NO842637L

NO842637L - Anordning for utvinning av energi fra vannboelger

Info

Publication number: NO842637L
Application number: NO842637A
Authority: NO
Inventors: Michael Joseph French
Original assignee: Michael Joseph French; Chaplin R V
Priority date: 1979-10-03
Filing date: 1984-06-29
Publication date: 1981-04-06
Also published as: JPS5664164A; GB2061395B; DE3037311A1; FR2466570A1; NL8005467A; FR2466570B1; NO802894L; US4375151A; GB2061395A

Description

Foreliggende oppfinnelse gjelder regulering av en anordning for utvinning av bølgeenergi og som herunder utnytter et skrog med fleksibel vegg iav den type som er beskrevet i US patentskrift nr. 4.164.383.

Hvis en sådan anordning har lange gasskanaler, vil disse jevne

ut gasstrømmen til energiomformingsapparatet (vanligvis turbin) som omformer gasstrømmen til en mer hensiktsmessig energiform. Det vil imidlertid fremdeles være betraktelige variasjoner i gasstrykket på grunn av det varierende antall bølgetopper og bølgedaler langs skrogets lengdeutstrekning,

samt også på grunn av de store fluktuasjoner i bølgehøyden.

Det er et formål for foreliggende oppfinnelse å angi et reg^-uleringssystem for å oppnå forbedret virkningsgrad ved utvinning av energi fra gasstrømmen under sterkt pulserende trykkvari asj oner.

Et ytterligere trekk ved en anordn ing-vav denne type er at den

er iboende bistabil med hensyn til s<*>tampning i sjøen, og har en tendens til å anta en arbeidsstilling med enten ned-senket frontparti eller akterstend (betegnet som "loll")

hvori bare midtområdet av skroget med bøyelig vegg arbeider effektivt.

Det er et ytterligere formål for foreliggende oppfinnelse å

gi styring av stampefasen for å forbedre utvinningen av energi fra anordningen.

Oppfinnelsen angår således en anordning for utvinning av energi fra vannbølge og som omfatter et langstrakt skrog med en fleksibel vegg av ugjennomtrengelig material, idet skroget er delt opp i flere skott som hver inneholder gass, mens en utgående og en tilbakeført gasskanal er forbundet med hvert skott gjennom enveisventiler som er anordnet for å tillate enyéispassasje av gass fra skottet inn i den utgående kanal samt fra den tilbakeførte kanal inn i skottet, og en langstrakt bærer som det fleksible skrogmaterial er forbundet med, idet anordningen i drift er slik anordnet i vann at toppen av den bøyelige skrogvegg delvis bryter eller befinner seg like under vannoverflaten således at hvert skott etter tur utsettes for en ytre trykkforandring når vannbølgene forplanter ség langs anordningen, og derved gass pumpes fra skottet ut i den utgående gasskanal når det ytre trykk er høyt og gass vender tilbake til skottet gjennom den tilbakeførte kanal når det ytre trykk er lavt, mens utstyr for energiomforming er anordnet for å bringe den ekspanderende gass fra den utgående kanal inn i den tilbakeførte kanal til å utføre arbeidet. Anordningen har herunder som særtrekk i henhold til oppfinnelsen at den omfatter en følerinnretning for å avføle bølgehøyden på minst et sted langs anordningens lengdeutstrekning, samt reguleringsutstyr som styres av følerinnretningen for innstilling av strømningsbegrensninger for gasstrømninger i strømningsbanen gjennom energiomformingsutstyret i forut bestemt, avhengighet av den avf ølté*..bølgehøyde.

Ved foretrukket utførelserer det langstrakte skrog i sin hel-het utført i bøyelig ugjennomtrengelig material, mens skottene dannes av en rekke skillevegger som også er av bøyelig ugjennomtrengelig material. Det vil imidlertid forstås at et teknisk', likeverdig system oppnås hvis skottene er utformet hver for seg som en sekk og disse sekker er anordnet etter hverandre i den langstrakte bærer.

Energiomformingsutstyret omfatter fortrinnsvis en turbin,

mens gassreguleringsutstyret omfatter et innløpsmunnstykke med reguleringsblader og en åpning som er innstillbar fv eks. ved dreining av munnstykkebladene om en radial akse.

