NO790571L - Motor drevet med boelgekraft. - Google Patents

Abstract

Motor drevet med bølgekraft'

Description

Hittil har det vært benyttet mange teknikker i

forsøk på å overføre havbølger til nyttbare anvendelser. Mange av disse forsøk har vært rettet mot bruken av energien fra tide-vannssvingningene som fremkalles ved månens og solens bevegelser. Andre planer har vært rettet mot utnyttelse av vindgenererte overflatebølger og strømninger da disse omfatter det meste av havets totale energibudsjett.

Typiske eksempler på slike planer er de som vises

i de følgende patenter:

U.S. patent 3 927 339 til Skorupinski

"3 644 052 til Lininger

1 811 565 til Schabacher

"1 649 644 til Alexeeff

604 211 til Lofgren

Patenter som tar sikte på å trekke ut tidevanns-energi inkluderer:

U.S. patent 1 474 571 til Wielgolaski

3 993 913 til Dickman

Andre bølgemotorinnretninger er vist i:

U.S. patent 924 808 til Mackey

757 800 til Williams

3 877 835 til Siptrott

Ingen av de foregående innretninger er blitt møtt med tydelig kommersiell suksess. Alle slike innretninger som er kjent for søkeren mislykkes på ett eller flere viktige områder i å møte alle de krav som er ønskelig for et system for å utnytte havbølger. Muligens har det største avskrekkende midlet til en kommersiell anerkjennelse av hittige system vært deres under-ordnede effektivitet og deres unødvendige kompleksitet som nedsetter deres driftssikkerhet alvorlig i de ugjestmidle om-givelsene på havet.

I syn av det alvorlige behovet for å utvikle nye energikilder etter som en står overfor en uttømming av ressursene av fossile brennstoffer,er det behov for utvikling av de ovenfor beskrevne innretninger på nåværende utviklingstrinn.

Det overliggende mål for den foreliggende oppfinnelse er å skaffe en meget praktisk innretning for overføring av de vindinduserte overflatebølgene på havet til utnyttbar kraft.

De grunnleggende skritt som er gjort ved den foreliggende opp-finnelses foretrukne utførelse, omfatter 1) å konsentrere over-flatebølgene uten betydelig refleksjon, 2) å overføre de potensielle energikomponentene til i det vesentlige rene kinetiske energiimpulser, 3) dempning av de kinetiske energiimpulsene, 4) overføring av den dempede kinetiske energi til roterende kraft på en aksel og 5) spredning av utløpet fra systemet.

Den nye byggemåten som er den utførelse av oppfinnelsen som foretrekkes•på åpen sjø, utnytter Fermats prinsipp for å konsentrere vilkårlig rettet bølgeenergi med varierende perioder til ren kinetisk energi som deretter kan ut-nyttes direkte til en turbinrotor.

Tilgjengelig kraftinngang for en typisk eller gjennomsnittlig havdønning for en kam på 1 meter over hav-, nivået som har en 10 sekunders periode, er 40 kilowatt pr. meter strandlinje. Et bølgekonsentrerende element på innretningen funksjonerer som ved analogi på et akustisk horn for å konsentrere overflatebølgene og forårsake dem til å danne topper og bryte. Denne innretningen bygger på refraksjons-fenomenet og gjør det mulig i det vesentligste å oppfange all innfallende bølgeenergi over et stort område av bølgeperioder, uavhengig av inngangsretningen. Bølger som forplanter seg på det åpne hav omfatter energi som er tilnærmelsesvis halvt potensiell og halvt kinetisk. Geometrien på den konsentrerte bølgen forårsaker bølgen°til å bryte og derved å bli forandret til en nær horisontal, ren kinetisk energi som deretter rettes radialt innover mot et sentralt inntaksnav i innretningen. Den virvlende vannstrøm funksjonerer som et flytende løpehjul, treghetsegenskapene demper den pulserende energi og tillater vannet å komme inn i en turbinrotor på ensartet måte hvor kontinuerlig kraft fra den roterende aksel genereres.

Etter at det utstrømmende vann har forlatt turbinrotoren og fremdeles fremfører en viss restvirvling, tømmes det ut gjennom en stasjonær diffusor til det omliggende hav. I diffusoren tjener den resterende virvel til å redusere trykket på baksiden av turbinrotoren. Turbinrotorakselen kan brukes til å drive en elektrisk generator eller annen hensiktsmessig innretning. Ved en første utførelse kan hele konstruksjonen utformes til å flyte og være festet til en off-shore-forankring. Annen og tredje utførelse som omfatter en struktur basert på plassering nær land beskrives også.

Ved en typisk konstruksjon vil en innretning på

78 meter i diameter produsere én megawatt akseleffekt vurdert med bølger på é"n meters halvamplitude og med en periode på 7 sekunder.

Det er derfor oppfinnelsens mål å skaffe et nytt og forbedret system for energiomforming for å ta imot periodisk énergi fra overflatebølger og kontinurlig generere den bruk-bare kinetiske energi ved utgangen.

Et annet mål for oppfinnelsen er å skaffe en ny og forbedret innretning for utnyttelse av energien fra havets overflatebølger.

Et videre mål for oppfinnelsen er å skaffe en.ny og forbedret innretning for opptakelse og konsentrering av periodisk energi fra overflatebølger som er delvis potensiell og delvis.kinetisk og å overføre denne til hovedsakelig ren kinetisk energi.

Et videre mål for oppfinnelsen er å skaffe en ny og forbedret innretning for utjevning av impulsene i den kinetiske energien for å oppnå en konstant til rådighet stående kinetisk energi ved hjelp av treghetsegenskapene i en flytende strømvirvel.

Et generelt mål for oppfinnelsen er å fremskaffe et bølgemotorsystem som er enklere i strukturen, mer pålitelig i drift og vesentlig mer effektivtenn de hittil kjente av det slag.

