NO325878B1 - Anordning ved bolgekraftverk - Google Patents

Abstract

Oppfinnelsen angår et bølgekraftverk hvor en flytende bøye (1) sørger for energiabsorpsjon fra bølgene. Bøyen er forankret med wire (4) som ruller inn på en selvstrammende vinsj (2). Når bølgebevegelsene løfter bøyen, tvinges vinsjtrommelen (3) til å5 rotere. Denne roterende kraftbevegelsen kanaliseres inn i et omstruktureringsmaskineri hvor den omformes til mekanisk lagret energi. Oppfinnelsen omfatter en slurekobling mellom vinsjtrommel og omstruktureringsmaskineri som beskytter kraftverket og komponentene i omstruktureringsmaskineriet mot ekstrembelastninger i stormepisoder. Slurekoblingen setter en terskel for hvor stor effekt kraftverket maksimalt kan absorbere fra bølgene. Ett prinsipp for å besørge dette går ut på å la slurekoblingen slure dersom den overførte vinkelhastigheten fra vinsjen blir for stor. En annen mulighet er at slurekoblingen bestemmer maksimalt tillatt overført torsjonsmoment. Dersom effektmengden som kan absorberes fra en gitt bølge, er større enn terskelverdien bestemt av slurekoblingen, vil den overskytende energien bli værende igjen i bølgen, ved at slurekoblingen slurer slik at wiren dras ut uten å yte økt motstand, og bøyen simpelthen driver med bølgen til denne har passert. I tillegg til nevnte slurekobling er det i én utførelse av oppfinnelsen i wireoverføringen mellom bøyen (1) og vinsjen (2) lagt inn en sjokkabsorberende fjær (20) som kompenserer for uønsket treghet i systemet ved oppstart, og som dermed virker til å beskytte wiren og det øvrige systemet mot for kraftige rykk

Description

Det er i patentlitteraturen beskrevet over 1000 innretninger for utnyttelse av havbølge-energi. Tidligere har man ikke vært oppmerksom på at en vellykket kommersiell utnyttelse av energi fra havbølger fordrer at anleggene har en (eller flere) iboende eller til-hørende mekanisme(r) som beskytter mot overlast. Men blant utviklere av nyere bølgekraftsystemer er det etterhvert flere aktører som har begynt å ta hensyn til dette nødvendige anliggendet: Anleggene må på en eller annen måte omfatte en strategi for å takle møtet med de mest ekstreme bølgene. Den tradisjonelle måten å møte dette problemet på har vært å dimensjonere anleggene og komponentene i dem svært kraftig. Det har vist seg vanskelig, og i den grad det har lyktes, har det gitt ulønnsomme bølgekratfanlegg. Av nyere bølgekraftteknologier som inkluderer mekanismer for overlastbeskyttelse kan nevnes: Pelamis fra det skotske selskapet Ocean Power Delivery ltd.

(www.oceanpd.com), danske Wave Dragon (www.wavedragon.dk) og US 5808368. Felles for overlastbeskyttelsesmekanismene hos disse er at de er basert på registrering av sjøtilstand forut for iverksettelse av overlastbeskyttelsestiltak, hvilket må styres manuelt eller ved hjelp av datateknologi, og at overlastbeskyttelsestiltaket kan beskrives som en parallell til det skilpadder gjør når de trekker hodet inn i skallet. Disse «skilpaddestrategiene» går ut på at anleggets energiproduserende deler stives av, trekkes sammen eller dukkes ned under vann, slik at de ikke lenger (eller i mindre grad) eksponeres for bølgekreftene. Samtidig stanses energiproduksjonen, eller energiproduksjonen reduseres kraftig.

I motsetning til dette har den her beskrevne bølgekraftverkstypen en umiddelbart virkende overlastbeskyttelsesmekanisme basert på enkle mekaniske prinsipper, som ikke forutsetter manuell kontroll eller datastyring, og som ikke setter anlegget midlertidig ut av drift. Overlastbeskyttelsesmekanismen gjør anleggstypen robust, og muliggjør dermed at anleggene kan utformes for større grad av direkte vekselvirkning med bølgene (sammenlignet med f.eks. Pelamis). Dette gir forbedret virkningsgrad.

Kjent teknologi som oppfinnelsen bygger på

Oppfinnelsen bygger på tre elementer:

1. bølgekraftverk med flytelegeme(r) som absorberer bølgeenergi

2. vinsj karakterisert ved at enden av vinsjwiren er festet fast på vinsjtrommelen slik at wiren kan spoles ut og inn, uten at det er noen motsvarende wireende som må spoles tilsvarende inn og ut 3. overlastbeskyttende slurekobling som slurer når effekten som forsøkes kanalisert inn i systemet, kommer opp på det maksimale nivå som komponentene i systemet er dimensjonert for å tåle

Hver for seg eller bare to og to sammen, er elementene ikke tilstrekkelige for å løse det problem som den her beskrevne oppfinnelsen adresserer: Å utnytte energi fra havbølger med tilstrekkelig rimelig dimensjonering av anleggene uten at anleggene og komponentene i dem ødelegges av ekstreme bølger. Alle de tre komponentene må være til stede for at det skal kunne gi lønnsom utnyttelse av bølgekraft. En slik kombinasjon vil gi en betydelig kostnadsreduksjon for anleggene, en kostnadsreduksjon så stor at det sannsynligvis vil innebære et teknisk-kommersielt gjennombrudd for bølgekraft som energiforsyning.

