NO322635B1 - Anordning for uttak av energi fra en fluidstrom, og struktur som kan drives for pumping av fluid i respons pa en undersjoisk fluidstromning - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse vedrører en anordning for uttak av energi fra en fluidstrøm, slik som en tidevannstrøm, og en strukturer for pumping av fluider i respons på undersjøisk fluidstrømning.

Med økende offentlig oppmerksomhet på miljøforurensning, og særlig global oppvarming, er det en voksende interesse for fornybare energikilder. En kartlegning fra 1994 av energien som er tilgjengelig i sjø- eller elvestrømmer og tidevannstrømmer rundt Storbritannia fra "Department of Trade and lndustry's renewable energi unit" ved Harwell (se publikasjonsreferanse 1) fant at en betydelig andel av Storbritannias energibehov kan dekkes dersom denne energien kunne utnyttes.

Energien i strømmene er snarere kinetisk enn potensiell, hvilket medfører at den må uttas på en annen måte enn den som anvendes i en konvensjonell vannkraftsmetode. Typisk kunne i en installasjon for tidevannstrøm en turbin plasseres under vann i tidevannstrømmen for uttak av energien - en undersjøisk ekvivalent til en vindkraft-generator. Det er for eksempel i en utredning som er finansiert av EU [2], foreslått utplassering av undersjøiske propelldrevne turbiner på utvalgte steder hvor strømmen flyter raskt.

En ulempe ved disse konvensjonelle undersjøiske systemene er at de bevegelige delene, for å få tilgang til energien i fluidstrømmen, blir plassert under vann i et aggressivt miljø, slik at de er utsatt for skade, samt er upraktiske og kostbare å få adkomst til og reparere. Enn videre, om vannhastigheten blir for meget redusert (dvs. for stor andel av den kinetiske energien blir uttatt), vil det nødvendige trykk for drift måtte økes. For å minimalisere det nødvendige trykk, slik at behovet for et oppdemmet magasin unngås, vil enhver turbin som blir utplassert i strømmen måtte ha blader med stor grad av stillbarhet, slik at disse blir uøkonomiske.

Det er i henhold til ett aspekt av den foreliggende oppfinnelse fremskaffet en anordning for uttak av energi fra en fluidstrøm, idet anordningen kjennetegnes ved i det minste én fluidledende formasjon som er tildannet for avgrensning av en kanai med et vanninnløp, et vannutløp og en fluidakselererende innsnevring mellom disse, slik utformet at vann som strømmer gjennom kanalen bevirkes til å akselerere mens det strømmer gjennom den strømningsakselererende innsnevringen til kanalen, en fluiddrivbar motor som er anordnet ved en posisjon utenfor kanalen, et rør som er anordnet for dannelse av fluidforbindelse mellom den fluiddrivbare motoren og et parti av kanalen som har en akselerert vannstrøm, idet en åpen ende av røret rager inn i den strømnings-akselererende innsnevringen, og idet den fluiddrivbare motoren er slik anordnet at fluidstrøm langs røret besørger drift av den fluiddrivbare motoren.

Anordningen ifølge den foreliggende oppfinnelse avbøter ulempene ifølge den kjente teknikk ved fremskaffelse av en måte å utnytte undersjøiske fluidstrømmer for pumping av fluid bort fra strømmen, slik at det kan føres til en fluiddrivbar motor, slik som en turbin, beliggende ved en posisjon i avstand fra den undersjøiske fluidstrømmen. Dette kan medføre unngåelse av bevegelige deler under vann og de tilsvarende høye vedlikeholdskostnader. Enn videre kan en styrbar andel av kraften i enhver fluidstrøm uttas. Det skal bemerkes at anordningen vil fungere i enhver skala og er som sådan ttlpassbar til mange forskjellige tilstander. Denne egenskap muliggjør at systemet kan frembringes som moduler som kan kombineres eller brukes alene, avhengig av omstendighetene. Ytterligere en fordel med denne anordning er dens lave miljøpåvirkning; ettersom meget av infrastrukturen befinner seg under vann er de eneste synlige tegn det fluiddrivbare motorhuset og master for kraftkablene.

Selv om røret kan anbringes i ethvert parti av kanalen som fører den akselererte fluid-strøm, befinner det seg fortrinnsvis i et parti av kanalen som er tildannet for fremskaffelse av en maksimal strømningshastighet. Dette arrangement besørger øket effektivitet for anordningen.

I foretrukne utførelser er den i det minste ene kanal hovedsakelig symmetrisk rundt et plan midtveis mellom dens ender. Selv om en asymmetrisk kanal er mulig, og endog kan foretrekkes for uttak av energi, særlig fra en enveisstrøm, muliggjør en symmetrisk kanal at en eneste konstruksjon anvendes for uttak av energi i begge retninger fra en toveis-strøm, slik som en tidevannstrøm.

