NO327679B1 - Forankringssystem for et flytende anlegg for energiproduksjon - Google Patents

Abstract

En forankringsanordning for et flytende anlegg for energiproduksjon (10, 20), innbefattende forankringsliner (24a, 24b) som ved sine respektive første ender er tilnyttet respektive ender av anlegget. Forankringslinene (24a, 24b) er ved sine respektive andre ender er tilknyttet hver sin bøye (50, 52) tilpasset for å flyte i en vannflate (S), via respektive tilknytningspunkter (27a, 27b, 27e, 27d) og liner (28) under vannflaten (S), hvorved forankringslinene (24a, 24b) løper hovedsakelig horisontalt mellom anlegget og i det minste ett av de respektive tilknytningspunktene (27a, 27b, 27c, 27d) for bøyene. Forankringslinene (24a, 24b) påfører dermed anlegget (10, 20) hovedsakelig horisontale strekkbelastninger når anlegger er installert i vannet.

Description

Oppfinnelsen vedrører forankring av et legeme som flyter i en vannmasse. Nærmere bestemt vedrører oppfinnelsen en forankringsanordning for et flytende anlegg for energiproduksjon, innbefattende forankringsliner som ved sine respektive første ender er tilnyttet respektive ender av anlegget. Oppfinnelsen har særlig anvendelse i forbindelse med forankring av anlegg for produksjon av energi fra strømninger i vann, særlig strømninger under overflaten i hav, sjøer, elver eller andre vannmasser. Slike strømninger kan f.eks. være forårsaket av havstrømmer, tidevannsvariasjoner og/eller undervannstopografi (f.eks. sund, elveleier eller andre innsnevringer under vann).

Norsk patentsøknad nr. 1999 1984 beskriver et anlegg for produksjon av elektrisk energi fra hav- og elvestrømmer. Anlegget er i sin helhet lokalisert under vannets overflate og omfatter flere turbiner med skovler, et bæresystem, et bardunsystem og en generator. Turbinenes aksler er orientert normalt på vannets bevegelsesretning og skovlene er vingeformet slik at turbinen roterer i den samme retningen, uavhengig av vannets bevegelsesretning. Turbinakslene er opplagret i rammeverk med flytetanker, montert til bære- og opplagringssystemet, anlegget er bygget opp av moduler. Anlegget har positiv oppdrift regulert av flytetankene og et bardunsystem festet under vannoverflaten, slik at anlegget holdes under vannets overflate av bardunsystemet. Anlegget benytter tradisjonelle skovler.

US 4 864 152 beskriver et flytende vannstrømkraftverk som består av en ringpontong som ved hjelp av en pullert er forankret til ankre på bunnen. Alle turbinene kan skiftes ut og er anbrakt på en felles bjelke og kan som en enhet svinges opp til overflaten inne i det området som defineres av ringpontongen. Kraftverket kan bevege seg om pullerten, hvis øverste ende er forbundet med en forpontong og hvis nederste ende er fastgjort til ankrene.

U.S. Patent 5,440,176 beskrives et nedsenkbart vannturbinanlegg som omfatter turbiner/generatorer i ulike kombinasjoner opphengt under en nedsenket plattform av strekkstagstypen.

US 3 726 247, US 4 509 448, NL 1 027 287 og EP 0 950 812 beskriver alle ulike forankringssystemer for flytende innretninger.

Nok et eksempel på et flytende tidevannskraftverk er omtalt i søkerens egen internasjonale patentsøknad PCT/NO02/00249 (Internasjonalt publikasjonsnr. WO 03/006825 Al). Dette anlegget innbefatter en plattform med et antall oppdriftselementer, fortrinnsvis ett i hvert hjørne av plattformen. På den måten ivaretas kravet til stabilitet både sideveis og langskips, med minimum av deplasement. Et antall bærearmer strekker seg ut fra plattformen til hver side og holder hver et generatorhus. Bærearmene er hengslet ved innfestingspunktet i plattformen.

