NO329569B1 - Bolgekraftaggregat. - Google Patents

Description

Oppfinnelsens område

Oppfinnelsen angår ifølge et første aspekt et bølgekraftaggregat omfattende et flytelegeme og en elektrisk lineærgenerator hvis rotor ved hjelp av forbindelsesorganer er forbundet med flytelegemet slik at en løftekraft overføres fra flytelegemet til rotoren, og hvis stator er innrettet til å forankres i hav/sjø-bunnen, hvilket aggregat også omfatter et fjæringsorgan som er innrettet til å utøve en kraft på rotoren, hvilken kraft under i det minste en del av rotorens bevegelse er rettet motsatt den av flytelegemet på rotoren utøvede løftekraft, idet rotoren som følge av bevegelsen av flytelegemet og den av fjæringsorganet utøvede kraft er innrettet til å utføre en frem- og tilbakegående bevegelse mellom to endestillinger som definerer rotorens slaglengde, idet aggregatet er innrettet for en bestemt maksimal slaglengde. Rotorens bevegelsesretning definerer generatorens lengderetning, og et plan vinkelrett på bevegelsesretningen definerer generatorens tverretning.

Ifølge et andre aspekt angår oppfinnelsen et bølgekraftverk som omfatter flere bølgekraftaggregater ifølge oppfinnelsen.

Ifølge et tredje aspekt angår oppfinnelsen en anvendelse av bølgekraftaggregatet ifølge oppfinnelsen for å produsere elektrisk strøm.

Ifølge et fjerde aspekt angår oppfinnelsen en fremgangsmåte for generering av elektrisk energi.

I den foreliggende søknad benyttes uttrykket rotor for lineærgeneratorens bevegelige del. Det vil således innses at man med uttrykket rotor ikke mener et roterende legeme, men et lineært frem- og tilbakegående legeme. Med rotorens bevegelsesretning menes således dennes lineære bevegelsesretning.

Bølgekraftaggregatet ifølge oppfinnelsen er i første rekke beregnet for, men ikke begrenset til, anvendelser opp til 500 kW.

At statoren er innrettet for forankring i havbunnen, innebærer ikke nødvendigvis at den er beliggende på denne, og heller ikke at den må være stivt forbundet med havbunnen. Således kan statorkonstruksjonen selvsagt være flytende understøttet, og forankringen bare utgjøres av en line eller liknende som hindrer at aggregatet driver i vei.

Oppfinnelsens bakgrunn

Bølgebevegelser i hav og store innsjøer er en potensiell energikilde som hittil er blitt lite utnyttet. Den tilgjengelige bølgeenergi beror på bølgehøyden og er selvsagt forskjellig for forskjellige plasser. Den gjennomsnittlige bølgeenergi i løpet av et år er avhengig av forskjellige vindforhold som påvirkes mye av plassens avstand fra nærmeste kyst. Målinger er blant annet blitt utført i Nordsjøen. På et målested ca. 100 km vest for Jyllands kyst der dybden var ca. 50 m, er det blitt gjort målinger av bølgehøyden.

For å utnytte energien som er tilgjengelig på grunn av havbølgenes bevegelser, er det blitt foreslått forskjellige typer av bølgekraftaggregater for generering av elektrisk kraft. Disse har imidlertid ikke lykkes i å kunne konkurrere på vellykket måte med konvensjonell elkraftproduksjon. Hittil realiserte bølgekraftverk har i hovedsaken vært forsøksanlegg eller er blitt benyttet for lokal energiforsyning til navigasjonsbøyer. For at kommersiell elkraftproduksjon skal kunne være mulig og dermed gi tilgang til den store energireserve som finnes i havbølgenes bevegelser, kreves ikke bare at utplasseringen av aggregatene skjer på passende lokaliserte steder. Det er også nødvendig at aggregatet er driftssikkert, har høy virkningsgrad og lave fremstillings- og driftskostnader.

Blant de tenkelige prinsipper for omformingen av bølgebevegelsesenergien til elektrisk energi, torde her en lineærgenerator i størst utstrekning å svare til disse krav.

Flytelegemets vertikale bevegelser forårsaket av bølgebevegelsene kan dermed overføres direkte til en frem- og tilbakegående bevegelse av generatorens rotor. En lineærgenerator kan utføres meget robust og enkel, og ved at den forankres til bunnen, blir den stabilt upåvirkelig av strømninger i vannet. Den eneste bevegelige del av generatoren blir den frem- og tilbakegående rotor. Aggregatet blir meget driftssikkert på grunn av sine få bevegelige deler og sin enkle konstruktive oppbygning.

Fra eksempelvis US 6 020 653 er det tidligere kjent et bølgekraftaggregat som baserer seg på lineærgeneratorprinsippet. Publikasjonen beskriver således en til bunnen forankret generator som produserer energi ut fra havflatens bølgebevegelser. En generatorspole er forbundet med et flytelegeme slik at spolen beveger seg opp og ned med bølgebevegelsene. Et magnetfelt virker på spolen når den beveger seg, slik at en elektromagnetisk kraft frembringes i denne. Magnetfeltet er slik at det tilveiebringer et ensartet felt med enkeltmagnetisk orientering langs hele spolens slaglengde. Generatoren omfatter en basisplate på havbunnen som understøtter magnetkjernen i hvilken spolen beveger seg.

Videre er det fra US 4 539 485 tidligere kjent et bølgekraftaggregat som er forsynt med en elektrisk lineærgenerator. Dennes rotor består av et antall permanentmagneter og generatorens vikling er anordnet i den omgivende stator.

I PCT/SE02/02405 er det videre beskrevet et bølgekratfaggregat med en lineærgenerator ved hvilket rotoren er permanentmagnetisk og statoren omfatter en vikling som danner flere poler som er fordelt i rotorens bevegelsesretning. Et fjæringsorgan er anordnet som en trekkfjær og utøver en nedadrettet trekkraft på rotoren, dvs. rettet mot flytelegemets løftekraft.

