NO327758B1

NO327758B1 - Anordning for opptak av bolgekraft

Info

Publication number: NO327758B1
Application number: NO20076560A
Authority: NO
Inventors: Hans Oigarden
Original assignee: Quatro As
Priority date: 2007-12-19
Filing date: 2007-12-19
Publication date: 2009-09-14
Also published as: CN101918703A; CN101918703B; KR20100114024A; US20110036085A1; NO20083342L; EP2232056A4; CA2709842A1; WO2009078735A1; EP2232056A1; NO20076560L

Abstract

Anordning for opptak av bølgekraft omfattende et første sentralt, langstrakt flytende legeme (1) som er innrettet til å flyte i en hovedsakelig vertikal stilling i en vannmasse og er forankret i sjøbunnen. Anordningen omfatter også et andre flytende legeme (2) som omslutter det første legemet (1) og der det andre legemet (2) er innrettet til å bevege seg i forhold til det første legemet (1) under bølgepåvirkning. Den omfatter også energioverføringsinnretninger (5, 6; 52, 53) koblet mellom det første og andre legemet for å overføre bevegelsesenergi fra det andre legemet (2) til minst én elektrisk generator (8) på det første legemet. Det første legemet (1) er forankret i sjøbunnen ved et strekkstag (16) som er satt under et tilstrekkelig strekk til at det første legemet (1) ikke tillates å bevege seg vertikalt under bølgepåvirkning. Det første legemet (1) har minst ett ballastkammer (29, 30) som er innrettet til å befinne seg under det laveste nivået av vannflaten til vannmassen som legemet (1) flyter i.

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en anordning for opptak av bølgekraft i samsvar med innledningen til det etterfølgende patentkrav 1.

Det har de siste åren vært gjort mange forsøk på å utvikle anordninger for opptak av bølgeenergi. Utfordringen ved slike anordninger er mange og kan oppsummeres som følger: Å komme frem til en anordning som når alle kostnader (produksjon, vedlikehold og drift) tas med, kan produsere energi til en konkurransedyktig pris. Dette innebærer at anordningen må være enkel og billig.

Å oppnå tilstrekkelig driftssikkerhet. Svært varierende værforhold til havs medfører at anordningen kan utsettes for store påkjenninger. Anordningen må kunne stå imot i det minste en tyve-årsstorm uten betydelige skader.

Å kunne levere energi med stor grad av regularitet. Dette innebærer at anordningen må levere energi fra både små og store bølger over et bredt spekter av amplituder og frekvenser.

Det er kjent et prinsipp for opptak av bølgekraft fra EP 1295031. Dette går ut på at to legemer innrettes til å bevege seg i forhold til hverandre. I dette tilfellet er det et sentralt flytende legeme som er omsluttet av et ringformet flytende legeme. Hvert av legemene er via en stang forbundet med neddykkede legemer som dels er innrettet til å fange sjøvann og dels luft. Derved utgjør de neddykkede legemene en virtuell masse. Ved tilpasning av den virtuelle massen tas det sikte på å få de to flytende legemene til å svinge med forskjellig fase og derved bevege seg i forhold til hverandre.

Det har vist seg vanskelig å få de to legemene til å svinge i motfase og derved oppnå tilstrekkelig energiutbytte. Bølgefrekvensen varierer over tid og dette betyr at de to legemene i mange tilfeller vil svinge mer eller mindre i samme fase.

For å få de to legemene til å svinge i motfase må det største legemet være minst dobbelt så tungt som det minste. Dersom det på denne måten lykkes å få de to legemene til å svinge i motfase vil man likevel ikke klare å få større energiutbytte enn det som det letteste av legeme er i stand til å gi. Energiutbyttet er derfor svært begrenset i et slikt system hvor de to legemene svinger relativt fritt i forhold til hverandre.

Dessuten er den kjente anordningen svært komplisert å fremstille, noe som øker kostnaden pr. kilowatt.

ES 2193821 vedrører anordning av to bøyer, en sentral bøye som er forankret i havbunnen og en ringformet bøye som flyter og er koblet til den sentrale bøyen via en removerføring.

