NO20150164A1 - Fremgangsmåte og anlegg for utnyttelse av en vannstrømsenergi - Google Patents

Description

FREMGANGSMÅTE OG APPARAT VED ENERGIANLEGG

Denne oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte for utnyttelse av en vannstrøms energi ved hjelp av et energianlegg. Nærmere bestemt dreier det seg om en fremgangsmåte for utnyttelse av en vannstrøms energi ved hjelp av et energianlegg som er anbrakt i vannstrømmen, hvor energianlegget omfatter minst ett tau som forløper om minst to vendestasjoner og hvor det langs tauet er anordnet minst én i det minste delvis dykket foil som er tilnærmet symmetrisk om sin korde, og hvor vannets strømningshas-tighet og -retning sammen med foilens bevegelseshastighet og -retning giren resulterende vannstrømningshastighet og -retning som virker mot foilen. Oppfinnelsen omfatter også et energianlegg for anvendelse ved utøvelse av fremgangsmåten.

Med betegnelsen "foil" menes i denne sammenhengen et helt eller sammensatt legeme som er utformet til å gi et gunstig strømningsbilde ved utvinning av energi fra strømmende vann. Betegnelsen inkluderer også seil som anvendes til samme formål.

Betegnelsen «tau» omfatter ethvert hensiktsmessig langstrakt bøyelig legeme, typisk i form av fibertau, vaier, kjede, kjetting eller kombinasjoner av dem.

Fra NO 333432 er det kjent å anordne foiler langs en dykket bane hvor foilene med-strøms retter seg inn relativt strømningsretningen. Når foilene forskyves motstrøms, settes foilene i en nøytral stilling med den hensikten at de skal yte minst mulig strøm-ningsmotstand.

GB 2131491 omhandler utstyr for å utvinne energi fra vind eller vann, og hvor det er anordnet et antall foiler langs en endeløs reim som i utførelsen for vann forskyves vinkelrett i forhold til vannstrømmen. Foilene er tilnærmet symmetriske om sin korde og korden er parallell med reimen.

Ved en utførelse som beskrevet i NO 333432 er det klart at det på motstrømsleggen oppstår et energitap som reduserer energianleggets totale virkningsgrad. Ifølge GB 2131491 er det ingen motstrømslegg, idet reimen på tur- og returleggen er vinkelrett mot vannstrømmen.

Oppfinnelsen har til formål å avhjelpe eller å redusere i det minste én av ulempene ved kjent teknikk, eller i det minste å skaffe til veie et nyttig alternativ til kjent teknikk.

Formålet oppnås ved trekkene som er angitt i nedenstående beskrivelse og i de etter-følgende patentkravene.

I et energianlegg som arbeider etter prinsippet å la foiler langs et tau påvirkes av strømningskrefter, vil det med unntak av løsningen som er vist i GB 2131491, alltid måtte være en motstrømslegg hvor vinkelen mellom leggen og vannets strømnings-retning er mindre enn 90 grader.

Ved å la tauet på motstrømsleggen ha en vinkel på mellom 1 og 45 grader og å rette foilene opp med en innfallsvinkel mot den resulterende vannretning, påføres foilen krefter fra vannstrømmen på tilsvarende måte som ved det som innen seiling beteg-nes «bidevind», idet foilen gir en kraftkomponent som er rettet langs motstrømsleg-gen. Derved kan det utvinnes en relativt betydelig energimengde også mens foilen forskyves oppstrøms.

Det må bemerkes at det innen seiling er noe uklarhet omkring betegnelsen «bidevind», idet noen kaller situasjonen hvor vinkelen mellom seileretningen og vindret-ningen er mellom 90 og 45 grader, «skarpt slør».

Oppfinnelsen er definert av de selvstendige patentkravene. De uselvstendige kravene definerer fordelaktige utførelser av oppfinnelsen.

