NO324753B1 - Bolgekraftverk - Google Patents

Abstract

Bølgekraftverk som direkte omformer bølgeenergi til elektrisk energi eller til potensiell energi i et lukket væskekretsløp finnes i dag. Eksempler er Buldra utviklet av Fred Olsen og Hans Øigarden og en løsning utviklet av Seabased AB i Uppsala. Begge disse benytter bøyer for å ta opp bølgekraften. Bøyer (10) benyttes også i bølgekraft satellitten som det søkes patent på. Kraften fra bøyene benyttes i patentforslaget til å sette i gang en rotasjon av en aksel (13) utspent mellom en vannpumpe (11) og en elektromotor (12). Elektromotoren (12) fungerer både som generator og som motor for å posisjonere bøya (10) for den mest optimale utgangsposisjonen for neste innkommende bølge. Vannpumpa er tilknyttet et lukket kretsløp av vann hvor det står en ventil (23) og en generator (21) mellom høytrykksdelen og lavtrykksdelen av kretsløpet. Ventilen (23) styrer vannstrømmen og trykket i kretsløpet Trykket er avgjørende for hvor tungt bøya (10) arbeider i bølgene, og dermed hvor mye energi det er mulig å ta ut ved forskjellige bølgeforhold. Kraftverket roterer også om sin egen akse (2) for å posisjonere alle bøyene (10) på tvers av bølgeretningen. Dette gjør at hver enkelt bøye oppnår maksimalt energiuttak uansett bølgeretning.

Description

Beskrivelse bølgekraftverk

Anvendelse

Et bølgekraftverk skal brukes til å omforme energi fra bølger i havet til energi i en vannsøyle og elektrisk energi.

Teknologi

Eksisterende teknologi - Buldra

Denne teknologien er oppfunnet av Fred Olsen og Hans Øigarden. Det består av en plattform med bøyer mellom plattformbeina som følger bølgenes bevegelse. Et hydraulisk kretsløp settes i bevegelse og energien tas ut i en hydraulisk generator.

Bøyebevegelsene styres ved å variere bøyenes vekt. Dette gir begrensede muligheter for å fasestyre bøyenes bevegelser i forhold til bølgebevegelsene.

Den mekaniske energien akkumuleres heller ikke, slik at energiuttaket kan gjøres kontinuerlig. Stadige akselerasjoner og retardasjoner vil dermed redusere det mulige energiuttaket.

Referanse: [1]

Eksisterende teknologi, Seabased AB

Dette er en løsning utarbeidet av firmaet Seabased AB i Uppsala, Sverige. Denne løsningen omformer bølgeenergi direkte til elektrisk energi. Her benyttes en permanentmagnet rotor som lager elektrisk energi direkte når den beveger seg relativt til stator. Seabased benytter en mekanisk fjær for å trekke bøyen nedover for å møte neste bølge.

Her er det fjærstivheten til den mekaniske fjæra som bestemmer hvordan bøya beveger seg i bølgene. Den mekaniske fjære vil også redusere energiuttaket fra bølgene når den strekkes ut. Denne løsningen akkumulerer heller ikke mekanisk energi.

Det er også vanskeligere å tilpasse denne løsningen til flo og fjære.

Referanse: [2]

Patentforslag, bølgekraftverk teknologi

Denne løsningen bruker også bøyer for omforming av energi. Bøyene fasestyres i forhold til bølgenes bevegelser. Hivbevegelsen koples til en rotasjon av en aksel mellom en vannpumpe og en elektromotor. Elektromotoren går vekselvis som motor og generator, og dette styres av en datamaskin. Datamaskinen kan måle elektromotorens posisjon, hastighet og strømtrekk. Dermed kjenner den også bøyas posisjon og hvor mye energi som tas ut av bølgene.

Vannpumpa pumper vann på bøyas oppadgående bevegelse. Vannet går i et lukket kretsløp gjennom en tank med et høytrykkskammer og et lavtrykkskammer. Mellom kamrene står en generator og en ventil. Ventilen styrer vannmengden som går fra høytrykkskammeret til laytrykkskammeret gjennom generatoren. Ventilstyringen gjøres av en datamaskin som koordinerer ventilstyringen med datamaskinene som styrer bøyenes hivbevegelse.

