NO834494L - Energiomformingsenhet for et boelgeenergi-kraftverk - Google Patents

Description

Energiomformingsenhet for et bølgeenergi- kraftverk

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en energiomformingsenhet som omfatter en rammekonstruksjon og et omformerorgan festet til rammen på bevegelig måte, idet den kan reagere på bølgene for utnyttelse av bølgenes kinetiske energi ved omforming av energien til et høyttrykksfluidum som driver en Pelton-turbin som virker som det sentrale maskineri i bølgeenergi-kraftverket.

Etter solenergi og vindenergi er bølgeenergi den største kilde til ren fornybar energi, hvis potensiale i isfrie sjøom-råder er anslått til ca. 50 TW. Metoder som går på å utnytte bølgekraften er foreslått helt siden det 19. århundre, og spe-sielt i de siste år er der viet mye oppmerksomhet på utforskning av bølgeenergien. Blant de løsninger som er blitt foreslått,

bør nevnes celleomformeren ifølge prof. Rolf Tornqvist, den svingende vinge ifølge Salter og mange forslag basert på bøy-moment. Så langt har det imidlertid pga. konstruksjonsproblemer og/eller lav virkningsgrad ikke vært mulig blant disse løsninger å finne en løsning som skiller seg klart fordelaktig fra de andre, og som har oppnådd vidtrekkende bruk.

Energien i en sjøbølge blir i prinsippet fordelt jevnt over hele bølgelengden, mens kraften P i eksempelbølger hvis bølgelengde L = 180 m, H = 4,5 m og syklus T = 10 sekunder, er 250 kW pr. meter av bølgefronten (Plm= 0,92 x ^[l~x H2) . Således vil energiinnholdet i en syklus = en bølge i eksempelbølgene være 2 .500 kWs, dvs. 13,88 kWs/m<2>.

Dette er imidlertid bare en verdi som indikerer det gjennomsnittlige energiinnhold av en syklus. I virkeligheten vil der ved hver meter av en bølges lengde under en syklus opptre to energiakkumuleringer: Ved toppen av bølgen vil bevegelsen av vannet i vertikal retning = 0, slik at under en kvadratmeter overflate plassert på bølgetoppen vil en vannsøyle befinne seg med et topparti H/2 = 2,25 m som er plassert over det gjennomsnittlige overflatenivå. Den statiske energi er 2,250 kg x 2,25/2 m = 2,531 kgm, noe som så,ledes i det hele er konsentrert i det parti av vannsøylen som befinner seg over overflatenivået. I

og med at bevegelseshastigheten for partiet over overflateni-

vået i horisontal retning er gjennomsnittlig 1,1 m/s svarende til et energimål på 139 kgm, vil det totale energiinnhold følge-lig være 2,670 kgm, dvs. 26,18 kWs/m<2>. Ved bunnen av bølgen er situasjonen den samme.

Dersom det parti som befinner seg over overflatenivået, kunne falle fritt til overflatenivået, ville det anta en hastighet på 4,7 m/s i løpet av 0,75 s, idet friksjon og forskyvnings-motstand ikke er tatt med i beregningen. I praksis vil en fall-hastighet på 1,29 m/s bli nådd i løpet av 2,22 s, hvorved T/4

= 2,5 s. Den lavere verdi er et resulat av helningen av bane-bevegelsen av partiklene i vannet som utgjør formen av en forholdsvis sirkulær elipse som antar ca. 30° i retning for vinden. Under disse omstendigheter har den mottatt bare 1/13 av sin statiske energi til sin fordel, idet den overveiende hoveddel av energien blir konsumert for aksellerasjon av de underliggende vannmasser både oppover.og nedover og, når bølgehøyden blir lavere, også sideveis.

