NO316980B1 - Anordning for innstyring av moduler til et anlegg for produksjon av energi fra strommer i vannmasser, en forankring, samt fremgangsmate for installasjon av anordningen. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en anordning for innstyring av moduler for undersjøiske anlegg som produserer elektrisk energi fra strømmende vannmasser. Videre omfatter oppfinnelsen en fremgangsmåte for installasjon av slike moduler. Forskning og utvikling på tidevannskraftverk eller anlegg for produksjon av elektrisk energi har pågått i mange tiår. Fordelene med tidevannsanlegg er blant annet at de eksempelvis i forhold til vindmøller, er forutsigbare og lite avhengige av vær. Likevel er svært få anlegg bygd til tross for at det på verdensbasis er svært store energimengder i tidevannsstrømmer. Årsaken er hovedsakelig av økonomisk og/eller miljømessig art. Disse og andre årsaker har medført at det er blitt utviklet anlegg som i sin helhet er plassert under havoverflaten. Disse anleggene er bygget opp av moduler plassert på et fundament på havbunnen.

Imidlertid er det en utfordring å sette sammen disse modulene under havflaten på en økonomisk måte, fordi modulene kan ha betydelige dimensjoner og fordi de nødvendig vis må plasseres i strømmende vannmasser, og fordi de i noen tilfeller installeres forholdsvis dypt.

Montering av undervannskraftverk har i de fleste tilfeller tidligere nødvendig-gjort vanskelig, omfattende og kostbart dykkerarbeide.

Det er tidligere utviklet lite teknikk på dette området fordi anlegg for produksjon av energi fra strømmende vannmasser, plassert på et fundament, og som i sin helhet er plassert under vann, har vært lite utbredt og er av nyere dato.

Et eksempel på et slikt moduloppbygd tidevannsanlegg er beskrevet i patent-søknad NO20010737, Hammerfest Strøm. Dette anlegget omfatter et fundament plassert på havbunnen og en eller flere moduler plassert på fundamentet. Modulene kan omfatte turbin, generator for elektrisk kraft, gir, og diverse elektriske komponenter. Disse turbinene er innfestet i fundamenter som kan omfatte søyler eller peler.

Grunnen til at man ønsker å plassere anlegg av denne typen i sin helhet under vann, er at anlegg som går over overflaten omfatter konstruksjoner som gjør at de hydrodynamiske kreftene påfører betydelige mekaniske på-kjenninger på konstruksjonen. Videre er det er vanskelig å få til en forankring i bunnen på en holdbar og økonomisk måte, særlig ved vanskelige bunn-forhold. Vannmasser som strømmer rundt konstruksjoner av denne type skaper også lett egensvingninger i konstruksjonen, som til slutt kan skape tretthetsbrudd. Korrosjon er også et problem, både i plaskesonen, i over-gangen mellom vann og luft, og på steder med store mekaniske spenninger. Videre skaper konstruksjoner som går opp til eller over havoverflaten et hinder for skipsfarten, og er ellers skjemmende i naturen. Konstruksjoner som ikke går over vann er gunstige for å for å redusere forstyrrelse og oppbremsing av vannstrømmen. Oppbremsing og forstyrrelser i vannstrømmen kan påvirke turbinen på en uheldig måte.

Det er et formål med den foreliggende oppfinnelsen å forenkle installasjon, vedlikehold og skifte av komponenter for anlegg som i sin helhet er plassert under vann. Oppfinnelsen kan selvsagt også brukes til installasjon av moduler undervann, selv om nye moduler plassert på konstruksjonen vil kunne stikke over vann.

Dette oppnås med den foreliggende oppfinnelsen som angitt i de selvstendige krav.

Oppfinnelsen er beskrevet for installasjon av en horisontalakset turbin, men kan også nyttes for en vertikalakset turbin. Installasjonsmetoden i henhold til foreliggende oppfinnelse har viktige fortrinn. Et modularisert system som i sin helhet er neddykket, representerer ikke visuell forurensing eller begrensinger for skipsfarten. En installasjonsmetode som tillater stegvis installasjon, mulig-gjør installasjon til tross for store krefter forårsaket av vannstrømmen. Et slikt system muliggjør enkle og effektive reparasjons- og vedlikeholdsoperasjoner.