Når flytelegemet løftes av en bølge, medfører dette at rotoren i generatoren trekkes oppover. En del av den da frembrakte energi omformes til elektrisk energi, og en del lagres i trekkfjæren. Når flytelegemet deretter beveger seg fra en bølgetopp til en bølgedal, trekkes rotoren nedover av trekkfjæren. Derved omformes den i fjæren lagrede energi til elektrisk energi.

Når en enkel mekanisk trekkfjær anvendes, vil omformingen til elektrisk energi skje på uensartet måte, noe som skaper forstyrrelser og gir dårlige betingelser for energiomformingen.

På denne bakgrunn er formålet med oppfinnelsen å søke å mestre dette problem ved et bølgekraftaggregat av den aktuelle type, slik at omformingen til elektrisk energi optimeres.

Redegjørelse for oppfinnelsen

Det angitte formål er ifølge det første aspekt ved oppfinnelsen oppnådd ved at et bølgekraftaggregat av den type som er angitt i innledningen til krav 1, omfatter de spesielle særtrekk at fjæringsorganet er innrettet til, ved en bevegelsesamplitude som tilsvarer 50% av rotorens maksimale slaglengde, å utøve en kraft hvis størrelse varierer med en faktor som er høyst 2,5.

Løsningen ifølge oppfinnelsen er basert på en identifisering av årsakene til fremkomsten av forstyrrelsene og den dårlige energiomforming. Årsakene kan henføres til funksjonsmåten til en mekanisk trekkfjær. Fjærkraften til en slik fjær er normalt proporsjonal med fjærens forlengelse fra en nøytralstilling. Dermed vil den av fjæren utøvede kraft på rotoren variere vesentlig under rotorens bevegelse, og dermed også rotorens hastighet. Ved oppadgående bevegelse av rotoren overføres i begynnelsen en forholdsvis stor del av energien til elektrisk energi, og bare en mindre del til fjæren ettersom motkraften fra denne da blir forholdsvis liten. Under bevegelsens senere del blir forholdet det motsatte ettersom fjærkraften da er større. Et tilsvarende forløp opptrer også ved den nedadgående bevegelse. En avgjørende årsak til den uensartede energiomforming er å finne her.

Basert på denne innsikt anvendes ifølge oppfinnelsen således et fjæringsorgan der den nevnte uensartethet reduseres ved at fjæringskraftens variasjon begrenses. Takket være at fjæringskraftens variasjon er høyst 1:1,25 under det nevnte intervall, vil forholdet mellom den energi som lagres i fjæringsorganet og den energi som omformes til elektrisk energi, variere forholdsvis lite under rotorens bevegelse. Konsekvensen blir en forbedret omforming til elektrisk energi.

Den begrensede variasjon av fjæringskraften som funksjon av rotorens stilling kan tilveiebringes på mange forskjellige måter. Eksempelvis kan det benyttes en meget lang fjær som allerede i den rotorstilling som tilsvarer kort fjærlengde, er såpass spent at trekkraften er lik halve den trekkraft som opptrer i den andre endestilling. En annen måte er at fjæringsorganet er sammensatt av flere fjærer som gir en total fjærkarakteristikk med ønsket beskaffenhet. Å benytte en torsjonsfjær utgjør et ytterligere tenkelig alternativ. Videre finnes andre typer av fjærer enn rent mekaniske som med fordel kan benyttes for å oppnå den etterstrebede kraftvariasjon.

Ifølge en foretrukket utførelsesform av bølgekraftaggregatet ifølge oppfinnelsen varierer størrelsen av fjæringsorganets kraft innenfor det nevnte intervall med en faktor som er høyst 1,25. Slik det torde ha fremgått av ovenstående redegjørelse, er det ønskelig at kraften varierer så lite som mulig under bevegelsen. Selv om allerede et variasjonsområde på 1:2,5 medfører betydelige fordeler, er det enda mer gunstig med et snevrere variasjonsområde. Derfor medfører en variasjon på høyst 1:1,25 en særlig gunstig utførelse.

Ifølge en ytterligere foretrukket utførelsesform er kraften i hovedsaken konstant. Slik det torde fremgå av resonnementet ovenfor, utgjør dette den optimale utførelsesform med hensyn til det problem som oppfinnelsen er fokusert på.

Ifølge en ytterligere foretrukket utførelsesform er fjæringsorganet innrettet til, ved en bevegelsesamplitude som tilsvarer 90 % av rotorens maksimale slaglengde, å utøve en kraft hvis størrelse varierer med en faktor som er høyst 10. Riktignok utnyttes oppfinnelsens fordeler i høy grad også når området for kraftvarisjonsbegrensning bare utgjør ca. 50 % av den maksimale slaglengde, da bølgebevegelsene oftest ligger innenfor dette område. Også når bølgebevegelsene er større enn dette, oppnås jo effekten under den største del av bevegelsen. Dersom imidlertid området for begrensning av kraftvariasjonen utstrekkes i overensstemmelse med denne utførelsesform, vil oppfinnelsens fordeler kunne utnyttes fullt ut selv ved meget kraftige bølgebevegelser.

Ifølge en ytterligere foretrukket utførelsesform varierer kraften med en faktor på høyst 1,5 i dette større område. Dermed oppnås en særlig gunstig utførelse.

Ifølge en ytterligere foretrukket utførelsesform omfatter fjæringsorganet en gassfjær. Da en slik fjær normalt har en fjæringskraft som i hovedsaken er konstant uavhengig av forlengelsesgrad, er anvendelsen av en gassfjær i denne sammenheng meget formålstjenelig.

Ifølge en alternativ utførelsesform er fjæringsorganet mekanisk. Riktignok krever en slik løsning spesielle foranstaltninger for å påvirke fjærkarakteristikken. Ved visse anvendelser kan imidlertid denne utførelsesform tilby en fordelaktig enkel og pålitelig realisering av oppfinnelsen.

Ifølge en ytterligere foretrukket utførelsesform har fjæringsorganet ulineær fjærkarakteristikk. Dette gjør det lettere å optimere kraftvariasjonen under hensyntagen til andre betingelser som påvirker forløpet.

Ifølge en ytterligere foretrukket utførelsesform omfatter fjæringsorganet en aktivt styrt fjær. Fjæringskraftens forandring kan dermed tilpasses til spesifikke omstendigheter som opptrer under forløpet, f.eks. ved å styre fjærkraften i avhengighet av en parameter som er vesentlig for energiomformingens effektivitet.