Et annet :;t.rekk ved oppfinnelsen gjelder også en anordning

for utvinning av energi fra vannbølger og som omfatter et langstrakt skrog med en fleksibel vegg av ugjennomtrengelig material, idet skroget er delt opp i flere skott som hver inneholder gass mens en utgående og en tilbakeført gasskanal er

forbundet med hvert skott gjennom enveisventiler som er anordnet for å tillate enveispassasje av gass fra skottet inn i den utgående kanal samt fra den tilbakeførte kanal inn i skottet, og en langstrakt bærer som det fleksible skrogmaterial er forbundet med, idet anordningen i drift er slik anordnet i vann at toppen av den bøyelige skrogvegg delvis bryter eller befinner seg like under vannoverflaten, således at hvert skott etter tur utsettes for en ytre trykkforandring når vannbølgene forplanter seg langs anordningen, og derved gass pumpes fra skottet ut i den utgående gasskanal når det ytre trykk er høyt og gass vender tilbake til skottet gjennom den tilbakeførte kanal når det ytre trykk er lavt, mens utstyr for energiomforming er anordnet for å bringe den ekspanderende gass fra den utgående kanal inn i den tilbake-førte kanal til å utføre arbeidet. Anordningens særtrekk består herunder i at det er anordnet minst to gasstrømnings-kretser, som er anordnet på hver. sin side av anordningens midtpunkt og er utstyrt med innbyrdes uavhengige gasstrømnings-reg^latorer, således at regulering-"av gasstrømningen styrer anordningens stampebevegelse, idet en følerinnretning er anordnet for avføling av anordningens stampebevegelse om midtpunktet og gasstrømningsregulatorne styres av denne følerinn-retning for innstilling av strømningsbegrensning av gasstrømmen i hver av gasstrømningskretsene på sådan måte at anordningens stampebevegelse reduseres.

I en foretrukket utførelse av oppfinnelsen er hvert par av gasstrømningskretser kryssforbundet i form av et åttetall omkring midtpunktet, således at den ene utgående gasskanal tilføres gass fra skott med fleksible vegger på den ene side av midtpunktet, mens den tilbakeførte gass etter å ha passert gjennom energiomf ormingsutstyret strømmer inn i<<den tilbake-førte gasskanal som er forbundet med skottene med fleksible vegger på den annen side av midtpunktet, idet de sistnevnte skott i sin tur avgir gass til den annen utgående gasskanal i kretsparet, og hvis returgass tilføres den tilbakeførte gasskanal for skottene på den førstnevnte side av midtpunktet.

Det vil forstås at dette arrangement gir øket effektivitet

når det gjelder regulering av anordningens stampebevegelse ved innstilling av strømningsbegrensningene for gasstrømmen i hver av gasstrømningskretsene. Hvis således anordningen f.eks. har en tendens til å stampe med baugen opp, vil en økning av strømningsbegrensningen for gasstrømmen gjennom den krets som tilføres gass fra skottene i akterenden og som avgir returgass til den tilbakeførte gasskanal for skottene i baugenden fører til avtagende gassmengde i anordningens baugende, mens avgivelse av gass fra skottene i akterenden motvirkes. På denne måte vil oppdriften i akterenden øke mens oppdriften i baugenden avtar, således at den nevnte stampebevegelse av baugen oppover motvirkes.

Fortrinnsvis er bølgehøydefølere også anordnet og gasstrømnings-regulatorne styres i tillegg til å innstille strømnings-begrensningene for gasstrømmen i hver av nevnte strømnings-kretser i forut ^bestemt avhengighet av den avfølte bølgehøyde, idétdéh innstilling av gasstrømningsbegrensningene som styres av bølgehøydeføleren virker i samme' retning i hver av gass-strømningskretsene, mens den innstilling av gasstrømnings-begrensningene som styres av stampeføleren er slik at gass-strømningen reduseres i strømningskretsen på den del av anordningen som er i ferd med å stampe nedover, mens gassstrømn-ingen økes i strømningskretsen på den del av anordningen

som er i ferd med å stampe oppover.

