INNRETNING FOR Å OMDANNE BØLGEENERGI TIL MEKANISK ENERGI

Transkript

1 1 INNRETNING FOR Å OMDANNE BØLGEENERGI TIL MEKANISK ENERGI OPPFINNELSENS ANVENDELSESOMRÅDE Den foreliggende oppfinnelsen vedrører et bølgeenergianlegg for å utvinne energi fra bølgebevegelsen i en vannoverflate, hvilket bølgeenergianlegg omfatter en rammekonstruksjon, i hvilken det er lagret minst to bølgerotorer, og hvori hver bølgerotor er opphengt i rammekonstruksjonen på en rotor som i bølgeenergianleggets normale anvendelsessituasjon er i det vesentlige vannrett, slik at rotorene kan rotere rundt rotorakselen, som fastholdes i rammekonstruksjonen, og hvori det er innrettet middel for å holde hver av rotorene delvis nedsenket i en vannoverflate. TEKNIKKENS STAND 1 2 Mange forskjellige utførelsesformer av bølgeenergianlegg er kjent i dag, hvilke alle har det til felles at de utnytter den energien som tilveiebringes når vann bringes til å bevege seg i en bølgebevegelse. En særlig kategori av disse bølgeenergianleggene benytter seg av at vannet i toppen av en bølge har en potensiell energi som kan drive en rotor i form av et vannmøllehjul rundt en i det vesentlige vannrett mølleakse når dette vannet oppfanges i en skovl på vannmøllehjulets ene side og således ved sin masse tvinger vannmøllehjulet til å rotere. Denne typen av bølgeenergianlegg utmerker seg ved å være relativt enkel i sin grunnstruktur, med derav følgende driftssikkerhet og driftsøkonomi. En annen type av det ovennevnte bølgeenergianlegget omfatter et antall rotorer i form av flytelegemer som likeledes er montert roterbart på en rotoraksel, men som vugger i vannoverflaten forårsaket av bølgenes påvirkning av rotorene og således ved deres rotasjon frem og tilbake rundt rotorakselen omdanner den kinetiske energien i bølgene til anvendelig energi. 3 Eksempel på de førstnevnte bølgeenergianleggene er kjent fra for eksempel DKbruksmodellnr ; GB-patentnr. 1006; PCT-patentsøknadsnr. WO81/02329; DE-patentnr ; DE-publikasjonsnr og PCTsøknadsnr. 04/ Eksempel på det sistnevnte bølgeenergianlegget er

2 2 kjent fra for eksempel GB-patentnr og US-patentnr og betegnes en "Duck". En konstant utfordring ved utvikling av bølgeenergianlegg er å optimalisere mengden av energi som kan utvinnes fra anlegget, idet en kommersiell utbredelse av slike bølgeenergianlegg i et visst omfang forutsetter at de særlig økonomisk kan konkurrere med allerede eksisterende anlegg for fornybar energi, slik som vindturbiner og lignende. OPPFINNELSENS FORMÅL 1 2 Det er på denne bakgrunn formålet med den foreliggende oppfinnelsen å tilveiebringe et bølgeenergianlegg av den typen som er beskrevet ovenfor, og som tilveiebringer en effektiv utnyttelse av den tilgjengelige bølgeenergien. Dette oppnås ved bruk av et bølgeenergianlegg av den typen som er beskrevet ovenfor, og som er karakterisert ved at bølgeenergianlegget er en flytende konstruksjon som omfatter minst to ikke-parallelle vannmølleaksler, hvori det på hver rotoraksel er anbrakt minst én rotor. Derved muliggjøres nemlig at bølgeenergianlegget kan posisjoneres slik at rotorakslenes avstand til hverandre økes i bølgenes utbredelsesretning, hvorved rotorakslene vil ha en vinkel i forhold til bølgeutbredelsesretningen som er vesentlig større enn 0 grader. Derved sikres at de enkelte rotorenes kapasitet utnyttes optimalt, idet rotorene ikke er anbrakt bak hverandre i forhold til bølgenes utbredelsesretning, og, på den annen side at det er mulig å tilpasse vinkelen slik at rotorenes kapasitet anvendes optimalt i forhold til den bølgehøyden og avstanden som er rådende på en gitt posisjon. 3 Bølgeenergianlegget er særlig egnet til å flyte på en vannoverflate, idet rammekonstruksjonen derved fordelaktig kan omfatte et enkelt forankringssted innrettet for å fortøye bølgeenergianlegget, og hvori rammekonstruksjonen er innrettet slik at den fastholder de to ikke-parallelle rotorakslene på en slik måte at avstanden mellom rotorakslene økes med avstanden fra forankringsstedet.