Den sentrale bøyen er forankret i havbunnen for å begrense dennes bevegelser. Den sentrale bøyens bevegelser blir derved langsomme i forhold til ringbøyen. Dette innebærer at den sentrale bøyen til dels vil bevege seg sammen med og til dels i motfase med ringbøyen. Bevegelsen til den sentrale bøyen vil dessuten variere med varierende tidevann. Ved lavvann vil denne bevege seg mer med bølgene enn ved høyvann. Jo mer den sentrale bøyen beveger seg jo lavere virkningsgrad vil kraftverket ha. I tillegg vil bøyen ved sterk strøm trekkes sideveis i forhold til forankringspunktet på havbunnen. Derved vil den sentrale bøyen bli liggende noe skjevt i vannet, noe også ringbøyen derved vil gjøre. Ved siden av at en slik skjevstilling i seg selv fører til ytterligere redusert virkningsgrad, vil friksjonen mellom ringbøyen og den sentrale bøyen også øke.

Det at den sentrale bøyen er hermetisk lukket mot vanninntrengning medfører at den vil flyte som en kork og det skal svært lite til av sidekrefter før den sentrale bøyen får en betydelig skjevstilling.

Den foreliggende oppfinnelse har således som formål å tilveiebringe en anordning av den innledningsvis nevnte typen som vil ha omtrent den samme virkningsgrad uavhengig av bølgeforholdene, d.v.s. bølgefrekvens, bølgeamplitude og bølgeform.

Anordningen ifølge oppfinnelsen har også til formål å kunne fungere med omtrent den samme virkningsgraden uavhengig av tidevannsnivå.

Anordningen ifølge oppfinnelsen har også til formål å være enkel i sin konstruksjon og relativt billig å fremstille og drifte.

Anordningen ifølge oppfinnelsen har også til formål å være robust, slik at den kan motstå uvær uten å bli nevneverdig skadet.

Disse og andre formål oppnås med den foreliggende oppfinnelse med en anordning med utforming og særpreg i henhold til patentkrav 1.

Oppfinnelsen skal nå forklares nærmere under henvisning til de medfølgende tegninger, der: Figur 1 viser en bølgeenergiopptaksanordning ifølge den foreliggende oppfinnelse,

figur 2 viser det sentrale flytende legemet til anordningen i figur 1,

figur 3 viser et vertikalsnitt gjennom det ringformede legemet i figur 1,

figur 4 viser et horisontalsnitt gjennom det ringformede legemet i figur 1,

figur 5 viser en alternativ utførelsesform av bølgeenergiopptaksanordningen ifølge den foreliggende oppfinnelse og

figur 6a og 6b viser i prinsippet hvordan et system for omvendt osmose kan inkluderes i anordningen ifølge oppfinnelsen.

Figur 1 viser en anordning for opptak av bølgeenergi ifølge den foreliggende oppfinnelse. Den omfatter et sentralt flytende legeme 1, som er utformet som en lang sylinder og fortrinnsvis er fremstilt av et plastrør, for eksempel polyetylen, eller et komposittrør med armeringsfibre og plastmatrise. Rundt det sentrale legemet er det anordnet et ringformet flytende legeme 2, som virker som bølgeenergiopptakselement. Det ringformede legemet 2 kan være fremstilt av samme materiale som det sentrale legemet og er glidbart opplagret på det sentrale legemet 1, for eksempel via glidesko eller, som vist, via ruller 3. Et antall stenger 4, 5, for eksempel som vist to stenger, er

festet til det ringformede legemet 2 og strekker seg til et respektivt hjul 6 (kun det ene er vist) som via en aksling 7 er koblet til en generator 8 på det sentrale legemet. Stengene 4, 5 er fortrinnsvis som vist ført gjennom respektive ører 9 på det sentrale legemet 1, for

å sikre at stengene 4, 5 beveger seg kun aksielt. Stengene 4, 5 er fortrinnsvis tannstenger og hjulet 6 er fortrinnsvis et korresponderende tannhjul.

For å hindre det ringformede legemet 2 i å rotere i forhold til det sentrale legemet 1, kan det være anordnet føringsstenger 10, 11, som strekker seg mellom respektive braketter 12,13 på det sentrale legemet 1.

