NO346423B1 - Flytende bølgeenergiomformerenhet - Google Patents

Description

Beskrivelse

Flytende bølgeenergiomformerenhet

Foreliggende oppfinnelse gjelder en flytende bølgeenergiomformerenhet bestående av flere artikulerte bøyer/oppdriftselementer med strømgeneratorer og stempelstenger arrangert rundt periferien av hver bøye og som er festet med leddkoplinger til en felles neddykket basekonstruksjon hengende i bøyene som da gjør det mulig å utnytte svai bevegelsene av bøyene til relativbevegelse i stempelstang/strømgenerator systemet idet bølgene passerer konstruksjonen. Enheten er slakkforankret til havbunnen.

Et bølgekraftanlegg vil bestå av flere slike bølgeenergiomformerenheter plassert i et grid der antallet bestemmes ut fra energibehovet.

Bakgrunn for oppfinnelsen og teknikkens stilling

Det er hevet over tvil at energitettheten av bølger er betydelig regnet pr. kvadratmeter havoverflate. Det finnes i dag en rekke ideer, forslag og utprøving av ulike bølgeenergiomformere, men det store gjennombruddet er ennå ikke kommet. Det er flere årsaker til dette som blant annet 1) kostnader i forhold til effekt, 2) strukturell integritet ved ekstreme sjøtilstander og 3) vedlikehold og levetids aspekter.

Det finnes en mengde foreslåtte bølgeenergiomformere og det kommer stadig nye. Eksempler på kjente løsninger er punktomformere der en bøye er festet til et bunnfast fundament med en wire og som henter ut energien ved heve/senke bevegelser idet bølgene passerer. Energiavtaket kan da tas ut ved relativbevegelser enten i fundamentet eller oppe i oppdriftselementet. Det finnes også flytende punktomformere som består av en flytende bøye som kan gli vertikalt i forhold til en rør-stamme forbundet til en neddykket dempekonstruksjon der energien tas ut ved relative heve/senke bevegelser mellom stamme og oppdriftselementet.

Det finnes også eksempler på bunnfaste punktomformere som utnytter frem og tilbake bevegelse av bøyen for å hente ut energien. En slik variant er beskrevet i patent FR2985549A1. Dette patentet beskriver en bølgeenergiomformerenhet bestående av en artikulert bøye/søyle med tre hydrauliske pumpeanordninger arrangert rundt bøyen og festet til nedre del av søylen og mot et bunnfast fundament. En generell anvendbarhet begrenses derfor av vanndypet.

Videre finnes der løsninger bestående av en slangelignende konstruksjon som flyter på overflaten som tilstreber å følge bølgeprofilet for derved å ta ut energien ved relative vinkelendringer mellom leddene i slangen. Videre finnes også et flytende konsept der to parallelle vegger er festet til en søylestabilisert konstruksjon der veggene fanger frem og tilbake kraften i bølgene og overfører denne kraften til generatorer nede på bunnrammen gjennom rotasjon. Dette konseptet er blitt modifisert ved at de stabiliserende søylene er blitt fjernet, og i stedet benytter de svaiende veggene for hydrostatisk stabilitet. Det finnes også bunnfaste konsepter bestående av en vertikal vegglignende konstruksjon som beveger seg frem og tilbake i takt med bølgene der energien tas ut ved en eksentrisk montert hydraulisk pumpe mellom fundament og veggkonstruksjon som pumper vann opp til et landbasert basseng. En annen bunnfast variant benytter eksentriske hydrauliske pumper mellom fundament og den drivende veggkonstruksjonen og pumper olje under høyt trykk inn i et system bestående av turbin/generator som lager strøm. De veggbaserte konstruksjonene er avhengige av at bølgene hovedsakelig kommer fra en bestemt retning og plasseres derfor normalt nærme land siden bølgene hovedsakelig slår mot land, mens punktomformere er uavhengig av bølgeretningen og kan derfor plasseres langt fra land. Vindgenererte bølger vil normalt ikke være langkammet regulære bølger, men snarere tilfeldig og kortkammet med en viss energispredning. Punktomformere vil for virkelige sjøtilstander fange energi fra alle retninger.

