(12) PATENT (19) NO (11) 32933 (13) B1 NORGE (1) Int Cl. F03B 9/00 (06.01) F03B 17/06 (06.01) F03D /02 (06.01) Patentstyret (21) Søknadsnr 092798 (86) Int.inng.dag og søknadsnr (22) Inng.dag 09.07.31 (8) Videreføringsdag () Løpedag 09.07.31 (30) Prioritet (41) Alm.tilgj..04 (4) Meddelt..04 (73) Innehaver Aqua Energy Solutions AS, Postboks 1288, 08 KARMSUND, Norge (72) Oppfinner Jan Christian Torvestad, Smedasundet 61, 28 HAUGESUND, Norge (74) Fullmektig Acapo AS, Postboks 1880 Nordnes, 817 BERGEN, Norge (4) Benevnelse Vannstrømkraftverk (6) Anførte publikasjoner US 18478 A1, US 430474 A1 (7) Sammendrag Det omtales et vannstrømkraftverk () for plassering under vann, omfattende flere seil eller vinger (12) som er festet til en roterbar endeløs kjede (14) oppspent mellom motstående, respektive vendeskiver (), idet den endeløse kjeden (14) tvinges rundt ved fremdrift av seilene (12) under påvirkning fra det omliggende vannet, og minst en generator (60) for å generere elektrisk kraft som er forbundet med den endeløse kjeden (14). Vendeskivene () er opplagret i respektive forankrbare rammer (16, 18), og den endeløse kjeden (14) løper fritt mellom rammene (16, 18) og rundt vendeskivene (), og et drivverk (28) er koblet til minst en av vendeskivene og er forbundet med en universalkobling (0), idet nevnte generator (60) er koblet til universalkoblingen (0).
1 Den foreliggende oppfinnelse vedrører et vannstrømkraftverk for plassering under vann, omfattende flere seil eller vinger som er festet til en roterbar endeløs kjede oppspent mellom motstående, respektive vendeskiver, idet den endeløse kjeden tvinges rundt ved fremdrift av seilene under påvirkning fra det omliggende vannet, og minst en generator for å generere elektrisk kraft som er forbundet med den endeløse kjeden. Oppfinnelsen vedrører også en fremgangsmåte for drift av et vannstrømkraftverk. Det er et stadig økende behov for grønn fornybar energi. Store havstrømmer og tidevann er regnet som en av de største fornybare energikildene som finnes. Det eksisterer mange forslag på hvordan man skal utnytte disse ressursene. De fleste går ut på å benytte vannturbiner i forskjellige konfigurasjoner. Det finnes også konsepter for bruk av undervanns seil til utnyttelse av vann som energikilde, blant annet som omtalt i NO 03448.. JP 40698 viser et endeløst system av seil eller vinger som drives rundt to vendeskiver, hvor ytelsen reguleres av vingenes stigningsvinkel, antall omdreininger, vingeareal, etc. US 60843 angår likeledes et endeløst system av seil eller vinger, dog for et vindkraftverk, og hvor vingenes orientering i forhold til drivkablene kan reguleres. 2 Det vises også til US 18478 A1 og US 430474 A, som begge vedrører tidevannsverk for generering av strøm.