Forbedringer

Forbedringen består i å innføre en datamaskinstyrt bøyeaktuator. Dette vil gi større muligheter for å kunne optimalisere energiuttaket ved forskjellige bølgeforhold. Motkraften i bøyene må varieres ved forskjellige bølgehøyder. Bøyenes bevegelse i forhold til hver enkelt innkommende bølge er også avgjørende for hvor mye energi som kan omformes fra bølgeenergi til akkumulert energi. Forsøk ved bølgelaboratorier viser at mer energi kan tas ut når bøyene fasestyres, sammenliknet med bøyer som bare følger bølgenes egne frekvenser (se referanse [3]).

Den direkte omformingen er også todelt. Bølgeenergien kan enten omformes direkte til trykkenergi i et vannkretsløp, eller til akkumulert elektrisk energi i et batteri. Hvilken energiform som det skal omformes til, kan også tilpasses forskjellige bølgeforhold og forskjellige operasjonsmoduser.

Ved at bølgekraftverket kan rotere fritt rundt sin egen akse, oppnås et større energiuttak av hver enkelt bøye. Dette gjør at mer energi kan tas ut per investert kapital.

Det er også en fordel at bølgekraftverket flyter selv og kan plasseres der hvor det er gode bølgeforhold og mulig å ankre opp. Det er bare bøyene og en mast med lys som stikker over havflaten. Dette gjør at kraftverket blir lite dominerende i omgivelsen sammenliknet med vindmøller og plattformer. Det at bølgekraftverket flyter selv, fjerner også problemet med tilpasning til flo og fjære.

Industriell anvendelse

Det er elektrisk energi som er bølgekraftverkets produkt. Bølgekraftverket kan dermed koples opp mot eksisterende kraftledningsnett.

Det vil også være mulig å kople flere bølgekraftverk sammen, og så opp mot en hydrogenfabrikk.

Bølgekraftverkene kan også være en alternativ energikilde til gassturbiner på oljeplattformer, eller annen form for generering av elektrisk energi med lav virkningsgrad.

Detaljert beskrivelse

Bølgekraftverket og kraftoverføring (Figur 1)

Bølgekraftverket forankres i havbunnen (1), men det roterer fritt rundt sin egen akse (2). Når bølgene endrer retning, vil dermed bølgekraftverket bli rotert slik at det alltid står på tvers av bølgeretningen.

Forbindelsen mellom bølgekraftverkets rotasjonsakse og ankerfestet, er i bunnen av tanken (3). Her er også en slepering (4) for overføring av elektrisk energi fra kraftverket.

Det går to armer ut fra tanken på hver side. På den nederste armen (5) monteres pumper, elektromotorer og vannrør. Gjennom den øverste armen (6) føres forbindelsen fra bøyene (10).

Bøyeaktuator og lukket kretsløp av vann (Figur 2)

Det går en line fra hver bøye (10) og ned til en aksel (13) som står mellom en pumpe (11) og en elektromotor (12). Når lina beveger seg opp og ned, vil akselen (13) rotere. Lina passerer en gjennomføring (14) i vannskorpa for at bøya ikke skal drive av med vind, strøm og bølger.

Elektromotoren (12) er koplet til akselen (13) gjennom et gir (15). Elektromotoren (12) kan drives gjennom en forsterker (18) eller gå som generator og drive strøm gjennom en likeretter (17).

Hvorvidt elektromotoren (12) benyttes som motor eller generator, bestemmes av motorkontrolleren (16). Bruksmodus bestemmes av målt rotorposisjon, rotorhastighet og statorstrøm i elektromotoren (12).

Den elektriske energien overføres til og fra et kondensatorbatteri (19). Batteriet er igjen koplet til et eksternt kraftnettverk (20).