Fordelene med min oppfinnelse «Flytende bølgeenergiomformerenhet» er at den gjøres uavhengig av vanndypet og kan installeres der vanndypet er større enn det som er begrensningen for de andre kjente bunnfaste punktomformerne. I forhold til de andre kjente flytende punktomformerne som hovedsakelig utnytter heve/senke bevegelsen, vil min oppfinnelse utnytte frem og tilbake bevegelsen for å hente ut energien. Denne funksjonaliteten tilveiebringes av måten oppdriftselementene/ bøyene og de lineære generatorene er festet til den felles basekonstruksjonen på. For å oppnå en stabil flytende konstruksjon må basekonstruksjonen ha minimum tre bøyer/oppdriftselementer som bryter vannlinjen. Konstruksjonen er slakkforankret slik at den vil kunne bevege seg noe i takt med de kraftigste sjøtilstandene for derved å redusere ekstrembelastningen.

Hensikten med oppfinnelsen

Formålet med foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe en miljøvennlig og effektiv bølgeenergiomformer som ivaretar kravet til kostnadseffektivitet. Dette oppnås ifølge oppfinnelsen ved at enheten er flytende, og at den består av flere bøyer montert på en felles basekonstruksjon. Videre at bøyene/oppdriftselementene utnytter frem og tilbake kraften i bølgene idet disse passerer, som da medfører at oppdriftselementene svinger frem og tilbake og gir vinkelendringer mellom disse og basekonstruksjonen. Denne vinkelendringen kan så utnyttes til å utføre et arbeid, kraft ganger vei, ved at det monteres stempelstenger og lineære strømgeneratorer mellom basekonstruksjonen og oppdriftselementene fordelt rundt omkretsen av oppdriftselementene, og eksentrisk i forhold til omdreiningspunktet for oppdriftselementene. Stempelstengene/strømgeneratorene kan være vertikale eller skråstilte. Horisontallasten på ett oppdriftselement og kreftene i tilhørende stempelstenger gir et bøyemoment i basekonstruksjonen som balanseres av motstående oppdriftselementer og vice versa. Basekonstruksjonen blir stabilisert av vannlinjearealet til oppdriftselementene, selv om disse svaier frem og tilbake, og i tillegg vil de kasseformede hjørneområdene virke som hydrodynamiske dempeplater slik at konstruksjonen har liten heve/senke/rotasjons bevegelse for de sjøtilstandene som bidrar mest til det totale energiopptaket gjennom et helt år. For de store bølgene vil konstruksjonen til dels følge bølgehevningen og unngår derved overbelastning.

Kraften i stempelstengene er en funksjon av generatorenes tiltenke styrke kombinert med bølgekraftens angrepspunkt og stempelstengenes eksentrisitet i forhold til bøyenes omdreiningspunkt.

Konstruksjonen er skalerbar og kan optimaliseres for de havområdene og sjøtilstandene den er tiltenkt å operere i. For Nordsjøområder vil sjøtilstandene karakterisert ved signifikant bølgehøyde (Hs) fra 1.5 til 3.5 meter bidra til ca 85% av det totale energiopptaket. Den sjøtilstanden som fanger mest energi over et helt år er typisk karakterisert ved en signifikant bølgehøyde 2.5 meter og spektral topp periode 6.5 sekunder. Avstanden mellom bøyene bør være ca halve bølgelengden til den sjøtilstanden som over tid gir størst energiopptak. Typisk avstand vil da være i størrelsesorden 25 -30 meter, og konstruksjonens totale dypgang kan være fra 15 til 25 meter. Oppdriftselementene bør være sylindriske med diameter i størrelsesorden 5 til 7 meter ned til 4 til 7 meter under stillevann for så og snevres inn til et rør med diameter i størrelsesorden 1.5 til 3.0 meter.