Det sentrale legemet 1 er utstyrt med et forankringsorgan 14 i form av et skrev som er samlet i en fortøyningsring 15. Fra ringen 15 strekker det seg et strekkstag til havbunnen. For å tilveiebringe riktig strekk i strekkstaget kan det være anordnet en jiggervinsj på et egnet sted i det sentrale legemet 1. En jiggervinsj omfatter en hydraulisk sylinder med en eller flere wireskiver anbrakt på stempelstangen og i den motsatte ende, der wiren legges en eller flere ganger over skivene, slik at man kan ta inn og gi ut wire ved å aktuere sylinderen. Derved kan man kompensere for store tidevannsforskjeller. Dersom tidevannsforskjellene er forholdsvis moderate kan det være nok å tilpasse det ringformede legemets 2 vandringsområde slik at uavhengig av tidevannsnivå vil det ringformede legemets 2 bevegelser med bølgene alltid ligge innenfor området mellom brakettene 12, 13. Det ringformede legemet 2 vil derved bevege seg i den øvre delen av dette området ved høyvann og den nedre delen av dette området ved lavvann, mens det sentrale legemet 1 alltid ligger med samme avstand til havbunnen.

Det sentrale legemet 1 er best vist i figur 2. Det består av et rør 17, hvor det er anordnet et antall dekk 18,19,20, 21,22 og 23, som deler rørets 17 indre opp i et antall kammer. For å gi tilgang til kammerne er de fleste utstyrt med et mannhull 24, 25, 26 og 27. Det nedre kammeret 28 er åpent nedad slik at vann kan trenge inn. Det neste kammeret 29 nedenfra har kun åpning ved mannhullet 24. Dette mannhullet 24 kan imidlertid tettes ved et ikke vist vanntett lokk, slik at kammeret 29 blir tett og kan fungere som en trimtank. Neste kammer 30 kan også tettes ved hjelp av et vanntett lokk foran mannhullet 25, slik at dette også kan fungere som trimtank. Kammeret 31 er et ytterligere oppdriftskammer.

Kammeret 32 er innrettet til å oppta batteripakker 34 (se figur 1) til drift av utstyr om bord i anordningen. Kammeret 33 er innrettet til å oppta generatoren 8. Begge disse kammerne kan tettes ved hjelp av dører (ikke vist) foran mannhullene. Vannlinjen vil ligge mellom dekkene 20 og 21, slik at kammerne 32 og 33 normalt hele tiden vil ligge over vannflaten.

Det er viktig for å oppnå god funksjon for bølgekraftverket og best mulig virkningsgrad, at det sentrale legemet forankres i strekk i forhold til havbunnen. Strekkraften som utøves på grunn av det sentrale legemets oppdrift skal derfor til enhver tid ligge på minimum samme verdi som vekten av hele kraftverket, d.v.s. at dersom kraftverket veier 2,5 tonn bør strekket i strekkstaget 16 være minimum 2,5 tonn. Imidlertid er det foretrukket at strekket er det doble av kraftverkets vekt, hvilket i dette tilfellet vil si ca. 5 tonn. Med et strekk i størrelsesorden samme eller mer enn vekten, vil det sentrale legemet bevege seg svært lite i forhold til havbunnen. Den vertikale bevegelsen vil være av størrelsesorden noen få centimeter og forekommer kun p.g.a. en viss elastisitet i strekkstaget 16. Den horisontale bevegelsen vil ligge i størrelsesorden 1 meter. En slik beskjeden bevegelse vil ikke forårsake nevneverdig skjevstilling og det sentrale legemet kan sies å ligge vertikalt til enhver tid.

Det er også avgjørende for stabiliteten til det sentrale legemet at det er et ballastkammer lavere enn havflaten. Fortrinnsvis er all vannballast plassert lavere enn vannflaten til enhver tid. Dette vil gi det sentrale legemet svært god stabilitet og sammen med det høye strekket i strekkstaget sikre at det sentrale legemet holdes vertikalt selv når det påvirkes av bølger, strøm og vind.

