NO784024L - Fremgangsmaate, kraftproduksjonsenhet og apparat for utnyttelse av boelgeenergi - Google Patents

Description

"Fremgangsmåte, kraftproduksjonsenhet og apparat

for utnyttelse av bølgeenergi" ..

Denne oppfinnelse angår generelt utnyttelse av bølge-bevegelse, spesielt bevegelsen av havbølger.

I den senere tid 'har det vært gjort forsøk på å utnytte energien i sjøen. Disse forsøk har foregått på tre fundamentalt forskjellige måter. For det første har det vært brukt flyte-legemer innrettet til å følge bølgebevegelsen og derved generere energi. For det annet har havbølgene vært brukt f.eks. til å generere energi som følge av at sjøvannet strømmer over eller gjennom en dam. Den tredje grunnleggende metode som har vært vurdert med sikte på å generere en mindre energimengde, er å bruke sjøvannet til å blåse luft gjennom en åpning, f.eks. i en flytebøye for å bevirke en varsellyd.

Disse tidligere kjente forslag har bare vært begrenset vellykket og det er formålet med denne oppfinnelse å avstedkomme en forbedret fremgangsmåte og enhet for utnyttelse av energi i sjøen.

I henhold til oppfinnelsen er det tilveiebragt en kraftproduksjonsenhet omfattende en munning som er anbragt i sjøen og inneholdende en vannmasse og luft over vannmassenkarakterisertved at luften utgjør, en luftpute i en resonator og blir regulert for å bevirke at vannet kommer i resonans i avhengighet av trykkfluktuasjoner som forårsakes av sjøens bølgebevegelser, hvorved det fremkommer fluktuasjoner med forhøyet trykk, og at enheten er slik konstruert at de forhøyede trykkfluktuasjoner avstedkommer en fluidumstrøm, samt at det er anordnet midler for utnyttelse av denne fluidumstrøm.

Resonatoren kan være'enHelmholtz-resonator og har en hals som utgjør et forholdsvis lite strømningstverrsnitt sammenlignet med overflatearealet av vannmassen umiddelbart under luftputen. Det kan være anordnet midler til å regulere trykket i den luft som danner luftputen for avstemning av resonatoren slik at det fremkommer en passende resonans i avhengighet av bølge-bevegelsen. Regulerings- eller styreanordningen kan omfatte en føler i resonatoren og en kompressor for å bevirke justering av lufttrykket i resonatoren i avhengighet av det trykk som avføles av føleren.

Anordningen for regulering av fluidumstrømmen kan omfatte et utløp over halsen i resonatoren og gjennom hvilket vannet kan presses f.eks. inn i en trykktank. vannet fra trykktanken kan føres til en turbin som driver en vekselstrømgenerator eller en annen form for generator for å generere energi. Eventuelt kan munningen av resonatoren være forsynt med finner eller ledeplater for å dirigere det vann som strømmer ut gjennom munningen. Denne vannstrøm kan f.eks. brukes til fremdrift av en båt eller et skip.

Oppfinnelsen omfatter også en fremgangsmåte for generering av energi, omfattende anvendelse av en enhet med en munning anbragt i sjøen slik at enheten inneholder en vannmasse og luft over dette vann,karakterisert vedat trykket i luftputen reguleres og vannet i enheten derved bringes til resonans i avhengighet av trykkfluktuasjoner som forårsakes av sjøens bølgebevegelser, slik at fluktuasjoner med forhøyet trykk fremkommer, at de forhøyede trykkfluktuasjoner bringes til å avstedkomme en fluidumstrøm, og at den frembragte fluidumstrøm anvendes-til å generere energi.

