NO341375B1 - Produksjon av energi fra havbølger ved oppankret skrog med vertikalakslet turbiner, som er opplagret i enden av ben festet til bunnen av skroget - Google Patents

Description

PRODUKSJON AV ENERGI FRA HAVBØLGER VED OPPANKRET SKROG MED VERTIKALAKSLET TURBINER, SOM ER OPPLAGRET I ENDEN AV BEN FESTET TIL BUNNEN AV SKROGET.

Oppfinnelsen angår en mekanisk anordning til produksjon av energi fra havbølger.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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

Fig. 3 viser bølgekraftverket sett mot den ene tverrenden av skroget.

Fig. 4 viser et oppankret bølgekraftverk sett ovenfra ved moderate bølger.

Fig. 5 viser et bølgekraftverk sett ovenfra ved ekstrembølger.

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.