Dersom det er større tidevannsforskjeller i området enn det som kan opptas av det ringformede legemets 2 tillatte vandringsområde, vil man kunne heve og senke det sentrale legemet 1 i forhold til havbunnen ved hjelp av jiggervinsj en eller andre innretninger som kan gi ut og ta inn strekkstaget. Denne reguleringen kan skje automatisk ved at gjennomsnittlig vannivå avføles og det sentrale legemets 1 dyptgående justeres til gjennomsnittlig vannivå ligger omtrent midt i det ringformede legemets 2 tillatte vandringsområde. Reguleringen kan også skje i henhold til tidevannstabeller som er lagt inn i en datamaskin på kraftverket. Under denne reguleringen opprettholdes imidlertid et minimum strekk i strekkstaget som minst tilsvarer kraftverkets vekt i tørr tilstand.

Det ringformede legemet skal nå forklares nærmere under henvisning til figurene 3 og 4. Figur 3 viser et vertikalsnitt gjennom del ringformede legemet og figur 4 viser et horisontalsnitt gjennom det ringformede legemet 2. Vertikalt og horisontalt brukes her for å betegne bruksstillingen til de enkelte komponentene.

Det ringformede legemet 2 er satt sammen av rørseksjoner 40 med samme diameter. Rørseksjonene 40 er kappet i en vinkel på 45° ved hver ende 41, 42. 45° er 360° delt på antall rørseksjoner, som i det viste eksempelet er åtte. Så sveises rørseksjonene 40 sammen slik at de danner en åttekant. En åttekant er i denne sammenhengen tilnærmet en sirkel og for alle praktiske formål vil det ringformede legemet 2 oppføre seg som om det var sirkulært. Det er imidlertid også tenkelig å sette sammen det ringformede legemet 2 av flere eller færre seksjoner enn åtte. Det er sågar tenkelig, spesielt for mindre kraftverk å benytte et trekantet legeme i stedet for et tilnærmet ringformet legeme. I og med at rørseksjonene kapper i samme vinkel i hver ende, kan røret som tjener som emne legges i en kappmaskin og for hvert kapp kan enten røret roteres 180° om sin egen akse eller kappverktøyet dreies til den motsatte komplementære vinkelen for hvert kapp. Derved vil ikke noe rørmateriale gå til spille.

På det ringformede legemets 2 innvendige omkrets er det sveiset på en rekke braketter. Fire braketter 43 omfatter horisontale ører, der to diametralt motsatte braketter 43 er innrettet for innfesting av stengene 4, 5 som overfører bevegelsen til generatorene 8, og de to andre brakettene 43 er innrettet til å omslutte føringsstengene 10,11. De øvrige brakettene 44 vil utstyres med ruller 3, som vist i figur 1. Alternativt kan brakettene 44 forlenges noe inn mot det ringformede legemets 2 sentrum og i seg selv danne glideflater mot det sentrale legemet 1, eventuelt mot glideskinner (ikke vist) anordnet på det sentrale legemet.

I stedet for at føringsstengene 10,11 føres gjennom hull i brakettene 43, kan disse også ligge mellom to respektive braketter, slik at det ringformede legemet 2 hindres i å rotere. Føringsstengene kan i dette tilfellet også erstattes av skinner som ligger fastmontert, for eksempel sveiset, på det sentrale legemets 1 ytre flate.

Det ringformede legemet 2 er fortrinnsvis fylt med luft og vanntett. Det er imidlertid også tenkelig å ballastere det ringformede legemet 2, for eksempel med variabel ballastering, slik at det ringformede legemets 2 egenfrekvens kan tilpasses den rådende bølgefrekvensen i området.

