NO325962B1

NO325962B1 - Anordning for omforming av bolgeenergi

Info

Publication number: NO325962B1
Application number: NO20062486A
Authority: NO
Inventors: Hans Oigarden
Original assignee: Fobox As
Priority date: 2006-05-31
Filing date: 2006-05-31
Publication date: 2008-08-25
Also published as: JP2009539024A; US20090224548A1; ZA200810367B; CN101460734A; NO20062486L; BRPI0711729A2; CN101460734B; CA2655167A1; WO2007139396A1; EP2027389A1; AU2007268363A1; US7759814B2; KR20090021297A

Abstract

Anordning for opptak av bølgeenergi, omfattende et flytende legeme (2) som er innrettet til å bevege seg som følge av påvirkning fra bølger, og energioverføringsmidler (7, 9, 10, 13, 14, 15, 16, 30, 39,42) for å overføre det flytende legemets (2) bevegelse til en generator (33, 34), ved at det flytende legemet (2) er anordnet bevegelig på en føringsstang (1) og at anordningen omfatter en drivmekanisme (7, 9, 10, 13, 14, 15, 16, 30, 39, 42) for opptak av vertikale bølgekrefter, omfattende et langstrakt drivmiddel (7, 9, 10), hvilket drivmiddel er koblet til det flytende legemet (2) og til en generator.

Description

Anordning for omforming av bølgeenergi

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en anordning for opptak av bølgeenergi i samsvar med ingressen til det etterfølgende krav 1.

En slik anordning er kjent fra søkerens egen norske patentsøknad nr. 2003 2883.1 denne søknaden er det beskrevet en anordning for bruk i et bølgekraftverk. Anordningen omfatter et flytende legeme som er innrettet til å flyte i eller nær vannskorpen. En stempelstang strekker seg fra det flytende legemet til en sylinder, som i sin tur er innspent i en fikstur. Denne fiksturen er plassert på en flyter.

Videre er det fra søkerens egen PCT-søknad WO 2004/113718 kjent en plattformkonstruksjon utstyrt med anordninger for opptak av bølgeenergi av den ovenfor nevnte typen. Denne søknaden inntas herved ved referanse. Plattformkonstruksjonen består generelt av en plattform over vann og et antall, for eksempel fire, ben som strekker seg ned i vannet og som har tilstrekkelig oppdrift til at plattformen holdes stabilt over vann.

En forsøksplattform ("Buldra") i henhold til prinsippene i figur 10 i WO 2004/113718 ble bygget i siste halvdel av 2004 og tatt i bruk i februar 2005. Denne viste seg å fungere tilfredsstillende. På bakgrunn av de forsøksresultater som er frembrakt ved uttestingen av "Buldra" er det arbeidet med flere forbedringer av anordningene som tar opp bølgeenergien og selve plattformkonstruksjonen. Den foreliggende oppfinnelse omhandler noen av disse forbedringene og retter seg spesielt mot energioverføringsmidlene.

En annen kjent løsning ved bølgekraftverk er vist i US 6256985, der det er beskrevet en rekke enheter som plasseres på bunnen av grunt vann. Hver enhet omfatter en hette, som er innrettet å bevege seg vertikalt i forhold til en ramme. Hettens indre er gassfylt. Når bølger passerer over enheten vil hetten bevege seg opp og ned i takt med bølgene, d.v.s. når en bølgedal passerer vil hetten bevege seg oppover og når en bølgetopp passerer vil den bevege seg nedover. Den nedre delen av enheten er fylt med vann. Dette

vannvolumet kan varieres og fortrenge gass, slik at gassvolumet og derved egenfrekvensen kan tilpasses bølgefrekvensen.

Den største ulempen med denne løsningen er at den må plasseres på havbunnen. Derved får man vanskelig tilgang til enhetene for vedlikehold og reparasjon. Enhetene må dessuten plasseres på grunt vann og vil derfor kunne utgjøre fare for skipstrafikk og fiskeri.