I et første aspekt vedrører oppfinnelsen mer spesifikt en fremgangsmåte for utnyttelse av en vannstrøms energi ved hjelp av et energianlegg som er anbrakt i vannstrøm-men, hvor energianlegget omfatter minst ett tau som forløper om minst to vendestasjoner, og hvor det langs tauet er anordnet minst én i det minste delvis dykket foil som er tilnærmet symmetrisk om sin korde, og hvor vannets strømningshastighet og - retning sammen med foilens bevegelseshastighet og -retning giren resulterende vannhastighet og -retning som virker mot foilen, kjennetegnet ved at fremgangsmåten omfatter de følgende trinnene: - å dreie foilen til den har en ønsket innfallsvinkel mot den resulterende vannstrøm-ningsretningen når foilen forskyves medstrøms; og - å dreie foilen til den har en ønsket innfallsvinkel mot den resulterende vannstrøm-

ningsretningen når foilen forskyves motstrøms,

idet innfallsvinkelen ved forskyvning medstrøms er lik eller ulik innfallsvinkelen ved forskyvning motstrøms og er større enn null.

Med medstrøms menes at foilens forskyvingsretning har en forskyvingskomponent som sammenfaller med vannstrømningsretningen. Med motstrøms menes at foilens forskyvingsretning har en forskyvingskomponent som er motsatt av vannstrømnings-retningen.

I og med at den resulterende vannhastighet er ulik motstrøms og medstrøms, vil ønsket innfallsvinkel mot foilen være ulik motstrøms og medstrøms. Årsaken kan være å begrense sidekrefter som må opptas av tauet, eller å utnytte energien fra vannet best mulig.

Beregninger og tester viser at fremgangsmåten kan omfatte å la innfallsvinkelen være mellom 1 og 20 grader.

For å oppnå nødvendig funksjonssikkerhet kan det være nødvendig at fremgangsmåten omfatter å la et styrbart omkastlegeme dreie foilen til aktiv stilling ved medstrøms forskyving.

Omkastlegemet er normalt anordnet slik at det sørger for at foilen inntar sin aktive stilling idet den legger ut på sin medstrømslegg. Skulle foilen stille seg inn i sin passive stilling, vil energianlegget stanse. Forsøk har vist at kraften som er nødvendig for å stille foilen riktig, er relativt beskjeden.

Tilsvarende kan det være nødvendig å styre foilen til sin aktive stilling før den legger ut på sin motsrømslegg.

Fremgangsmåten kan omfatte å forsyne en vendestasjon med et støttelegeme som har større diameter enn en tauskive på vendestasjonen, idet støttelegemet kommer til anslag mot foilen ved vendestasjonen.

I et andre aspekt vedrører oppfinnelsen mer spesifikt et energianlegg som er anbrakt i en vannstrøm og omfatter minst ett tau som forløper om minst to vendestasjoner, og hvor det langs tauet er anordnet minst én i det minste delvis dykket foil som er tilnærmet symmetrisk om sin korde, og hvor vannets strømningshastighet og -retning sammen med foilens bevegelseshastighet og -retning gir en resulterende vannstrøm-ningshastighet og -retning som virker mot foilen, kjennetegnet ved at foilen er dreid til å ha en ønsket innfallsvinkel mot den resulterende vannretning når foilen forskyves medstrøms, og en lik eller ulik innfallsvinkel mot den resulterende vannretning når den forskyves motstrøms.

Energianlegget kan omfatte et styrbart omkastlegeme som er anordnet ved med-strøms forskyving. Omkastlegemets funksjon er beskrevet overfor, og omkastlegemet kan utgjøres for eksempel av et hjul eller av en klaff som er anordnet ved hver av vendestasjonene og kommer til anslag mot foilen når omkastlegemet er i sin aktive stilling. Omkastlegemet kan føres mellom sin aktive og passive stilling ved hjelp av vannstrømmen eller ved hjelp av en aktuator.

Minst en vendestasjon kan være forsynt med et støttelegeme som er innrettet til å komme til anslag mot foilen, idet støttelegemet har en større utvendig diameter enn en tauskive på vendestasjonen.

Ved at støttelegemet befinner seg utenfor tauskivens utvendige diameter, vil støttele-gemet alltid sette folien i sin aktive stilling før den legger ut på motstrømsleggen.