Den innvendige flate som avgrenser kanalen er fortrinnsvis generelt buet. En buet profil minsker tapene som skyldes turbulens, slik at en større strømningshastighet ved det samme fluidtrykk derved muliggjøres.

I en alternativ utførelse er et fluidreservoar og en fluidforbindelsesbane dannet mellom den fluiddrivbare motor og fluidreservoaret. Selv om fluid i visse utførelser kan drives ut av røret og strømme ut via den fluiddrivbare motor, mens utsugningen fra røret i andre kan anvendes for å suge luft gjennom den fluiddrivbare motor, er et fluidreservoar tildannet i denne alternative utførelse, slik at fluid som suges fra fluidreservoaret passerer gjennom den fluiddrivbare motor og drives via røret inn i kanalen.

I foretrukne utførelser er den i det minste ene fluidledende formasjon anordnet for avgrensning av flere kanaler som er anordnet parallelt, og som har et tilsvarende antall rør. Kanalene kan anordnes parallelt i en eneste fluidledende formasjon, eller alternativt kan flere fluidledende formasjoner som avgrenser flere kanaler anordnes parallelt i fluidstrømmen. Flere kanaler som er anordnet parallelt inne i fluidstrømmen muliggjør en økning av den uttatte energi fra en fluidstrøm. I tillegg er mangedobling enkelt; rørforbindelser for alle hurtige strømmer i nærheten kan forbindes parallelt for drift av en eneste fluiddrivbar motor. Alternativt kan flere fluiddrivbare motorer anordnes i fluidforbindelse med hvert sitt rør og hver sin kanal.

Et mangedoblet arrangement, slik som det ovennevnte, muliggjør at små mengder energi kan uttas fra et bredt fordelt område. Dette medfører unngåelse av behovet for høyt vanntrykk, som konvensjonelt frembringes med en demning. Enn videre reduserer uttaket av små mengder energi over et stort område innvirkningen på eksisterende økosystemer.

I visse utførelser anordnes en sentrifugalpumpe som har et fluidinnløp og utløp for lavhastighets- og høyhastighetsfluid i kanalen, slik at fluidinnløpet opptar fluider som strømmer gjennom kanalen, idet utløpet for lavhastighetsfluid er anordnet for å returnere av fluid til kanalen og utløpet for høyhastighetsfluid for å drive fluid inn i røret. I denne utførelse drives således fluid ut via røret istedenfor å suges inn i det.

En generelt flat sirkulær trommel med en fluidkanal, omfattende en heliks, er fortrinnsvis anordnet for opptak av fluid som strømmer gjennom kanalen, slik at fluid som entrer trommelen danner en virvelskive og en del av fluidet drives inn i røret. Dette arrangementet muliggjør at fluid drives inn i røret uten at det er anordnet bevegelige deler som er utsatt for slitasje og trenger vedlikehold, inne i fluidstrømmen.

Den sirkulære trommel har fordelaktig et dobbelt kileformet tverrsnitt, slik at tverrsnittet er bredere ved periferien enn det er i det midtre partiet. Dette arrangement øker viskøst dragsug i det midtre partiet og minsker virvelstrømdannelsen. I en alternativ utførelse reduseres virvelstrømdannelse med konsentriske skovler på innsiden av trommelen.

I foretrukne utførelser omfatter anordningen for uttak av energi: i det minste to beholdere som er anordnet parallelt i en fluidstrømningsbane mellom kanalen og den fluiddrivbare motor, idet hver beholder omfatter en etterfyllingsventil som muliggjør fluidforbindelse mellom det indre og ytre av beholderen, og et isolerende ventilarrangement, slik at fluidforbindelsen mellom individuelle beholdere og kanalen og den fluiddrivbare motor kan sperres, slik at det isolerende ventilarrangementet, når et fluid som befinner seg i én beholder som er i fluidforbindelse med kanalen og den fluiddrivbare motor tømmes ut, er drivbart for midlertidig sperring av fluidforbindelsen mellom kanalen og den fluiddrivbare motor via denne beholder, slik at beholderen kan etterfylles ved bruk av etterfyilingsventilen. Denne utførelse muliggjør at et alternativt fluid til det som befinner seg i fluidstrømmen strømmer mellom tankene og den fluiddrivbare motor og driver den fluiddrivbare motor. Et fluid med et lavere viskøst dragsug enn fluidet i strømmen kan således anvendes for å strømme mellom den fluiddrivbare motor og tankene, slik at tap i systemet reduseres. Dette er spesielt viktig dersom den fluiddrivbare motor befinner seg i noen avstand fra fluidstrømmen, hvilket kan være tilfellet i for eksempel tidevannstrømmer dersom den fluiddrivbare motor er plassert på land. Enn videre bidrar dette arrangement, dersom systemet driver en gassturbin, til frembringelse av et redusert avgasstrykk for gassturbinen, slik at dens effektivitet økes. Det skal bemerkes at dette system er høyst kompatibelt med en gassturbingenerator hvor hydrokarboner anvendes som supplement til for eksempel tidevannenergien.

