NO792610L - Boelgekraftverk. - Google Patents

Description

Blant de rene og ikke-fqrbrukbare energi-

kilder er havets bølger en.av de største og mest verdifulle. Generert effekt kan mates inn i allmene distribusjonsnett eller nyttes for produksjon i direkte tilknytning til et bølgekraftverk.

Halvparten av energien i bølgene vandrer frem-

ad når de fortsetter i sjøhevingen og denne potensielle energiandel kan utnyttes i et bølgekraftverk mens den andre del, den kinetiske energi i vannmassene, opprettholder bølge-bevegelsen uten energitransport i bølgeretningen.

Det har allerede langt tilbake i tiden vært foreslått forskjellige anordninger for å utvinne energi fra bølger ved å utnytte bølgenes løftende kraft for å bringe flytelegemer eller lignende til å bevege seg kontinuerlig oppad og nedad eller ved å utnytte bølgenes fremaddrivende kraft for å bringe, skovler eller lignende til å bevege seg kontinuerlig i-en endeløs bane eller ved å utnytte bølgenes trykk for vekselvis å komprimere eller ekspandere' elastiske puter.

Den omstendighet at havbølgenes energiinnhold opptrer som lavenergi pr. masseenhet, som dog på grunn av de store vannmasser som deltar i bevegelsen, adderes til en betydelig energistrøm gjennom hvert vertikalplan i de fremad-skridende bølgers vei, har ikke vært utnyttet for energi-, frembringelse i tidligere forslag. Heller ikke har man basert energiutvinningen på systematisk å motvirke vann-partiklenes hastighet inne i en sammenhengende vannmasse med kreftér som avtapper den hydrodynamiske energi i hele denne vannmengde. Da man heller ikke har tatt hensyn til at vann-

transporten i dyphavsbølger er ubetydelig og kun i liten

grad påvirker bølgeenergien, kan den naturtilgang som bølge-energien utgjør utnyttes rasjonelt først i og med foreliggende oppfinnelse.

Ifølge oppfinnelsen anordnes i. prinsippet, store, vertikale plater eller skjermer, dempere,, som stort sett flyter under vannflaten og er orientert vinkelrett mot bølgeretningen og mer eller mindre parallelt.med den hoved-sakelige bølgefront. Demperne holdes på plass ved forankring med tilstrekkelig elastisitet for at de ikke skal slites løs ved unormale påkjenninger. Det er anordnet svingbare elementer, svingere, som samvirker med demperne og som ved sin bevegelse påvirker hydrauliske sylindre for over en hydraulisk motor å generere elektrisitet.

For å unngå pumpevirkning i vannet mellom svingeren og demperen utformes svingerens bakre flate buet, fortrinnsvis sylindrisk, med sylindersentrum i svingerens lagringspunkt. Ved bølger betydelig større enn normalt kan svingerens evne til å bevege seg og fortrenge vann under bibeholdelse av sylindersentrum i lagringspunktet, bli util-strekkelig for effektiv utnyttelse av bølgeenergien. For å kompensere dette lagres svingeren hensiktsmessig i det faste lager på demperen dels med en fast forbindelsesarm, dels med en lengdeinnstillbar forbindelsesarm, hvorved flatens krumningssentrum kan bringes til å avvike fra lagringspunktene'. Riktignok fremkommer derved en pumpevirkning i vannet

mellom svingeren og demperen, men denne ér av liten betydning.' sammenlignet med fordelene for effektivt å ta vare på de store bølgers energi. Den mekaniske energi i relativbe-vegelsen mellom svingere og dempere, overføres til trykkenergi i hydrauliske sylindre. Oljen fra disse driver en hydraulisk motor hvis radianvolum styres med en servoventil og en strøm-stiller. Uttrykket "radianvolum" anvendes i foreliggende be-skrivelse for å betegne den oljemengde som går gjennom en hydraulisk motor i løpet av den tid motorakselens vinkel^-rotasjon er i radian.

