SE520921C2 - Vågkraftaggregat, användning av ett vågkraftaggregat, förfarande för att genera elektrisk energi, system av komponenter för tillverkning av linjärgenerator till ett vågkraftaggregat samt förfarnde vid tillverkning av en linjärgenerator - Google Patents

Description

520 921ïïï-Vï” 2 under en längre tidsperiod och tillgänglig energi beräknats. Följande tabell erhölls därvid.

Våghöjd Vàgperiod Effekt Timmar/År m sek. kW/m < 9,5 __ i 966 1 4 2 4103 2 5 12 1982 3 6 32 944 4 7 66 445 8 1 15 21 1 >5,5 >145 1 19 Knappt hälften av tiden är således vàghöjden omkring 1 m med en effekt av 2 kW/m. Största mängden energi finns dock tillgänglig för våghöjder i området 2-5 meter med hänsyn till att effekten ökar kraftigt med ökad Våghöjd.

För att nyttiggöra energin som är tillgänglig genom havsvàgornas rörelser har olika slag av vågkraftaggregat för genering av elkraft föreslagits. Dessa har dock ej lyckats kunna konkurrera framgångsrikt med konventionell elkraftsproduk- tion. Hittills förverkligade vågkraftverk har i huvudsak varit försöksanläggningar el- ler använts för lokal energiförsörjning till navigationsbojar. För att kommersiell el- produktion ska kunna vara möjlig och därmed ge tillgång till den stora energireserv som finns i havsvàgornas rörelser erfordras inte bara att utplaceringen av aggre- gaten sker på lämpligt lokaliserade ställen. Det är också nödvändigt att aggregatet är driftsäkert, har hög verkningsgrad samt låg tillverknings- och driftskostnad.

Bland de tänkbara principer för omvandlingen av vàgrörelseenergin till elektrisk energi torde därvid en linjärgenerator i störst utsträckning motsvara dessa krav.

Flytkroppens vertikala rörelser förorsakade av vågrörelserna kan därmed direkt överföras till en fram och återgàende rörelse hos generatorns rotor. En lin- järgenerator kan utföras mycket robust och enkel och genom att den förankras vid bottnen blir den stabilt opåverkbar av strömningar i vattnet. Den enda rörliga delen hos generatorn blir den fram- och àtergàende rotorn. Lagringsproblem är i stort 520 921%~¶” 3 sett eliminerade. Aggregatet blir genom sina få rörliga delar och sin enkla kon- struktiva uppbyggnad mycket driftsäkert.

Genom exempelvis US 6 020 653 är förut känt ett vågkraftaggregat som baserar sig på linjärgeneratorprincipen. Skriften beskriver således en vid bottnen förankrad generator som producerar elenergi från havsytans vàgrörelser. En gene- ratorspole är förbunden med en flytkropp så att spolen rör sig upp och ned med vågrörelserna. Ett magnetfält verkar på spolen då den rör sig så att en elektro- magnetisk kraft alstras i denna. Magnetfältet är sådant att det åstadkommer ett lik- formigt fält med enkelmagnetisk orientering utmed hela spolens slaglängd. Gene- ratorn innefattar en basplatta på havsbottnen som bär upp manetkärnan i vilken spolen rör sig.

Vidare är genom US 4 539 485 förut känt ett vàgkraftaggregat försedd med en elektronisk linjärgenerator. Dess rotor består av ett antal permanentmag- neter och generatorns lindning är anordnad iden omgivande statorn. En avgöran- de nackdel är at statorlindningen består av en enda spole. Den har således ej någ- ra poler. Det medför att den inducerade strömmen blir mycket lågfrekvent eftersom rotorns linjärrörelser sker med låg hastighet. Ändamålet med föreliggande uppfinning är att åstadkomma ett vågkraft- aggregat av det aktuella slaget som i än högre grad uppfyller kraven på driftsäker- het, enkelhet och som är kostnadseffektivt.

Redogörelse för uppfinningen Det uppställda ändamålet har ur uppfinningens första aspekt ernåtts ge- nom att ett vågkraftaggregat av det i patentkravets 1 ingress angivna slaget inne- fattar de speciella särdragen att rotorn är permanentmagnetisk och att statorn in- nefattar lindning bildande ett flertal poler fördelade i rotorns rörelseriktning. Genom att förlägga lindningen till statorn och utforma rotorn permanentmagnetisk uppnås enklast möjliga utförande av aggregatets rörliga delar, vilket nedbringar kostna- derna och minskar risken för störningar. Det blir likaledes lättare att utforma lind- ningen och vidareföra strömmen när lindningen är förlagd till statorn. Tack vare att vidare ett flertal poler är anordnade efter varandra möjliggörs att höja frekvensen hos det inducerade flödet, vilket är en stor fördel med tanke på att frekvensen hos den fram- och àtergående rörelsen är låg. Med det uppfunna vàgkraftaggregatet erbjuds därmed möjlighet att ekonomiskt konkurrenskraftigt utvinna elkraft från 520 921Äïf?ïf 4 havsvågor. Statorn kan vara anordnad endera på rotorns utsida eller anordnad in- uti rotorn. I de flesta fall är placering på utsidan att föredra. Kombinationen av des- sa varianter är även tänkbara inom uppfinningens ram.

Enligt en föredragen utföringsform av det uppfunna vågkraftaggregatet in- nefattar rotorn ett flertal permanentmagneter fördelade i rotorns rörelseriktning.

En så utformad rotor ger en optimal samverkan med en linjärgenerator där statorn är utformad i enlighet med uppfinningen.

Enligt ytterligare en föredragen utföringsforrn är delningsavståndet mellan polerna mindre än 50 mm, företrädesvis mindre än 10 mm.