I fortsettelsen omtales noen kjente tekniske løsninger hvor noen av de ovenfor nevnte elementene er representert.

Vinsj drevne bølgekraftverk

Det finnes en rekke bølgekratfsystemer hvor oppsamling (absorpsjon) av bølgeenergi skjer med flytelegemer og hvor overføring av denne energien besørges av wire festet til og innspolet på vinsj. Se. f.eks. US 2005/ 0121915 og GR 990100030. Men disse mangler den overlastbeskyttende slurekoblingen, eller tilsvarende, som er nødvendig for at anleggene, uten å måtte dimensjoneres så kraftig at de blir ulønnsomme, skal kunne overleve møtet med de mest ekstreme bølgene i de verste stormepisodene.

Slurekobling

Den overlastbeskyttende slurekoblingen, er en sentral komponent i oppfinnelsen. I prinsippet kan en slik slurekobling konstrueres på to måter: Slurekobling type I: ved at koblingen slurer ved overskridelse av en bestemt vinkelhastighet for koblingens rotasjons vedkommende.

Slurekobling type II: ved at koblingen slurer ved overskridelse av et bestemt torsjonsmoment.

Da overført effekt er lik produktet av overført vinkelhastighet og torsjonsmoment, vil begge disse koblingstypene hver for seg virke slik at de setter en terskel for hvor stor effekt som maksimalt kan overføres — forutsatt at maskineriet som effekten overføres til, er av en sånn triviell karakter at torsjonsmoment og vinkelhastighet er funksjoner av hverandre, slik at torsjonsmomentet er konstant ved konstant omdreiningshastighet.

Slurekobling (type I) for terskelsetting av omdreiningshastighet

To lignende varianter av slurekoblingstypen hvor sluringen er bestemt av vinkelhastigheten, er avbildet på Figur 2 og Figur 7.1 prinsippet er en slik slurekobling en negativ tilbakekoblingsmekanisme satt sammen av et speedometer og en clutch. Den har en funksjon som er nært beslektet med funksjonen til sentrifugalregulatoren i James Watts originale dampmaskin, hvor rotasjonshastighet over en viss forhåndskalibrert verdi førte til at damptrykket fra fyrkjelen ble ledet en annen vei ut, slik at de roterende delene (stempel, veivaksel, svinghjul osv.) i dampmaskinen ble beskyttet mot overlast i form av for høy hastighet.

Det finnes komponenter på markedet, nemlig en type kamclutcher, som blant annet har den egenskapen at de kobler ut ved for høy omdreiningshastighet. Ved lav hastighet sørger et fjærsystem for å holde koblingen fast. Utkobling er bestemt av sentri-fugalkraften på kammene som ved høy omdreiningshastighet overvinner fjærkraften. Tsubakimoto Chain Co. er en leverandør av slike kamclutcher, serietypebetegnelse: BREU. Se http://tsubakimoto.com og http://tsubakimoto.com/tem/pdf/CAM_BREU.pdf

Vinsj med slurekobling (type II)

for terskelsetting av torsjonsmoment

Det å koble en vinsj til et overføringssystem som inneholder en slurekobling som slurer når det overførte torsjonsmomentet fra innakslingen overskrider en på forhånd bestemt verdi, er anvendt teknologi i sportsfiskestenger. En vanlig sportsfiskestangsnelle har nettopp denne funksjonaliteten innebygd i seg: at den slurer hvis det rykker for hardt i snøret. (En sportsfiskestangsnelle er i prinsippet å regne for en vinsj). Det er imidlertid ikke kjent en kobling som slurer når det overførte torsjonsmomentet overskrider en bestemt terskelverdi, brukt eller foreslått brukt i et vinsjdrevet bølgekraftverk hvor vinsjen har wiren spolet inn på og festet fast til seg.

Bølgekraftverk med slurekobling (type II)

for terskelsetting av torsjonsmoment

Ideen å lage et bølgekraftverk inneholdende en slurekobling som slurer når torsjonsmomentet overskrider en bestemt terskelverdi, er nevnt i en tysk patentsøknad fra 1978: DE 2850293. Bølgekraftanlegget beskrevet i den tyske patentsøknaden er ikke vinsjdrevet, men drives av en wire som løper én enkelt gang over en trinse, uten at wiren er festet til trinsen, og uten at wiren kan sies å være spolt inn på trinsen, slik tilfellet er med en vinsj. Det ligger en vesentlig forskjell i dette. Denne vesentlige forskjellen går ut på at en wire som løper løst over en trinse, i motsetning til en vinsj fastfestet wire, er avhengig av en motvekt i motsatte wireende for at wiren skal holdes på plass over trinsen. Det innebærer også at wiren spoles inn i motsatt wireende når wireenden som er koblet til bølgeabsorpsjonslegemet, spoles ut, og omvendt. Dermed blir systemets fysiske utstrekning nødvendigvis betydelig større, i minst én dimensjon. Enten wiren henger løst dinglende med en motvekt i enden, eller wiren og motvekten er innebygget i en sylinderhylse som i DE 2850293, vil systemet ha en lang, utstikkende bevegelig del som eksponeres for vind og bølger, og som dermed gjør systemet mer sårbart. Følgelig blir det dyrere å dimensjonere for at det skal tåle møtet med naturkreftene. Med en wire som er festet fast på og spolt inn på en vinsjtrommel derimot, muliggjøres et mye mer kompakt design til lavere kostnad, hvor systemet er bedre beskyttet mot vind og bølger.

