NO20170678A1 - Bølgekraftverk - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelsen angår et undervanns bølgekraftverk, slik det framgår av den innledende del av patentkrav 1.

Bakgrunn

Oppfinnelsen er relatert til en innretning for produksjon av elektrisk energi fra vann i bevegelse, slik som havstrømmer, bølgebevegelse eller rennende vann. En utfordring for overflatebaserte bølgekraftverk til havs er belastning under ekstremvær, og det har vist seg vanskelig og teknisk krevende å lage en overflatekonstruksjon som kan tåle slik belastning.

For å overvinne slike utfordringer er det foreslått helt eller delvis nedsenkbare kraftverk. Et eksempel fra den kjente teknikk på nedsenkbare bølgekraftverk er GB 2 459 843 A. Denne publikasjonen beskriver et antall vannturbiner montert på en fleksibel aksel. Den nedre enden av akselen er forbundet med en generator festet fleksibelt til havbunnen. Den øvre enden er forsynt med en flottør. Konstruksjonen kan på denne måten følge retning og grad av vannstrømning.

US 5,946,609 beskriver en rekke flytende turbinrotorer festet på en fleksibel aksel. Én ende av akselen er opplagret på havbunnen, mens den andre enden er forbundet med en elektrisk generator på land.

Formål

Formålet med oppfinnelsen er å anvise et slik nedsenkbart bølgekraftverk der turbinene på en enkel måte kan posisjoneres i vannmassen for å oppnå en optimal utnyttelse av strømningsenergien. Et annet formål med oppfinnelsen er å kunne senke bølgekraftverket til større dybde i sjøen tilfelle ekstremvær eller for å unngå kollisjon med overflatefartøy.

Oppfinnelsen

Dette formålet oppnås med et bølgekraftverk ifølge den karakteriserende del av patentkrav 1. Ytterligere fordelaktige trekk framgår av de uselvstendige kravene.

Generell beskrivelse

Oppfinnelsen er relatert til et bølgekraftverk for produksjon av elektrisk energi, og omfatter et generatorhus med en generator for produksjon av elektrisk energi. En langstrakt aksel er forbundet med generatoren, hvori en eller flere propeller er montert enveis roterbart på akselen. Akselen oppviser videre oppdriftsorgan, og en forankring til havbunn eller elvebunn.

I henhold til oppfinnelsen er den langstrakte akselen hul og opptar minst én ledning for transport av trykksatt gass, og minst én signalkabel, hvorved bølgekraftverket oppviser minst to oppdriftsorgan. Hvert oppdriftsorgan omfatter et hus med et hult indre og en åpning for utveksling av vann mellom omgivende vannmasse og hulrommet i huset. Oppdriftsorganet er arrangert fast forbundet med og omkransende akselen, hvori en oppblåsbar og sammenpressbar blære er arrangert rundt akselen og festet vanntett til det indre av huset, for slik å definere et gassfylt indre av blæren og et vannfylt rom inne i huset på utsiden av blæren. En ventil, regulerbar via en signalkabel, er arrangert inne i den hule akselen, arrangert for å utveksle gass mellom det gassfylte indre og generatorhuset via ledning. Bølgekraftverket oppviser videre midler for innbyrdes uavhengig å trykksette eller trykkavlaste blæren inne i respektive oppdriftsorgan.

På denne måten kan akselens helningsvinkel og bølgekraftverkets dybdenivå reguleres presist med henblikk på optimal strømproduksjon, skjerming mot ekstremvær og kollisjonsfare fra nærgående fartøy.

Akselen og/eller oppdriftsorganene kan videre være forsynt med sensorer valgt fra gruppen bestående av trykk, ekkolodd, vinkelposisjon i horisontalplanet, stressbelastning, og kraftproduksjon.

Midlene for å trykksette eller trykkavlaste blæren kan være realisert i form av minst én kompressor og en trykktank for gass, i strømningsmessig forbindelse med ledning.

Bølgekraftverket oppviser fortrinnsvis en kontroller i signalkommunikasjon med ventil, kompressor og nevnte sensorer. Kompressoren, trykktanken og kontrolleren er fortrinnsvis opptatt inne i generatorhuset.

En flytbar bøye kan være forbundet med generatorhuset via ledning. Bøyen kan videre oppvise sensorer for registrering av fysikalske parametere ved vannoverflaten, og sende parameterne til kontroller. Bøyen kan videre oppvise midler for å sende lys- og/eller lydsignal ved overflaten.

Den produserte strømmen transporteres i kabler ned langs forankringen til en 360 graders svivelkobling integrert i ankerfestet, og videre til forbruk på land eller på oljeplattformer, oppdrettsmerder eller andre offshore-installasjoner.

