NO332564B1 - Bolgekraftanordning med generator - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en bølgekraftanordning for konvertering av energi fra bølger i en vannmasse til elektrisk energi. Foreliggende oppfinnelse vedrører også anvendelse av slik bølgekraftanordning, og fremgangsmåte for konvertering av mekanisk energi fra et panel i en bølgekraftanordning til elektrisk energi.

US2010111609 (Espedal) beskriver et bølgeenergioppsamlingsapparat omfattende en ramme inkluderende minst en hengslet vertikalt vippende eller roterende overflate, så som en barriere i form av et panel eller et seil, for oppsamling av energi fra gjennomgående bølgetrykkfronter via en vippende eller roterende bevegelse innenfor rammen, hvori hengselen er plassert nedenfor fluidets overflate ved de gjennomgående bølgenes bølgedal, hvor barrieren er forbundet med en anordning i stand til å omforme den vippende eller roterende bevegelsen til forskjellige typer energi, hvori apparatet ligger i en slik dybde at den vippende eller roterende barrieren bryter de gjennomgående bølgenes overflate ved bølgekammen. Trykket fra bølgene får panelet til å rotere rundt hengselen. Dette genererer trykk i en hydraulisk pumpe. Trykket overføres gjennom et rør til en hydraulisk motor som er forbundet med en elektrisk generator som produserer elektrisk strøm.

Videre beskriver WO2006/100436A1 (Aquamarine Power Limited) en bølgekraftkonverteringsanordning for bruk i relativt grunt vann, som har en basedel for forankring til bunnen av en vannmasse og en oppstående klaffedel som er dreiehengslet til basedelen. Klaffedelen er forspent vertikalt og pendler frem og tilbake fra vertikal stilling i respons på bølgebevegelser som utøves på dens flater. Kraftuthentingsmidler utvinner energi fra klaffedelens bevegelse. Spesifikt omfatter kraftuthentingsmidlene en hydraulisk motor som er forbundet via et svinghjulenergilager til et elektrisk generatorsystem med variabel hastighet.

Imidlertid har apparatet i US2010111609 og anordningen i WO2006/100436A1 den ulempen at midlene for å konvertere panelets eller klaffens bevegelse til strøm er komplisert (US2010111609 så vel som WO2006/100436A1 anvender et hydraulisk system for energikonvertering) og krever mye vedlikehold og også lider av høye energitap.

US2010242826 beskriver en anordningsmodul som omfatter i det minste et legeme som fungerer som en base, to eller flere utvinningsenheter anordnet legemet for utvinning av bølgeenergi, samlemiddel for å samle energi utvinnet av utvinningsenhetene, en kabel for overføring av samlet energi for ytterligere anvendelse, og en kabelrenne utstyrt med et beskyttende lag for sammenføring av alle utvinningsenhetene i anordningsmodulen i det minste til samlemiddelet. Hver utvinningsenhet omfatter i det minste en plate som vingelement som er hengslet ved dens nedre kant på legemet av anordningsmodulen, og utvinningsmiddelene for bølgeenergien.

Et formål med den foreliggende oppfinnelsen er minst delvis å overkomme den/de ovenfor nevnte ulempe(r), og å tilveiebringe en forbedret bølgekraftanordning, en bølgekraftanordning som især er robust og effektiv når det vedrører konvertering av bevegelsen til et panel derav til strøm.

Disse formålene, og andre formål som vil fremgå av beskrivelsen som følger, oppnås gjennom en bølgekraftanordning, anvendelse derav og en fremgangsmåte for konvertering av mekanisk energi fra et panel i en bølgekraftanordning til elektrisk energi ifølge de vedlagte selvstendige kravene. Utførelsesformer legges frem i de vedlagte uselvstendige kravene.