Således vil hendelsesrekkefølgen være som følger: Bølgetoppen blir fremskaffet ved den samlede virkning av kine-tisk energi hos de store vannmasser som befinner seg under såvel som ved fronten av og bak bølgetoppen. En bølgedal blir fremskaffet tilsvarende når tyngdekraften får bølgetoppen til å bryte sammen, idet vannmassene i bølgetoppen pga. treghetsmomentet i de underliggendeklag stort sett vil spre seg forover og bak-over, og pga. horisontalkomponenten av bevegelsen som oppnås av dem på denne måte, vil der fremskaffes en vid nedtrykning i.vannflaten. Det øyeblikkelige negative trykk som bevirkes av nedpressingen og vannmassene som søker sin vei inn i ned-presningen fra forsiden og fra baksiden, vil når de møtes, frem-skaffe en ny bølgetopp, osv. Dessuten vil bølgetoppen pga. vind-trykket dessuten ha en forholdsvis sterk horisontal bevegelses-komponent i retningen av vinden, og bølgedalen har en kompense-rende strøm i den motsatte retning.

Fordi den statiske energi av bølgen er så sterkt konsentrert i overflateskiktet, vil en bemerkelsesverdig mengde av statisk energi kunne gjenvinnes ved bibeholdelse av en viss volumetrisk proporsjon av bølgetoppen i sin stilling inntil resten av bølgetoppen har beveget seg forover. Derved ville denne statiske energi ikke være tilgjengelig til bare overflatenivået, men ned til den følgende bølgedal.

Hensikten med den foreliggende oppfinnelse er således

å skaffe en energiomformingsenhet som opererer i henhold til det ovenstående, som har en meget robust konstruksjon og høy virkningsgrad, og som er pålitelig under drift. Dette er oppnådd ved hjelp av en energiomformingsenhet i henhold til den foreliggende oppfinnelse som erkarakterisert vedat den består av en støttevogn som beveger seg horisontalt i forhold til rammekonstruksjonen, en pongtongkonstruksjon som er forbundet med støttevognen og beveger seg sammen med bølgebevegelsen, låse-, organer til å låse pongtongkonstruksjonen i den høyeste og laveste stilling som den kan nå sammen med bølgen i vertikalretningen, og for løsgjøring av konstruksjonen etter at bølge-toppen/bunnen har beveget seg forover, slik at pongtongkonstruksjonen befinner seg nesten fullstendig over/under vannflaten, og enveis eller toveis høytrykksfluidumpumper forbundet med pong-tongkonstruks j onen for omforming av energi fra den frie bevegelse av pongtongkonstruksjonen til hydraulisk trykk.

Den bærende del av pongtongkonstruksjonen består av flere vertikale sylindriske beholdere tildannet noe hydrodynamisk ved begge ender. Massen av pongtongkonstruksjonen er tilnærmet en halvpart eller noe mindre enn en halvpart av massen av vann-mengden som forskyves ved hjelp av beholderne ved full neddyk-ning.

Hovedideen ved oppfinnelsen ligger således deri at en passende dimensjonert og formet pongtong som er hevet til bølge-toppen / sunket til bølgebunnen blir stoppet i sin ytterposisjon inntil den etter at bølgetoppen/bølgebunnen har beveget seg tilstrekkelig forover, faller fritt/hever seg nesten med sin fulle vekt/løftekraft.

Oppfinnelsen vil nå bli beskrevet i detalj under henvis-ning til den vedføyde tegning. Fig. 1 er et skjematisk sideriss av et eksempel på en utførelsesform for en energiomformingsenhet i henhold til oppfinnelsen .

Fig. 2 viser enheten ifølge fig. 1 sett forfra.

Fig. 3 er et grunnriss av enheten på fig. 1 med støtte-

vognen fjernet.

Fig. 1-3 viser den mer detaljerte konstruksjon av en utførelsesform for energiomformingsenheten i henhold til oppfinnelsen vist noe skjematisk.'Den del av enheten som i virkeligheten reagerer på bølgene, er pongtongkonstruksjonen 1 som består av langsgående og tversgående bjelker 6 og 7 plassert på kryss i forhold til hverandre og forholdsvis langt fra hverandre, noe hydrodynamisk formet beholdere 3 festet til bjelkene ved mellomliggende armer, og styre- og støttestolper 5. Støtte-stolpene 5 forbinder pongtongkonstruksjonen til støttevognen 2 som er plassert over pongtongkonstruksjonen. Støttevognen 7 er plassert mellom par av søyler lia, 11b, lic, f.eks. avstøttet på bunnen og forankret på en eller annen måte. Mellom søylene lia, 11b og lic er der festet broer 16 som rommer lukkede spor 27 hvor der kan dreie seg hjul 18 av hard gummi for støttevognen 2, idet antallet av hjul kan f.eks. utgjøre 4 par. På denne måte kan støttevognen bevege seg i den horisontale retning i forhold til søylene lia, 11b og lic. Denne horisontale bevegelse er begrenset og utnyttes ved hjelp av to enveisvirkende høytrykks-fluidumpumper 19 som er plassert mellom midtsøylen 11b og støtte-vognen .

