvendes ved bruk av datahardware som tilveiebringer minst en av: (a) kontrollert justering av undervannsannordningen ved å bruke en nummerisk

modell som representerer driftsegenskapene til systemet, og

(b) bruk av et nervenettverk hvis neurale belastninger er tilpasset kontroll av drift av systemet i respons til målte bølgeforhold.

Valgfritt kan havbølgeenergisystemet tilveiebringes slik at det regelmessige oppsettet av hule søyler plasseres med deres forlengte akser i en skråvinkel i området fra 10° til 35° i forhold til et gjennomsnittlig nivå på en øvre overflate til et havområde hvori systemet er plassert under drift.

Valgfritt implementeres havbølgeenergisystemet slik at turbinanordningen inkluderer minst en turbin som kan drives til å rotere rund en hovedsakelig vertikal akse, som drives til å gyroskopisk stabilisere plattformen når den er i drift i havomgivelser.

Valgfritt tilveiebringes havbølgeenergisystemet slik at plattformen er tilpasset slik at den kan roteres under driften, for å gjøre det regelmessige oppsettet av søyler i stand til å orienteres i forhold til havbølgene mottatt av systemet. Mer fortrinnsvis utføres systemet slik at de omfatter en måleinnretning for måling av den hovedsaklige forflyttningsretningen til bølgene som skal mottas av det regelmessige oppsettet av søyler i forhold til den hovedsakelige forflyttningsretningen til bølgene.

Valgfritt blir havbølgeenergisystemet tilveiebrakt:

(a) langs en kystlinje,

(b) som en eller flere flytende øyer,

(c) som en flytende halvøy eller utbøying,

(d) som en flytende tilveiebringer av en transportvei mellom landmasser,

(e) fastmontert på fundamenter i havbunnen.

Valgfritt tilveiebringes havbølgeenergisystemet slik at det omfatter akvakulturfasiliteter tilpasset nedsynking for beskyttelse hovedsakelig under systemet i dårlige værforhold som kan skade akvakulturfasilitetene.

I følge en andre utførelse av den foreliggende oppfinnelsen, blir det tilveiebrakt en fremgangsmåte for å drive et havbølgeenergisystem i følge den første utførelsen av den foreliggende oppfinnelsen, hvori fremgangsmåten omfatter: (a) mottak av en eller flere havbølger i nærheten av de en eller flere undervannsstrukturene, for justering av et energifelt til de en eller flere bølgene som danner de en eller flere bølgene, slik at det mottas av et regelmessig

oppsett av søyler i systemet, og

(b) mottak av de en eller flere bølgene ved det regelmessige oppsettet av søyler for regelmessig kompresjon og/eller fortynning av luften i de en eller flere søylene som driver en turbinanordning for å produsere kraft.

I samsvar med en tredje utførelse av den foreliggende oppfinnelsen, blir det tilveiebrakt en fremgangsmåte for å kontrollere et havbølgeenergisystem i samsvar med den første utførelsen av oppfinnelsen, hvori fremgangsmåen omfatter:

(i) måling av en eller flere egenskaper til havbølgene som nærmer seg havbølgeenergisystemet for å produsere tilsvarende målesignaler, (ii) prosessering av målesignalene i en prosessannordning for å produsere tilsvarende kontrollsignaler, og (iii) påføring av signalene til aktuatorer koblet til en eller flere posisjonsjusterbare og/eller vinkeljusterbare undervannsstrukturer nær de nedre endene av søylene til systemet, for å danne de målte havbølgene som forflyttes ved drift mot de nedre endene til søylene for å koble bølgene, på kontrollert vis, inn i de hule søylene for å produsere tilsvarende utgangskraft.

Valgfritt utføres fremgangsmåten slik at prosessanordningene kan drives for å bruke en nummerisk modell og/eller et nervenettverk, for å produsere kontrollsignalene fra målesignalene.

Valgfritt omfatter fremgangsmåten:

(iv) måling av forflyttningsretningen til havbølgene som skal mottas i det regelmessige oppsettet av søyler, og (v) roterbar posisjonering av det regelmessige oppsettet av søyler i forhold til forflyttningsretningen til havbølgene.

I samsvar med en fjerde utførelse av den foreliggende oppfinnelsen blir det tilveiebrakt et programprodukt innspilt på en maskinlesbar databærer, hvori programproduktet kan iverksettes på datahardware, for implementering av en fremgangsmåte i samsvar med den andre eller tredje utførelsen av den foreliggende oppfinnelsen.

Egenskaper ved oppfinnelsen kan kombineres i forskjellige kombinasjoner innenfor rammen av oppfinnelsen som definert i de påfølgende kravene.