Andre frikoblingsmekanismer brukt i bølgekraftsammenheng

Et patentskriv, WO 96/ 30646, beskriver et bølgekraftverk med to flottører [22 og 32] som beveges av bølgene og som overfører denne bevegelsen via wirer [17 og 36] til hver sin trommel [16 / 28]. Ut fra hver av tromlene går to wireender med hver sin motvekt, et dinglende lodd [20 / 34]. Arrangementet er slik at loddene med nødvendig-het heises opp når flottøren drar ut sitt par med wireender, og omvendt: at loddet senkes og drar med seg wireparet tilbake når kreftene som fikk flottøren til å dra ut wireparet i motsatt ende, blir mindre enn vekten av loddene. Med en slik anordning er det umulig å spole all wire inn på trommelen, i motsetning til med vinsjen beskrevet under patentkrav 1 i herværende patentsøknad. Summen av lengdene av wirestykkene som er festet til loddet [20 / 34] og wirestykkene som ender i flottøren [22 / 32], er konstant. I likhet med hva angår DE 2850293, kan det dermed slås fast at et slikt arrangement ikke fører til den kompakte løsningen som man oppnår med en vinsj hvor ene enden av wiren er festet i vinsj trommelen (jfr. patentkrav 1), og som er nødvendig for at et bølge-kraftverk uten urimelig store dimensjoneringskostnader skal kunne overleve møtet med havbølgenes til tider ekstreme krefter i storm- og orkanepisoder. Arrangementet i WO 96/30646 er ikke noe sted omtalt som vinsj. Det er sakssvarende å beskrive det som et ankerspill med dinglende lodd i motsatt wireende, på samme måte som DE 2850293.

WO 96/ 30646 nevner «slip clutches or other mechanical means» som en mulig anordning mellom trommelaksling [12] og vekselstrømsgenerator [54]. Disse «slip clutches» er ikke nærmere beskrevet eller redegjort for, verken deres utforming eller anordning. Kun formålet er omtalt. Og det er et helt annet formål enn overlastbeskyttelse, nemlig: å bidra til å holde rotasjonshastigheten inn på vekselstrøms-generatoren [54] konstant «regardless of the drive power produced by floats 22 and 32», for at strømmen som vekselstrømsgeneratoren leverer skal være av en slik kvalitet med hensyn til vekslingsfrekvens (±1 Hz, jfr. linje 3, side 6) at den kan mates direkte inn på elektrisitetsnettet. Det er altså ikke tale om å forsøke å begrense effekten fra bølgene inn i omstruktureringsmaskineriet til noen bestemt maksimal terskelverdi, slik hensikten med og funksjonen til den overlastbeskyttende slurekoblingen i herværende patent-søknad er. Hensikten er i stedet å forsøke å forhindre bølgenes varierende bevegelse fra å forårsake variabel rotasjonshastighet på svinghjul [52] og vekselstrømsgenerator [54]. Det er også tydelig at forfatteren av WO 96/ 30646 i det hele tatt ikke har vurdert temaet overlastbeskyttelse.

Et annet patentskriv, US4228360, viser et vinsjdrevet bølgekraftverk med en selvstrammende vinsj, som inneholder en kobling [70] (engelsk: «clutch») i overførings-systemet mellom vinsjtrommel [12] (engelsk: «cable drum») og et mekanisk energilagringssystem. Det mekaniske energilagringssystemet i US4228360 omfatter følgende komponenter i koblingsrekkefølge fra vinsjtrommelen:

S transfer gear [18]

S energy storage element [20] med tilhørende delkomponenter

S step-up gear system [42]

flywheel[50]

Svinghjulet [50] er koblet videre til en generator. Svinghjulet er også forbundet med en sentrifugalregulator [80] (engelsk «flywheel governor») som regulerer en koblings-kontrol [82] (engelsk: «clutch control»). Koblingskontrollen [82] er en agent for utkobling av koblingen [70], styrt av sentrifugalregulatoren [80]. Vinsjtrommelen [12] frikobles således fra energilagringssystemet dersom hastigheten på svinghjulet [50] overskrider en på forhånd defmeret terskelhastighet bestemt av sentrifugalregulatoren [80].

Formålet med utkoblingssystemet i US4228360 er ikke å sørge for overlastbeskyttelse ved å tilveiebringe noen maksimumsterskel for hvor stor effekt (energi per tidsenhet) eller hvor stor kraft (masse eller treghet multiplisert med akselerasjon) bølgene kan påføre bølgekraftverket og dets komponenter. US4228360 omtaler ikke overlastbeskyttelse av flottør- og vinsj system og energilagringssystem. Overlastbeskyttelse er kun vurdert for svinghjulet [50], og da i form av beskyttelse mot å å få tilført mer energi når energiinnholdet i svinghjulet overskrider en viss grense, ikke i form av overlastbeskyttelse mot å få tilført for stor effekt (energi per tidsenhet) eller fra å bli påvirket av for store krefter.