De kjente anlegg er hovedsakelig utformet med tanke på plassering i kystnære farvann, der vind- og bølgekrefter er svakere enn de kan være i åpent hav. Det ligger imidlertid et betydelig energiutvinnings-potensiale i å plassere energianlegg til havs eller i andre krevende omgivelser. Det er derfor behov for et anlegg for produksjon av energi fra strømninger i vann som kan tåle større miljøkrefter en hittil kjente anlegg. Norsk patentsøknad nr. 20070228 beskriver et anlegg for produksjon av energi fra strømninger i vann, innbefattende en struktur for nedsenkning i vannet og et flertall turbinmoduler som er tilknyttet strukturen. Anlegget omfatter et flertall søyler som ved sine respektive ene ender er tilknyttet strukturen og forøvrig glidbart forbundet med et oppdriftselement, og hver søyle kan selektivt og frigjørbart festes til oppdriftselementet.

Anlegg installert til havs er imidlertid utsatt for store dynamiske laster påført av vannbølger og vind. I det ovenfor nevnte anlegget for installasjon til havs, kan den delen av oppdriftselementet som befinner seg over vannflaten påføres bølge- og vindlaster slik at hele anlegget kan settes i forholdsvis store bevegelser, særlig om anleggets tverrakse. Dette gir strukturmessige utfordringer og har også en ugunstig virkning på turbinenes effektivitet. Det er derfor behov for et anlegg og et forankringsarrangement som i mindre grad er følsomt for store miljøkrefter.

Ifølge oppfinnelsen er det således tilveiebrakt en forankringsanordning for et flytende anlegg for energiproduksjon, innbefattende forankringsliner som ved sine respektive første ender er tilnyttet respektive ender av anlegget, kjennetegnet ved at forankringslinene ved sine respektive andre ender er tilknyttet hver sin bøye forankret til en bunn under vannmassen og tilpasset for å flyte i en vannmasse, og at forankringslinenes andre ender er tilknyttet de respektive bøyene på et nivå i vannmassen som tilsvarer det nivå i vannmassen der forankringslinenes første ender er tilknyttet det flytende anlegget, hvorved forankringslinene løper mest mulig horisontalt eller tilnærmet horisontalt i vannet

I en utførelsesform er forankringslinenes andre ender tilknyttet de respektive bøyene via respektive tilknytningspunkter og liner i vannmassen.

Forankringslinene påfører anlegget hovedsakelig horisontale strekkbelastninger når anlegger er installert i vannet.

Bøyene er tilknyttet respektive ankre på bunnen under vannflaten via forankringsliner.

Utførelsesformer av oppfinnelsen fremgår av de vedlagte patentkrav, samt av den følgende beskrivelse under henvisning til de vedlagte tegninger. Det skal forstås at tegningene kun viser typiske utførelseseksempler, uten at de dermed skal oppfattes å begrense oppfinnelsen. I tegningene er like deler angitt med like henvisningstall, som også vil bli benyttet i det etterfølgende.

Figur 1 er en prinsippskisse av fortøyningssystemet ifølge oppfinnelsen.

Figur 2 er en prinsippskisse av fortøyningssystemet tilsvarende det som er vist i figur 1, der flere anlegg er koplet sammen i serie. Figur 3 er et perspektivriss av en utførelsesform av et anlegg som kan benyttes sammen med fortøyningssystemet ifølge oppfinnelsen.

Anlegget er tilpasset for delvis nedsenkning i vann under en overflate S. Anlegget omfatter et første legeme 10 som fortrinnsvis er en undervannsstruktur og et andre legeme 20 som fortrinnsvis er en oppad-ragende struktur som vist i figur 3, der det fremgår at en del av det andre legemet 20 rager opp over vannflaten S når anlegget er plassert i en driftsstilling i sjøen. Figur 3 viser en utførelsesform der strukturene 10, 20 er skrogformede legemer.

Det andre legemet 20, som heretter vil bli omtalt som et tårn 20 kan også innbefatte kontrollrom 31 og øvrig utstyr og fasiliteter for drift av anlegget, herunder ballasttanker (ikke vist) og adkomstkanaler (ikke vist) til undervannsstrukturen 10.