Endelig omfatter oppfinnelsen et apparat for bruk i en kraftproduksjonsenhet,hvilket apparat omfatter et kammer for å oppta luft og en vannmasse under luften og med en munning for anbringelse under sjøens overflatenivå slik at det blir en vannmasse i kammeret i direkte fluidumforbindelse med sjøen,karakterisert veden føler for avføling av trykket i kammeret, en luft-reguleringsanordning for hevning eller senkning av lufttrykket i kammeret for å avstedkomme resonansbetingelser og en anordning for utnyttelse av den fluidumstrøm som oppstår som følge av de nevnte resonansbetingelser.

Apparatet kan omfatte to resonatorer med forskjellig høyde og anordnet i det vesentlige side om side med følere i begge resonatorer og en anordning for regulering av trykkene i luftputene i disse, for normalt å opprettholde resonansbetingelser i resonatorene.

Utførelseseksempler på oppfinnelsen skal i det følgende

beskrives' under henvisning til tegningene, hvor:

Figur la er et skjematisk diagram for en resonator med en munning anbragt under vannoverflaten og fig. lb er en tilsvarende ekvivalent elektrisk krets;

figur 2 er et skjematisk diagram som viser'en kraftproduksjonsenhetj

figur 3a viser skjematisk et fremdriftssystem;

figur 3b viser en annen stilling av deler i systemet på fig. 3a;

figurene 4a, 4b og 4c tjener til å illustrere avstemning

av en resonator;

figur 5 viser skjematisk en form for kraftstasjon; og

figurene 6a og 6b viser strømningsdirigerende finner eller ledeplater.

Som vist på fig. 1 har en Helmholtz-resonator 10 avstemt til havdønninger, i det vesentlige form av en omvendt sylinder med en øvre lukket ende og en nedre åpen ende som utgjør en munning 12. Munningen 12 på resonatoren er anbragt under vannoverflaten og resonatoren er som vist, fylt med vann til et variabelt nivå 14. En luftpute 16 er dannet over vannflaten 14.

Vannoverflaten av sjøen eller havet i ro er vist ved 18

og en bølge er vist ved 20, idet høyden av bølgetoppen er vist ved 22.

Vannsøylen i resonatoren påvirkes av bølgebevegelsen og

ved egnet regulering eller styring av trykket i luftputen 16 er det mulig å sikre at vannet i resonatoren er i resonans ved bølge-frekvensen. Det er derved mulig å frembringe forholdsvis kraftige trykkfluktuasjoner i luftputen og i vannmassen under denne.

For å bestemme karakteristikkene for en slik resonator

er det mulig å bruke en analog eller ekvivalent elektrisk krets som vist på fig. lb. Denne krets omfatter en generator 24 for frembringelse av en spenning som er analog med sjøens bølgetrykk-f luktuas joner 20, og en induktivitet L'som er analog med massen av vannsøylen i resonatoren. Kapasiteten c representerer luftputen 16 over vannmassen og energi går tapt ved utstråling av bølger fra munningen av resonatoren, representert ved energitapet i en motstand R. Den energi som tappes ut av resonatoren for kraft-produksjonsformål, sammen med andre tilfeldige tap så som friksjons-tap, er representert ved en motstand Ri.

Kraftproduksjonsenheteri på fig. 2 er basert på de prin-sipper som er illustrert i forbindelse med figurene la og lb. Enheten omfatter en Helmholtz-resonator 26 med et primærkammer 28

og en nedadgående hals 30. Den nedre ende av halsen 30danner en munning 32. Resonatoren er fylt med en vannmasse opp til et be-vegelig vann-nivå 34 og det er dannet en luftpute 36 over vannmassen.. Det er anordnet et trykkreguleringssystem 3 5 for styring av trykket

i den luft som danner luftputen 36, for avstemning av resonatoren. Systemet 35 har en føler 35.1 montert i luftputen 36 og denne føler er forbundet med en styreinnretning 35.2 for styring av virkemåten av en reversibel kompressor 35.3. Den reversible kompressor kan heve eller senke trykket i luftputen 36 inntil resonans er oppnådd.Resonatoren er montert med halsen stikkende ned under vannoverflaten.