Beskrivelse av figurene

Utførelser av den foreliggende oppfinnelsen vil nå beskrives, bare som eksempler, med referanse til de følgende figurene, hvor: FIG. 1 er en skisse av en anordning for å produsere elektrisk kraft fra havbølger som beskrevet i Norsk patent nr. NO 327593, FIG. 2 er en skisse av sirkulær hawannbevegelse forbundet med havoverflatebølger som forflytter seg innen et havområde, FIG. 3 er en skisse av sirkulær hawannbevegelse forbundet med havoverflatebølgebevegelse, hvor illustrasjonen avbilder minskende sylindrisk vannbevegelse som en funksjon av dybden D inn i havområdet, FIG. 4A og FIG. 4B er eksempler på grafer som illustrerer forskjellig energitettheter som en funksjon av bølgefrekvensen i et havområde, FIG. 5 er et riss av et bølgereflektorhavbølgesystem (WARE) i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen, FIG. 6 er et riss av en turbinrotor i systemet til FIG. 5, hvis blader er utstyrt med perifere magneter for å indusere elektrisk kraft i stasjonære perifere uttaksspoler, FIG. 7 er et riss av vinkel- og posisjonsjusteringer i en plan skjerm i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen, FIG. 8 er et riss av vinkeljustering i en plan skjerm i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen, FIG. 9 er et riss av posisjons- og vinkeljustering av en plan skjerm i en WARE anordning i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen, FIG. 10 er et sideriss av et havbølgeenergisystem i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen, FIG. 11 er et riss av et kystbølgerefleksjons havbølgeenergisystem i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen, hvor systemet er støttet av et flertall stolper, og FIG. 12 er et riss av et kystbølgerefleksjons havbølgeenergisystem i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen, hvor systemet er støttet av en senterstolpe for å gjøre systemet i stand til å rotere for å tilpasses bølger som beveger seg fra dynamiske retninger i endring.

I de medfølgende tegningene betyr et understreket tall en enhet som det understrekede tallet er posisjonert ovenfor, eller en enhet som det understekte tallet står ved siden av. Et tall som ikke er understreket vedrører en enhet identifisert av en linje som kobler det ikke- understrekede tallet til enheten. Når et tall ikke er understreket og har en pil forbundet dermed, er det ikke- understrekede tallet brukt for å identifisere en generell enhet som pilen peker mot.

Beskrivelse av utførelsene av oppfinnelsen

Når det gjelder å beskrive utførelser av den foreliggende oppfinnelsen, er innholdet av det før nevnte Norske patentet nr. NO 327593 herved innlemmet ved referanse dertil.

For å nærmere belyse den foreliggende oppfinnelsen, vil nå noen basisprinsipper vedrørende havbølgeenergi og havbølgeforflyttningsegenskaper beskrives. Når en havbølge 40 forflytter seg, korresponderer dette til en energiflyt: betydelig sirkulær syklisk vannbevegelse som beskrevet av 70 foregår når energi i havbølge 40 forflytter seg som beskrevet i FIG. 2. En forflyttningsretning til bølgen 40 er benevnt ved pilen 80. Bølgen 40 har en romlig bølgelengde på L og en dal-til-topp amplitude på H. Når bølgen 40 forflytter seg med hastighet c, defineres en frekvens f for bølgen 40 ved ligning 1 (Eq. 1):

Da jordens hav ikke har en foretrukket frekvens for havbølgeforflyttning, det vil si ikke en foretrukket karakteristisk resonansfrekvens, fremtrer havbølger med et vidt spektrum av frekvenser f og amplituder H. Siden bølgegenereringsfenomen skjer samtidig på forskjellige steder, er i tilegg havbølgebevegelser en superposisjon av mange sinusbølgegrupper. Et fenomen av bølger som brytes på en strand er ikke representativt for en kompleks superposisjon av forskjellige bølger slik de observeres offshore på dypt vann.

Havbølger som genereres av vindinteraksjonen med havoverflaten er kjent som "vindbølger". Når disse vindbølgene har forflyttet seg fra det romlige området hvor de ble laget, blir de kalt "dønninger". Disse dønningene utviser den egenskap at de er i stand til å forflytte seg over relativt store distanser, for eksempel over stillehavet, med relativt lite energitap, nesten på linje med en solitær bølge. En grunn for dette lille tapet er at havdønninger er hovedsakelig overflatebølger i et relativt ikke-sammenpressbart viskøst medium av havvann. Sirkulær vannbevegelse forbundet med en forflyttende havbølge reduseres hovedsakelig eksponentielt med dybden D som vist i FIG. 3. For eksempel, ved en dybde på D = L blir det meste av den sirkulære vannbevegelsen forbundet med en overflatehavsbølge forminsket. Grunnet en slik minskende egenskap forbundet med dybde D blir undervannsbåter som reiser neddykket ofte ikke påvirket av kraftige stormer på havoverflaten over dem.

Energiinnholdet til havbølger kan beregnes fra ligning 2 (Eq. 2):

hvor

E = havbølgeenergiinnhold,

kE = en konstant lik pg, hvor p er en tetthet til salt havvann på 1020 kg/m<3>, og pg er en tyngdekraftskonstant på 9,8 m/s<2>, og

H = havbølgevertikalamplitude som definert tidligere med referanse til FIG. 2.

