NO329059B1 - Innretning for et vinsjbetjent bolgekraftanlegg - Google Patents

Abstract

Oppfinnelsen vedrører et bølgekraftanlegg hvor en flytende bøye (1) er anordnet for energiabsorbering fra bølgene. Bøyen er forankret med en vaier (3) som kan spoles på en selvstrammende vinsj (2). Når bølgebevegelsen løfter bøyen, vil vinsjkabeltrommelen rotere utover. Denne roterende kraftbevegelsen går til et mekanisk energiabsorpsjons- og -omformingssystem (10) hvor energien omformes ved hjelp av mekaniske midler, og overføres til en roterende utgangsaksel (8), hvorfra energien kan omformes ytterligere til en annen utnyttbar energiform, eksempelvis elektrisitet. Oppfinnelsen innbefatter en slurekobling (6) mellom vinsjakselen (4) og den utgående akselen (8). Denne slurekoblingen (6) beskytter kraftanlegget og komponentene der med hensyn til ekstrembelastninger når det oppstår meget sterke bølger. Slurekoblingen bestemmer en terskel med hensyn til den belastningen som kraftanlegget kan absorbere fra bølgene. I en utførelsesform oppnås dette ved at det benyttes en slurekobling som styres med en elektronisk datamaskin. Datamaskinen vil, basert på måling av vesentlige parametere så som kraften i vinsjvaieren (3), dreiemoment og hastighet for vinsjen eller vinsjakselen, bestemme en terskelverdi for den maksimale belastningen som kraftanlegget kan utsettes for som følge av bølgene. Dersom energimengden pr. tidsenhet, hastigheten eller kraften som kan føres inn i systemet fra en gitt bølge, er større enn terskelverdien (terskelverdiene) som bestemmes av slurekoblingen, så vil slurekoblingen slippe slik at derved vaieren trekkes ut uten øket motstand, og bøyen vil da helt enkelt drive med bølgene helt til bølgen har passert. Denne utførelsen medfører redusering av bygge- og vedlikeholdskostnader for systemet, og vil bidra til at anlegget kan tåle ekstreme bølger.

Description

I patentlitteraturen finnes det beskrevet mer enn 1000 innretninger for omforming av havbølgeenergien til utnyttbar energi. Det har vært forelagt flere bølgeenergikonsepter som baserer seg på ulike teknologiske løsninger. Hva man ikke har sett i forbindelse med disse tidligere konseptene, er at en suksessfull kommersiell utnyttelse av havbølgeenergi vil kreve at anleggene har én (eller flere) iboende eller eksterne overbelastningsbeskyttelsesmekanismer. For at de skal være økonomisk gjennomførbare, må anleggene ha én eller annen strategi for å møte påvirkningen fra de mest ekstreme bølgene. I hovedsaken må anleggene kunne samvirke på en annen måte med ekstrembølger enn med bølger som har gjennomsnittelig størrelse og/eller er mindre. For gjennomsnittlige og mindre bølger bør et anlegg forsøke å absorbere så mye energi som mulig fra bølgene, fo." derved å maksimere energiproduksjonen, men i forbindelse med en ekstrembølge bør anlegget oppføre seg på en annen måte, for derved å unngå en absorbering av den store energien fra en slik bølge. Dette fordi energien vil kunne skade anlegget eller dets kraftomformingsmaskineri dersom energien ledes inn. Slike tiltak muliggjør en mer utstrakt anvendelse av bølgeenergien i ulike havmiljøer, samtidig som designkostnader og vedlikeholdskostnader kan reduseres.