Resonatoren 10er forbundet med en trykktank 38 gjennom et utløp 40 omfattende en enveis ventil 42. Ventilen er innrettet til å tillate i det vesentlige uhindret strømning gjennom hele tverr-snittet av utløpet 40.

Som vist på tegningsfiguren har tanken 38 en luftpute 44 ved sin øvre del og denne komprimeres intermitterende av vann-strømmen gjennom utløpet 40 inn i tanken og tjener til å stabilisere vannstrømmen fra denne trykktank gjennom et utløp 46 fra denne til en turbin 48. Turbinen kan være hvilken som helst vanlig type vannturbin og denne er forbundet med og innrettet til å drive en vekselstrømgenerator 50 eller en annen type elektrisk generator eventuelt annet passende utstyr.

Det kan være anordnet et flertall resonatorer for å mate trykktanken pm dette er ønskelig.

Når vannet i resonatoren utsettes for bølgebevegelse vil vannmassen komme i resonans med fjæringen av luften over vannet.

Det fremkommer kraftige trykkfluktuasjoner over resonatorhalsen og vann blir presset gjennom utløpet 40 og ventilen 42 inn i tanken.Vannet går ut av trykktanken gjennom utløpet 46 og driver derved turbinen 48.

Som vist på fig. 5 omfatter en kraftstasjon et flytende skrog 55 i hvilket det er montert et flertall resonatorer 26 i likhet med den på fig. 2. Hver av resonatorene er anordnet med sin munning 32 gjennom bunnen av skroget på et sted som hele tiden be-finner seg under vannoverflaten.Resonatorene er anordnet parvis med utløpene 40 av resonatorene i hvert par i forbindelse med en enkelt trykktank 38. Trykktankene er så på sin side innrettet til å avgi vann for drift av turbinen 48 og derved generatoren 50. Skroget 55 kan flyttes til hvilket som helst egnet sted. Imidlertid er det ikke nødvendig at kraftstasjonen er utført som en slik. flytende konstruksjon.

Som det fremgår av figurene 3a og 3b er en resonator 26 som har likhet med resonatoren på fig. 2, montert på et skip eller en båt (ikke vist). De forskjellige deler av resonatoren er an-gitt med de samme henvisningstall som brukt på fig. 2. Også resonatoren på figurene 3a og 3b er forsynt med et trykkreguleringssystem for styring av trykket i luftputen 36, og vannmassen i halsen 30 kommer også her i resonans med luftputen.

En plate eller lignende element 52 er dreibart montert på den indre vegg i halsen på den ene side av denne. Dette plate-element er forbundet med et sett strømlinjeformede finner eller ledeplater 54 gjennom en kobling 57 slik at vann som strømmer inn i resonatoren svinger platen 52 oppad og dette fører til at finnene skråstilles. Når omvendt, vannet strømmer ut av resonatoren sving-es plateelementet nedad og dette svinger finnene til en motsatt vinkelstilling. På denne måte kan vann bringes til å tre inn i resonatoren i retning av pilene 56 og drives ut fra resonatoren i retning av pilene 58 (fig. 3b). Det vann som strømmer inn og ut av resonatoren mellom finnene utøver således en vekslende kraft på

det skip som bærer finnene og denne kraft kan utnyttes til å drive skipet frem. Selvsagt kan det anvendes et hvilket som helst passende antall resonatorer av forskjellige former og størrelser, på denne måte.

Istedenfor å.bruke plateelementet 52 og koblingen 57 er det mulig å bruke selv-orienterende finner eller ledeplater 60 som vist på figurene 6a og 6b. Disse finner er symmetriske og hver av dem er montert med lagre 62 på den ene side og festet til munningen av resonatoren 26. Når vannet strømmer inn i resonatoren gjennom munningen 32 i retning av pilene 64 vil' finnene 60 automatisk dreie seg i urviserretningen inntil ytterligere slik bevegelse blir begrenset av stoppeorganer som er skjematisk vist ved 66. Skrå-stillingen av finnene i forhold til horisontalen er da 45°. Når

på den annen side vann strømmer ut gjennom munningen vil finnene 60 dreie seg mot urviserretningen inntil de støter mot de skjematisk viste stoppeorganer 68. Strømningsretningen av vannet i lengde-

retningen av skipet blir derved automatisk reversert ved hjelp av de beskrevne finner eller ledeplater.