Førings- og støttestolpene 5 som er forbundet med pong-tongkonstruks j onen er ført gjennom støttevognen 2 og gjennom langstrakte føringshylser 8 som er plassert på toppflaten av vognen. Toppendene av føringshylsene 8 er forsynt med f.eks. magnetiske låseorganer 9 for låsing av pongtongkonstruksjonen ved det ønskede nivå. Bevegelsen av pongtongkonstruksjonen er begrenset og utnyttes av høytrykksfluidumspumper 12, idet der alltid er anordnet en pumpe pr. par av støttestolper såvel som av utvidelser 10 dannet ved endene av stolpene 5. Pongtongkonstruksjonen er også forsynt med mellomliggende flenser 20 som forhindrer horisontal bevegelse av vannet inn i pongtongkonstruksjonen, mens posisjoneringen av sylindrene 3 tillater vertikal bevegelse av vann. Foruten ved hjelp av førings- og støttestol-pene 5 blir bevegelsen av pongtongkonstruksjone oppover og nedover også styrt ved hjelp av gummihjul 15 som er festet til siden av pongtongkonstruksjonen og avstøttet mot søylene lia,

11b og lic, idet hjulene eventuelt er forsynt med fjæroppheng.

Den funksjon som støttevognen 2 har, er å føre bevegelsen av pongtongkonstruksjonen 1 i vertikalretningen og å holde den i stilling i ytterposisjonene samtidig som den tillater ettergivende bevegelse av hele utstyret i retning av bølgenes hori-sontalkomponent. Således vil- vognen bli vekselvis påkjent av vekten av hele pongtongkonstruksjonen og av den totale løfte-kraft.

I den hensikt å tillate utførelsen av de forskjellige driftstrinn hos energiomformningsenheten er de motsatte ender av i det minste en sylinder 3 forsynt med detektorer 13 og 14 som avgir en puls for midlertidig eliminering av mottrykket ut av høytrykkfluidumpumpene 12, i den hensikt å gi pongtongkonstruksjonen en residual aksellerasjon når beholderne 3 kommer i berøring med vannflaten. Låsepulsen blir avgitt til låseorganene ved hjelp av en detektor 17 som reagerer på avbruddet av heve- og senkebevegelsen hos pongtongkonstruksjonen, idet detektoren 17 er forbundet f.eks. til et eller annet låseorgan 9. Frigjøringspulsen til låseorganene 9 blir avgitt av en detektor 21 som f.eks. er forbundet med det siste hjulpar 18 i retning av bølgebevegelsen, idet detektoren 21 virker på grunnlag av akselbelastningen eller akselavbøyningen når påkjenningen når en forhåndsbestemt verdi.