Det er i henhold til et annet aspekt ved oppfinnelsen fremskaffet en struktur som er drivbar for pumping av fluider i respons på en undersjøisk fluidstrøm, omfattende i det minste én fluidledende formasjon som er tildannet for avgrensning av en kanal med en strømningsakselererende innsnevring, slik utformet at fluid i kanalen bevirkes til å akselerere mens det strømmer gjennom den fluidakselererende innsnevring i kanalen, et rør som er anordnet for dannelse av fluidforbindelse mellom et parti av kanalen med en akselerert fluidstrøm og et punkt utvendig for kanalen.

Strukturen ifølge den foreliggende oppfinnelse avbøter ulempene ifølge den kjente teknikk ved fremskaffelse av en måte for bruk av den undersjøiske fluidstrøm til pumping av fluid bort fra strømmen, slik at det kan føres til et sted i avstand fra strømmen, eventuelt et sted på land.

Utførelser av den foreliggende oppfinnelse skal nå beskrives, ved hjelp av eksempler, med henvisning til de vedføyde tegninger, på hvilke: fig. 1 illustrerer profilen til en vinklet og en jevn struktur som har en innsnevret kanal, fig. 2 illustrerer det nødvendige vanntrykket for oppnåelse av en gitt hastighet for de to

kanalene vist i fig. 1,

fig. 3 illustrerer en anordning for uttak av energi fra en fluidstrøm i henhold til en

utførelse av oppfinnelsen,

fig. 4 illustrerer flere strukturer som hver omfatter en innsnevret kanal, og et rør som

forbinder de innsnevrede kanaler med hverandre og med en utvendig ledning, fig. 5 illustrerer en sentrifugalpumpe som aktiveres med en lavtrykkstrøm av vann,

fig. 6 illustrerer en selvvirkende sentrifugalpumpe,

fig. 7 illustrerer tverrsnittet av den selvvirkende sentrifugalpumpe i fig. 6, og fig. 8 illustrerer midlene for fluidforbindelse, turbinen og buffertankene ifølge en

utførelse av oppfinnelsen.

Fig. 1 og 2 vedrører den teknologiske bakgrunn for den foreliggende oppfinnelse, mens fig. 3 - 8 vedrører utførelser av den foreliggende oppfinnelse.

Med henvisning til fig. 1 illustreres skjematisk en struktur 10 som danner en innsnevret kanal 20. Den heltrukne linje utgjør et skjematisk riss av en vinklet innsnevret kanal 20, mens den stiplede linje viser den avrundete versjon. Fluidstrømmen gjennom smale kanaler, i hvilke viskøse krefter dominerer, og i hvilke strømlinjet strømning opprettholdes slik det fremgår av Bernoullis teorem, hvor v<2> + pgh er konstant. Dette medfører, forutsatt at energi ikke tapes gjennom friksjon eller på noen som helst annen måte, at det effektive trykk pgh vil avta når hastighetén øker. Dette prinsipp danner grunnlaget for en måler for Venturi-strømning.

Laminær strømning forekommer bare i rør ved relativt lave hastigheter og med relativt små diametre; i et system med store strømningsverdier vil således turbulent strøm være fremherskende. Selv om strømmen gjennom en innsnevring er turbulent, avtar trykket fortsatt når hastigheten stiger, som beskrevet med Bernoullis ligning. Dette skyldes at for bibeholdelse av vann må strømmen akselereres når røret innsnevres. Derfor må en kraft utøves på strømmen, med trykkforskjell mellom de smale og brede partier av røret. En enkel beregning (Appendiks 1) og et direkte eksperiment viser at den nødvendige trykkforskjell er den som beskrives av Bernoulli for strømlinjet strømning. Det synes således at en trykkreduksjon forbindes med turbulent strømning, akkurat som for strømlinjet strømning.