Anordningen og fremgangsmåten er spesielt tilpasset for anlegg som omfatter en turbin som likner en vindmølle og som i sin helhet er plassert under vann.

Slike anlegg omfatter minst en modul i form av et hus forankret til bunnen med et fundament eller en bærekonstruksjon. Bærekonstruksjonen inkluderer normalt også en kabelgate som en overføringskabel for strøm er festet til for å unngå utmattingsbrudd på grunn av kreftene fra vannstrømmen. Fundamentet omfatter fortrinnsvis en forankringspel som er drevet ned i bunnen, eller som på annen måte er fastgjort i denne.

De beskrevne komponentene er satt sammen som moduler for å lette installasjon og vedlikehold. Under installasjon vil normalt huset med turbinen påmontert representere én modul og fundamentet en eller flere andre moduler. Fordelene med moduloppbygning er vesentlig lavere anleggskostnader, muligheter for trinnvis utbygging, og enklere nedbygging.

Det er sammensetningen eller monteringen av disse komponentene og modulene den foreliggende oppfinnelse tar sikte på å forenkle.

Reparasjon og vedlikehold av en modul kan skje ved å ta modulen til overflaten ved hjelp av den foreliggende oppfinnelsen slik at arbeidet kan utføres tørt i et verksted.

Dette oppnås med den foreliggende oppfinnelsen som angitt i de selvstendige krav.

Under installasjon vil normalt huset med turbinen påmontert, representere én modul og fundamentet en eller flere andre moduler.

En overføringskabel for den genererte kraften går fra den elektriske generatoren, gjennom huset som normalt er en vanntett kapsel, og til et landanlegg for ilandføring av kraft.

I en fremgangsmåte for installasjon av anordningen ifølge oppfinnelsen tillates en stegvis installasjon, og på den måten muliggjøres installasjon til tross for store krefter forårsaket av vannstrømmen.

Denne beskrivelsen omfatter ikke installasjonen av selve bærestrukturen, men forutsetter at en slik er etablert innfor de krav til vertikalitet og orientering som vil gjelde.

Anordningen er tilpasset for innstyring av en modul på et fundament, der fundamentet er plassert på havbunnen. Fundamentet er typisk et tårnrør og moduler typisk en kapsel eller et hus med nødvendige komponenter for energiproduksjon. Anordningen omfatter et område tilpasset for sammen-føyning med modulen. Dette området omfatter eksempelvis en vanlig flens for boltforbindelse. I dette tilfellet har modulene motsvarende flens. Imidlertid vil det være en fordel om sammenføyningen kan styres automatisk, og dette kan foregå med en fjernstyrt inngrepsanordning som eksempelvis omfatter fjernstyrte inngrepspaler som går i inngrep med motsvarende utsparinger i eksempelvis et konisk rør på modulen. Det koniske røret kan da være tilpasset for å gå i inngrep med et sammenpassende traktformet hull i fundamentet.

Overflatefartøyet omfatter minst en vinsj som brukes til å heise modulen med og eventuelt stramme ledewirene.

Mottagerelementer med respektive låseanordninger, er plassert ved fundamentets sammenføyningsområde. Disse mottagerelementene er tilpasset for å motta ledestolper tilpasset for å senkes ned i mottakerelementene for å låses i disse med låseanordningene. Også disse kan, i en alternativ utførelsesform, styres automatisk med en fjernstyrt inngrepsanordning som eksempelvis omfatter fjernstyrte inngrepspaler som går i inngrep med motsvarende utsparinger i ledestolpene. Mottagerelementene kan være rør-formede og er påsatt fundamentet ved sammenføyningsområdet.

Minst to ledevaiere forløper mellom overflatefartøyet og ledestolpene, og minst to ledetunneier er anbrakt på modulen i en avstand tilpasset

plasseringen av mottagerelementene. Ledetunnelene er tilpasset for inntreing av ledewirene og for entring inn på ledestolpene, og er fortrinnsvis utstyrt ved en utvidet nedre ende som letter inntreing på ledestolpene. Ledetunnelene er fastgjort til modulen på slik at de er tilpasset plasseringen av ledestolpene når disse er fastgjort til mottagerelementene på fundamentet.

En heisevire forløpende mellom modulen og vinsjen, påmontert overflate-fartøyet for heving og senking av modulen 2, er løsbart fastgjort til modulen på en ellers kjent måte. I en utførelsesform kan løsningen av heiseviren fjernstyres.