Det er et formål ved den foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe energioverføringsmidler som er pålitelige og i stand til å overføre energien fra det flytende legemet på en effektiv måte. Dette oppnås ved at det flytende legemet er anordnet bevegelig på en føringsstang og at anordningen omfatter en drivmekanisme for opptak av vertikale bølgekrefter, omfattende et langstrakt drivmiddel, hvilket drivmiddel er koblet til det flytende legemet og til en generator.

Ytterligere fordelaktige utførelsesformer av oppfinnelsen er nærmere angitt i de uselvstendige krav.

Oppfinnelsen skal forklares nærmere nedenfor under henvising til utførelseseksempler vist i de medfølgende figurer, der: Figur 1 viser en bølgeenergiopptaksanordning ifølge oppfinnelsen i en første utførelsesform,

Figur 2 viser et modifisert flytende legeme,

Figur 3 viser det flytende legemet i figur 2 sett nedenfra,

Figur 4 viser en alternativ utførelsesform av oppfinnelsen,

Figur 5 viser utførelsesformen i figur 4 idet en bølgetopp passerer,

Figur 6 viser utførelsesformen i figur 4 idet en bølgedal passerer,

Figur 7 viser en detalj av drivsystemet ifølge utførelsesformen i figur 4,

Figur 8 viser en plattform med flere bølgeopptaksinnretninger ifølge oppfinnelsen, og

Figur 9 viser et skovlhjul for ytterligere opptak av bølgeenergi.

Figur 1 viser en bølgeenergiopptaksanordning ifølge oppfinnelsen. Den omfatter en føringsstang 1 langs hvilken et flytende legeme 2 kan bevege seg. Føringsstangen 1 er et rørformet legeme som ved sin øvre ende er innspent i et øvre dekk 3. Føringsstangen 1 strekker seg med en viss klaring gjennom et nedre dekk 4. Fire horisontalsylindere 5 er innspent mellom det nedre dekket 4 og føringsstangen 1. Sylinderne 5 står i rett vinkel på hverandre. Derved kan horisontalsylinderne 5 oppta sidekrefter som føringsstangen 1 påvirkes av fra bølgene. Disse sidekreftene genererer hydraulisk trykk i horisontalsylinderne 5 som kan omformes til elektrisk energi ved hjelp av en ikke vist generator.

Ved det flytende legemets 2 øvre ende er det anordnet en første brakett 6. Til braketten er det koblet to lineærstenger 7. Ved sine øvre ender er lineærstengene 7 festet til en andre brakett 8. Den andre braketten 8 er glidbar på føringsstangen 1. Den andre braketten 8 er forbundet med to drivbelter 9,10, ett på hver side. Drivbeltene 9,10 er ført over respektive nedre omstyringsruller 11 og respektive øvre omstyringsruller 12a og 12b.

På hver side av de øvre omstyringsrullene 12 er det anordnet girsystem 13,14,15,16, som omstyringsrullene er koblet til. Girsystemene 13,14,15,15 er koblet til hjelperuller 17,18. Girsystemene 13,14,15,16 er konfigurert slik at de omsetter omstyringsrullenes 12a, 12b rotasjon til en rotasjon i samme retning uavhengig av omstyringsrullenes 12a, 12b rotasjonsretning. Dette gjøres ved at når det flytende legemet 2 beveger seg nedover vil rotasjonen av omstyringsrullen 12a, som da skjer med klokken, overføres til girsystemet 13 og bevirke rotasjon av hjelperullen i retning med klokken. Dessuten vil rotasjon av omstyringsrullen 12b, som vil være mot klokken, overføres via girsystemet 15 til hjelperullen 18 og bevirke rotasjon av dette mot klokken. Girsystemene 14 og 16 vil da fungere som frihjul og ikke overføre noe rotasjon.

Når det flytende legemet beveger seg oppover vil rotasjon fra omstyringsrullen 12a, som nå vil være mot klokken, overføres via girsystemet 16 til en rotasjon mot klokken av hjelperullen 18. Rotasjon av omstyringsrullen 12b, som nå roterer med klokken, vil overføres via girsystemet 14 til en rotasjon med klokken av hjelperullen 17. Girsystemene 13 og 15 vil nå gå som frihjul.

