NO972755L

NO972755L - B ° lgeenergigenerator

Info

Publication number: NO972755L
Application number: NO972755A
Authority: NO
Inventors: As Jarle Falken
Original assignee: As Jarle Falken
Priority date: 1997-06-13
Filing date: 1997-06-13
Publication date: 1998-12-14
Also published as: NO972755D0

Description

Oppfinnelsen angår en bølgeenergiabsorbator til drift av en elektriskThe invention relates to a wave energy absorber for operating an electric

generator, for energiproduksjon ved å utnytte havbølgenes kinetiske energi. generator, for energy production by utilizing the kinetic energy of ocean waves.

Fordeler ved bølgegeneratorens konstruksjon og virkemåteAdvantages of the wave generator's construction and operation

Bølgegeneratoren har en overraskende enkel konstruksjon og en lett forståelig virkemåte. Energiabsorbatordelen består av en drivrem som dras ut når bølgen treffer drivremmen. Drivremmen er øverst rullet opp på en driwalse, så langt al-den nesten henger stramt ned til forankringen i en flottør (se fig. 1). Via en kombinert kilerem- og drevoverføring, med automatisk regulering av drivverkets omsetningsforhold, trekker driwalsen en elektrisk generator som virker som en bremse på driwalsen (se fig. 2 side 6). Hvor langt og hvor fort bølgen skal trekke ut drivremmen, bestemmes av overført trekkraft til den elektriske generatoren. Denne kraftens størrelse bestemmes av en computer som tilpasser driwerkets omsetningsforhold til den energi bølgen skal avgi. Etter at vannbølgen har avgitt all sin bevegelseenergi til å trekke ut drivremmen, flyter vannet av remmen i det øyeblikk flottøren ligger noe høyere enn bølgedalens laveste nivå. Flottøren løfter drivremmen så alt vannet renner av. Driwalsen har frikobling og kan løpe fritt i motsatt retning av retningen drivremmen trekker den i. En liten elektrisk motor, i likhet med startmotoren på en bil, trer i funksjon og ruller inn drivremmen. Ny bølge slår inn mot drivremmen, og hele syklusen gjentar seg. Flottøren gjør at bølgegeneratoren er selvjusterende overfor hø<y>vann og lawann.. The wave generator has a surprisingly simple construction and an easy-to-understand way of working. The energy absorber part consists of a drive belt that is pulled out when the wave hits the drive belt. The drive belt is rolled up on a drive roller at the top, so far that it almost hangs down tightly to the anchoring in a float (see fig. 1). Via a combined V-belt and drive transmission, with automatic regulation of the drive unit's turnover ratio, the drive roller pulls an electric generator that acts as a brake on the drive roller (see fig. 2 page 6). How far and how fast the wave will pull out the drive belt is determined by the traction force transmitted to the electric generator. The magnitude of this force is determined by a computer that adapts the drive's turnover ratio to the energy the wave is to emit. After the water wave has released all its kinetic energy to pull out the drive belt, the water flows off the belt at the moment the float is slightly higher than the lowest level of the wave valley. The float lifts the drive belt so all the water drains off. The dry roller is disengaged and can run freely in the opposite direction to the direction the drive belt pulls it in. A small electric motor, similar to the starter motor on a car, kicks in and reels in the drive belt. A new wave hits the drive belt, and the whole cycle repeats itself. The float means that the wave generator is self-adjusting against high water and low water.

Bølgegeneratorens virkrnngsgxadThe efficiency of the wave generator

Bølgegeneratoren har en eksepsjonell virkningsgrad. De forhold som gjør at systemet har en nesten ideell virkningsgrad, er følgende: Når bølgens vannmasser treffer drivremmen har den en kinetisk energi som er: The wave generator has an exceptional degree of efficiency. The conditions that make the system have an almost ideal degree of efficiency are the following: When the wave's water masses hit the drive belt, it has a kinetic energy which is:

Etter hvert som drivremmen bremser opp vannmassenes hastighet, synker As the drive belt slows down, the velocity of the water masses decreases

avgitt energi med kvadratet av hastigheten.released energy by the square of the speed.

