NO322607B1 - Bolgeenergiomformer - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en konstruksjon for samling av bølger, med det formål å omforme bølgeenergi til elektrisk energi eller en annen lett utnyttbar form for energi (se f.eks. US-A-5 191 225).

Siden 1970-årene har det vært en økende bekymring om jordens begrensede ressurser av fossilt brensel, og om miljøforurensning som skriver seg fra forbrenning av slikt brensel. Dette har ført til betydelige anstrengelser for å utvikle nye og kostnadseffektive anordninger for oppnåelse av energi fra fornybare kilder. Spesielt har det vært stor interesse for hvordan man kan utvikle nyttig energi fra sol-, jordvarme-, vind- og bølgekilder. De to sistnevnte byr på den mulighet å generere elektrisitet ved hjelp av direkte omforming av den kinetiske energi i vind eller bølger til elektrisk energi.

Teoretisk utgjør bølger et enormt reservoar for energi som kan utnyttes. Den tilfeldige natur og fiendtligheten av det marine miljø byr imidlertid på vesentlige problemer for den praktiske realisering av en kostnadseffektiv energiomformer for omforming av bølger til elektrisitet.

Selv om dypt vann byr på de største innfallende effektstrømmer, har man innsett at massen, stivheten og det kompliserte ingeniørarbeid som er nødvendig for å sette utrustningen i stand til å overleve i dette miljø, gjør den uøkonomisk. En annen grunn er at dypvannskonstruksjoner må flyte, og dette reduserer omformingseffektiviteten.

Det er kjent at en dybde på ca. 10 favner (18,3 m) er omtrent optimalt. Selv om innfallende effektstrømmer minsker med avtakende dybde, avtar også konstruksjons-, installasjons- og driftskostnader.

Søkerne har tidligere innlevert internasjonal patentsøknad nr. PCT/GB92/- 00711 som ble publisert som WO 92/18704. Denne beskriver en rekke forskjellige konfigurasjoner av dypvanns-bølgesamlere/generatorer.

Et annet forslag til en samlerkonstruksjon er vist på fig. 1 på de ledsagende tegninger. Denne konstruksjon 1 omfatter en kollektor eller samler 3 omfattende en bunn 5, en bakvegg 7, en toppvegg 9 og en flens 11 som rager vertikalt nedover fra toppveggen 9. Den nedre kant 13 av flensen 11 rager under nivået 15 av de innfallende bølger 17.

I den konstruksjon som er vist på flg. 1, avgrenser rommet under den nedre kant 13 av flensen 11 en munning 19 gjennom hvilken vannet kommer inn. Rommet 21 over bølgene 17, inne i samleren 3, er forlenget ved hjelp av en skorstein eller kanal 23 som under påvirkning av bølgevirkningen oppfører seg som en luftsøyle med oscillerende trykk for å drive en selv-likerettende turbin 25 som er koplet til en elektrisk generator 27. Turbinen 25 og generatoren 27 er beliggende i den øvre del 29 av kanalen 23, like under et luftutløp 31.

Samleren 3 omfatter også sidevegger 33 etc. (som vist på fig. 1) som er parallelle med papirplanet, men henholdsvis over og under papirplanet. Sideveggene strekker seg til et punkt 35 foran flensen 11 og opp til nivået 35 for samlerens øvre overflate 9. Dette har vist seg å gi bedre effektivitet ved omforming av bølgekraft til elektrisk energi. Et annet kjent arrangement er vist på fig. 2 på tegningene, med en konstruksjon 41 som har en øseliknende samler 43 med en flat øvre vegg 45 og en vertikalt nedhengende leppe eller flens 47, stort sett tilsvarende konstruksjonen med nedhengende flens vist på fig. 1, bortsett fra at samlerens 43 form der mer er som en C, men med en utflatet topp.