På denne måten vil hjelperullen 17 hele tiden rotere med klokken og hjelperullen 18 mot klokken. Ved å anordne et svinghjul (ikke vist) i girsystemene eller på hjelperullene kan man få hjelperullene 17, 18 til å rotere med tilnærmet konstant hastighet selv om krafttilførselen skjer intermittisk. Ved den ovennevnte konfigurasjonen vil belastningen på drivbeltene bli symmetrisk.

Rotasjonsenergien fra hjelperullene 17,18 kan hentes ut på en ikke vist aksling fra hver av hjelperullene 17,18. Akslingen kan være koblet til en elektrisk generator.

De nedre omstyringsrullene 11 er fortrinnsvis anordnet på en brakett som er horisontalt forskyvbar og koblet til føringsstangen 1.

Når det flytende legemet 2 beveger seg, for eksempel oppover som følge av påvirking fra en bølgetopp, vil legemet 2 holdes igjen ved at generatorene utsettes for en belastning som utgjør i størrelsesorden 10% mindre enn bølgetoppens oppadrettede kraft. Derved vil det flytende legemet 2 holdes mer neddykket i vannet enn oppdriften skulle tilsi og kraften som virker mot legemet 2 vil derved øke.

På samme måte kan det flytende legemet 2 også holdes igjen ved nedoverbevegelse med en kraft som er i størrelsesorden 10% mindre enn legemets 2 effektive tyngde (tyngdekraft minus oppdrift).

I ovennevnte WO 2004/113718 er det utførlig beskrevet hvordan en slik fastholding av et flytende legeme kan utføres ved et hydraulisk system. Ved det hydrauliske systemet som er beskrevet her vil imidlertid det flytende legemet holdes helt i ro under deler av bølgebevegelsen. Ved et elektrisk system er det imidlertid enklere å styre kraften som det flytende legemet holdes igjen med. En fagmann på området strømstyring vil umiddelbart forstå hvordan dette skal gjøres.

I figur 1 er det flytende legemet utformet med en nedre del som har gradvis avsmalnende diameter mot den nedre enden 19. Denne fasongen gjør at det flytende legemet slipper vannet lettere dersom det beveger seg helt ut av vannet og skjærer lettere ned i vannet når det beveger seg tilbake i vannet igjen.

Figur 2 viser et alternativt flytende legeme 2. Dette flytende legemet 2 er utstyrt med vertikale finner 20 som strekker seg langs det flytende legemets 2 overflate fra topp til bunn. I figur 2 er det vist åtte finner 20 som strekker seg vinkelrett ut fra det flytende legemet 2, men antallet kan være forskjellig fra dette. Bredden av finnene, målt fra det flytende legemets 2 overflate til finnenes ytterste kant kan også varieres. Finnenes størrelse vil imidlertid være begrenset av tyngden, da finnene ikke gir netto oppdrift til det flytende legemet og derved ikke bør utgjøre en for stor andel av vekten.

Finnenes 20 funksjon er å fange opp horisontale krefter fra bølgene som virker mot det flytende legemet. Man har funnet at de horisontale bølgekreftene kan inneholde dobbelt så mye energi som de vertikale bølgekreftene. Det er derfor et formål med utførelsen ifølge figur 2 å hente ut en større andel av disse kreftene. Siden finnene 20 rager ut i flere retninger fra det flytende legemet 2, vil bølgene møte omtrent det samme arealet uavhengig av hvilken retning bølgene har.

Som man ser av figur 3 så har finnene 20 skrå sideflater 21,22 som virker til å avbøye vannstrømmen og redusere turbulens. Derved vil man også redusere det tap i kraftpåvirking fra bølgene som oppstår p.g.a. turbulens.

De horisontale bølgekreftene overføres fra det flytende legemet 2 til føringstangen 1. Siden føringsstangen 1 tillates å bevege seg noe horisontalt (ca. 100 mm målt ved det nedre dekket 4) vil kreftene videre overføres til horisontalsylinderne 5. Herfra kan det hentes ut hydraulisk energi som i sin tur kan konverteres til elektrisk energi.