3 3 Optimal utnyttelse av bølgeenergianlegget kan oppnås hvis rammekonstruksjonen er innrettet for å fastholde en vinkel mellom de to rotorakslene, idet vinkelen er mellom grader og 170 grader og foretrukket mellom 4 grader og 13 grader. Derved sikres på den ene side at anleggets energiutvinning kan optimaliseres, samtidig som anlegget har gode avvisende egenskaper i forhold til drivende gjenstander på vannoverflaten, og at det i tillegg kan tilpasses spesifikke bølgeforhold. I denne sammenheng er det ytterligere fordelaktig hvis rammekonstruksjonen omfatter middel for å regulere vinkelen mellom de to rotorakslene, idet det derved er mulig å tilpasse vinkelen mellom rotorakslene til de aktuelle forholdene på ethvert tidspunkt, slik som værforhold og bølgenes utbredelsesrate, bølgehøyde og avstand. 1 I en fordelaktig utførelsesform omfatter rammekonstruksjonen to separate, langstrakte rammekonstruksjoner som hver har en første ende i nærheten av forankringsstedet og en andre ende som er anbrakt i avstand fra forankringsstedet, og hvori hver av de separate, langstrakte rammekonstruksjonene er innrettet for å fastholde en rotoraksel med rotorer, og hvori det mellom den første enden og den andre enden mellom de to separate, langstrakte rammekonstruksjonene er innrettet minst én aktuator for å justere og fastholde avstanden mellom de to separate, langstrakte rammekonstruksjonene. 2 I denne sammenheng kan de to separate, langstrakte rammekonstruksjonene fordelaktig ved deres første ende være hengslet til hverandre ved hjelp av en hengselinnretning som har en i det vesentlige loddrett hengselakse i forhold til bølgeenergianleggets anvendelsesposisjon. Herved gjøres det mulig alene å anvende én enkelt aktuator for å regulere vinkelen mellom rotorakslene. Det vil i denne sammenheng ytterligere tilveiebringe en stabil posisjonering av bølgeenergianlegget på vannoverflaten hvis hengselinnretningen omfatter forankringsstedet. 3 I forlengelse derav kan den ene av de to separate, langstrakte rammekonstruksjonene fordelaktig være montert på en slik måte på hengselinnretningen at den kan rotere rundt en akse som i bølgeenergianleggets