Detaljert beskrivelse

Oppfinnelsen er i det etterfølgende beskrevet i nærmere detalj med hjelp av figurer, der

Fig. 1 en skjematisk skisse av et bølgekraftverk som flyter i en vannmasse,

Fig. 2a er en prinsippskisse av et kjent bølgekraftverk med ikke-kompensert oppdrift som flyter i vann med liten strømning eller med lite vind, Fig. 2b er en skisse tilsvarende Fig. 2a, der bølgekraftverket flyter horisontalt i en optimal posisjon for produksjon av strøm, Fig. 2c er en skisse tilsvarende Fig. 2a og 2b, men der bølgekraftverket med ikke-kompensert oppdrift flyter i vann med sterk strøm og/eller i sterk vind,

Fig. 3 er et skjematisk tverrsnitt gjennom oppdriftsorganet, og

Fig. 4 er et skjematisk tverrsnitt gjennom generatorhuset og tilhørende komponenter.

Figur 1 illustrerer bølgekraftverket ifølge oppfinnelsen, betegnet generelt med henvisningstall 100. Fem rotorblader 101a, 101b, 101c, 101d, 101e er montert på en felles langstrakt aksel 102, arrangert til å rotere om sin egen akse i kun én retning. En første ende 102' av akselen flyter fritt i vannet, mens en motstående andre ende 102" er forbundet med en elektrisk generator 104 opptatt i et hus 105 forankret bevegelig til havbunnen 108 via et ankerfeste/vaier 107 som tillater fri bevegelse av bølgekraftverket 100 i horisontalplanet under vannspeilet 109. Et antall oppdriftsorgan 106a, 106b, 106c, 106d er festet til akselen 102 og oppviser et hult indre (ikke vist) med en eller flere ventiler for vann for å utveksle vann opptatt inne i oppdriftsorganet og vannmassen i sjøen. Det respektive oppdriftsorgan er videre forsynt med en trykkluftledning som forsyner oppdriftsorganet med trykkluft fra en trykkluftkilde i generatorhuset, for på denne måten med hjelp av en kontroller (ikke vist) i generatorhuset å regulere oppdriftsorganenes egenvekt og dermed oppdrift i vannmassen. Det skal her legges til at oppfinnelsen ikke er begrenset til trykkluft og at den kan drives med annen trykksatt gass. Figur 2a-c illustrerer et flytende bølgekraftverk fra den kjente teknikk der flyteorganene ikke har regulerbar oppdrift. I figur 2a flyter bølgekraftverket 100 i en vannmasse med lite strøm og/eller lite bølger. Her kan en se at akselen 102 er skråstilt med generatorhuset 105 flytende i overflaten og den frie akselenden 102' er lokalisert lengre ned i vannmassen. Vannstrøm, indikert med pilene til høyre i figuren treffer rotorbladene 101 i en vinkel som ikke er optimal med hensyn til produksjon av strøm.

I figur 2b flyter bølgekraftverket med sin aksel 102 ragende horisontalt i vannmassen ved at oppdriften balanserer kraften fra vannstrøm og/eller bølger. Vannstrømmen treffer her vinkelrett på rotorbladene 101 og representerer en optimal posisjon for produksjon av strøm.

I figur 2c er bølgekraftverket utsatt for sterke krefter fra vannstrøm og/eller bølger. Generatorhuset 105 trekkes ned i vannet mens den frie akselenden 102' ligger i vannskorpa med det ytterste rotorbladet 101 plaskende i vannspeilet 109.

Figur 3 viser et tverrsnitt gjennom et oppdriftsorgan 106 ved bølgekraftverket ifølge oppfinnelsen. Oppdriftsorganet 106 omfatter et hus 111 av et fast materiale, fortrinnsvis med en langstrakt oval form. Huset 111 kan være formet av et hvilket som helst fast materiale, men er fortrinnsvis laget av et polymermateriale med lav egenvekt for på denne måten å gi minimalt bidrag på oppdriften. Oppdriftsorganet 106 er montert på akselen 102 om flensekoblinger 120 ved en første og andre ende av oppdriftsorganet 106 sett i akselens 102 lengdeutstrekning. Flensekoblingene er forsynt med tetningsorgan 121 for å hindre vann fra å strømme inn og ut av huset 111 langs akselen 102. Oppdriftsorganet 106 er følgelig arrangert til å rotere sammen med akselen 102.