Ifølge et aspekt av den foreliggende oppfinnelsen tilveiebringes en bølgekraftanordning for konvertering av energi fra bølger i en vannmasse til elektrisk energi, der anordningen er flytende eller flytbar og omfatter: en støttestruktur; et panel så som en klaff eller en vinge, hengslet til støttestrukturen, hvor panelet er anpasset for å beveges av bølger som passerer anordningen, noe som resulterer i en vippende eller roterende bevegelse av panelet i forhold til støttestrukturen; en elektrisk generator som er mekanisk koblet til panelet, hvor den elektriske generatoren er anpasset for å konvertere den mekaniske energien fra panelets vippende eller roterende bevegelse til elektrisk energi og en girmekanisme, hvori den elektriske generatoren er koblet til panelet via girmekanismen.

Ved å ha en elektrisk generator mekanisk koblet til panelet, verken trengs eller anvendes det noe hydraulisk system. Dette tilveiebringer en robust bølgekraftanordning med reduserte krav til vedlikehold da færre deler er påkrevd for energikonverteringen. Samtidig, ved å utelate hydrauliske systemer eller lignende mellom panelet og den elektriske generatoren reduseres energi(konverterings)tap og kraftvirkningsgraden forbedres

Girmekanismen kan ha et utvekslingsforhold som øker den elektriske generatorens hastighet sammenlignet med panelets vippende eller roterende bevegelse. Girmekanismen kan for eksempel ha et utvekslingsforhold på 1:10 (panel:elektrisk generator). Ved å øke generatorens hastighet blir strømgenereringen i den foreliggende anordningen mer effektiv. Girmekanismen kan inkludere en ring med større diameter forbundet med panelet og utstyrt med tenner, og en pinjong med mindre diameter forbundet med den elektriske generatoren og anpasset for å gripe inn i ringens tenner. Videre kan støttestrukturen inkludere et vesentlig horisontalt avlangt element, så som en stav eller et rør, hvori panelet er festet til elementet ved hjelp av minst et lager tilveiebrakt rundt elementet, ringen i girmekanismen tilveiebringes også rundt elementet og pinjongen tilveiebringes på en akse som er vesentlig parallell med elementet.

Videre kan minst en av de elektriske generatorene og enhver girmekanisme være montert på utsiden av støttestrukturen. Ved å plassere den elektriske generatoren (og/eller enhver girmekanisme) på utsiden av støttestrukturen, er det ikke behov for vanntette forbindelser gjennom støttestrukturen, mye av støttestrukturens innside kan anvendes til oppbevaring av ballastvann (se nedenfor), og vannmassen den foreliggende anordningen er plassert i når den er i bruk tilveiebringer "automatisk" god kjøling av den utvendige elektriske generatoren (og enhver girmekanisme). Samlet oppnås forbedret kraftvirkningsgrad og forbedret kjøling.

Panelets akse eller rotasjons- (eller vippe)senter kan også være inni støttestrukturen.

Bølgekraftanordningen kan videre omfatte minst en ballasttank tilveiebrakt inni støttestrukturen og midler for å fylle og tømme denne minst ene ballasttanken. Den minst ene ballasttanken og midlene for å fylle og tømme denne minst ene ballasttanken kan være av typen som fremlegges i søkerens sideløpende søknad kalt "Bølgekraftanordning med minst en ballasttank", hvis innhold er inntatt heri ved referansen.

Bølgekraftanordningen kan videre omfatte en frikoblingsmekanisme anpasset for å koble ut (mekanisk eller elektrisk) den elektriske generatoren når en kraft som utøves på panelet overskrider en gitt verdi. Når den elektriske generatoren er utkoblet, genererer ikke panelet strøm, men beveger seg kun etter bølgene, hvorved kraften på bølgekraftanordningen kan minimeres dersom uvanlig kraftige bølger slår mot anordningen.

Et annet aspekt av den foreliggende oppfinnelsen vedrører anvendelse av en bølgekraftanordning ifølge beskrivelsen ovenfor for konvertering av energi fra bølger i en vannmasse til elektrisk energi ved å plassere en slik bølgekraftanordning i vannmassen. Dette aspektet kan forevise samme eller liknende trekk og tekniske effekter som det tidligere beskrevne aspektet av oppfinnelsen.