2 Formålet med foreliggende oppfinnelse er å frembringe et vannkraftverk som kan nedsenkes i vannet til ønsket dybde, og som kan både oppta og motta påkjenninger fra det strømmende vannet, for kontinuerlig å generere strøm. Overnevnte formål oppnås med et vannkraftverk som definert i det selvstendige krav 1, ved at vendeskivene er opplagret i respektive forankrbare rammer, og at den endeløse kjeden løper fritt mellom rammene og rundt vendeskivene, og at et drivverk er koblet til minst en av vendeskivene og er forbundet med en universalkobling, idet nevnte generator er koblet til universalkoblingen. Alternative utførelser av vannstrømkraftverket er kjennetegnet ved de uselvstendige kravene 2-14. Den endeløse kjeden kan omfatte to endeløse kabler, hvori nevnte seil eller vinger er anordnet mellom kablene, og hver kabel kan løpe over og rundt en respektiv vendeskive slik at seilene eller vingene omsvinges mellom respektive parvise vendeskiver. Universalkoblingen kan justere kablenes hastighet i forhold til hverandre, hvorved seilens eller vingenes vinkel i forhold til vannstrømmen blir regulert, Universalkoblingen kan også være koblet til ett drivverk forbundet med hver vendeskive i en respektiv ramme 2 30 Videre er nevnte rammer fortrinnsvis svingbart forankret for å tilpasse seg vinkelen på kablene, slik at strekket i kablene står normalt på vendeskivenes rotasjonsakse. Drivverket kan omfatte en første trinse, festet til en felles rotasjonsakse med en vendeskive, som via en reim- eller kjede er forbundet med en andre trinse festet til en aksling til universalkoblingen. Alternativt kan drivverket være utformet for akslingsdrift. De parvise vendeskivene kan være innrettet til å rotere uavhengig av hverandre, og til å bli styrt av universalkoblingen. 3 Universalkobling kan i en utførelse utgjøres av en tannhjulsboks omfattende minst to planetgir, idet respektive akslinger til universalkoblingen er koblet til akslinger til planetgirenes planethjul, og mellom planetgirenes ringhjul er det anordnet et første konisk tannhjul som via en aksling er forbundet med generatoren og et andre konisk
3 tannhjul som via en aksling er forbundet med en servomotor. Akslingen forbundet med generatoren er fortrinnsvis innrettet til å kontrollere den felles bevegelsen til kablene, når generatoren kjøres, og akslingen koblet til servomotoren er fortrinnsvis innrettet til å kontrollere differensial bevegelse til kablene, uavhengig av nevnte felles bevegelse, for således å regulere seilenes vinkel mellom kablene. Universalkoblingen og generatoren kan være rommet i et vanntett hus. Videre kan vendeskivene være innrettet for innbyrdes forskyvning langs nevnte rotasjonsakse, hvorved avstanden mellom parvise vendeskiver blir endret avhengig av seilenes vinkel. Seilene kan i en foretrukket utførelse være utformet med en i det miste delvis buet flyvingeform, hvor den buete formen er innrettet til å gi seilet likevekt i vannet, og avvik av likevektsposisjonen motvirkes av kreftene som virker på seilet. 2 30 3 Overnevnte formål oppnås også med en fremgangsmåte som definert i det selvstendige krav, ved å feste vendeskivene i respektive forankrbare rammer og å la den endeløse kjeden løpe fritt mellom rammene og rundt vendeskivene, og ved å koble en universalkobling mellom et drivverk og minst en av vendeskivene, hvor universalkoblingen kontrollerer felles bevegelse til den endeløse kjedens kabler, når generatoren kjøres, og kontrollerer differensial bevegelse til kablene, uavhengig av nevnte felles bevegelse, for regulering av seilenes vinkel mellom kablene ved justering av kablenes hastighet i forhold til hverandre. I følge alternative