Oppfinnelsen ligger delvis i de fysikalske og mekaniske strukturene som er innlagt i spreder/konsentratorinn-retning, impulsutjevner og rotasjonselement og komponenter for uttømming/diffusor i systemet slik det her spesielt illustres, men altså omfatter systembegrepet selv^oppfattet som et integrert hele og uavhengig av konstruksjonsdetaljene i dets mange deler.

Da bestemte forandringer kan bli gjennomført i

energiomformningsprosessene og de detaljerte konstruksjons-messige utførelsene av systemkomponentene uten å fjerne seg fra det som omfattes av oppfinnelsens rekkevidde, er det ment at alle forhold som er medtatt i beskrivelsen av den foretrukne utførelse som følger eller som er vist i de vedlagte tegningene, skal betraktes som illustrative og ikke på begrensende måte.

Fig. 1 er et noe skjematisk tverrsnitt av en flytende bølgedrevet motor konstruert i henhold til en første ut-førelse av oppfinnelsen, fig. 2 er et diagram som viser strøm-ningsbanene og bølgefrontene som støter opp mot en atoll, og som er hensiktsmessig ved fremstillingen av oppfinnelsen, fig. 3

-er et grunnriss av de symmetriske inntakskanaler etter linjen

3 - 3 på fig. 1, fig. 4 er .et grunnriss gjennom individuelt formede inntakskanaler etter linjen 3 - 3 på fig. 1, fig. 5 er et diagram som illustrerer et typisk energi-spektrum for. hav-bølger og dønninger, fig. 6 er et perspektivriss av oppfinnelsen installert i dens driftsomgivelser, fig. 7 er et skjematisk grunnriss av en del av bølgebrytningstrakten for en annen ut-førelse av oppfinnelsen, som viser konsentrasjonen av havets overflatebølger og deres transformasjon til brott, fig. 8 er et skjematisk vertikalsnitt av innretningen på fig. 7, fig. 9

er et skjematisk grunnriss av den annen utførelse av oppfinnelsen og viser en trakt og et skråplan forbundet tangentialt til et basseng som inneholder væske-løpehjulet, fig. 10 er et skjematisk vertikalsnitt av innretningen på fig. 9 etter linjen 10 - 10 på fig. 9, fig. 11 er et skjematisk vertikalsnitt som

viser en modifikasjon av oppfinnelsen tillempet for å skumme olje fra havoverflaten, fig. 12 er et riss av innretningen på fig.

13 og 14, sett ovenfra, fig. 13 er et skjematisk vertikalsnitt

som viser en tredje utførelse av oppfinnelsen, og fig. 14 er

et sideriss med deler skåret bort av innretningen på fig. 12 og 13.

Fig. 1 viser en bølgedrevet motor konstruert i henhold til den foreliggende oppfinnelse med et tilnærmet kuleformet element eller skall 1 som omfatter et vesentlig struk-turelt element av innretningen. Skallet 1 kan fremstilles av forspent betong eller stål eller andre hensiktsmessige materialer. Skallets geometri vil bli beskrevet mer detaljert senere i for-bindelse med fig. 2, 3, 4, 5 og 6. En tre-punkts. forankring som inneholder forankringsblokker sikret til havbunnen og leddede forbindelser som strekker seg derfra,^foreligger for å- holde innretningen på plass. To av forankringsblokkene er vist ved 2 og 3 og kan være betongpilarer støpt som senkekasser. Istedenfor de leddede forbindelser kan kabler (5, 6) eller andre hensiktsmessige elementer benyttes for å forbinde skjørtet 4

eller den nedre kant av skallet ■ 1 med forankringen (2 - 3).

Det øvre, midtre parti av skallet er utrustet med

et sirkulært inntak 7. Nedhengende fra det sirkulære inntak 7 er et hult sylindrisk standrør .8 med en vertikal høyde tilnærmet ekvivalent til høyden av skallet 1. Stasjonære inntaks-léde-kanaler 9 er sikret til skallet og strekker seg radialt utad

fra den øvre enden på standrøret 8 til området hvor brottene dannes og gir det inntrengende vann et roterende eller virvlende moment ved inntrengning istandrøret8 via inntaket 7. En turbin 11 er montert nær den nedre enden på standrøret 8. Det virvlende vann i midtdelen på standrøret 8 omfatter et flytende løpehjul som gir turbinrotoren 11 en vinkeldreining. Vann som kommer ut fra turbinen 11,passerer gjennom en diffusor 13 som er festet sikkert til den nedre ende av standrøret 8.

En roterende aksel 14 strekker seg opp fra turbinen. 11 til senterlegemet 15/ sikret til den øvre sentrale del av skallet 1 over inntaket 7. Sentrallegemet 15 danner støtte for toppkantene på inntaksledekanalene 9. En elektrisk generator 18 eller en annen utnyttelsesinnretning er koblet dreibar til den øvre enden på turbinakselen 14. En hensiktsmessig beskyttel-seskappe 19 kan dekke den øvre del av senterlegemet 15. Et vanntett rør eller kabel 21 forbinder den elektriske generator til et hensiktsmessig kraftdistribusjonssystem som f.eks. kan plasseres på land. Nøytralvannstandsnivået (nemlig uten bølge-aktivitet) er indikert ved 22 på figur 1. Plasseringen av det nøytrale vannstandsnivået er ikke kritisk. Det er funnet at innretningen opererer tilfredsstillende med vannstandsnivået over eller under det viste nivå. Dette betyr at innretningen kan monteres fast på grunt vann til tross for tidevannet. Fire separate trinn er. nødvendig for utnyttelsen av den forplantede energi fra overflatebølger. Det første er innsamlingen av energi fra en betydelig lengde av den disponible bølgefront. F.eks. kan en konsentrerende utførelse som betjener 100 meter bølgefront, samle opp til 4 megawatt kraft fra typiske havdønningér med en halvamplitude på' 1 meter og en periode på 10 sekunder. Det kritiske krav for grenseflaten med bølgefronten er overføringen av. bølgeenergien på tvers av grenseflaten mer enn dens tilbakekasting. Da energien består i form av en oscillerende bølge som. forplanter seg, vil spørsmålet om energien kastes tilbake eller ikke, bestemmes av om det eksisterer en impedanstilpasning eller en impedansmistilpasning på grenseflaten. Oppfinnelsen nyttegjør seg en utformning som er overflatebølgens ekvivalent til et akustisk horn for å samle og konsentrere den forplantede energi i overflatebølgen. For enhver gitt bølge med en maksimalperiode (T) kan fasongen på et horn utformes for å fremskaffe en hensiktsmessig impedans-tilpasning mellom munningen og' halsen på hornet. Den ytire overflater ormen på skallet 1 omfatter impedanstransformasjonen som kan vurderes som en analog til et akustisk horn. Dette kan visualiseres ved å ta hensyn til tverrsnittsformen som avgrenses av nøytral-vannstandsnivået 22 og et radialsnitt gjennom skallet 1. Så-fremt denne formen strekker seg gjennom en hel omdreining, vil den aktuelle utformningen være kuleformet og vil funksjons-messig og fysisk ligne på et naturlig sirkulært atoll.