Turbulent strømning fører til energitap, slik at et vanntrykk kreves for å tvinge fluid gjennom et rør. Desto mer strømlinjet rør desto mindre turbulent strøm, slik at utformingen av et rør påvirker vanntrykket som er nødvendig for å besørge strømning. Fig. 2 illustrerer vanntrykket (i mm) på den vertikale akse og den kvadrerte hastighet (i m<2>s"<2>) på horisontalaksen til vann som strømmer gjennom de avrundede og vinkelformede kanaler illustrert i fig. 1. Den bratteste linje utgjør strøm gjennom den vinklede kanal. Som det fremgår av fig. 2 påvirker formen til den innsnevrede kanal vanntrykkhøyden som er nødvendig for oppnåelse av en gitt hastighet. En avrundet innsnevring frembringer således en større vannstrøm for et gitt trykkfall. En reduksjon av turbulenstap er åpenbart viktig for utformingen av anordningen, ettersom det frembringer en tilsvarende reduksjon i vanntrykket som er nødvendig for frembringelse av tilfredsstillende drift. Likeledes må avstemningen av anordningen til de spesielle forhold som er tilgjengelige utgjøre en viktig del av enhver praktisk anvendelse av denne oppfinnelse. Fig. 3 illustrerer en anordning i samsvar med en utførelse av oppfinnelsen, for uttak av energi fra en fluidstrøm. I denne anordning er betongstrukturer 10 senket på bunnen av for eksempel en elvemunning med tidevann. Disse er utformet for dannelse av en innsnevret kanal 20. Dimensjonene av betongstrukturen og den innsnevrede kanal er typisk en innløpsdiameter på omtrent 10 m, en lengde på omtrent 30 m og en innsnevret diameter på 3 m. Et rør 30 fra havflaten er innsatt i midten av høyhastighets - strømningsområdet til kanalen. Dette røret forbindes med en turbin 40 og forløper deretter tilbake i sjøen. I denne forbindelse kan en turbin utgjøre enhver maskintype, i hvilken den kinetiske energi i et bevegelig fluid omdannes til mekanisk energi. Den ovennevnte sugevirkning (skjønt under turbulente forhold) forårsaker et trykkfall ved utløpet av røret 30 inne i kanalen 20. Dersom vann tillates å strømme ned gjennom røret 30, vil hastigheten av hovedstrømmen gjennom kanalen 20, i fravær av tap som skyldes viskositet eller turbulens, forbli uendret, den potensielle energi som tapes ved det frie fall av vannet fra overflaten og ned gjennom røret 30, hvilket vann i tillegg drives av atmosfæretrykk fra oversiden, vil være nøyaktig lik dets kinetiske energi ved bunnen, slik at det vil forenes med kanalstrømmen med den samme hastighet vv I denne hypotetiske situasjon vil faktisk ingen energi ha blitt vunnet eller tapt. Samlet har vann kommet fra overflaten med v1 og eventuelt blitt overført til dybdene med v1 - faktisk har konveksjon inntruffet.

Dersom vannet i røret 30 imidlertid utfører arbeid underveis, vil motstanden mot strømning økes, hastigheten til fluidstrømmen vil reduseres og energien vil uttas fra den undersjøiske strøm. Ved å bevirke at vannet i røret utfører arbeide med for eksempel å drive en turbin 40, kan energi således dannes et sted i avstand fra den undersjøiske strøm, slik som på land. Anbringelsen av turbinen på land gjør den skikket for adkomst ved vedlikehold og mindre utsatt for ekstreme forhold enn den ville være under vann.

Det faktum at turbulent strøm frembringer trykkreduksjon analogt med den som frembringes med laminær strøm, fører til at store strømningsmengder vann kan anvendes i anordningen ifølge den foreliggende oppfinnelse. Data som illustreres i fig. 2 viser at for et effektivt system foretrekkes en avrundet profil for den innsnevrede kanal 20.

Hastighetsreduksjonen til kanaistrømmen ved innføringen av vann fra overflaten og ned gjennom røret 30 vil resultere i en trykkøkning på utløpssiden. For at systemet skal fungere, må trykkforskjellen mellom de to ender av kanalen 20 gjennom betongstrukturen 10 overstige denne økning. En grense settes således for vannmengden som kan suges ned gjennom røret med vanntrykket som er tilgjengelig. I en tidevannstrøm er det maksimale trykket bestemt av tidevannshøyden.

Appendiks 2 viser at en effektytelse på 1,5 MW krever et hydrostatisk trykk på 10 cm i den 30 meters lengden av de ovennevnte undersjøiske betongstrukturer og over det som trengs for å tvinge vannet gjennom kanalen med 20 m/s i fravær av energiuttak. Dette er en ekstra vanngradient på 3 m i 1 km, hvilket ikke er uvanlig. Alternativt kunne den ekstra høydeforskjell på 10 cm dannes lokalt dersom en linje av betong-strukturer tildannet en undersjøisk demning.

I utførelsen vist i fig. 3 er den innsnevrede kanal 20 symmetrisk, og røret 30 kan dreies av for eksempel selve vannstrømmen, slik at utløpet kan vende mot hver kanalåpning. Dette gjør strukturen egnet for uttak av energi fra fluider som strømmer i begge retninger i den innsnevrede kanal 20, og kan således anvendes for uttak av energi fra strømmer som periodisk endrer retning, slik som tidevannstrømmer. Utførelser av oppfinnelsen som utformes for anvendelse i for eksempel enveis fluidstrømmer kan ha asymmetrisk innsnevrede kanaler. Asymmetriske kanaler kan også anvendes i visse situasjoner for toveis strømmer. Dette skyldes at strømlinjede strukturer ikke er reversible og således kan, for maksimal effektivitet mht. energiuttak, foretrekkes en kanal som er særskilt utformet for strømlinjet strømning i en bestemt retning. I visse situasjoner kan det således være fordelaktig å danne separate, forskjellig utformede kanaler for de to strømningsretningene. En ulempe ved å gjøre dette er en økning i kapitalkostnadene knyttet til fremskaffelse av tilleggskanalene.