Låseanordningene for mottagerelementene kan omfatt inngrepsmidler som automatisk går i inngrep med ledestolpene og låser disse til mottagerelementene. Inngrepsmidlene kan omfatte fjærbelastede paler som smetter i inngrep med utsparinger når ledestolpene er på plass.

Fjernstyringen av de forskjellige inngrepsanordningene kan foregå via en kabel fra overflatefartøyet ellet på en annen måte kjent på fagområdet.

En fremgangsmåte for innstyring av en eller flere moduler for et på en havbunn plassert fundament for et undersjøisk anlegg for produksjon av energi fra strømmer i vannmasser med den beskrevne anordningen kan omfatte anbringelse av et fartøy som bærer modulen over fundamentet. Hele innstyringen og monteringen bør foregå under tidevannsskifte for at dette kan foregå når det er minst mulig strøm. Den foreliggende oppfinnelsen er derfor utviklet for at denne monteringen skal kunne foregå i en så kort tidsperiode at modulen kan monteres før strømmen blir for sterk.

Ledewirene tres gjennom ledetunnelene anbrakt på modulen og ledestolpene med ledewirene senkes fra fartøyet ned til fundamentet. Ledestolpene tres inn i mottagerelementene på fundamentet og låses til mottagerelementene med låseanordningene. Ledewirene strammes så mellom fundamentet og fartøyet, for eksempel med en vinsj plassert på fartøyet. Modulen heises så ned langs ledewirene med heisewiren og vinsjen. Det koniske røret entrer inn i fundamentet og ledestolpene entrer inn i ledetunnelene på modulen. Modulen fastgjøres så til fundamentet med innfestingsanordningen, ved eksempelvis at paler på fundamentet går i inngrep med utsparinger på modulen. Under en heving av modulen reverseres denne prosessen. Når monteringen er fullført løsnes heisewiren og ledewirene fra modulen og fundamentet, og monteringen er ferdig.

Kabelen for overføring av kraft fra modulen i tilfellet der denne omfatter en

generator, kan foregå med en undervannskobler som automatisk går i inngrep med en motsvarende kobling påmontert fundamentet når modulen plasseres, eller modulen kan ha en kabel som er lang nok til at koblingen kan foregå ved overflaten.

Kort beskrivelse av de vedlagte figurer:

Fig. 1 viser et sideriss av et eksempel på en installasjon som kan installeres med en anordning og en fremgangsmåte i henhold til oppfinnelsen der installasjonens forskjellige komponenter eller moduler tydelig fremkommer; Fig. 2 viser et delvis gjennomskåret sideriss av et eksempel på en generator modul med nacelle som kan installeres med en anordning i henhold til oppfinnelsen; Fig. 3 viser tre trinn av en installasjonssekvens; Fig. 4 viser to trinn ved installasjonssekvensen som angir installasjon av ilandføringskabel for strøm; Fig. 5, 6 og 7 viser forskjellige trinn ved installasjon av en modul i henhold til oppfinnelsen, der installasjonsanordningens komponenter fremgår; og Fig. 8 og 9 viser en modul og en lekter som kan brukes i forbindelse med oppfinnelsen.

I det følgende vil oppfinnelsen bli beskrevet med et utførelseseksempel.

Fig. 1 viser en løftindusert propellerturbin (1) som typisk kan installeres med en anordning og en fremgangsmåte i henhold til oppfinnelsen. På den viste installasjonen er propellbladene pitchregulert for å høyne virkningsgraden samt for å kunne rotere bladene minst 180 ° fortrinnsvis i forbindelse med skifte av strømretning. Den løftinduserte propellerturbinen (1) er påmontert en vanntett kapsel eller hus (2) som typisk utgjør en modul, med utstyr for å omdanne turbinens rotasjon til elektrisk kraft, inklusiv en generator, eventuelt et gir og kontrollsystem. Huset eller modulen (2) kan også omfatte sekundær-funksjoner som lenseanordninger for mindre lekkasjer. Ved at turbinbladene kan roteres som beskrevet, kan den viste konstruksjonen monteres i en låst posisjon på en bærekonstruksjon (trenger ikke roteres, i motsetning til en vindmølle).