Fordelene ved å benytte foreliggende oppfinnelse er 1) uavhengighet av vanndypet, 2) Energi- effektiviteten som oppnås ved å utnytte frem og tilbake bevegelsen i bølgene, 3) bølgekraften er tilnærmet proporsjonal med neddykket volum, 4) uavhengig av bølgeretningen, og 5) at den kan benyttes for nær sagt alle havområder. Anlegget er miljøvennlig og vil ikke virke ruvende i nære kystområder. Rent konstruksjonsmessig består den av velkjente komponenter, både med tanke på teknisk dokumentasjon, fabrikasjon og installasjon.

Kort oppsummering

Flytende bølgeenergiomformerenhet bestående av flere punktabsorberende bøye/oppdriftselementer (1) som er festet til en felles neddykket basekonstruksjon (2) hengende i bøye/oppdriftselementene. Bøye/oppdriftselementene (1) er leddlagret mot basekonstruksjonen (2), og oppdriftselementene er forsynt med flere strømgeneratorer (3) og stempelstenger (4) plassert rundt omkretsen av hvert oppdriftselement og eksentrisk i forhold til dettes rotasjonspunkt. Generator/stempelstengene er leddlagret mot basekonstruksjonen (2) i nedre festepunkt (6) med frihet til å rotere om to akser vinkelrett på stempelstangens/ generatorens lengdeakse og er fri til å rotere om en horisontal tangentiell akse i øvre festepunkt (7). Energien tas ut ved de relative bevegelsene og kreftene som oppstår i strømgeneratorene (3) når bøyene svaier frem og tilbake idet bølgene passerer enheten. Oppdriftselementet på bøyene gir et vannlinjetreghetsmoment som hindrer/reduserer basekonstruksjonen i å rotere og gjør det mulig å ta opp kreftene som oppstår i generatorene. I tillegg bidrar hydrodynamisk masse og dempning av basekonstruksjonen til å redusere bevegelsene av denne.

Kort beskrivelse av tegningene

Oppfinnelsen er i det følgende nærmere forklart ved hjelp av utførelseseksempler som er fremstilt på tegningene der like deler er gitt like henvisningstall. Tegningene viser:

Figur 1. Bølgeenergiomformerenhet med fire artikulerte bøyer/oppdriftselementer som viser typisk arrangement av konstruksjonselementene i den nye oppfinnelsen.

Figur 2. Samme som figur 1 i annen utførelse

Figur 3. Samme som figur 1 i annen utførelse

Figur 4. Samme som figur 3 i annen utførelse

Figur 5. Utsnitt av deler av en bøye

Figur 6. Bølgeenergiomformerenhet med seks artikulerte bøyer/oppdriftselementer.

Figur 7. Bølgekraftanlegg med flere bølgeenergiomformerenheter

Idet det vises til figur 1, figur 2, figur 3, figur 4, figur 5, figur 6 og figur 7 er det beskrevet typiske utførelseseksempler av oppfinnelsen.

Figur 1 viser en utførelse med fire oppdriftselementer (1) der hvert oppdriftselement er leddlagret til basekonstruksjonen (2) i nedre festepunkt (5) med en kardangtype ledd. Hvert oppdriftselement (1) er forsynt med fire stempelstang (4)/strømgenerator (3) enheter som er leddlagret i nedre festepunkt (6) med en kardangtype ledd på basekonstruksjonen (2) og festet mot oppdriftselementene (1) i øvre festepunkt (7). Denne utførelsen viser skråstilte strømgeneratorer der strømgeneratorene er plassert nede mot basekonstruksjonen. Basekonstruksjonen (2) er utformet slik at den kan oppta de krefter og momenter som oppstår når bølgene passerer enheten. De kasseformede hjørne områdene (8) i basekonstruksjonen under hver bøye har til formål å huse vannballast samt å bidra til hydrodynamisk dempning vertikalt når bølgene passerer. En liten del av bøyene rager over stillevanns nivået (13) for å gi tilstrekkelig stabilitet av den flytende konstruksjonen som er slakkforankret (9) til havbunnen. De elektriske styrings-enhetene plasseres inne i oppdriftselementene.