For at systemet skal klare å fange opp bølgens totale energimengde, må denIn order for the system to be able to capture the wave's total amount of energy, it must

avgitte effekt holdes nær konstant under hele syklusen. Derfor må drivremmen trekkes ut med retarderende hastighet etter som avgitt effekt synker med retarda-sjonen av vannmassenes hastighet. Dette medfører synkende turtall på driwalsen. Den elektriske generatorens turtall holdes derimot konstant ved et akselererende omsetningsforhold i driwerket. Skisse 3 side 6 ilustrerer dette forhold. På grunn av forholdet kraft x arm vil det overførte dreiemoment til den elektriske generatoren synke raskt i slutten av syklusen. Den store svingmassen i svinghjul og generator, i tillegg til systemets spenningsregulator, sørger for at turtall og avgitt energi holdes konstant under hele energiabsorbatorens syklus. output power is kept close to constant during the entire cycle. Therefore, the drive belt must be pulled out at a decelerating speed as the output power decreases with the deceleration of the velocity of the water masses. This results in a decreasing speed on the drive roller. The speed of the electric generator, on the other hand, is kept constant by an accelerating turnover ratio in the drive mechanism. Sketch 3 page 6 illustrates this relationship. Due to the force x arm ratio, the transmitted torque to the electric generator will drop rapidly at the end of the cycle. The large swing mass in the flywheel and generator, in addition to the system's voltage regulator, ensures that the speed and emitted energy are kept constant throughout the energy absorber's cycle.

Å anskueliggjøre med en kurve hvorledes bølgens energispekter omdannes til mekanisk energi med konstant verdi, kompliseres ved at kreftene i drivremmen danner et taupoligon med varierende pilhøyde. Se fig. 4 nedenfor. Det ligger utenfor dette prospekt å gå nærmere inn på dette forhold. Her skal bare nevnes at en relativt stram drivrem forhindrer at dreiningen av driwalsen starter med et rykk, og at en liten kraft i begynnelsen av syklusen klarer å dreie driwalsen. Nok et kompliserende moment er at når flottøren lesses opp av bølgens vannmasser, vil flottøren trykkes nedover på grunn av bølgens statiske kraftkomponent. Alle de tre nevnte forhold har positiv innvirkning på systemets virkningsgrad. Visualizing with a curve how the wave's energy spectrum is converted into mechanical energy with a constant value is complicated by the fact that the forces in the drive belt form a rope polygon with varying arrow height. See fig. 4 below. It is beyond the scope of this prospectus to go into this matter in more detail. It should only be mentioned here that a relatively tight drive belt prevents the rotation of the drive roller from starting with a jerk, and that a small force at the beginning of the cycle manages to turn the drive roller. Another complicating factor is that when the float is loaded up by the wave's water masses, the float will be pushed down due to the wave's static force component. All three conditions mentioned have a positive impact on the system's efficiency.

De forhold som er beskrevet ovenfor viser at man kan "tappe" bølgen for nær hele dens kinetiske og statiske energi, og omgjøre den til mekanisk energi Energitap i form av støt-, sentripitalkrefter og stivhet i drivremmen er minimale. Virkningsgraden for avgitt effekt på driwalsen kan derfor settes = 1. Siden signifikant bølgehøyde er et noe diffust begrep, som ikke kan anses som en eksakt størrelse, er det ikke interessant å vurdere virkningsgraden for energiabsorbatoren med en nøyaktighet på noen få %. The conditions described above show that one can "drain" the wave for almost all of its kinetic and static energy, and convert it into mechanical energy. Energy loss in the form of impact, centripetal forces and stiffness in the drive belt is minimal. The efficiency for the emitted power on the drive roller can therefore be set = 1. Since significant wave height is a somewhat diffuse term, which cannot be considered an exact quantity, it is not interesting to assess the efficiency of the energy absorber with an accuracy of a few %.