At frikoblingsmekanismen i US4228360 handler om å begrense mengde lagret energi i svinghjulet, uttrykkes direkte i patentkrav 4 (side 10, linje 41ff): «4. The apparatus as defined in claim 1 which further comprises: clutch means and clutch control means connected to said clutch means and responsive to said flywheel governor means do disengage said clutch means when a selected amount of energy is stored in said energy storage flywheel.»

Frikoblingsmekanismen i US4228360 setter en grense for hvor mye energi, i form av roterende bevegelsesenergi, svinghjulet [50] kan inneholde. Den setter ingen grense for hvor stor effekt eller hvor store krefter det er mulig for bølgene å kanalisere inn i det mekaniske energilageret. Det kan under gitte omstendigheter føre til overlast. Frikoblingsmekanismen trer først i kraft etter at eventuelle overlastkrefer og overlasteffekt er kanalisert inn i og gjennom det mekaniske energilageret. US4228360 beskytter svinghjulet [50] mot å skulle fa opplagret for mye roterende bevegelsesenergi. Men verken svinghjulet eller noen av de energioverførende komponentene i systemet, fra flottør [2] til og med svinghjul [50], beskyttes på noen måte mot for store krefter eller for stor effektoverføring fra bølgene. Utkobling av koblingen [70] skjer kun når svinghjulet på forhånd har blitt mettet opp med energi i henhold til utkoblingshastigheten for svinghjulet bestemt av sentrifugalregulatoren [80].

Systemet beskrevet i US4228360, slik det er foreslått utformet, gir heller ikke noen utilsiktet overlastbeskyttelse: For før sentrifugalregulatoren [80] kan tre i kraft, må hele det mekaniske omstrukturerings- og energilagringsmaskineriet akselereres til gitt utkoblingshastighet. I og med at dette maskineriet foreslås å inneholde en tung mekanisk fjær: «heavy-duty spiral spring» (side 5, line 19) med energilagringskapasitet til halve bølgesyklusen, samt flere gir hvorav ett er foreslått med en oppgiringsfaktor på 1 til 40 (side 7, linje 14) og et svinghjul på den hurtigst roterende akslingen, er det en enorm treghet (inertia) i systemet fra vinsjtrommelen [12] fram til og med svinghjulet

[50]. Innen svinghjulet har oppnådd utkoblingshastigheten, vil bølgene ha hatt rikelig med anledning til å utsette wire, vinsj og det mekaniske energilageret for krefter og effektinnstrømninger som i praksis kun er begrenset av potensialet i bølgene selv.

Dermed må komponentene i kraftverket (wire, vinsj, akslinger, gear osv.) dimensjoneres tilstrekkelig kraftig til å tåle de ekstreme kreftene og den enorme energifluksen som et slikt system kan og vil absorbere fra en ekstrembølge.

Utførelsesformer av oppfinnelsen er angitt i de vedlagte selvstendige og uselvstendige patentkravene.

Beskrivelse av bølgekraftteknologi

Oppfinnelsen vil nå bli beskrevet mer detaljert ved hjelp av eksempler på utførelser og med henvisning til de medfølgende figurer.

Figur la: Illustrerer prinsippet for anordningen i henhold til oppfinnelsen.

Figur lb: Viser en eksempelutførelse i henhold til oppfinnelsen av vinsj, vinsj aksling og slurekobling for terskelsetting av maksimalt overførbar effekt.

Figur 2: Viser en utførelse av en slurekobling type I, utformet med to armer.

Figur 3: Viser en utførelse av et absorpsjonselement (flytende bøye).

Figur 4: Viser en utførelse av en vinsj enhet med wire, ankerkonstruksjon på sjøbunn og absorpsjonselement. Figur 5: Viser en utførelse av en vinsjenhet med vannedsunket oppdriftslegeme og en utførelse av et innstrammingssystem.. Figur 6: Viser en annen utførelse av et innstramningssystem med to vinsj enheter med vannedsunket oppdriftslegeme. Figur 7: Viser en annen utførelse av en slurekobling type I med lamellkoblingsflater.

Overføringssystem med innlagt slurekobling

Figur la viser prinsippet for anordningen i henhold til oppfinnelsen. Et absorpsjonselement 1, som er et flytende legeme, er forankret med wire 4 til en vinsj 2 med en vinsjtrommel 3 på en slik måte at vinsjtrommelen 3 tvinges til å rotere når bølgekreftene flytter absorpsjonselementet 1 i vinsjwirens 4 lengderetning. Vinsjen 2 kan for eksempel være forankret på havbunnen, stå fast på land, eller befinne seg flytende i sjøen integrert i et absorpsjonselement 1. Energien som absorberes fra bølgene på denne måten, overføres i form av roterende bevegelse fra vinsjtrommelen til et omstruktureringsmaskineri 5 som konverterer den absorberte energien til mekanisk lagret energi. Denne mekanisk lagrede energien kan for eksempel være i form av m - g- h (produktet av masse, tyngdeakselerasjon og vertikal høyde), p ■ V (trykk multiplisert med volum), eller ' A ■ I ■ æ<2> (treghetsmoment multiplisert med kvadrat av vinkelhastighet dividert med 2). Omstruktureringsmaskineriet omtales ikke nærmere herunder, da dette ikke er gjenstand for patentering.

Overføringen av energien fra vinsjen 2 til omstruktureringsmaskineriet foregår via et overføringssystem 26 og en utgående aksling 10 som er forbundet med hverandre.