En spesiell utførelse av anordningen for utvinning av bølge-energi i henhold til oppfinnelsen vil nå bli beskrevet ved hjelp av et utførelseseksempel og under henvisning til de vedføyde tegninger, hvorpå: Fig. 1 er en skjematisk perspektivskisse av anordningen i henhold til oppfinnelsen,

Fig. 2A til 2D er skjematisk opptegnede tverrsnitt av anord-

i

ningen som viser forskjellige stadier av anordningens arbeids-

sykl<y>s,

Fig. 3 viser skjematisk anordningens gasstrømningskretser, Fig. 3A angir skjematisk gasstrømningskretser for en modi-fisert utførelse, og Fig. 4 er et blokkskjema av de elektriske komponenter i anordningens reguleringssystem.

Anordningen omfatter et langt stivt bjelkeformet skrog 11, som i arbeidsstilling ligger vendt mot sjøgangen og holdes flytende ved hjelp av fleksible luftsekker 12a, 12b som er festet langs oversiden av skroget 11.

Skroget 11 er av forspent betong og har en form som ligner

en firkantbjelke, som er oppdelt i fire deler for å,danne to gasskanaler 13, 14 samt to sett av vannballasttanker 15,

16. Skroget 11 er i foreliggende utførelseseksempel 190 meter langt, men meget tyder nå på*-at kortere anordninger

ti....<-•-. ! J>

vil være mer økonomiske.

De fleksible luftsekker er utformet i forsterket gummimaterial i to områder, henholdsvis 12a og 12b, som hvert er omkring 80 meter langt med et uavbrutt ytre deksel som er oppdelt i ti adskilte sekker ved hjelp av skillevegger. Hver sekk står i forbindelse med en utgående gasskanal 14 gjennom en enveisventil 18 samt med en tilbakeført gasskanal 13 gjennom en enveisventil 17.

Når en bølgetopp stiger omkring en sådan sekk vil i drift det ytre trykk som virker på sekkken etterhvert overstige det indre trykk i denne og derved sammentrykke sekken lateralt, således at luft tvinges ut av sekken gjennom enveisventilen 18 inn i den utgående kanal 14 (fig. 2B). Når vannivåét atter avtar, vil sekken atter fylles fra den tilbakeførte gasskanal 13 gjennom enveisventilen 17 (fig. 2D) .

Ut ifra dette vil det forstås at gassen, som hensiktsmessig er luft, i den utgående kanal 14 befinner seg under høyt trykk, mens gassen i tilbakeføringskanalen 13 har lavt trykk. Betegnelsene .Vhøyt" og "lavt" er i denne forbindelse relative, idet trykkforskjellen tilsvarer en vannsøyle som er lik omkring halvparten av den foreliggende bølgehøyde.

Hver fleksible sekk 12a, 12b arbeider mer eller mindre uavhengig som enkle belger som pumper luft fra "lavt" til "høyt" trykk. Arbeidsfunksjonen kan anskueliggjøres ved sekker som trykkes sammen av en bølgetopp og derved får nedsatt høyde, samt utvides i en bølgedal således at bølgedalen har en tendens til å utfylles.

Gasstrømningskretsen sluttes gjennom luftturbiner, hvor luft fra den utgående gasskanal 14 ekspanderes inn i tilbakeførings-kanalen 13. For å oppnå den ønskede regulering av stampebevegelsen er gasstrømningskretsen i foreliggende utførelses-eksempel delt i to... Rekken av fleksible sekker 12a i anordningens baugende avgir gass til den'ene utgående gasskrets 14a (fig. 3) mens rekken av fleksible sekker 12b i anordningens akterende avgir gass til en separat utgående gasskrets 14b.

En felles returkrets 13 (lavt trykk) anvendes. 2 ettrinns luftturbiner 19, 21 på samme aksel tilføres gass fra hver sin utgående gasskrets 14a, 14b samt avgir sin utløpsgass til den felles gasskrets 13. Turbinene 19, 21 driver en generator 22. Gasstrømningen gjennom turbinene styres av "vanlige kjente blad-munnstykker med innstillbare åpninger, hvis innstilling bestemmer den strømningsbegrensning for gasstrømmen som frembringes av vedkommende munnstykke. Instillingen av munnstykkebladene styres av servomotorer som er vist ved 23 og 24 i fig. 3.