Et resonatorarrangement i likhet med det på fig. 2 kan

også brukes til å drive et skip eller en båt, og i så fall blir strømmen gjennom utløpet 40 ført til en dyse for å drive skipet.

Da havbølgene har et temmelig vidt frekvensspektrum, men normalt bare én dominerende frekvens hvor den maksimale energimengde kan tappes ut, bør resonatoren hensiktsmessig være avstemt på denne dominerende frekvens. Avstemningen kan skje ved å justere lufttrykket i luftputen 36 i resonatorene på figurene 2 og 3a. Korrekt avstemning blir indikert ved en maksimal trykkfluktuasjon over vannflaten, som kan måles ved hjelp av følerne 35.1.

I praksis er det ønskelig med en automatisk optimaliserings-mekanisme ("hill climbing mechanism") for å holde resonatoren avstemt på korrekt frekvens. I dette øyemed er to resonatorer 70

med forskjellig høyde anordnet side om side som vist på fig. 4a. Opprinnelig hersker det samme lufttrykk i begge luftrom over vannet og resonansfrekvensene for begge resonatorer øker med økende trykk. Det foreligger imidlertid en forskjell i resonansfrekvens som vist på fig. 4b, idet den lavere resonator svarer til den høyere frekvens.

Som vist på fig. 4c er det mulig å oppnå en resonans-kurve med forholdsvis flat topp hvis effekten av de to resonatorer blir addert. En maksimal energimengde blir oppnådd fra det kombi-nerte system når toppene for de to resonatorer på fig. 4b er i det vesentlige like høye.

Resonatorene blir begge koblet til et arrangement 72 som omfatter en reversibel kompressor 74 for å pumpe lufttrykket opp eller ned slik at når lufttrykkfluktuasjonene i den luftpute som er merket A er mindre enn den i luftputen B, blir kompressoren automatisk av styreinnretningen 76 omkoblet for å heve trykket i luftputene A og B inntil trykkfluktuasjonene i de to resonatorer er i det vesentlige de samme. Når lufttrykkfluktuasjonene i luftputen B er mindre enn i luftputen A, blir kompressoren automatisk omkoblet for å redusere trykket i luftputene A og B inntil trykkfluktuasjonene i de to' resonatorer blir tilnærmet de samme. Trykkfluktuasjonene måles av følere 78. på denne måte blir systemet automatisk innstilt til å absorbere maksimal bølge-energimengde.

Avstemningen av resonatorene kan forskyves bort fra resonans frekvensen ved hjelp av en trykkøkning eller -senkning når det ønskes redusert effektproduksjon. Dette er spesielt viktig når en resonator utnyttes til fremdrift av et skip, som beskrevet under henvisning til fig. 3. Selvsagt kan et skip som drives ved hjelp av resonatorsystemet, settes i revers eller drift akterover ved å endre koblingen 57 mellom plateelementet 52 og finnene 54 for å reversere virkemåten av disse. En hjelpemotor vil normalt være nødvendig for et resonator-drevet skip.

De beskrevne resonatorer kan brukes i flytende bølgebryter-enheter bestående av i det minste to resonatorer pr. enhet og en

lignende optimaliserings-mekanisme som den som er beskrevet under henvisning til fig. 4a kan brukes til avstemning av resonatorene. Energi kan forbrukes ved å anordne passende lekasjer over resona-torenes halspartier ved en forbindelse mellom resonatorene og en trykktank i likhet med det som er vist på fig. 2.