Huset 111 har et hult indre og er forsynt med en blære eller belg 113 som omslutter akselen 102 langs hele dens lengdeutstrekning inne i huset 111. Blæren 113 er ved hver ende av akselen 102 festet til den innvendige veggen av huset 111 ved en første ende 122 og en andre 123 av huset 111 langs akselen 102. Veggen av blæren 113 har en lengdeutstrekning som er større enn lengden av akselen 102 som den omslutter. Blæren 113 danner dermed en pølse som kan utvides og trekkes sammen, som beskrevet i nærmere detalj nedenfor. Som indikert i figur 3, er blæren 113 delvis oppblåst og oppviser et luft- eller gassfylt indre 115 med et omgivende volum med væske indikert ved 114. Huset 111 er videre forsynt med en åpning 124 som vann kan strømme inn og ut gjennom.

Det indre av blæren 113 er strømningsmessig forbundet med en luftkompressor og en trykktank i et generatorhus (se figur 4) via en trykkluftledning 116 for trykkluft som er arrangert inne i et hult indre av akselen 102. En trykkluftventil 117 forbinder trykkluftledningen 116 og en trykkluftledning 118 som munner ut i det indre av blæren 115. Trykkluftventilen 117 reguleres av en regulator i generatorhuset via en signalkabel 119 som rager langs akselens 102 indre fra generatorhuset.

Akselen 102 og/eller ett eller flere av oppdriftsorganene 106 kan være forsynt med føler for vinkelposisjon (ikke vist) som kan registrere avvik i helning fra horisontalt nivå for akselen 102, og sende signal til en regulator (se beskrivelsen for figur 4 nedenfor) via signalkabel 119.

Nå med henvisning til figur 4, er det gitt en skjematisk illustrasjon av et generatorhus 211. Generatorhuset 211 er en lukket beholder med et hult indre som opptar ulike komponenter for bølgekraftverket og forankret til bunnen av vannmassen via et ankertau eller liknende (ikke illustrert) festet til en brakett 238 ved generatorhuset 211. En skilleplate 230 deler hulrommet i generatorhuset 211 i et første kammer 231 og et andre kammer 232. En blære 213 er opptatt i det andre kammeret 232 for å regulere oppdriften av generatorhuset 211 på en tilsvarende måte som for oppdriftsorganet 106. Oppbygging og virkemåte er hovedsakelig tilsvarende som for oppdriftsorganet 106 og er derfor utelatt her.

I det første kammeret 231 er det arrangert en strømgenerator 233 forbundet med akselen 102 via en svivelkobling 234. Svivelkoblingen 234 er også arrangert for å oppta trykkluftledningen 116 og signalkabelen 119. Akselen 102 med sine oppdriftsorgan 106, trykkluftledning 116 og signalkabel 119 kan dermed rotere fritt om akselen under rotasjonskraft generert av propellene 101, og fremdeles utveksle trykkluft og styresignaler mellom oppdriftsorganene og komponenter inne i generatorhuset 211.

En trykkluftkompressor er indikert skjematisk ved 235. Trykkluftkompressoren 235 er videre forbundet med en trykklufttank indikert skjematisk ved 236. Trykklufttanken 236 er videre forbundet med trykkluftledning 116 via en ventil (ikke vist), for å forsyne de respektive oppdriftsorganene med trykkluft når (den ikke viste) ventilen er åpen og trykkluftventilen 117 i de respektive oppdriftsorgan 106 er åpne, for på denne måte å øke oppdriften av de respektive oppdriftsorgan 106. Kompressoren 235, trykktankens (ikke illustrerte) avstengingsventil og trykkluftventilene 117 i de respektive oppdriftsorganene 106 er regulert av en regulator illustrert skjematisk ved henvisningstall 237. Regulatoren er 237 er arrangert slik at den kan regulere trykket innbyrdes uavhengig i de respektive oppdriftsorganene 106.

En bøye 300 er forbundet med generatorhuset 211 via en signal- eller ankerkabel 235. Bøyen kan være forsynt med midler for å registrere bevegelser på overflaten, for eksempel skip som befinner seg i nærheten og risikerer å kollidere med bølgekratfverket, og sende signal ned til regulatoren 237 for å igangsette reduksjon av oppdrift og senke bølgekraftverket ned i sjøen. Bøyen kan også være forsynt med midler som registrerer vannstrøm og vind, og sende signal ned til regulatoren 237, som kan regulere bølgekratfverkets oppdrift i sjøen tilsvarende. Bøyen 300 kan videre være forsynt med anordninger for å sende signal i form av lys og/eller lyd til fartøy i nærheten som står i fare for å kollidere med bølgekratfverket.