Denne styring er skjematisk angitt ved 25 og 26 i fig. 3.

For å frembringe styresignaler for innstilling av turbinmunn-stykkenes blader, overføres to primær-tilstander, nemlig bølge-høyde og stampebevegelse. I foreliggende utførelseseksempel måles stampebevegelsen med et aksellerometer, men en pendel eller gyro indikator som avføler svingehastigheten kan også anvendes. Bølgehøyden måles ved avføling av hydrostatiske trykk ved baugenden og akterenden, samt korrigeres med hensyn på stampebevegelsen for å gi den faktiske hoyde av sjø-overflaten i forhold til middelnivået.

Servomotorene 23, 24 styres til å innstille munnstykkeåpningen for de to turbiner 19, 21 i innbyrdes samsvar for å opti-malisere den uttatte effekt ved den avfølte bølgehøyde, samtidig som munnstykkeåpningene innstilles innbyrdes mot-satt for å motvirke loll. Dette kan best anskueliggjøres med en innstilling av munnstykkeåpningen tilsvarende.(a + b) ved turbin 19 samt tilsvarende (a - b) ved turbin 21. Betegnelsen "a" er en funksjon av bølgehøyden og økes for mindre bølger samt reduseres for større bølger. Betegnelsen "b" er en funksjon av skrogets stampebevegelse målt av aksellero-meteret, samt bølgehøydeforløpet.

Hvis 0 er stampingen (baugen nedover) og munnstykkeåpningenes innstillinger målt som bladenes vi-nkelstillinger er (a + b) for turbin 19 (tilført gass fra sekkene 12a ved baugenden) samt (a - b) for turbin 21 (tilført gass fra sekkene 12b ved akterenden), vil en enkel funksjonsform for "b" være

-K9, hvor K er en konstant av størrelsesorden 3-5 vinkel-grader pr. stampegrad. Ved mer komplisert utstyr, vil K

være en lineær operator som omfatter differénsialledd, pro-porsjonalledd og integralledd.

En enkel form for funksjonen "a" er a = a m - Hh„ hvor a mer

J m B m

en middelverdig for munnstykkebladenes innstilling, hD c er bølgehøyden ved baugen og korrigert for stampingen, mens H typisk er omkring 3°/meter hvis den er en konstant, men kan ha tre ledd slik som den ovenfor angitte operator K i mer kompliserte tilfeller. Verdien av a mvil være basert på

det siste maksimum for hD.

Operatoren K vil således ha den alminnelig form C.D + C_ + C^D mens operatoren H har den alminnelige form C^D + C K + + CgD~<*>hvor ...... Cg er konstanter, D representerer differensialoperatoren med hensyn på tiden for den variable som det opereres på (stampingen 6 når det gjelder K samt den korrigerte baugbølgehøyde hfi når det gjelder H) , og D-"*" representerer integralet av vedkommende variable.

Parameterne, hvilket vil si verdiene av konstantene C til

Co, , må tilpasses den foreliggende utførelse av anordningen

for utvinning av bølgeenergi samt de ventede sjøgangsfor-

hold på det sted hvor anordningen skål arbeide. Parameterne velges slik at det sikres stabilitet under alle sjøgangsfor-hold og effektutvinhingen optimaliseres. Den sistnevnte be-tingelse innbærer:

a) Styring av turbinens kapasitet i samsvar med hver bølge som passerer, hovedsakelig slik at den midlere luft-strøm holdes konstant mens trykkfallet økes for større. bølger, -og-vice versa. b) Styring av faseforholdet mellom bølge og stampevinkel, hvilket vil ha liten virkning ved visse midlere bølge-lengder, men antas å føre til vesentlig vinning ved andre, særlig ved bølgelengder som omtrent er lik anordningens lengde.

Fig. 4 viser skjematisk komponentene i reguleringssystemet.