Den her beskrevne oppfinnelsen innbefatter et vinsj betjent bølgekraftanlegg som har en flytende bøye som absorberer energi fra havbølgene, og også har en selvstrammende vinsj, som er montert på eller på annen måte er forbundet med bøyen. Energi fra bølgene absorberes av vinsjen og det med denne tilknyttede energiuttakssystemet. Systemet innbefatter en overbelastningsbeskyttelsesstrategi som baserer seg på det enkle prinsippet at man ikke slipper mer energi inn i systemet enn systemet i seg selv kan håndtere. Dette muliggjøres med bruk av en slurekobling som muliggjør at vinsjen kan gi ut uten øket motstand i tilfelle av voldsomme bølger, slik at bøyen således lett kan løftes på toppen av de kraftige bølgene og bevege seg sammen med disse, istedenfor å grave seg ned i bølgene og bli utsatt for de ekstreme hydrodynamiske kreftene som da vil oppstå.

Innretningen ifølge oppfinnelsen innbefatter de følgende elementer og undersystemer, hvorav noen i og for seg er kjent, og baserer seg på tilgjengelig teknologi:

• En flytende bøye 1 som absorberer bølgeenergi

• En selvstrammende vinsj 2

• En vaier 3 som forbinder bøyen med vinsjen

• Et mekanisk energiabsorbsjons- og -omformingssystem 10 som er forbundet med vinsjen og omformer den mekaniske energien absorbert av bøyen via vinsjvaieren og den roterende vinsjen til utnyttbar energi • En overbelastningsbeskyttende sluringskobling 6 som slurer når energien pr. tidsenhet i vinsjakselen når et visst nivå.

Systemsammenstillingen har visse karakteristika, som delene og undersystemene ikke har hver for seg.

Hver for seg har disse elementene ingen mulighet for å løse de problemer som oppfinnelsen skal løse: utnyttelse av havbølgeenergi med tilstrekkelig lave kostnader for utformingen av anleggene uten at derved anleggene og komponentene i anleggene ødelegges av ekstrembølger.

En kombinasjon av elementene, som beskrevet her og i samsvar med patentkravene, vil medføre en betydelig kostnadsreduksjon for anleggene, og antas å bety et teknisk-økonomisk gjennombrudd for bølgekraften som energikilde. Det sentrale punktet er at når de ulike elementene settes sammen i det spesielle arrangementet, vil delene og undersystemene sammen representere det grunnleggende i et bølgeenergiabsorpsjons- og -omformingssystem som kan og vil overleve ekstrembølger uten for store dimensjoneringskrav.

Noen kjente beskrivelser av bølgeenergisystemer viser imidlertid elementer som kan bli forvekslet med elementer i den her beskrevne oppfinnelsen, men uten at de gir de samme funksjonsmessige fordeler hva angår overlevelse og kostnadseffektivitet.

Vinsjbetjente bølgekraftanlegg

Det finnes flere eksempler på bølgekraftsystemer som baserer seg på bølgeenergiabsorberende flytende bøyer, hvor energien overføres mekanisk, ved hjelp av en vaier som går på en trommel. Se eksempelvis US 2005/0121915 og GR 990100030. Disse mangler imidlertid de overbelastningsbeskyttelsene som er nødvendig for at anleggene skal kunne overleve møtet med de mest ekstreme bølgene under de verste stormforholdene, uten at det kreves en så robust utforming at de blir uøkonomiske.

Slurekobling/slurekoblinger

Prinsippet i den overbelastningsbeskyttelsen som den inventive innretningen gir, er at man begrenser kraften ved at man helt enkelt "lar gå" og ikke absorberer mer energi fra bølgene når den maksimale kraftinngangsgrensen er nådd, slik at derved den energimengden som inngår i systemet aldri vil bli for stor. Dette grunnleggende prinsippet er ikke beskrevet tidligere som del av overlevelsesstrategien i ekstreme bølger for et vinsj forankret og bøyebasert havbølgeenergiabsorpsjons- og

-kraftomformingssystem.