Selv om alle disse kjente forslag representerer vesentlige fremskritt i utvik-lingen av en praktisk omformer fra bølgeenergi til elektrisk energi, er det i praksis meget vanskelig å konstruere en bølgesamlerkonstruksjon som er effektiv ved denne type energiomvandling, som har tilstrekkelig oppdrift og stabilitet til å kunne fløtes til offshorestedet, og som likevel kan forankres på sikker måte til havbunnen på en slik måte at den kan motstå så ekstreme bølger som dem som kanskje forekommer én gang på 50 år.

Det er på denne bakgrunn og i og med oppfinnelsen uttenkt en ny konstruksjon som møter disse strenge kriterier og har en rekke særtrekk av oppfinneriske karakter, og således foreslås, slik det fremgår av patentkrav 1, en bølgesamlerkonstruksjon for en elektrisk kraftgenerator som drives av bølgeenergi, omfattende en eller flere rørformede samlerkamre, hvert med sin utover/nedoverragende flens på oversiden av en samlerkammermunning, hvor samlerkammeret videre omfatter en nedre kant og to sidevegger for kanalisering av bølger inn i samlerkammeret, idet sideveggene strekker seg fremover mot munningen i hovedsaken opp til eller forbi flensen, for delvis å inneslutte et vannvolum mellom denne, sideveggene og den nedre kant, kjennetegnet ved at samlerkammeret omfatter en bunnplate som avgrenser den nedre kant av munningen og er skråstilt i forhold til samlerkammerets sentrale lengdeakse for dermed å redusere dettes tverrsnittsareal i retning mot munningen.

I denne konstruksjonstype avgrenser således de to sidevegger det delvis innesluttede vannvolum i én retning, mens flensen på effektiv måte avgrenser den bakre og nedre utstrekning av dette volum, hvilket har vist seg å øke omformingseffektiviteten, sammenliknet med den tilsvarende kjente konstruksjon med en vertikalt nedhengende flens, som vist på fig. 1 eller 2.

Flensen kan anta en rekke konfigurasjoner, for eksempel i hovedsaken flat (men hellende) eller buet, fortrinnsvis med en konveks krumning sett utenfra.

I en foretrukket utførelse danner sideveggene på bølgesamleren en flanke på hver side av munningen og kan være dannet i ett med dennes ytterkanter, noe som også bidrar til å øke oppsamlingseffektiviteten.

Samleren kan ha flere rørformede samlerkamre, hvert med en utover/nedoverrettet flensdel på oversiden av en munningsdel. Kamrene kan ha rektangulært, kvadratisk eller sirkulært tverrsnitt, idet munningsdelene er rektangulære, kvadratiske eller C-formede, og en slik kammerprofil er forskjellig fra profilen til det kjente arrangement vist på fig. 1 og 2, ved at dens leppedeler strekker seg fremover/nedover i stedet for å danne en vertikalt nedoverrettet flens, hvorved man far en ytterligere fordel i ytelse fremfor de tidligere løsninger. I praksis vil samleren også her være flankert av to sidevegger, og som i den forrige utførelse strekker sideveggene seg fortrinnsvis forbi flensen som er dannet av den øvre overflate av samlerkamrene, for delvis å inneslutte et vannvolum mellom flensen og sideveggene.

Et andre særtrekk ved oppfinnelsen gjelder beliggenheten av samleren, idet konstruksjonen har et innløp for inntrenging av bølger og en ventilanordning for tetning av dette for å la konstruksjonen ha oppdrift nok til å kunne fløtes. På et ønsket sted åpnes så ventilanordningen for slippe inn vann så konstruksjonen synker. Mekanismen kan være i form av en portanordning for frigjørbar forsegling av samlerkammermunningen.

Konstruksjonen/samleren ifølge oppfinnelsen kan være forankret ved hjelp av en langstrakt del som strekker seg ned i sjøbunnen fra en nedre del av denne.

Ved bruk forårsaker oscillasjoner av vannoverflaten inne i samleren tilsvarende trykkendringer i luften over overflaten, innesperret i den øvre del av samleren. Disse trykkendringer kan kanaliseres til en rotor som driver en generator for elektrisitet, dvs. en dynamo for likestrøm eller en vekselstrømsgenerator. De kan også benyttes til å overføre effekt til lands i hydraulisk form. Selve oppfinnelsen omfatter imidlertid bare samleren eller samlerkonstruksjonen som sådan.