utførelser av fremgangsmåtem kan et drivverk kobles mellom universalkoblingen og vendeskivene, og for å drive den endeløse kjeden rundt ved generering av skyvekraft og løftekraft som overføres til kablene, kan seilene skråstilles i forhold til vannstrømmen. Seilene kan være montert på kabler, så som vaier, tau, stålkabel, etc., og justert med en vinkel - pitch - mot vannstrømmen slik at de yter en kraft på kablene som går i en bane på tvers av vannstrømmen. Kraften på seilene blir generert både av drag (skyvekraft) og løft som prinsippet med en flyvinge. Man kan konvertere noe av bevegelsesenergien i vannet til elektrisk energi. Summen av alle seilene gir et relativt stort areal som vannstrømmen virker mot. Innretningen er spesielt tilpasset
4 sund og fjorder, gjerne hvor man har en naturlig innsnevring i terrenget som gir en høyere strømningshastighet ved tidevann. Systemet kan også benyttes i elver. Systemet kan plasseres på en dybde som hindrer at det interfererer med skip og mennesker, for eksempel på m dyp. Systemet er meget skalerbart, og kan tilpasses den enkelte lokasjon ved å variere: Størrelsen på seilene Antall seil / lengde på strekket Pitch / angrepsvinkel (kan gjøres under drift) Seilene er i utgangspunktet permanent festet til kabler med to fleksible ledd og følger med kablene rundt vendeskivene. Relativ forskyvning av innfestingspunktene for seilene på kablene, definerer pitchen på seilene i forhold til strømretningen. Ved å forandre avstanden mellom vendeskivene kombinert med langsgående forskyvning mellom kablene, kan vinkelen på seilene endres relativt i forhold til strømretningen. Seilene har også begrenset mulighet til å rotere vertikalt. Vannstrømmen vil i stor grad påvirke den vertikale vinkelen på seilene. 2 På grunn av seilets form finnes det en vinkel som gir likevekt. Seilet er fortrinnsvis selvstabiliserende. Ethvert avvik fra denne vinkelen vil bli motvirket av kreftene som virker på seilet. Når skyvkraften fra seilene virker både langs kablene (som gir kraft til generatoren) og på tvers av kablene, vil profilen på den endeløse kjeden få en buet form. 30 For at kablene ikke skal bli dratt ut av sporene i vendeskivene, er skivene festet i en horisontalt roterende ramme som tilpasser seg vinkelen på kablene. Dette betyr at strekket i kabelen alltid står normalt på akslingen. 3 Kablene driver vendeskivene, som igjen driver en generator gjennom et drivverk. Drivverket er tilpasset slik at det gir optimalt turtall til generatoren i forhold til hastigheten på kablene.
Oppfinnelsen skal nå forklares nærmere ved hjelp av en eksempelutførelse vist i figurene, hvori: Figur 1 viser i perspektiv en utførelse av et vannstrømkraftverk i følge oppfinnelsen. Figur 2 viser i perspektiv en endeløs kjede som inngår i oppfinnelsen. Figur 3 viser i perspektiv vannstrømkraftverket under påvirkning av vannstrøm. Figur 4 viser tilsvarende som figur 3, men sett mer ovenifra. Figur viser en ende av vannstrømkraftverket vist i figur 1. Figur 6 viser tilsvarende som figur, men uten ramme og et vanntett hus. Figur 7 viser et riss av en universalkobling til bruk i vannstrømkraftverket i følge oppfinnelsen. Figur 8 viser et planetgir som inngår i universalkoblingen i figur 7. Som figurene viser omfatter en utførelse av foreliggende vannstrømkraftverk en endeløs kjede 14 som omfatter minst to kabler. Mellom disse kablene er det anordnet flere seil eller vinger 12 ved hjelp av klemkoblinger 22, fortrinnsvis slik at seilene eller vingene er festet på midten og er i likevekt, men ut i fra omstendigheter kan de også være festet forskjøvet fra sin likevektsposisjon. Kablene løper over respektive vendeskiver som fortrinnsvis er plassert parvis i motstående rammer 16, 18, slik at det dannes et mellomrom mellom vendeskivene som seilene eller vingene 12 kan løpe i mellom nå de runder ved vendeskivene. 