Ifølge enda et annet aspekt av den foreliggende oppfinnelsen, tilveiebringes en fremgangsmåte for konvertering av mekanisk energi fra et panel i en flytende eller flytbar bølgekraftanordning til elektrisk energi, hvori bølgekraftanordningen inkluderer en støttestruktur og panelet, for eksempel en klaff eller en vinge, er hengslet til støttestrukturen, hvor panelet er anpasset for å beveges av bølger som passerer anordningen, noe som resulterer i en vippende eller roterende bevegelse av panelet i forhold til støttestrukturen, hvor fremgangsmåten omfatter: tilveiebringing av en elektrisk generator som er mekanisk koblet til panelet, via en girmekanisme, hvor den elektriske generatoren er anpasset for å konvertere den mekaniske energien fra panelets vippende eller roterende bevegelse til elektrisk energi. Dette aspektet kan forevise samme eller liknende trekk og tekniske effekter som de tidligere beskrevne aspektene av oppfinnelsen.

Disse og andre aspekter av den foreliggende oppfinnelsen vil nå bli beskrevet mer detaljert, med referanse til vedlagte tegninger som viser foretrukne utførelsesformer av oppfinnelsen på det nåværende tidspunkt.

Fig. 1 er en perspektivskisse av en bølgekraftanordning.

Fig. 2 er en perspektivskisse av en bølgekraftanordning ifølge en utførelsesform av den foreliggende oppfinnelsen.

Fig. 3 viser en girmekanisme i anordningen i fig. 2.

Fig. 1 er en perspektivskisse av en bølgekraftanordning eller et bølgekraftanlegg 10.

Bølgekraftanordningen 10 omfatter en støttestruktur 12. Støttestrukturen 12 inkluderer fire horisontale sylinderformede rør 14a-d utgjørende deler av et kvadrat eller rektangel. I hvert hjørne av kvadratet eller rektangelet er det oppført et opprettstående rør 16a-d. Det bør noteres at "horisontal" og "opprettstående" (eller "vertikal") her henviser til en tenkt typisk orientering av bølgekraftanordningen 10 som vist i fig. 1, men selvsagt kan den virkelige orienteringen av anordningen (10) variere i drift f.eks. grunnet innkommende bølger.

Bølgekraftanordningen 10 kan videre omfatte minst en vannballasttank 18 tilveiebrakt inni rørene 14 og/eller 16, og midler 20 for fylling av ballastvann fra en omliggende vannmasse 22 inn i den minst ene ballasttanken 18 og for tømming av ballastvann fra den minst ene ballasttanken 18. Slik midler 20 kan inkludere en innløps/uttaksventil og en pumpe. Den minst ene ballasttanken 18 og midlene 20 er kun skjematisk indikert i fig. 1.

Bølgekraftanordningen 10 omfatter videre fire paneler 24a-d. Hvert panel 24 har form av en klaff eller vinge. To paneler 24a-b er festet til et av de horisontale rørene 14a, mens de andre to panelene 24c-d er festet del det motliggende horisontale røret 14c. Hvert panel 24 er horisontalt hengslet til dets horisontale rør 14 ved hjelp av minst et lager 26. Hvert lager 26 er tilveiebrakt rundt det aktuelle horisontale røret 14, med en indre ring av lageret 26 festet til røret 14 og en ytre ring av lageret 26 festet til den (nedre) kanten 28 av panelet 24. På denne måten kan panelene 24 rotere 360 grader rundt sitt respektive rammerør 14, selv om innskrenkninger kan tilføyes for å begrense roteringen eller vippingen av panelene 24.