Ju mindre polavstàndet är desto högre frekvens uppnås. Rotorns linjära medelhastighet vid 1 m höga vågor är ca O, 5 m/s och vid 2 m höga vågor ca O, 8 m/s. Med en poldelníng på 50 mm uppnås således frekvenser i storleksordningen -15 Hz för 1-2 m höga vågor. Med en poldelníng på 10 mm blir frekvensen fem gånger större. Ett praktiskt lämpligt mått pà delningen är ca 8 mm.

Enligt ytterligare en föredragen utföringsform innefattar statorn ett flertal kring rotorn jämt fördelade statorpaket.

Därmed möjliggörs att tillgodogöra sig en så stor del av magnetfältet som möjligt för induceringen.

Enligt ytterligare en föredragen utföringsform har rotorn formen av en re- gelbunden polygon och antalet statorpaket är lika med antalet sidor hos polygoner.

Med ett sådant utförande ernàs en konstruktivt enkel optimering att tillgo- dogöra sig magnetfältet för inducering.

Enligt ytterligare en föredragen utföringsform är vardera statorpaket sam- mansatt av ett flertal moduler anordnade efter varandra i rotorns rörelseriktning.

Tack vare moduluppbyggnaden kan linjärgeneratorns stator enkelt anpas- sas till en längd som motsvarar betingelsen i det enskilda fallet. Således kan olika stora aggregat byggas med hjälp av standardkomponenter. Detta bidrar ytterligare till att nedbringa tillverkningskostnaderna. Det medger också möjlighet att lätt kun- na modifiera en befintlig anläggning. Vardera modul kan innefatta en eller flera po- ler.

Enligt ytterligare en föredragen utföringsforrn innefattar rotorn ett flertal i omkretsled fördelade permanentmagneter så anordnade att i ett godtyckligt tvär- snitt av rotorn en permanentmanet vetter mot vardera statorpaket. 520 921 Genom att anordna permanentmagneter åt alla håll där ett statorpaket finns att samverka med magneterna ökas ytterligare tillgodogörande av rörelsen för inducering av ström.

Enligt ytterligare en föredragen utföringsform innefattar rotorn en rotor- kropp pà vilken permanentmagneterna är monterade.

Med detta utförande skapas möjlighet att åstadkomma en enkel och billig rotor genom att permanentmagneterna kan utgöras av enhetliga standardkompo- nenter som kan monteras i godtyckligt antal fördelade längs med och runt kring ro- torn, där samma standardkomponenter kan utnyttjas för rotorer av olika längd och tvärsnitt.

Enligt ytterligare en föredragen utföringsfonn skiljer sig rotorns och sta- torns längd från varandra med en faktor två eller mer.

Därmed underlättar att under hela rotorns slaglängd erhålla maximal indu- cering.

Enligt ytterligare en föredragen utföringsforrn är ett eller flera gejderele- ment anordnade för styrning av rotorn. Genom sådan styrning erhålles med relativt enkla medel en tämligen exakt rörelsebana hos rotorn. Det möjliggör att luftgapet kan utföras mycket litet, i storleksordningen någon mm, så att förlusterna minime- ras.

Enligt ytterligare en fördelaktig utföringsform är åtminstone en del av förbindelseorganet flexibelt.

Därmed undviks att sidoriktade vàgkrafter på flytkroppen överförs med full kraft till generatorns rotor. Dess styrning kan därför dimensioneras förhållandevis klen eftersom böjningskrafterna blir måttliga.

Enligt ytterligare en föredragen utföringsform innefattar förbindelseorganet en lina, wire eller en kedja.

Den eftersträvade flexibiliteten hos förbindelseorganet uppnås därigenom på ett ändamålsenligt och konstruktivt enkelt sätt. Linan, wiren eller kedjan kan sträcka sig hela vägen från flytkroppen till rotorn eller utgöra endast en del av för- bindelseorganet. Flexibiliteten kan alternativt uppnås genom att förbindelseorganet är stelt och försett med universalleder.

Enligt ytterligare en föredragen utföringsform innefattar aggregatet fjäd- ringsorgan anordnat att utöva en vertikal kraft på rotorn. Därmed säkerställes att det nedàtriktade slaget hos rotorn sker med full hastighet motsvarande hastighe- 520 921 6 ten hos vattenytans sänkning. Detta är betydelsefullt i de fall rotorns masa är för- hållandevis liten så att en slackning annars kan uppträda i linan. Även om fjäd- ringsorganet har störst betydelse för att åstadkomma en nedàtriktad kraft kan det i vissa fall vara ändamålsenligt att den är anordnad att även verka med en uppàtrik- tad kraft.

Enligt ytterligare en föredragen utföringsform är fjädringsorganets fjäder- konstant reglerbar.

Genom att variera fiäderkonstanten kan denna anpassas till vågrörelser- nas frekvens så att resonans erhålles. Med fjäderkonstant avses den resulterande konstanten i det fall fiädringsorganet är sammansatt av flera fjädrande element.

Normalt är fjäderkonstanten inställd på ett värde som motsvarar resonansfrekven- sen vid de slag av vågor som förväntas uppträda under största delen av tiden.

Enligt ytterligare en föredragen utföringsform är förbindelseorganets längd reglerbar.

Detta ger bl.a. en möjlighet till anpassning till olika nivålägen hos havs/sjö- ytan exempelvis p.g.a. tidvatten.

Enligt ytterligare en föredragen utföringsform innefattar aggregatet en ut- växlingsanordning åstadkommande ett utväxlingsförhållande mellan flytkroppens rörelse och rotorns rörelse.

Tack vare utväxlingsanordningen kan rotorn bibringas en hastighet som är flera gånger större än flytkroppens. Därmed skapas en alternativ möjlighet eller en kompletterande möjlighet att höja frekvensen hos den inducerade strömmen, vilket är speciellt önskvärt då generatorn är utformad flerfasig.