De vertikale bølgekreftene overføres fra det flytende legemet til lineærstengene 7, som beveger seg sammen med det flytende legemet. Siden lineærstengene 7 er koblet til drivbeltene 9,10 via den øvre braketten 8, overføres de vertikale kreftene videre til drivbeltene 9,10 og fra disse til girsystemene 13,14,15,16. Som nevnt over kan det fra girsystemet hentes ut rotasjonsenergi som i sin tur kan konverteres til elektrisk energi. Girsystemet har en utveksling som øker rotasjonshastigheten til en hastighet som er optimal for den etterfølgende elektriske generatoren.

I stedet for drivbelter kan det også benyttes kjeder, vaiere, remmer eller andre fleksible langstrakte drivmidler.

For å unngå overføring av store spenninger fra føringsstangen 1 til det øvre dekket 3 er føringsstangen 1 fortrinnsvis fleksibelt opphengt i det øvre dekket 3, for eksempel ved et sfærisk lager (ikke vist). Ved gjennomføringen gjennom det nedre dekket 4 kan det være lagt inn et elastisk dempemateriale som opptar kreftene fra føringsstangen 1 dersom bevegelsen blir så stor at horisontalsylinderne 5 ikke er i stand til å oppta alle kreftene. Det samme gjelder for lineærstengene 7 sin gjennomføring gjennom det nedre dekket 4, hvor det også kan være lagt inn et elastisk dempemateriale.

I en alternativ utførelsesform, som ikke er vist i figurene, kan drivbeltene 9,10 og girsystemene 13,14,15, 16 erstattes med lineærgeneratorer som er koblet direkte til lineærstengene 7, ved at statorene er festet til det øvre dekket 3 og de lineære rotorene (på engelsk også kalt "mover") er festet til lineærstengene 7. Lineærgeneratorene kan overføre den lineære bevegelsesenergien direkte til elektrisk energi.

I stedet for de hydrauliske horisontalsylinderne 5 kan det også her benyttes lineærgeneratorer.

Det er fortrinnsvis sørget for at det flytende legemet 2 bringes helt ut av vannet under den vertikale bevegelsen. Derved vil føringsstangen 1 rette seg opp til vertikal stilling på grunn av tyngdekraften, slik at selv om bølgenes sidekrefter virker kun i én retning, vil ikke føringstangen 1 blir hengende ut til siden.

Figur 4 viser en alternativ utførelsesform av oppfinnelsen. Her er det et ekstra sett av lineærstenger 30, som strekker seg gjennom en tunnel i det flytende legemet 2 og er forbundet med en brakett 31. Braketten 31 er i sin tur forbundet med en beholder i form av en sylinder 32 som er lukket ved sin øvre ende og åpen ved sin nedre ende. Sylinderen 32 er glidbar på føringsstangen 1.

Sylinderen 32 er delvis fylt med vann, slik at den øvre delen av sylinderen 32, nær den lukkede toppen er fylt med luft. Denne sylinderen 32 vil bevege seg i motfase med flytelegemet 2 når anordningen plasseres i bølgene. Figur 5 viser anordningen idet den passeres av en bølgetopp. Det flytende legemet 2 tvinges oppover av bølgetoppen. Samtidig vil trykket som virker på luften i sylinderen 32 øke slik at mer vann strømmer inn gjennom sylinderens 32 nedre åpne ende. Derved vil tyngden av sylinderen 32 øke og sylinderen vil synke i vannet. Figur 6 viser anordningen idet den passeres av en bølgedal. I dette tilfellet vil sylinderens neddykkingsdybde reduseres. Derved vil luften i sylinderen presse ut vann fra sylinderen og redusere sylinderens tyngde slik at den stiger i vannet. Prinsippet ved dette er det samme som anvendes for å få hetten ifølge US 6256985 til å bevege seg i takt med bølgene.

Figur 7 viser en detalj av en alternativ energioverføringsinnretning. Denne skiller seg fra utførelsesformen i figur 1 ved at lineærstengene 7 er ført helt opp gjennom det øvre dekket 3. Dette er også lineærstengene 30, som er koblet til sylinderen 32. På det øvre dekket 3 er det plassert to generatorer 33, 34. Den første generatoren 33 er koblet til lineærstengene 30 via en aksling 35, på hvilken det er anordnet to hjul 36 og 37, som ligger an mot en respektiv av lineærstengene 30. På den motsatte siden av lineærstengene 30 er det anordnet et respektivt støttehjul 38,39.