Andre former for omkast- og støttelegemer kan selvfølgelig anvendes for å oppnå ønskede funksjoner. Omkastlegemet kan for eksempel utføres slik at det dreies om vendestasjonens senterakse til en ny aktiv stilling når vannstrømmen snur.

Foilene ifølge søkerens eget patent NO 333432 er velegnet for bruk i energianlegget selv om også andre foiler med hovedsakelig samme egenskaper vil kunne anvendes.

Energianlegget i henhold til oppfinnelsen er ved en symmetrisk utforming like velegnet i tidevannsstrømmer som i elver eller andre vannstrømmer hvor strømningsretningen ikke endres.

Når foilen forskyves gjennom vannet utvikles det et løft L og et drag (strømningsmot-stand) D.

Kraften som virker langs tauet gis av formelen

hvor y betegner vinkelen til den relative strømningsretning, se beskrivelsens spesielle del.

Ved å kunne utvinne energi fra vannstrømmen også når foilen forskyves langs mot-strømsleggen, tilveiebringer oppfinnelsen ifølge fremgangsmåten og systemet en betydelig forbedring av den totale virkningsgrad for angjeldende art av energianlegg.

I det etterfølgende beskrives et eksempel på en foretrukket fremgangsmåte og utfør-elsesform som er anskueliggjort på medfølgende tegninger, hvor: Fig. 1 viser en prinsippskisse av et energianlegg ifølge oppfinnelsen; Fig. 2 viser et utsnitt fra figur 1 hvor en foil bringes til sin aktive stilling; Fig. 3 viser et utsnitt fra figur 1, men hvor en foil befinner seg i sin passive stilling; Fig. 4 viser et sideriss av en foil; Fig. 5 viser et enderiss av foilen i figur 4; Fig. 6 viser et oppsett over strømningsretninger og krefter når foilen befinner

seg på medstrømsleggen;

Fig. 7 viser et oppsett over strømningsretninger og krefter når foilen befinner

seg på motstrømsleggen; og

Fig. 8 viser et riss som angitt av I-l i figur 1.

På tegningene betegner henvisningstallet 1 et energianlegg som omfatter et endeløst øvre tau 2 og et endeløst nedre tau 4 som forløper om en tauskive 6 ved en første vendestasjon 8 og en andre vendestasjon 10. Et antall foiler 12 er festet til det øvre tauet 2 og det nedre tauet 4, se figur 4. Tauene 2 og 4 kan omfatte flere enkelttau.

Betegnelsene «øvre» og «nedre» refererer til relative posisjoner når energianlegget 1 i brukstilstand er anordnet med vertikale vendestasjonsakser 14.

I det viste utførelseseksempelet er tauskivenes 6 rotasjonsretning medurs. Strek-ningen mellom den første vendestasjon 8 og den andre vendestasjon 10 i vannstrøm-men 16, utgjør en medstrømslegg 18 mens returleggen utgjør en motstrømslegg 20.

Siden tauskivene 6 her har lik diameter, er med- og motstrømsleggene 18, 20 paral-lelle og står her med i størrelsesorden 70 grader vinkel på vannstrømmen 16.

Foilene 12 har et løftesenter 22 og en dreieakse 24 nær foilens 12 fremre parti 26. Foilene 12 er forsynt med et øvre foiloppheng 28 som er festet til det øvre tauet 2, og et nedre foiloppheng 30 som er festet til det nedre tauet 4.

Hvert foiloppheng 28, 30 omfatter en arm 32 som er dreibart koplet til en aksel 34 og derved dreibar om dreieaksen 24. Armen 32 har en opphengsakse 36 i en avstand fra dreieaksen 24. En kopling 38 som er dreibar om opphengsaksen 36, er koplet til hen-holdsvis det øvre tauet 2 og det nedre tauet 4. Et elastisk element 40, her i form av en forspent fjær, søker å dreie armen 32 til parallell stilling relativt foilens 12 korde 42. Det elastiske element 40 kan erstattes av en ikke vist aktuator eller annet hensiktsmessig utstyr.