Konstruktivt ändamålsenligt är att anordna utväxlingsanordningen vid för- bindelseorganets anslutning till rotorn. Detta utgör således ytterligare en fördelak- tig utföringsform av uppfinningen. _ Enligt ytterligare en föredragen utföringsform är linjärgeneratorn fäst vid en basplatta anordnad att vila på havs/sjö-botten.

Ehuru linjärgeneratorn i och för sig kan förankras så att den är belägen långt ovanför havsytan torde denna utföringsform kunna realiseras avsevärt mycket enklare. Dessutom ger detta utförande en hög stabilitet.

Enligt ytterligare en föredragen utföringsform är statorn uppburen av ett stativ så utformat att det bildar ett centralt fritt utrymme av tillräckliga tvärsnittsdi- 520 921ii:¥i4§**:' 7 mensioner för att medge att rotorn kan tränga in i utrymmet, vilket utrymme är minst lika högt som rotorns längd.

Utförandet medger att rotorns rörelse kan tillåtas fortgå förbi hela statorn så att hela statorns längd utnyttjas för inducering.

Enligt ytterligare en föredragen utföringsform är generatorn innesluten i ett vattentätt hus. lnneslutningen medför att generatorn ej utsätts för saltvattenpåverkan eller påverkan från levande organismer i vattnet som t.ex. havstulpaner. Komponenter- na kan då utformas med lägre krav på kvalitet i fråga om förmåga att motstå an- grepp från saltvatten och kan därmed göras billigare.

Enligt ytterligare en fördelaktig utföringsfrom är huset fyllt med en vätska.

Denna utföringsform blir speciellt betydelsefull då generatorn är placerad förhållandevis djupt eftersom tryckskillnaden eljest skulle göra det komplicerat att effektivt tätat huset. Om huset är fyllt med en vätska av mindre aggressivt slag än saltvatten förhindras i stort sett risken att det senare tränger in även med förhål- landevis enkla tärningar hos huset. Genom vätskan erhålles dessutom kylning av generatorn. Vätskan har lämpllgtvis samma tryck som omgivningen.

Enligt ytterligare en fördelaktig utföringsform är basplattan, stativet och/eller huset i huvudsak av betong. Betong är det billigaste tänkbara materialet som kan användas i sammanhanget. Dessutom är det i många fall angeläget att åstadkomma en hög barlastvikt hos aggregatet så att materialkostnaden då är av stor betydelse.

Enligt ytterligare en föredragen utföringsform är statorn åtminstone delvis ingjuten i ett fast material och/eller är rotorn åtminstone delvis ingjuten i ett fast material. Lämpligtvis utgörs materialet av betong.

En sådan ingjutning medför att de ingjutna komponenterna effektivt skyd- das från det omgivande saltvattnet. Detta utförande kan i vissa fall vara ett lämpligt alternativ till att inkapsla hela generatorn i en inneslutning, varvid tätningsproblem till stor del elimineras. I Enligt ytterligare en föredragen utföringsform är rotorn ihålig och försedd med såväl utåt som inåt riktade permanentmagneter varvid statorpaket är anord- nade såväl på rotorns utsida som på dess insida.

Genom detta utförande tillgodogörs statorns förmåga att inducera ström på ett maximalt sätt genom att även det inåt riktade magnetfältet tas i utnyttjande. 520 921?ï?.%šV~*i~- 8 Enligt ytterligare en fördragen utföringsform är flytkroppen genom förbin- delseorganet förbunden med ett flertal linjärgeneratorer.

En sådan dubblering eller flerfaldigande på generatorsidan kan i vissa fall leda till ett totalekonomiskt rationellare aggregat och ökar möjligheten att basera konstruktionen på modulprincipen genom att vardera linjärgeneratori sin helhet kan vara en standardiserad enhet som i beroende av lokalitet används i lämpligt antal anslutna till en och samma flytkropp.

Enligt ytterligare en föredragen utföringsform är statorlindningarna anslut- na till en likriktare. Lämpligtvis är likriktaren anordnad intill generatorn under vat- tenytan.

Enligt ytterligare en föredragen utföringsform är generatorn anordnad att lämna en spänning av varierande frekvens. Detta eftersom utsignalen efter likrikt- ningen är en bipolär DC-spänning.

Generatorn är därmed anpassad till det rörelsemönster som vågrörelserna skapar hos rotorn, där hastigheten varierar i beroende var i en vågcykel flytkrop- pen befinner sig och i beroende av överlagrade variationer hos vågytans rörelse.

Ovan beskrivna fördelaktiga utföringsformen av det uppfunna vågkraftag- gregatet anges i de av patentkravet 1 beroende patentkraven.

Det uppfunna vågkraftaggregatet är väl lämpat att sammankopplas med ett flertal liknande aggregat för bildande av ett vågkraftverk. Uppfinningens andra aspekt avser således ett sådant kraftverk varvid vardera vågkraftaggregats stator- lindning via en likriktare är ansluten till en växelriktare som är gemensam för ett flertal vågkraftaggregat, vilken växelriktare är anordnad att leverera energi till ett elnät.

Med det uppfunna vâgkraftverket anvisas en praktiskt realiserbar lösning till ett system för att i större skala producera elektrisk ström med aggregat av det uppfunna slaget och därvid tillgodogöra sig de fördelar dessa medför, och där om- vandlingen till DC och sedan AC skapar gynnsamma transmissionsbetingelser.

Enligt en föredragen utföringsform av det uppfunna vågkraftverket är ett filter och/eller en transformator anordnad(e) efter växelriktaren. Därmed uppnås att en ren och ideal spänning kan levereras och att den kan matas vidare till ett transmissions- eller distributionsnät med därtill anpassad upptransformerad spän- ning. 520 921 9 Enligt ytterligare en föredragen utföringsform är filtret och/eller transforma- torn anordnade på land.

Detta innebär en ur anläggnings- och driftsynpunkt lämpligare lösning än att dessa komponenter är belägna till havs.