I den viste utførelse er kanalen 20 tildannet inne i betongstrukturen 10. Et alternativ, i hvilket to betongstrukturer danner en innsnevret kanal, idet strukturene eventuelt er modifiserte brounderstøttelser, er også mulig. I visse situasjoner, slik som ved grunne elvemunninger, kan kanalene dessuten tildannes fra en struktur av "sprossegjerde"-type.

Fig. 4 illustrerer et frontriss av flere strukturer 10 med innsnevrede kanaler 20 som er anordnet parallelt inne i en fluidstrøm. Flere rør 30 er anordnet for sammenbinding av de innsnevrede partier av kanalene 20 med hverandre og dessuten med en eneste turbin 40. Andelen av energien som uttas fra strømmen kan derfor økes og en større strøm frembringes for drift av turbinen 40. Et slikt arrangement kunne plasseres over for eksempel en elvemunning med tidevann, slik at energi effektivt kunne utnyttes på tvers av en bred strøm. I en annen utførelse er flere turbiner 40 plassert i fluidforbindelse med hvert rør 30.

I alternative utførelser anvendes fluidstrømmen til å drive fluid ut av røret istedenfor å suge det inn i det.

Det er åpenbart at en undersjøisk strøm, slik som en tidevannstrøm, kan anvendes for drift av en sentrifugalpumpe. En innretning av vannhjul-type kan for eksempel plasseres i et smalt parti av kanalen og anvendes til drift av en sentrifugalpumpe som er montert på den samme akse. Som ytterligere en videreutvikling kunne vannhjulet og pumpen kombineres til en enhet, som skjematisk vist i fig. 5. I anordningen ifølge fig. 5 drives skovlene til pumpen 50 rundt av det hurtig innstrømmende vannet, og en fraksjon av den samlede vanngjennomstrømning, for eksempel 10 %, tas ut ved kanten av trommelen hvor både trykket og hastigheten er høye.

Det er åpenbart fra fig. 5 at, dersom vannet entrer med høy hastighet og lavt trykk gjennom røret 60, vil det ha en lignende hastighet og høyere trykk, på grunn av sentrifugalkraft, når det ankommer inngangen til det perifere utløpsrøret 65. Dersom noe vann, for eksempel 10 % av totalstrømmen, tillates å strømme ut gjennom røret 65, vil resten av strømmen gå ut med en lavere hastighet gjennom utløpsrøret 70. En liten fraksjon av vannet har derved oppnådd høy hastighet og høyt trykk på bekostning av at

resten av vannet taper hastighet.

Skovlene har den virkning at vannet tvinges til å rotere som om det var et faststoff.

Appendiks 2 og 3 angir beregninger som viser fluidakselerasjon i en sentrifugalpumpe og bibeholdelse av fluid og bevegelsesenergi når en fraksjon av strømmen slippes ut. Når det gjelder vann som tvinges til å bevege seg rundt en vertikal akse med ensartet vinkelhastighet co og dets hastighet ved omkretsen er v2 vil, grunnet sentrifugalkraft en radial trykkgradient opptre fra navet til kanten av væskeskiven. En enkel integrasjon (Appendiks 2) viser at dette bevirker en trykkforskjell mellom navet og kanten på 2pgh. Trykket på innsiden av ytterflaten til den sirkulære trommel må derfor være i det minste lik denne. Med andre ord kompenserer sentrifugalkraften for tapet i trykk som forutsies av Bernoullis ligning når vannet øker hastigheten fra 2 m/s til 20 m/s mens det passerer reguleringsspjeldet. Ved periferien av trommelen medfører dette at en fluidstrøm, en fraksjon av fluidet som strømmer gjennom innsnevringen, kan tas ut ved et trykk på i det minste 2pgh og en hastighet på 20 m/s. Når det gjelder en undersjøisk strøm, slik som en tidevannstrøm, kan fluidstrømmen tas ut og føres via et egnet rør til havflaten. Fluidstrømmen bør komme til havflaten ved en hastighet på 20 m/s og i det minste ved atmosfæretrykk. Dersom dens hastighet reduseres, vil dens trykk øke tilsvarende.

I en annen utførelse kan det mekaniske "mellomledd" (skovlene ifølge fig. 5) utelates og fluidet tvinges til å opptre som sin egen sentrifugalpumpe.

Fig. 6 illustrerer en flat sirkulær trommel 80 som er delt og svakt vridd for tildannelse av en heliks. Dette tvinger fluidet til å danne en virvelskive lignende den som dannes med pumpen ifølge fig. 5, men uten noen mekanisk bevegelige deler.

