NO320938B1 - Anordning for fundamentering av en installasjon pa en havbunn samt en fremgangsmate for installasjon av anordningen - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en forankring for en pel til en havbunn, spesielt for en anordning for å produsere elektrisk energi fra hav- og elvestrømmer. Videre vedrører oppfinnelsen en fremgangsmåte for forankring av en pel.

Forskning og utvikling på tidevannskraftverk eller anlegg for produksjon av elektrisk energi har pågått i mange tiår. Fordelene med tidevannsanlegg er blant annet at de eksempelvis i forhold til vindmøller, er forutsigbare og lite avhengige av vær. Likevel er svært få anlegg bygd til tross for at det på verdensbasis er svært store energimengder i tidevannsstrømmer. Årsaken er hovedsakelig av økonomisk og/eller miljømessig art. Disse og andre årsaker har medført at det er blitt utviklet anlegg som i sin helhet er plassert under havbunnen. Disse anleggene er bygget opp av moduler plassert på et fundament på havbunnen.

Imidlertid er det en utfordring å installere et solid fundament i en riktig vinkel under havflaten på en økonomisk måte, fordi bunnforholdene kan være vanskelige og varierende, og fordi modulene som skai fundamenteres kan ha betydelige dimensjoner. Fundamentet må nødvendig vis plasseres i strømmende vannmasser, og i noen tilfeller installeres forholdsvis dypt. Fundamentet utsettes for betydelige mekaniske belastninger fra de strømmende vannmassene og fra turbinen de er ment å bære, og disse belastningene kan være fluktuerende og skape egensvtngninger i konstruksjonen. Fundamentene må kunne installeres raskt fordi arbeidet med installasjonen i mange tilfeller må skje i tidevannsskiftet for at strømmen i området ikke skal være så sterk at den hindrer arbeidet.

Det er tidligere utviklet lite teknikk på dette området fordi anlegg for produksjon av energi fra strømmende vannmasser, plassert på et fundament, og som i sin helhet er plassert under vann, har vært lite utbredt, og er av nyere dato.

Montering av undervannskraftverk har i de fleste tilfeller tidligere nødvendig-gjort vanskelig, omfattende og kostbart dykkerarbeide.

Et eksempel på et slikt moduloppbygd tidevannsanlegg er beskrevet i patent-søknad NO 2001 0737, Hammerfest Strøm. Dette anlegget omfatter et fundament plassert på havbunnen og en eller flere moduler plassert på fundamentet. Modulene kan omfatte turbin, generator for elektrisk kraft, gir, og diverse elektriske komponenter. Disse turbinene er innfestet i fundamenter som kan omfatte søyler eller peler.

Det er vanskelig å få til en forankring på en havbunn på en holdbar og økonomisk måte, særlig ved vanskelige bunnforhold. Vannmasser som strømmer rundt konstruksjoner av denne type skaper lett egensvingninger i konstruksjonen, hvilket stiller store krav til fundamentet. Det er også en utfordring å få slike fundamenter, peler eller tårnrør plassert i riktig vinkel. Konstruksjoner som ikke går over vann er gunstige for å for å redusere forstyrrelse og oppbremsing av vannstrømmen. Oppbremsing og forstyrrelser i vannstrømmen kan påvirke turbinen på en uheldig måte.

Fra US 4,102,147 fremgår det en justerbar føringsjigg for å sikre at peler blir drevet med en riktig vinkel ned i en havbunn. Etter at en pel er drevet ned i havbunnen fjernes jiggen og brukes på nytt for å drive ned en ny pel.

Det er et formål med den foreliggende oppfinnelsen å forenkle installasjon av fundamenter for komponenter for anlegg som i sin helhet er plassert under vann. Oppfinnelsen kan selvsagt også brukes som fundament for installasjon av moduler som stikker over vann.

Dette oppnås med den foreliggende oppfinnelsen som angitt i de selvstendige krav.

Den foreliggende oppfinnelsen tilveiebringer en konstruksjon som kan fundamenteres på en enkel og økonomisk måte ved forskjellige bunnforhold, samt en fremgangsmåte for å installere konstruksjonen på bunnen. Det et formål med oppfinnelsen å tilveiebringe en konstruksjon som forenkler vedlikehold og utskiftning av komponenter.