For eksempel har en havbølge med amplitude H = 2 meter et energiinnhold på 5 kJ/m<2>. En hastighet for energitransport J i havbølger kan da beregnes fra ligning 3 (Eq. 3):

hvor

cg = gruppehastighet som kan beregnes fra cg = gT/ 4n hvor T = Uc for dypt havvann,

E = havbølgeenergiinnhold som kan beregnes fra ligning 2 (Eq. 2), og

J = energiflyt,

hvor fra ligning 3 (Eq. 3) kan gjenuttrykkes som ligning 4 (Eq. 4):

hvor

kf= p g2, det vil si omlag 1 kW/m<3>s

En havbølge 40 med et intervall på T= 10 sekunder og en amplitude på 2 m har for eksempel forbundet dermed en energiflyt på 40 kW/m, noe som er en betydelig kraft.

I virkelighetene r havbølger komplekse superposisjoneringer av et flertall individuelle bølger som forflytter seg. Slike superposisjoneringer er ikke satt pris på i tidligere patentlitteratur som angår havbølgeenergisystemer. Flertallet av individuelle bølger i bevegelse vil ofte ha et spektrum av bølgelengder L og høyder H, i realiteten befinner bølgelengdene seg hovedsakelig i et område på Lmintil Lmax, og høyden H befinner seg i et område fra 0 meter til Hmax. Som et resultat derav kan ofte bevegelsen til en havoverflate ved en gitt romlig posisjon variere betraktelig slik at høyden H kan overfladisk, for en observatør, se ut til å være svært variabel som en funksjon av tid t, det vil si at det ser uregelmessig ut. Dersom et havbølgespektrum representeres av en funksjon S(f), er den effektive bølgelegden observert av en observatør ved en gitt posisjon i et hav gitt av ligning 5 (Eq. 5):

Hg = gruppebølgelengde

Selv om ligning 4 (Eq. 4) beskriver en teoretisk forventet havbølgeenergitransport J, er energitransporthastigheten som faktisk observeres om lag halvparten derav når spektral superposisjonering av mange havbølger av ulike spektrale egenskaper blir tatt hensyn til.

Når målinger utføres av havbølgespektra, kan man observere en karakteristisk graf som vist i FIG. 4A for hawærforhold med vind. Grafen for FIG. 4A omfatter en abscisse akse 100 som viser bølgefrekvensen, og en ordinatakse 110 beskriver en tilsvarende funksjon i ligning 5 (Eq. 5). Dessuten illustrerer grafen i FIG. 4A en nedre bølgefrekvens på 0,05 Hz, og en øvre bølgefrekvens på betraktelige 0,25 Hz. Videre omfatter grafen til FIG. 4A en maksimaltopp 120 ved en frekvens på 0,08 Hz tilsvarende dønninger med en haleegenskap 130 hovedsakelig på mellom 0,1 Hz og 0,2 Hz. For å sanke inn havbølgeenergi på mest mulig effektivt vis kreves et havbølgeenergisystem som reagerer på et frekvensområde som omfatter hovedsakelig to oktaver. Nåværende havbølgeenergisystemer har ofte ikke reaksjonsegenskaper som kan hamle opp effektivt med et så stort bølgefrekvensområde.

I FIG. 4B vises en graf for havbølgespektra for en blanding av hav med vind og dønninger. I grafen for FIG. 4B er der en abscisse akse 150 som tilsvarer bølgefrekvens f, og en ordinatakse 160 som representerer den før benevnte funksjonen S(f) i ligning 5 (Eq. 5). Der er en lavere bølgefrekvens på 0,05 Hz, og en maksimal øvre bølgefrekvens på hovedsakelig 0,35 Hz. Der vises to tydelige topper, det vil si en første topp 170 sentrert rundt 0,08 Hz som tilsvarer dønningene, og en andre topp 180 sentrert rundt 0,19 Hz som tilsvarer vindigangsatte bølger. FIG. 4B tilsvarer et havbølgefrekvensområde på hovedsakelig to oktaver, det vil si nesten en størrelsesorden. Selv om det meste av energien overføres av dønninger, viser FIG. 4B at svært signifikante energimengder er omfattet av høyere frekvenser i form av vindigangsatte bølger.

Med henvisning til FIG. 5, vises et eksempel på et havbølgesystem i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen, systemet henvises generelt til som 200. Systemet 200 kan settes ut langs kystlinjer, utsettes som flytende øyer offshore, utsettes som halvøyer, og/eller utsettes som flytende bruer for å linke sammen landmasser og for å synergistisk også produsere kraft. I tilegg omfatter system 200 minst en flytende, havbunnstøttet eller kyststøttet plattform 210 som bærer på en eller flere skråstilte luftsøyler 220 på et vis lignende søylene beskrevet i benevnte patent nr. NO 327593 innlemmet heri ved referanse dertil. De en eller flere luftsøylene 220 drives på lignende vis med de beskrevet av patent nr. NO 327593, det vil si at havbølger 40 gjensidig påvirker de nedre endene til en eller flere av luftsøylene 220 for å sammenpresse og fortynne luften syklisk i de en eller flere søylene 220. Videre kobles de en eller flere luftsøylene 220 ved deres øvre ender i luftkommunikasjon med en eller flere luftdrevne turbiner 230 med stor diameter. Valgfritt blir en eller flere av turbinene 230 innrettet med en eller flere av rotasjonsakser 240 plassert ved drift i en vertikal retning slik vist. Ved en frontperifer kant på plattform 210 induseres ved undervannsdrift minst en undervanns plan skjerm 300 som vist i FIG. 5. Valgfritt kan en plan skjerm 300 være betraktelig skråstilt som vist, det vil si være motstående til en vinkel relativt til et nominalt overflateplan til havet 30. Alternativt, eller i tilegg, til å bruke skjerm 300, kan andre typer enheter anvendes, for eksempel tubulære enheter, skivelignende enheter, sfæriske enheter, eller hemisfæriske elementer.