Ifølge en ytterligere foretrukket utførelsesform omfatter fjæringsorganet flere fjærer. Dette er en enkel metode for å oppnå en etterstrebet profil for kraftens variasjon.

Ifølge en ytterligere foretrukket utførelsesform er fjæringsorganet innrettet til, under en kort strekning inntil den endestilling av rotoreren som tilsvarer flytelegemets stilling på en bølgetopp ved maksimal slaglengde, å utøve en kraft som er flere ganger større enn den maksimale kraft under 90 % av rotorens maksimale slaglengde. Dermed oppnås en kraftig innbremsing av rotorens oppadgående bevegelse i dennes sluttfase når bølgebevegelsen er slik at maksimal slaglengde utnyttes. Med denne innbremsning unngås skaderisiko sammenliknet med om en stiv stopp begrenser slaglengden.

Ifølge en foretrukket utførelsesform utgjør derved den nevnte korte strekning mindre enn 10 % av rotorens maksimale slaglengde. En innbremsingsstrekning av denne størrelsesorden er tilstrekkelig stor til å tillate en noenlunde myk innbremsing, og tilstrekkelig liten til ikke å ha noen forstyrrende innvirkning på bevegelsesforløpet for øvrig. Den nevnte strekning er fortrinnsvis mindre enn 5 % av den maksimale slaglengde.

Ifølge en ytterligere foretrukket utførelsesform øker kraften under den nevnte korte strekning med avtakende avstand til endestillingen. Innbremsingen blir dermed harmonisk ved at den innledningsvis skjer mykt og først helt inntil endestillingen med full styrke.

Ifølge en ytterligere foretrukket utførelsesform omfatter fjæringsorganet ett eller flere separate fjæringselementer for anvendelse av kraft under den nevnte korte strekning. Da fjæringskraften under denne strekning skal være vesentlig forskjellig fra kraften under resten av bevegelsen, er ett eller flere separate elementer en enkel og formålstjenelig måte for å oppnå dette.

Ifølge en foretrukket utførelsesform er derved hvert separat fjæringselement en mekanisk trykk- eller trekkfjær. En slik fjær er passende for tilveiebringelse av den ønskelige karakteristikk under denne fase. Elementet kan fortrinnsvis utgjøres av et gummilegeme.

Ifølge en ytterligere foretrukket utførelsesform er lineærgeneratoren erstattet av en roterende generator, idet fjæren utøver et vridningsmoment på rotoren. Det kan i visse tilfeller være grunn til å utforme generatoren som en roterende sådan, og også ved en slik tilpasning er fordelene med en fjær ifølge oppfinnelsen verdifulle. Rotoren utfører da en frem- og tilbakegående rotasjonsbevegelse mellom endestillingene, og rotorens slaglengde er i dette tilfelle en vridningsvinkel.

De ovenfor angitte og andre foretrukne utførelsesformer av bølgekraftaggregatet ifølge oppfinnelsen er angitt i de av krav 1 avhengige krav.

Ifølge oppfinnelsens andre, tredje og fjerde aspekter er det oppstilte formål oppnådd ved at et bølgekraftverk omfatter flere bølgekraftaggregater ifølge oppfinnelsen, ved en anvendelse av et bølgekraftverk ifølge oppfinnelsen for å produsere elektrisk strøm, og ved at en fremgangsmåte for produksjon av elektrisk strøm gjennomføres ved hjelp av et bølgekratfaggregat ifølge oppfinnelsen, hvilket er angitt i kravene 31, 43 og 44.

Ved hjelp av bølgekraftaggregatet, anvendelsen og fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen oppnås fordeler av tilsvarende art som ved bølgekraftaggregatet ifølge oppfinnelsen og de foretrukne utførelsesformer av dette som det er redegjort for ovenfor.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i den etterfølgende detaljerte beskrivelse av fordelaktige utførelseseksempler på oppfinnelsen under henvisning til de ledsagende tegninger.

Kort beskrivelse av tegningene

Fig. 1 viser et skjematisk sideriss av et kjent bølgekraftaggregat av den type som oppfinnelsen angår,

fig. 2 viser et snitt etter linjen 11-11 på fig. 1,

fig. 3 viser en detalj med et bølgekratfaggregat som faller utenfor oppfinnelsens ramme,

fig. 4 er en kurve som illustrerer fjærkraften som funksjon av bevegelses-strekningen ved bølgekraftaggregatet ifølge fig. 3,

fig. 5 viser på samme måte som fig. 3 en tilsvarende detalj ved et bølgekraftverk ifølge oppfinnelsen,

fig. 6 er en kurve som svarer til kurven på fig. 4 og som er relatert til fig. 5,

fig. 7 viser et alternativt utførelseseksempel på en detalj av oppfinnelsen,

fig. 8 er en kurve som svarer til kurven på fig. 4 og 5, og som er relatert til eksempelet på fig. 7,

fig. 9 viser et ytterligere alternativt utførelseseksempel på en detalj av oppfinnelsen,

fig. 10 er en kurve som svarer til kurven på fig. 4 og 5 og som er relatert til eksempelet på fig. 9,

fig. 11 viser et ytterligere alternativt utførelseseksempel av en detalj av oppfinnelsen,

fig. 12 er en kurve som svarer til kurven på fig. 4 og 5 og som er relatert til eksempelet på fig. 11,

fig. 13 er en tilsvarende kurve som illustrerer et ytterligere utførelseseksempel, fig. 14 illustrerer et alternativt utførelseseksempel på fjæringsorganet,

fig. 15 illustrerer et ytterligere alternativt utførelseseksempel på fjæringsorganet,

fig. 16 er en grafisk fremstilling som illustrerer alternative forbindelser mellom rotorens stilling og fjæringskraften,

fig. 17 er et skjema som illustrerer sammenkoplingen av flere aggregater ifølge oppfinnelsen til et bølgekraftverk,

fig. 18 illustrerer hvordan bølgekraftaggregatet danner et bølgekraftverk og hvordan det er tilkoplet til et elnett,

fig. 19 viser et sideriss av bølgekraftaggregatene tilkoplet til et stillverk,

fig. 20 illustrerer i et grunnriss en alternativ måte for å forbinde bølgekraft-aggregatene med et nettverk,

fig. 21-24 er skjemaer som illustrerer forskjellige eksempler på omforming av spenningen ved et kraftverk ifølge oppfinnelsen,

fig. 25 illustrerer et alternativt likerettingseksempel, og

fig. 26 viser et sideriss av et alternativt utførelseseksempel.