Til strukturen 10 er det anordnet utragende bærearmer 40. Som figurene viser er bærearmene fortrinnsvis anordnet til respektive motstående sider av strukturen 10. Bærearmene 40 er i figurene vist som fagverksstrukturer, men fagpersonen vil forstå at andre konstruksjoner er mulige. Ved hver av de respektive bærearmenes 40 ytre ender er det anordnet respektive turbinmoduler 750.

Med "turbinmodul" skal det i denne sammenheng forstås en modul som innbefatter en eller flere turbiner 400, maskinhus 752 evt. med akslinger for tilkopling til turbinene, nav, pitchreguleringssystem etc., samt annet nødvendig innhold for å kunne produsere energi fra strømninger i vann.

En turbin 400 kan innbefatte ett, to, tre eller flere individuelle turbinblader, som fagpersonen vil forstå. I det etterfølgende vil "turbin" bli benyttet som en fellesbetegnelse, uavhengig av antall turbinblader.

Figur 3 viser turbinmoduler 750 med to turbiner 400, fortrinnsvis anordnet en i hver ende av hvert sitt maskinhus 752.1 denne konfigurasjonen kan de to turbinene anordnes slik at de er kontraroterende.

Maskinhusene 752 kan, avhengig av den generatorløsningen som velges, romme bl.a. hydrauliske turbiner (pumper) som via ledninger driver respektive hydrauliske el-generatorer. El-generatorene kan for eksempel være plassert på i tårnet 20 eller i undervannsstrukturen 10.1 en annen variant kan maskinhusene 752 romme konvensjonelle generatorer som produserer elektrisk kraft ved rotasjon, på en måte som vil være kjent for fagpersonen. I nok en variant kan maskinhusene 752 romme kontraroterende generatorer, f.eks. som beskrevet i norsk patentsøknad 2002 0800.

Tårnet 20 er vist som et hovedsakelig rørformet element med avsmalnede partier 22, motsatt rettet langs anleggets lengdeakse. Andre tårn-tverrsnittsformer (f.eks. ellipse, rektangel) og konfigurasjoner (f.eks. fagverk) skal imidlertid anses å favnes av den foreliggende oppfinnelse, dersom de fyller tilsvarende funksjon. De avsmalnede partiene 22 virker motstandsreduserende når anlegget er utsatt for vannstrømninger, i tillegg til at de vil bidra til å avvise gjenstander som driver mot anlegget.

Figur 3 viser en utførelsesform av oppfinnelsen der undervannsstrukturen 10 et forsynt med en kjøl 14. Kjølen 14 kan med fordel være utstyrt med en ekstra vekt. Undervannsstrukturen 10 kan også være utstyrt med stabilisatorer 12, parvis anordnet ved respektive ender av strukturen 10, som illustrert i figur 3. Stabilisatorene 12 kan være faste eller roterbart monterte til strukturen 10.

Når anlegget er i vannet, kan det forankres til f.eks. havbunnen via ankerkjettinger (eller -liner, -kabler, eller -trosser, etc.; heretter: forankringsliner) som er festet til anlegget på en i og for seg kjent måte. I figurene er forankringsliner 24a, 24b festet til respektive ender av undervannsstrukturen 10. Figur 3 viser deler av forankringslinene 24a, 24b. Ytterligere detaljer vedrørende manøvrering og låsing av forankringslinene til anlegget er utelatt av hensyn til illustrasjonens tydelighet, og ettersom disse detaljene er kjent teknikk. Likeledes er innfestning av kabler for eksport av elektrisk kraft og for styring av anlegget utelatt, ettersom dette er løses på en måte som er kjent for fagpersonen.

Både undervannsstrukturen 10 og tårnet 20 rommer fortrinnsvis ballasttanker (ikke vist) slik at heving, senking, og posisjonering av anlegget kan styres ved hjelp av ballastering og de-ballastering av disse tankene.