2 30 3 Seilene eller vingene 12 er utformet slik at vannstrømmen skyver på seilet (drag), samtidig som vannstrømmen går raskere bak overflaten bak seilet (løft). Dette gir et resulterende kraftbidrag som gir ekstra god påvirkning på kablene og dermed økt kraftuttak. Utformingen av seilene eller vingene 12 kan derfor velges med en buet flyvingeform. Alternativt kan seilene 12 være flat på begge sider og/eller ikke buet, men vil da gi dårligere effekt. Nevnte rammer 16, 18 kan være forankret til bunnen, sidebreddene til en elv, eventuelt til annet utstyr i vannet eller sjøen, og på en slik måte at de ikke forstyrrer skipsfart eller mennesker. Rammene 16, 18 er fortrinnsvis horisontalt dreibare og fungerer som opplagring for den endeløse kjeden 14, drivverk 28, og annet utstyr til vannstrømkraftverket. Som figurene 3 og 4 viser vil normalt den endeløse kjeden 14 påvirkes av kraften fra vannstrømmen og danne en buet form under drift, hvilket
6 betyr at det da er vesentlig at rammene kan dreie slik at kablene ikke skal bli dratt ut av sporene i vendeskivene. Vendeskivene er som nevnt anordnet parvis i hver ramme 16, 18, og roterer fortrinnsvis på samme rotasjonsakse. De parvise vendeskivene er innrettet til å rotere uavhengig av hverandre, og til å bli styrt av en universalkobling 0. Til den samme rotasjonsaksen er drivverket 28 tilkoblet, i form av en første trinse 32 som er koblet sammen med en andre trinse på en aksling 40 til universalkoblingen 0. Den første og den andre trinsen er forbundet via en reim- eller kjede 34 på vanlig kjent måte, slik at rotasjon av vendeskiven, og derved den første trinsen 32, driver den andre trinsen 34 som igjen roterer akslingen 40 til universalkoblingen 0. Det kan være plassert en eller to slike drivverk 28 i hver ramme, men foretrukket er det to drivverk 28 anordnet til yttersiden av respektive vendeskiver, slik at de ikke forstyrrer seilenes runding ved vendeskivene. Den første trinsen 32 kan være anordnet til samme rotasjonssakse som vendeskivene, og ha samme rotasjonsretning. Drivverket 28 kan alternativt være utformet med akslingsdrift i stedet for reim- eller kjededrift som omtalt ovenfor. Videre er vendeskivene anordnet aksialt forskyvbare langs rotasjonsaksen, slik at avstanden mellom dem kan variere ved variasjon av seilenes 12 vinkel (pitch). 2 I en eller begge rammer 16, 18 er nevnte universalkobling 0 anordnet, hvor universalkoblingen er koblet til en generator 60 for å generere elektrisk kraft. Universalkoblingen 0 og generatoren 60 kan være anordnet i et vanntett hus 26. Figur og 6 viser en ende av vannstrømkraftverket, henholdsvis med og uten rammen 16 og huset 26. Som det fremgår et ett drivverk 28 koblet til en respektiv aksling 40 til universalkoblingen 0, for drift av generatoren 60. 30 3 I tillegg til drift av generatoren er universalkoblingen 0 innrettet til og individuelt å justere hastigheten til hver kabel i den endeløse kjeden 14, for justering av seilenes 12 vinkel i vannet. Dette kan gjøres under drift av vannstrømkraftverket, ved at nevnte universalkobling 0 eksempelvis kan utgjøres av en tannhjulsboks med to planetgir 42. Oppbyggingen av et planetgir anses kjent av en fagmann og vil derfor ikke forklares nærmere. Planetgir er en variant av tannhjulgiret. Det består av et sett med tannhjul: Solhjulet innerst, så planethjulene og ytterst ringhjulet med fortanning. Den gode kvaliteten gir planetgiret lang levetid og i tillegg kan det overføre høyt dreiemoment.