Under drift, når systemet 200 er utført som en flytende struktur, fungerer de en eller flere turbinene 230 fordelaktig som gyroskoper som drives når de roterer for å opprettholde stabiliteten til plattformen 210, da en slik stabilitet er svært fordelaktig for å gjøre plattformen 210 robust under stormforhold, så vel som for å sikre at de nedre endene av de en eller flere søylene 220 er korrekt orientert og posisjonert i forhold til en øvre overflate 330 til havet 30. Den plane skjermen 300 tjener to synergistiske hensikter: (i) en første hensikt er å stabilisere plattform 210 i høy sjøgang når den utføres som en flytende struktur, da minst en del av den plane skjermen 300 er hovedsakelig under et hovedenergifelt av bølger 40 som forflytter seg på den øvre overflaten 330 til havområdet 30, den plane skjermen 300 er med fordel under et 25 % dempningsnivå for en hovedbølgelengde til bølgene som forflytter seg på overflaten 330 til havområdet 30, (ii) en andre hensikt er å oppnå, ved et lavere romlig energinivå, et energifelt av bølger som forflytter seg på overflaten 330 til havet 30, for å føre til koherens og derved en tendens for bølgene til å øke deres høyde mot en brytningstilstand, som foreksempel skjer nær en strand når vannet blir grunnere, og en slik økning i kohesjon fører til en større bølgeamplitude som drastisk forbedrer bølgeenergien som kobles inn i de en eller flere søylene 220.

Valgfritt inkluderer systemet 220 en eller flere plane skjermer 300, og/eller alternative elementer som beskrevet før heri, som er igangsatt for å justere deres posisjoner relativt til plattformen 210 under drift som en funksjon av havbølgeamplitude og/eller hovedbølgelengde. Områder for justering av de en eller flere skjermer 300 og/eller alternaive elementer vil bli beskrevet i større detalj senere. Med fordel kan, for å spare kostnader, hovedelementer i system 200, for eksempel veggene av de en eller flere søylene 20 og til plattform 210 konstrueres fra forsterket marinkvalitet ikke-porøs betong, for eksempel av samme sort som brukes i dagens offshore oljeplattformer. Komponentdelene av system 200 er med fordel fremstilt fra marinkvalitet betong som støypes in situ i et havområde, og derved unngås transport av store prefabbrikerte komponenter.

De en eller flere turbinene 230 kobles til elektriske kraftgeneratorer for å fremstille elektrisitet for utgang fra system 200. Valgfritt omfatter turbinene 230 blader 400 drevet av lufttrykkforskjeller derover, for å føre til at de samsvarende rotorene 410 til turbiner 230 roterer under drift som illustrert i FIG. 6. Turbinene 230 brukes med fordel til å omfatte spoler 420 og/eller magneter 430, slik at funksjonene til turbinene og generatoren er romlig samplassert, for eksempel blir de utenforliggende delene av bladene 400 utstyrt med permanente magneter 430, som trekkes periferisk forbi stasjonerte spoler 420, for å fremstille elektrisk utgang fra system 200. En slik enkel turbin 230 konstruksjon er i stand til å tilføre økt driftssikkerhet til system 200. Valgfritt blir turbinene 230 utstyrt med sammenpresset via et plenum som er koblet via ventiler til et relativt stort antall søyler 220, for eksempel mer enn 20 søyler, for å unngå pulserende utgang fra generatoren. Bølgebevegelse innenfor det store antallet søyler 220 er fordelaktig asynkronisert for å redusere en tendens til å skape et pulserende utgang fra system 200 ved en frekvens som samsvarer med bølge 40 frekvensen. Systemet 200 i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen utbygd i storskala i havområder er i stand til å produsere elektrisk kraft ved en svært konkurransedyktig pris, og kan derved muligens hjelpe den nåværende verdensenergimangel forbundet med "peak oil", uten å tilføre mer atmosfærisk karbondioksid under drift. Nåværende verdensforbruk fra fossile brennstoff er beregnet til å være rundt 4 TeraWatt, noe som kan til en stor utstrekning leveres av system 200 dersom de utbygges storskala i havområder over hele verden. Det er en fordel at system 200 ikke fører til forurensing, og fremstiller elektrisk kraft på et helt bærekraftig vis.