Enligt ytterligare en fördelaktig utföringsform är vardera vågkraftaggregat anslutet till växelriktaren via en på eller intill havs/sjö-botten anordnad ledning.

Genom att ledningen är anordnad intill bottnen utsätts den för mindre risk än eljest att utgöra ett störmoment för omgivningen eller riskera att utsättas för åverkan.

Ovan angivna fördelaktiga utföringsformer av det uppfunna vågkraftverket anges i de av kravet 28 beroende patentkraven.

Ur uppfinningens tredje aspekt emås det uppställda ändamålet genom att använda det uppfunna vàgkraftaggregatet eller det uppfunna vàgkraftverket för att generera elektrisk energi, varvid fördelar av motsvarande slag som anges ovan vinnes.

Det uppställda ändamålet ernås ur uppfinningens fiärde aspekt genom att ett förfarande av det i patentkravets 33 ingress angivna slaget innefattar de speci- ella åtgärderna att rotorn utformas permanentmagnetisk och statorn förses med en lindning som bildar ett flertal poler fördelade i rotorns rörelseriktning.

Enligt föredragna utföringsformer av det uppfunna förfarandet utövas det under utnyttjande av det uppfunna vàgkraftaggregatet och de föredragna utfö- ringsformerna av detta.

Därmed vinnes fördelar av motsvarande slag som angetts ovan för våg- kraftaggregatet och dess föredragna utföringsformer.

Enligt ytterligare en föredragen utföringsform av det uppfunna förfarandet placeras statorn direkt på havs/sjö-bottnen eller en på bottnen vilande basplatta och hål upptas i bottnen centralt under generatorn, vilket hål har ett djup som mot- svarar rotorns längd.

Genom att placera statorn direkt via en basplatta pà sjöbottnen erhålles bästa möjliga stabilitet hos aggregatet och det blir lätt att montera det på plats.

Tack vare det centriska hålet i bottnen kan rotorn röra sig hela vägen genom sta- torn så att all tillgängig rörelseenergi omvandlas och tas till vara.

Ur uppfinningens femte aspekt ernås det uppställda ändamålet genom att ett system av komponenter för tillverkning av en linjärgenerator till ett vågkraftag- 520 921 %*{å¥$%?@@å-3% gregat enligt uppfinningen innefattar de speciella särdragen att komponenterna in- nefattar ett flertal statormoduler av standardiserat enhetligt utförande vilka stator- moduler är anpassade att i ett godtyckligt antal kunna anordnas bredvid varandra fördelade kring rotorns mittlinje.

Med hjälp av det uppfunna systemet skapas möjligheter att bygga upp lin- järgeneratorer av olika höjd och olika tvärsnittsdimension med ett och samma slag av grundkomponenter. Den moduluppbyggnadsprincip som systemet baserar sig på ökar därmed väsentligt förutsättningarna att uppföra ekonomiskt konkurrens- kraftiga vàgkraftanläggningar. Olika betingelser för olika vàgkraftanläggningar be- höver inte kräva skräddarsydda konstruktionslösningar i vardera enskilt fall efter- som modullösningen medger ett enkelt anpassande.

Enligt en föredragen utföringsform av det uppfunna systemet innefattar komponenterna även ett flertal permanentmagneter av standardiserat enhetligt ut- förande, vilka permanentmagneter är anpassade att i ett godtyckligt antal kunna fästas vid en rotorkropp i linje efter varandra i rotorns rörelseriktning och/eller an- passade att i ett godtyckligt antal kunna fästas vid rotorkroppen vid varandra för- delade kring rotorns mittlinje, varvid permanentmagneterna är anpassade till sta- tormodulerna.

Med detta utförande tas ytterligare ett steg i det moduleringstänkande som det uppfunna systemet representerar genom att även rotorn kan byggas upp av standardkomponenter. Utförandet accentuerar därmed ytterligare de fördelar som är förknippade med ett sådant system.

Ovan angivna föredragna utföringsform av det uppfunna systemet anges i det av kravet 36 beroende patentkraven.

Ur uppfinningens sjätte aspekt slutligen har det uppställda ändamålet er- nåtts genom att ett förfarande vid tillverkning av en linjärgenerator till ett vàgkraft- aggregat enligt uppfinningen innefattar de speciella åtgärderna att statorn tillver- kas av statormoduler av standardiserat enhetligt utförande, att statorn byggs upp av ett flertal statorpaket anordnade jämt fördelade bredvid varandra kring rotorns mittlinje och genom att vardera statorpaket sammansätts av en eller flera stator- moduler anordnade i linje efter varandra i rotorns rörelseriktning.

Det uppfunna tillverkningsförfarandet utnyttjar de möjligheter till modulba- serad tillverkning som det uppfunna systemet erbjuder och medför motsvarande fördelar. Vardera modul testas lämpligtvis före sammansättningen. 520 921ï1?t%fT»ïi~ 11 Enligt en föredragen utföringsform av det uppfunna tillverkningsförfarandet tillverkas rotorn av permanentmagneter av standardiserat utförande varvid ett fler- tal av dessa fästs i en rotorkropp jämt fördelade bredvid varandra kring rotorns mittiinje och en eller flera av dem fästs i linje efter varandra i rotorns rörelserikt- ning.

Denna utföringsform av det uppfunna tillverkningsförfarandet utnyttjar mo- duluppbyggnadsprincipen i ytterligare ett moment och förstärker de fördelar som uppnås med ett sådant.

Ovan angivna föredragen utföringsform av det uppfunna tillverkningsförfa- randet anges i det av kravet 38 beroende patentkravet.

Uppfinningen förklaras närmare genom efterföljande detaljerade beskriv- ning av fördelaktiga utföríngsexempel av uppfinningen under hänvisning till med- följande ritningar.

Kort figurbeskrivning Fig. 1 är en schematisk sidovy av ett vågkraftaggregat enligt uppfinningen.