Overføringssystemet 26 omfatter en kobling (ikke vist i figur la) som slurer dersom effekten, i form av produktet av roterende fart og krafrvridning (vinkelhastighet multiplisert med torsjonsmoment) som forsøkes overført fra vinsjtrommelen til omstruktureringsmaskineriet, overskrider en viss verdi. Dette medfører at det alltid vil overføres effekt til omstruktureringsmaskineriet, men at denne effekten ikke vil overstige terskelverdien/tålegrensen til omstruktureringsmaskineriet.

Ett prinsipp for utforming av en slik slurekobling for begrensning av maksimalt tillatt overført effekt går ut på å la koblingen slure idet omdreiningshastigheten (vinkelhastigheten) til koblingens utgående aksling kommer opp på et visst nivå. Slurekoblingen gir derved en øvre grense for hvor rask den roterende bevegelsen som kanaliseres inn i omstruktureringsmaskineriet kan bli. Figur lb, 2 og 7 viser eksempler på utførelser av slurekoblinger i henhold til dette prinsippet.

Slurekoblingen 6 omfatter i disse utformingene tilstøtende friksjonsflater 8, 7a-b på henholdsvis en innkommende aksling 9 og en utgående aksling 10, og disse tilstøtende friksjonsflatene presses mot hverandre. Presskraften er imidlertid ikke konstant. Den reguleres som en funksjon av den utgående akslingens rotasjonshastighet ved hjelp av sentrifugalkreftene som virker på koblingen når den roterer. Når rotasjonshastigheten på den utgående akslingen overskrider en viss, forhåndskalibrert terskelverdi, vil sentrifugalkreftene sørge for at de tilstøtende friksjonsflatene frikobles fra hverandre, men bare så vidt, slik at den overførte rotasjonshastigheten blir værende lik terskelverdien så lenge den innkommende rotasjonshastigheten er høyere enn eller lik terskelverdien. All den stund rotasjonshastigheten er lavere enn terskelverdien, vil slurekoblingen fungere som en fast kobling.

De tilstøtende friksjonsflatene vil slites ned over tid, når bølgekraftverket er i operativ stand. De bør derfor være utskiftbare, som lamellene på en bilclutch. Systemets robusthet forsterkes ytterligere ved at mekanismen som presser de utskiftbare friksjonsflatene 7a-b, 8 sammen, stanser når avstanden mellom sokkelflatene 11 a-b og 12 som de utskiftbare friksjonsflatene er festet på, blir mindre enn et visst antall millimeter. Når/hvis så friksjonsflatene blir helt nedslitte, vil koblingen slure så mye at det praktisk talt ikke skjer noen overføring av rotasjonsbevegelse til den utgående akslingen.

Effekten av det ovenfor beskrevne robusthetsforsterkende arrangementet er som følger: Etter hvert som friksjonsflatene slites, vil virkningsgraden til systemet gradvis reduseres, i stedet for at systemet på grunn av slitasjen eksponeres for enda større slitasje. Med andre ord: Arrangementet gjør at slitasje blir slitasjebegrensende.

I praksis vil en slurekobling som slurer ved for høy omdreiningshastighet kunne konstrueres på ulikt vis. Tilbakekoblingsmekanismen som sørger for varierende kobling/grad av frikobling, er i eksemplene i dette dokumentet konkretisert som en sentrifugalregulator, inspirert av den berømte roterende damptrykkregulatoren som James Watt benyttet i sin epokegjørende dampmaskin på 1700-tallet, og som før det ble brukt til å regulere presskraften mellom kvernsteinene i vindmøller (men da koblet motsatt, slik at presskraften mellom kvernsteinene økte når vindmøllens hastighet økte). Det er vesentlig at denne sentrifugalregulatoren er montert på en slik måte at dens rotasjonshastighet er avhengig av den utgående akslingens rotasjonshastighet, — ikke den innkommende akslingens rotasjonshastighet. (Utgående aksling er den akslingen som effekten overføres til. Innkommende aksling er den akslingen som effekten overføres fra) I dette dokumentet skal «frikobling» bety en mekanisme for varierende kobling. En mulig utforming går ut på å la en fjæranordning 13 presse koblingsflatene 7(a-b), 8 mot hverandre. Se Figur 2 og Figur 7. To eller flere løftbare armer 14a-b med en viss masse, eventuelt med et lodd 15a/b i enden av hver arm, er festet på motstående sider av utgående aksling 10. Når armene løftes opp fra den utgående akslingen, dras koblingsflatene fra hverandre. På denne måten vil sentrifugalkreftene fa koblingen til å slure når den utgående akslingens rotasjon oppnår en bestemt terskelhastighet. Med denne aktuelle utformingen oppnås en tilleggsfunksjonalitet: De løftbare armene 14a-b bidrar til å stabilisere den utgående akslingens rotasjonshastighet når terskelhastigheten er oppnådd. Det skjer fordi vinkelhastigheten til den roterende massen endres som en funksjon av at radien varierer når armene løftes og senkes.

Det er også mulig å tenke seg en elektronisk styrt tilbakekoblingsmekanisme, hvor en motor eller en elektromagnet med variabel styrke sørger for å regulere presskraften i koblingen i henhold til den rotasjonshastighet som den utgående akslingen til enhver tid har.