Bølgehøydeføleren 33 ved baugenden og bølgehøydeføleren 34

ved akterenden gir hydrostatiske angivelser av sjøens over-flatenivå ved baug-og akterstend. Disse signaler kombineres i korrektorene 35, 36 med signaler fra stampeføleren 37 for

å frembringe korrigerte bølgehøydesignaler h_, og hc rv^„„

do. uenne korreksjon er ytterligere forbedret i dette utførelseseksempler ved referanse til utgangssignalet fra en duvningsføler 31. De -forskjellige signaler kombineres i generatorer 39, 41,

som henholdsvis frembringer styresignalene "a" og "b" ved

hjelp av operatorene K og H, slik som angitt ovenfor. Ut-gangssignaléne "a" og "b" adderes ved 42 og substraheres ved 43 for å gi utgangssignalene (a + b) og (a - b) til servomotorene 23, 24.

Verdiene av konstantene C. til Cfifor optimal utgangseffekt vil sannsynligvis være forskjellig for forskjellig sjøgang.

En sjøgangsmonitor 32 er derfor anordnet for å utlede en langtidsanvisning av sjøgangen samt for å innstille konstan--tene C^til i samsvar med dette. Ved grovere sjø enn nor-malt kan det f.eks. være ønskelig å redusere C,-.

Sjøgangsmonitoren 32 omfatter vanligvis signalbehandlings-utstyr som fra stampe- og bølgehøydefølerne avleder digi-taliserte utgangssignaler som representerer sjøgangen ved middelverdier over lengre tidsperioder ved sådanne karak-teristiske størrelser som nullpunktsskjæringsfrekvensen og et mål på bølgehøyden. På grunnlag av empirisk fastlagte

* ■■■■■■■ ■ ' •<

sammenheng omformes denne informasjon av en mikroprosessor til forandringer i verdiene for konstantene C1 . til CD., og de operatorer H og K som avgis fra generatorne 39, 41 justeres tilsvarende.

Forskjellige utførelsesvarianter kan benyttes med hensyn til anordningen av turbinene og deres gasskanaler for henholdsvis høyt og lavt trykk; Fig. 3 viser således et system med en felles lavtrykkskanal og to høytrykkskanaler. En variant av denne utførelse er å anvende to lavtrykkskanaler og en felles høytrykkskanal. En annen utførelsesvariant går Ut på

å anvende to separate systemer som hver har sin egen turbin, sin egen høytrykksgasskanal og sin egen lavtrykksgasskanal.

En ytterligere utførelsesvariant som er vist i fig."3A består i

å anordne to separate systemer med hver sin turbin, huer sin høytrykks-gasskanal og hver sin lavtrykksgasskanal, idet det hele anordnes slik at høy tr ykkskanalen 14a for det ene system tilføres gass fra

rekken av fleksible sekker 12a ved anordningens baugende,

mens lavtrykkskanalen 13b for dette system avgir gass til de fleksible sekker 12b Ined anordningens akterende. På tilsvarende måte mottar høytrykkskanalen 14b for det annet system gass fra rekken av fleksible sekker 12b ved anordningens akterende, mens lavtrykkskanalen 13a for returgassen i dette system er ført tilbake til rekken av fleksible sekker 12a ved baugenden av anordningen.

Dette sistnevnte system arbeider således i en åttetalls-kobling og har en bestemt fordel fremfor de øvrige utførelses-varianter som er beskrevet ovenfor. Denne fordel ligger i at korreksjoner som utføres i forbindelse med den ene turbin virker både på anordningens baug- og akterseksjon, men natur-ligvis i innbyrdes motsatte retninger, således at korreksjonens virkning forsterkes.

Skjønt fi,g. 3 viser separate turbiner 19, 21 i hver sin gass-strømningskrets, er det imidlertidvmulig å anvende bare en enkelt turbin, forutsatt turbininnløpet er hensiktsmessig oppdelt og munnstykkebladene i de forskjellige innløpsåpn-inger kan innstilles innbyrdes uavhengig. En sådan anordning med en enkelt turbin vil være vel egnet for anvend-else i den utførelse som benytter seg av en felles lavtrykksgasskanal, slik som vist i fig. 3.

Foreliggende oppfinnelse er ikke begrenset til de utførelses-detaljer som fremgår av eksemplene ovenfor. Et elektrisk reguleringssystem er angitt i fig. 4, men reguleringssystemet og servomotorene kan også foreligge i pneumatisk eller hydra-ulisk utførelse, hvis så ønskes. Ved det arrangement som er angitt i fig. 3 og dets forskjellige utførelsesvarianter,

er to gasstrømningskretser angitt. Det vil forstås at hvis så ønskes, kan det være anordnet flere par gasstrømningskretser, idet hvert sådant par har sitt eget strømningsregulerings-system. Det antas imidlertid at den forbedrede regulering

i

som eventuelt kan oppnås på denne måte neppe vil være verdt den mer kompliserte utførelse som dette innebærer.