Fig. 2 är ett snitt längs linjen II-II i fig. 1.

Fig. 3 är ett snitt motsvarande det i fig. 2 av ett alternativt utföríngsexempel.

F ig, 4 är en perspektiwy av en modul av ett statorpaket enligt uppfinningen.

Fig. 5 är ett snitt motsvarande det i fig. 2 och illustrerar ett exempel på stator- lindningen.

Fig. 6 är en sidovy av en modul av ett statorpaket enligt ett alternativt utförings- exempel.

Fig. 7 är ett snitt liknande det i fig. 2 och illustrerar en detalj enligt uppfinningen.

Fig. 8 visar i ett alternativt exempel en motsvarande detalj som i fig. 7.

Fig. 9 är en schematisk sidovy av generatorn enligt ett alternativt utföríngsexem- pel.

Fig. 10 är ett schema som illustrerar sammankopplingen av ett flertal aggregat en- ligt uppfinningen till ett vågkraftverk.

Fig. 10a visar ett alternativt likriktningsexempel.

Fig. 11 är en perspektiwy av en rotor vid ett utföríngsexempel av uppfinningen.

Fig. 12 illustrerar i en sidovy en detalj hos ett aggregat enligt ett utföríngsexempel.

Fig. 13 illustrerar i en principskiss ytterligare en detalj. 520 921â*äfiåï?ï@*å~ïfi 12 Fig. 14-16 är sidovyer av alternativa utföringsexempel av linjärgeneratorn enligt uppfinningen.

Fig. 17 är ett snitt motsvarande snittet II-II i fig. 1 av ett alternativt utföringsexem- pel av linjärgeneratorn.

Fig. 18 är en sidovy av ytterligare ett altemativt utföringsexempel av ett aggregat enligt uppfinningen.

Fig. 19 illustrerar ett system av komponenter enligt uppfinningen.

Fig. 20 illustrerar hur vágkraftaggregatet bildar ett vågkraftverk och hur det är an- slutet till ett elnät.

Beskrivning av fördelaktiga utföringsexempel Fig. 1 illustrerar principen för ett vàgkraftaggregat enligt uppfinningen. En flytkropp 3 är anordnad att flyta på havsytan 2. Vågor bibringar flytkroppen 3 fram- och återgående vertikalrörelse. Vid bottnen 1 är en linjärgenerator 5 förankrad via en i bottnen fäst basplatta 8 som kan vara en betongplatta. Vid basplattan 8 är lin- järgeneratorns stator 6a, 6c fäst. Statom består av fyra vertikala pelarliknande sta- torpaket av vilka endast två är synliga i figuren. I utrymmet mellan statorpaketen är generatorns rotor 7 anordnad. Denna är förbunden med flytkroppen 3 medelst en lina 4. Rotorn 7 är av permanentmagnetiskt material.

Basplattan 8 har ett centralt anordnat hål 10, och koncentriskt med detta är ett bottenhål 9 upptaget i havsbottnen. Bottenhålet 9 kan lämpligtvis vara fodrat.

Vid bottenhålets 9 nedre ände är en dragfläder 11 fäst, vilken med sin andra ände är fäst vid rotorns 7 nedre ände. Hålet 10 i basplattan 8 och bottenhålet 9 har en diameter som medger att rotorn 7 kan röra sig fritt genom dessa.

Vardera statorpaket 6a, 6c är sammansatt av ett antal moduler. I det visa- de exemplet är på statorpaketet 6a markerat hur detta är uppdelat i tre vertikalt fördelade moduler 61, 62, 63.

Då flytkroppen 3 genom vågrörelserna i havsytan 2 rör sig upp och ner överförs denna rörelse via linan 4 till rotorn 7 som får en motsvarande fram- och återgående rörelse mellan statorpaketen. Därmed genereras ström i statorlind- ningarna. Bottenhàlet 9 medger att rotorn kan passera hela statorn i sin nedåtgå- ende rörelse. Dragfjädern 11 ger en tillskottskraft för den nedåtgående rörelsen så att linan 4 hela tiden hålls sträckt. 520 921¥w* ~ïf 13 Fjädern kan också vara utformad så att den i vissa situationer även kan utöva en uppåtriktad kraft. Med ett reglerorgan 28 kan tjäderns fjäderkonstant re- gleras så att resonans uppnås så stor del av tiden som möjligt.

För att kunna motstå saltvatten är statorn het eller delvis impregnerad med VPI eller silikon.

Figur 2 är et snitt längs linjen II-II i fig. 1. l detta exempel har rotorn 7 kva- dratiskt tvärsnitt och ett statorpaket 6a-6d är anordnad vid vardera av rotorns 7 si- dor. Med 12a-12d markeras respektive statorpakets lindning. Av figuren framgår även plåtarnas orientering ivardera statorpaket. Luftgapet mellan rotorn och intill- liggande statorpaket är i storleksordningen någon mm.

Fig. 3 illustreras i ett motsvarande snitt en alternativ utföringsform där ro- torn 7 i tvärsnitt har formen av en oktaeder, och antalet statorpaket är således åtta stycken.

Det torde förstås att rotorns tvärsnittsform kan vara en polygon med god- tyckligt antal sidor. Lämpligtvis men ej nödvändigtvis är polygonen regelbunden.

Rotorn kan även vara cirkulär. Genom att anordna statorpaket åt olika håll runt om rotorn tillgodogörs så stor del som möjligt av magnetfältet för inducering. l fig. 4 visas en modul 61 hos ett av statorpaketen i perspektiwy. Modulen består av ett paket plåtar 13 sammanhållna av bultar 14 och försedda med spår 15 för lindningen 12. Polavståndet a, dvs. avståndet mellan lindningsskikten bör vara så litet som möjligt för att få så många poler som möjligt för en bestämd stator- Iängd och därmed en hög frekvens hos den inducerade strömmen. Ett praktiskt lämpligt polavstànd är ca 8 mm, där spårets vidd är ca 4 mm och plåttandens vidd följaktligen även den 4 mm.