For utnyttelse av dette prinsippet i praksis, innbefatter den her beskrevne oppfinnelsen en slurekobling 6 mellom vinsjen 2 og den utgående akselen 8 fra det mekaniske energiabsorpsjons- og -omformingssystemet 10.1 én utførelsesform blir slurekoblingen koblet inn og ut med innebygde elektromagneter som styres med en datamaskin. Datamaskinen er programmert til å koble ut slurekoblingen når den energimengden pr. tidsenhet som overføres fra bøyen 1 via vaieren 3 og vinsjen 2 gjennom vinsjakselen 4, har nådd en viss øvre grense som bestemt av datamaskinen. Datamaskinen fastlegger denne øvre grensen ved at det kontinuerlig gjennomføres beregninger som baserer seg på målinger av slike parametere som: styrken til den kraften som virker fra bøyen 1 i vaieren 3, dreiemomentet på vinsjakselen 4 og systemets rotasjonshastighet.

Bruk av slurekoblinger i bølgekraftanlegg er nevnt i DE 2 850 293, WO 96/30646 og US 4 228 360, men disse mangler de nødvendige karakteristika for et bølgekraftanlegg, uten medføring av for store utformingskostnader, for å kunne overleve møtet med de til sine tider ekstreme krefter som havbølger utøver i forbindelse med stormer og orkaner.

Oppfinnelsen skal nå beskrives nærmere i form av utførelseseksempler og under henvisning til tegningen, hvor

Fig. 1 viser vinsjen med det mekaniske energiabsorpsjons- og

-omformingssystemet, og

Fig. 2 viser en utførelse av oppfinnelsen, med bøyen 1 forbundet med en forankringsstruktur 9 på havbunnen, og med vinsjen og det mekaniske energiabsorpsjons- og -omformingssystemmaskineriet plassert inne i bøyen.

Kort oversikt over oppfinnelsen

Innretningen ifølge oppfinnelsen innbefatter en bølgeenergiabsorberende flytende bøye med energiabsorpsjons- og -omformingssystem, som kan plasseres inne i bøyen, på havbunnen eller et annet sted. Fig. 1 og 2 viser prinsippet til den inventive innretningen. En flytende bøye 1 virker som absorpsjonselement. Bøyen er forbundet med en vinsj 2 med en vinsj vaier 3. Bøyen 1 og vinsjen 2 med vinsj vaieren 3 er forbundet på en slik måte at vinsjen tvinges til å rotere når bølgekreftene beveger bøyen 1 i vinsjvaierens lengderetning. Vinsjen og vinsjvaieren forbinder bøyen med et referanselegeme under bølgene på havoverflaten. Dette referanselegemet kan være en pelagisk ankerplate, et anker 9 på havbunnen som vist i fig. 2, en ekspansjonsbolt i berget i havbunnen, eller en annen forankringsinnretning. I utførelsen i fig. 2 er vinsjen og energiabsorpsjons-og -omformingssystemet i bøyen. Disse elementene kan istedenfor å være integrert i bøyen, eksempelvis være plassert andre steder, eksempelvis ved havbunnen eller i en pelagisk forankringsinnretning. Energien som absorberes fra bølgene når vinsjen tvinges til rotasjon, overføres i form av en rotasjonsbevegelse fra vinsjakselen 4 og til et mekanisk energiabsorpsjons- og -omformingssystem 10, som har en avsluttende høyhastighetsaksel 8 som roterer. Fra denne akselen kan energien omformes videre til andre former, eventuelt til elektrisk kraft, ved hjelp av for en ingeniør velkjente metoder. Metoder for omforming av energiutgangen fra den hurtigroterende akselen 8 til andre former for utnyttbar energi og til elektrisitet, er ikke en del av foreliggende patentsøknad, og beskrives derfor ikke nærmere her. Vinsjen er selvstrammende. Det betyr at den spoler inn når bølgekreftene som beveger bøyen 1 og trekker ut vinsj vaieren 3, synker tilstrekkelig. Vinsjens selvstramming kan oppnås ved hjelp av mekaniske, hydrauliske eller elektriske midler. Disse vil være velkjent for mekaniske ingeniører og beskrives derfor ikke nærmere her.