Herved.kan man ved en viss gjennomsnittelig bølgestørrelse, dvs. en viss gjennomsnittelig energitil-førsel, holde den hydrauliske motors dreietall hovedsakelig konstant. Den hydrauliske motor driver i sin tur en elektrisk generator, forsynt med svingehjul.

Por effektivt å kunne ta vare på bølgeenergien

er det viktig at svingeren beveger segpå riktig måte i forhold til den i hvert tilfelle innkommende bølge. Selv ved en viss gjennomsnittsstørrelse varierer de enkelte bølger betydelig slik at svingeren kan komme i utakt og.derved ned-

sette effektutbyttet. Por å unngå dette, kan det fremfor svingeren plasseres en føler som kontinuerlig måler vannflatens høyde og avgir målesignaler til en datamaskin, På basis av signalene kan datamaskinen beregne bølgens form og sammen-

ligne svingerens virkelige bevegelse med bør^bevegelsen fra bølgen. Ut fra disse verdier kan datamaskinen styre det hydrauliske system for fra generatorens svinghjul å få det eriergitilskudd som behøves for momentant å akselerere eller å retardere svingeren. Gjennom dette kan svingerens bevegelser stort sett tilpasses de i hvert tilfelle forekommende bølger.

Et foretrukket utførelseseksempel av et bølge-kraftverk ifølge oppfinnelsen beskrives utførligere i forbindelse med de etterfølgende tegninger hvor

fig..1 skjematisk.viser et bølgekraftverk med forankring,

fig. 2 en basisenhet i bølgekraftverket sett ovenfra,

fig. 3 et snitt gjennom fig. 2 langs linjen

III-III,

fig. 4 et blokkskjema for styringen,

fig. 5 en sammenkopling mellom to basisenheter,

og

fig. 6 en modifisert utførelse ifølge opp** finnélsen.

I fig. 1 vises hvordan et antall basisenheter 1 ved hjelp av elastiske koplinger 2 er forbundet til selve energiomvandleren i form av en lang bjelke 3 som med forankringsliner 4,5 er forankret i havbunnen-med anker 6

eller lignende. For å få en viss elastisitet i forankringen og derved noe ettergivende ved momentane, store påkjenninger, forsynes linene 4,5 hensiktsmessig med bøyer 7-

Hver basisenhet består av en rørformet del 8 med stort deplasement, som strekker seg over hele basisen-hetens bredde og som i endene er forsynt med koplinger 9

for forbindelse med hosliggende basisenhet. Et mindre deplasementsrør 10 er fast forbundet med røret 8 gjennom av-stands jern 11 og likeledes forsynt med koplinger .9 i endene for sammenkopling med hosliggende basisenhet. En skjerm eller flate 12 strekker seg fremad^nedad fra røret 8 samt over enhetens hele bredde, og tjener som demper for en bølge-bevegelse. For å få en høy virkningsgrad er det viktig at denne skjerm 12 gjør så små bevegelser som-mulig, dvs. at bølgen etter energiomvandleren 3, får så lite energiinnhold som mulig. Platen 12, demperen, bør derfor ha en så stor flate og strekke seg så dypt ned i vannet at store vannmasser deltar i og bremser opp dens bevegelse. Platen 12 gjøres hensiktsmessig buet av konstruksjonsgrunner for å gi stor styrke og stivhet med la-vt materialforbruk.

Foran demperen 12 er det anordnet et svingbart element 13s svingeren, og som med faste armer 14 og hydraulisk justerbare armer 15 er lagret på en aksel 16 festet på bukker 17 på demperens 12 fremside. Ved at de faste armer 14 er rettet skrått innad mot svingerens midte, hindres den i å

bli forskjøvet langs bølgefronten, og videre fåes en viss vridbarhet i svingeren som kan være av verdi når den ikke er helt parallell med bølgefronten. Over en pumpesylinder 18