Fundamentet er spesielt tilpasset for en propellerturbin hvor bladene er pitchregulert for å kunne rotere bladene minst 180° fortrinnsvis i forbindelse med skifte av strømretning. Dermed kan den konstruksjonen monteres i en låst posisjon på en bærekonstruksjon (trenger ikke roteres, i motsetning til en vindmølle).

Bærekonstruksjonen eller fundamentet kan omfatte en kabelgate som over-føringskabelen festes til for å unngå utmattingsbrudd på grunn av kreftene fra vannstrømmen.

Fundamentet omfatter fortrinnsvis en forankringspel eller et tårnrør. I en utførelsesform kan denne være drevet ned i bunnen. Et forsterkningsrør med forskaling kan være plassert rundt forankringspelen og være fylt med betong, og en bærepel kan bære huset og være fastgjort i forankringspelen for forankring av huset til bunnen.

De beskrevne komponentene kan være satt sammen som moduler for å lette installasjon og vedlikehold. Under installasjon vil normalt huset med turbinen påmontert representere én modul og fundamentet en eller flere andre moduler. I en utførelsesform omfatter fundamentet tidligere nevnte forankringspel, forsterkningsrør med forskaling og bærepel som egne moduler.

Fordelene med moduloppbygning er vesentlig lavere anleggskostnader, muligheter for trinnvis utbygging, og enklere for nedbygging.

I en fremgangsmåte for installasjon av anordningen ifølge oppfinnelsen tillates en stegvis installasjon, og på denne måten muliggjøres installasjon til tross for at store krefter forårsaket av vannstrømmer virker på konstruksjonen.

Et fundament i henhold til oppfinnelsen er beregnet for å bli senket ned på en havbunn fra et fartøy. Fundamentet omfatter et ytterrør som etter fullføring av fundamentet står støtt på havbunnen. Inne i ytterrøret er det installert et innerrør. I en alternativ utførelsesform blir innerrøret installert etter at ytterøret er plassert på havbunnen. Innerrørets vinkel i forhold til ytterrøret og derved det øvrige fundamentet og bunnen kan justeres med en innretning for dette formålet, slik at det etterfølgende tårnrøret eller pelen kan plasseres vertikalt eller i en annen ønsket vinkel. Vinkeljusteringen kan foregå ved at innerrørets nedre ende holdes på plass, og innerrørets øvre ende justeres med en egnet mekanisme for dette. Eksempler på slike mekanismer kan omfatte manuelt eller maskinelt opererte drivskruer, tannstenger eller hydrauliske sylindere. Mekanismen tillater fortrinnsvis justering om to akser, slik at innerrørets vinkel kan justeres fritt.

I en utførelsesform er ytterrøret montert til kasseformede elementer ved hjelp av fagverk eller lignende. Kassene kan være lager av et tungt materiale, men er fortrinnsvis hule og fylles med vektmateriale ved installasjon. Kassenes innbyrdes avstand velges i forhold til antatt belastning, slik at fundamentets "fotavtrykk" er tilstrekklig til at det skapes en ønsket stabilitet. Etter inn-justering av innerrøret i forhold til ytterrøret, kan hulrommet mellom disse fylles med betong slik at rørene stabiliseres i forhold til hverandre. Ytterrørets diameter i forhold til innerrøret er tilpasset slik at en oppnår et ønsket justeringsintervall i forhold til vinkelen mellom rørene og slik at mellomrummet lett kan fylles med betong eller annet egnet fyllmateriale.

Etter fundamenteringen, isettes et tårnrør eller pel tilpasset for påmontering av eksempelvis en turbin med hus og generator som beskrevet. Tårnrøret omfatter fortrinnsvis innstyringskoner som sikrer at tårnrøret blir sentrert i innerrøret og er innrettet parallelt med dette. Innstyringskonene er plassert rundt den delen av tårnrøret som er tilpasset for å gå inn i innerrøret, og er plassert slik at innstyring lettes, samtidig som det sikres at disse kan ta opp moment som påføres tårnrøret. Tårnrøret kan videre omfatte en eller flere kiler som kan gå inn i en eller flere slisse i innerrøret for riktig orientering av tårnrøret, fortrinnsvis i forhold til en strømretning av strømmende tidevann. Følgelig bør også innerrøret kunne justeres om sin lengdeakse i forhold til dette. Slissen bør være åpen i den ene enden med en åpning som er vesentlig bredere enn kilen, og avsmalne nedover for å lette innstyring av tårnrøret og kilen. Etter innstyring kan mellomrommet mellom tårnrøret og innerrøret sementeres, eller tårnrøret kan fastsettes på annen måte.