De oscillerende bølgene som forplanter seg i hornet, består av omtrent halvparten kinetisk energi (i sirkulær-rotasjon) og omtrent halvparten potensiell energi (i høyde eller kompresjon). Dersom disse bølgene nå kommer inn over et skrånende underlag slik som det som er utformet ved den sentrale ytre overflate på skallet 1, vil disse tårne seg opp og bryte. Brottbølgen benevnes nå som en stor primær translasjonsbølge. Alle deler av bølgen beveger seg horisontalt ensartet, og energien er i hovedsak kinetisk. Området hvor dette opptrer kalles brytningssonen. Imidlertid vil horn/rampekombinasjonen utformet på skallet 1 motta de oscillerende bølger og levere massive impulser med ren kinetisk energi til skallets inntak.

Figur 2 viser en grafisk fremstilling av strøm-ningsbanene og bølgefrontene som slår inn på en atollformet horn/rampe av den type som danner skallet 1 i figur 1. Som det kan ses, er den lineære bølgefronten som kommer inn fra den øvre høyre kvadranten, brutt når den kommer inn over den varierende bunnstrukturen (nemlig strukturen på toppen av skallet). Virk-ningen er å bøye bølgefronten rundt atollen i en spiral som tenderer til å konvergere mot sentret av atollen.

Overflatebølgenes hastighet varierer omvendt med den.lokale dypde. Som et resultat av det, vil overflatebølgene brytes, noe som betyr at deres forplantningsretning alltid bøyes kraftig mot grunnere vann. En hensiktsmessig skallform kan fullstendig oppfange en nærmende bølgefront så stor som

dens egen diameter og omforme hele denne bølgefront til en brottbølge som strekker seg hele veien rundt skallet. Imidlertid tilfredsstiller skallet både funksjonen å konsentrere

bølgen og å bryte bølgen like godt og kan passende beskrives

som en brytningstrakt.

Det er noe naturlig utjevnende på inngangsimpul-sene ved innretningens geometri. Hvert parti av den kommende bølgefront beveger seg på en ulik bane og ankommer til et annet område på skallet til et annet tidspunkt. Fasevinkelen .<J> vises i figur 2. En kan forestille seg at bølgen legger seg selv rundt skallet. Resultatet er en relativt konstant leveranse av energi til inntaket og en vesentlig reduksjon i det nød-vendige volum for det flytende løpehjulet. Det flytende løpe-hjul omfatter vanninnholdet i stamrøret. Denne naturlige ut-jevningen av bølgeimpulsene til en tilsynelatende konstant kraftleveranse er et viktig trekk ved oppfinnelsen.

Da den pulserende kinetiske energi ikke er hensiktsmessig for omforming av konstant akselkraft, foreligger behov for en form for treg utligning. Inngangsenergiimpulsene er typisk 5 til 10 sekunder fra hverandre. Inertien i vannet selv kan fremskaffe en løpehjulseffekt istand til å dempe ned inngangsimpulsen. Vannimpulsen er rettet tangensialt til en beholder som er stor nok til å motta hele impulsen. Imidlertid opprettholder den periodiske inntaksimpulsen en virvel-bevegelse i beholderen, og den kinetiske impulsen lagres i bevegelsesmengden i hele volumet for en kontinuerlig gradvis avtapping.

Omformningen av den lagrede energi i det flytende løpehjulet til rotasjonskraft på aksen er gjennomført ved et turbinhjul aksialt til virvelstrømmen.

De predominerénde- kinetiske, store primærbølger som er omdannet, strømmer radialt innover. Disse er omformet til en tangensial strøm mot den sentrale beholder (standrør) 8 ved et dreibart skovlsystem 9. Et turbinhjul 11 for aksialstrøm-ning er plassert på samme akse under de dreibare skovlene 9 på standrørets 8 nedre ende. Turbinhjulet 11 er således utformet at ikke all energien på det virvlende vann trekkes ut. Den lille restmengde med virvler overlates til å aktivisere ut-tømmingsdiffusoren 13.

Uttømmingsdiffusoren 13 er uten skovler og strekker seg radialt utad fra bunnen av standrøret 8. Resterende strøm-virvler i enhver retning induserer en radial utstrømning,og den forsinkede utstrømmen danner et redusert trykk på bunnen av standrøret 8. Imidlertid har diffusoren 13 i virkeligheten en tendens til å pumpe standpipen .8 og senke vannivået i den. Systemoptimalisering foreligger når nivået i standrøret er senket akkurat tilstrekkelig til fullt ut å kunne motta det innstrømmende volum. Med dette arrangement kan randnivå på toppen av standrøret plasseres nøyaktig ved den nøytrale vannstanden 22 for havets overflate. Mindre spill innover er uten konsekvenser. Som tidligere nevnt, er systemet innen visse grenser meget ufølsomt overfor den virkelige plassering av nøytiralvannstanden.