Dersom viskøse krefter dominerer, ville fluid bevege seg gjennom den sirkulære trommel 80 som om det var en fast skive. Dersom viskøse krefter ikke dominerer, dannes virvelstrømmer for bibeholdelse av massetreghetsmoment. Dette har den virkning at hastigheten til strømmen øker nær midten av skiven og avtar ved periferien - det motsatte av hva som behøves.

For omgåelse av dette problem kan anvendes et kileformet tverrsnitt, som illustrert i fig.

7. Dette øker viskøse virkninger nær midten, hvor overflatene til trommelen er nær hverandre, og begrenser disse ved større radier, samtidig som den radiale trykkgradient fortsatt opprettholdes. Et annet mulighet ville være anbringelse av konsentriske skovler på innsidene og topp- og bunnflatene til trommelen, for å hindre strømningsvektorer som innbefatter en radial komponent. Ettersom den eksakte form av en radial hastighets-gradient ikke er for kritisk, kan en selvgående sentrifugalpumpe oppvise et bredere spekter av slike mekaniske utforminger.

Fig. 8 illustrerer midlene for fluidforbindelse, turbinen og buffertankene i en utførelse ifølge oppfinnelsen. I denne utførelse er buffertankene 90, 91 plassert mellom røret 30 og turbinen 40. Disse tanker 90, 91 er plassert under vann nær den undersjøiske fluid-strøm. Midlene 95 for fluidforbindelse forbinder disse tankene med turbinene. En ventil 100 forbinder vekselvise tanker 90, 91 med røret 30 og turbinen 40, slik at vann suges fra en full tank 90 gjennom røret 30 til kanalen 20; luft strømmer gjennom turbinen 40 og midlene for fluidforbindelse for å erstatte vannet som strømmer fra tanken 90. Når denne tank 90 er tom for vann og full av luft omstilles ventilen 100, slik at den andre tanken 91, som er full av vann, forbindes med røret 30 og vann suges fra denne andre tanken 91. Mens tanken 91 tømmes, åpnes ventilen 100 på tanken 90 for å muliggjøre at denne tanken fylles med vann. En annen ventilanordning (ikke vist) på tanken åpnes, for å muliggjøre at luften tømmes ut. Dette arrangement medfører at luft, istedenfor vann som strømmer mellom turbinen 40 og den undersjøiske fluidstrømmen, strømmer i noe av denne lengden. Således kan tankene, dersom turbinen 40 er plassert på land i en avstand fra den undersjøiske strøm, anordnes slik at hoveddelen av distansen dekkes av en luftstrøm, og dermed reduseres viskøse tap som forårsakes av fluidstrøm mellom turbinen 40 og den undersjøiske struktur.

Som konklusjon har beregninger vist at en vannstrøm kan gjøres tilgjengelig på land

med en strømningshastighet på 14 m/s og en trykkforskjell på omtrent 2 atmosfærer, og det unngås friksjon og viskositet fra en offshore-strøm som strømmer med 2 m/s ved en dybde på omtrent 9 m. Alt som kreves for oppnåelse av dette er en struktur, fortrinnsvis av betong, som kan tilvirkes ved et skipsverft og senkes på stedet, og gjennom hvilken formålstjenlig formede kanaler er blitt utformet, sammen med nødvendige forbindelses-rør. En betongstruktur har fordelen at den flyter når vann pumpes ut fra den, slik at den kan heves for rengjøring eller for å flyttes til et annet sted.

P ublikasjonsrefe ra nse r

1. "1994 survey of the energy available in currents and tidal streams around the UK" av DTTs "renewable energy unit" ved Harwell" (ETSU T/f05/00155/REP). 2. 1996, Fraenkel m.fl., "Power of Motion in the Ocean", Anjana Ahuja, "The Times" 7/10/98.

APPENDIKS 1

Begrunnelse for "enkel beregning"

Det betraktes bevegelsen av en molekylmasse m inne i det viste rør.

Kontinuitetsligningen uttrykker at:

A2v = Agll

A2 > A3 dvs. u > v. Følgelig vil den kinetiske energi til molekylet øke fra lÆmv<2> tii 1/2mu<2>.

For bibeholdelse av energi må den potensielle energi til molekylet ha minsket, dvs. molekylet har "sunket" en høyde H, slik at:

I en væske økes den høyden som et molekyl kan "synke", når det lokale trykk reduseres. Følgelig er trykket ved enden av røret en størrelse på pgh lavere enn ved inngangen til røret.

Følgelig fås at:

slik det kreves.

APPENDIKS 2

Energiuttak som skyldes sug

hvor: v2 > v3 , og således har trykket ved utløpet økt med en mengde pgh, h = vanntrykket som påkreves for å drive vannet gjennom.

Arealsum: (1)

Vannbibeholdelse: (2) Energibibeholdelse: (3)

Ved bruk av (1) og (2) for eliminering av v3 og A3, blir: (4)

Settes A2 = 10a forenkles (4) til: (5) Det forutsettes at hastigheten u til tilførselen er en viss fraksjon B av innløpshastigheten, v2 dvs.: (6) Da omformes (5) til: (7) La

og finn verdien av 6 for hvilken X er nær null. Ved bruk av numeriske metoder finnes at p = 0,8 når X = 0.