er svingeren 13 også forbundet med demperens 12 fremside slik at svingning.sbevegelsene gir en pumpevirkning som, kan omvandles til f.eks. elektrisk energi med hydrauliske motorer og elektriske generatorer hensiktsmessig anordnet inne i røret 8. Svingeren 13 gjøres hensiktsmessig kortere enn demperen 12, f.eks. slik at tre svingere sitter ved siden av hverandre foran demperen i hver basisenhet. Svingeren 13 er hensiktsmessig kileformet med fremre flate 19 og en.bakre flate 20 og forsynt med vannballast innvendig. Den bakre flate 20 er sylindrisk buet med senter i lagringsakselen 16 når armene 15 er i normalstilling. Flaten -20'får på denne måte ingen pumpevirkning i omvandleren. Ved å endre inn-* stillingen på armene 15 kompenseres som ovenfor nevnt for av-vikende bølgestørrelser.

Den fremre flate 19 er formet slik at den

styrte bevegelsen for en vanlig bølgetype fortrenger vann på lignende måte som en i vann nedsenket folie ville gjøre når bølgebevegelsen men ingen vannstrøm, passerer gjennom.

Bevegelsen til svingeren styres som vist av blokkskjemaet i fig. 4.

Fra en føler 21 foran svingeren 13 mates impulser.evtil.en datamaskin 22 som beregner bølge-karakteristikken og avgir et signal e ■ til den elektrohydrauliske servoventil i motorstilleren 23 for den hydrauliske motor 24, Derved frembringes to'oljestrømmer Q s med hastighet Q ssom forflytter stemplene i motorstillerens sylindre med hastige heten

idet betegner motorstillerens stempelareål. Signalet eg • multipliseres først med en overføringskvotient servoventilen.s maksimale gjennomstrømning dividert med signalets maksimalverdi. Integrering av stempelhastigheten med hensyn på tiden gir stempelstillingen x r som tilbakekoples til datamaskinen 22 som .signalet e^ etter multiplisering med over-før ingskvot i ent en

signalets maksimalverdi dividert med stempelets maksimale stilling.

Multiplisering av x rmed

kvotienten mellom det maksimale radianvolum og den maksimale stempelstilling gir den hydrauliske motors 24 momentane radianvolum Qr. Den hydrauliske motors moment er likt med

produktet til det momentane radianvolum Q r og oljetrykket

p. Den hydrauliske motor driver den elektriske generator

25 fra hvilken det uttas en effekt pel- Den til generatoren

inngående mekaniske effekten Pme^. divideres med den momentane rotasjonshastighet 4' , og gjennom subtraksjon av det opp-

nådde generatormoment M ofra den hydrauliske motors moment M, fåes det moment M som påvirker svinghjulet 26.

il s v

Divisjon av M med svinghjulets polare treg-

sv • ..

hetsmoment I ^. gir vinkelhastighetens tidsderivata V , vinkelakselerasjonen, og gjennom tidsintegrering av denne fåes avvikelsen A f fra den innstilte normalrotasjonshastig-heten f ^. Addisjon av Af og<1>^, gir den virkelige rotasjonshastighet som dels utnyttes for å oppnå generator-

momentet, dels multipliseres med Q for å gi Q, som er volum-str.ømmen gjennom systemet.

Med en tachometergenerator 27 overføres som

et tilbakekoplingssignal ey til datamaskinen.

Fra pumpesylinderens 18 stempelareal A c og oljestrømmen Q gjennom systemet fåes stempelhastigheten xc i sylinderen 18, og integrering av xcgir stempelstillingen xcJ som tilbakekoples til datamaskinen som signalet ec<

Videre multipliseres xq med forholdet k mellom lengdene på svingerens 13 svingningsradius 14,15 og pumpesylinderens 18 svingningsradius for å gi svingerens 13 til-svarende bevegelse x^..

De innkommende bølgers bevegelse x frembringer .. signalet e v i føleren 21 til datamaskinen, og fra x vog x, fremregnes endog kraften F^på svingeren. F^multipliseres med forholdet k for å gi kraften F c på sylinderen, og Fc multipliseres med referanseverdien for sylinderkraften

for å gi signalet ep til datamaskinen. Ved å dividere kraften Fc med stempelarealet Ac fåes trykket p, hvilket som ovenfor nevnt multiplisert med Q gir M^.