Det finnes en optimal størrelse for brytningstrakten. Skallet 1 som omfatter brytningstrakten er en tilnærmet kuleformet konstruksjon,noe som medfører at dens over-flateareal er proporsjonal med kvadratet på radiusen (r 2). Den er istand til å fange opp energiinnholdet på en bølgefront-lengde tilsvarende dens største diameter (2rQ). Imidlertid kreves det bare halvparten av materialet for å bygge to mindre deler istedenfor å bygge en større del for å oppnå samme kapasitet. Den optimale størrelse er derfor den minste som oppnår tilsvarende konsentrasjon og fasedistribusjon for hele båndet av bølgelengden som skal absorberes.

For å oppnå fullt opptak av en diameter av bølge-fronten på den valgte bølgelengde Xq og ved X' = 2^Q'°9°9~ så for å oppfange omkring 80% av en bølgefront ved X = 0, 5Xq og opprettholde en god fasedistribusjon rundt enheten bør dia-meteren være lik en valgt bølgelengde (dypt vann).

Perioden for bølgesentret for den statistiske populasjon for overflatebølgene er omkring -T = 7,07 sekunder. Den korresponderende bølgelengde for dypt vann (Aq) er 78 meter. Den optimale radius er dermed valgt til å være 39 meter.

Ved en foretrukket utførelse konstrueres den optimale formen på skallet 1 til: og den aktuelle dybde d som en funksjon av en normalisert radius ( r/ r = R) er:

eller da A = 2r

o o

hvor

C = bølgehastigheten ved dybden d

C = bølgehastigheten for dypt vann

r

o

n = en verdi av R hvor d = 0

Det er foretrukket at standrøret 8 får en størrelse som kan godta den forventede totale volumstrømmen uten å kreve at strømmen skal akselereres. De store translasjonsbølgene nærmer seg standrøret med en horisontal hastighet:

hvor

v = translasjonshastigheten

g = gravitasjonskonstanten

Deres høyde på det tidspunkt ér større enn deres opprinnelige dypvannshøyde (a) av to grunner. Deres høyde er forstørret med en faktor på opp til 1,6 ved en bølgekonsentrasjonseffekt fra brytningen. Bølgeamplituden er også forhøyet med en faktor på omkring 2,5 når vannet blir smulere. Derfor kan bølgehøyden ved inngangen være 4a og dens translatoriske hastighet vil bli:

hvor

a = dypvannsbølgens halvamplitude

Dersom arealet på standrørinntaket er likt med bølgehøyden ganger omkretsen, vil vannet ikke akselereres.

Dersom a = 1 meter og r =39 meter o I en utførelse av oppfinnelsen hvor den oppfangede bølgefronten er 78 meter, er den. totale transporterte kraften i bølgefronten . med (a) = 1 meter, T = 7,07 sekunder:

Totalkraft = 78 x 4 x 7,07 x IO<3>J/s

= 2,2 x IO<6>W

= 2,2 MW

Ved en virkningsgrad på 45% vil den nominelle ytelse for en bølgemotor i denne størrelsesorden konstruert i henhold til oppfinnelsen, være en megawatt aksele.f f ekt.

Da det her er meget vesentlige vannvolum som hånd-teres, må dette volumet til slutt returneres til havet og bære med seg så lite energi som mulig. For å minimalisere dette dumpingtapet, må den endelige hastigheten være liten og arealet på det siste uttak må være stort i forhold til inntaksarealet for uttømmingen. Denne funksjonen oppnås ved en diffusor på

den nedre ende av standrøret.

Sammenfatningsvis blir bølgefronten med de ovenfor beskrevne fire trinnene mottatt og konsentrert av det som en brytningstrakt utformede skall, bølgekammen overføres til en kinetisk impuls av skråplanpartiet, pulsen lagres tempo-rært ved det flytende løpehjulet som en vinkelbevegelsesmengde

(fremdeles kinetisk), og bevegelsesmengden overføres gradvis til en konstant roterende akselenergi (kinetisk) som overlater nettopp

tilstrekkelig energi til utstrømningsmengden for å bevege . strømningsvolumet konstant og nesten umerkelig langs et stort sluttuttømmingsareal.

Teorien som styrer de avveide strømbanene, vist på figur 2, gjelder bare hvor dybden d er større enn ca. 1 bølge-høyde (a). og denne dybden gjør den oscillerende bølgen plutselig til en brottsjø. Brottsjøenes bane styres ved kompliserte hydrodynamiske hensyn og brottsjøene bøyer ikke lenger av mot sentret. Derfor vil det være nødvendig å lede brottsjøene ved ledeskovler fra kanten av brytningssonen og innover.

Valget av formen på ledeskovlen kan avhenge av hvor bølgemotoren skal installeres. På åpen sjø kan bølgene nærme seg fra enhver retning og i virkeligheten normalt nærme seg fra flere retninger samtidig. Systemet av ledeskovler skulle derfor være symmetrisk om akselen således at bølgemotoren er rundtvirkende.

Installasjonssteder nærmere land vil motta bølger hvor en enkelt generell retning vil være fremherskende. I et slikt tilfelle trenger ikke ledeskovlene å være utført symmetrisk om akselen. Noe forhøyelse av virkningsgraden oppnås om deres ytre partier er utformet til generelt å tilpasse seg til stråle-banene.