Virkemåte

Øke oppdrift

Som angitt foran, forsyner kompressoren 235 trykkluft til trykklufttank 236 forsynt med en avstengingsventil (ikke vist) forbundet med kontroller 237 for å magasinere trykkluft. For å øke oppdriften i et bestemt oppdriftsorgan 106, blir trykkluftventil 117 åpnet via et styresignal fra kontroller 237 via signalkabel 119 og trykklufttankens 236 avstengingsventil (ikke vist) åpnet i et tidsrom til at ønsket mengde luft er tilført hulrommet 115 i oppdriftslegemet 111, hvoretter begge ventilene stenger. Samtidig presses vann 114 ut gjennom åpning 124 i oppdriftslegemet 111.

Redusere oppdrift

Når oppdriften skal reduseres, holdes trykkluftstankens 236 avstengingsventil (ikke vist) stengt hvorved trykkluftventil 117 åpnes og luft strømmer tilbake til lavtrykksiden av kompressor 233 gjennom trykkluftledning 116 mens vann strømmer inn i hulrommet 114 i oppdriftslegeme 111 gjennom åpning 124 i et tidsrom tilstrekkelig til at ønsket grad av oppdrift er oppnådd hvoretter trykkluftventil 117 stenges.

Regulering

Kontrolleren 237 er videre forsynt med programvare og innganger for mottak av signaler fra ulike deler av bølgekraftverket, slik som dybdeposisjon, helningsvinkel for aksel 102, kraftproduksjon, vannstrøm, oppdrift i respektive oppdriftsorgan 106, vindretning og vindstyrke ved overflata fra bøye 300, radarsignal om nærgående fartøy osv. Kontrollerens oppbygning og regulering av individuell oppdrift av de respektive oppdriftsorganene 106, helningsvinkel for aksel 102, kompressordrift og uthenting av informasjon fra bøye 300 og utsending av signal fra samme m.m. av kontroller 237 er ikke beskrevet nærmere her og anses å være innenfor rekkevidde for en fagperson med støtte i den foreliggende beskrivelsen.

Claims (8)

1. Bølgekraftverk (100) for produksjon av elektrisk energi, omfattende et generatorhus (211) med en generator (234) for produksjon av elektrisk energi, en langstrakt aksel (102) forbundet med generatoren (234), hvori en eller flere propeller (101) er montert enveis roterbart på akselen (102), og akselen (102) videre oppviser oppdriftsorgan (106), og en forankring til havbunn eller elvebunn,karakterisert vedat den langstrakte akselen (102) er hul og opptar minst én ledning (116) for transport av trykksatt gass, og minst én signalkabel (119), hvorved bølgekraftverket (100) oppviser minst to oppdriftsorgan (106) omfattende et hus (111), med et hult indre og en åpning (124) for utveksling av vann mellom omgivende vannmasse og hulrommet i huset (111), arrangert fast forbundet med og omkransende akselen (102), hvori en oppblåsbar og sammenpressbar blære (113) er arrangert rundt akselen (102) og festet vanntett til det indre av huset (111), for slik å definere et gassfylt indre (115) av blæren (113) og et vannfylt rom (115) inne i huset (111) på utsiden av blæren (113), hvori en via signalkabel (119) regulerbar ventil (117) er arrangert inne i den hule akselen (106), arrangert for å utveksle gass mellom det gassfylte indre (115) og generatorhuset (211) via ledning (116), og at bølgekraftverket (100) oppviser midler for innbyrdes uavhengig å trykksette eller trykkavlaste blæren (113) inne i respektive oppdriftsorgan (106).

2. Bølgekraftverk ifølge krav 1, hvori akselen (102) og/eller oppdriftsorganene (106) er forsynt med sensorer valgt fra gruppen bestående av trykk, ekkolodd, vinkelposisjon i horisontalplanet, stressbelastning, og kraftproduksjon.

3. Bølgekraftverk ifølge krav 1 eller 2, hvorved midlene for å trykksette eller trykkavlaste blæren (113) omfatter minst én kompressor (235) og en trykktank (236) for gass, i strømningsmessig forbindelse med ledning (116).

4. Bølgekraftverk ifølge krav 2 eller 3, hvori bølgekraftverket (100) oppviser en kontroller (237) i signalkommunikasjon med ventil (117), kompressor (235) og nevnte sensorer.

5. Bølgekraftverk ifølge krav 3, hvori kompressoren (235), trykktanken (236) og kontrolleren (237) er opptatt inne i generatorhuset (211).

6. Bølgekraftverk ifølge et av kravene foran, hvori en flytbar bøye (300) er forbundet med generatorhuset (211) via ledning (235).

7. Bølgekraftverk ifølge et av kravene 4 til 6, hvori bøyen (300) oppviser sensorer for registrering av fysikalske parametere ved vannoverflaten, og sende parameterne til kontroller (237).

8. Bølgekraftverk ifølge et av kravene 4 til 7, hvori bøyen (300) oppviser midler for å sende lys-og/eller lydsignal ved overflaten.