Det mekaniske energiabsorpsjons- og -omformingssystemet

I det mekaniske energiabsorpsjons- og -omformingssystemet 10 overføres rotasjonsenergien fra vinsjakselen 4 og til en utgående aksel 8.1 dette dokumentet betegnes akselen 8 som en høyhastighetsaksel. Dette fordi i den foretrukne utførelsen av oppfinnelsen inneholder det mekaniske energiabsorpsjons- og -omformingssystemet ett eller flere gir 5, 7 som vil gire opp rotasjonshastigheten slik at derved akselen 8 roterer raskere enn vinsjakselen 4. Slike gir er imidlertid bare en mulighet. Systemets funksjonalitet er å fange inn rotasjonsenergi fra vinsjen og overføre denne til utgangsakselen 8, hvorfra energien kan omformes videre til utnyttbar energi.

Overbelastningsbeskyttelsesfilosofi

Det fundamentale prinsippet for beskyttelse av bølgekraftanlegget, og deler og undersystemer i dette med hensyn til overbeskyttelse, er enkelt: når den bølgeenergien pr. tidsenhet som påvirker bøyen blir for stor, vil bøyen helt enkelt ikke absorbere en slik energi. Dette muliggjøres med utformingen av et energiomformings- og -absorpsjonssystem som i seg selv begrenser den mengden energi pr. tidsenhet som kan føres inn i systemet. Ideen er at bølgekraftanlegget bør kunne tåle de mest ekstreme bølgene fordi det ikke prøver å motvirke bølgene når bølgekreftene blir for store, men i stedet gir etter og muliggjør at mesteparten av energien i de ekstreme bølgene, de destruktive energitoppene, kan gå forbi og forbli i sjøen.

Overbelastningsbeskyttelseslurekobling

Den hastigheten og de kreftene og de rotasjonsmomentene som det mekaniske energiabsorpsjons- og -omformingssubsystemet 10 og komponentene der vil bli utsatt for som følge av bølgebevegelser, kan begrenses ved hjelp av en overbelastningsbeskyttelsesslurekobling 6 som er montert inne i det mekaniske energiabsorpsjons- og -omformingssystemet 10, eller er anordnet mellom vinsjakselen 4 og det mekaniske energiabsorpsjons- og -omformingssystemet.

For å unngå for store hastigheter i systemet, kan den mekaniske slurekoblingen 5 innstilles slik at den slurer dersom vinsjhastigheten overskrider en på forhånd bestemt terskelverdi. Eventuelt kan slurekoblingen innstilles slik at den slurer dersom vinsjakselens rotasjonsmoment blir for høyt. Slurekoblingen kan også innstilles for sluring dersom andre betingelser tilfredsstilles, så som dersom kraften i vaieren blir for stor. Ett eller flere styresystemer kan regulere trykkraften i slurekoblingen og på den måten bestemme når slurekoblingen skal slippe eller ikke. Slike styresystemer kan være mekaniske, så som den berømte sentrifugalregulatoren som James Watt brukte i sin epokegjørende dampmaskin. Styresystemene kan også være bygget opp med ekvivalente hydrauliske komponenter. I dagens teknologi vil et foretrukket valg være å benytte et elektronisk system for styring av slurekoblingen.