Vannstrømmen 16 har en hastighet og retning som er indikert med pilen Vc, og foilens 12 hastighet og bevegelsesretning er indikert med pilene Vs i figurene 6 og 7. Figur 6 representerer medstrømssituasjonen, og figur 7 representerer motstrømssituasjonen. Den resulterende kraften og retningen av vannstrømmen 16 mot foilen 12 er indikert med pilen Vri i figur 6 og med pilen Vr2 i figur 7. Den relative vinkelen mellom den resulterende vannstrømningsretningen og foilens 12 bevegelsesretning er indikert med yl i figur 6 og y2 i figur 7.

Når foilen 12 stilles inn med en innfallsvinkel a (engelsk: angle of attack), oppstår en løftekraft L og dragkraft D (engelsk: drag force) henført til løftesenteret 22. Innfallsvinkelen a, som kan være lik eller ulik ved med- og motstrømsleggene 18, 20, velges ut fra rådende forhold.

Kraften T som virker langs tauene 2, 4, er samlet definert i beskrivelsens generelle del. Summen av en tverrkraft N som virker på tvers av tauene 2, 4, er gitt av formelen

Tverrkraften N kan være betydelig, og angrepsvinkelen a må styres med blant annet dette for øyet. Kreftene T og N er selvforklarende og er ikke vist i figurene.

Når energianlegget 1 er i drift, vil foilene 12, når de legger ut på medstrømsleggen 18, kunne innta en passiv stilling som indikert i figur 3. De vil derved kunne stanse energianlegget 1. Et omkastlegeme 44 som er anordnet ved hver av vendestasjonene 8, 10, og som kan innta en aktiv stilling, se figur 2, eller en passiv stilling, se figur 3, er i sin aktive stilling innrettet til å komme til anslag mot foilen 12 og derved sikre at foilen 12 inntar sin aktive stilling når den legger ut på medstrømsleggen 18.

Idet foilen 12 møter vannstrømmen 16, dreies foilen 12 om dreieaksen 24 mot en i forhold til vannstrømmen 16 gunstig stilling. Det elastiske elementet 40 strekkes når armen 32 dreier om dreieaksen 24. Opphengsaksens 36 posisjon relativt løftesenteret 22 bevirker at foilen 12 inntar en for formålet gunstig stilling ved ulike vannstrøm-ningshastigheter. Foilens 12 samt det øvre og det nedre foilopphengs 28, 30 symmetriske utforming bevirker at foilen 12 stiller seg riktig inn ved vannstrøm 16 i begge retninger.

Foilene 12 forskyves med tauene 2, 4 langs medstrømsleggen 18 til de kommer til den andre vendestasjonen 10, hvor de dreier om tauskivene 6. Den andre vendestasjon 10 er forsynt med et støttelegeme 46 som er innrettet til å komme til anslag mot foilen 12. Støttelegemet 46 forskyver derved foilen 12 til motsatt side av tauene 2, 4. Hensikten er å sikre at foilen 12 inntar sin aktive stilling når den legger ut på motstrøms-leggen 20 og forskyves mot den første vendestasjonen 8.

Siden energianlegget 1 i den viste utførelsesformen er tilpasset en tidevannsstrøm hvor vannstrømmen 16 vender, er det også anordnet et omkastlegeme 44 ved den andre vendestasjonen 10 og et støttelegeme 46 ved den første vendestasjonen 8.

Hver av foilene 12 bidrar ved en gitt tau- og vannhastighet med en kraft T langs tauene 2, 4. De kan således utvinnes energi fra energianlegget 1, for eksempel ved å kop-le en ikke vist generator til én eller flere av tauskivene 6.

Det bør bemerkes at alle de ovennevnte utførelsesformer illustrerer oppfinnelsen, men begrenser den ikke, og fagpersoner på området vil kunne utforme mange alternative utførelsesformer uten å avvike fra omfanget av de vedlagte kravene. I kravene skal referansenumre i parentes ikke sees som begrensende. Bruken av verbet "å omfatte" og dets ulike former, ekskluderer ikke tilstedeværelsen av elementer eller trinn som ikke er nevnt i kravene. De ubestemte artiklene "en", "ei" eller "et" foran et element ekskluderer ikke tilstedeværelsen av flere slike elementer.