En bærekonstruksjon eller et fundament (3) som bærer turbinen (1) og kapselen (2) kan også omfatte en kabelgate som en overføringskabel (4) er festet til for å unngå utmattingsbrudd på grunn av strømkreftene. Overføringskabelen (4) for den genererte kraften går fra den elektriske generatoren, gjennom den vanntette kapselen og til et landanlegg (5). Landanlegget (5) transformerer den genererte kraften før den fases inn på et eksisterende strømnett.

Fra fig. 2 fremgår det et eksempel på et hus (2) eller en modul som kan installeres med den foreliggende oppfinnelse. Modulen (2) omfatter en turbin (1), et gir (22) for omsetning av rotasjonshastigheten fra turbinen, akkumula-torflasker (23) for å beskytte mot vanninntrengning ved hjelp av overtrykks-beskyttelse av huset eller kapselen, en generator (24) for å omdanne mekanisk energi fra giret (22) til elektrisk energi, en nacelle med pitch kontroll (28) for vridning av turbinbladene, olje eller annen korrosjonshindrende væske (27), alternativt helium eller annen inert gass fortrinnsvis med god varmelede evne med eks.0.5 bar overtrykk i forhold til det omgivende vanntrykket og en elektrisk kobler (26) for tilkobling av generatoren (24) til kabel (4) for innføring av energi til land.

Figur 3 viser tre installasjonstrinn der en turbin (1) og kapsel (2) senkes fra overflaten og styres på plass ved hjelp av ledeliner (18) som går fra toppen av bærestrukturen og opp til et overflatefartøy (ikke vist). Etter at turbin (1) og kapsel (2) er landet på toppen av bærestrukturen låses kapsel til bærestrukturen mekanisk.

Til slutt låres kabelen ut slik at en dykker kan feste den i kabelgaten før resterende kabel legges på havbunnen og inn til land (ikke vist). Kabelen legges med en sløyfe ved foten av bærestrukturen slik at det er tilstrekkelig lengde til å heve kapselen (2) og turbinen (1) til overflaten ved senere reparasjoner eller vedlikehold.

Med tanke på turbinen som senere skal monteres på tårnrøret (3), bør tårn-røret (3) være installert i en gitt orientering i forhold til retningen på vann-strømmen.

Figur 4 viser installasjon av kabelrør og inntrekking av kabelen. Kabelrøret (10) er festet til tårnrøret (3) og kan gjøres hengslet som vist på figuren. Kabelen (11) til land kan installeres i dette røret enten ved at den trekkes inn i røret, som vist på figuren, eller ved at kabelrøret er delt og hengslet, og at kabelen dermed kan legges inn i kabelrøret. Kabelen vil normalt ha flere funksjoner integrert, slik som kraftledere, signallinjer og eventuelle hydrauliske/pneumatiske linjer. Når kabelen er ferdig installert i kabelrøret henges det av slik at koblingene mot nacellen er tilgjengelige i overkant av kabelrøret. Figur 5 viser hvordan ledewirene (14) som skal benyttes for å styre nacellen og turbinen på plass etableres. På hver side av tårnrøret (3) er det påmontert mottagere (12) som tedestolper (13) senkes ned i og låses (bare vist på en side av tårnrøret). Ledewirene (14), som går fra toppen av ledestolpene (13) strammes fra overflaten etter at ledestolpene (13) er låst i mottagerne (12). Figur 6 viser hvordan nacellen med turbin (2) ledes på plass for endelig installering på toppen av tårnrøret (3). På siden av nacellen (2) er det montert ledetunneler (16) som ledewirene (14) tres inn i på overflaten. Deretter senkes nacellen (2) ned slik at ledetunnelene (16) entrer inn på ledestolpene (13). Videre entrer et konisk rør (17) på undersiden av nacellen inn tårnrøret. Toppen av tårnrøret er utformet slik at det koniske røret får god støtte til å oppta bøyemomentene nacellen vil bli utsatt for. Det koniske røret (17) kan være utstyrt med en låseanordning som kan aktiveres mekanisk eller hydraulisk for å låse nacellen (2) til tårnrøret (3).