Computerens mange funksjonerThe computer's many functions

Computeren skal fortløpende via forskjellige sensorer beregne signifikant bølgehøyde, bølgehastighet, bølgens energipotensiale og energispekterets snittverdi. Den skal regulere drivremmens og drivverkets omsetningsforhold i henhold til det beregnede gjennomsnittlige energispekter. Den skal bestemme driwalsens høyde over vannstanden og overstyre flottøren slik at den ligger i riktig høyde i forhold til bølgen. Til formålet må det utvikles en elektronisk styrbar hastighetsregulering for både linjert og akselererende omsetningsforhold. The computer must continuously calculate significant wave height, wave speed, the wave's energy potential and the average value of the energy spectrum via various sensors. It must regulate the turnover ratio of the drive belt and the drive train according to the calculated average energy spectrum. It must determine the height of the drift roller above the water level and override the float so that it is at the correct height in relation to the wave. For this purpose, an electronically controllable speed regulation must be developed for both linear and accelerating turnover ratios.

Bølgeretningens innflytelse på bølgegeneratorens virkningsgradThe influence of the wave direction on the efficiency of the wave generator

For at energiabsorbatoren skal kunne arbeide med høyest mulig' virkningsgrad, må drivremmen ha en vinkel på 90° i forhold til bølgeretningen. Et bølgeenergiverk må derfor orienteres slik at det ligger riktig i forhold til bølgeretningen. Velger man å bygge et bølgeenergiverk på pilarer som vist i fig 5 og 6 på side 9, kan man sløyfe deleveggen mellom hver modul, da bølgen på hver side av modulen vil gi det mottrykk som er nødvendig. Hvis man bygger bølgeenergiverket på pilarer, kan energiabsorbatordelen gjøres dreibar slik at vinkelen på 90° i forhold til bølgeretningen kan justeres. Dreier man energiabsorbatordeln kan drivremmen komme til å overlappe to flottører. Dette vil ikke være noen forstyrrende faktor, da høydeforskjellen mellom flottørene vil være liten. Ved å bygge på pilarer kan bølgeenergiverket plasseres på en grunne, eller på et undervannsskjær ute i åpent hav, hvor det normalt er høy sjø. In order for the energy absorber to be able to work with the highest possible degree of efficiency, the drive belt must have an angle of 90° in relation to the wave direction. A wave energy plant must therefore be oriented so that it lies correctly in relation to the wave direction. If you choose to build a wave energy plant on pillars as shown in figs 5 and 6 on page 9, you can loop the dividing wall between each module, as the wave on each side of the module will provide the necessary counter pressure. If the wave energy plant is built on pillars, the energy absorber part can be made rotatable so that the angle of 90° in relation to the wave direction can be adjusted. If you turn the energy absorber part, the drive belt can come to overlap two floats. This will not be a disturbing factor, as the difference in height between the floats will be small. By building on pillars, the wave energy plant can be placed on a shallow, or on an underwater reef out in the open sea, where the sea is normally high.

Flottørens omgivelserThe float's surroundings

Flottøren vil være omgitt av et tøft klima. Hvis bølgeenergiverket bygges uten vegger mellom bølgekamrene, er det rektangelet mellom pilarene som er å betrakte som bølgekammer (se fig. 8 side 9). Dette er mulig fordi bølgene på begge sider av flottøren vil danne nødvendig mottrykk. Flottøren som plasseres mellom deleveggene eller pilarene må beskyttes mot støt og utmatting. Over flottøren må det derfor anbringes 4 buffere, som høydejusteres av anleggets computer. Bufferne skal hindre at flottøren blir kastet i været av bølgene. Sidelengs skal flottøren beskyttes av støtdempende materiale, som vil være en forbruksartikkel, og må være enkelt å fornye gjennom gulvet over flottøren. Alt ettersyn og reparasjonsarbeide av flottøren skal kunne utføres uten assistanse av dykker. Flottøren må ha et materialvalg og en konstruksjon som hindrer utmatting. The float will be surrounded by a harsh climate. If the wave energy plant is built without walls between the wave chambers, it is the rectangle between the pillars that is to be considered as the wave chamber (see fig. 8 page 9). This is possible because the waves on both sides of the float will create the necessary back pressure. The float placed between partition walls or pillars must be protected against impact and fatigue. Four buffers must therefore be placed above the float, the height of which is adjusted by the facility's computer. The buffers must prevent the float being thrown into the air by the waves. Laterally, the float must be protected by shock-absorbing material, which will be a consumable item, and must be easy to renew through the floor above the float. All inspection and repair work on the float must be able to be carried out without the assistance of a diver. The float must have a choice of material and a construction that prevents fatigue.