En slik rotor som er omtalt ovenfor, er fortrinnsvis en selvlikerettende turbin. Dette betyr en rotor som roterer i samme retning uansett i hvilken retning luften faller inn på denne. Mer foretrukket er rotoren en nullinnfalls-selvlikerettende turbin.

Én form for selvlikerettende turbin er den såkalte Darius-rotor. I alt vesentlig omfatter Darius-rotoren et antall flyvingeformede blad, fortrinnsvis med symmetrisk tverrsnitt, som strekker seg i lengderetningen mellom en øvre og en nedre understøttelse, slik at de danner et pseudosfærisk bur.

En annen type selvlikerettende turbin er beskrevet i britisk patentskrift GB 1 595 700. For en slik turbin er én rotor tilveiebrakt for hver generator og er beliggende i samlerhuset for direkte omforing av bølgeenergi.

Ved bruk er en konstruksjon ifølge de første eller andre sider ved oppfinnelsen forankret til havbunnen ved hjelp av ballast innenfor side/endeveggene. Hvilke som helst side- eller endevegger eller hvilken som helst øseformet samler kan være dannet av et antall rørliknende deler. Ballasten kan omfatte sedimenter som pumpes fra havbunnen. Alternativt benyttes betong. Dette har den ytterligere fordel med styrke som den bibringer når den er bundet til stålet i konstruksjonen.

Sedimentene som omgir eller delvis innleirer konstruksjonen, kan også benyttes for forankring ved at de behandles, f.eks. kjemisk, for i det minste delvis å stabilisere disse.

Bare et øvre område, f.eks. den øvre overflate, av slike sedimenter kan behandles, eller de kan behandles i det vesentlige gjennom det hele.

Sedimentet kan pumpes inn i sideveggene og gjennomtrenges med kalkvann og karbondioksid, slik at det stabiliseres. Kalkvann og karbondioksid utgjør en særlig foretrukket behandling for hvilken som helst anvendelse.

Andre spesielle former for kjemisk behandling er også mulige. Sedimentet kan for eksempel gjennomtrenges med natriumsilikat og saltsyre som reagerer kjemisk for å danne en silikatgel. Den sistenevnte i kombinasjon med sedimentet danner da effektivt en stabil basis. Det er også mulig å gjennomtrenge sedimentene med en olje, så som restolje, for å oppnå den samme virkning. En annen behandling er å gjennomtrenge sedimentene med portlandsementvelling.

Det endelige valg av materiale eller materialer for denne kjemiske eller annen behandling vil i siste instans avhenge av logistikken for forsyning og plassering, så vel som kostnader og miljøhensyn.

Andre supplerende forankringsmidler omfatter plassering av pukk rundt utsiden av konstruksjonen når den er forankret på plass, injisering, eller tilveiebringelse av skjørt og/eller slammatter som rager ut fra konstruksjonen.

Det indre referansenivå som definerer et midlere vannivå i den øvre del av samleren, er fortrinnsvis slik at forholdet mellom vanninnløpsarealet ved samlermunningen og det indre tverrsnittsareal av samleren ved det indre referansenivå er mindre enn 0,7.

Forholdet er fortrinnsvis mindre enn 0,6, spesielt mindre enn 0,5, men fortrinnsvis større enn 0,4.

Det er også mulig at konstruksjonen kan være forsynt med en ytterligere rotor som er beregnet for å drives av vindkraft, og som fortrinnsvis er anbrakt ved eller nær toppen av konstruksjonen. Den vinddrevne rotor er anordnet for å tilveiebringe en hjelpeeffektgenerator.