Igjen med henvisning til FIG. 5, har undervanns plane skjerm 300 en øvre utstrekning som vist ved punkt P og en nedre utstrekning Q som er valgfritt ved en konstant avstand fra punkt P. Valgfritt blir utstrekningen til det plane skjerm 300 gjort dynamisk justerbart, for eksempel ved å innføre den plane skjerm 300 som et sett av flaker av materialer plassert gjensidig parallelt i gjensidig kontakt, og som kan gjensidig gli for å tilveiebringe skjerm 300 med en variabel utstrekning fra punkt P for å tilveiebringe en optimal impedanstilpassing mellom søyler 220 og bølgene som forflytter seg innenfor havområde 30. Som vist i FIG. 5, er skjermen 300 tilveiebrakt med en aktuator (ikke vist) for å variere avstanden S1 til punkt P i forhold til en nedre åpen ende til søyle 220. Videre blir vinkel (3 til skjermen 300 dynamisk endret for å tilveiebringe den beste tilpassingen av bølger 40 til søylen 220. Videre er en dybde S2 ved punkt P under overflaten 330 til havområdet 30 også tilbøyelig til å endres dynamisk. Men det må settes pris på at system 200 omfatter flere slike søyler 220 i et todimensjonalt regelmessig oppsett, med rader av søyler 220 plassert i parallell og ortogonalt til bølgefrontene til bølgene 40. Valgfritt er skjerm 300 i stand til å krummes under drift for å tilveiebringe finjustering av bølge 40 tilpasset søyler 220.

Bølgeenergireflektorer (WARE,©TM av Havkraft AS) i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen vil nå belyses i mer detalj. WARE©TM (bølgereflektor) er et apparatur eller en anordning for å reflektere bølgeenergi oppover mot overflateområdet til et hav for å tilveiebringe en forbedret energiuttak ytelse. WARE©TM (bølgereflektor) er særlig brukt med fordel i kombinasjon med havbølgeenergisystemet som beskrevet i tidligere nevnte patent nr. NO 327593 tilhørende Geir Arne Solheim. Under drift er WARE©TM (bølgereflektor) et apparatur eller en anordning som er fastmontert på en fortøyningsanordning, og er under vannet direkte under havoverflaten. WARE©TM (bølgereflektor) er en enkel unitar konstruksjon med bevegelige deler som kan manipuleres ved aktivering for å justere hvordan bølgene forflytter seg gjennom et havområde.

WARE©TM (bølgereflektor) er med fordel gjennomført som en eller flere plane skjermer 300 av ønskelig bredde hvis vinkel p i forhold til horisonten og posisjon S1, S2 reguleres ved drift av forbundene aktuator mekanismer på et vis som illustrert i

FIG. 5 og FIG. 7 til 9. Forskjellige strategier kan med fordel anvendes for å plassere

WARE©TM (bølgereflektor), det vil si plane skjerm 300, i en optimal posisjon og vinkel for å forbedre kraftfremstillingen fra havbølger 40 oppnådd av system 200.

WARE©TM (bølgereflektor) blir med fordel justert og styrt ved to punkter P, Q på de øvre og nedre delene av skjerm 300 henholdsvis på et i forhold til hverandre uavhengig vis for å tilveiebringe uavhengig justering av en posisjon S1 og en vinkel til skjerm 300. Valgfritt er en dybde S2 til skjermen 300 som definert ved dets øvre utstrekning P også justerbart for å tilveiebinge en optimal tilpassing av havbølger til de en eller flere søylene 220 til system 200. WARE©TM (bølgereflektor) er i stand til drift på enkelt vis ved bruk av enkle mekanismer, for eksempel på rekkverk med drivende styrke koblet av kabler og/eller belter og/per lenker fra aktuatorene 500 som vist i FIG. 9.1 en optimal implementering er den plane skjermen 300 festet ved dens øvre punkt P og dens nedre ende Q er fritt justerbar som vist i FIG. 8.

Med henvising til FIG. 10, er systemet 200 med fordel konstruert på en plattform 520 støttet av en eller flere søyler 530 på sjøbunnfundamenter 540, alternativt kan systemet 200 utføres som en flytende struktur. Systemet 200 omfatter en eller flere rader med søyler 220 hvis nedre åpne ender vender mot et romlig område hvori de en eller flere plane skjermer 300 er omfattet, hvori de en eller flere plane skjermer 300 er gjennomført som før nevnt for å koble havbølger 40 mest mulig effektivt fra havområde 30 til de en eller søyler 220.

WARE©TM (bølgereflektor), det vil si plane skjermer 300 og deres tilhørende aktuator anordninger, hvor valgfritt hver av dem har en romlig plan utstrekking i områdetIO meter x 2 meter til 30 meter x 8 meter. Mer foretrukket, er den romlige utstrekningen av hver skjerm på hovedsakelig 20 meter x 5 meter. De plane skjermene 300 er tilpasset til en typisk havbølge 40 bølgelengde for å være i stand til å betraktelig påvirke et energifelt av slike bølger. Når de plane skjermen 300 orientere på et slikt vis at deres hovedoverflateplan er parallell med en øvre overflate til havområde 30, når de plane skjermene 300 er under vannet, er havbølgene 40 sterkest påvirket av skjermene 300.1 motsatt tilfelle, når skjermene er i en vertikal plassering slik at deres hovedoverflate plan 300 er ortogonale med den øvre overflaten av havområdet 30, blir havbølgene minst påvirket. Valgfritt kan avstanden S2 økes for å begrense påvirkningen til skjermene 300, og senket for å forbedre effekten til skjermene 300. Valgfritt er skjermene 300 justerbare opp til 15 % av deres viddeplassering, det vil si avstandene S1, S2, og kan justeres i området på180°, det vil si vinkelen p.