4 4 anvendelsesposisjon er i det vesentlige vannrett i forhold til hengselinnretningen. Herved unngås at de to separate rammekonstruksjonene vris i forhold til hverandre hvis de påvirkes av uhensiktsmessige krefter eksempelvis som følge av kjølvannsdønninger fra et skip som seiler forbi bølgeenergianlegget. De separate gitterstrukturene kan videre fordelaktig være kombinert fra to eller flere rotormoduler som hver omfatter en ramme og en rotoraksel, og hvori rotormodulene i tillegg er forsynt med fastgjørelsesmiddel som er innrettet med henblikk på å montere rotormodulene til hverandre på en slik måte at rotorakslene løper i hverandres forlengelse. Herved oppnås det at det er enkelt å bygge opp bølgeenergianlegg med forskjellige antall rotormoduler avhengig av aktuelle plassforhold og ønsket energieffekt. 1 En ytterligere effektutnyttelse kan oppnås hvis bølgeenergianlegget ytterligere omfatter én eller flere ballasttanker og tilhørende pumper som er innrettet for å fylle ballasttankene med og tømme dem for vann. Herved er det mulig å regulere oppdriften av anlegget i avhengighet av de aktuelle bølgeforholdene, slik at rotorene kan holdes nedsenket i vannoverflaten i en ønsket dybde med henblikk på å tilpasse eller optimalisere deres virkningsgrad. FIGURFORTEGNELSE 2 Figur 1 er en prinsippskisse som viser en alternativ utførelsesform av et bølgeenergianlegg ifølge den foreliggende oppfinnelsen delvis nedsenket i en vannoverflate og sett skrått ovenfra; Figur 2 er en prinsippskisse som viser en alternativ utførelsesform av et bølgeenergianlegg ifølge den foreliggende oppfinnelsen, sett rett ovenfra; Figur 3 er en skisse som viser en delkomponent av bølgeenergianlegget vist i figur 2, sett skrått forfra; Figur 4 er en skisse som viser en delkomponent på samme måte som i figur 3., men hvori rotorene er innrettet alternativt; Figur er en skisse som viser et snitt av bølgeenergianlegget vist i figur 2, delvis nedsenket i en vannoverflate og sett forfra; 3 Figur 6 er en detaljskisse som viser en detaljkomponent av bølgeenergianlegget vist i figur 3.

5 UTFØRELSESFORM AV OPPFINNELSEN 1 Figur 1 viser således en utførelsesform av et bølgeenergianlegg ifølge den foreliggende oppfinnelsen, og hvori bølgeenergianlegget er en flytende struktur, som her vises flytende på vannoverflaten 2, hvor en rekke bølger med en utbredelsesretning som angitt med pilen A er vist for å belyse virkemåten for et slikt bølgeenergianlegg. Bølgeenergianlegget har her fire rotorer i form av vannmøllehjul 3, som alle er delvis nedsenket i vannoverflaten 2. Disse vannmøllehjulene 3 fastholdes roterbart ved hjelp av en ikke vist aksel i forhold til bølgeeneriganleggets rammekonstruksjon 1, som omfatter to bommer 4 og som er i det vesentlige parallelle med de ikke viste rotor- eller vannmølleakslene, og som fastholdes i en fast vinkel på 60 grader i forhold til hverandre ved hjelp av tverrbommene 6 og 7. Idet vannmøllehjulene 3 alle er forsynt med et rikholdig antall skovler eller skåler 8, som alle vender sin åpning oppover på den siden av vannmøllehjulene som vender mot bølgeutbredelsesretningen A, vil disse skovlene 8 bli fylt med vann når vannoverflaten stiger fordi en bølgetopp passerer, og deretter vil de vannfylte skovlene 8 trekke vannmøllehjulene 3 rundt når vannoverflaten faller etter at bølgetoppen har passert en gitt skovl 8. 2 Ifølge den foreliggende oppfinnelsen er rammekonstruksjonen 1 som nevnt ovenfor innrettet slik at den fastholder en vinkel mellom vannmølleakslene som bærer vannmøllehjulene 3, slik at vannmølleakslene ikke er parallelle, og derved sikres på den ene side at alle skovlene 8 på vannmøllehjulene 3 utnyttes effektivt, idet skovlene 8 ikke er anbrakt i hverandres kjølvann, og på den annen side medfører vinkelen mellom de to bommene og 6, og således de ikke viste vannmølleakslene, at bølgeenergianlegget bare i lav grad påvirkes av flytende gjenstander som eventuelt flyter inn i vannmøllehjulene 3, samtidig som det oppnås en rimelig kontinuerlig drift av anlegget på grunn av en i det vesentlige konstant momentpåvirkning på vannmølleakselen fra vannhjulene 3. 3 Bølgeenergianlegget er her innrettet som en flytende struktur som kan forankres til for eksempel en havbunn under vannoverflaten 2. Til dette formål er det innrettet et forankringspunkt i form av et forankringsøye for å fastgjøre en ikke