Selve nedsenkingen av nacellen fra overflaten til den er entret inn i bærekonstruksjonen må skje i forbindelse med skifte av strømretning hvor strøm-styrken er lav. Figur 7 viser nacellen som er landet på toppen av tårnrøret eller bærestrukturen. De to delene forbindes enten ved hjelp av en flens, eller ved hjelp av en låseanordning som beskrevet ovenfor i tilknytning til figur 6. Kabelen fra land, og som er installert inni kabelrøret (10) forbindes til nacellen ved hjelp av en kort kabel (4) fra nacellen (2) med passende koblinger. Alternativt kan kabelen kobles til nacellen på overflaten og senkes ned sammen. Til slutt frigjøres ledestolpene (13) og ved hjelp av ledewirene (14) trekkes de til overflaten. På dette tidspunktet er anlegget klart til å starte produksjon. Figur 8 og 9 viser hvordan den overfor beskrevne operasjonen kan utføres fra en lekter. Når nacellen og turbinbladene er sikret under lekteren kan modulen transporteres til land for reparasjon og/eller vedlikehold. Et alternativ til lekteren som vist er en helt vanlig lekter med to daviter ut over siden.

Claims (5)

1. Anordning for innstyring av en modul (2) på et fundament (3), for et på en havbunn plassert, undersjøisk anlegg for produksjon av energi fra strømmer i vannmasser, der fundamentet (3) er plassert på havbunnen og omfatter et område tilpasset for sammenføyning med modulen (2) og der modulen (2) er tilpasset for plassering på fundamentet (3) fra et overflatefartøy med minst en vinsj, karakterisert ved at anordningen omfatter: minst to mottagerelementer (12) med respektive låseanordninger, plassert ved fundamentets (3) sammenføyningsområde; ledestolper (13) tilpasset for å senkes ned i mottakerelementene (12) for å låses i disse med låseanordningene, hvilke mottagerelementer (12) omfatter inngrepsmidler som går i inngrep med ledestolpene (13) og låser disse til mottagerelementene (12); ledewire (14) forløpende mellom overflatefartøyet og ledestolpene (13); minst to ledetunneler (16) anbrakt på modulen (2) i en avstand tilpasset plasseringen av mottagerelementene (12), der ledetunnelene (16) videre er tilpasset for inntreing av ledewirene (14) og for entring inn på ledestolpene (13); et konisk rør (17) plassert på undersiden av modulen (2) for entring inn i fundamentet (3), der dette er utformet innbyrdes sammenpassende med det koniske røret (17); en innfestingsanordning for innfesting av modulen (2) til fundamentet (3); og en heisevire forløpende mellom modulen (2) og vinsjen påmontert overflate-fartøyet for heving og senking av modulen (2) mellom overflatefartøyet og fundamentet langs ledewirene (14).

2. Anordning i henhold tit krav 1, karakterisert ved at inngrepsmidlene automatisk går i inngrep med ledestolpene (13) og kan fjernstyres for løsgjøring ledestolpene (13) fra mottagerelementene (12).

3. Anordning i henhold til krav 1, karakterisert ved at heiseviren som forløper mellom modulen (2) og vinsjen kan løsgjøres fra modulen med en fjernstyrt løsgjøringsanordning.

4. Anordning i henhold til krav 1, karakterisert ved at innfestingsanordningen for innfesting av modulen (2) til fundamentet (3) omfatter fjernstyrte inngrepsmidler for fastgjøring og løsgjøring av modulen til fundamentet.

5. Fremgangsmåte for innstyring av minst en modul for et på en havbunn plassert fundament (3) for et undersjøisk anlegg for produksjon av energi fra strømmer i vannmasser med en anordning i henhold til krav 1, karakterisert ved : anbringelse av et fartøy som bærer modulen (2) over fundamentet (3); tre ledewirene (14) gjennom ledetunnelene (16) anbrakt på modulen (2); senke ledestolpene (13) med ledewirene (14) fra fartøyet ned til fundamentet (3); tre ledestolpene (13) inn i mottagerelementene (12) på fundamentet (3); låse ledestolpene (13) til mottagerelementene (12) med låseanordningene; stramme ledewirene (14) mellom fundamentet og fartøyet; heise modulen (2) ned langs ledewirene (14) med heisewiren; entre det koniske røret (17) inn i fundamentet (3); entre ledestolpene (13) inn i ledetunnelene (16); og fastgjøre modulen (2) til fundamentet med innfestingsanordningen.