NO341375B1

NO341375B1 - Production of energy from ocean waves at anchored hull with vertical shaft turbines, which are stored at the end of legs attached to the bottom of the hull

Info

Publication number: NO341375B1
Application number: NO20161747A
Authority: NO
Inventors: Ole Martin Eines
Original assignee: Ole Martin Eines
Priority date: 2016-11-03
Filing date: 2016-11-03
Publication date: 2017-10-23
Also published as: NO20161747A1

Description

PRODUKSJON AV ENERGI FRA HAVBØLGER VED OPPANKRET SKROG MED VERTIKALAKSLET TURBINER, SOM ER OPPLAGRET I ENDEN AV BEN FESTET TIL BUNNEN AV SKROGET. PRODUCTION OF ENERGY FROM OCEAN WAVES BY ANCHORED HULL WITH VERTICAL SHAFT TURBINES, WHICH ARE STORED AT THE END OF LEG ATTACHED TO THE BOTTOM OF THE HULL.

Oppfinnelsen angår en mekanisk anordning til produksjon av energi fra havbølger. The invention relates to a mechanical device for the production of energy from ocean waves.

Formålet med et bølgekraftverk er å hente ut energi fra havbølger. Bølger er bevegelse av de øverste vannlagene av vannmassene i havet. Vannmassene beveger seg i sirkler, opp og fram og ned og tilbake. Energien i en bølge kommer fra bevegelsen av vannpartiklene i bølgen, og forplanter seg gjennom fire faser: 1. bølgetopp, 2. nedadgående bevegelse, 3. bølgedal, 4. oppadstigende bevegelse. The purpose of a wave power plant is to extract energy from ocean waves. Waves are the movement of the upper water layers of the water masses in the sea. The water masses move in circles, up and forward and down and back. The energy in a wave comes from the movement of the water particles in the wave, and propagates through four phases: 1. wave crest, 2. downward movement, 3. wave trough, 4. upward movement.

Utfordringene til en anordning som skal produsere energi fra havbølger, er at den skal tåle ekstrem bølger, samtidig som at den skal produsere energi fra moderate bølger, altså fra små til middels store bølger, og med virkningsgrad som gir en akseptabel kWh-pris. The challenges for a device that will produce energy from ocean waves is that it must withstand extreme waves, while at the same time that it must produce energy from moderate waves, i.e. from small to medium-sized waves, and with an efficiency that gives an acceptable kWh price.

I dag foregår energiproduksjon fra havbølger ved anordninger som stort sett er på prototypstadiet. Teknologien som benyttes i dag har til felles at den bare utnytter energien i den vertikale bevegelsen til en bølge og derfor ikke kan oppnå forsvarlig lønnsomhet ved utbygging av større anlegg. Det å kombinere solide konstruksjoner som skal tåle ekstrem bølger, og som samtidig skal oppnå tilstrekkelig høy virkningsgrad ved moderate bølger og dermed akseptabel kWh-pris, er en utfordring som ennå ikke er løst. Today, energy production from ocean waves takes place with devices that are mostly at the prototype stage. The technology used today has in common that it only utilizes the energy in the vertical movement of a wave and therefore cannot achieve reasonable profitability when developing larger facilities. Combining solid constructions that must withstand extreme waves, and which must at the same time achieve a sufficiently high degree of efficiency in moderate waves and thus an acceptable kWh price, is a challenge that has not yet been solved.

En av utfordringene er at anordningen skal absorbere energi fra alle de fire fasene i en bølge, samtidig som dens energiproduserende deler skal tåle de store kreftene i bølgenes overflate. Med dagens løsninger oppnås det bare å absorbere energi fra en eller to av fasene i bølgen. Dermed blir energien som tas ut av bølgen lav i forhold til bølgens totale energi, altså vil dagens løsninger ha lav virkningsgrad. One of the challenges is that the device must absorb energy from all four phases of a wave, while at the same time its energy-producing parts must withstand the large forces in the waves' surface. With today's solutions, it is only possible to absorb energy from one or two of the phases in the wave. As a result, the energy taken out of the wave is low in relation to the wave's total energy, so today's solutions will have a low degree of efficiency.