Det faktum at enkelte trekk er anført i innbyrdes forskjellige avhengige krav, indikerer ikke at en kombinasjon av disse trekk ikke med fordel kan brukes.

Claims (10)

1. Fremgangsmåte for utnyttelse av en vannstrøms energi ved hjelp av et energianlegg (1) som er anbrakt i vannstrømmen (16), hvor energianlegget (1) omfatter minst ett tau (2, 4) som forløper om minst to vendestasjoner (8, 10), og hvor det langs tauet (2,4) er anordnet minst én i det minste delvis dykket foil (12) som er tilnærmet symmetrisk om sin korde (42), og hvor vannets strømningshastighet og -retning (Vc) sammen med foilens bevegelseshastighet og -retning (Vs) gir en resulterende vannstrømningshastighet og -retning (Vri, Vr2) som virker mot foilen (12),karakterisertved at fremgangsmåten omfatter de følgende trinnene: - å dreie foilen (12) til den har en ønsket innfallsvinkel (a) mot den resulterende vannstrømningsretningen (Vri) når foilen forskyves medstrøms; og - å dreie foilen (12) til den har en ønsket innfallsvinkel (a) mot den resulterende vannstrømningsretningen (Vr2) når foilen (12) forskyves motstrøms, idet innfallsvinkelen (a) ved forskyvning medstrøms er lik eller ulik innfallsvinkelen (a) ved forskyvning motstrøms og er større enn null.

2. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, hvor fremgangsmåten omfatter det yt-terligere trinnet: - å la innfallsvinkelen (a) være mellom 1 og 20 grader.

3. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, hvor fremgangsmåten omfatter det yt-terligere trinnet: - å la et styrbart omkastlegeme (44) dreie foilen (12) til aktiv stilling ved medstrøms forskyving.

4. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, hvor fremgangsmåten omfatter det yt-terligere trinnet: - å forsyne en vendestasjon (8, 10) med et støttelegeme (46) som har større diameter enn en tauskive (6) på vendestasjonen (8, 10), idet støttelegemet (46) kommer til anslag mot foilen (12) ved vendestasjonen (8, 10).

5. Energianlegg (1) som er anbrakt i en vannstrøm (16), hvor energianlegget (1) omfatter minst ett tau (2, 4) som forløper om minst to vendestasjoner (8, 10), og hvor det langs tauet (2, 4) er anordnet minst én i det minste delvis dykket foil (12) som er tilnærmet symmetrisk om sin korde (42), og hvor vannets strømningshastighet og -retning (Vc) sammen med foilens bevegelseshastighet og -retning (Vs) gir en resulterende vannstrømningshastighet og -retning (Vri, Vr2) som virker mot foilen (12),karakterisertved at foilen (12) er dreid til å ha en ønsket innfallsvinkel (a) mot den resulterende vannretning (Vri) når foilen forskyves medstrøms, og en lik eller ulik innfallsvinkel (a) mot den resulterende vannretning (Vr2) når den forskyves motstrøms.

6. Energianlegg (1) i henhold til krav 5, hvor et styrbart omkastlegeme (44) er anordnet ved hver av vendestasjonene (8, 10).

7. Energianlegg (1) i henhold til krav 6, hvor omkastlegemet (44), når det er i en aktiv stilling, kommer til anslag mot foilen (12).

8. Energianlegg (1) i henhold til krav 5, hvor minst en vendestasjon (8, 10) er forsynt med et støttelegeme (46) som er innrettet til å komme til anslag mot foilen (12), idet støttelegemet (46) har en større utvendig diameter enn en tauskive (6) på vendestasjonen (8, 10).

9. Energianlegg (1) i henhold til krav 6, hvor omkastlegemet (44) er styrbart mot en aktiv stilling ved hjelp av vannstrømmen (16).

10. Energianlegg (1) i henhold til krav 6, hvor omkastlegemet (44) er styrbart til en aktiv stilling ved hjelp av en aktuator.