NO972755L - B°lgeenergigenerator - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en bølgeenergiabsorbator til drift av en elektrisk

generator, for energiproduksjon ved å utnytte havbølgenes kinetiske energi.

Fordeler ved bølgegeneratorens konstruksjon og virkemåte

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..

Bølgegeneratorens virkrnngsgxad

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:

Etter hvert som drivremmen bremser opp vannmassenes hastighet, synker

avgitt energi med kvadratet av hastigheten.

For at systemet skal klare å fange opp bølgens totale energimengde, må den

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.

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.

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 %.

Computerens mange funksjoner

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.

Bølgeretningens innflytelse på bølgegeneratorens virkningsgrad

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.

Flottørens omgivelser

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.

Driftforstyrrelse ved sterke vindstyrker

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.

Overføring av den mekaniske energien fra driwalsen

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.

BØLGENES ENERGIPOTENSIALE

Den energimengde som til enhver tid kan utvinnes fra bølgene er betinget av

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

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:

Eks. 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?

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

Per meter:

Omregnet til kW blir dette: 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:

62,8 kW x 2 = ca. 126 kW pr. 1 m lengdebredde bølge

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.

SOM EKSEMPEL KAN MAN TENKE SEG FØLGENDE SITUASJON:

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

(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.

En signifikant bølge på 5 m vil på dypt vann ha en energimengde på 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.

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

ca. 1, 1 mrd, kr. Det vil igjen si kr. 550.000 per m kailengde. Dette forekommer meg å være en svært romslig kalkyle.

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.

Dette eksempelet anskueliggjør at det er fullt ut mulig å kunne produsere til markedspris store mengder elektrisk energi fra bølgekraft

Claims (2)

1. Bølgeenergiabsorbator bestående av drivvalse, drivrem og flottør (fig. 1) karakterisert ved ;

   En ca. 30 m lan og 7 m bred drivrem, bestående av en ca. 0,1 mm tykk stålfjær, påvulket et ca. 0,5 mm tykt gummibelegg som beskyttelse mot korrosjon. Annen armert duk kan også benyttes.

   Drivremmens øvre ende er festet til en ca. 7 m lang stålvalse med diameter ca. 0,5 m, valsen er benevnt drivvalse. Driwalsen er forsynt med faste akslingstapper som stikker utenfor valsens opplagring i begge ender. (fig.
2. 2) Til drivvalsens ene akslingstapp er det montert et kileremshjul som har en diameter på ca. 1 m og friløp (frinav) i en retning. Til drivvalsens andre akseltapp er det montert et mindre kileremshjul med diameter ca. 25 cm og friløp i motsatt retning av det største kileremshjulet. Drivremmens nedre ende er festet til en ca. 7 m bred og 30 m lang flottør.

   Drivkraften overføres fra det største kileremshjulet til et drivverk med automatisk regulering av omsetningsforholdet mellom driwalsen og elektrisk generator.

   Flottøren gjør energiabsorbatoren selvjusterende i forhold til høyvann og lavvann.

   Sammendrag:

   Energiabsorbatoren består av en drivrem som dras ut når bølgen treffer drivremmen. Drivremmen er øverst rullet opp på en drivvalse, så langt at 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). 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 drivverkets omsetningsforhold til den energi bølgen skal avgi.

   Etter at vannbølgen har avgitt all sin kinetiske energi til å trekk ut drivremmen, flyter vannet av remmen i det øyeblikk flottøren ligger noe høyere enn bølgedalens laveste nivå. Flottøren løfter drivremmen så alt vannet kan renne av. Driwalsen har frikobling og kan dreies fritt i motsatt retning av retningen drivremmen trekker den i. En liten elektrisk motor trer i funksjon og ruller imi drivremmen. Flottøren gjør energiabsorbatoren selvjusterende i forhold til høyvann og lavvann.