En bølgekraftdrevet vinsj med slurekobling for terskelsetting av maksimalt overførbar effekt vil kunne bygges i en mengde forskjellige varianter. Foruten slurekoblingen 6 kan overgangen mellom vinsjtrommel 3 og utgående aksling 10 inneholde en eller flere akslinger med tilhørende koblinger, for eksempel en frikrans (enveisclutch), og eventuelt ett eller flere gir i en eller annen utforming.

Koblingstypene beskrevet ovenfor, både den mekanisk utførte slurekoblingen og den elektronisk styrte tilbakekoblingsmekanismen, er slurekoblinger hvis virkemåte er karakterisert ved at de setter en øvre grense for hvor fort den utgående akslingen kan rotere. Overført effekt er lik produktet av overført vinkelhastighet og overført torsjonsmoment. Ved at det settes en terskel for hvor høy hastighet som tillates overført i den roterende koblingen, settes samtidig en terskel for hvor stor effekt som kan kanaliseres inn i omstruktureringsmaskineriet, gitt at motstanden som ytes fra omstruktureringsmaskineriet (torsjonsmomentet som virker på den utgående akslingen 10), er konstant ved konstant omdreiningshastighet.

Et enklere, dog mindre slitasjesterkt alternativ går ut på å benytte en simpel slurekobling hvor presskraften mellom koblingsflatene er fiksert. Dermed settes en øvre grense for hvor kraftig rotasjon (hvor stort torsjonsmoment) som kan overføres. For omstruktureringsmaskineriet blir virkningen av dette den samme: Nemlig at effekten som kanaliseres inn i omstruktureringsmaskineriet ikke kan bli større enn terskelverdien bestemt av produktet av overført vinkelhastighet og torsjonsmoment.

Uansett utforming er den grunnleggende ideen at bølgekraftanlegget skal kunne stå seg mot de verste ekstrembølgene fordi det ikke forsøker å stå imot bølgene når bølge-kreftene i dem blir for store, men i stedet gir etter og lar mesteparten av effekten i ekstrembølgene: de destruktive energitoppene, passere og bli værende igjen i sjøen.

Utforming av absorpsjonselement

Absorpsjonselementet er forankret i enden av wiren 4 som ruller inn/ut på før omtalte vinsj 2. Blant et mangfold av mulige utforminger av absorpsjonselement, er følgende aktuell: Et rørformet eller pølseformet flytelegeme 1 er forankret med to like lange øvre wirer 16a-b, en i hver ende av flytelegemet. Se Figur 3. De motsatte endene av de øvre wirene (endene som ikke er forankret til flytelegemet), møtes i et sentralknutepunkt 17. Når bølgekraftverket er i operativ stand, vil sentralknutepunktet befinne seg under havoverflaten. Fra sentralknutepunktet går det en hovedwire nedover mot havbunnen.

(Denne hovedwiren er den samme som vinsjwiren 4.) Selve vinsjen kan stå på havbunnen. Da vil vinsjwiren 4 løpe direkte fira vinsjen og vertikalt oppover til sentralknutepunktet 17. Eller vinsjen kan stå på land. Da kan vinsjwiren løpe fra vinsjen gjennom en trinse 18 forankret på havbunnen før den løper opp til sentralknutepunktet.

Med et slikt rør- eller pølseformet flytelegeme, dobbeltforankret med to øvre wirer festet til et sentralknutepunkt videre forankret med hovedwiren, vil flytelegemet normalt innstille seg med bredsiden langs bølgefronten, uansett bølgefrontretning. Slik blir energiabsorpsjonen størst mulig. I den ene av de øvre wirene er det i én utførelse lagt inn et svakt ledd 19, som er svakere enn de andre elementene i wire- og forankrings-systemet. Det svake leddet 19 kan være dannet ved å endre diameteren til den ene øvre wiren, forbinde den ene øvre wiren med et materiale med annen bruddstyrke, etc. Effekten av dette er som følger: Dersom bølgekreftene blir for voldsomme, slik at noe ryker, så er det dette svake leddet som ryker først. Og da vil flytelegemet legge seg med bredsiden på tvers av bølgefronten. Dermed blir flytelegemets evne — og mulighet — til å absorbere energi fra havbølgene betraktelig mindre. Dette skal virke til å redusere omfanget av skader i en eventuell havarisituasjon.

Mellom hovedwire 4 og sentralknutepunkt 17 er det i én utførelse av oppfinnelsen lagt inn en kraftig sjokkabsorberende fjær 20 som er ment å skulle ta av for kraftige rykk i wiren ved oppstart, det vil si i begynnelsen av en bølgesyklus i perioder med kraftige bølger. Den sjokkabsorberende fjæren er slik dimensjonert at den kompenserer for uønskede tregheter i systemet forårsaket av bevegelige masseelementer som settes i bevegelse ved starten av hver bølgesyklus: wire, vinsjtrommel, akslinger, eventuelle gir, slurekobling, etc.

Utforming av bølgekraftverk med vinsj, overføringssystem og omstruktureringsmaskineri stående på land

Se Figur 4. Med denne aktuelle utformingen består bølgekraftverket av følgende deler:

• Et flytende wireforankret absorpsjonselement 1.

• En trinse 18 festet til et anker 21 på havbunnen.