Videre er hvert panel 24 flytedyktig eller inkluderer flytedyktige elementer slik at panelene 24, når bølgekraftanordningen 10 er minst delvis nedsenket i en vannmasse, streber mot vertikal stilling. Alternativt eller komplementært kan midler for å forspenne panelene 24 mot vertikal stilling være inkludert i bølgekraftanordningen 10. Slike midler kan for eksempel inkludere fjærer eller tilsvarende festet mellom støttestrukturen og panelene.

Bølgekraftanordningen 10 omfatter videre et flertall elektriske generatorer 30 a-d, fortrinnsvis en elektrisk generator 30 per panel 24. Hver elektriske generator 30 er ringformet og tilveiebrakt rundt det aktuelle vannrette røret 14, ved siden av lagrene 26, som vist i fig. 1. Hver elektriske generator 30 er videre mekanisk direktekoblet til sitt panel 24, nemlig til den nedre kanten 28 av sitt panel 24, slik at mekanisk energi fra en vippende eller roterende bevegelse av panelet 24 rundt sitt rammerør 14 kan konverteres av den elektriske generatoren 30 til elektrisk energi eller strøm. Eksempler på elektriske generatorer som kan anvendes i den foreliggende anordningen er modellene XTLV3 og XTHV1000 kommersielt tilgjengelig fra Smartmotor AS i Norge.

Bølgekraftanordningen 10 kan videre omfatte en frikoblingsmekanisme skjematisk indikert ved tallreferanse 32. Frikoblingsmekanismen 32 er anpasset for automatisk å koble ut en eller flere av de elektriske generatorene 30 når en kraft som utøves på det/de respektive panelet/panelene 24 overskrider en gitt verdi. Den/de elektriske generatoren(e) 30 kan utkobles fysisk og mekanisk fra panelet/panelene 24, eller generatoren(e) 30 kan frakobles elektrisk fra hovedforsyningsnettet eller lignende. Når en elektrisk generator 30 er utkoblet, genererer ikke det tilknyttede panelet 24 strøm, men beveger seg kun etter bølgene, hvorved kraften på bølgekraftanordningen 10 kan minimeres dersom uvanlig kraftige bølger slår mot anordningen, som en såkalt hundreårsbølge.

I bruk eller drift er bølgekraftanordningen 10 minst delvis nedsenket i vannmassen 22, typisk i havet, slik at de øvre kantene 34 av panelene 24, når sistnevnte er i loddrett posisjon, er rett over vannflaten. I den hensikt kan bølgekraftanordningen 10 være flytende eller flytbar og enhver ballasttank(er) 18 kan anvendes for omhyggelig å kontrollere dybden til anordningen 10. Forankringsutstyr 36 kan anvendes for å forankre bølgekraftanordningen til havbunnen. I en alternativ utførelsesform, kan anordningen 10 stå direkte på havbunnen. I en annen alternativ utførelsesform, holdes anordningen 10 i en GPS-posisjon ved hjelp av et DPS (dynamisk posisjoneringssystem), hvor propeller eller tilsvarende anvendes for å kompensere enhver deviasjon eller avdrift.

Bølger som nærmer seg og passerer bølgekraftanordningen 10 beveger panelene 24, noe som resulterer i en vippende eller roterende bevegelse av panelene 24 i forhold til støttestrukturen 12 (indikert ved den krumme pilen i fig. 1), som i det ovenfor nevnte US 2010111609 hvis innhold er inntatt heri ved referansen. Ulikt den spesifikke fremleggelsen i US 2010111609 konverteres dog den mekaniske energien fra den vippende eller roterende bevegelsen av panelet 24 i den foreliggende anordningen 10 direkte til strøm ved hjelp av en elektrisk generator 30 som er mekanisk koblet til panelet 22. Dette gir forbedret robusthet og reduserte energi(konverterings)tap, som omtalt ovenfor.

Det bør noteres at kraftuttaksmidlene (f. eks. generatorene 30) er tilveiebrakt på utsiden av rørene 14a, 14c, men rotasjonspunktene eller -aksene til panelene 24 er inni rørene 14a, 14c. De siste balanserer kreftene mot bølgekraftanordningen, mens ingen gjennomgående bøssinger er påkrevd i støttestrukturen for kraftuttaksmidlene, hvorved den samlede styrken til anordningen 10 er forbedret.