En foretrukket utførelse av oppfinnelsen skal nå beskrives nærmere, og det vise til tegningene, der: Fig. 1 og 2 viser tverrsnitt gjennom en første hhv. andre kjent type bølge-samleikonstruksjon, fig. 3 viser i perspektiv en bølgesamlerkonstruksjon ifølge oppfinnelsen, fig. 4 viser et perspektivriss av en første utførelse av en slik konstruksjon ifølge oppfinnelsen, fig. 5 viser et sideriss av konstruksjonen på fig. 4, fig. 6 viser et perspektivriss av en annen utførelse av en bølgesamlerkonstruksjon ifølge oppfinnelsen, og fig. 7 viser et sideriss av konstruksjonen på fig. 6. Fig. 3 viser således en bølgesamlerkonstruksjon 51 ifølge oppfinnelsen, med en bølgekollektor eller -samler 53 som omfatter et første og et andre samlerkammer 55,57, idet det første av dem har en første rørformet seksjon 59 som strekker seg oppover i en vinkel på ca. 45° med horisontalen fra en første åpen munningsdel 61 hvor den berører sjø- eller havbunnen 63. Det andre samlerkarnmer 57 har også en første rørformet seksjon 65 som strekker seg oppover i en vinkel på ca. 45° med horisontalen fra en andre åpen munningsdel 67 hvor den berører havbunnen 63 (idet de to åpne munningsdeler 61,67 til sammen utgjør en samlermunning).

Den øvre ende 69 av den første rørformede seksjon 65 av det andre samlerkarnmer 57 støter opp til en andre rørformet seksjon 71 som strekker seg nedover til havbunnen 63 i en vinkel på ca. 45° med horisontalen. Den øvre ende 72 av den første rørformede seksjon 59 av det første samlerkarnmer 55 støter opp til en andre rørformet seksjon av det første samlerkarnmer 55, men denne andre rørformede seksjon er ikke synlig i perspektivrisset på fig. 3. Den ligger imidlertid parallelt med den andre rørformede seksjon 71 av det andre samlerkarnmer 57.

Samlerkamre 55, 57 er sammenkoplet innvendig, i området for sine øverste deler hvor deres respektive første og andre rørformede seksjoner er sammenføyd.

Bølgeinnfangingsarealet til de åpne munninger 61,67 av samlerkamrene 55, 57 er avgrenset av en første sidevegg 75 på yttersiden 77 av den første rørformede seksjon 59 av det første samlerkarnmer, og en andre sidevegg 79 på yttersiden 81 av den første rørformede seksjon 65 av det andre samlerkarnmer 57.

Sideveggene 75,79 strekker seg fremover (dvs. mot munningene 61,67) fra et punkt 83 hhv. 85 omtrent midtveis langs lengden av den første rørformede seksjon 59, 65. Hver sidevegg ender i sin respektive, horisontale øvre kant 87, 89 og sin respektive vertikale, fremre kant 91, 93, hvilke kanter 91, 93 støter opp til de respektive kanter 95, 97 av de åpne munninger 61, 67. Ved hver fremre kant er det anordnet en rørformet forsterkningsstøtte 99, 101. En tredje rørformet forsterkningsstøtte 103 er anordnet mellom kantene 95, 97 av de åpne munninger 61, 67. Hver av disse rørformede forsterkningsstøtter 99,101,103 kan romme en forankringsbolt som rager ned i havbunnen 63.

Ved bruk er således et vannvolum delvis avgrenset av de nederste (flens)områder 105,107 av de øvre overflater 109,111 av de første rørformede seksjoner 59, 65 og sideveggene 75, 79. Sideveggene 75, 79 medregnet deres respektive støtter 99, 101 strekker seg horisontalt fremover (dvs. i retning bort fra de øvre ender 69, 72 av de første seksjoner 59,65 ved begge samlerkamre) frem til samlermunningsdelene 61,67.

Ved toppen 113 av samlerkonstruksjonen (hvor de første og andre rørformede seksjoner møtes) er det montert en inspeksjonsplattform 115. Et tårn 117 rager opp fra sentrum av plattformen 115, og en vinddrevet rotor 116 er montert for supplerende generering av elektrisitet. Hovedrotor/generatorutrustningen er imidlertid montert i respektive hule tårn 119,121 som står i forbindelse med de hule indre av de respektive første og andre samlerkamre 55, 57. Disse tårn er beliggende på hver sin side av tårnet 117 for den vinddrevne rotor og rager opp fra plattformen 115.