Beskrivelse av fordelaktige utførelseseksempler

Fig. 1 illustrerer prinsippet for et bølgekraftaggregat ifølge oppfinnelsen. Et flytelegeme 3 er innrettet til å flyte på havflaten 2. Bølger bibringer flytelegemet 3 en frem- og tilbakegående vertikalbevegelse. Ved bunnen 1 er en lineærgenerator 5 forankret via en i bunnen festet basisplate 8 som kan være en betongplate. Lineærgeneratorens stator 6a, 6c er festet til basisplaten 8. Statoren består av fire vertikale, søyleliknende statorpakker av hvilke bare to er synlige på figuren. I rommet mellom statorpakkene er generatorens rotor 7 anordnet. Denne er forbundet med flytelegemet 3 ved hjelp av en line 4. Rotoren 7 er av permanentmagnetisk materiale.

Basisplaten 8 har et sentralt anordnet hull 10, og konsentrisk med dette er et bunnhull 9 anordnet i havbunnen. Bunnhullet 9 kan hensiktsmessig være boret. Ved bunnhullets 9 nedre ende er det festet en trekkfjær 11 som med sin andre ende er festet til rotorens 7 nedre ende. Hullet 10 i basisplaten 8 og bunnhullet 9 har en diameter som tillater at rotoren 7 kan bevege seg fritt gjennom disse.

Hver statorpakke 6a, 6c er sammensatt av et antall moduler. I det viste eksempel er det på statorpakken 6a markert hvordan denne er oppdelt i tre vertikalt fordelte moduler 61, 62, 63.

Når flytelegemet 3 på grunn av bølgebevegelsene i havflaten 2 beveger seg opp og ned, overføres denne bevegelse via linen 4 til rotoren 7 som får en tilsvarende frem- og tilbakegående bevegelse mellom statorpakkene. Dermed genereres strøm i statorviklingene. Bunnhullet 9 tillater at rotoren kan passere hele statoren i sin nedadgående bevegelse. Trekkfjæren 11 gir en tilskuddskraft for den nedadgående bevegelse, slik at linen 4 hele tiden holdes strukket.

Fjæren kan også være utformet slik at den i visse situasjoner også kan utøve en oppadrettet kraft. Med et reguleringsorgan 28 kan fjærens fjærkonstant reguleres slik at resonans oppnås i så stor del av tiden som mulig.

For å kunne motstå saltvann, er statoren helt eller delvis impregnert med VPI eller silikon.

Fig. 2 viser et snitt etter linjen IMI på fig. 1. I dette eksempel har rotoren 7 kvadratisk tverrsnitt, og en statorpakke 6a-6d er anordnet ved hver av rotorens 7 sider. Den respektive statorpakkes vikling er betegnet med 12a-12d. Av figuren fremgår også platenes orientering i hver statorpakke. Luftgapet mellom rotoren og den tilgrensende statorpakke er av størrelsesorden noen mm.

Grunnprinsippet for den foreliggende oppfinnelse er illustrert på fig. 3-6. Fig. 3 illustrerer skjematisk et bølgekratfaggregats rotor 7, en til denne festet trekkfjær 11 og linen 4 som forbinder rotoren 7 med flytelegemet. Figuren er ment å anskueliggjøre det problem til hvilket oppfinnelsen er relatert, og viser derfor en utførelse som ligger utenfor oppfinnelsens ramme. Rotoren er vist i sin nedre maksimale endestilling. Figuren er forsynt med en lengdeskala der 0 representerer rotorens nedre endestilling og 4 dens øvre endestilling. Lengdeenheten kan for enkelhets skyld angis å være meter. I den nedre endestilling av rotoren er fjæren i sin nøytralstilling og utøver ingen kraft på rotoren 7. Når rotoren trekkes oppover av flytelegemets løftebevegelse, spennes fjæren 11 slik at rotoren ved s = 1 påvirkes av en trekkraft Fi fra trekkfjæren, og ved s = 2 av en trekkraft F2 fra trekkfjæren etc. Kraften fra fjæren er proporsjonal med forlengelsen, slik at F2 = 2 F! etc.

Dette er illustrert i diagrammet på fig. 4 der fjæringskraften F er angitt som funksjon av rotorens avstand s fra sin nedre endestilling. Denne øker altså kraftig under den oppadgående bevegelse, noe som fører til de ulemper som er angitt i beskrivelsens innledning. Også ved forholdsvis moderat bølgeamplitude svarende til en slaglengde på halvparten av den maksimale, varierer kraften med en faktor 3. F0 = kraften i den nedre endestilling = 0. F4 = kraften i den øvre endestilling. For en amplitude på 90 % av den maksimale slaglengde vil kraften variere med en faktor på 19.

Fig. S illustrerer på tilsvarende måte som fig. 3 et bølgekratfaggregat ifølge oppfinnelsen. Her er trekkfjæren 11 forspent når rotoren befinner seg i sin nedre endestilling. I denne stilling har fjæren 11 en lengde som er tre ganger dens lengde i nøytralstillingen. Dermed påvirkes rotoren allerede i sin nedre maksimale endestilling av en kraft F0 fra fjæren. Fjærkraften Fi når rotoren forflytter seg 1 meter oppover, blir med

det angitte utgangspunkt Fl =—3 F0.1 stillingen 2 meter ovenfor endestillingen blir kraften

2

1 - fr

I diagrammet på fig. 6 er det på tilsvarende måte som på fig. 1 illustrert hvordan kraften varierer med rotorens avstand fra sin nedre endestilling. Kraften vil variere med en faktor på 3 mellom endestillingene. Ved rotorbevegelser på halve den maksimale slaglengde vil kraften som mest variere med en faktor på 1,7. Ved rotorbevegelser som svarer til 90 % av den maksimale slaglengde, vil kraften variere med en faktor på ca. 3.