Pumpa (11) har som hensikt å øke trykket i det lukkede kretsløpet av vann. Vannet pumpes inn i en tank med et høytrykkskammer og et lavtrykkskammer. Mellom kamrene står en generator (21) og en ventil (23). Ventilen styres av en ventilkontroller (24) og bestemmer vannmengden som skal føres gjennom generatoren (21).

Når generatoren (21) går, lages elektrisk energi som overføres til det eksterne kraftnettverket (20) gjennom en likeretter. Elektromotorene (12) overfører også elektrisk energi til kraftnettverket (20) gjennom sine likerettere (17) og kondensatorbatterier (19).

Ventilkontrolleren (24) og alle motorkontrollerne (16) er koplet til et eksternt lavspennings og datanettverk (22). Ventilkontrolleren (24) overfører elektrisk energi fra kraftnettverket (20) til lavspenningsnettverket (22).

Datanettverket (22) fordeler data om vannsøylehøyden fra nivåmåler i høytrykkskammer (25) og nivåmåler i lavtrykkskammer (26). Motorkontrollerne (16) sender også ut data om bevegelse og energiforbruk for hver enkelt elektromotor (12). Alle målingene benyttes som grunnlag for å styre ventilen (23).

Enveis pumpe (Figur 3)

Pumpa (11) i det lukkede kretsløpet av vann skal bare pumpe vann i en retning. Pumpa består av skovlhjul (33) som skyver vann fra et innsug (34) til et utløp (35). Ved utløpet er det en ventil (36) som mekanisk lukker for vannstrøm fra høytrykk mot lavtrykk og åpner for vannstrøm fra lavtrykk mot høytrykk.

På pumperotoren står også en ring med låsetagger (31). En knast (32) låser pumperotorens posisjon i forhold til akselen (13). Knasten (31) er fjærbelastet slik at knasten vil vippe ned når akselen (13) roterer medurs. Når akselen (13) roterer moturs, vil knasten låse akselen til ringen (32) og pumperotoren. Denne pumpeanordningen vil gjøre at bøyeaktuatoren far minst mulig motstand når bøya (10) dras nedover.

Claims (6)

1. Bølgekraftverk der bøyer (10) i vannoverflaten er tilkoplet hver sin bøyeaktuator (12) og eventuell vannpumpe (11) ved hjelp av kraftoverføringsliner og roterende aksler (13) karakterisert ved at: bøyeaktuatorene er elektromotorer (12) som vekselvis fungerer som generator og motor ved å overføre energi til og fra et batteri (19) ved at elektromotorene (12) eventuelt genererer elektrisk energi til batteriet (19) når bøyene (10) dras opp av eri bølge, og elektromotorene (12) drar bøyene (10) ned igjen ved hjelp av energi fira batteriet (19).

2. Bølgekraftverk i følge krav 1, karakterisert ved at: motorkontrollerne (16) måler bøyeposisjon i forhold til en innkommende bølge på grunnlag av målinger omfattende gruppen motorposisjon, målt strøm generert av elektromotoren og målt strømforbruk i elektromotoren.

3. Bølgekraftverk i følge krav 1-3, karakterisert ved at: motorkontrollerne (16) styrer elektromotorene (12) på grunnlag av målinger.

4. Bølgekraftverk i følge krav 1-4, karakterisert ved at: vannpumpene (11) pumper vann til og fra en vanntank med et lavtrykkskammer og et liøytrykkskammer hvor vannivåene og vanntrykk måles av sensorer (25,26) tilkoplet en ventHkontroller (24) som styrer vannstrømmen gjennom en generator (21) plassert mellom kamrene i vanntanken.

5. Bølgekraftverk i følge krav 1-5, karakterisert ved at: akslene (13) er friløpende i forhold til pumperotorene (31) når bøyene (10) dras nedover av elektromotorene (12), idet akslene (13) er låst til pumperotorene (31) når bøyene dras opp av en bølge.

6. Bølgekraftverk i følge krav 1-6, karakterisert ved at: bølgekraftverket kan rotere fritt rundt sin egen akse (2) slik at det stiller seg i hovedsak på tvers av bølgeretningen, for derved å bedre utnyttelse av hver enkelt bøye uansett bølgeretning.