Kort beskrivelse av de vedlagte figurer:

Fig. 1a, 1 b er henholdsvis et topp og et sideriss av et fundament i henhold til en utførelsesform av oppfinnelsen; Fig. 2a-2c er et sideriss der en installasjonssekvens illustreres for utførelsesformen vist på fig 1, fra venstre mot høyre; Fig. 3a-3c viser ytterligere to trinn av installasjonssekvensen fra fig. 2, der fig. 3b er et toppriss av fig 3a; Fig. 4a-4c viser de to ytterligere trinn ved installasjonssekvensen fra fig. 2 og fig. 3 der fig. 4b er et toppriss av fig 4a; Fig.5a og 5b viser de to siste trinnene ved installasjonssekvensen fra fig. 2, fig. 3 og fig.4; Fig. 6 er et sideriss av et tidevannsanlegg påmontert en pel og et fundament i henhold til oppfinnelsen; Fig. 7a-7c er et sideriss av en installasjonssekvens av en annen utførelses-form av oppfinnelsen;

Fig 8a-8g viser ytterligere tre trinn av installasjonssekvensen fra fig. 7; og

Fig 9 viser en alternativ utførelsesform av installasjonen vist på fig. 7 og 8.

I det følgende vil oppfinnelsen bli beskrevet med et utførelseseksempel. Figur 1 viser et fundament i henhold tit en utførelsesform av oppfinnelsen. Fundamentet er beregnet for å bli senket ned på en havbunn fra et fartøy. Fundamentet er sett henholdsvis ovenfra og fra siden og omfatter et ytterrør (1) som er forbundet ved hjelp av fagverk eller lignende til to kasseformede elementer (2). Kassene kan være lager av et tungt materiale, men er fortrinnsvis hule og fylles med vektmateriale ved installasjon. I ytterrøret (1) er det installert et innerrør (3). Innerrørets (3) vinkel i forhold til ytterrøret (1) og derved det øvrige fundamentet kan justeres med en skruinnretning som vist på bildet, med hydrauliske sylindere, tannstenger, drivskruer eller på annen måte. Figur 2 viser tre trinn under installasjon av fundamentet med ytterrør (1), innerrør (3) og kasseformede elementer (2). Trinnene viser fra venstre mot høyre nedsenkning av fundamentet og fylling av fundamentkassene med vektmateriale i de kasseformede elementer (2), eksempelvis stein, ved hjelp av et egnet fartøy, og fundamentet ferdig installert på bunnen. Figur 3 viser tre skisser der, fig 3a er et sideriss av et fundament plassert på en havbunn, og der det fremgår at dette kan bli plassert i en skrå vinkel for etterfølgende justering. Fig. 3b er et toppris av fig. 3a og viser hvordan vinkelen til fundamentets innerrør (3) justeres ved hjelp av skruer, hydrauliske stempeler/sylindere eller tilsvarende (4), skjematisk vist som skruer. Den viste utførelsesformen viser en dykker som justerer skruer med ratt manuelt, men justeringen kunne godt ha foregått automatisk med aktuatorer godt kjent på fagområdet. Når innerøret (3) er i vertikal stilling kan dette låses ved å sementere hulrommet mellom innerrøret (3) og ytterrøret (1) ved hjelp av slange fra overflaten (5) som vist på fig. 3c. Under installasjon av fundamentet er det sannsynlig at dette blir stående på skrå i forhold til en horisontal retning. Følgelig blir ikke ytterrøret (3) plassert i en vertikal stilling. Det er derfor nød-vendig å kunne justere den ovenfor beskrevne vinkel. Figur 4 viser hvordan tårnrøret installeres. Det fremgår tre skisser der. fig 4a viser et sideriss av hvordan tårnrøret (6) posisjoneres over fundamentets innerrør (3). Dette vil i de fleste tilfeller lettest utføres ved å etablere en ledewire mellom overflaten og fundamentet som tårnrøret styres ned langs (ikke vist på figuren). Tårnrøret er utstyrt med to eller flere sentreringskoner (7) på den delen av tårnrøret som skal entre inn i fundamentets innerrør (3). Disse skal sikre at tårnrøret (6) oppnår samme vertikale vinkel som fundamentets innerrør (3).