En utførelse ifølge fig. 5 reduserer således vesentlig problemet med varierende kraft, selv om det er i begrenset grad. Det som etterstrebes, er å få hellingen på kurven så flat som mulig. Enda flatere helning kan selvsagt oppnås ved å benytte en enda lengre fjær som i rotorens nedre endestilling er mer uttrukket enn i det eksempel som er vist på fig. 5. Det kan imidlertid medføre praktiske ulemper å ha en meget lang trekkfjær. En tilsvarende virkning kan i stedet oppnås ved å la fjæringsorganet være sammensatt av flere separate fjæringselementer som er koplet på en slik måte at en flat karakteristikk oppnås i F-s-diagrammet.

På fig. 7 er det vist en alternativ utførelsesform der fjæringsorganet utgjøres av en torsjonsfjær lia som er koplet til rotoren via en bevegelsesoverførende mekanisme 13 som omformer lineær bevegelse til rotasjonsbevegelse.

Med en passende utførelse av torsjonsfjæren og dennes forspenningsgrad kan det oppnås en forholdsvis flat F-s-kurve, slik som vist på fig. 8, der fjærkraften på rotoren mellom dennes maksimale endestillinger varierer mindre enn 20 %. Fig. 9 illustrerer et ytterligere alternativt utførelseseksempel på oppfinnelsen. Fjæringsorganet utgjøres her av en gassfjær 1 lb. En slik fjær er særlig passende i denne sammenheng, da gassfjærer finnes i utførelser der fjærkraften er i hovedsaken konstant uavhengig av forlengelsen. Fig. 10 illustrerer dette i en grafisk fremstilling av tilsvarende type som i de tidligere viste diagrammer.

Et ytterligere utførelseseksempel er vist på fig. 11. Ved statorpakkens øvre ende er det på hver statorenhet festet et stag 14 på hvilket det er festet et respektivt gummilegeme 15. Når rotoren 7 nærmer seg sin øvre endestilling, vil den i sluttfasen ligge an mot gummilegemene 15 som da presses sammen. Gummilegemene utgjør derved en del av det totale fjæringsorgan som påvirker rotoren 7 og som for øvrig kan omfatte ett av de tidligere beskrevne fjæringselementer. Hensikten med gummilegemene er å få en myk innbremsing av rotoren nær endestillingen.

Fra det øyeblikk da rotoren kommer i kontakt med gummilegemene 15, adderes en nedad rettet kraft på rotoren, hvilken kraft vokser meget kraftig når den presser sammen gummilegemene. Dette forløp illustreres grafisk på fig. 12.

Et tilsvarende arrangement kan anordnes ved rotorens nedre maksimale endestilling. Denne utførelse er representert i diagrammet på fig. 13.

Det skal påpekes at ovenstående beskrivelse utgår fra en idealisert forenkling. Bildet kompliseres av at flytelegemets opp- og nedadgående bevegelse er uensartet, avhengig av bølgenes form. Videre vil flytelegemets nedsenkning i vannet bli påvirket i avhengighet av motkraftens størrelse, hvilket sammen med linens tøyelighet gir et ytterligere tilskudd av elastiske krefter. Disse aspekter innvirker imidlertid forholdsvis marginalt, og fjerner ikke relevansen av det grunnleggende prinsipp.

Fig. 14 illustrerer hvordan fjæringsorganet lic kan være sammensatt av flere fjærer der hver fjær kan ha en spesiell karakteristikk og der innfestingspunktene kan være på forskjellig høyde. Forskjellige typer av fjærer kan inngå og være koplet på forskjellige måter til hverandre.

Fig. 15 illustrerer hvordan et fjæringsorgans fjærkraft kan styres. Dette symboliseres på figuren med en forskyvbar innfestingsstøtte 16 hvis stilling påvirkes av en styreenhet 17. Denne kan være innrettet til automatisk å styre innfestingsstøttens stilling som svar på signaler fra en avfølingsenhet 18 som f.eks. kan avføle den i statoren genererte strøm.

Fjærkraftens størrelse som funksjon av rotorens stilling trenger ikke nødvendigvis å være lineær. Fig. 16 illustrerer noen eksempler der dette ikke er tilfelle. Funksjonen kan således være slik at fjærkraften øker kraftigere jo større rotorens avstand fra bunnstillingen er, hvilket tilsvarer kurve A. Det motsatte kan også være tenkelig, slik som i kurve B. Kurvene C og D representerer forløp der fjærkraften har henholdsvis et maksimum og et minimum i rotorens midtstilling. Kurve E illustrerer et ytterligere alternativ der funksjonen er sammensatt av flere lineære delstrekninger. De illustrerte funksjoner kan oppnås ved passende kombinasjon av fjærer og/eller styring av kraften til den respektive fjær.

Et bølgekraftverk ifølge oppfinnelsen består av to eller flere aggregater av den ovenfor beskrevne type. Fig. 17 illustrerer hvordan disse sammenkoples for å levere energi til et elnett. I det viste eksempel består kraftverket av tre aggregater som er symbolsk betegnet med 20a-20c. Hvert aggregat er via en bryter eller kontaktor 21 og en likeretter 22 tilkoplet til en vekselretter 23, i en bipolar kopling ifølge figuren. På figuren er koplingsskjemaet uttegnet bare for aggregatet 20a. Man vil forstå at de øvrige aggregater 20b, 20c er tilkoplet på tilsvarende måte. Vekselretteren 23 leverer trefasestrøm til elnettet 25, eventuelt via en transformator 24 og/eller et filter. Likeretterne kan være dioder som kan være styrt og av typen IGBT, GTO eller tyristor, eller de kan omfatte styrte bipolare komponenter eller være ikke-styrte.