Ett statorpaket kan bestå av en eller flera sådana moduler. Vardera modul har normalt såsom visas ifig. 4 ett flertal poler. Även moduler med endast en pol i vardera modul kan vara ett alternativ.

Statorns lindning 12 kan såsom illustreras i fig. 5 vara gemensam för de olika statorpaketen 6a-6d i statorn.

Fig. 6 illustrerar ett alternativ där vardera statorpaket har en individuell lindning. Figuren visar en modul med två poler.

Lindningens isolation utgörs av ett saltvattenbeständigt skikt som klarar en spänning upp till 6 kV. Skiktet kan utgöras av en polymer såsom PVC eller liknan- de. Alternativt kan lacktråd användas. Ledaren utgörs av aluminium eller koppar. 520 921 14 För att kunna ha ett så litet Iuftgap som möjligt är det viktigt att rotorns 7 rörelse blir noggrant styrd. I fig. 7 som är ett schematiskt tvärsnitt genom linjärge- neratorn illustreras hur detta kan åstadkommas på ett enkelt och säkert sätt. Ro- torn har i detta fall en kvadratisk tvärsnittsform med avfasade hörn. Intill vardera hörn är en gejder 16a-16d anordnad. Vardera gejder är med sin nedre ände fäst vid basplattan 8 (se fig. 1) och sträcker sig vertikalt uppåt parallellt med statorpa- keten 6a-6d. De fyra gejdrarna 16a-16d tillförsäkrar en exakt centrisk styrning av rotorns rörelse.

Ett alternativt utföringsexempel illustreras ifig. 8. I detta fall har rotom 7 ett centralt kvadratiskt längsgående hål, i vilket en central gejder 16 är anordnad.

Den i fig. 1 illustrerade generatorn har en statordel som är ungefär dubbelt så lång som rotorn. I fig. 9 visas ett alternativt utförande där istället rotorn 7 är ca dubbelt så lång som statorn 6.

Ett vågkraftverk enligt uppfinningen består av två eller flera aggregat av det ovan beskrivna slaget. I fig. 10 illustreras hur dessa sammankopplas för att le- verera energi till ett elnät. l det visade exemplet består kraftverket av tre stycken aggregat symboliskt markerade med 20a-20c. Vardera aggregat är via en brytare eller kontaktor 21 och en likriktare 22 ansluten till en växelriktare 23, i en bipolär koppling enligt figuren. I figuren är kopplingsschema utritat endast för aggregatet 20a. Det torde förstås att övriga aggregat 20b, 20c är anslutna på motsvarande sätt. Växelriktaren 23 levererar trefasström till elnätet 25, eventuellt via en trans- formator 24 och/eller ett filter. Likriktarna kan vara dioder som kan vara styrda och av typen IGBT, GTO eller tyristor, innefatta styrda bipolära komponenter eller vara ostyrda.

Spänníngarna på DC-sidan kan vara parallellkopplade, seriekopplade eller en kombination av båda delarna.

Den ifig. 11 i perspektiv visade rotorn 7 är försedd med ett antal perma- nentmagneter 26 som är belägna i en rad på vardera sida av rotorkroppen 27. I detta exempel har rotorn fyra sidor för att samverka med fyra statorpaket.

Permanentmagneterna 26 kan lämpligtvis ha ett och samma utförande för rotorkonfigurationen av olika slag., t.ex. olika längd och olika antal sidor i omkrets- led. Permanentmagneterna fästs då vid en rotorkropp 27. Även rotorkroppen kan vara av standardiserat utförande eller individuellt anpassad i beroende av hur många sidor rotorn ska ha. 520 921%F:ï?7@i I fig. 12 illustreras hur linan 4 är försedd med en regleranordning för att re- glera dess verksamma längd, dvs. avståndet mellan flytkroppen 3 och rotorn 7. regleranordningen består i detta fall av en vid flytkroppen fäst rulle 29 på vilken en del av linan kan rullas upp. Regleranordningen kan även vara utformad på annat sätt och alternativt anordnas vid linans anslutning till rotorn eller någonstans mitt på linan. Med reglerorganet kan linans längd anpassa till olika tidvattenförhàllan- den. Det kan också användas för att positionera flytkroppen strax under vatten- ytan. Då förbindelseorganet är av annat slag än e lina, t.ex. en wire, kedja, kätting eller ledade stänger används ett till respektive typ anpassat reglerorgan.

Fig. 13 illustrerar ett utföringsexempel där linan är förbunden med rotorn via en utväxlingsanordning. l det visade exemplet består utväxlingsanordningen av en vid linan fäst kolv 30 anordnad att tätande kunna röra sig upp och ner i en väts- kefylld behållare 32 och av en med rotorn 7 förbunden kolv 31 likaledes anordnad att kunna röra sig upp och neri behållaren 32. Den med linan 4 förbundna kolven och den med denna samverkande delen av behållaren 32 har större diameter än den med rotorn 7 förbundna kolven 31 och den med denna samverkande delen av behållaren 32. Behållarens läge är lämpligtvis fixerat. Med denna anordning er- hålles en relation mellan linans vertikalrörelse och rotorns vertikalrörelse som mot- svarar areaförhållandet mellan kolvarna. Utväxlingsanordningen kan alternativt ut- formas som ett länksystem, kuggväxel eller med hjälp av skruvar av olika stigning.

Utväxlingsanordningen kan även utformas så att inställning av utväxlingsförhållan- det medges.

Vid utföringsexemplet enligt fig. 14 vilar vardera statorpaket 6a, 6c på en stativdel 33a, 33c. Vardera stativdel är fäst vid en på bottnen 1 vilande basplatta 8.