Figur 3 er et skjematisk planriss av en montasje av inntaks ledeskovler for bruk på åpen sjø. En typisk bølgeleder 30 har et ytre parti 31 som strekker seg radielt til kanten av

brytningssonen 32. Dens indre parti 33 er utformet for å lede strømmen tangensialt inn til det flytende løpehjul 34. Pilene 35, 36 og 3 7 indikerer typiske strømbaner avhengig av avbøy-ningen opp til kanten av brytningssonen.

Figur 4 er et skjematisk planriss av en inntaks ledeskovlmontasje ment for bruk ved installasjon nær land. I dette tilfellet er det ytre parti 41 på hver ledeskovl 40 utformet for tilnærmelsesvis å tillempes til den nærmeste strøm-bane. Dette kan resultere i noe forhøyelse av den totale virkningsgraden på grunn av redusert turbulens. Det indre parti av bølgelederne 40 leder strømmen tangensialt inn til det flytende frihjulet 44 nøyaktig som tilfellet er på figur 3.

Det finnes en optimal utformning på det indre, parti av inntaksskovlene 30 eller 40 som driver det flytende løpehjul. Skovlene skal lede det innkomne vann tangensialt til rotasjonsradien 38 eller 48 på væskesylinderen. Dette er lokali-sert ved 0,707 ganger den ytre radius på sylinderen. Antas rotasjonen tilsvarende et stivt legeme for vannsylinderen som utgjør det flytende løpehjul, er det ingen relativ bevegelse mellom det innstrømmende vann og vannet i løpehjulet, med andre ord minimale turbulenstap ved rotasjonsradien. Transporten inn av vinkelbevegelsesmengden er lik transporten ut av vinkelbevegelsesmengde. Dersom drivpunktradien er større, må det indre vannet akselerere og rotere hurtigere for å vedlikeholde vinkelbevegelsesmengden. Dette er uønsket fordi det bidrar til turbulenstap og den radiale fordeling av vinkelhastighet gjør utformningen av turbinhjulet vanskeligere. Dersom det radiale punkt, hvor strømningen kommer inn, er ved en radius mindre enn rotasjonsradien, må vannet ved en større radius retardere.

Dette forårsaker også turbulens og gjør utformningen av turbinhjulet komplisert. Figur 5 viser et typisk energispektrum for bølge- energi på havet satt i forhold til .bølgefrekvensen F. For-delingen av den virkelige bølgeenergien avhenger i noen grad av den geografiske plassering. F.eks. er meget lange bølgeperioder mer fremherskende i Antarktis enn de fleste andre steder. Figur 5 viser en hovedkonsentrasjon av energien i en bred spiss konsentrert om ^ = T = 7 sekunder. Området med perioder fra 5 til 10 sekunder omfatter meget av denne energikonsentrasjon som gir anledning til valget av en 7 sekunders periode som et gjennomsnittlig konstruksjonspunkt.

Figur 6 viser en første utførelse av oppfinnelsen

i dens driftsomgivelser. Bemerk at den er nesten helt ned-dykket. Bare ledeskovlene og det lille kuleformede huset for inntaksinnretningen rager over vannet. Et hovedproblem ved utformningen av maskiner for uttrekning av bølgeenergi har tidligere vært de uunngåelige voldsomme stormer. Det har ofte vært foreslått at slik innretning skulle senkes- forsettlig ved en forventet storm for å beskytte den fra ødeleggelse. Som tilfellet er med den foreliggende oppfinnelse, er nesten hele

strukturen allerede fullstendig nedsunket. Inntaket til det flytende løpehjulet har en begrenset kapasitet for væske-gjennomgang som vil beskytte de interne deler såsom turbinen mot overbelastning.. Den gjenstående lille superstrukturen kan utformes for å stå imot fullstendig passering av gigantbølger over den.

På figur 7 er vist en del av en alternativ ut-førelse av oppfinnelsen hvor bølgekonsentratoren består av en traktstruktur. Hele traktinnretningen kan være opplagret på havbunnen i relativt smult vann eller den kan flyte. Trakten i består av et par med motstående veggelementer 53 og 54 plassert i avstand ved den ene enden som fremviser munningen 55,og kon-vergerende mot den andre enden til et halsområde 56. Utvidel-

sen kan følge enhver hensiktsmessig kurve som tilfredsstiller kriteriet for ikke-reflektering som senere beskrevet. Brottene på de innkommende havoverflatebølger indikeres med 57 til 60.

Innretningen på figur 7 vises skjematisk som et vertikalsnitt i figur 8. Som det kan ses, har bølgekammene 5 7 til 60 stigende amplitude i forplantningsretningen 61 fra munningen 55 mot halsen 56.

Bunnen på innretningen vist i figurene 7 og 8,

har en skråplanform som forårsaker de forplantede overflate-bølger til å toppe seg og bryte. Som best vist i figur 8,

følger bunnen 52 en jevn kurve stigende fra munningen 55 til halsen 5,6 i pilens 61 retning. Bølgekammene 57 til 60 retar-derer progressivt til de abrupt brytes som indikert ved 60.

På figur 9 er vist et grunnriss av en annen ut-førelse av en bølgemotor konstruert i henhold til oppfinnelsen som omfatter en bølgekonsentrerende trakt av typen vist i figurene 7 og 8. Traktpartiet 6 9 defineres ved veggelementene

71 og 72 som konvergerer fra munningspartiet 73 mot halspartiet 74. Dybden på trakten 69 kan være ens frem til forkanten på skråplanpartiet 75. Skråplanpartiet 75 flater progressivt ut i pilens 76 retning. Brytningen på overflatebølgene opptrer i bølgekonsentratorens parti med det grunne underlag. De toppende og brytende bølgene kommer inn i bassenget 77 tangensialt i pilens 78 retning, noe som resulterer i en virvelstrøm i bassenget. På figur 10 kan det ses at bassenget defineres av veggelementet 79. En uttømmingsdiffusor 80 er plassert under midten på bunnen av bassenget og utstyrt med et inntak 81. Sentrert over diffusorinntaket 81 befinner vannturbinhjulet 82 seg. Vannturbinhjulet 82 er hensiktsmessig montert for rota-sjon om akselen 83..En elektrisk generator eller annen be-las tningsinnretning 84 er koblet til den øvre ende på akselen 83. Vann som passerer gjennom vannturbinhjulet 82 og'uttaksdiffusoren 80, returneres til havet i retning av pilene 86 og 87.