6 6 vist fortøyning 2. Idet forankringsøyet er anbrakt ved den enden på bølgeenergianlegget hvor avstanden mellom rotorakslene er minst, vil det medføre at bølgeenergianlegget vil kunne dreie seg rundt sin fortøyning, slik at det alltid vil finnes på plass i en posisjon som sikrer at det utnytter bølgeenergien optimalt. 1 Den høyeste virkningsgraden for bølgeenergianlegg av denne typen oppnås når vannmøllehjulene 3 er nedsenket så mye i vannoverflaten at vannmølleakselen har i det vesentlige samme høyde som middelbølgehøyden i vannoverflaten 2. Idet det imidlertid ikke alltid er slik at middelbølgehøyden er akkurat lik middelverdien av høyden av vannoverflaten i bølgens topp og bølgens dal, er det ifølge oppfinnelsen innrettet en ballasttank samt en ikke vist pumpe innrettet i pumpehuset 11, og hvori pumpen er innrettet for å fylle ballasttanken med vann og tømme den for dette med henblikk på å endre bølgeenergianleggets vekt og/eller oppdrift, slik at det er mulig å optimalisere anleggets virkningsgrad etter de aktuelle bølgeforholdene. 2 Figur 2 viser nå en alternativ utførelsesform av et bølgeenergianlegg ifølge den foreliggende oppfinnelsen, og hvilket likeledes er en flytende struktur som flyter på vannoverflaten hvor det er bølger som utbrer seg i pilens A retning. Dette bølgeenergianlegget omfatter to langstrakte, separate rammekonstruksjoner 21, 22 som er hengslet til hverandre via et hengsel 23 som vises i detalj i figur 6, hvilket hengsel likeledes fungerer som forankringspunkt for en fortøyning 2. Derved kan de to separate rammekonstruksjonene 21, 22 anbringes valgfritt i en innbyrdes vinkel, og til dette formål er det innrettet en lineær aktuator 24, slik som en hydraulisk sylinder eller en mekanisk spindel. Idet fagmannen naturlig kan foreslå forskjellige utførelsesformer av drivsystemer for slike lineære aktuatorer, er det ikke vist i figurene. 3 Ved å justere lengden på den lineære aktuatoren 24 kan vinkelen mellom de to separate rammekonstruksjonene 21, 22 justeres manuelt eller automatisk etter behov, slik at vinkelen kan optimaliseres med henblikk på å oppnå den høyest mulige virkningsgrad, eller med henblikk på å sikre mot havari i stormsituasjoner eller annet. I et ikke vist alternativt anlegg kunne hengselet 23 erstattes av en ytterligere lineær aktuator, som derved kunne samvirke med den første lineære aktuatoren med henblikk på å justere og fastholde en ønsket vinkel mellom de to separate rammekonstruksjonene 21, 22.