Spenningene på DC-siden kan være parallellkoplet, seriekoplet eller en kombinasjon av begge deler. Fig. 18 illustrerer et bølgekraftverk hvor flere generatorer 20a, 20b, 20c er sammenkoplet. Ved hver generator er det anordnet en likeretter, og via kabler 39 som er anordnet på havbunnen føres DC-strømmen til en stasjon på land med en vekselretter 23, en transformator 24 og et filter 41 hvorfra elenergien leveres til et fordelings- eller transmisj onsnett. Fig. 19 illustrerer i en prinsippskisse et ytterligere fordelaktig eksempel ifølge oppfinnelsen. Et stillverk 101 er anordnet hvilende på havbunnen B. Stillverket består av en vanntett beholder som er dannet av en huskappe 102 og en bunnplate 103 som eksempelvis kan være av betong. Stillverket 101 er forankret i havbunnen B. Generatorene 104-109 i et antall bølgekraftaggregater er tilkoplet til stillverket.

Hvert generatoraggregat 104-109 er elektrisk forbundet med stillverket 101 ved hjelp av ledninger 110-115 som via gjennomføringer i huskappen 102 er tilkoplet til komponentene inne i stillverket. Spenningen mates fra det respektive aggregat som lavspent like- eller vekselspenning.

Komponentene i stillverket 101 er av konvensjonell type og er ikke uttegnet på figurene. Disse komponenter kan omfatte halvledere, likerettere, brytere,...

Gjennom utgående ledninger 116 leverer stillverket en utgående like- eller vekselspenning, fortrinnsvis høyspenning. Vekselspenningen er lavfrekvent og kan være tre- eller flerfaset. Også standardrfekvenser, så som 50 eller 60 Hz, kan anvendes. Ved hjelp av den i stillverket anordnede transformator omformes innkommende lavspenning til utgående høyspenning. Likerettere eller vekselrettere i stillverket anvendes i forekommende tilfeller når omforming DC-AC eller omvendt er aktuelt.

Spenningen leveres til en på land beliggende mottaksstasjon, eventuelt via en mellomstasjon, for å mates ut på et elnett.

Fig. 20 illustrerer et eksempel på et system ifølge oppfinnelsen som kan være formålstjenlig når et større antall generatoraggregater inngår i systemet. Figuren er en symbolrepresentasjon av systemet sett i fugleperspektiv og viser et havområde H i figurens venstre del og et landområde L i dens høyre del. Komponentene i den venstre del av figuren er beliggende delvis under og delvis over vannflaten.

Systemet omfatter en første gruppe generatoraggregater 104a-106a, en andre gruppe generatoraggregater 104b-106b og en tredje gruppe generatoraggregater 104c-106c. Den første gruppes generatoraggregater 104a-106a er via undervannsledninger forbundet med et første stillverk 101a som er beliggende under vannflaten. På tilsvarende måte er begge de øvrige grupper av generatoraggregater 104b-106b og 104c-106c tilkoplet til et andre 101b henholdsvis et tredje 101c stillverk. Hvert av stillverkene 101a-101c er via undervannsledninger 116a-116c tilkoplet til en mellomstasjon 117 som også er beliggende under vannflaten. Fra mellomstasjonen 117 ledes spenningen som lavfrekvent, trefaset vekselspenning via undervannsledninger 118 til en på land beliggende mottaksstasjon 119. I mottaksstasjonen omformes spenningen til en standardrfekvens, så som 50 eller 60 Hz.

Avstanden mellom generatoraggregatene og mottaksstasjonen kan være fra en kilometer til mange 10-talls kilometer. Når systemet er oppbygget ifølge fig. 20, må avstanden mellom på den ene side stillverkene og mellomstasjonen og på den annen side mellom mellomstasjonen og mottaksstasjonen optimeres.

Overføringen fra generatoraggregatene til en mottaksstasjon på land kan skje på forskjellige måter med forskjellige omforminger av spenningen. Fig. 21-24 illustrerer skjematisk noen eksempler på dette. I hvert eksempel er generatoraggregatene anordnet lengst til venstre og mottaksstasjonen på land L lengst til høyre. Med 121 symboliseres en omretter/vekselretter og med 122 en spenningsøkende transformator. På fig. 21 og 22 leverer generatoraggregatene en likespenning som på fig. 21 overføres til land som vekselspenning og på fig. 22 som likespenning. På fig. 23 og 24 leverer generatoraggregatene en vekselspenning som omformes til likespenning. På fig. 23 overføres spenningen til land som vekselspenning og på fig. 24 som likespenning.

Mange andre koplingsalternativer finnes innenfor oppfinnelsens ramme. Eksempelvis kan man benytte en helbølgelikeretter av den type som er vist på fig. 25.

I hvert stillverk 101 og/eller i mellomstasjonen 117 kan det også rommes energilagre og filtre. Energilagrene kan eksempelvis utgjøres av batterier, kondensatorer, SMES-typer, svinghjul eller kombinasjoner av disse. Filtrene kan omfatte aktive komponenter på tilsvarende måte som ved omrettere, eller også passive LC-filtre liksom elektromekaniske komponenter, så som svinghjulsomformer eller synkronkompensator.

På fig. 26 er et bølgekraftaggregat ifølge et alternativt utførelseseksempel på oppfinnelsen vist i et skjematisk sideriss. Et flytelegeme 3 er innrettet til å flyte på havflaten 2. Ved bunnen 1 er en elektrisk synkrongenerator 305 med permanent-magnetrotor forankret via en i bunnen festet basisplate 8. Generatoren 305 er anordnet i et væsketett hus som er dannet av basisplaten 8 og en kappe 306. Huset er saltvannsbestandig og vanntett. Eventuelt kan det være fylt av en gass eller en væske. Generatorens 305 rotoraksel 309 strekker seg ut gjennom en tettet gjennomføring i en av husets vegger. På den utragende del av rotorakselen 309 er et dreielegeme 310 dreiefast forbundet med akselen. Dreielegemet 310 er utformet som en sirkulærsylinder med konkav mantelflate. Akselen understøttes roterbart av et første lager 311 som er anordnet på den fra husets vendende side av dreielegemet 310, og andre og tredje lagre 312 hhv. 313 som er anordnet i en respektiv av husets vegger.