WARE©TM (bølgereflektor) representerer en nyutvikling som angår havbølgesystemer som drives for å utvine energi fra havbølger. I bruk er bølgereflektoren som utført av skjermene 300 og deres medfølgende aktuatorer og kontrollsystemer drivbare for å tilveiebringe en eller flere av de følgende funksjonene: (a) å tilveiebringe en bedre tilpassing av bølgene 40 til søylene 220 for å trykkbelaste luften inne i et plenum koblet via ventiler til søyler 220, hvori plenumet er koblet til turbinen 230, (b) å tilveiebringe en form for kraftkontroll for å føre til overføring eller refleksjon av havbølger 40 i forhold til systemet 200, og derved hjelpe til med å regulere kraftutgangen fra systemet 200 og/eller hjelpe systemet 200 til å stå i mot ekstreme værforhold (for eksempel orkanforhold), og (c) Å tilveiebringe systemet 200 med en større stabilitet i dårlige værforhold når utført som en flytende struktur, grunnet at havområdevann i et område ved enden Q er relativt stille under stormforhold.

Vannbevegelse ved overflaten av havområdet 30 kan være komplekst, med bølger av flere forskjellige bølgelengder tilstedeværende samtidig. Videre kan havbølgeegenskapene endres dynamisk, noe som kan føre til svinginger i utgang fra system 200, dersom det ikke var for skjermene 300 og deres medfølgende aktuatorer 500 og kontrollsystem 510 som svarer ved å endre vinkelen p og/eller avstanden S1 og/eller avstanden S2 i en temporal, dynamisk respons på endringer i havbølgeforholdene. Aktuering av skjermene 300 er med fordel oppnådd ved å anvende rekkverk for å tilveiebringe justering av distanse S1, og ved å anvende kabler for å justere vinkelen ved det nedre område Q som er fri til å beveges mens det øvre området P er anordnet for å dreies som vist i FIG. 8.

Skjermene 300 og deres medfølgende aktuatorer kan kontrolleres på forskjellige vis under drift.

I samsvar med en første fremgangsmåte blir bevegelsen av bølgene 40 inne i havområdet 30 overvåket fra system 200 ved bruk av optiske avbildingsapparater, foreksempel teleskopiske kamera, som bestemmer et frekvensspektrum til bølgene 40, for eksempel på lignende vis som vist i FIG. 4A og FIG 4B. En datamodell av system 200 vil så beregne i sanntid hvordan systemet 200 vil oppføre seg i forhold til de observerte bølgene 40 som nærmer seg system 200 for forskjellige plasseringer av skjermene 300 plassert nær åpne munnstykker til søylene 220 for å tilveiebringe den ønskede effekten. Når en optimal posisjon til skjermene 300 er beregnet, vil så kontrollsystemet juster posisjonene til skjermene 300 slik at de befinner seg i en optimal posisjon når de observerte bølgene 40 kommer frem til systemet 200 for kobling inn i søylene 220 på ønsket vis. Datamodellen kan være en eksplisitt nummerisk systemmodell av systemet 200. Alternativt kan datamodellen utføres som et neuron nettverk hvori kontrollsystemet som lært ved kontroll av driften av system 200 og/eller ved simulering av en optimal justering av skjermer 300 når kontrollsystemet er fremlagt forskjellige bilder av havbølgene 40. Kontrollsystemet kan utføres i elektronisk hardware eller ved å bruke dataprogramprodukter som utføres i data hardwaren. Som et alternativ, eller i tilegg til å anvende et optisk avbildingsapparatur, kan en eller flere overvåkende bøyer plasseres i en avstand fra skjermene 300 for å måle bølgespektrale egenskaper, hvor de en eller flere bøyene 700 kan drives fil å overføre deres målingsdata til systemet 200 via trådløst kommunikasjon 710. De en eller flere bøyene 700 er med fordel utstyrt med en intern måleenhet som omfatter akseleratorer og, valgfritt, gyroskopiske anordninger for å tillate de en eller flere bøyene 700 å måle bølge 40 høyde og frekvens, som overføres trådløst til system 200 før de målte bølgene 40 mottas av system 200, og derved tilveiebringer en mulighet for kontrollsystemet til å justere skjermene 300 til en optimal posisjon for å motta de målte bølgene 40. Ved en slik kontrollfremgangsmåte, er det mulig å finjustere system 200 dynamisk i sanntid for å tilveiebringe best mulig ytelse.