Stativdelarna 33a, 33c har en höjd som är minst lika stor som rotorns 7 längd så att denna kan passera förbi hela statorn 6. Basplattan 8 och stativdelarna 33a, 33c är lämpligtvis gjutna i betong och bör ha en massa på några tiotals ton.

Vid utföringsexemplet illustrerat i fig. 15 är hela linjärgeneratorn innesluten i en inkapsling av betong bildad av huset 34 och basplattan 8.

Vid exemplet i fig. 16 är statorpaketen 6a, 6c vardera ingjutna i betongin- kapslingar 35a, 35c. Rotorn 7 är likaledes innesluten i en betonginkapsling 36.

Fig. 17 är ett tvärsnitt genom ett alternativt utföringsexempel av linjårgene- ratorn. Rotorn 7 som i detta fall är åttakantig och ihålig har såväl utåt riktade per- manentmagneter 26 samverkande med respektive statorpaket 6a, 6b etc. som inåt 40 520 921š%)?*¥ 16 riktade permanentmagneten 26a samverkande med ett centralt inne i rotorn 7 an- ordnat åttakantigt statorpaket.

Fig. 18 illustrerar ett exempel där en flytkropp 3 är gemensam för rotorn 7a, 7b till tvà olika linjärgeneratorer. Linan 4 är förbunden med en horisontell stång 38 som genom linor 4a, 4b är förbunden med respektive rotor 7a, 7b.

Fig. 19 illustrerar ett system av komponenter med ett antal identiska sta- tormoduler 6 och ett antal identiska permanentmagneter 26. Med komponenterna kan en linjärgenerator av godtycklig längd och godtyckligt tvärsnitt sammansättas.

Vardera modul är lämpligtvis sà utformad att den kan testas som individuell kom- ponent. l fig. 20 illustreras ett vågkraftverk med ett flertal generatorer 20a, 20b, 20c sammankopplade. Vid vardera generator är en likriktare anordnad och via kablar 39 anordnade på havsbottnen leds DC-strömmen till en station på land med en växelriktare 23, en transformator 24 och ett filter 41 varifrån elenergin levereras till ett distributions- eller transmissionsnät.

Claims (39)

20 25 30 35 520 921 17 PATENTKRAV

1. Vågkraftaggregat för produktion av elenergi innefattande en flytkropp (3) och en elektrisk linjärgenerator (5), vars rotor (7) medelst förbindelseorgan är för- bunden med flytkroppen (3) och vars stator (6) är anordnad att förankras i havs/sjö-botten (1) kännetecknat av att rotorn (7) är permanentmagnetisk och att statorn (6) innefattar lindning bildande ett flertal poler fördelade i rotorns (7) rörel- seriktning.

2. Vågkraftaggregat enligt patentkravet 1, kännetecknat av att rotorn inne- fattar ett flertal permanentmagneter fördelade i rotorns rörelseriktning.

3. Vågkraftaggregat enligt patentkravet 1 eller 2, kännetecknat av att delningsavståndet mellan polerna räknat i rotorns (7) rörelseriktning är mindre än 50 mm, företrädesvis mindre än 10 mm.

4. Vågkraftaggregat enligt något av patentkraven 1-3, kännetecknat av att statorn (6) innefattar ett flertal kring rotorn jämnt fördelade statorpaket (6a-6d).

5. Vågkraftaggregat enligt patentkravet 4, kännetecknat av att rotorn (7) har formen av en regelbunden polygon och att antalet statorpaket (6a-6d )är lika med antalet sidor hos polygonen.

6. Vågkraftaggregat enligt patentkravet 4 eller 5, kännetecknat av att varde- ra statorpaket (6a-6d) är sammansatt av ett flertal moduler anordnade efter var- andra i rotorns (7) rörelseriktning.

7. Vågkraftaggregat enligt något av patentkraven 4-6, kännetecknat av att rotorn innefattar ett flertal i omkretsled fördelade permanentmagneter så anordna- 15 20 25 30 520 921¥¥¥-¥š 18 de att i ett godtyckligt tvärsitt av rotorn en permanentmagnet vetter mot vardera statorpaket.

8. Vågkraftaggregat enligt patentkravet 7, kännetecknat av att rotorn inne- fattar en rotorkropp på vilken magneterna är monterade.

9. Vàgkraftaggregat enligt något av patentkraven 1-8, kännetecknat av att rotorn (7) och statorns (6) längd skiljer sig från varandra med en faktor två eller mer.

10. Vàgkraftaggregat enligt något av patentkraven 1-9, kännetecknat av att ett eller flera gejderelement (16) är anordnade för styrning av rotorn (7).

11. åtminstone en del av förbindelseorganet (4) är flexibelt. Vàgkraftaggregat enligt något av patentkraven 1-10, kännetecknat av att

12. Vàgkraftaggregat enligt patentkravet 11, kännetecknat av att förbindelse- organet innefattar en lina, wire, kätting eller kedja.

13. innefattar fiädringsorgan (11) anordnat att utöva en vertikal kraft på rotorn. Vàgkraftaggregat enligt patentkravet 11 eller 12, kännetecknat av att det

14. Vàgkraftaggregat enligt patentkravet 13, kännetecknat av att fiädringsor- ganets fjäderkonstant är reglerbar.

15. Vàgkraftaggregat enligt något av patentkraven 1-14, kännetecknat av att förbindelseorganets längd är reglerbar.

16. Vàgkraftaggregat enligt något av patentkraven 1-15, kännetecknat av att det innefattar en utväxlingsanordning, åstadkommande ett utväxlingsförhållande mellan flytkroppens rörelse och rotorns rörelse.

17. Vàgkraftaggregat enligt patentkravet 16, kännetecknat av att utväxlings- anordningen är anordnad vid förbindelseorganets anslutning till rotorn. 20 25 30 520 921 19

18. Vàgkraftaggregat enligt något av patentkraven 1-17, kännetecknat av att linjärgeneratorn är fäst vid en basplatta anordnad att vila på havs/sjö-bottnen.