En bestemt utførelse av oppfinnelsen er vist på fig. 4 og 5. Den nar en bølgesamlerkonstruksjon 251 med en bølgesamler 253 som likner på den som er vist på fig. 3 og omfatter et første og et andre samlerkarnmer 255, 257, idet det første av dem har en første rørformet seksjon 259 med kvadratisk tverrsnitt som strekker seg oppover i en vinkel med horisontalen fra en første åpen munningsdel 261 hvor den berører havbunnen 63. Det andre samlerkarnmer 257 har også en første rørformet seksjon 265 med kvadratisk tverrsnitt som strekker seg oppover i en vinkel med horisontalen fira en andre åpen munningsdel 267 hvor den berører havbunnen 63 (idet de to åpne munningsdeler 261, 267 til sammen utgjør en samlermunning). De rørformede seksjoner strekker seg i en vinkel med horisontalen, slik at forholdet mellom innløpsarealet ved samlermunningen og det indre tverrsnittsareal av samlerkamrene fortrinnsvis ligger mellom 0,4 og 0,5, idet dette oppnås ved en vinkel med horisontalen på mellom 30° og 60°. De første seksjoner 259,265 er innbyrdes parallelle.

Munningsdelene 261,267 er stort sett kvadratiske, men med avrundede hjørner som danner en svakt buet overflate.

De første rørformede seksjoner 259, 265 av de første og andre samlerkamre 255, 257 er understøttet av andre rørformede seksjoner som strekker seg nedover til havbunnen 63 i en liknende vinkel med horisontalen som de oppoverrettede første rørformede seksjoner 259, 265, fra et respektivt punkt omtrent midtveis langs lengden av den nedre kant 272 av de første rørformede seksjoner 259, 265. Den andre seksjon av det første samlerkarnmer 255 er ikke synlig i perspektivrisset på fig. 4. Den Ugger imidlertid parallelt med den andre seksjon 271 av det andre samlerkarnmer 257.

Samlerkamrene 255, 257 kan være sammenkoplet innvendig, i området for deres øverste deler. For å øke kumulativ effektytelse under asymmetriske bølgeinnstrøm-ningsforhold, er samlerkamrene imidlertid ikke sammenkoplet.

De åpne munninger 261,267 har et bølgeinnfangingsareal som avgrenses av en første sidevegg 275 på yttersiden 277 av den første seksjon 259, og en andre sidevegg 279 på yttersiden 281 av den første seksjon 265 av det andre samlerkarnmer 257.

Sideveggene 275, 279 strekker seg fremover (dvs. i retning mot munningene 261, 267) fra et punkt 283, 285 omtrent midtveis langs lengden av de første seksjoner 259, 265. Hver sidevegg ender i en horisontal øvre kant 287, 289 og en fremre kant 293. De fremre kanter 291,293 støter opp til respektive ytterkanter 292,294 av munningene.

Plater 299 er anordnet ved de nederste deler 301, 303 av de første og andre seksjoner for forankring av konstruksjonen til havbunnen 63. Dette oppnås ved å bruke stålstenger som er innstøpt i den underliggende havbunnsbergart i vertikale hull boret ned i fjellet og fylt med injeksjonsmørtel.

Ved bruk innesluttes således et vannvolum delvis av de nederste (flens)-områder 305,307 av de øvre overflater 309,311 av de første seksjoner 259,265 og sideveggene 275,279.

Toppen 313 av samlerkonstruksjonen er utflatet, og på samme måte som i konstruksjonen vist på fig. 3, kan det på denne være montert en inspeksjonsplattform (ikke vist på fig. 4 og 5). Et tårn 317 strekker seg oppover fra området mellom de første rørformede seksjoner 259, 265 i nærheten av toppen 313. En vinddrevet rotor (ikke vist) er montert for supplerende generering av elektrisitet. Hovedrotor/generatorutrustningen er imidlertid montert i respektive hule tårn 319,321 som står i forbindelse med de hule indre av de respektive første og andre samlerkamre 255, 257. Disse tårn er anordnet parvis og er beliggende på hver sin side av tårnet 317 for den vinddrevne rotor og rager oppover fra den utflatede topp 313.