Slurekoblingen kan være forsynt med elektromagneter som er montert på den, og som kan aktiveres og deaktiveres, og viss magnetstyrke kan varieres, for på den måten å kunne regulere trykkraften i slurekoblingen. Disse varierbare elektromagnetene medfører at trykkraften i koblingen kan innstilles i samsvar med signalene fra en datamaskin. Slurekoblingen kan i tillegg ha en innebygget mekanisk fjær som sikrer en mekanisk minimumtrykkraft i koblingen i tilfelle at elektromagnetene i styresystemet skulle svikte. Elektromagnetene kan forsterke virkningen til den innebygde mekaniske fjæren, og muliggjør at slurekoblingen kan overføre et høyere dreiemoment. Virkningen kan også være omvendt, dvs. at de motvirker den innebygde mekaniske fjæren. Motkreftene som kan tilveiebringes med disse elektromagnetene, er store nok til å kunne eliminere kraften fra den innebygde mekaniske fjæren, slik at slurekoblingen derved kan kobles helt ut. Trykkraften fra den innebygde mekaniske fjæren vil alene, uten en forsterkning fra elektromagnetene, kunne være tilstrekkelig liten til å sikre at slurekoblingen slurer eller slipper i tilfelle av raske bøyebevegelser og vinsj vaierbevegelser som skyldes de mest ekstreme bølgene.

Elektroniske sensorer i forbindelse med korresponderende deler av det mekaniske energiabsorpsjons- og -omformingssystemet vil kontinuerlig måle tilstanden til de ulike fysikalske kvantitetene i systemet og individuelle komponenter i systemet. Her er én eller flere av de følgende parameterne vesentlig:

• rotasjonshastigheten til vinsjen 2 eller vinsjakselen 4

• dreiemomentet på vinsjakselen 4

• kraften som virker i vinsjvaieren 3 eller på vinsjen 2 fra den bølgeenergiabsorberende bøyen 1.

Måledata fra sensorene sendes momentant til datamaskinen. Datamaskinen styrer elektromagnetene i slurekoblingen. Datamaskinen er programmert til å beregne kraftstrømmen (energi pr. tidsenhet) som går gjennom systemet til enhver tid, basert på disse inngangsdataene, og er også beregnet til å løskoble (disengage) slurekoblingen 16 ved behov, og å koble den inn igjen, når dette er ønskelig, for på den måten å kunne beskytte det interne systemet med hensyn til for store hastigheter, krefter og energiinngang. Datamaskinen kan eksempelvis programmeres for å koble ut slurekoblingen når rotasjonshastigheten til vinsjen 2 overstiger en viss på forhånd bestemt terskelverdi A, og uavhengig av rotasjonshastigheten når dreiemomentet på vinsjakselen 4 overskride en på forhånd bestemt terskelverdi B. Datamaskinen kan i tillegg eksempelvis være programmert for løskobling av slurekoblingen når vinsjens rotasjonshastighet overskrider en på forhånd bestemt terskelverdi C, som er lavere enn A, og når dreiemomentet på vinsjakselen samtidig overskrider en verdi D som er lavere enn B. Flere andre betingelser for inn- og utkobling av slurekoblingen kan være programmert i datamaskinen. Betingelsene med hensyn til innkobling av slurekoblingen behøver ikke være nøyaktig omvendt av betingelsene for utkoblingen. Dersom slurekoblingen slurer ved en rotasjonshastighetsverdi A, kan den kobles inn igjen ved en verdi E, som er lavere enn A eller til og med kan være null.

Utkobling av slurekoblingen kan også være avhengig av andre faktorer enn kraftstrømmen, kraften, dreiemoment eller rotasjonshastighet i vinsjen eller de tilhørende roterende elementene. Eksempelvis kan utkoblingen styres manuelt eller ved hjelp av et fjernstyringsdatamaskinsystem. Manuell eller fjernstyring med datamaskin for utkobling av slurekoblingen kan gjennomføres eksempelvis i forbindelse med storm eller basert på værmelding som varsler dårlig vær. Datamaskinen kan også programmeres for å gjenkjenne visse karakteristika eller mønster i inngangsmåledataene, så som en ventet storm eller ventede høye bølger, med tilhørende tiltak. En utkobling kan eventuelt også gjennomføres dersom temperaturen i kritiske systemdeler stiger over et visst nivå.