Fig. 2 er en perspektivskisse av en bølgekraftanordning 10' ifølge en utførelsesform av den foreliggende oppfinnelsen. BølgekraftanordningenlO' i fig. 2 kan ligne bølgekraftanordningen 10 i fig. 1, men anordningen 10' inkluderer videre girmekanismene 38 a-d tilkoblet mellom hvert panel 24 og en respektiv elektrisk generator 30'. Girmekanismene 38 tilveiebringes som regel for å øke hastigheten til den elektriske generatoren 30' sammenlignet med den vippende eller roterende bevegelsen til panelene 24, for å gjøre strømgenereringen mer effektiv. I den hensikt er et egnet utvekslingsforhold i girmekanismen 38 1:10 (panel.-elektrisk generator), selv om andre utvekslingsforhold hvori hastigheten til den elektriske generatoren 30' er økt sammenlignet med den vippende eller roterende bevegelsen til panelet 24 kan tenkes.

Et eksempel på en girmekanisme 38 vises i detalj i fig. 3. Hver girmekanisme 38 inkluderer en ring 40 med større diameter tilveiebrakt rundt røret 14a eller 14c. Ringen 40 er festet til en del 42 (f.eks. lignende lager 26) som roterer eller dreier sammen med panelet 24.

Hver girmekanisme 38 inkluderer videre en pinjong 44. Pinjongen 44 har en mindre diameter enn ringen 40 og er anordnet for å gripe inn i tennene 46 til ringen med større diameter 40. Pinjongen 44 er videre forbundet med generatoren 30' via en akse, skjematisk indikert ved 48, hvor aksen 48 kan være vesentlig parallell med røret 14a eller 14c. Her er ikke den elektriske generatoren 30' en ringformet elektrisk generator som i fig. 1, men den kan i stedet være av en mer konvensjonell type.

I en alternativ utførelsesform (ikke vist) av bølgekraftanordningen 10', kan ringen med større diameter tilveiebringes med tenner på innsiden, mens utsiden av ringen er festet til et respektivt panel, for eksempel ved den nedre kanten derav. Ringen med større diameter er videre tilpasset i et hus dannet av de to ytre ringene og en indre ring. Denne tilpasningen gjør at ringen med større diameter fritt kan rotere rundt det horisontale røret i støttestrukturen sammen med panelet. Videre er pinjongen i denne utførelsesformen anordnet for å gripe inn i tennene til ringen med større diameter i en åpning i den indre ringen.

I bruk eller i drift fungerer bølgekraftanordningenlO' på lignende måte som bølgekraftanordningen 10 i fig. 1, men girmekanismene 38 øker hastighetene til de elektriske generatorene 30', hvorved strømgenereringen blir mer effektiv.

De ovenfor beskrevne anordningene 10 og 10' kan for eksempel utplasseres

i områder med moderate bølgeforhold, nemlig 2-6 meter sjø, og de kan inngå i et offshore vindfarmområde.

Fagpersoner vil forstå at den foreliggende oppfinnelsen på ingen måte er begrenset til utførelsesformene beskrevet ovenfor. Tvert imot er mange endringer og variasjoner mulige innenfor rammen av de vedlagte krav.

For eksempel, selv om patentkravene beskriver 'et panel' og 'en elektrisk generator' osv. ekskluderer ikke dette at den foreliggende oppfinnelsen kan inneholde ytterligere slike elementer, som eksemplifisert ovenfor.