Som figurene viser er bærearmene 40 fortrinnsvis montert tilnærmet rettvinklet i forhold til undervannsstrukturen 10. Selv om dette er et foretrukket arrangement, skal imidlertid ikke oppfinnelsen være begrenset til et strengt rettvinklet forhold mellom bærearmer og undervannsstruktur. Fagpersonen vil forstå at bærearmene også kan monteres med moderat v-form; dette kan redusere behovet for å vippe anlegget ved service, når undervannsstrukturen 10 heves opp til eller over vannets overflate S. Dette vil imidlertid kreve større styrke i bærearmene og ekstra oppdriftskapasitet i anlegget for å løfte turbinmodulene opp over vannflaten S.

Det vises nå til figur 1, som viser forankringssystemet ifølge oppfinnelsen og viser dette sammen med anlegget når dette er plassert i vannet. Anlegget 10, 20 er vist i en driftstilstand, der undervannsstrukturen 10 er neddykket og tårnet 20 rager delvis opp over vannflaten S.

Forankringslinene 24a, 24b er ved sine første ender tilknyttet respektive ender av det flytende legemet 10. Forankringslinenes 24a, 24b respektive andre ender er tilknyttet hver sin bøye 50, 52 som begge er vist flytende i vannflaten S. Bøyene er forankret til havbunnen B ved hjelp av nedre forankringsliner 26a, b, c tilknyttet respektive ankre 29a, b, c. Som figur 1 viser, kan forankringslinene 24a, 24b med fordel være tilknyttet bøyene 50, 51 via hensiktsmessige tilknytningspunkter 27a, 27b, 27c, 27d og liner 28, hver med hensiktsmessige lengder. På denne måten er forankringslinenes 24a, 24b respektive andre ender tilknyttet tilknytningspunktene 27a, 27b, 27c, 27d på et nivå under vannflaten S som hovedsakelig tilsvarer det nivå under vannflaten S der forankringslinenes 24a, 24b første ender er tilknyttet legemet 10.

Fagpersonen vil forstå at linenes 28 lengder kan være forskjellige (som antydet i figur 1), samt at linenes lengder må tilpasses det aktuelle flytende legeme som skal forankres. Det vil si at linenes lengder kan - i det eksempelet som er vist i figur 1 - være flere meter, og at behovet for linene 28 (og derved tilknytningspunktene 27a, 27b, 27c, 27d) i praksis faller bort i de tilfellene der forankringslinene 24a, 24b er forankret til legemet 10 for eksempel i eller ved vannflaten; i sistnevnte tilfelle vil forankringslinenes (24a, 24b) respektive andre ender tilknyttet bøyen 50, 52 direkte. Ved forankringssystemet ifølge oppfinnelsen sikres det at forankringslinene 24a, 24b løper mest mulig horisontalt i vannet. Slik utsettes det flytende legemet, for eksempel anlegget 10, 20, i for hovedsakelig horisontale strekkbelastninger og anlegget blir liggende mest mulig horisontalt i vannet. Dermed unngås den vertikale kraftkomponenten som er vanlig ved bruk av konvensjonell forankring. Kombinert med tårnets 10 hensiktsmessige form, bidrar dette forankringssystemet til at anlegget i liten grad pitcher i vannet, selv ved grov sjø.

Et sentralt aspekt ved det foreslåtte bøyeforankringssystemet er at ankerlinen som holder anlegget i posisjon når det er i drift (for eksempel produksjonslast/drag ca. 160 til 180 tonn statisk + dynamisk tillegg) ikke gir en vesentlig vertikal lastkomponent på anlegget 10, 20. Eksempelvis vil et strekk i forankringslinen 24a, 24b på ca. 200 tonn, med en vinkel mellom den nedre forankringslinen 26a eller 26b, c og havbunnen på ca. 20 grader og en total forankringsline-lengde på ca. 150 meter, gi behov for ca. 70 tonn oppdrift i bøyen. Eksempelvis kan bøyen 50, 52 dimensjoneres slik at oppdriften er 70 tonn når den bryter vannflaten S. Videre er det vesentlig å merke seg at bøyen har tilnærmet samme oppdrift hele tiden, selv om den eksempelvis skulle komme 3 meter under vannflaten S. Men om så skjer, eksempelvis ved at krefter øker over antatt maks, så vil samtidig vinkelen mellom forankringsline inn til anlegget og ned mot bunnen B reduseres, kanskje til ca. 16 grader. Dermed vil også behov for oppdrift i bøyen reduseres til ca. 60 tonn. Vinkel inn på anlegget vil endres med kun ca. 1,25 grader forutsatt ca 100 meter avstand mellom anlegg og bøye. Altså er systemet unikt da krav til oppdrift i bøye reduseres med minkende vinkel.