Belastningsinnretningen 84 kan være en vannpumpe eller annen utnyttelsesinnretning istedenfor en elektrisk generator. Forskjellige innretninger kan benyttes for leveranse av den genererte energi fra generatoren til stranden. I tillegg til teknikken med generering av elektrisk energi som beskrevet ovenfor, er et annet alternativ generering av hydrogen og oksygen-gass ved elektrolyse av sjøvann. Den genererte gass føres til land via rør.

Figur 11 viser en modifikasjon av innretningen på figur 10 hvor et bassengparti er tillempet for å skumme olje fra havoverflaten. Ved denne konstruksjonen tilfører skråplanet 90 og trakten 91 innkommende impulser av hovedsakelig ren kinetisk energi i pilens 92 retning til det konisk formede basseng 93

som er definert ved veggelementet 94. På grunn av den koniske formen utvirker konserveringen av vinkelbevegelsesmengden at rotasjonshastigheten stiger etter som væsken beveger seg nedad. Det virvlende vann eller virvelstrømmen i bassenget 93 vil ha

en nedpresset øvre overflate 95. Oljen 96 separeres ved sentri-fugalkraften fra vannet og vil flyte på den nedpressede øvre overflaten av det virvlende vann i bassenget 93. Sjøvannet vil tømmes ut fra bunnen av bassenget 93 gjennom uttømmingsdiffusor 97. Et rør 9 8 utformet som en støthevertåpning på enden, har åpningen plassert i bassenget 93 i den øvre del av strømvirvlene med overflateolje. Oljen oppsamles ved støtheverten,og røret 98 kan dermed tømmes i en hensiktsmessig beholder 99. Hele innretningen på figur 11 kan gjøres mobil ved å innbygge dens essensielle elementer på et spesialskip. Et slikt skip kan forfølge en oljeflekk og gjenvinne oljen i lagertanker.

En tredje utførelse av oppfinnelsens vesentligste trekk vises i oppriss på figur 12, i tverrsnitt på figur 13 og i horisontalsnitt i figur 14. Denne utførelse er spesielt vel egnet for installasjon tett ved stranden i relativt smult vann. For fullt ut å kunne forstå hvordan den virker, hjelper det

å erindre at en gradvis stigende sjøbunn er en reflekterende struktur. De mer eller mindre tilfeldig rettede bølger fra det åpne hav som støter mot.et slikt skråplan, blir reflektert således at de nærmer seg strandlinjen med strømbaner som er nær perpendikulær til stranden uavhengig av deres opprinnelige retning. Denne naturlige sjøbunnformen er i virkeligheten del av et system som tjener til å ordne bølgene til en kontrollert og forutbestemt fremdriftsretning. Mange steder vil naturlige konsentrasjonseffekter oppstå på grunn av detaljer i strandlinjen og sjøbunnens kontur som skaffer spesielt hensiktsmessige betingelser for bølgedrevne motorer.

I et slikt tilfelle er det bare behov for å gjennom-føre en endelig" konsentrasjon av bølgeenergien i vertikal retning ved hjelp av et formet skråplan som tilfredsstiller kriteriet for ikke-refleksjon som beskrives senere. På figur 12 inneholder den sylindriske beholder 101 det flytende løpehjul og strekker seg horisontalt i det vesentlige parallelt til stranden og bølgefrontene. Skråplanet 100 strekker seg i det vesentlige over sylinderens fulle lengde og leder brottsjøene tangensialt til det flytende løpehjuls topp. Den roterende vannsylinder beveger seg horisontalt mot turbinhjulet med den ene enden av den sylindriske beholder 101. Utstrømningen fra turbinhjulet passerer gjennom en radial diffusor 104 hvoretter vannet returnerer til håvet med en lav slutthastighet. Figur 13 viser et tverrsnitt av den tredje ut-førelse. Skråplanet 100 leder bølgene tangensialt til det flytende løpehjul .102. Det horisontale løpehjul har et noe varierende flatt nivå 109 på toppen på grunn av det varierende vannvolum i den horisontale sylinder 101, imidlertid er vinkelbevegelsesmengden fremdeles bevart. Figur 14 viser et horisontalsnitt gjennom den tredje utførelse. Det viser.en turbin 103 av typen med radialt inntak og bruk av en radial diffusor 104. Turbinen driver snekkedrevet 105 ved hjelp av akselen 106. Den annen aksel 107 forbinder snekkedrevet til en belastningsinnretning 108.

Alle de beskrevne utførelser benytter trakt-lignende innretninger for.å konsentrere bølgeenergien før den kommer inn i det flytende løpehjul som en stor transla-sjonsbølge. Den i innledningen beskrevne utførelse benytter en halvkuleform som sammentrykker energien vertikalt ved dens progressivt skrånende form og leder bølgene ved refleksjon istedenfor sidevegger i trakten. Den annen utførelse benytter både et formgitt gulv til å sammentrykke bølgene vertikalt og sidevegger til å sammentrykke bølgefronten horisontalt.

Den tredje utførelse benytter et formet skråplan til bare å sammentrykke energien vertikalt siden det er antatt at bølgene allerede til en viss grad er omformet av de naturlige reflekterende formasjoner.