Den andre generatoren 34 er koblet til lineærstengene 7 via en aksling 40, på hvilken det er anordnet to hjul 41,42, som ligger an mot en respektiv av lineærstengene 7. På den motsatte siden av lineærstengene 7 er det anordnet et respektivt støttehjul 43,44.

Hver av generatorene vil settes i rotasjon med klokken når det flytende legemet 2, h.h.v. sylinderen 30 beveger seg nedover og mot klokken når det flytende legemet 2, h.h.v. sylinderen 30 beveger seg oppover. Det genereres derved en elektrisk strøm fra hver av generatorene som alternerer med bølgeperioden. Ved hjelp av konvensjonell kraftreguleringsteknikk kan denne alternerende strømmen omgjøres til likestrøm eller vekselstrøm med en fast frekvens.

Den foran beskrevne fastholdelse av det flytende legemet, og eventuelt også sylinderen 32, kan utføres svært enkelt ved hjelp av generatorene 33 og 34. Overbelastning av komponentene kan sikres ved at hjulene 36-38 og 41-44 tillates å slure mot lineærstengene 7, 30 dersom kreftene overskrider bestemte verdier.

De flytende legemene 2 er fortrinnsvis fremstilt i et gummimateriale eller et gummilignende plastmateriale, som er lett og samtidig tåler en viss grad av slag. For dette kan man benytte samme materialer som anvendes i fendere. Sylinderen 32 kan fremstilles i stål eller betong. Sylinderen 32 bør ha nøytral oppdrift når den er halvt fylt med vann h.h.v. luft/gass og når det ikke er bølger.

Figur 8 viser en plattformkonstruksjon 50 som anvender flere

bølgeenergiopptaksanordninger ifølge figurene 5 og 6. Selve plattformkonstruksjonen er i prinsippet den samme som beskrevet i WO/2004/113718, spesielt figur 9, der bølgeenergiopptaksanordningene er festet til en dekkonstruksjon 51, som utgjøres av to dekk 3 og 4 (samsvarende med dekkene 3 og 4 i det foregående). Ved hvert av dekonstruksjonens 51 hjørner er det festet et ben 52 som er luftfylt for å gi oppdrift. Bena 52 er ved sin nedre ende forbundet med hverandre ved et fagverk 53. Fagverket har også til hensikt å danne en styring for bølgeenergiopptaksanordningenes føringsstenger 1. Ved benas 52 nedre ende er det anordnet en dempeanordning 56, som kan utformes på samme måte som beskrevet i WO/2004/113718.

Omtrent midt på hvert ben 52 er det anordnet en sekundær

bølgeenergiopptaksanordning 54. Denne består av et skovlhjul 55, som er opplagret roterbart på benet 52. Skovlhjulets 55 skovler kan være buet som vist i figur 8. En slik bølgeenergiopptaksanordning 54 vil ta opp energi fra bølgene uavhengig av hvilken retning de har. For videre overføring av energien kan skovlhjulet 55 stå i forbindelse med ruller eller lignende plassert mellom skovlhjulet 55 og benet 52, der rullene i sin tur står i forbindelse med en generator.

Figur 9 viser en alternativ utførelse av skovlhjulet 55.1 denne utførelsen har skovlhjulet 55 rette skovler 57, som imidlertid er buet på tvers av lengdeaksen. Skovlene 57 er innfestet mellom to ringer 58 og 59 ved en akseltapp 60 ved hver ende av skovlens 57 innerste langside. Ved hver ende av skovlens 57 ytterste langside er det anordnet en tapp 61, som er ført i et spor 62. Derved kan skovlen svinge fra en stilling som vist ved skovlen 57a, der skovlen rager ut fra benet 52, til en stilling vist ved skovlen 57b, der skovlen ligger omtrent parallelt med benets 52 overflate. I eksempelet vist i figur 9 er bølgeretningen vist ved pilen 63. Skovlene 57 som befinner seg på høyre side av benet (sett i pilens 63 retning) vil da legge seg ut slik at de rager ut fra benet 52, mens skovlene 57 som befinner seg på venstre side av benet 52 (sett i pilens 63 retning) vil legge seg omtrent parallelt med benets 52 overflate. Derved vil motstanden fra disse skovlene reduseres. Skovlhjulet 55 vil derved rotere mot klokken (sett ovenfra) uavhengig av strømningsretningen.