Claims (13)

1. Bølgekraftanordning (10') for konvertering av energi fra bølger i en vannmasse (22) til elektrisk energi, der anordningen er flytende eller flytbar og omfatter: en støttestruktur (12); et panel (24), så som en klaff eller en vinge, hengslet til støttestrukturen, hvor panelet er anpasset for å beveges av bølger som går gjennom anordningen, noe som resulterer i en vippende eller roterende bevegelse av panelet i forhold til støttestrukturen; en elektrisk generator (30') mekanisk koblet til panelet, hvor den elektriske generatoren er anpasset for å konvertere den mekaniske energien fra panelets vippende eller roterende bevegelse til elektrisk energi; og en girmekanisme (38), hvori den elektriske generatoren (30') er koblet til panelet via girmekanismen.

2. Bølgekraftanordning ifølge krav 1, hvori girmekanismen har et utvekslingsforhold som øker den elektriske generatorens hastighet sammenlignet med panelets vippende eller roterende bevegelse.

3. Bølgekraftanordning ifølge krav 1 eller 2, hvori girmekanismen inkluderer en ring med større diameter (40) forbundet med panelet og utstyrt med tenner (42), og en pinjong med mindre diameter (44) forbundet med den elektriske generatoren og anpasset for å gripe inn i ringens tenner.

4. Bølgekraftanordning ifølge krav 3, hvori støttestrukturen inkluderer et vesentlig horisontalt avlangt element (14a, 14c), så som en stav eller et rør, panelet er festet til elementet ved hjelp av minst et lager (26) tilveiebrakt rundt elementet, ringen (40) i girmekanismen tilveiebringes også rundt elementet og pinjongen tilveiebringes på en akse (48) som er vesentlig parallell med elementet.

5. Bølgekraftanordning ifølge et hvilket som helst foregående krav, hvori minst en av de elektriske generatorene og enhver girmekanisme er montert på utsiden av støttestrukturen.

6. Bølgekraftanordning ifølge et hvilket som helst foregående krav, hvori panelets rotasjons- eller vippeakse eller -senter er inni støttestrukturen.

7. Bølgekraftanordning ifølge et hvilket som helst foregående krav, videre omfattende minst en ballasttank (18) tilveiebrakt inni støttestrukturen og midler (20) for å fylle og tømme denne minst ene ballasttanken.

8. Bølgekraftanordning ifølge et hvilket som helst foregående krav, videre omfattende en frikoblingsmekanisme anpasset for å koble ut den elektriske generatoren når en kraft som utøves på panelet overskrider en gitt verdi.

9. Bølgekraftanordning ifølge krav 1, der støttestrukturen inkluderer fire horisontale rør (14a-d) utgjørende deler av et kvadrat eller rektangel.

10. Anvendelse av bølgekraftanordning (10') ifølge et hvilket som helst foregående krav for konvertering av energi fra bølger i en vannmasse (22) til elektrisk energi ved å plassere en slik bølgekraftanordning i vannmassen.

11. Fremgangsmåte for konvertering av mekanisk energi fra et panel (24) i en flytende eller flytbar bølgekraftanordning (10<1>) til elektrisk energi, hvori bølgekraftanordningen inkluderer en støttestruktur (12) og panelet, for eksempel en klaff eller en vinge, er hengslet til støttestrukturen, hvor panelet er anpasset for å beveges av bølger som passerer anordningen, noe som resulterer i en vippende eller roterende bevegelse av panelet i forhold til støttestrukturen, hvor fremgangsmåten omfatter: tilveiebringing av en elektrisk generator (30') som er mekanisk koblet til panelet via en girmekanisme (38), hvor den elektriske generatoren er anpasset for å konvertere den mekaniske energien fra panelets vippende eller roterende bevegelse til elektrisk energi.

12. Fremgangsmåte ifølge krav 11, der støttestrukturen inkluderer fire horisontale rør (14a-d) utgjørende deler av et kvadrat eller rektangel.

13. Fremgangsmåte ifølge krav 11 eller 12, der bølgekraftanordningen videre omfatter minst en ballasttank (18) tilveiebrakt inni støttestrukturen og midler (20) for å fylle og tømme denne minst ene ballasttanken.