Driftforstyrrelse ved sterke vindstyrkerOperational disruption due to strong wind forces

Drivremmen vil virke som et råseil, og utsette anlegget for store påkjenninger med hensyn til stabilitet og knekkbelastninger. Store vindstyrker vil også kunne redusere energiabsorbatorens virkningsgrad. Driwalsen bør derfor plasseres på sleider under gulvet. Sleidene følger pilarene vertikalt. Ved en slik konstruksjon oppnår man å kunne heise og senke driwalsen til passende høyde i forhold til tidevannstand og bølgehøyde. Denne løsning har også den fordel at man kan bruke kortere drivrem. The drive belt will act as a raw sail, and expose the system to great stress with regard to stability and buckling loads. Large wind forces can also reduce the efficiency of the energy absorber. The dry roller should therefore be placed on slides under the floor. The slides follow the pillars vertically. With such a construction, it is possible to raise and lower the drive roller to a suitable height in relation to the tide level and wave height. This solution also has the advantage that a shorter drive belt can be used.

Overføring av den mekaniske energien fra driwalsenTransmission of the mechanical energy from the drive roller

Når energiabsorbatoren plasseres på sleider under gulvnivå for å kunne senkes og heves i forhold til vannstanden til en hver tid, eller for å kunne heve energiabsorbatoren opp til gulvnivå for å skifte drivrem og stenge bølgeenergiverket under ekstreme værforhold, må den ha en fleksibel kraftoverføring til den øvrige delen av driwerket. Dette kan trolig best skje ved bruk av en hydraulisk rota-sjonspumpe med friløp i én retning som monteres i et lukket system, og forbindes med en hydraulisk motor som driver det øvrige driwerket. En sammenskyvbar mellomaksling med vikkeldrev kan også benyttes. When the energy absorber is placed on skids below floor level to be able to be lowered and raised in relation to the water level at any time, or to be able to raise the energy absorber up to floor level to change the drive belt and shut down the wave energy plant in extreme weather conditions, it must have a flexible power transmission to it other parts of the driver. This can probably best be done by using a hydraulic rotary pump with freewheel in one direction, which is mounted in a closed system, and connected to a hydraulic motor that drives the other drive mechanism. A collapsible intermediate shaft with winding drive can also be used.

BØLGENES ENERGIPOTENSIALETHE ENERGY POTENTIAL OF THE WAVES

Den energimengde som til enhver tid kan utvinnes fra bølgene er betinget av The amount of energy that can be extracted from the waves at any given time is conditioned by

sjøtilstanden på stedet. Med samme bølgehøyde er det mindre energi på grunnere vann enn det er på dypt vann. Det er ikke mulig å beregne utvinnbar energi på et angitt sted uten å kjenne de topografiske forhold og sjøtilstanden for området. Det blir som for et fossefall hvor man ikke kan beregne produksjonen i GWh uten å the sea state at the location. With the same wave height, there is less energy in shallow water than there is in deep water. It is not possible to calculate recoverable energy at a specified location without knowing the topographical conditions and the sea state for the area. It will be like a waterfall where you cannot calculate the production in GWh without

kjenne fallhøyden, vannføringen, topografiske forhold, nedslagsfelt m.m. I mangel av et økon omisk kartverk for bølgekraft (se side 1) må det derfor her anvendes eksempler: know the drop height, water flow, topographical conditions, catchment area etc. In the absence of an economic map for wave power (see page 1), examples must therefore be used here:

Eks. 1Ex. 1

På Tromsøflaket er det under storm målt en signifikant bølgehøyde H1/3=10 m og en bølgeperiode T = 12 sek (reelle målinger) - Hvor stor energimengde er det i bølgen? On Tromsøflaket, a significant wave height H1/3=10 m and a wave period T = 12 sec (real measurements) have been measured during a storm - How much energy is there in the wave?