Ved å benytte et skrog med vertikalakslet turbiner opplagret i enden av ben festet til undersiden av skroget, slik at turbinakslene er parallelle med skrogets kjøl, og oppankret med slak fortøyning festet til tverrendene på skroget på en slik måte, at langsiden av skroget ligger på tvers av bølgeretningen, vil det kunne produseres energi fra alle de fire fasene i en bølge. Vertikalakslet turbiner er retningsuavhengig med hensyn til vannets strømningsretning. Skroget vil bevege seg vertikalt mellom en bølgedal, via påfølgende bølgetopp, til neste bølgedal. Samtidig vil det få en slingrebevegelse mellom to påfølgende bølgedaler. Skroget vil dermed få en total bevegelse mellom to påfølgende bølgedaler som er sammensatt av den vertikale bevegelsen og slingringen. Turbinene på undersiden av skroget vil dermed følge skrogets bevegelse, slik at de følger en bane som er avhengig av skrogets vertikale bevegelse og skrogets utsving på grunn av slingringen. Avstanden mellom bunnen av skroget ned til turbinene, altså benenes lengde, vil bestemme lengden på banen som turbinene følger for en bølgelengde. Tverrsnittet av benene er utformet slik at vannmotstanden blir minst mulig ved slingrebevegelsen. Dermed vil mest mulig av bevegelsesenergien fra skroget bli brukt til å bevege turbinene i vannmassene. Valg av type vertikalakslet turbin vil være baser på turbinens virkningsgrad og robusthet. Turbinenes diameter tilpasses slik at størst energiproduksjon oppnås. By using a hull with a vertical shaft, turbines supported at the end of legs attached to the underside of the hull, so that the turbine shafts are parallel to the hull's keel, and anchored with slack moorings attached to the transverse ends of the hull in such a way that the long side of the hull lies across of the wave direction, it will be possible to produce energy from all four phases in a wave. Vertical-shaft turbines are direction-independent with respect to the water's flow direction. The hull will move vertically between a wave trough, via successive wave crests, to the next wave trough. At the same time, there will be a wobble movement between two successive wave troughs. The hull will thus have a total movement between two successive wave valleys which are composed of the vertical movement and the swaying. The turbines on the underside of the hull will thus follow the hull's movement, so that they follow a path that depends on the hull's vertical movement and the hull's deflection due to the yaw. The distance between the bottom of the hull down to the turbines, i.e. the length of the legs, will determine the length of the path that the turbines follow for a wavelength. The cross-section of the legs is designed so that the water resistance is as small as possible during the swinging movement. Thus, as much as possible of the kinetic energy from the hull will be used to move the turbines in the water masses. The choice of type of vertical-shaft turbine will be based on the turbine's efficiency and robustness. The diameter of the turbines is adjusted so that the greatest energy production is achieved.

Ved ideelle bølger vil turbinene oppnå en kontinuerlig rotasjon med variabel rotasjonshastighet mellom to bølgedaler. Turbinenes rotasjon overføres via et vinkeldrev og en aksling til en generator i bunnen av skroget. Dermed vil denne mekaniske anordningen produsere energi fra bølgens alle fire faser. In ideal waves, the turbines will achieve a continuous rotation with a variable rotation speed between two wave valleys. The rotation of the turbines is transmitted via an angle drive and a shaft to a generator at the bottom of the hull. Thus, this mechanical device will produce energy from all four phases of the wave.

Den ene fortøyningen er festet til tverrenden av skroget via en vinsj, slik at den kan slakkes eller strammes fra vinsjen, mens den andre fortøyningen er festet i den motsatte tverrenden av skroget. Ved moderate bølger vil vinsjen regulere lengden på fortøyningen slik at skrogets langsider, og dermed turbinakslingen, ligger på tvers av bølgeretningen. Ved ekstrembølger vil vinsjen kunne slakke den ene fortøyningen slik at skrogets langsider blir liggende i bølgeretningen. Skroget vil være fortøyd i den faste fortøyningen og vil dermed kunne tåle ekstrem bølgenes store krefter. Kreftene i vannmassene som bølgene skaper, avtar med økende avstand fra havoverflaten. Ved skrogben på 20 - 30 meter, vil turbinene ha en avstand fra havoverflaten som gjør at vannmassenes turbulente krefter er små, samtidig som at turbinene får en begrenset vertikal bevegelse. Dermed vil kreftene som virker på turbinene, ikke kunne skade turbinene ved ekstrem bølger. One mooring is attached to the transverse end of the hull via a winch, so that it can be slackened or tightened from the winch, while the other mooring is attached to the opposite transverse end of the hull. In moderate waves, the winch will regulate the length of the mooring so that the long sides of the hull, and thus the turbine shaft, lie across the direction of the waves. In extreme waves, the winch will be able to loosen one mooring so that the long sides of the hull lie in the direction of the waves. The hull will be moored in the fixed mooring and will thus be able to withstand the great forces of extreme waves. The forces in the water masses that the waves create decrease with increasing distance from the sea surface. With hull legs of 20 - 30 metres, the turbines will have a distance from the sea surface which means that the turbulent forces of the water masses are small, while at the same time that the turbines have a limited vertical movement. Thus, the forces acting on the turbines will not be able to damage the turbines during extreme waves.