Claims (10)

1. Kraftproduksjonsenhet med en munning som er anbragt i sjøen og inneholdende en vannmasse og luft over vannmassen, karakterisert ved at luften utgjør en luftpute (16, 36, A,B ) i en resonator (26, 70) og blir regulert for å bevirke at vannet kommer i resonans i avhengighet av trykkfluktuasjoner som forårsakes av sjøens bølgebevegelser, hvorved det fremkommer fluktuasjoner med forhøyet trykk, og at enheten er slik konstruert at de forhøyede trykkfluktuasjoner avstedkommer en fluidumstrøm,' samt at det er anordnet midler (48, 50 , 54, 60 ) for utnyttelse av denne fluidumstrøm.

2. Enhet ifølge krav 1, karakterisert ved at resonatoren har en hals (30 ) som danner et forholdsvis lite strøm-ningstverrsnitt sammenlignet med overflatearealet av vannmassen umiddelbart under luftputen.

3. Enhet ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved en styreanordning (35, 72) med en føler (35.1, 78) i resonatoren og en kompressor (35.3, 74) for å bevirke justering av lufttrykket i resonatoren i avhengighet av det trykk som avføles av føleren.

4. Enhet ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at det nevnte middel for utnyttelse av fluidum-strømmen omfatter et utløp (40) over halsen i resonatoren og gjennom hvilket vann kan presses, en anordning (38) for relativ stabili-sering av den fluidumstrøm som går ut av.resonatoren gjennom utløpet, og en anordning (48, 50) for generering av energi ved utnyttelse av fluidumstrømmen.

5. Enhet ifølge et av kravene 1 til 3, karakterisert ved at det nevnte middel for utnyttelse av fluidum-strømmen omfatter en anordning (54, 60) for å dirigere vann som strømmer ut gjennom munningen av resonatoren.

6.E nhet ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved to resonatorer (70) med forskjellige høyder og anordnet i det vesentlige side om side, hvor resonansfrekvensene for begge resonatorer og trykkene i deres luftputer (A,B ) er slike at trykkfluktuasjonene i de to resonatorer er i det vesentlige de samme.

7. Fremgangsmåte for generering av energi, omfattende anvendelse av en enhet med en munning anbragt i sjøen slik at enheten inneholder en vannmasse og luft over dette vann, karakterisert ved at trykket i luftputen (16, 36, A,B ) reguleres og vannet i enheten derved bringes til resonans i avhengighet av trykkfluktuasjoner som forårsakes av sjøens bølgebevegelser, slik at fluktuasjoner med forhøyet trykk fremkommer, at de forhøyede trykkfluktuasjoner bringes til å avstedkomme en fluidumstrøm, og at den frembragte fluidumstrøm anvendes til å generere energi.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 7,. karakterisert ved at trykket i den frembragte fluidumstrøm blir relativt stabili-sert og deretter matet til en turbin (48) for å generere energi.

9. Apparat for bruk i en kraftproduksjonsenhet, hvilket apparat omfatter et kammer for å oppta luft og en vannmasse under luften og med en munning for anbringelse under sjøens overflatenivå slik at det blir en vannmasse i kammeret i direkte fluidumforbindelse med sjøen, karakterisert ved en føler (35.1, 78) for avføling av trykket i kammeret, en luftregulerings-anordning (35.2, 35.3, 74, 76) for hevning eller senkning av lufttrykket i kammeret for å avstedkomme resonansbetingelser og en anordning (54, 60 ,- 48, 50 ) for utnyttelse av den fluidumstrøm som oppstår som følge av de nevnte resonansbetingelser.

10. Apparat ifølge krav 9, karakterisert ved to resonatorer (70) med forskjellige høyder og anordnet i det vesentlige side om side, med følere (78) i begge resonatorer og en anordning (72) for regulering av trykkene i luftputene (A,B ) i disse for normalt å opprettholde resonansbetingelser i begge resonatorer .