I alle tilfeller er det viktig at den struktur som konsentrerer og transporterer bølgeenergien, funksjonerer uten å reflektere vesentlige mengder av energi, da eventuell reflektert energi aldri kan nå turbinhjulet. Å forhindre refleksjon er ensbetydende med å oppnå en impedans-tilpasning mellom bølge-fronten og den traktformede konsentrators inngangsparti. Da inngangspartiet i alle tilfeller er forbundet til en energi-absorberende terminal (det flytende løpehjul), vil den av-gjørende faktor som bestemmer eksistensen av en ikke-reflekterende impedans-tilpasning eller en reflekterende mistilpasning være den effektive sluttfrekvensen på den traktlig-

nende strukturen, noe som vil utvikles videre nedenfor. Myriader av utformningsvariasjoner er mulig. F.eks. vil mange forskjellige former på halvkulen kunne fremskaffe hensiktsmessige brytnings-mønstre. Samme grad av variasjon gjelder for traktene og skrå-planene i første og tredje utførelser.

Det er funnet hensiktsmessig å utlede et enkelt kriterium for å avdekke alle slike utførelser for å bestemme om den høyeste brytningsfrekvensen langs en traktakse kan produsere en impedans mistilpasning og derved energirefleksjon eller ikke. Dette kriteriet er kort utledet nedenfor og et enkelt eksempel for bruken er vist.

Oppmerksomheten rettes først til den godt kjente eksponensielle akustiske trakt (i virkeligheten et spesielt tilfelle av en noe større traktfamilie kjent som hyperboliske trakter). Den eksponensielle trakt defineres som en trakt som har et tverrsnittsareal S som forstørres aksialt fra halsom-rådet SQ i henhold til følgende ligning:

hvor x er avstanden fra halsen og ^ k ckalles flarekonstanten eller antall bølger ved brytning.

k kan omskrives til

hvor f er brytningsfrekvensen og Xcer bølge-lengden ved brytningsfrekvensen og c er lydhastigheten. Enhver frekvens som er større enn brytningsfrekvensen kan forplante seg som plane bølger langs traktens akse. Enhver frekvens under brytningsfrekvensen kan ikke forplante seg i trakten og blir i stedet reflektert fra inngangen på trakten. Brytningsbølgen nummer kckan også skrives på en annen hensiktsmessig måte. Ved å ta den første deriverte av arealet S med hensyn til den aksiale plassering x får vi hvorfra følger derav følger

Fordi de grunnleggende bølgeligninger som gjelder akustiske bølger og overflatebølger (så vel som elektromagnetiske og andre bølger), er matematisk identiske i formen, kan traktene benyttes analogt og analyseres i alle slike områder. Der består imidlertid en komplikasjon. Hastigheten på lydbølger og elektromagnetiske bølger er uavhengig av deres frekvens (ikke dispersive bølger) hvor imidlertid hastigheten på overflatebølger avhenger både av frekvensen og vannets dybde (dispersive bølger). Med en tilfeldig valgt traktform velger vi origo x = 0 ved den dybde hvor bølgene bryter. Dette oppstår omtrent hvor dybden er lik med en typisk bølgeamplitude. Tverrsnittsarealet som begrenses av den nøytrale vannoverflaten, skråplanet og virkelige eller antatte sidevegger ved x = 0,settes til å være Sq. På en tilsvarende måte kan S beregnes eller måles ved enhver annen lokalisering x. Til slutt kan S' vurderes på ethvert punkt som

hvor S2 er arealet ved x2og S, er arealet ved x^

hvorX2og x^er punkter nær X.

Den vilkårlige traktformen mellom x2og x^kan ses på som et kort segment av en eksponensialtrakt med samme arealer S og S^, samme avstand fra origo x og samme halsområde Sq. Dens flarekonstant er kc(en funksjon av x), og brytningsfrekvensen for det korte segmentet x2- x^er tilnærmet

I dette uttrykk er bølgen dispersiv. Bølgehastigheten c kan bestemmes av uttrykket

hvor g er jordgravitasjonen, d er den lokale dybde.

Imidlertid er for de fleste interessante tilfeller refleksjonene på grunn av usedvanlig store f mest ventet på grunne steder. For grunt vann foreligger en omtrentlig verdi for bølgehastig-heten Dette gir til slutt

Et enkelt eksempel vil tjene til å illustrere bruken av dette kriterium for å sikre valget av en konsentrerende trakt som ikke reflekterer bølger. Under antakelse av et plant skråplan velges til den tredje utførelse og trakten velges å være ikke-reflekterende for bølger med en periode på 10 sekunder (f = 0,1 Hz). For en konstruktiv utformning settes f en oktav lavere, dvs. f = 0,05 Hz.

c

Da den tredje utførelse bare benytter skråplanet, kan vi anta at traktens bredde er konstant og

hvor dQ = vanndybden hvor brytningen forventes, dvs. ved en dybde som er lik med bølgehøyden (a) som vi setter til en meter. Dermed fås for et rett skråplan d = m x + a hvor m er skråningen på skråplanet.

Maksimalverdien for f vil tydelig oppstå hvor x = 0 og da a = 1 meter

Dermed kan ikke skråningen overstige 0,2 for å tilfredsstille

det valgte kriterium. Dette korresponderer med en skråning på

12 grader i forhold til horisontalen.

Eksistensen av dette bredt nyttbare kriterium

gjør det mulig å klassifisere enhver hornlignende struktur enten som ikke-reflekterende eller forholdsvis reflekterende for ethvert valgt konstruksjonsområde, og uttrykket ikke-ref lekterende er i praksis nær ekvivalent til impedans tilpasset. Med denne spesifikasjon for øye kan uttrykket ikke-ref lekterende eller impedans tilpasset trakt betraktes å be-

ty en som imøtekommer det kriteriet som nettopp er utviklet.