I samsvar med en andre fremgangsmåte, påfører kontrollsystemet for skjermer 300 små avvik i vinkelen (3 og/eller en eller flere av posisjonene S1, S2 til skjermene 300 når i drift for å minst delvis tilpassede bølger 40 til søylene 220. Kontrollsystemet vil på et hvert tidspunkt bestemme om et påført avvik fører til en ekstra forbedring i driften av systemet 200, og fortsetter med å påføre etterfølgende små avvik til systemet 200 drives så optimalt som det er mulig å gjøre ved ethvert gitt forhold i havområdet 30. Ved en slik kontrollfremgangsmåte er det mulig å finjustere systemet 200 dynamisk i sanntid for å tilveiebringe best mulig ytelse. Valgfritt kan man bruke en blanding av den første og den andre fremgangsmåten.

Valgfritt utstyres systemet 200 med både en havbølgekraftframstillende fasilitet og også et kystforvitringsforsvar. Akvakultur fasiliteter 800 kan med fordel plasseres i sammen med systemet 200, for eksempel i områder med mer stille vann laget av driften av systemet 200. Slik akvakultur er med fordel utført i fiskebur, slik at fiskeburene kan neddykkes i mer stille van dypt under systemet 200 for å beskyttes under ekstreme stormforhold.

Det vil forstås at systemet 200 er i stand til å fastmonteres til havbunnen i havområdet 30, for eksempel slik vist i FIG. 10 og FIG. 11, eller det kan flyte offshore og fastbindes via anker til havbunnen. Ankrene blir med fordel utstyrt med sugekopper, og havbunn anker festet inn i borrehull som er forhåndsboret inn i havbunnen, og/eller tunge hule tanker som samtidig fungerer som trykkluftsreservoarer for søylene 220 for å jevne ut variasjoner i trykkluftsflyt tilveiebrakt av søylene 220 for å la systemet 200 levere en mer stabil energiflyt. Valgfritt, som nevnt, utføres system 200 som en eller flere flytende øyer, eller som en flytende halvøy koblet ved en ende til land for tilkobling av elektriske kabler fra generatorene 230 til land. Valgfritt, som for eksempel vist i FIG. 12, kan systemet 200 tilvirkes slik at det er i stand til å rotere rundt en enslig pilar 520 og medfølgende fundament 530, og derved tillate system 200 å justere dynamisk til endrende bølgeforplantningsretninger, i slike tilfeller blir systemet 200 tilveiebrakt med passende rotasjonskontrollanordninger og rotasjonsaktuatorer, og systemet 200 er utstyrt med måleenheter, for eksempel optiske bildemåleenheter, for å bestemme den hovedsaklige øyeblikkelige bølgeforplantningsretningen.

Modifikasjoner på utførelsene av oppfinnelsen beskrevet ovenfor er mulige uten å avvike fra omfanget av oppfinnelsen som definert i de medfølgende kravene. Utrykk så som "inkluderer", "omfatter", "befatter", "bestående av", "har", "er", er brukt for å beskrive og kreve den foreliggende oppfinnelsen og er tiltenkt å oppfattes på et ikke ekskluderende vis, det vil si for å tillate at enheter, komponenter eller elementer ikke eksplisitt beskrevet heri også kan være tilstedeværende. Henvisninger til entall er også ment å vedrøre flertall. Tall i parentes i de etterfølgende kravene er tiltenkt å avhjelpe forståelsen av kravene, og bør ikke oppfattes på noen måte til å begrense emnet krevd av disse kravene.

Claims (15)

1. Havbølgeenergisystem (200) for å produsere kraft fra havbølger (40), hvor systemet (200) omfatter en plattform (520) som støtter en regelmessig oppstilling av hule søyler (220) hvis nedre ender er i fluidforbindelse med havbølger (40), og hvis øvre ender er i luftforbindelse med en turbininnrettning (230), slik at bølgebevegelse ved de nedre endene fører til luftbevegelse inne i søylene (220), som driver turbinanordningen (230) til å produsere kraft,karakterisert vedat systemet (200) videre omfatter en eller flere posisjonsjusterbare og/eller vinkeljusterbare undervannsstrukturer (300) nær de nedre endene til søylene (220) for å danne havbølger som under drift forflyttes mot de nedre endene til søylene (220) for å, på kontrollert vis, koble bølgene (40) inn i de hule søylene (220).

2. Havbølgeenergisystem (200) i samsvar med krav 1, karakterisert vedat undervannsstrukturene (300) er utført som en eller flere plane strukturer utstyrt med et aktuatorelement (500) som forflytter og/eller heller de en eller flere plane strukturene (300) i forhold til det regelmessige oppsettet av søyler (220).

3. Havbølgeenergisystem (200) i samsvar med krav 1, karakterisert vedat systemet (200) omfatter en måleanordning (700) for å bestemme en eller flere egenskaper til havbølgene (40) som under drift forflyttes mot søylene (220) og deres medfølgende undervannsstrukturer (300), og en kontrollanordning for å motta bølgeegenskapindikatoriske signaler fra måleanordningen (700), og for prosessering av signalene for justering av posisjonene og/eller vinklene til undervannsstrukturene (300) for å tilveiebringe en dynamisk reagerende kontroll av undervannsannordningen (300).