Claims

1. Anordning for utvinning av energi fra vannbølger og som omfatter et langstrakt hylster med fleksibel vegg av ugjennomtrengelig material omkring flere kammere (12a, 12b) som inneholder gass, samt et langstrakt bæreskrog (11) som det fleksible hylster er forbundet med, idet anordningen i drift er slik anbrakt i vann at toppen av den fleksible hylstervegg delvis bryter eller befinner seg like under vannoverflaten, således at kammer utsettes for en ytre trykkforandring når vannbølgene forplanter seg langs anordningen, mens utstyr for energiomforming er anordnet for å utføre arbeide ved gjennomstrømning av gass drevet av nevnte trykkforandring, karakterisert ved at det er anordnet minst to gasstrømningskretser (14a, 19, 13: 14b, 21, 13), som er anbrakt på hver sin side av anordningens midtpunkt og er utstyrt med innbyrdes uavhengige gasstrømningsregulatorer for ved styring av gasstrømmen å regulere anordningens stampebevegelse, -idet det er anordnet en følerinnretning (37) for avføling av anordningens stampebevegelse om midtpunktet, og gasstrømningsregulatorne er anordnet for å styres av føler-innretningen (37) for stampebevegelsen på sådan måte at strømningsbegrensningen for gasstrømmen i hver av gasstrømningskretsene (14a, 19, 13: 14b, 21, 13) innstilles slik at anordningens stampebevegelse motvirkes.

2. Anordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at hver gasstrømnings-krets omfatter en utgående og en tilbakeført gasskanal som er forbundet med hvert kammer (12a 12b) gjennom enveisventiler anordnet for å tillate enveispassasje av gass fra kammeret inn i det utgående kanal samt fra den tilbakeførte kanal inn i kammeret, således at gass pumpes fra kammeret inn i den utgående gasskanal når det ytre trykk er høyt, og gass vender tilbake til kammeret gjennom den tilbakeførte kanal når det ytre trykk er lavt.

3. Anordning som angitt i krav 2, karakterisert ved at hvert par av gass-strømningskretser er krysskoblet i åttetallsform om anordningens midtpunkt, idet den ene utgående gasskanal i paret tilføres gass fra kamre (12a) med fleksibel vegg på den ene side av midtpunktet, mens returgassen etter å ha passert gjennom eneriomformingsutstyret føres inn i den tilbakeførte gasskanal som avgir gass til kamre (12b) med fleksibel vegg.på den annen side av midtpunktet, mens de sistnevnte kamre i sin tur avgir gass til den annen utgående gasskanal i kretsparet, og returgassen fra denne føres inn i den tilbakeførte gasskanal for kamrene (12a) på den førstnevnte side av anordningens midtpunkt.

4. Anordning som angitt i krav 2 eller 3, karakterisert ved at den også omfatter bølgehøydefølere (33, 34) anordnet for i tillegg å styre gasstrømningsregulatorene til innstilling av strømnings-begrknsriingen for gasstrø mmen i hver vav gasstrømnings-kretsene (14a, 19, 13: 14b, 21, 13)' i forut bestemt avhengighet av den avfølte bølgehøyde, idet bølgehøyde-følernes innstilling av strømningsbegrensingene for gass-strømmen finner sted i samme retning i hver av gass-strømningskretsene, mens innstillingen av strømnings-begrensningene for gasstrømmen fra stampeføleren (37) er slik at gasstrømmen reduseres i den strømningskrets som befinner seg på den del av anordningen som for øyeblikket stamper nedover, og gasstrømmen 'økes i den gass-strømningskrets som befinner seg på den del av anordningen som for øyeblikket stamper oppover.

5. Anordning som angitt i krav 1-4, karakterisert ved at det langstrakte hylster er utført i fleksibelt ugjennomtrengelig material, idet kamrene (12a, 12b) er dannet ved hjelp av en rekke skillevegger av sådant material.