Det er viktig å bemerke at traktens hals alltid

har vært ansett å være det sted hvor bølgen forventes å bryte. Brytingen betyr en abrupt overgang fra en oscillerende bølge-oppførsel tilnærmet dannet av bølgeovergangen til en stor primær bølgeforflyttelse. Den fremadskridende brenning repre-senterer en meget kompleks ikke-lineær påvirkningstilstand som ikke har sammenheng med bølgeutligningen og er dannet mer av partiklenes kinetiske og hydrodynamiske tilstand. Som et resultat av denne abrupte overgang fra de forplantede bølgene til brenning, gjelder beregningene av brytningen bare nær be-gynnelsen av brenningssonen. Bak dette punkt vil brenningen ledes av inntaksledeskovlene. Tilsvarende er kriteriet for traktens avslutning bare avhengig av området utenfor brenningssonen med forplantede bølger og har ingen betydning i brenningen.

Beskrivelsen av den tredje utførelse som bare benytter et formet skråplan, beskriver skråplanet som en konsentrering av energien i vertikal retning. Dette kan kreve en klar-gjøring. Det vidt benyttede uttrykk "overflatebølge" er en noe misvisende benevnelse. Både. trykkforstyrrelsentog partiklenes hastighet i sirkulære omløpsbaner assosiert med overflatens sinusformede bevegelser fastholder en eksponensiell senkning av amplituden ved store dybder. For å ta hensyn til all energi som overføres ved en slik bølge, er det nødvendig å integrere pro-duktet av det sykliske trykk og partikkelhastigheten ideelt sett til dybden ved starten. Derfor vil på en meget praktisk måte et oppadstigende skråplan som ikke reflekterer energi, tjene til å sammentrykke energistrømmen til et areal med mindre tverrsnitt og der vil være en korresponderende stigning i bølgenes høyde. Energisammentrykningen fra en bred bølgefront til en smalere bølgefront i horisontal retning er mer selvfølgelig. Dette følges også av en betydeling stigning i bølgeamplituden.

Claims (17)

1. Bølgemotor, karakterisert ved at den omfatter en impedansomformende innretning for mottagelse av over-flatebølger som i det minste delvis inneholder potensiell energi og, for omformning av den potensielle energi til kinetisk energi, en treghetsinnretning med et inntak koblet til den impedansomformende innretning for mottagelse og midlertidig lagring av den kinetiske energi, og som har et uttak fra hvilket.et kontinuerlig, jevnt uttak av den kinetiske energi oppnås, og en diffusorinnretning for uttømming av det medium hvori overflatebølgene forplanter segj etter å ha passert gjennom motoren.

2. Bølgemotor ifølge krav 1 , karakterisert ved at den impedansomformende innretning omfatter en brytningstrakt med en hovedsakelig ikke-reflekterende, seg utvidende form

3. Bølgemotor ifølge krav 1 , karakterisert ved at den impedansomformende innretning omfatter et oppad konvekst skall-element som har vertikalt anordnet sentral akse, en første åpning på toppen og en annen åpning ved bunnen.

4. Bølgemotor ifølge krav 1, karakterisert ved at treghetsinnretningen omfatter en hul sirkulær beholder med et inntak anordnet tangentialt og koblet til den imedansomform-ende innretning for å overføre en hvirvelbevegelse til mediet.

5. Bølgemotor ifølge krav 1, karakterisert ved at diffusorinnretningen omfatter en uttakskanal med økende tverrsnitt som er anordnet aksialt i forhold til treghetsinnretningens uttak.

6. Bølgemotor ifølge krav 1, karakterisert ved at diffusorinnretningen omfatter en uttakskanal med økende tverrsnitt anordnet radialt i forhold til treghetsinnretningens uttak. V.

Bølgemotor ifølge krav 1, karakterisert ved at den omfatter en innretning for omformning av kinetisk energi som er koblet til treghetsinnretningens uttak for å om^ -forme den kinetiske energi til en kontinuerlig rotasjonsbevegelse.

8. Bølgemotor ifølge krav 7, karakterisert ved at innretningen for omformning av kinetisk energi omfatter en generator for elektrisk kraft.

9. Bølgemotor ifølge krav 1 , karakterisert ved at den omfatter kanalinnretninger med en inntaksåpning som er anordnet i treghetsinnretningen for uttak av en del av det medium hvori overflatebølgene forplanter seg, og med en uttaksåpning for uttømning av den nevnte mediummengde fra treghetsinnretningen.

10. Bølgemotor ifølge krav 1, karakterisert ved at treghetsinnretningen omfatter en sirkulær beholder med et inntak og et uttak, og med ledeskovler som er anordnet ved inntaket for å meddele mediet en hvirvelbevegelse.

11. Bølgemotor ifølge krav 7, karakterisert ved at innretningen for omformning av den kinetiske energi omfatter en turbin.

12. Bølgemotor ifølge krav 1, karakterisert ved at inntaket til treghetsinnretningen er anordnet på dennes treghetsradius.

13. Bølgemotor ifølge krav 1, karakterisert ved at treghetsinnretningens akse er horisontal.

14. Bølgemotor ifølge krav 2, karakterisert ved at traktens hals strekker seg parallelt med treghetsinnretningens akse.

15. Bølgemotor ifølge krav 1, karakterisert ved at den impedansomformende innretning omfatter et ikke-ref lekterende skråplan.

16. Bølgemotor ifølge krav 10, karakterisert ved at ledeskovlene er utformet slik at de svarer til de avbøyde strømbaner..

17. Bølgemotor ifølge krav 1, karakterisert ved at den omfatter en brytningstrakt med et munningsparti og et halsparti som uten refleksjon- omformer overflatebølgene ved munnings- . partiet til impulser med overveiende kinetisk energi ved hals partiet, et hult sylindrisk standrør med en inntaksende og en uttaksende, hvor inntaksenden er koblet til brytningstraktens halsparti for å motta og midlertidig lagre impulsene med kinetisk energi, og en turbininnretning med en uttaksaksel for mottagelse av kinetisk energi som tilføres denne fra standrøret og meddele uttaksakselen en kontinuerlig rotasjonsbevegelse.