Midlere kinetisk energi per bølgelengde i 1 m lengdebredde bølge på dypt vann med bølgehøyde HV3 = 10 m (bølgeamplitude a=H1/3/2=5 m) dersom man regner sinusbølge: Vannets tetthet q = 1025 kg/ m3 Tyngdens akselerasjon: g = 9,81 rn/s2 Mean kinetic energy per wavelength in a 1 m longitudinal wave in deep water with a wave height HV3 = 10 m (wave amplitude a=H1/3/2=5 m) if one calculates a sine wave: Density of water q = 1025 kg/ m3 Acceleration of gravity: g = 9.81 rn/s2

Per meter:Per meter:

Omregnet til kW blir dette: 62845 J / s = 62845 W = 62, 8 kW Converted to kW, this becomes: 62845 J / s = 62845 W = 62.8 kW

I tillegg er den midlere potensielle energien (overflateheving på grunn av bølgen) av samme størrelse, slik at total midlere energi i beregnet bølge blir: In addition, the mean potential energy (surface elevation due to the wave) is of the same magnitude, so that the total mean energy in the calculated wave becomes:

62,8 kW x 2 = ca. 126 kW pr. 1 m lengdebredde bølge62.8 kW x 2 = approx. 126 kW per 1 m longitudinal width wave

Som det fremgår av disse beregningene øker energimengden med kvadratet på bølgehøyden. Se fig. 9 side 10. Den midlere energimengde som er inntegnet på kurven er bare ment som et eksempel Man må over lengre tid ha foretatt instrumentelle målinger av sjøtilstanden for å kunne fastsette størrelsen på den midlere energimengde per år. As can be seen from these calculations, the amount of energy increases with the square of the wave height. See fig. 9 page 10. The average amount of energy drawn on the curve is only intended as an example. Instrumental measurements of the sea state must have been made over a long period of time in order to be able to determine the size of the average amount of energy per year.

SOM EKSEMPEL KAN MAN TENKE SEG FØLGENDE SITUASJON:AS AN EXAMPLE, ONE CAN THINK OF THE FOLLOWING SITUATION:

Etter en omfattende intervjurunde blant personer som har sitt daglige virke på sjøen, og en målbevisst leting kan man i et område hvor det normalt er høy sjø After an extensive round of interviews among people who have their daily work at sea, and a determined search, in an area where there are normally high seas, you can

(det vil si bølgehøyder fra 4 til 6 meter), lokalisere seg frem til et langt og smalt skjær, som for det meste ligger ned til 20 - 30 meter under middelvannstand. Videre kan man tenke seg at skjæret ligger omlag 10 km fra land og veiforbind-else, og at det mot bølgeretningen skråner bratt ned til et dyp på fra 100 til 150 meter. For å høste erfaring med å bygge bølgeenergiverk for kommersiell drift, kan man anta at staten vil stille nødvendige midler til disposisjon for planlegging, konstruksjon av pilarer samt produksjonsutstyr for disse, utvikling av maskinelt utstyr, computerstyrte utrustninger, kalkulasjon m.m. Dette er engangs invester-inger som vil komme senere prosjekter til gode. Selve bølgeenergiverket skal være selvfinanseerende, med lån sikret med statsgaranti. For at bølgeenergiverket skal ha stor nok inntjeningsevne, kan man velge å bygge det for en produksjon på 50.000 kW (438 GWh), beregnet ut fra gjennomsnittet av normale bølgeforhold. På grunn av tenkt beliggenhet må bølgeenergiverket bygges som kaianlegg. (that is, wave heights from 4 to 6 metres), locate themselves up to a long and narrow reef, which mostly lies down to 20 - 30 meters below mean water level. Furthermore, one can imagine that the reef is approximately 10 km from land and a road connection, and that it slopes steeply towards the direction of the waves to a depth of 100 to 150 metres. In order to gain experience in building wave energy plants for commercial operation, it can be assumed that the state will make the necessary funds available for planning, construction of pillars as well as production equipment for these, development of mechanical equipment, computer-controlled equipment, calculation etc. These are one-off investments that will benefit later projects. The wave energy plant itself must be self-financing, with loans secured by a state guarantee. In order for the wave energy plant to be sufficiently profitable, one can choose to build it for a production of 50,000 kW (438 GWh), calculated on the basis of the average of normal wave conditions. Due to the proposed location, the wave energy plant must be built as a quay facility.