Fra datamaskinen utgår foruten signalet eg

også et signal e£for regulering av det elektriske uttak.

Por tydelighets skyld er i beskrivelsen av styringen, tapene i systemet oversett, og prosessen er kun klargjort rent prinsipielt.

Bølgenes energistrøm er pulserende innen visse grenser, og den viktigste periodisiteten er lang, fra 1-2 sekunder opp til 10-20 sekunder. Et svinghj.ul er derfor nødvendig for at systemet skal fungere. Vanligvis holder bølgenes gjennomsnittlige energiinnhold seg konstant i ganske lang tid, flere timer, men endringer skjer av og til, Når bølgene endrer karakter justeres derfor normalverdien for rotasjonshastigheten f gjennom automatisk regulering

av variasjonsområdet for Q . Dette gjøres, ved at datamaskinen regner e s på forskjellig vis.

Videre kan uttaket av elektrisk effekt variere, og hvis det blir for stort eller for lite, så påvirkes om-dreiningstallet av dette. Datamaskinen avgir derfor regu-leringsimpulser e, E- j, som styrer uttaket av elektrisk effekt,

Den styrte kraftoverføringen baserer seg på

at pumpesylinderens 18 stempelbevegelse praktisk talt kun, har forbindelse med den roterende hydrauliske motors radianvolum ganger vinkelhastigheten, men er uavhengig av belast-ningen, dvs. det hydrauliske trykk, og. på at energi akkumuleres i og avgis fra det svinghjul som er tilsluttet den elektriske generator og den hydrauliske motor og som holder ulikhetsgradene innen tillatelige grenser. Virkningen er således i prinsippet den samme som ved svinghjulet i en vanlig firetakts forbrenhingsmotor. Sylinderen eller sylindrene 18 er dobbeltvirkende og gir og tar like mye olje i ubelastet tilstand og i alle stempelstillinger.-. Sylinderen er med slanger og rør koplet til den hydrauliske motor, og dennes radianvolum reguleres ved hjelp av en elektrohydraulisk servoventil og en hydraulisk motorstrømstiller. Til samme generator kan et flertall svingere tilknyttes, f.eks. fire sylindre med hydrauliske motorer fra svingere i samme basisenhet .

Gjennom styringen av svingeren kan de inn"!-'kommende bølger bevege seg uforstyrret frem til den fremre flate, på svingeren, hvorpå de på den beskrevne måte, omvandles til mekanisk energi som over pumpesylindere 18,

hydrauliske motorer 24 og elektriske generatorer 25 samt svinghjul 26 omvandles til og nyttiggjøres som elektrisk energi.

For en trokbidbølge blir den frem- og tilbake-s<y>ingende vannmengde pr., meter bølgebredde

Q = —, hvilket for X=25m og H=2m gir Q=7,96 m<3>/m.

2w

Da svingerens dypvirkning er begrenset, kan man

regne med vannmengden

I dette tilfellet fortrenger altså svingeren på nedadgående, ca. 4 m^/m når vannet i bølgedalen trekker seg tilbake og gir plass til samme mengde når vannet i bølgetoppen trenger på.

For mindre bølger reduseres svingningsampli-tuden, men for bølger betydelig større enn normalbølgen, jekker amplituden med normallengden på armen .15, ikke til. Ved justering, f.eks. hydraulisk, kan man imidlertid øke Q-^ slik at omvandleren kan oppta større energi.