Figur 2 viser en utførelse tilsvarende figur 1, men med den forskjell at denne utførelsen viser strømgeneratorene (3) plassert oppe mot oppdriftselementet og stempelstengene (4) nede mot basekonstruksjonen (2).

Figur 3 viser en utførelse tilsvarende figur 1, men med den forskjell at det er lagt inn spiralfjærer (10) fra en skive (12) på øvre ende av generatorenheten (3) og til en flens (11) høyere opp på stempelstangen (4). Spiralfjærens funksjon er å kunne redusere svaiperioden utover det som følger av svaistivheten fra oppdriftselementene samtidig som de vil returnere potensiell energi til kinetisk energi idet oppdriftselementet svaier tilbake. Stempelstengene (4) glir fritt opp og ned i forhold til skivene (12) på strømgeneratorene (3).

Figur 4 viser en utførelse tilsvarende figur 3, men med en alternativ utforming av basekonstruksjonen (2).

Figur 5 fokuserer mot selve stempelstang/generator arrangementet som beskrevet for figur 3 og figur 4. Den gjelder også Figur 1 dersom spiralfjærene (10) fjernes.

Figur 6 viser en utførelse der 6 bøye/oppdriftselementer er festet til et felles fundament.

Figur 7 viser et bølgekraftanlegg bestående av flere bølgeenergiomformerenheter slakk forankret (9) til havbunnen.

Foreliggende oppfinnelse, som beskrevet i krav 1, består av:

1) Oppdriftselementer

2) Stempelstenger som driver generatotorer

3) lineære strømgeneratorer

4) Basekonstruksjon

Claims (4)

Patentkrav

1. Flytende bølgeenergiomformerenhet bestående av flere punktabsorberende bøye/oppdriftselementer (1) k a r a k t e r i s e r t v e d at de punktabsorberende bøye/oppdriftselementene (1) er festet til en felles neddykket basekonstruksjon (2) hengende i bøye/oppdriftselementene, at bøye/oppdriftselementene (1) er leddlagret mot basekonstruksjonen (2), at oppdriftselementene er forsynt med flere strømgeneratorer (3) og stempelstenger (4), at stempelstengene (4) / lineære strømgeneratorene (3) er plassert rundt omkretsen av hvert oppdriftselement og eksentrisk i forhold til dettes rotasjonspunkt, at generator/stempelstenger er leddlagret mot basekonstruksjonen (2) i nedre festepunkt (6) med frihet til å rotere om to akser vinkelrett på stempelstangens/generatorens lengdeakse og er fri til å rotere om en horisontal tangentiell akse i øvre festepunkt (7) slik at energien tas ut ved de relative bevegelsene og kreftene som oppstår i strømgeneratorene (3) når bøyene svaier frem og tilbake idet bølgene passerer enheten.

2 Flytende bølgeenergiomformerenhet ifølge krav 1,

k a r a k t e r i s e r t v e d at de lineære strømgeneratorene (3) plasseres nederst mot basekonstruksjonen (2) og stempelstengene (4) øverst mot festepunkt (7).

3 Flytende bølgeenergiomformerenhet ifølge krav 1,

k a r a k t e r i s e r t v e d at de lineære strømgeneratorene (3) plasseres øverst og festet til festepunkt (7) og stempelstengene (4) nederst mot basekonstruksjonen (2).

4 Flytende bølgeenergiomformerenhet ifølge krav 1-3,

k a r a k t e r i s e r t v e d at stempelstengene (4) er forsynt med spiralfjærer (10) festet til en flens (11) på stempelstengene og en skive (12) på øvre ende av strømgeneratorene (3)