7 7 1 2 Alternativt kan vinkelen justeres ved at en stangformet konstruksjon i stedet for den lineære aktuatoren er innrettet med en i det vesentlige fast lengde, og hvori den stangformede konstruksjonen ved hver ende er fastgjort til en vogn, og hvori hver av disse vognene er anbrakt slik at de kan forskyves langs de separate rammekonstruksjonene 21, 22. Ved å forskyve vognene i en retning mot hengselen 23 er det derved mulig å øke vinkelen mellom de to separate rammekonstruksjonene 21, 22, mens vinkelen reduseres når vognene forskyves ut fra hengslene. Som det ses i figur 2, er hver av de to separate rammekonstruksjonene utført som en langstrakt struktur, omfattende et antall møllemoduler 26, hvorav én av disse modulene er vist i forstørrelse i figur 3. Disse møllemodulene 26 er montert i hverandres forlengelse, slik at vannmølleakslene i møllemodulene 26 er forbundet til hverandre i hverandres forlengelse, og hvori vannmølleakselen på den første møllemodulen sett fra hengselet 23 er koblet til et i det vesentlige vanntett maskinhus 27, i hvilket vannmølleakselen er koblet til for eksempel en generator, en pumpe, et gir eller et annet aggregat som kan drives av det momentet som overføres til vannmølleakselen via alle vannmølleakslene 3 i den separate rammekonstruksjonen 21, 22. Det er således mulig å innrette maskinhuset 27 med de komponentene som skal til for å utvinne energien som via vannmøllehjulene 3 overføres til vannmølleakselen, og bølgeenergianlegget kan således anvendes for å danne elektrisk strøm via for eksempel en generator, eller for andre formål, slik som å pumpe et flytende medium ved hjelp av en pumpe. Idet fagmannen vil kunne angi mange forskjellige utførelsesformer av hvordan vannmølleakselens rotasjon og moment kan anvendes for å danne anvendelig energi, er det ikke i figurene vist detaljer for denne delen av bølgeenergianlegget. 3 Som det ses i figur 3, utgjøres hver av de ovennevnte møllemodulene 2 av en gitterstruktur 28 som heri er innrettet slik at den omslutter vannmøllehjulet 3. Herved oppnås en svært enkel og stiv konstruksjon uten at gitterstrukturen 28 øver vesentlig påvirkning på bølgene i vannet. Gitterstrukturen er forsynt med montasjeplater 29 i hver ende av gitterstrukturen 28, som tillater at to eller flere gitterstrukturer 28 kan monteres i hverandres forlengelse.

8 8 Idet vannmølleakselen i vannmøllemodulen 26 rager ut, er det som nevnt ovenfor mulig å montere vannmølleakslene i flere møllemoduler 26 montert i hverandres forlengelse for å danne en lang, montert vannmølleaksel som kan overføre moment fra alle vannmøllehjulene til maskinhuset 27. Figur 3 viser ytterligere at møllemodulen 26 er forsynt med ballasttanker 31 som via ikke viste pumper og rørføringer innrettet til formålet kan fylles eller tømmes med vann for å regulere bølgeenergianleggets oppdrift og/eller vekt. 1 Figur 4 viser nå en alternativ utførelsesform av oppfinnelsen hvor møllemodulen 26a i stedet for vannmøllehjul som vist i figur 3 omfatter et antall rotorer 3a som er montert på en rotoraksel a. Hver av disse rotorene har en oppdrift og en form som er asymmetrisk rundt rotorakselen a, slik at når bølgene treffer rotoren 3a, tvinges denne til å rotere rundt rotorakselen a og således til å rotere rotorakselen. Denne typen av rotor er alminnelig kjent fra for eksempel GB-patentnr og US-patentnr og betegnes en "Duck", og har særlig gode egenskaper med hensyn til virkningsgrad. I tillegg er det klart for fagmannen at den foreliggende oppfinnelsen som beskrevet heri kan anvendes med rotorer av forskjellige utførelser uten derved å avvike fra oppfinnelsens grunnprinsipp. 2 3 Figur viser nå et snitt av én av de separate rammekonstruksjonene 21, 22, omfattende flere bølgemoduler 26 montert i hverandres forlengelse og delvis nedsenket i en vannoverflate 2. Figur 6 viser en detaljdel av bølgeenergianlegget vist i figur 3 i form av hengselet 23, på hvilket de to separate rammekonstruksjonene 21, 22 er montert via maskinhuset 27. Hengselet omfatter således tre hengselplater 36, 37, 38 som alle kan rotere rundt en vanlig hengselakse 39. Den ene hengselplaten 36 er forsynt med et forankringsøye for å fastgjøre fortøyningen 2. De to andre hengselplatene 37, 38 er fastgjort til hvert sitt maskinhus 27 ved at de er innført mellom flensene 41, 42 på det ene maskinhuset 27 eller mellom flensene 43, 44 på det andre maskinhuset 27. Idet de er fastgjort til hvert sitt maskinhus 27 via en bolt 40 som danner en rotasjonsakse som tillater at maskinhusene 27 kan rotere i loddrett plan i forhold til hengselet 23, sett i bølgeenergianleggets normale anvendelsessituasjon, og slik at eventuelt

9 9 uensartede bevegelsesmønster i de to separate rammekonstruksjonene 21, 22 og således i maskinhuset 27 opptas i hengselet 23.