En signifikant bølge på 5 m vil på dypt vann ha en energimengde på 31 kWA significant wave of 5 m in deep water will have an energy quantity of 31 kW

per 1 m lengdebredde. For å kunne absorbere en energimengde på 50.000 kW må energiabsorbatoren ha en samlet drivrembredde på 50.000/31 = 1.613 m. per 1 m longitudinal width. In order to absorb an energy quantity of 50,000 kW, the energy absorber must have a total drive belt width of 50,000/31 = 1,613 m.

For å dekke inn energitap i maskiner og energioverføring legger man til 20% på bredden. Det vil si at kaianlegget må bygges med en lengde på ca. 2.000 m. Til å bygge et slikt anlegg for kommersiell drift har man en kostnadsramme på To cover energy losses in machines and energy transmission, 20% is added to the width. This means that the quay facility must be built with a length of approx. 2,000 m. To build such a facility for commercial operation, you have a cost limit of

ca. 1, 1 mrd, kr. Det vil igjen si kr. 550.000 per m kailengde. Dette forekommer meg å være en svært romslig kalkyle. about. 1.1 billion, NOK That will again mean NOK. 550,000 per m of quay length. This seems to me to be a very broad calculation.

Beløpet på 1,1 mrd. kr. fremkommer ved å sammenlikne med Statskrafts invester-inger i Svartisen Kraftstasjon, med en beregnet årsproduksjon på 2.170 GWh. Utbygningen av anlegget har kostet ca. 5,3 mrd. kr. The amount of NOK 1.1 billion. emerges by comparing with Statskraft's investments in the Svartisen Power Station, with an estimated annual production of 2,170 GWh. The expansion of the facility has cost approx. NOK 5.3 billion

Dette eksempelet anskueliggjør at det er fullt ut mulig å kunne produsere til markedspris store mengder elektrisk energi fra bølgekraft This example illustrates that it is entirely possible to produce at market price large quantities of electrical energy from wave power

Claims

Wave energy absorber consisting of drive roller, drive belt and float (fig. 1) characterized by;

An approx. 30 m long and 7 m wide drive belt, consisting of an approx. 0.1 mm thick steel spring, vulcanized an approx. 0.5 mm thick rubber coating as protection against corrosion. Other reinforced cloth can also be used.

The upper end of the drive belt is attached to an approx. 7 m long steel roller with a diameter of approx. 0.5 m, the roller is called a drive roller. The dry roller is provided with fixed axle pins that protrude beyond the roller's storage at both ends. (fig.

2) A V-belt pulley with a diameter of approx. 1 m and free running (free hub) in one direction. A smaller V-belt pulley with a diameter of approx. 25 cm and free running in the opposite direction to the largest V-belt pulley. The lower end of the drive belt is attached to an approx. 7 m wide and 30 m long float.

The drive power is transferred from the largest V-belt pulley to a drive unit with automatic regulation of the turnover ratio between the drive roller and electric generator.

The float makes the energy absorber self-adjusting in relation to high and low tide.

Summary:

The energy absorber consists of a drive belt that is pulled out when the wave hits the drive belt. The drive belt is wound up on a drive roller at the top, so far that it almost hangs down tightly to the anchoring in a float (see fig. 1) Via a combined V-belt and drive transmission, with automatic regulation of the drive unit's turnover ratio, the drive roller pulls an electric generator that works as a brake on the drive roller (see fig. 2). How far and how fast the wave will pull out the drive belt is determined by the traction force transmitted to the electric generator. The size of this force is determined by a computer which adapts the drive unit's turnover ratio to the energy wave to emit.

After the water wave has released all its kinetic energy to pull out the drive belt, the water flows off the belt at the moment the float is slightly higher than the lowest level of the wave valley. The float lifts the drive belt so all the water can drain off. The drive roller is disengaged and can be turned freely in the opposite direction to the direction the drive belt pulls it in. A small electric motor comes into operation and rolls inside the drive belt. The float makes the energy absorber self-adjusting in relation to high and low tide.