• En vinsj 2 som sørger for å overføre kraftbevegelse absorbert av absorpsjonselementet til et omstruktureringsmaskineri 5 via et overføringssystem inneholdende en slurekobling som beskrevet under avsnittet «Overføringssystem med innlagt slurekobling» foran.

Absorpsjonselementet kan være utformet som beskrevet i avsnittet «Utforming av absorpsjonselement» og som vist på Figur 3, eller det kan ha en hvilken som helst annen form. Poenget er at det flyter og er wireforankret. Trinsen 18 er festet på et ankerfundament 21 stående på sjøbunnen. Vinsjwiren 4 løper på skrå nedover fra land og ut i vannet, ned til havbunnen hvor den løper gjennom trinsen 18 og deretter loddrett oppover mot overflaten hvor den forankrer absorpsjonselementet 1.

Utforming av innstrammingssystem for vinsj

En bølgekraftdrevet vinsj som beskrevet i dette dokumentet, vil ikke fungere uten et system for innstramming av vinsjen. Her er det mulighet til å velge mellom flere ulike systemløsninger. En hydraulisk akkumulator vil være et aktuelt alternativ. Andre mulige systemløsninger er (ikke listet i prioritert rekkefølge): 1. Innstramming av vinsjwire ved hjelp av selvstrammende mekanisk fjæranordning. 2. Innstramming av vinsjwire ved hjelp av motsatt vei innrullet innstrammingswire med et oppdriftslegeme nedsunket i vann festet i enden. Se Figur 5. 3. Basert på 2, men hvor to vinsjer deler samme oppdriftslegeme. Se Figur 6.

Innstrammingssystemløsning 1 (ikke vist):

Vinsjen strammes inn av en innebygget/integrert mekanisk fjæranordning som er innrettet slik at fjæren strammes i takt med at vinsjwiren dras ut. Når kraften/kreftene som drar ut vinsjwiren opphører eller avtar tilstrekkelig, vil fjærsystemet sørge for å spole vinsjen tilbake. Fjæren er tilstrekkelig kraftig til å holde vinsjwiren 4 stram.

Innstrammingssystemløsning 2 (Figur 5):

Denne systemløsningen er mest hensiktsmessig hvis vinsjen er plassert på havbunnen. Se Figur 5. Men en slik plassering av vinsjen er ikke påkrevet. Vinsjen kan også stå på land. En innstrammingswire 23 er rullet inn på en innstrammingstrommel som står fast på samme aksling som vinsjtrommelen. Innstrammingstrommelen har mindre radius enn vinsjtrommelen. Innstrammingswiren 23 og hovedwiren 4 er viklet inn på sine respektive tromler i motsatt retning av hverandre: Hvis hovedwiren er viklet inn med klokken, må innstrammingswiren være viklet inn mot klokken, og omvendt. Innstrammingswiren løper gjennom en trinse 18 forankret til havbunnen. Trinsen står fast på et ankerfundament 21, som, hvis vinsjen er plassert på havbunnen, er horisontalt forskjøvet et stykke fra vinsjen. Derfra løper innstrammingswiren loddrett oppover i vannet et stykke hvor den er festet i enden til et oppdriftslegeme 24, som rett og slett er en avlang ballong eller pølse hvis egenvekt er lettere enn sjøvann. Oppdriftslegemet er helt nedsunket i vannet, og befinner seg så langt under overflaten at det i liten grad påvirkes av bølgebevegelsene. Uttrekking av hovedwiren 4 som følge av bølge-bevegelsene i havoverflaten vil virke til at oppdriftslegemet dras ned. Men på grunn av sin oppdrift vil det forsøke å flyte opp mot overflaten, dermed vil det tvinge hovedwiren til å rulle inn igjen når bølgekreftene avtar.

Innstrammingssystemløsning 3 (Figur 6):

To vinsjer 2a-b er plassert på havbunnen et stykke fra hverandre. De driver hvert sitt absorpsjonselement la-b. De har hver sin innstrammingsvinsj, men deler innstrammingswire 23, som vist på Figur 6. På samme måte som for innstrammings-systemløsning 2 er innstrammingswiren rullet inn på irmslrammingstromlene motsatt vei av hovedwirene 4a-b. Innstrammingswiren strammes av et vannedsunket oppdriftslegeme 24 med en trinse 25 festet på undersiden. Gjennom denne trinsen løper innstrammingswiren. Ved at to vinsj enheter deler oppdriftslegeme på denne måten, spares byggematerialer. Dermed kan kostnader kuttes.

Claims (14)

1. Anordning ved et bølgekraftverk omfattende en selvstrammende vinsj (2) med en vinsjwire (4), hvor vinsjwiren er forbundet med et bølgekraftdrevet absorpsjonselement (1) i en ende og med den selvstrammende vinsjens vinsjtrommel (3) i den andre enden og vinsjtrommelen er koblet via et overførings-system (26) til en utgående aksling (10) som er viderekoblet til et energilagrende omstruktureirngsmaskineri (5), hvor bevegelse av absorpsjonselementet fører til rotasjon av vinsjtrommelen og overføring av mekanisk energi fra vinsjtrommelen til den roterende utgående akslingen (10) og til omstruktureirngsmaskine-riet (5), karakterisert ved at overføringssystemet (26) omfatter en slurekobling (6) forbundet med den utgående akslingen, som beskytter komponentene i bølgekraftverket, særlig komponentene i omstruktureringsmaskineriet, mot overlast ved store bølgeutslag, idet slurekoblingens kobling varierer avhengig av den utgående akslings rotasjonshastighet eller torsjonsmoment slik at det tilveie-bringes en maksimumsterskel for hvor stor energi per tidsenhet som kan overføres til den utgående akslingen og til det energilagrende omstruktureringsmaskineriet.