10 Patentkrav 1 1. Bølgeenergianlegg for å utvinne energi fra bølgebevegelsen i en vannoverflate, hvilket bølgeenergianlegg omfatter en rammekonstruksjon i hvilken det er lagret minst to rotorer, og hvori hver rotor er opphengt i rammekonstruksjonen på en rotoraksel som er i det vesentlige vannrett i bølgeenergianleggets normale anvendelsesposisjon, slik at rotoren kan rotere rundt rotorakselen som fastholdes i rammekonstruksjonen, og hvori det er innrettet middel for å fastholde hver av rotorene delvis nedsenket i en vannoverflate, og hvor bølgeenergianlegget er en flytende struktur som omfatter minst to rotoraksler hvori minst én rotor er anbrakt på hver rotoraksel, og hvori rammekonstruksjonen omfatter et forankringspunkt innrettet for å fortøye bølgeenergianlegget, og er innrettet slik at det fastholder de to ikke-parallelle rotorakslene på en slik måte at avstanden mellom rotorakslene økes med avstanden fra fortøyningspunktet, karakterisert ved at rammekonstruksjonen omfatter middel for å regulere vinkelen mellom de to rotorakslene. 2. Bølgeenergianlegg ifølge krav 1, karakterisert ved at rammekonstruksjonen er innrettet for å fastholde en vinkel mellom de to rotorakslene, hvilken vinkel er mellom grader og 170 grader og foretrukket mellom 4 grader og 13 grader Bølgeenergianlegg ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at rammekonstruksjonen omfatter to separate, langstrakte rammekonstruksjoner, som hver har en første ende i nærheten av forankringsstedet og en andre ende som er anbrakt i avstand fra forankringsstedet, og hvori hver av de separate, langstrakte rammekonstruksjonene er innrettet for å fastholde en rotoraksel med rotorer, og hvori det mellom den første enden og den andre enden mellom de to separate, langstrakte rammekonstruksjonene er innrettet minst én innretning for å justere og fastholde avstanden mellom de to separate, langstrakte rammekonstruksjonene Bølgeenergianlegg ifølge krav 3, karakterisert ved at de to separate, langstrakte rammekonstruksjonene ved deres først ende fordelaktig kan være hengslet til hverandre via en hengselinnretning som har en hengselakse som er i det vesentlige loddrett i forhold til bølgeenergianleggets anvendelsesposisjon.

11 11. Bølgeenergianlegg ifølge krav 4, karakterisert ved at hengselinnretningen omfatter forankringsstedet. 6. Bølgeenergianlegg ifølge krav 4 eller, karakterisert ved at minst en av de to separate, langstrakte rammekonstruksjonene er montert på en slik måte på hengselinnretningen at den kan rotere rundt en akse som i det vesentlige er vannrett i forhold til hengselinnretningen i bølgeenergianleggets anvendelsesposisjon Bølgeenergianlegg ifølge ett eller flere av kravene 3 til 6, karakterisert ved at hver av de separate gitterstrukturene er kombinert av to eller flere rotormoduler som hver omfatter en ramme og en rotoraksel, og hvori rotormodulene i tillegg er forsynt med fastgjørelsesmiddel, som er innrettet med henblikk på å montere rotormodulene til hverandre på en slik måte at rotorakslene løper i hverandres forlengelse. 8. Bølgeenergianlegg ifølge ett av kravene 1 til 7, karakterisert ved at det omfatter én eller flere ballasttanker og tilhørende pumper som er innrettet for å fylle ballasttankene med vann og tømme dem for dette.

12 1

13 2

14 3

15 4