Det forutsettes at hastigheten v2 inn i innløpet er 20 m/s. Da er hastigheten u ved innføringen 10 m/s, fra (6).

Energien pr. tidsenhet (dvs. effekt) som uttas fra systemet er:

oppnås fra en innretning med en innløpsdiameter på 10 m og en rørinnsnevring med diameter på 3 m og areal på A2 = 7t (1,5)2.

NB. Dette er trykket som kreves for tilførsel av energien som er beregnet over. Et større vanntrykk vil trengs for overvinnelse av turbulent strømning.

APPENDIKS 3: Sentrifugalpumpe

En vannskive med innerradius R0 og ytterradius R, hvilken skive roterer ved vinkelhastighet co og har en trykkforskjell mellom sitt sentrum og periferien.

Vann i en sylindrisk beholder, med høyde h, innerradius R0 og ytterradius R, roteres med vinkelhastighet co. Væskemassen i en tynn sylinder med høyde h og tykkelse dr ved radius r er

Sentrifugalkraften som utøves med denne er

Følgelig er det utover rettede trykket over dr

integrasjon av dette mellom R0 og R viser at det forekommer en trykkforskjell mellom inner- og ytterveggene til beholderen lik slik at dersom R»R0 er I henhold til Bernoullis teorem må det totale energiinnhold til vannet bibeholdes, forutsatt at det strømmer langs en strømlinjet bane. Dette oppnås med reduksjon av vannhastigheten nær midten av skiven, og ved bruk av den kinetiske energi som således frigis for økning av trykket ved periferien. Enn videre kan bemerkes at dersom det kinetiske energiinnhold til vannet i den roterende skiven overveiende har kommet fra dets hydrostatiske kapasitet når det strømmer inn i venturien ved lav hastighet er i samsvar med Bernoullis ligning

hvor pgH er det hydrostatiske trykk. Ettersom PR0 ikke kan bli mindre enn null bør følgelig trykket ved periferien av sylinderen være lik det hydrostatiske trykk til vannet ved punktet hvor det entrer venturien.

APPENDIKS 4: BibeholdeIsesligninger

Tegningsomtale: Vannet entrer midtpartiet av venturien ved hastighet v2. Det forutsettes at en fraksjon slippes ut ved hastighet u, og at hastigheten ved hvilken det gjenværende forlater midtpartiet til venturien er v3.

Areal av røret og areal av hovedutløpsrøret er A2. Arealet av røret for utslipp til land er a. Det hydrostatiske trykk er pgh ved venturiinnløpet og -utløpet, hvor h - 0, og pgH ved siderøret.

1. Vannbibehold

slik at

forutsatt at v3<<> v2.

2. Energibibehold

Med andre ord: inngående energi = utgående energi,

slik at for en enhetsmasse av vann er,

ved bruk av (1). Følgelig er Forutsatt at v2 ikke er lik v3 oppnås derfor (2)

Dette medfører i praksis at, forutsatt at det lokale trykk nær utslippsrøret kan økes til H (ved anvendelse av for eksempel sentrifugalkraft), forholdet som er uttrykt med ligningen over da kan tilfredstilles.

3. Eksempel

For eksempel er arealet av utslippsrøret 10 % av arealet av venturiens midtre hovedrør, slik at a = A2/10. Dette definerer geometrien og betyr at u = 10(v2-v3)

La i tillegg v3<=> 9v2/10.

Dette definerer mengden av kinetisk energi som er blitt fjernet fra hovedstrømmen. Slik at: og for å tilfredstille ligning (2)

Fra appendiks 1 er allerede konstatert at sentrifugalkrefter kan anvendes for økning av den ekvivalente dybden til v2<2>/2g.

Uttrykt på en annen måte, dersom vann kan tvinges ut av siderøret med sentrifugalkraft, vil v3/v2 da avta til fraksjonen som defineres med ligning (2), avhengig av den effektive verdi som oppnås for H.

Claims (18)

1. Anordning for uttak av energi fra en fluidstrøm, karakterisert ved i det minste én fluidledende formasjon som er tildannet for avgrensning av en kanal med et vanninnløp, et vannutløp og en fluidakselererende innsnevring mellom disse, slik utformet at vann som strømmer gjennom kanalen bevirkes til å akselerere mens det strømmer gjennom den strømningsakselererende innsnevringen til kanalen, en fluiddrivbar motor som er anordnet ved en posisjon utenfor kanalen, et rør som er anordnet for dannelse av fluidforbindelse mellom den fluiddrivbare motoren og et parti av kanalen som har en akselerert vannstrøm, idet en åpen ende av røret rager inn i den strømningsakselererende innsnevringen, og idet den fluiddrivbare motoren er slik anordnet at fluidstrøm langs røret besørger drift av den fluiddrivbare motoren.