Figur 2 viser en serie arrangement som i figur 1, koplet sammen i en rekke. Anlegg 10', 20' er installert i serie oppstrøms eller nedstrøms av anlegget 10, 20 beskrevet over. Anlegget 10', 20' er via forankringslinen 24a' tilknyttet den nedre forankringslinen 26b' og ankeret 29b' via tilknytningspunktet 27a til bøyen 52. På anleggets 10, 20 venstre side indikerer en forankringsline 24b" at et tilsvarende anlegg er montert på anleggets 10, 20 venstre side. På denne måten kan flere anlegg koples i serie, med minimum en bøye på hver side av hvert anlegg og minimum ett anker videre i hver retning. Alternativt kan det ut fra bøyen i hver retning anvendes flere ankere. Dette vil gi mindre sideveis avdrift.

Alternativt kan flere kraftverk på en rekke kombinere bruk av kun en bøye mellom kraftverkene - da det kun er strekk i strømretningen, og som snur ca. hver sjette time. For å unngå at fortøyninger gnager mot hverandre i en slik kombinasjon, kan det være ideelt å bruke kun et anker i den ene veien og eventuelt to i den andre retningen. Se figur 2.

Som forankringsliner kan benyttes kombinasjoner av kjetting, stålvire og kunstfibertrosse.

Claims (5)

1. Forankringsanordning for et flytende anlegg for energiproduksjon (10), innbefattende forankringsliner (24a, 24b) som ved sine respektive første ender er tilnyttet respektive ender av anlegget,karakterisertv e d at forankringslinene (24a, 24b) ved sine respektive andre ender er tilknyttet hver sin bøye (50, 52) forankret til en bunn (B) under vannmassen og tilpasset for å flyte i en vannmasse, og at forankringslinenes (24a, 24b) andre ender er tilknyttet de respektive bøyene (50, 52) på et nivå i vannmassen som tilsvarer det nivå i vannmassen der forankringslinenes (24a, 24b) første ender er tilknyttet det flytende anlegget (10), hvorved forankringslinene (24a, 24b) løper mest mulig horisontalt eller tilnærmet horisontalt i vannet

2. Forankringsanordning ifølge krav 1,karakterisertved at, forankringslinenes (24a, 24b) andre ender er tilknyttet de respektive bøyene (50, 52) via respektive tilknytningspunkter (27a, 27b, 27c, 27d) og liner (28) i vannmassen.

3. Forankringsanordning ifølge kravene 1 eller 2,karakterisert vedat forankringslinene (24a, 24b) hovedsakelig påfører anlegget (10) horisontale strekkbelastninger når anlegger er installert i vannet.

4. Forankringsanordning ifølge ett hvilket som helst av de foregående krav,karakterisert vedat bøyene (50, 52) er tilknyttet respektive ankre (29a, 29b, 29c) på bunnen (B) under vannflaten via forankringsliner (26a, 26b, 26c).

5. Anvendelse av forankringsanordningen som angitt i de foregående krav, til fortøyning av en anordning for produksjon av energi fra strømninger i vann innbefattende et første element (10), et andre element (20) og et flertall turbinmoduler (750) tilknyttet det første elementet og der det første elementet er tilpasset for nedsenkning under en vannflate, og det andre elementet er montert på det første elementet og rager opp fra det første elementet når dette er nedsenket i vannmassen, og der en øvre del av det andre elementet rager opp over vannflaten når anlegget er i produksjon.