En line 4 er med sin ene ende festet til flytelegemet 3 og med sin andre ende festet til dreielegemet 310. Linen 4 er festet til dreielegemet 310 på en slik måte at den kan rulles opp på dette. Til huset er det festet en linefører 314 gjennom hvilken linen 4 strekker seg. En fjær 315 er innrettet til å utøve en dreiekraft på rotorakselen 309 i en første dreieretning. Fjæren kan være en sylindrisk spiralfjær av typen klokkefjær. En fjær kan også være anordnet på generatorens andre side. Ved hjelp av en reguleringsanordning 319 kan fjærens fjærkonstant reguleres. Reguleringsanordningen er hensiktsmessig radiostyrt.

Bølgebevegelser på havflaten 2 bibringer flytelegemet 3 en frem- og tilbakegående bevegelse i vertikalretningen. Når flytelegemet 3 befinner seg i en bølgedal, er en del av linen opprullet rundt dreielegemet 310. Når flytelegemet av bølgebevegelser heves fra denne stilling, rulles linen av fra dreielegemets 310 slik at dette settes i rotasjon i en retning som er rettet motsatt av fjærens 315 dreieretning, slik at fjæren spennes. Dette fortsetter inntil flytelegemet 3 har nådd en bølgetopp. Ved den etterfølgende nedadgående bevegelse av flytelegemet 3 vil den på grunn av oppoverbevegelsen spente fjær 15 dreie dreielegemet i den andre retning, slik at linen rulles opp på dreielegemet. Ved hjelp av regulering av fjæren kan et resonansarbeidspunkt oppnås. Flytelegemets 3 bevegelser omformes på denne måte til en oscillerende rotasjonsbevegelse av dreielegemet 310, og således også av generatorens 305 rotor.

En kabel 316 er forbundet med generatorens statorvikling og leder via en kabelgjennomføring ut strømmen utenfor huset. Kabelen er inne i huset forsynt med en strømbryter eller kontakter 321 og en diode 322 for likeretting. Dioden kan være styrt, eksempelvis en tyristor, IGBT eller GTO, eller være ikke-styrt.

I huset kan det også være anordnet komponenter for overvåking og regulering.

Claims (44)

1. Bølgekraftaggregat omfattende et flytelegeme (3) og en elektrisk lineærgenerator (5) hvis rotor (7) ved hjelp av et forbindelsesorgan (4) er forbundet med flytelegemet slik at en løftekraft overføres fra flytelegemet (3) til rotoren (7), og hvis stator (6) er innrettet til å forankres til hav/sjø-bunnen (1), hvilket aggregat også omfatter et fjæringsorgan (11, lia, 11b) som er innrettet til å utøve en kraft på rotoren (7), hvilken kraft under i det minste en del av rotorens (7) bevegelse er rettet motsatt av den av flytelegemet (3) på rotoren (7) utøvede løftekraft, idet rotoren (7) som følge av bevegelser av flytelegemet (3) og den av fjæringsorganet (11,1 la, 1 lb) utøvede kraft er innrettet til å utføre en frem- og tilbakegående bevegelse mellom to endestillinger som definerer rotorens (7) slaglengde, idet aggregatet er innrettet for en bestemt maksimal slaglengde, karakterisert ved at fjæringsorganet (11, lia, 11b) er innrettet til, ved en bevegelsesamplitude som tilsvarer 50 % av rotorens (7) maksimale slaglengde, å utøve en kraft hvis størrelse varierer med en faktor som er høyst 2,5.

2. Bølgekratfaggregat ifølge krav 1, karakterisert ved at størrelsen av den nevnte kraft varierer med en faktor som er høyst 1,25.

3. Bølgekraftaggregat ifølge krav 2, karakterisert ved at størrelsen av den nevnte kraft er i hovedsaken konstant.

4. Bølgekratfaggregat ifølge ett av kravene 1-3, karakterisert ved at fjæringsorganet (11, lia, 11b) er innrettet til, ved en bevegelsesamplitude som svarer til 90 % av rotorens (7) maksimale slaglengde, å utøve en kraft hvis størrelse varierer med en faktor som er høyst 10.

5. Bølgekratfaggregat ifølge krav 4, karakterisert ved at fjæringsorganet (11, lia, 11b) er innrettet til, ved en bevegelsesamplitude som tilsvarer 90 % av rotorens (7) maksimale slaglengde, å utøve en kraft hvis størrelse varierer med en faktor som er høyst 1,5.

6. Bølgekratfaggregat ifølge ett av kravene 1-5, karakterisert ved at fjæringsorganet omfatter en gassfjær (1 lb).

7. Bølgekratfaggregat ifølge ett av kravene 1-6, karakterisert ved at fjæringsorganet omfatter en mekanisk fjær (11,1 la).

8. Bølgekratfaggregat ifølge ett av kravene 1-7, karakterisert ved at fjæringsorganet har ulineær fjærkarakteristikk.

9. Bølgekraftaggregat ifølge ett av kravene 1-8, karakterisert ved at fjæringsorganet omfatter en aktivt styrt fjær.

10. Bølgekratfaggregat ifølge ett av kravene 1-9, karakterisert ved at fjæringsorganet omfatter flere fjærer.

11. Bølgekraftaggregat ifølge ett av kravene 1-10, karakterisert ved at fjæringsorganet er innrettet til, under en kort strekning nær den endestilling av rotoren (7) som tilsvarer flytelegemets (3) stilling for en bølgetopp ved maksimal slaglengde, å utøve en kraft som er flere ganger større enn den maksimale kraft under en bevegelsesamplitude på 90 % av rotorens (7) maksimale slaglengde.

12. Bølgekratfaggregat ifølge krav 11, karakterisert ved at den nevnte korte strekning utgjør mindre enn 10 % av rotorens maksimale slaglengde.

13. Bølgekratfaggregat ifølge krav 11 eller 12, karakterisert ved at fjærorganet (11, lia, 11b, 15) er slik anordnet at kraften nær den nevnte endestilling øker med avtakende avstand til endestillingen.

14. Bølgekraftaggregat ifølge ett av kravene 11-13, karakterisert ved at fjæringsorganet (11, lia, 11b, 15) omfatter ett eller flere separate fjæringselementer (15) for anvendelse av kraft under den nevnte korte strekning.