En energiomformingsenhet i et bølgeenergikraftverk i henhold til den foreliggende oppfinnelse opererer uavhengig av sine nabomoduler som følger: Når pongtongkonstruksjonen 1 når sitt toppnivå ca. 24° etter toppen av bølgetaket, vil sensoren 17 avgi en låsepuls til låseorganet 9. Pongtongkonstruksjonen 1 forblir i denne stilling inntil bærekraften av vannet med ankomsten av bølgebunnen er blitt redusert til 6....10 % av maksimalverdien. Derved vil den økte akselbelastning av de bakre støttehjul 18 aktivere føleren 21 som gir en puls til låseorganet 9 og frigjør pong-tongkonstruks j onen . Frigjøringspulsen kan bli gitt på forhånd, idet pga. den lave residuale aksellerasjon bevegelsen av pong-tongkonstruks j onen til å begynne med er meget langsom og vannflaten som befinner seg i en tilstand av rask bevegelse nedover, levner den øyeblikkelig fullstendig fri. En fremadskridelse som er større enn den ovennevnte, er imidlertid ikke mulig fordi mottrykket i høytrykksfluidumpumpene 12 i et slikt tilfelle ville ha en tendens til å heve pongtongkonstruksjonen. Den nød-vendige residuale aksellerasjon på ca. 0,051 g gir nå pongtong-konstruks j onen en endelig hastighet på 1,53 m/s når den slår mot bølgebunnen. På grunn av den cellulære konstruksjon vil den fortsette å bevege seg mens mengden av vann som ble forskjø-vet av konstruksjonen, vil heve vannflaten ut over hevningen i henhold til bølgen. I eksempelet vil det areal som er fritt for vann i pongtongkonstruksjonen, være lik arealet for beholderne, slik at den overskytende hevning av vannflaten utgjør inntrengningsdybden av pongtongen i vannet. En økning av det frie areal ville gjøre pongtongkonstruksjonen urimelig lenger, slik at de ytre partier ville møte vannflaten vesentlig tid-ligere enn midtpartiet.

Dersom pongtongkonstruksjonen 1 blir tillatt å fortsette

å arbeide etter berøringen med flaten, vil den allerede stoppe etter å ha skredet frem 0,5 m, slik at startpunktet for det neste hevende trinn forblir meget ufordelaktig. På den anne side dersom mottrykket som bevirkes av høytrykksfluidumpumpene 12, blir eliminert ved hjelp av en impuls som blir gitt av føle-rne 13 og 14 ved den berøring som finner sted med overflaten,

og pongtongkonstruksjonen får anledning til å fortsette sin bevegelse fritt, blir den ikke stoppet og låst før den har beveget seg 1,36 m mot dybden fra berøringspunktet med overflaten. Med denne fremgangsmåte vil den samlede virkningsgrad av utstyret bli forbedret med nesten 20 %.

Fjerningen av den utnyttede brutto energi demper bølgene slik at høyden av den utgående bølge H = ^jl - ^ x H. I tilfel-let av bølgene i henhold til eksempelet H = ^|l - 0,4 02' x 4,5 m = 3,48 m. Beregninger vedrørende virkningsgraden for utstyret må utføres i henhold til denne lavere høyde, dvs. arbeidshøyden.

Når høyden av pongtongkonstruksjonen er 2,5 m og høyden av arbeidsbølgen nevnte 3,48 m, vil toppnivået for pongtongkonstruksjonen nå befinne seg ved nivå - 1,74 -1,36 + 2,5 = - 0,6 m. Dette nivå - den tillatte fremadskridelse på ca. 0,1 m - blir nådd av den oppadgående bølgetopp, ca. 24° før overflatenivået, på hvilket tidspunkt føleren 21 gir en frigjøringspuls til låseorganet 9 og hevetrinnet begynner. Bølgens egen hevebevegelse vil i den forbindelse gi pongtongkonstruksjonen en ekstra begyn-nelseshastighet og ettersom den hydrodynamiske form av beholderne reduserer friksjonen med en økende hastighet, vil løfte-kraften for pongtongen neppe være så mye høyere enn vekten av pongtongen for oppnåelse av den samme endelige hastighet. Etter at pongtongkonstruksjonen har kommet i berøring med vannflaten, vil føleren 14 ved hjelp av sin puls eliminere mottrykket i høytrykksfluidumpumpene 9, og pongtongkonstruksjonen fortsetter sin bevegelse oppover og når topphøyden 1,74 + 1,36 = 3,1 m (toppflate), idet den låses i denne posisjon. Høyden av den nedre flate over det gjennomsnittelige nivå av vannflaten er der 0,6 m. Når den bakre flate av den utgående bølgetopp når dette nivå + den tillatte fremadskridende bevegelse, avgir fø-leren 21 en frigjøringspuls til låsemekanismen 9 og en ny peri-ode starter.