7 Momentet som påføres akslingene 40 til universalkoblingen, fra drivverkene 28, overføres til planethjulene 46, som igjen fordeles til solhjulet 44 og ringhjulet 48. Dersom ringhjulet 48 står stille overføres all bevegelse til solhjulet 44. De to planetgirene 42 er anordnet vendt mot hverandre, slik at felles bevegelse av kablene i den endeløse kjeden 14 fører til felles vinkelbevegelse av planetgirene. Ringhjulene 48 er utstyrt med skråstilt tenner som vender mot hverandre, og hvor det derimellom er anordnet et første konisk tannhjul 6 som via en aksling 4 er forbundet med generatoren 60 og et andre konisk tannhjul 8 som via en aksling 2 er forbundet med en servomotor (ikke vist). Akslingen 4 forbundet med generatoren 60 kontrollerer den felles bevegelsen til kablene, når generatoren kjøres, og akslingen 2 koblet til servomotoren kontrollerer differensial bevegelse til kablene, uavhengig av nevnte felles bevegelse, for å regulere seilenes 12 vinkel mellom kablene. I systemet er det derfor mulig og mekanisk å isolere felles og differensialt moment til to forskjellig aksler. Differensialt moment som endrer vinkelen til seilene 12 distribueres til servomotoren, og felles bevegelse som representerer energi i systemet distribueres til generatoren. 60. Momentet som påføres akslingene 40 til universalkoblingen, fra drivverkene 28, kunne alternativt vært overført til solhjulet 44, men dette ville da gitt en annen girutveksling. 2
8 Patentkrav 1. Vannstrømkraftverk () for plassering under vann, omfattende flere seil eller vinger (12) som er festet til en roterbar endeløs kjede (14) oppspent mellom motstående, respektive vendeskiver (), idet den endeløse kjeden (14) tvinges rundt ved fremdrift av seilene (12) under påvirkning fra det omliggende vannet, og minst en generator (60) for å generere elektrisk kraft som er forbundet med den endeløse kjeden (14), k a r a k t e r i s e r t v e d - at vendeskivene () er opplagret i respektive forankrbare rammer (16, 18), og at den endeløse kjeden (14) løper fritt mellom rammene (16, 18) og rundt vendeskivene (), og - at et drivverk (28) er koblet til minst en av vendeskivene og er forbundet med en universalkobling (0), idet nevnte generator (60) er koblet til universalkoblingen (0). 2. Vannstrømkraftverk () i samsvar med krav 1, k a r a k t e r i s e r t v e d at den endeløse kjeden (14) omfatter to endeløse kabler (), hvori nevnte seil eller vinger (12) er anordnet mellom kablene (), og at hver kabel () løper over og rundt en respektiv vendeskive () slik at seilene/vingene (12) omsvinges mellom respektive parvise vendeskiver (). 2 3. Vannstrømkraftverk () i samsvar med krav 2, k a r a k t e r i s e r t v e d at nevnte universalkobling (0) er innrettet til å justere kablenes () hastighet i forhold til hverandre, hvorved seilens eller vingenes (12) vinkel i forhold til vannstrømmen blir regulert, 30 4. Vannstrømkraftverk () i samsvar med krav 1, k a r a k t e r i s e r t v e d at nevnte rammer (16, 18) er svingbart forankret for å tilpasse seg vinkelen på kablene, slik at strekket i kablene () står normalt på vendeskivenes () rotasjonsakse.. Vannstrømkraftverk () i samsvar med krav 1 eller 3, k a r a k t e r i s e r t v e d at nevnte universalkobling (0) er koblet til ett drivverk (28) forbundet med hver vendeskive () i en respektiv ramme (16, 18). 3 6. Vannstrømkraftverk i samsvar med krav, k a r a k t e r i s e r t v e d at drivverket (28) omfatter en første trinse (32), festet til en felles rotasjonsakse med en