Bølgekraftverket forankres i avstand fra kysten, fra noen få km og opp til noen titalls km, på et bunndyp som ikke bør være for lite og som kan være opp til 100-300 m og til og med mere. Forankringslinene må ha sterkt feste i bunnen og tillate vridning omkring ankringspunktet slik at bølgeomvandleren kan innstilles mot den i hvert tilfelle fremherskende bølgeretning. Fra selve ankeret trekkes et fåtall liner eller lineknipper 5 frem til forgreningspunkter 7 fra hvilke et større antall liner 4 trekkes frem til bølgekraft-verket, f.eks. en line for hver tredje eller hver fjerde basisenhet. Linelengdene avpasses slik at deres bøyende inn-virkning på omvandleren 3 blir et minimum. Bøyer festes i forgreningspunktene 7 for at når linene strekkes under trekk-kraften fra omvandleren, skal disse synke ned under flaten og. gi tilstrekkelig fjæring for-å møte sjøgang.

For innstilling av bølgekraftverket vinkelrett mot den fremherskende bølgeretning kan den forsynes med en eller flere styrepropellere.

Kreftene fra ankerlinene og dermed påkjenninger på.den av basisenheter sammensatte bjelke 3 blir betydelige ved høy sjøgang, da bjelken utsettes for. store horisontale momenter. Flyteevnen til deplasementrørene,først og fremst røret 8, og demperens tyngde hindrer vanligvis bjelken i å bøye seg oppad eller nedad, men der faren for knekking er stor, kan en tredje kopling monteres mellom de to andre koplingene mellom 8-8 og 10-10 og under disse. Det er nød*» vendig å gjøre koplingene mellom basisenhetene elastiske, og. man kan for dette anvende stålfjærer, hydrauliske fjærer eller pneumatisk fjæring.. Hydrauliske fjærer stiller seg betydelig mer fordelaktig med hensyn til vekt og plassbehov enn stålfjærer, men krever mange leddlagre og korrusjonsbe-skyttelse. i sjøvann. En har derfor funnet det mest fordelaktig å forbinde basisenhetene 'over pneumatiske koplinger..

I fig. 5 vises en slik kopling der det som fjærende element anvendes enten en .spesielt utf.ormet og armert ring av gummi 28, f.eks. et bildekk av hensiktsmessig størrelse eller av annet sterkt og elastisk materiale. Ringen er lufttett montert mellom to skiver 29 og 30, og to stål-ringer 31,32 er tredd på hver sin flens på skivene 29 og 30. Et system med strekkbolter eller linestropper 33 kopler sammen skiven 29 med ringen 32 og et lignende system J>h holder sammen skiven 30 og ringen 31. Ringene 31 og 32 er festet i hver sin basisenhet.

Når koplingen utsettes for trykk eller strekk, presses, skivene imot hverandre og initialtrykket inne i gummiringen stiger. Likeledes kan koplingen yte fjærende motstand mot skrå trykk- eller trekkrefter som vist i fig. 5-En kopling av dette slag kan også i viss grad oppta torsjons-moment. Som en sikkerhetsforanstaltning mot. punktering kan trykkrommet endog forsynes med en innelukket gummiblære 25.

Ifølge en spesiell utførelsesform av oppfinnelsen som vist i fig. 6, er svingeren utformet som en belg som sammentrykkes og ekspanderes av de innkommende bølger. På samme vis som i den foran beskrevne utførelse, bæres anord-ningen av to deplasementlegemer 8,10, en på disse fast montert demper 12 samt en svinger. Svingeren er i dette tilfellet montert på demperen med sin underkant lagret ved 36 på demperen 12. Svingeren består av en fremre bevegelig skive 37 som svinger innen området 38-39, og dens.bevegelse er kinematisk koplet over et armsystem 40 til pumpesylinderen 18,

Dreiesenteret 36 og 41 er fiksert i demperen 12. Dobbeltstemplet i pumpesylinderen 18 styres på samme måte som ved systemet med svingeren 13, av bølgebevegelsen, kraftoverføringen er likedan, og det roterende maskineri er plassert i deplasementrøret 8. Bak skiven 37 finnes et luftrom dannet av en belg 42 mellom skiven 37 og demperen 12, Via kanalen .43 langs svingebelgens hele bredde står rommet i forbindelse med den ytre luft. Dypgåendet justeres med vannballast i rommet.