På grunn av det i seg selv store volum såvel som de be-tydelige vannmasser som er bundet til den har pongtongkonstruksjonen 1 fremragende muligheter til også å utnytte horisontalkomponenten av bølgetoppens og bølgebunnens bevegelse, noe som oppnås ved avbremsing av støttevognens bevegelse ved hjelp av enkeltvirkende høytrykksfluidumpumper 19.

På grunn av den lave aksellerasjon ved begynnelsen av hevetrinnet, når graden av hevning for bølgeflaten allerede ligger nær maksimalverdien, vil pongtongkonstruksjonen forbli betydelig dypt under flaten. For at støttekonstruksjonene for pongtongen ikke skulle bremse ned hevebevegelsen på dette trinn, må pongtongbeholderne bli forsynt med rørformede festearmer 4 hvis lengde er 1/3-1/2 av bølgehøyden H, avhengig av perioden T av de valgte predominerende gjennomsnittlige bølger.

Tilsvarende vil bunnen av pongtongkonstruksjonen 1 ved begynnelsen av senketrinnet forbli betydelig høyt over vannflaten. Det er hvorfor de mellomliggende flenser 20 som er be-tydelige med hensyn til utnyttelsen av den horisontale effektive kinetiske energi, er blitt forlenget slik at de strekker seg ca. en høyde av beholderen 3 under bunnen av pongtongkonstruksjonen. Ved hjelp av en svak bøyning av deres bunnpartier i retning av den utgående bølge vil den totale virkning bli forbedret ytterligere til en viss grad.

I forbindelse med lange havbølger, T = 10-15 sekunder, vil ved den forankrede versjon av bølgeenergikraftverket den forlengede vekt/løftekraft av pongtongkonstruksjonen gi hele kraftverkkonstruksjonen en betydelig aksellerasjon. Således vil hele anlegget ved slutten av senketrinnet av pongtongkonstruksjonen fortsette sin bevegelse nedover og denne bevegelse slutter ikke før den er blitt overtatt av løftekraften" for pong-tongkonstruks jonen tilnærmet ved det gjennomsnittlige overflatenivå under det neste hevetrinn. Denne bevegelse som kan inne-bære adskillige metre er ikke ødeleggende, idet den øker lengden av den nyttige bevegelse mot heve- og senketrinnet, men når den er ukontrollert kan den bevirke resonnansforstyrrelser når den mister takten i forhold til bølgebevegelsen. Dette er hvorfor det er tilrådelig å multiplisere egenmassen av kraftverks-konstruksjonen ved deri å binde underliggende vannmasser ved hjelp av hovedsakelig horisontale arkplan som ikke er vist,

slik at dén masse som man oppnår på denne måte er 10-20 ganger så stor som den totale masse av pongtongkonstruksjonen.

I det eksemplifiserte tilfelle vil således den effekt som fremskaffes ved den vertikale bevegelse av pongtongkonstruksjonen, være 2 x 200.000 x (0,6 + 1,74) x 0,949 = 88.000 kgm/- 10s/10m av bølgefront, dvs. 87,1 kWs/1 m av bølgefront, idet virkningsgraden 0,402 er beregnet utifrå den vertikale komponent av bølgeenergien.

Den del av energikomponenten som er effektiv i horisontalretningen i forhold til den totale energi, varierer fra nesten null i forbindelse med en lang, lav rullebølge til.nesten 1/3

i korte krappe stormbølger. Ved bølgene ifølge eksempelet er de av størrelsesorden 12-15 % beregnet på basis av 13,5 %, 34 kWs. Pongtongkonstruksjonen med sine lange mellomliggende flenser binder et stort vannvolum i seg selv og når derfor i det minste den samme virkningsgrad både fra den horisontale og fira den vertikale energikomponent og gir derfor, beregnet på basis av .0,402, et utbytte på 13,7 kWs/1 m av bølgefront. Således vil brutto resultat som fremskaffes av utstyret, være 100,8 kWs/1 m av bølgefront.