I figur 1 er det vist at det sentrale legemet er utstyrt med en såkalt LIDAR-enhet 35 (Light Detection and Ranging). I en spesiell anvendelse av bølgeenergiopptaksenheten ifølge oppfinnelsen benyttes LIDAR-enheten til å måle vindhastigheter i et havområde hvor det er utplassert vindmøller. Bølgeenergiopptaksenheten kan være plassert i tilknytning til en vindmøllepart eller det kan være anordnet én slik enhet i tilknytning til en enkel vindmølle. Fortrinnsvis er det anordnet bølgeenergiopptaksenheter med LIDAR på ulike sider av vindmøllen eller vindmølleparken, slik at hastigheten på innkommende vind kan måles selv om vindretningen endrer seg. Den omdannede bølgeenergien kan da benyttes til å drive LIDAR-enheten og tilknyttet utstyr. I et slikt tilfelle behøver ikke energiopptaksenheten å være større enn det som kreves for å forsyne LIDAR-enheten og tilknyttet utstyr med elektrisk kraft. Energiopptaksenheten er også utstyrt med solcellepaneler som fungerer som ytterligere kraftforsyning. Disse bør ha tilstrekkelig kraft til å holde batteriene 34 tilstrekkelig oppladet dersom det skulle bli perioder uten noe særlig med bølger.

Figur 5 viser en alternativ utførelsesform av energiopptaksenheten ifølge oppfinnelsen. Denne utførelsesformen er best egnet for større bølgekraftverk som skal forsyne en offshore bore- eller produksjonsenhet for olje og/eller gass eller tilveiebringe elektrisk kraft til husholdninger eller industri på land.

Energiopptaksenheten ifølge figur 5 omfatter et sentralt legeme 1 som i prinsippet er utformet som det sentrale legemet 1 i figur 1, men har både større diameter og lengde. Rundt det sentrale legemet ligger det et ringformet legeme 2 som har betydelig større både diameter og høyde enn det ringformede legemet 2 i figur 1. Som man vil se, så er det ringformede legemet 2 større også i forhold til det sentrale legemet 1 enn tilfellet er i figur 1.

På toppen av det sentrale legemet 1 er det anordnet fire pilarer 50 som bærer et fundament 51 for et antall hydrauliske sylindere 52. De hydrauliske sylinderne 52 er forbundet med fundamentet 51 ved stempelstengene, mens selve sylinderne er anordnet i lommer 53 i det ringformede legemet 2. De hydrauliske sylinderne kan være basert på oljehydraulikk, vann (for eksempel sjøvann) eller gass (for eksempel luft).

Det ringformede legemet 2 føres på et antall (for eksempel tre, som vist) skinner 54, som hindrer det ringformede legemet 2 å rotere om det sentrale legemet 1.1 tillegg kan det være anordnet aksielle glidelagre 55 på det sentrale legemets 1 ytre flate.

Energiopptakeren er utstyrt med en jiggervinsj 56 koblet til strekkstaget 16. Denne har samme funksjon som jiggervinsj en beskrevet ovenfor.

I stedet for eller i tillegg til jiggervinsjen 16, kan pilarene 50 være teleskopiske, slik at det ringformede legemets 2 vandringsområde kan justeres i forhold til det sentrale legemet 1, derved kan man også ta hensyn til tidevannsforskjeller, slik at ved for eksempel lavvann, senkes fundamentet 51, slik at det ringformede legemet 2 vandrer over en lavereliggende del av det sentrale legemet 1, men over hovedsakelig samme område i forhold til vannflaten.

For eventuell kraftoverføring til en offshore installasjon eller til land, kan en kraftkabel føres i en egen kanal gjennom det sentrale legemet, langs strekkstaget ned til havbunnen og videre langs havbunnen til installasjonen eller til land.

Energioverføringsinnretningene kan være av en hvilken som helst egnet type, også elektrisk overføring ved for eksempel aksialgeneratorer.

I stedet for tannstengene kan det også benyttes hydrauliske sylindere. Disse kan for eksempel være saltvannssylindere som, i tillegg til å drive en turbin, kan være innrettet til å pumpe saltvann til et anlegg for omvendt osmose i det sentrale legemet, som vist i figurene 6a og 6b. Her er en seksjon av det ringformede legemet 2 vist og man ser en av sylinderne 53 med stempelstang 52. Når legemet 2 beveger seg nedover, som vist i figur 6a, vil stempelet 52a pumpe sjøvann inn i sylinderen 53 gjennom en tilbakeslagsventil 57. Når legemet 2 beveger seg nedover, som vist i figur 6b, vil ventilen 57 stenge og vannet presses av stempelet 52a opp en kanal 58. Denne kanalen har også en tilbakeslagsventil 59, som hindrer vannet i å renne tilbake til sylinderen 53. Kanalen 58 fører til en tank 60 for omvent osmose. Trykket som derved bygges opp i tanken 60 vil produsere ferskvann, som kan tas ut enten direkte eller via en turbin 61. Prinsippet for omvendt osmose er velkjent og skal derfor ikke forklares nærmere her. Et slikt system vil egne seg godt i områder hvor det er behov for både elektrisitet og ferskvann.