Skovlhjulet 55 er opplagret på et antall ruller 64, som i sin tur er opplagret roterbart i braketter 65 festet til benet 52. En generator (ikke vist) kan være anordnet i tilknytning til hver rulle 64.

Claims

1. Anordning for opptak av bølgeenergi, omfattende et flytende legeme (2) som er innrettet til å bevege seg som følge av påvirkning fra bølger, og energioverføringsmidler for å overføre det flytende legemets bevegelse til en generator karakterisert ved at - den ytterligere omfatter en nedsenket beholder (32) som i sin øvre del inneholder gass og som i sin nedre del inneholder vann, der det indre av beholderen (32) har trykkforbindelse med det omgivende vannet, slik at volumet av gassen i beholderen (32) avhenger av trykket som omgir beholderen og således påvirker tyngden av beholderen (32) og dets innhold, - beholderen (32) har en slik forbindelse til det øvrige av anordningen at den beveger seg hovedsakelig vertikalt og i motfase til det flytende legemets (2) vertikale bevegelse når bølger beveger seg forbi anordningen, - der beholderen (32) er forbundet med energioverføringsmidler for å overføre dens bevegelse til en generator.

2. Anordning i samsvar med patentkrav 1, karakterisert ved at beholderen (32) er i form av en sylinder som er lukket i sin øvre ende og åpen i sin nedre ende.

3. Anordning i samsvar med patentkrav 1 eller 2, karakterisert ved at beholderen (32) og det flytende legemet (2) er vertikalt glidbart forbundet til en felles føringsstang (1).

4. Anordning i samsvar med et av patentkravene 1,2 eller 3, karakterisert ved at beholderen er forbundet til energioverføringsmidler omfattende lineærstenger (30).

5. Anordning i samsvar med et av patentkravene 1, 2 eller 3, karakterisert ved at beholderen er forbundet til energioverføringsmidler omfattende i det minste ett endeløst drivbelte.

6. Anordning i samsvar med et av de foregående patentkravene, karakterisert ved at det til hvert energioverførings-middel forbundet med det flytende legemet er tilknyttet separate girsystemer og at når det flytende legemet beveger seg oppover overføres rotasjon av en første omstyringsrulle tilknyttet et første energioverføringsmiddel i en første retning via et første girsystem til en første hjelperulle for rotasjon av denne i den første retningen samtidig som rotasjon av en andre omstyringsrulle i en andre retning tilknyttet et andre energioverføringsmiddel overføres via et andre girsystem til en andre hjelperulle for rotasjon av denne i den andre retningen, og at når det flytende legemet beveger seg nedover overføres rotasjon av den første omstyringsrullen i den andre retningen via et tredje girsystem til den andre hjelperullen for rotasjon av denne i den andre retningen samtidig som rotasjon av den andre omstyringsrullen i den første retningen overføres via et fjerde girsystem til den første hjelperullen for rotasjon av denne i den første retningen.

7. Anordning i samsvar med et av de foregående patentkravene, karakterisert ved at det til hvert energioverførings-middel forbundet med beholderen er tilknyttet separate girsystemer og at når beholderen beveger seg nedover overføres rotasjon av en første omstyringsrulle tilknyttet et første energioverføringsmiddel i en første retning via et første girsystem til en første hjelperulle for rotasjon av denne i den første retningen samtidig som rotasjon av en andre omstyringsrulle i en andre retning tilknyttet et andre energioverføringsmiddel overføres via et andre girsystem til en andre hjelperulle for rotasjon av denne i den andre retningen, og at når beholderen beveger seg oppover overføres rotasjon av den første omstyringsrullen i den andre retningen via et tredje girsystem til den andre hjelperulle for rotasjon av denne i den andre retningen samtidig som rotasjon av den andre omstyringsrullen i den første retningen overføres via et fjerde girsystem til den første hjelperullen for rotasjon av denne i den første retningen.