15. Bølgekratfaggregat ifølge krav 14, karakterisert ved at hvert av de nevnte separate fjæringselementer (15) utgjøres av en mekanisk trykk- eller trekkfjær.

16. Bølgekraftaggregat ifølge ett av kravene 1-15, karakterisert ved at rotoren (7) er permanentmagnetisk, og at statoren (6) omfatter en vikling som danner flere spoler som er fordelt i rotorens (7) bevegelsesretning.

17. Bølgekratfaggregat ifølge ett av kravene 1-16, karakterisert ved at rotoren omfatter flere permanentmagneter som er fordelt i rotorens bevegelsesretning.

18. Bølgekraftaggregat ifølge ett av kravene 1-17, karakterisert ved at statoren (6) omfatter flere statorpakker (6a-6d) som er jevnt fordelt rundt rotoren.

19. Bølgekratfaggregat ifølge krav 18, karakterisert ved at rotoren (7) har form av en regulær polygon, og at antall statorpakker (6a-6d) er lik antall sider av polygonen.

20. Bølgekratfaggregat ifølge krav 18 eller 19, karakterisert ved at hver statorpakke (6a-6d) er sammensatt av flere moduler som er anordnet etter hverandre i rotorens (7) bevegelsesretning.

21. Bølgekraftaggregat ifølge ett av kravene 18-20, karakterisert ved at rotoren omfatter flere i omkretsretningen fordelte permanentmagneter som er slik anordnet at en permanentmagnet i et vilkårlig tverrsnitt av rotoren vender mot hver statorpakke.

22. Bølgekratfaggregat ifølge ett av kravene 1-21, karakterisert ved at i det minste en del av forbindelsesorganet (4) er fleksibelt.

23. Bølgekratfaggregat ifølge ett av kravene 1-22, karakterisert ved at forbindelsesorganets lengde er regulerbar.

24. Bølgekratfaggregat ifølge ett av kravene 1-23, karakterisert ved at det omfatter en utvekslingsanordning som tilveiebringer et utvekslingsforhold mellom flytelegemets bevegelse og rotorens bevegelse.

25. Bølgekratfaggregat ifølge ett av kravene 1-24, karakterisert ved at lineærgeneratoren er innesluttet i et vanntett hus.

26. Bølgekraftaggregat ifølge ett av kravene 1-25, karakterisert ved at statoren er i det minste delvis innstøpt i et fast materiale, og/eller at rotoren er i det minste delvis innstøpt i et fast materiale, hvilket materiale fortrinnsvis er betong.

27. Bølgekraftaggregat ifølge ett av kravene 1-26, karakterisert ved at rotoren er hul og forsynt med både utad- og innadrettede permanentmagneter, og at statorpakken er anordnet både på rotorens utside og dens innside.

28. Bølgekraftaggregat ifølge ett av kravene 1-27, karakterisert ved at flytelegemet via forbindelsesorganet er forbundet med flere lineærgeneratorers respektive rotor.

29. Bølgekraftaggregat ifølge ett av kravene 1-28, karakterisert ved at statorviklingene er tilkoplet til en likeretter, hvilken likeretter fortrinnsvis er anordnet inntil lineærgeneratoren under vannflaten, i forekommende tilfeller fortrinnsvis inne i huset.

30. Bølgekraftaggregat ifølge ett av kravene 1-15, karakterisert ved at lineærgeneratoren er erstattet av en roterende generator, og at fjæren er innrettet til å utøve et dreiemoment på rotoren.

31. Bølgekraftverk, karakterisert ved at det omfatter flere bølgekraftaggregater (20a-20c) ifølge ett av kravene 1-30.

32. Bølgekraftverk ifølge krav 31, karakterisert ved at minst ett elektrisk stillverk er tilkoplet til bølgekraftaggregatene, hvilket stillverk omfatter en vanntett beholder som rommer stillverkskomponenter, hvilken beholder er forankret i havbunnen.

33. Bølgekraftverk ifølge krav 32, karakterisert ved at flere stillverk er tilkoplet til bølgekraftaggregatene, idet hvert stillverk er tilkoplet til et antall bølgekraftaggregater.

34. Bølgekraftverk ifølge krav 32 eller 33, karakterisert ved at hvert stillverk er tilkoplet til en på land anordnet mottaksstasjon.

35. Bølgekraftverk ifølge ett av kravene 32-34, karakterisert ved at minst ett av stillverkene omfatter en spenningshevende transformator, og/eller at mellomstasjonen omfatter en spenninghevende transformator.

36. Bølgekraftverk ifølge ett av kravene 32-35, karakterisert ved at minst ett av stillverkene og/eller mellomstasjonen omfatter en omretter.

37. Bølgekraftverk ifølge ett av kravene 32-36, karakterisert ved at minst ett av stillverkene og/eller mellomstasjonen omfatter energilagringsorganer.

38. Bølgekraftverk ifølge ett av kravene 32-37, karakterisert ved at minst ett av stillverkene og/eller mellomstasjonen omfatter filtreringsorganer for filtrering av utgående og/eller innkommende strøm og spenning.

39. Bølgekraftverk ifølge ett av kravene 32-38, karakterisert ved at minst ett av stillverkene og/eller mellomstasjonen er fylt av ikke-korrosiv, bufret væske.

40. Bølgekraftverk ifølge ett av kravene 32-39, karakterisert ved at et filter og/eller en transformator er anordnet etter vekselretteren.

41. Bølgekraftverk ifølge krav 40, karakterisert ved at vekselretteren, filteret og/eller transformatoren er anordnet på land.

42. Bølgekraftverk ifølge ett av kravene 31-41, karakterisert ved at hvert bølgekratfaggregat er tilkoplet til vekselretteren via en på eller nær hav/sjø-bunnen anordnet ledning.

43. Anvendelse av et bølgekraftaggregat ifølge ett av kravene 1-30 for å generere elektrisk energi.

44. Fremgangsmåte for å generere elektrisk energi, karakterisert ved at den elektriske energi genereres ved hjelp av ett eller flere bølgekraftaggregater ifølge ett av kravene 1-30.