Det er en fordel at det er flere enn én tannstang eller sylinder anordnet symmetrisk rundt det sentrale legemet, slik at det ringformede legemet får symmetrisk belastning. Det er tenkelig både at sylinderen er forankret i det sentrale legemet og sylinderens stempelstang er forankret i det ringformede legemet og at sylinderen er forankret i det ringformede legemet og stempelstangen er forankret i det sentrale legemet. Det siste er imidlertid å foretrekke.

Claims

1. Anordning for opptak av bølgekraft omfattende et første sentralt, langstrakt flytende legeme som er innrettet til å flyte i en hovedsakelig vertikal stilling i en vannmasse og er forankret i sjøbunnen, et andre flytende legeme som omslutter det første legemet og der det andre legemet er innrettet til å bevege seg i forhold til det første legemet under bølgepåvirkning og energioverføringsinnretninger koblet mellom det første og andre legemet for å overføre bevegelsesenergi fra det andre legemet til minst én elektrisk generator på det første legemet, idet det første legemet har minst ett ballastkammer som er innrettet til å befinne seg under det laveste nivået av vannflaten til vannmassen som legemet flyter i,karakterisert vedat det første legemet er forankret i sjøbunnen ved et strekkstag som er satt under et strekk som er minst like stort som totalvekten av anordningen i tørr tilstand.

2. Anordning ifølge krav 1,karakterisert vedat det andre legemet har et vandringsområde som er minst like stort som den vertikale avstanden mellom en bølgedal ved lavvann og en bølgetopp ved høyvann, slik at det andre legemet har bevegelsesmulighet over hele bølgeperioden uavhengig av tidevannsnivå.

3. Anordning ifølge krav 1, eller 2,karakterisert vedat det første legemet er utstyrt med en jiggervinsj som er innrettet til å justere strekket i strekkstaget.

4. Anordning ifølge krav 3,karakterisert vedat jiggervinsjen er innrettet til å justere det første legemets avstand fra sjøbunnen, for å tilpasse det første legemets dyptgående i forhold til tidevannsnivået.

5. Anordning ifølge krav 4,karakterisert vedat det første legemet holdes i en posisjon der gjennomsnittlig vannivå befinner seg omtrent midt i det andre legemets vandringsområde.

6. Anordning ifølge ett av de foregående krav,karakterisert vedat energioverføringsinnretningene omfatter stenger som strekker seg fra det andre legemet til et roterbart organ på det første legemet.

7. Anordning ifølge ett av de foregående krav,karakterisert vedat energioverføringsinnretningene omfatter minst én hydraulisk sylinder.

8. Anordning ifølge krav 7,karakterisert vedat energioverføringsinnretningene omfatter minst to hydrauliske sylindere som er plassert slik at det andre legemet får symmetrisk belastning.

9. Anordning ifølge krav 7 eller 8,karakterisert vedat de hydrauliske sylinderne er saltvannssylindere.

10. Anordning ifølge krav 9,karakterisert vedat sylinderne er innrettet til å pumpe saltvann til et anlegg for omvendt osmose.

11. Anordning ifølge ett av kravene 7-10,karakterisert vedat selve sylinderen er koblet til det andre legemet og sylinderens stempelstang er koblet til det første legemet.

12. Anordning ifølge ett av de foregående krav,karakterisert vedat den omfatter midler som hindrer det andre legemet å rotere om det første legemet.

13. Anordning ifølge krav 12,karakterisert vedat midlene omfatter langsgående stenger eller skinner på det første legemet og organer på det andre legemet som er innrettet å gli langs stengene eller skinnene.