Claims (9)

1. Bølgekraftverk bestående av ved siden av hverandre anordnede basisenheter (1) med forankringsanordning-er (4,5), idet hver basisenhet omfatter et med bølgene bevegelig element (13)., et. dermed samvirkende, fast element (12),' og et hydraulisk-elektrisk system (18,23,24,25,26) for om-vandling av det bevegelige elements bevegelser i forhold til det faste- element', til elektrisk energi, karakterisert ved at det bevegelige element utgjøres av et-deplasementlegeme (13) hvis fremre, mot bølgefronten vendte flate (19) ved sin bevegelse gir plass for den vannmasse som. beveger seg med en bølge og ved sin tilbakegang fyller opp det rom som frigjøres når vannet beveger seg mot bølgen, at det faste element består av deplasementrør(8,10) fast forbundet med hverandre (11) og med en hovedsakelig vertikal skive (12) som er tilstrekkelig stor og strekker, seg tilstrekkelig dypt for å fremby stor motstand mot bevegelser i vannet, og at lagringsanordninger (14,15,16,17) er anordnet for svingbar fastsetting av det bevegelige element.(13) til det faste element (12).

2. Bølgekraftverk ifølge krav .1, karakterisert ved at det bevegelige elements bakre flate (20) er sylindrisk buet om en bueakse med senter i lagringsakselen (16) på det faste element (12).

3. Bølgekraftverk ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at lagringsanordningene består av minst en fast arm (14) og minst en lengdeinnstillbar arm (15) lagret i vertikal avstand fra hverandre på det bevegelige elements bakre flate (20) og på samme aksel (16) på det faste elements (12) fremre flate, hvorved flatens(20) ' buesenter kan bringes i en stilling som avviker fra svinge-sentere.t (16 ) ..

4. Bølgekraftverk ifølge krav 1, karakterisert ved at det bevegelige element (37) er anordnet ovenfor det faste element (12) og består av en skive (37) svingbar mellom to stillinger (38,39) omkring en lagringsaksel (36) på det; faste element, idet mellomrommet mellom skiven (37) og det faste element (12) er atskilt, fra vannet med en belg (42) men åpent mot luften gjennom en kanal ( 43), og at et armsystem (40). er anordnet til . ved skivens (37) bevegelser å bringe den hydrauliske sylinderen (18) til å pumpe olje til den hydrauliske motor (24).

5. Bølgekraftverk ifølge, hvilke som helst av de foregående krav, karakterisert ved at det hydraulisk-elektriske system omfatter den dobbeltvirkende hydrauliske sylinder (18) montert mellom det faste og det bevegelige element, en roterbar hydraulisk motor (24) med variabelt volum, koplet til en elektrisk generator (25), en hydraulisk motorstill.er (23), forbindelsesrør og slanger samt et styresystem.

6. Bølgekraftverk ifølge krav 5, karakterisert ved at den hydrauliske sylinder (18) er hydraulisk symmetrisk.

7. Bølgekraftverk ifølge krav. 5, karakterisert ved at svinghjulet (26) er anordnet på den elektriske generator (25) som er mekanisk koplet til en eller flere hydrauliske motorer (24).'

8. Bølgekraftverk ifølge hvilke som helst av de foregående krav, karakterisert ved at styre-systemet er anordnet til å styre den hydrauliske motors (24) radianvolum, den' uttatte elektriske effekt ( <p>e^ ) og det bevegelige elements (13,37)S vingninger i avhengighet av de innkommende bølger, og som utgjøres av en prosessdatamaskin (22), en føler (21) foran det bevegelige element for den momentane vannstand, regulatoren (23) for den.hydrauliske motor med en- elektrohydraulisk servoventil , svinghjulet (26), en tachometergenerator (27) for generatorens (25) omdreinings-tall samt måleføler for kreftene på og stillingen, til det be vegelige element (13).

9. Bølgekraftverk ifølge hvilke som helst av de foregående krav, karakterisert ved en eller flere styrepropellere for dreining av bølgekraftverket til ønsket stilling i forhold til bølgenes front.retning.