En andre utførelse av oppfinnelsen er vist på fig. 6 og 7. Bølgesamler-konstruksjonen 451 ifølge denne utførelse likner på den som er vist på fig. 4 og 5, bortsett fra at de første og andre seksjoner er sylindriske med stort sett C-formede, åpne munningsdeler 461, 467. Sideveggene 475, 479 strekker seg fremover slik at de fremre kanter 491,493 rager ned og støter opp til de nederste deler 492,494 av kantene 495,497 av munningsdelene 461,467.

For å kunne utplassere de beskrevne utførelser av oppfinnelsens konstruksjon kan munningsdelene lukkes av porter (ikke vist), i den hensikt å kunne forflytte den fullstendige konstruksjon ved fløting til et ønsket sted, hvoretter styreventiler åpnes for å slippe inn vann og luft ut, slik at konstruksjonen synker ned til havbunnen for forankring. Så snart vanninnstrømningen er fullført og trykket er utjevnet over portene, skilles disse ifra for å avdekke munningsdelene.

Claims (1)

1. Bølgesamlerkonstruksjon for en elektrisk kraftgenerator (53, 253) som drives av bølgeenergi, omfattende en eller flere rørformede samlerkamre (255, 257), hvert med sin utover/nedoverragende flens (305, 307) på oversiden av en samlerkammermunning (261, 267), hvor samlerkammeret videre omfatter en nedre kant og to sidevegger (275, 279) for kanalisering av bølger inn i samlerkammeret, idet sideveggene strekker seg fremover mot munningen (261, 267) i hovedsaken opp til eller forbi flensen, for delvis å inneslutte et vannvolum mellom denne, sideveggene og den nedre kant, karakterisert ved at samlerkammeret (255, 257) omfatter en bunnplate (299) som avgrenser den nedre kant av munningen (261, 267) og er skråstilt i forhold til samlerkammerets sentrale lengdeakse for dermed å redusere dettes tverrsnittsareal i retning mot munningen.

2. Konstruksjon ifølge krav 1, karakterisert ved at flensen (305, 307) er i hovedsaken flat.

3. Konstruksjon ifølge krav 1, karakterisert ved at flensen er i hovedsaken buet

4. Konstruksjon ifølge krav 1-3, karakterisert ved at samlerkamrene har rektangulært tverrsnitt.

5. Konstruksjon ifølge krav 1-2, karakterisert ved at samlerkamrene er stort sett sylindriske.

6. Konstruksjon ifølge krav 1-5, karakterisert ved å omfatte en langstrakt forankringsdel som strekker seg nedover fra den, for nedgraving i havbunnen.

7. Konstruksjon ifølge krav 1-6, karakterisert ved at i det minste en del av den er dannet av rørliknende deler for forsterkende støtte.

8. Konstruksjon ifølge krav 1-7, karakterisert ved å være innrettet for forankring til havbunnen ved hjelp av ballast eller betong innenfor sideveggene.

9. Konstruksjon ifølge ett av kravene 1-8, karakterisert ved å omfatte en elektrisk generator som er innrettet til å drives av energi som er avledet fra innfallende bølgebevegelse.

10. Konstruksjon ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved å omfatte en vinddrevet rotor for drift av en elektrisk hjelpeeffektgenerator.

11. Konstruksjon ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved en ventilanordning for tetning av kamrene for å hindre vanninntrengning og gjøre konstruksjonen egnet til å fløtes til en ønsket beliggenhet, og for åpning for å slippe inn vann og la konstruksjonen synke.

16. Konstruksjon ifølge ett av kravene 1-11, karakterisert ved en portanordning for forsegling av samlerkamrenes munning og deretter fjerning så snart konstruksjonen er neddykket.