Det er foretatt tester med en 17 fots båt med kjøl, oppankret slik som beskrevet overfor ved moderate bølger, altså på tvers av bølgeretningen. En vertikalakslet turbin med diameter på 50 cm. var opplagret i enden av to ben som vårfestet til båten og som stakk ca. 3 meter på undersiden av båten. Turbinakslingen var parallell med kjølen. Ved ca. 1 meter høye bølger gikk turbinen med kontinuerlig rotasjon og med variabel rotasjonshastighet. Gjennomsnittlig rotasjonshastigheten ble målt til ca. 30 omdr./minutt med ubelastet turbinaksling. Dette viser at denne mekaniske anordningen henter ut energi fra alle fasene i en havbølge. Dermed vil bølgekraftverk basert på denne teknologien, gi stor utnyttelse av energipotensialet i havbølger, og dermed lav kilowattimepris. Tests have been carried out with a 17-foot boat with a keel, anchored as described above in moderate waves, i.e. across the wave direction. A vertical-shaft turbine with a diameter of 50 cm. was stored at the end of two legs which were spring-attached to the boat and which stuck approx. 3 meters on the underside of the boat. The turbine shaft was parallel to the keel. At approx. 1 meter high waves, the turbine ran with continuous rotation and with variable rotation speed. The average rotation speed was measured at approx. 30 rpm with unloaded turbine shaft. This shows that this mechanical device extracts energy from all phases of an ocean wave. Thus, wave power plants based on this technology will make great use of the energy potential in ocean waves, and thus low kilowatt-hour prices.

Bølgekraftverket er ifølge oppfinnelsen vist på følgende tegninger. Tegningene er ikke i målestokk. Fig. 1 viser et oppankret bølgekraftverk med skrog, rørformede, bardunerte ben festet til bunnen av skroget, med vertikalakslet turbiner opplagret i enden av benene. Figuren viser et bølgekraftverk med to turbiner. Fig. 2 viser skroget sett mot den ene langsiden, hvor generator med generatoraksling og vinsj til den ene fortøyningen er tatt med According to the invention, the wave power plant is shown in the following drawings. The drawings are not to scale. Fig. 1 shows an anchored wave power plant with a hull, tubular, bar-dunned legs attached to the bottom of the hull, with vertical shaft turbines stored at the end of the legs. The figure shows a wave power plant with two turbines. Fig. 2 shows the hull viewed from one long side, where the generator with generator shaft and winch for one mooring are included

Fig. 3 viser bølgekraftverket sett mot den ene tverrenden av skroget. Fig. 3 shows the wave power plant seen towards one transverse end of the hull.

Fig. 4 viser et oppankret bølgekraftverk sett ovenfra ved moderate bølger. Fig. 4 shows an anchored wave power plant seen from above in moderate waves.

Fig. 5 viser et bølgekraftverk sett ovenfra ved ekstrembølger. Fig. 5 shows a wave power plant seen from above during extreme waves.