4. Havbølgeenergisystem (200) i samsvar med krav 3, karakterisert vedat kontrollanordningen utføres ved bruk av datahardware som tilveiebringer minst en av: (a) kontrollert justering av undervannsannordningen (300) ved å bruke en nummerisk modell som representerer driftsegenskapene til systemet (200), og (b) bruk av et nervenettverk hvis neurale belastninger er tilpasset kontroll av drift av systemet (200) i respons til målte bølge (40) forhold.

5. Havbølgeenergisystem (200) i samsvar med et eller flere av krav 1 -4,karakterisert vedat det regelmessige oppsettet av hule søyler (220) plasseres med deres forlengte akser i en skråvinkel i området fra 10° til 35° i forhold til et gjennomsnittlig nivå på en øvre overflate til et havområde (30) hvori systemet (200) er plassert under drift.

6. Havbølgeenergisystem (200) i samsvar med et eller flere av de foregående krav,karakterisert vedat turbinanordningen (230) inkluderer minst en turbin (230) som kan drives til å rotere rund en hovedsakelig vertikal akse, som drives til å gyroskopisk stabilisere plattformen (520) når den er i drift i havomgivelser (30).

7. Havbølgeenergisystem (200) i samsvar med et eller flere av de foregående krav,karakterisert vedat plattformen (520) er tilpasset slik at den kan roteres under driften, for å gjøre det regelmessige oppsettet av søyler (220) i stand til å orienteres i forhold til havbølgene mottatt av systemet (200).

8. Havbølgeenergisystem (200) i samsvar med krav 7, karakterisert vedat systemet (200) omfatter en måleinnretning (510) for måling av den hovedsaklige forflyttningsretningen til bølgene (40) som skal mottas av det regelmessige oppsettet (220), og en aktuator anordning for justering av vinkelorienteringen til det regelmessige oppsettet av søyler (220) i forhold til den hovedsakelige forflyttningsretningen til bølgene (40).

9. Havbølgeenergisystem (200) i samsvar med et eller flere av de foregående krav,karakterisert vedat systemet (200) kan utsettes: (a) langs en kystlinje, (b) som en eller flere flytende øyer, (c) som en flytende halvøy eller utbøying, (d) som en flytende tilveiebringer av en transportvei mellom landmasser, (e) fastmontert på fundamenter i havbunnen.

10. Havbølgeenergisystem (200) i samsvar med et eller flere av de foregående krav,karakterisert vedat systemet (200) omfatter akvakulturfasiliteter tilpasset nedsynking for beskyttelse hovedsakelig under systemet (200) i dårlige værforhold som kan skade akvakulturfasilitetene.

11. Fremgangsmåte for å drive et havbølgeenergisystem (200) i samsvar med et eller flere av de foregående krav,karakterisert vedat fremgangsmåten omfatter: (a) mottak av en eller flere havbølger (40) i nærheten av de en eller flere undervannsstrukturene (200), for justering av et energifelt til de en eller flere bølgene (40) som danner de en eller flere bølgene (40), slik at det mottas av et regelmessig oppsett av søyler (220) i systemet (200), og (b) mottak av de en eller flere bølgene (40) ved det regelmessige oppsettet av søyler for regelmessig kompresjon og/eller fortynning av luften i de en eller flere søylene (220) som driver en turbinanordning (230) for å produsere kraft.

12. Fremgangsmåte for å drive et havbølgeenergisystem (200) i samsvar med et eller flere av krav 1-10,karakterisert vedat fremgangsmåen omfatter: (i) måling av en eller flere egenskaper til havbølgene (40) som nærmer seg havbølgeenergisystemet (200) for å produsere tilsvarende målesignaler, (ii) prosessering av målesignalene i en prosessannordning (510) for å produsere tilsvarende kontrollsignaler, og (iii) påføring av signalene til aktuatorer (500) koblet til en eller flere posisjonsjusterbar og/eller vinkeljusterbare undervannsstrukturer (300) nær de nedre endene av søylene (220) til systemet (200), for å danne de målte havbølgene (40) som forflyttes ved drift mot de nedre endene til søylene (220) for å koble bølgene (40), på kontrollert vis, inn i de hule søylene (220) for å produsere tilsvarende utgangskraft.

13. Fremgangsmåte for å drive et havbølgeenergisystem (200) i samsvar med krav 12,karakterisert vedat prosessanordningen (510) kan drives for å bruke en nummerisk modell og/eller et nervenettverk, for å produsere kontrollsignalene fra målesignalene.

14. Fremgangsmåte for å drive et havbølgeenergisystem (200) i samsvar med krav 12,karakterisert vedat fremgangsmåten omfatter: (iv) måling av forflyttningsretningen til havbølgene (40) som skal mottas i det regelmessige oppsettet av søyler (220), og (v) roterbar posisjonering av det regelmessige oppsettet av søyler (220) i forhold til forflyttningsretningen til havbølgene (40).

15. Programprodukt innspilt på en maskinlesbar databærer,karakterisert vedat programproduktet kan iverksettes på datahardware, for implementering av en fremgangsmåte i samsvar med et eller flere av krav 11-14.