Dersom der i støttekonstruksjonen installeres en annen pongtongkonstruksjon etter den første, som er dimensjonert for en lavere bølgehøyde og følgelig er lavere, er det dessuten mulig å utnytte 40 % av den residuale bølge, dvs. 59,7 kWs, hvorved den totale virkning av utstyret blir øket til 160,5 kWs/1 m av bølgefront, idet virkningsgraden er 0,642. Høyden av den utgående residuale bølge blir deretter redusert til 2,69 m.

Utstyret i henhold til oppfinnelsen kan appliseres enten hovedsakelig som en stasjonær eller forankret bølgeenergikraft-stasjon i mindre målestokk, såvel som.f.eks. i forbindelse med borerigger dersom den horisontale skyvekraft blir kompensert.

Kombinasjonen av pongtongkonstruksjon og støttevogn som beskrevet ovenfor kan erstattes av en pongtongkonstruksjon som er forbundet ved hjelp av en lang vertikalt bevegelig bærearm til rammen av kraftverket ved hjelp av en leddet forbindelse som er ettergivende i horisontalretningen og kan låses.

Claims (8)

1. Energiomformingsenhet for et bølgeenergi-kraftverk, idet enheten omfatter en rammekonstruksjon (11, 16) og et omformingsorgan festet til rammen, idet det kan bevege seg og reagere på bølgene, karakterisert ved at omformingsorganet består av en støttevogn (2) som beveger seg horisontalt i forhold til rammekonstruksjonen (11, 16), en pongtongkonstruksjon (1) forbundet med bærevognen og bevegelig sammen med bølgébevegelsen, låseorgan (12) for låsing av pongtongkonstruksjonen (1) i den høyeste og laveste stilling som oppnås ved bevegelse sammen med bølgen i den vertikale retning, og for frigjøring av konstruksjonen etter at bølgetoppen/bunnen har beveget seg forover slik at pongtongkonstruksjonen er nesten fullstendig over/under vannflaten, samt enkeltvirkende eller dobbeltvirkende høytrykks-fluidumpumper (9) forbundet med pongtongkonstruksjonen for omforming av energien ved den frie bevegelse av pongtongkonstruksjonen til hydraulisk trykk.

2. Enhet som angitt i krav 1, karakterisert ved at den bærende del av pong tongkonstruksjonen består av flere vertikale sylindriske beholdere (3) som er formet svakt hydrodynamisk ved begge ender.

3. Enhet som angitt i krav 2, karakterisert ved at detektorer (13, 14) som er forbundet med i det minste en av beholderne (3), avgir en puls når de kommer i berøring med vannflaten for midlertidig eliminering av mottrykket ut fra høytrykksfluidumpumpene (12) i den hensikt å gi pongtongkonstruksjonen (1) er residual aksellerasjon.

4. Enhet som angitt i krav 2, karakterisert ved at massen av pongtongkons-truks jonen (1) er tilnærmet en halvdel eller noe mindre enn en halvdel av massen av den vannmengde som forskyves av beholderne ( 3 ) .

5. Enhet som angitt i krav 2, karakterisert ved at beholderne (3) befinner seg i pongtongkonstruksjonen (1) på avstand fra hverandre slik at de tillater bevegelse av vann i vertikalretningen, mens vann-bevegelsen i den horisontale retning blir forhindret ved hjelp av mellomliggende flenser (20).

6. Enhet som angitt i krav 5, karakterisert ved at de mellomliggende flenser (20) strekker seg ca. en høyde av en beholder (3) under bunnen av pongtongkonstruksjonen (1), og at deres bunnpartier er svakt bøyet i retning for den utgående bølge.

7. Enhet som angitt i krav 2, karakterisert ved at beholderne (3) er forsynt med rørformede armer (4) hvis lengde er 1/3-1/2 av høyden av de predominante gjennomsnittlige bølger.

8. Enhet som angitt i krav 1, karakterisert ved at der for avgrensning av den horisontale bevegelse av støttevognen (2) i forhold til rammekonstruksjonen (14, 16) er anordnet enkeltvirkende trykk-fluidumpumper (19) mellom støttevognen og rammekonstruksjonen, idet pumpene er festet ved den ene ende til støttevognenden og ved den annen ende til rammekonstruksjonen.