19. Vàgkraftaggregat enligt något av patentkraven 1-18, kännetecknat av att statorn är uppburen av ett stativ fäst vid basplattan och så utformat att det bildar ett centralt fritt utrymme av tillräckliga tvärsnittsdimensioner för att medge att ro- torn kan tränga in i utrymmet och vilket utrymme är minst lika högt som rotorns längd.

20. Vàgkraftaggregat enligt något av patentkraven 1-19, kännetecknat av att linjärgeneratorn är innesluten i ett vattentätt hus.

21. Vàgkraftaggregat enligt patentkravet 20, kännetecknat av att huset är fyllt med en vätska.

22. Vàgkraftaggregat enligt något av patentkraven 18-21, kännetecknat av att basplattan, stativet och/eller huset i huvudsak är av betong.

23. Vàgkraftaggregat enligt något av patentkraven 1-18, kännetecknat av att statorn är åtminstone delvis ingjuten i ett fast material och/eller att rotorn är åtmin- stone delvis ingjuten i ett fast material, vilket material företrädesvis är beong.

24. Vàgkraftaggregat enligt något av patentkraven 1-23, kännetecknat av att rotorn är ihålig och försedd med såväl utåt som inåt riktade permanentmagneter och att statorpaket är anordnade såväl på rotorns utsida som dess insida.

25. Vàgkraftaggregat enligt något av patentkraven 1-24, kännetecknat av att flytkroppen genom förbindelseorganet är förbunden med ett flertal linjärgenerato- rers respektive rotor.

26. Vàgkraftaggregat enligt något av patentkraven 1-25, kännetecknat av att statorlindningarna är anslutna till en likriktare, vilken likriktare företrädesvis är an- 15 20 25 30 520 921 20 ordnad intill linjärgeneratorn under vattenytan, i förekommande fall företrädesvis inne i huset.

27. Vàgkraftaggregat enligt något av patentkraven 1-26, kännetecknat av att generatorn är anordnad att lämna en spänning av varierande frekvens.

28. Vågkraftverk innefattande ett flertal vågkraftaggregat (20a-20g) enligt nå- got av patentkraven 1-27, kännetecknat av vardera vàgkraftaggregats statorlind- ning via en likriktare (22) är ansluten till en växelriktare (23), som är gemensam för ett flertal vàgkraftaggregat (20a-20g) vilken växelriktare är anordnad att leverera energi till ett elnät (25) .

29. Vågkraftverk enligt patentkravet 28, kännetecknat av att ett filter och/eller en transformator är anordnad(e) efter växelriktaren.

30. Vågkraftverk enligt patentkravet 29, kännetecknat av att växelriktaren, filt- ret och/eller transformatorn är anordnad(e) på land.

31. Vågkraftverk enligt något av patentkraven 28-30, kännetecknat av att vardera Vàgkraftaggregat är anslutet till växelriktaren via en på eller intill havs/sjö- botten anordnad ledning.

32. Användning av ett vågkraftaggregat enligt något av patentkraven 1-27 el- ler ett vindkraftverk enligt något av patentkraven 28-31 för att generera elektrisk energi.

33. Förfarande för att generera elektrisk energi genom att förbinda en flyt- kropp med rotorn till en elektrisk linjärgenerator och förankra generatorns statori havs/sjö-botten kännetecknat av att rotorn utformas permanentmagnetisk och statorn förses med lindning som bildar ett flertal poler fördelade i rotorns rörelse- riktning.

34. Förfarande enligt patentkravet 33, kännetecknat av att förfarandet utövas under utnyttjande av ett vågkraftaggregat enligt något av patentkraven 1-27. 15 20 25 30 520 921 21

35. Förfarande enligt något av patentkraven 33-34, kännetecknat av att sta- torn placeras direkt på havs/sjö-bottnen eller en pà bottnen vilande basplatta och att centralt under generatorn upptas ett hål i sjöbottnen, vars djup motsvarar ro- torns längd. i

36. System av komponenter för tillverkning av en linjärgenerator till ett våg- kraftaggregat enligt något av patentkraven 1-27, kännetecknat av att komponen- terna innefattar ett flertal statormoduler av standardiserat enhetligt utförande, vilka statormoduler är anpassade att i ett godtyckligt antal kunna anordnas i linje efter varandra i rotorns rörelseriktning och/eller anpassade att i ett godtyckligt antal kun- na anordnas bredvid varandra fördelade kring rotorns mittlinje.

37. System enligt patentkravet 36, kännetecknat av att komponenterna inne- fattar ett flertal permanentmagneter av standardiserat enhetligt utförande, vilka permanentmagneter är anpassade att i godtyckligt antal kunna fästas vid en rotor- kropp i linje efter varandra i rotorns rörelseriktning och/eller anpassade att i god- tyckligt antal kunna fästas vid rotorkroppen bredvid varandra fördelade kring ro- torns mittlinje, och vilka permanentmagneter är anpassade till statormodulerna.

38. Förfarande vid tillverkning av en linjärgenerator till ett vågkraftaggregat en- ligt något av patentkraven 1-27, kännetecknat av att statorn tillverkas av stator- moduler av standardiserat enhetligt utförande, att statorn byggs upp av ett flertal statorpaket anordnade jämt fördelade bredvid varandra kring rotorns mittlinje och att vardera statorpaket sammansätts av en eller flera statormoduler anordnade i linje efter varandra i rotorns rörelseriktning.

39. Förfarande enligt patentkravet 38 kännetecknat av att rotorn tillverkas av permanentmaneter av standardiserat enhetligt utförande, att ett flertal perma- nentmagneter fästs vid en rotorkropp jämt fördelade bredvid varandra kring rotorns mittlinje och att en eller flera permanentmagneter fästs i linje efter varandra i ro- torns rörelseriktning.