9 vendeskive (), som via en reim- eller kjede (34) er forbundet med en andre trinse (36) festet til en aksling (40) til universalkoblingen (0). 7. Vannstrømkraftverk i samsvar med krav 6, k a r a k t e r i s e r t v e d at de parvise vendeskivene () er innrettet til å rotere uavhengig av hverandre, og til å bli styrt av universalkoblingen (0). 8. Vannstrømkraftverk i samsvar med et eller flere av de foregående krav, k a r a k t e r i s e r t v e d at nevnte universalkobling (0) utgjøres av en tannhjulsboks omfattende minst to planetgir (42), idet respektive akslinger (40) til universalkoblingen er koblet til akslinger til planetgirenes planethjul (46), og at det mellom planetgirenes ringhjul (48) er anordnet et første konisk tannhjul (6) som via en aksling (4) er forbundet med generatoren (60) og et andre konisk tannhjul (8) som via en aksling (2) er forbundet med en servomotor. 9. Vannstrømkraftverk i samsvar med krav 8, k a r a k t e r i s e r t v e d at akslingen (4) forbundet med generatoren (60) er innrettet til å kontrollere den felles bevegelsen til kablene (), når generatoren kjøres, og at akslingen (2) koblet til servomotoren er innrettet til å kontrollere differensial bevegelse til kablene (), uavhengig av nevnte felles bevegelse, for således å regulere seilenes (12) vinkel mellom kablene (). 2. Vannstrømkraftverk i samsvar med et eller flere av de foregående krav, k a r a k t e r i s e r t v e d at universalkoblingen (0) og generatoren (60) er rommet i et vanntett hus (26). 30 11. Vannstrømkraftverk i samsvar med krav 4, k a r a k t e r i s e r t v e d at vendeskivene () er innrettet for innbyrdes forskyvning langs nevnte rotasjonsakse, hvorved avstanden mellom parvise vendeskiver () blir endret avhengig av seilenes (12) vinkel. 12. Vannstrømkraftverk i samsvar med krav 1 eller, k a r a k t e r i s e r t v e d at nevnte drivverk (28) er utformet for akslingsdrift. 3 13. Vannstrømkraftverk i samsvar med et eller flere av de foregående krav, k a r a k t e r i s e r t v e d at seilene (12) er utformet med en i det miste delvis buet flyvingeform.
14. Vannstrømkraftverk i samsvar med krav 13, k a r a k t e r i s e r t v e d at den buete formen er innrettet til å gi seilet (12) likevekt i vannet, og at avvik av likevektsposisjonen motvirkes av kreftene som virker på seilet.. Fremgangsmåte for drift av et vannstrømkraftverk () for plassering under vann, omfattende flere seil eller vinger (12) som er festet til en roterbar endeløs kjede (14) oppspent mellom motstående, respektive vendeskiver (), idet den endeløse kjeden (14) tvinges rundt ved fremdrift av seilene (12) under påvirkning fra det omliggende vannet, og å generere elektrisk kraft ved hjelp av minst en generator (60) som forbindes med den endeløse kjeden (14), k a r a k t e r i s e r t v e d - å feste vendeskivene () parvis i respektive forankrbare rammer (16, 18), og å la den endeløse kjeden (14) løpe fritt mellom rammene (16, 18) og rundt mellom vendeskivene (), og - å forbinde en universalkobling (0) til minst ett av parene av vendeskiver (), hvor universalkoblingen kontrollerer felles bevegelse til den endeløse kjedens (14) kabler (), når generatoren kjøres, og kontrollerer differensial bevegelse til kablene (), uavhengig av nevnte felles bevegelse, for regulering av seilenes (12) vinkel mellom kablene () ved justering av kablenes () hastighet i forhold til hverandre. 16. Fremgangsmåte i samsvar med krav, k a r a k t e r i s e r t v e d å koble et drivverk (28) mellom universalkoblingen (0) og vendeskivene (). 2 17. Fremgangsmåte i samsvar med krav, k a r a k t e r i s e r t v e d at for å drive den endeløse kjeden (14) rundt ved generering av skyvekraft og løftekraft som overføres til kablene (), skråstilles seilene (12) i forhold til vannstrømmen.
18 12 16 14 Fig. 1 22 12 Fig. 2
12 16 14 Fig. 3 16 12 14 18 Fig. 4
12 16 26 Fig. 32 12 34 36 40 0 60 40 36 34 28 32 Fig. 6
2 40 8 42 42 40 6 4 Fig. 7 44 40 42 48 46 Fig. 8