Claims (8)

1. Innretning for et vinsj betjent bølgekraftanlegg med en selvstrammende vinsj (2) som via en vinsj vaier (3) forbinder et bølgeenergiabsorberende legeme (1) med havbunnen eller et annet referansepunkt, idet vinsj kabeltrommelen via et mekanisk energiabsorpsjons- og -omformingssystem (10) er forbundet med en roterende utgangsaksel (8), og det mekaniske energiabsorpsjons- og -omformingssystemet (10) er forbundet med en slurekobling (6) mellom vinsjakselen (4) og den utgående akselen (8), hvilken slurekobling (6) kan innstilles for sluring for avbryting eller redusering av den mekaniske rotasjonsenergistrømmen fra den roterende vinsjen og gjennom det mekaniske energiabsorpsjons- og omformingssystemet, slik at den energimengden pr. tidsenhet som absorberes av det mekaniske energiabsorpsjons-og -omformingssystemet vil være begrenset av hvor sterkt slurekoblingen slurer, karakterisert ved at den innbefatter et styresystem som styrer slurekoblingen ved at det reagerer på høy hastighet og/eller kraft i vinsjen og i vinsjakselen (4).

2. Innretning ifølge krav 1, karakterisert ved at styresystemet påvirker slurekoblingen til å slippe når vinsjens og/eller vinsj akselens rotasjonshastighet overskrider en viss forhåndsbestemt terskelverdi.

3. Innretning ifølge krav 1, karakterisert ved at styresystemet styrer slurekoblingen til slipping når dreiemomentet på vinsjakselen (4) eller den kraften fra det bølgeenergiabsorberende legemet (1) som virker på vinsj vaieren (3) eller på vinsjen (2) overskrider en viss forhåndsbestemt terskelverdi.

4. Innretning ifølge krav 1, karakterisert ved at slurekoblingen kan kobles inn eller ut ved hjelp av magnetkrefter fra innebygde elektromagneter, idet styrken og retningen til elektromagnetene styres med en datamaskin som bestemmer inn- og utkobling av slurekoblingen idet det gjennomføres beregninger basert på kontinuerlige inngangsdata som dekker ulike fysiske måleparametere i systemet og dets individuelle komponenter, idet kraften i vinsjvaieren (3), dreiemomentet på vinsjakselen (18) og vinsjakselens rotasjonshastighet er vesentlige faktorer, slik at slurekoblingen derved kan kobles ut ved behov, stoppe eller redusere strømmen av mekanisk kraft fra vinsjen til utgangsaksel en (8), for derved å beskytte bølgekraftanlegget og dets komponenter med hensyn til skadelig påvirkning fra ekstrembølger, og kan kobles inn igjen når dette er gunstig, eksempelvis når rotasjonshastighetene til koblingens inngangsaksel og utgangsaksel er like eller null.

5. Innretning ifølge krav 1, karakterisert ved at det mekaniske energiabsorpsjons- og -omformingssubsystemet (10) innbefatter et giroverføringssystem (5) mellom vinsjkabeltrommelen og slurekoblingen (6), hvilket giroverføringssystem (5) girer opp slurekoblingens rotasjonshastighet.

6. Innretning ifølge krav 1, karakterisert ved at det mekaniske energiabsorpsjons- og -omformingssystemet (10) innbefatter et giroverføringssystem (7) mellom slurekoblingen (6) og utgangsakselen (8), hvilket giroverføringssystem (7) girer opp rotasjonshastigheten slik at derved utgangsakselen kan rotere hurtigere enn slurekoblingen.

7. Innretning ifølge krav 2 og 4, karakterisert ved at datamaskinen som styrer slurekoblingens innkobling, utkobling og gjentatt innkobling, kan programmeres slik at den reagerer på beregninger som baserer seg på måling av temperaturen i ulike deler av systemet, energistrømmen gjennom systemet eller statistiske inngangsmåledata som kan tolkes som varsler om en mulig storm eller at det kan inntreffe for store bølger.

8. Innretning ifølge krav 1, karakterisert ved at slurekoblingen er anordnet slik at den kan styres manuelt eller kan fjernstyres.