2. Anordning ifølge krav 1, i hvilken røret er anordnet for dannelse av fluidforbindelse mellom den fluiddrivbare motor og et parti av kanalen som er tildannet for bevirke en maksimal vannhastighet.

3. Anordning ifølge krav 1 eller 2, i hvilken det ytre av kanalen i fluidstrømningsretningen er omgitt av i det minste en fluidledende formasjon, og et innløp av kanalen har større tverrsnittareal enn et midtparti av kanalen.

4. Anordning ifølge et hvilket som helst av de foranstående krav, i hvilken den minst ene kanal hovedsakelig er symmetrisk om et plan midtveis mellom dens ender.

5. Anordning ifølge et hvilket som helst av de foranstående krav, i hvilken innerflaten som avgrenser kanalen generelt er buet.

6. Anordning ifølge et hvilket som helst av de foranstående krav, i hvilken røret er fleksibelt.

7. Anordning ifølge et hvilket som helst av de foranstående krav, hvilken omfatter et fluidreservoar og en fluidforbindelsesbane mellom den fluiddrivbare motor og fluidreservoaret.

8. Anordning ifølge et hvilket som helst av de foranstående krav, hvilken omfatter en elektrisk generator som er slik anordnet at den drives av den fluiddrivbare motor.

9. Anordning ifølge et hvilket som helst av de foranstående krav, i hvilken fluidstrømmen er en undersjøisk fluidstrøm, og i det minste ett parti av den minst ene fluidledende formasjonen er plassert under vann, hvilken anordning ytterligere omfatter en flytende struktur, idet den fluiddrivbare motor er anordnet på den flytende strukturen.

10. Anordning ifølge et hvilket som helst av de foranstående krav, i hvilken den minst ene fluidledende formasjon er anordnet for avgrensning av flere kanaler som er anordnet parallelt, og som har korresponderende rør.

11. Anordning ifølge krav 10, i hvilken rørene er anordnet i fluidforbindelse med hverandre og med den fluiddrivbare motor.

12. Anordning ifølge krav 10, hvilken omfatter flere fluiddrivbare motorer som hver står i fluidforbindelse med et korresponderende rør og en kanal.

13. Anordning ifølge et hvilket som helst av de foranstående krav, hvilken omfatter en sentrifugalpumpe som har et vanninnløp og utløp for lavhastighets- og høyhastighetsvann, idet pumpen er anordnet inne i kanalen, slik at vanninnløpet opptar vann som strømmer gjennom kanalen, idet utløpet for lavhastighetsvann er anordnet for å returnere vann til kanalen, og idet utløpet for høyhastighetsvann er anordnet for å drive vann inn i røret.

14. Anordning ifølge et hvilket som helst av kravene 1 til 12, omfattende en generelt flat, sirkulær trommel med en fluidkanal som omfatter en heliks, idet trommelen er anordnet for å oppta vann som strømmer gjennom kanalen og omfatter et vannutløp som er anordnet i fluidforbindelse med røret, slik at fluid som entrer trommelen tildanner en virvelskive og en andel av fluidet drives inn i røret.

15. Anordning ifølge krav 14, i hvilken den sirkulære trommelen har et dobbelt kileformet tverrsnitt, slik at tverrsnittet er bredere ved den ytre periferi enn det er i midtpartiet.

16. Anordning ifølge krav 14, i hvilken den sirkulære trommelen omfatter innvendige, konsentriske skovler.

17. Anordning ifølge et hvilket som helst av de foranstående krav, hvilken omfatter: i det minste to beholdere som er anordnet parallelt i fluidstrømningsbanen mellom kanalen og den fluiddrivbare motor, idet hver beholder omfatter en etterfyllingsventil som muliggjør fluidforbindelse mellom det indre og ytre av beholderen, og et isolerende ventilarrangement, slik at fluidforbindelsen mellom individuelle beholdere og kanalen og den fluiddrivbare motor kan sperres, slik at når et fluid som rommes i én av beholderne, som står i fluidforbindelse med kanalen og den fluiddrivbare motor, tømmes ut er det isolerende ventilarrangementet drivbart for midlertidig sperring av fluidforbindelsen mellom kanalen og den fluiddrivbare motor via den beholderen, slik at beholderen kan etterfylles ved bruk av etterfyllingsventilen.

18. Struktur som kan drives for pumping av fluid i respons på undersjøisk fluidstrømning, karakterisert ved i det minste én fluidledende formasjon som er tildannet for avgrensning av en kanal som har en strømningsakselererende innsnevring, slik utformet at fluid i kanalen bevirkes til å akselerere mens det strømmer gjennom den strømnings-akselererende innsnevringen i kanalen, og et rør rager inn i den strømnings-akselererende innsnevringen og er anordnet for dannelse av fluidforbindelse mellom et parti av kanalen med en akselerert fluidstrøm og en posisjon utenfor kanalen.