Med tanke på turbinen som senere skal monteres på tårnrøret (6), må tårn-røret (6) installeres med en gitt orientering i forhold til retningen på vann-strømmen. Innerrøret (3) er derfor utstyrt med en orienteringsslisse (8) som vist på fig. 4b som er et toppris av fig. 4a.

Lokaliseringen av denne bestemmes etter at vannstrømmens retning er observert og benyttes for å montere en orienteringskile (9) på tårnrøret (6) som vist på fig 4c. Ved nedsenking av tårnrøret (6) vil denne orienteringskilen støte på kanten av innerrøret. Når dette skjer dreies tårnrøret (6) inntil orienteringskilen (9) glir inn i orienteringsslissen (8), og tårnrøret (6) kan senkes ned til endelig posisjon. På dette stadiet er tårnrøret (6) i riktig posisjon både med hensyn til vertikal vinkel og orientering, og mellomrommet mellom tårnrøret (6) og innerrøret (3) kan sementeres. Figur 5 viser installasjon av kabelrør (10) og inntrekking av kabelen. Kabelrøret (10) er festet til tårnrøret (6) og kan gjøres hengslet som vist på figuren. Kabelen til land kan installeres i dette røret enten ved at den trekkes inn i røret, som vist på figuren, eller ved at kabelrøret er delt og hengslet, og at kabelen dermed kan legges inn i kabelrøret. Kabelen vil normalt ha flere funksjoner integrert, slik som kraftledere, signallinjer og eventuelle hydrauliske/pneumatiske linjer. Når kabelen er ferdig installert i kabelrøret henges det av slik at koblingene mot nacellen er tilgjengelige i overkant av kabelrøret. Fig 6 viser en løftindusert propellerturbin (1t) som et eksempel på et element, i fonn av en modul for å generere kraft fra strømmende vannmasser, som kan monteres på et fundament i henhold til oppfinnelsen. Modulen omfatter en turbin (1t) med turbinblader. Bladene er pitchregulert for å kunne rotere minst 180 <0> i forbindelse med skifte av strømretning og er påmontert en vanntett kapsel eller hus (2t) med utstyr for omdanne turbinens rotasjon til elektrisk kraft, inklusiv en generator, eventuelt et gir og kontrollsystem.

Ved at turbinbladene kan roteres som beskrevet, kan den viste konstruksjonen monteres i en låst posisjon på bærekonstruksjonen eller fundamentet (trenger ikke roteres, i motsetning til en vindmølle).

En bærekonstruksjon (3t) som bærer turbinen (1t) og kapselen (2t) kan også omfatte en kabelgate som en overføringskabel (4t) er festet til, for å unngå utmattingsbrudd på grunn av kreftene fra vannstrømmen. Overføringskabelen (4t) for den genererte kraften går fra den elektriske generatoren, gjennom den vanntette kapselen, og til et landanlegg (5t). Landanlegget (5t) transformerer den genererte kraften før den fases inn på et eksisterende strømnett.

Installasjonen av anordningen i henhold til en annen utførelsesform av oppfinnelsen er vist på fig. 7 og fig. 8. Installasjonen er vist utført stegvis i trinnene (a) til (g). Trinnene (a), (b), (c) og (d) på fig 7 viser at en forankringspel eller et forankringsrør (11) først drives ned i bunnmassene. Utenpå dette installeres et kombinert forskaling og forsterkningsrør (12). Forskalingen (15) (vist som en kon) kan være av ulike materialer, inklusiv tøystoff som får en konisk form når den fylles med betong (senere i installasjonssekvensen). Dersom bunnmassene er ustabile med hensyn til utvasking kan dette avhjelpes med å plassere en stein/grusfylling (13) rundt kanten av forskalingen (15). Det bærende fundamentet for turbin (1) og kapsel (2) vist på fig. 6 installeres i forankringspelen (11) som er drevet ned i bunnen, og orienteres i forhold til strømretningen. Orienteringen kan foregå som angitt på figurene 4a, 4b og 4c ved at det monteres en orienteringskile (9) på tårnrøret (6) som vist på fig 4c. Ved nedsenking av tårnrøret (6) vil denne orienteringskilen støte på kanten av innerrøret. Når dette skjer dreies tårnrøret (6) inntil orienteringskilen (9) glir inn i orienteringsslissen (8), og tårnrøret (6) kan senkes ned til endelig posisjon Trinnene (e), (f) og (g) på fig. 8 viser at tomrommene mellom forankringspelen (6) og forsterkningsrøret (12), i forskalingen (15) samt mellom bærepelen (6) og forsterkningsrøret (12) fylles med betong. For å sørge for at tårnrøret står i riktig vinkel, kan dette i én utførelsesform justeres som angitt på fig. 3a, 3b og 3c. Justeringen må foregå før tårnrøret sementeres. Deretter frigjøres den hengslede kabelgaten (17), slik at den nedre delen roterer og faller ned til bunnen.