Fig. 6 viser turbinens bevegelsesbane for en bølgelengde ved moderate bølger. Fig. 1 viser bølgekraftverket som flyter i havoverflaten 4 ved moderate bølger med bølgeretning 5. Skroget 1 er forankret til en moring 16 på havbunnen 15. Forankringen skjer via fortøyninger 14, 17 til skrogets tverrender 18,19. Vertikalakslet turbiner 12 er opplagret med lager 10 i endene av benene 7 som er festet til skrogets bunn, slik at turbinakslingene 11 er parallelle med skrogets langside. Turbinenes rotasjon overføres fra turbinakslingen via vinkeldrevet 13 og en aksling 22 omsluttet av et rør 8, til en generator i bunnen av skroget. En luke 2 som er omgitt av et rekkverk 3 gir adgang til generator og elektrisk utstyr på innsiden av skroget 1. Benene er avstivet med barduner 6 og stag 9. Fig. 2 viser bølgekraftverket sett mot skrogets langside. Turbinakslingen 11 er parallell med skrogets kjøl 23 og turbinenes rotasjon overføres fra turbinakslingene 11 via vinkeldrevet 13 og akslingen 22 til generatoren 20. Fortøyning 17 har fast feste til skrogets tverrende 18 og fortøyning 14 er festet til tverrende 19 ved en vinsj med automatisk styring 21, som holder skroget i ønsket posisjon i forhold til bølgeretningen. Fig. 3 viser bølgekraftverket sett mot skrogets tverrende 19. 8 er et rør med lager for generatorakslingen 22. Fig. 4 viser bølgekraftverket sett ovenfra, oppankret slik at skroget 1 ligger på tvers av bølgeretningen 5 ved moderat bølgehøyde, ved at vinsjen 21 reguleres slik at fortøyning 14 har tilnærmet samme lengde som den faste fortøyningen 17. Fig. 5 viser bølgekraftverket sett ovenfra ved ekstrem bølger. Vinsjen 21 slakker ut fortøyning 14 tilstrekkelig, slik at skroget blir oppankret kun i den faste fortøyningen 17 og dermed blir liggende med tverrende 18 mot bølgeretningen. Fig. 6 viser turbinens bevegelsesbane 27 ved en bølgehøyde 24 på ca. 5 meter, total slingrevinkel 26 på ca. 40<0>og avstand mellom skrogbunn og turbinaksling 25 på ca. 20 meter ved ubelastet turbin. Fig. 6 shows the turbine's movement path for a wavelength in moderate waves. Fig. 1 shows the wave power plant floating in the sea surface 4 in moderate waves with wave direction 5. The hull 1 is anchored to a mooring 16 on the seabed 15. The anchoring takes place via moorings 14, 17 to the hull's transverse ends 18,19. The vertical shaft turbine 12 is supported by bearings 10 at the ends of the legs 7 which are attached to the bottom of the hull, so that the turbine shafts 11 are parallel to the long side of the hull. The rotation of the turbines is transferred from the turbine shaft via the angular drive 13 and a shaft 22 enclosed by a pipe 8, to a generator at the bottom of the hull. A hatch 2 which is surrounded by a railing 3 gives access to the generator and electrical equipment on the inside of the hull 1. The legs are braced with bar dunnage 6 and struts 9. Fig. 2 shows the wave power plant viewed against the long side of the hull. The turbine shaft 11 is parallel to the hull's keel 23 and the rotation of the turbines is transferred from the turbine shafts 11 via the angle drive 13 and the shaft 22 to the generator 20. Mooring 17 has a fixed attachment to the hull's transverse end 18 and mooring 14 is attached to transverse end 19 by a winch with automatic steering 21, which keeps the hull in the desired position in relation to the wave direction. Fig. 3 shows the wave power plant seen against the transverse end 19 of the hull. 8 is a pipe with a bearing for the generator shaft 22. Fig. 4 shows the wave power plant seen from above, anchored so that the hull 1 lies across the wave direction 5 at moderate wave height, by adjusting the winch 21 as follows that mooring 14 has approximately the same length as the fixed mooring 17. Fig. 5 shows the wave power plant seen from above during extreme waves. The winch 21 slackens the mooring 14 sufficiently, so that the hull is anchored only in the fixed mooring 17 and thus lies with the transverse end 18 against the direction of the waves. Fig. 6 shows the turbine's movement path 27 at a wave height 24 of approx. 5 metres, total swing angle 26 of approx. 40<0> and distance between hull bottom and turbine shaft 25 of approx. 20 meters with an unloaded turbine.

Claims

Patent requirements.

1. Wave power plants are characterized by the fact that a hull is anchored to the seabed with a slack mooring attached to each of the hull's transverse ends, where one mooring has a fixed attachment to one transverse end and the other mooring is attached to a winch that is attached to the other transverse end to the hull.

2. Wave power plant according to claim 1 is characterized by the fact that in moderate waves the winch at the transverse end of the hull will tighten the mooring so that the long side of the hull lies approximately perpendicular to the wave direction.

3. Wave power plants according to requirements (1 – 2) characterized by the fact that during extreme waves the winch at the transverse end of the hull loosens the mooring sufficiently so that the hull is anchored in the fixed mooring, and the long sides of the hull lie in the direction of the waves.

4. Wave power plants according to requirements (1 – 3) characterized by the fact that tubular legs are attached in pairs to the underside of the hull in such a way that the support of the vertical shaft turbines can be attached to the end of the legs via bearings.

5. Wave power plants according to requirements (1 – 4) are characterized by the fact that the turbines are stacked so that the turbine shaft is parallel to the longitudinal direction of the hull.

6. Wave power plant according to requirements (1 – 5) characterized by the fact that steel cables are attached between the tubular legs and the underside of the hull, and tightened so that a plane through each pair of legs is approximately perpendicular to the bottom of the hull.

7. Wave power plant according to requirements (1 – 6) characterized in that the rotation of the turbine shaft is transmitted via an angle drive and a shaft to a generator at the bottom of the hull.