2. Anordning i henhold til krav 1, karakterisert ved at vinsjtrommelens aksling er koblet til en mellomaksling gjennom ett eller flere gir, og eventuelt en frikrans (enveisclutch) før eller mellom eller etter girene, og hvor mellomakslingen er koblet videre til den utgående akslingen via en slurekobling som beskrevet i krav 1.

3. Anordning i henhold til krav 1 og 2 karakterisert ved at slurekoblingen er av en slik art at den slurer dersom vinkelhastigheten (omdreiningshastigheten) som forsøkes overført til den utgående akslingen overskrider en på forhånd bestemt terskelverdi.

4. Anordning i henhold til krav 1 og 2 karakterisert ved at slurekoblingen er av en slik art at den slurer dersom torsjonsmomentet som forsøkes overført overskrider en på forhånd bestemt terskelverdi.

5. Anordning i henhold til kravene 1-3, karakterisert ved at slurekoblingen omfatter tilstøtende koblingsflater (8 og 7) på henholdsvis en innkommende aksling (9) og en utgående aksling (10) som presses mot hverandre ved hjelp av fjærkraft fra en fjæranordning (13), og i tilknytning til den utgående akslingen en koblingsmekanisme, bestående av to eller flere løftbare armer (14a-b) festet til utgående aksling, hver med et lodd ytterst i enden (15a-b), som presses inn mot akslingen ved hjelp av kraften fra nevnte fjæranordning, hvorved presskraften mellom de tilstøtende koblingsflatene (8 og 7) reguleres som en funksjon av sentrifugalkreftene som virker på armene (14a-b) og loddene (15a-b) på en slik måte at presskraften i koblingen minker når den utgående akslingens rotasjonshastighet øker.

6. Anordning i henhold til kravene 1-3, karakterisert ved at slurekoblingen er en koblingsmekanisme hvor graden av kobling reguleres ved hjelp av et elektronisk reguleringssystem forbundet med den utgående akslingen (10), slik at presskraften mellom koblingsflatene avtar med at den utgående akslingens rotasjonshastighet øker.

7. Anordning i henhold til kravene 1, 2, 3 og 5, karakterisert ved at de tilstøtende koblingsflatene (7, 8) er utskiftbare og festet på respektive sokkelflater (11, 12), og hvor mekanismen som presser koblingsflatene mot hverandre inneholder en blokkering som hindrer sokkelflatene fra å komme i kontakt med hverandre hvis/når de utskiftbare koblingsflatene slites helt ned.

8. Anordning i henhold til kravene 1-7, karakterisert ved at absorpsjonselementet (1) er forbundet via en sjokkabsorberende fjær (20) til wiren (4) som ruller inn på vinsjtrommelen, hvorved den sjokkabsorberende fjæren virker til å ta av for rykk i wiren.

9. Anordning i henhold til kravene 1-8 karakterisert ved at absorpsjonselementet er et pølseformet flytende absorpsjonselement (1) dobbeltforankret i hver ende med to øvre wirer (16a, 16b) som er festet med sine motsatte wireender i et sentralknutepunkt (17) som er forbundet videre via en sjokkabsorberende fjær (20) til wire (4) som ruller inn på vinsjen.

10. Anordning i henhold til krav 9, hvor det i den ene av de to øvre wirene (16b) er innkorporert et svakt ledd (19) som er svakere enn de andre forankrings-elementene, slik at det er dette svake leddet og ikke noe annet som er det første som ryker ved overbelastning.

11. Anordning i henhold til krav 1-10, karakterisert ved at absorpsjonselementet er forbundet med wire (4), via en trinse (18) festet til et anker (21) på havbunnen, til vinsjen (2) stående på land koblet til et overførings-system (26).

12. Anordning i henhold til krav 1-10, karakterisert ved at vinsjen (2) er selvstrammende ved at den strammes inn av et innebygget mekanisk fjærsystem eller lignende.

13. Anordning i henhold til krav 1-10, karakterisert ved at vinsjen (2) er selvstrammende ved at den strammes inn av et vannedsunket oppdriftslegeme (24) festet til en innstrammingswire (23) innrullet på en innstrammingstrommel hvis radius er mindre enn vinsjtrommelens, hvor innstrammingstrommelen står fast på samme aksling som vinsjtrommelen, og hvor innstrammingswiren er rullet inn på vinsjen motsatt vei av vinsjwiren (4), idet innstrammingswiren løper fra vinsjen (2) gjennom en trinse (18) festet til et anker på havbunnen, før den løper vertikalt opp til oppdriftslegemet (24).

14. Anordning i henhold til krav 1-10, karakterisert ved at det er anordnet to vinsjer (2a-b) stående på havbunnen et stykke horisontalt forskjøvet fra hverandre, idet begge vinsjer strammes inn av ett og samme oppdriftslegeme (24) med en trinse (25), hvor en motsatt vei innrullet innstrammingswire (23), som er felles for de to vinsjene, løper gjennom trinsen, og således sørger for å holde begge vinsjwirene (4a-b) stramme.