Figur 9 viser en enkel utførelsesform der et ytterrør er drevet ned i en havbunn, og et tårnrør (6) med sentreringskoner (7) sementeres i ytterrøret.

Claims (9)

1. Forankring for forankring av en pel (6) til en havbunn, med et fundament omfattende et ytterrør (1) og et innerrør (3) plassert innvendig i ytterrøret (1), der pelens (6) nedre ende er tilpasset for plassering i innerrøret (3) og der ytterrøret (1) er fast forbundet med havbunnen, og der en justeringsanordning (4) kan justere en vinkel mellom innerrøret (3) og ytterrøret (1) karakterisert ved at: pelens (6) nedre ende for plassering i innerrøret (3), og innerrøret (3), omfatter en kile (9) og spor (8) for inngrep med hverandre for orientering av pelen (6) langs pelens (6) lengdeakse i forhold til fundamentet.

2. Forankring for forankring av en pel (6) henhold til krav 1, hvor et mellomrom mellom ytterrøret (1) og innerrøret (3) er tilpasset for å bli sementert når forankringen er plassert på havbunnen.

3. Forankring for forankring av en pel (6) henhold til krav 1, hvor ytterrøret (1) er fastgjort til kasser (2), og hvor kassene (2) er tilpasset for ifylling av masse etter plassering på havbunnen.

4. Forankring for forankring av en pel (6) henhold til krav 1, hvor pelen omfatter to eller flere sentreringskoner (7) på den delen av pelen som er tilpasset for å entre inn i innerrøret (3) for å sentrere pelen i innerrøret (3) og for å lette innstyring av pelen (6) i dette.

5. Forankring for forankring av en pel (6) henhold til krav 1, der innerrøret (3) utgjøres av en forankringspel (11) som er drevet ned i havbunnen og der ytterrøret (1) utgjøres av et forsterkningsrør (12), der en forskaling (15) er plassert rundt forankringspelen (12) og er fylt med betong, og der pelen (6) er fastgjort i forankringspelen (12).

6. Forankring for forankring av en pel (6) henhold til krav 1, der pelen (6) er tilpasset for å bære et hus (2t) med en aksialturbin (1t), pelen (6) og huset (2t) utgjør moduler, og huset (2t) er tilpasset for fast forbindelse med pelen (6), slik at huset (2t) ikke kan rotere i forhold til havbunnen.

7. Forankring for forankring av en pel (6) henhold til krav 1, omfattende en forankringspel (11) og en kombinert forskaling (15) og forsterkningsrør (12), der forskalingen (15) kan være av ulike materialer, inklusiv tøystoff som får en konisk form når det fylles med betong.

8. Forankring for forankring av en pel (6) henhold til krav 1, omfattende en kabelgate (17) som en overføringskabel (4t) er festet til for å unngå utmattingsbrudd på grunn av krefter vannstrømmen påfører, og overføringskabelen (4t) for den generert kraft fra huset og turbinen går fra en elektrisk generator gjennom huset (2t) og til et landanlegg (5t).

9. Fremgangsmåte for forankring med en forankring for en pel (6) i henhold til krav 1, karakterisert ved følgende trinn: plassere fundamentet omfattende ytterrøret (1) og innerrøret (3) plassert innvendig i ytterrøret (1), på en havbunn; justere en vinkel mellom innerrøret (3) og ytterrøret (1) med justeringsanordningen (4); og plassere pelens (6) nedre ende i innerrøret (3) ved å dreie pelen (6) inntil kilen (9) går i inngrep med spor (8).