NO328604B1

NO328604B1 - Bolgeenergigenereringssystem

Info

Publication number: NO328604B1
Application number: NO20082318A
Authority: NO
Inventors: Johan F Andresen; Hans Knutsen
Original assignee: Johan F Andresen
Priority date: 2008-05-22
Filing date: 2008-05-22
Publication date: 2010-03-29
Also published as: CN102124211B; DK2300707T3; CA2724986C; ES2568639T3; EP2300707B1; EP2300707A1; HK1154064A1; CN102124211A; WO2009142504A1; NO20082318L; CA2724986A1

Abstract

Oppfinnelsen angår et bølgeenergigenereringssystem for generering av elektrisk energi fra bølgene. Systemet omfatter en basestruktur (2) og en flytende struktur (3) hvor den flytende strukturen er bevegelig i forhold til basestrukturen når påvirket av bølger. Basestrukturen (2) omfatter en vesentlig vertikal stolpe (22). Den flytende strukturen (3) omfatter et hus (31) med en sentral åpning (32), hvor den flytende strukturen (3) er tilveiebrakt i det vesentlige rundt den vertikale stolpen (22). Den flytende strukturen (3) er bevegelig koblet til stolpen (22) ved hjelp av primære hydraulikksylinderanordninger (44), hvor de primære hydraulikksylinderanordningene (44) er hydraulisk l 5 koblet til en energikonverteringsanordning (43) for konvertering av hydraulisk energi i fluidstrømmen forårsaket av bølgebevegelser til elektrisk energi. Sekundære hydraulikksylinderanordninger (45) er tilveiebrakt i den sentrale åpningen (32) mellom stolpen (22) og huset (3 1) for å opprettholde en avstand mellom huset (3 1) og stolpen (22).

Description

Teknisk område

Den foreliggende oppfinnelsen angår et bølgeenergigenereringssystem.

Bakgrunn

Det er kjent flere typer bølgeenergigenereringssystemer for generering av elektrisk energi fra bølger. Det er svært mange tekniske utfordringer involvert med slike systemer. For det første bør de være lokalisert i vann hvor det er svært mye bølger i lengre perioder av året for å øke energiproduksjonen. Imidlertid må ikke konstruksjonen kun fungere under gjennomsnittelig bølgehøyde, konstruksjonen må også motstå kreftene fra maksimal bølgehøyde som inntreffer under vinterstormer, etc. Det har vært flere eksempler på bølgeenergigenereringssystemer som har blitt ødelagt av slike stormer.

Formålet med den foreliggende oppfinnelsen er å tilveiebringe et robust og pålitelig bølgeenergigenereringssystem. Videre er formålet å tilveiebringe så mange bevegelige deler som mulig over havnivå for adgang med tanke på vedlikehold, utskifting av deler og komponenter ved behov, etc.

Sammendrag av oppfinnelsen

Den foreliggende oppfinnelsen angår et bølgeenergigenereringssystem for generering av elektrisk energi fra bølger, omfattende en basestruktur og en flytende struktur, hvor den flytende strukturen er bevegelig i forhold til basestrukturen når den påvirkes av bølger, hvor: - basestrukturen omfatter en i det vesentlige vertikal stolpe; - den flytende strukturen omfatter et hus med en sentral åpning, hvor den flytende strukturen er tilveiebrakt vesentlig rundt den vertikale stolpen; - den flytende strukturen er bevegelig tilkoblet stolpen ved hjelp av primære hydrauliske sylinderanordninger, hvor de primære hydraulikksylinderanordningene er hydraulisk koblet til en energikonverteringsanordning for konvertering av hydraulisk energi i fluidstrømningen forårsaket av bølgebevegelsene til elektrisk energi; - sekundære hydraulikksylinderanordninger er tilveiebrakt i den sentrale åpningen mellom stolpen og huset for å opprettholde avstand mellom huset og stolpen.

I et aspekt av oppfinnelsen er basestrukturen forankret til havbunnen.

I et aspekt av oppfinnelsen omfatter basestrukturen et vesentlig flatt, sylindrisk legeme, hvor stolpen stikker frem oppover fra legemet.

I et aspekt av oppfinnelsen omfatter basestrukturen en langsgående kanal for en elektrisk kabel elektrisk tilkoblet energikonverteringsanordningen.

I et aspekt av oppfinnelsen omfatter den flytende strukturen et nedre kammer hvor toveispumper er tilveiebrakt for pumping av sjøvann inn i eller ut fra det nedre kammeret for ballastering av den flytende strukturen.

I et aspekt ved oppfinnelsen er de primære hydraulikksylinderanordningene tilkoblet basestrukturen ved hjelp av en koblingsanordning tilveiebrakt på toppenden av stolpen.

I et aspekt av oppfinnelsen er koblingsanordningen vertikalt bevegelig i forhold til toppenden av stolpen ved hjelp av vertikale hydraulikksylinderanordninger.

I et aspekt av oppfinnelsen omfatter energikonverteringsanordningen en hydraulisk akkumulatoranordning for akkumulering av hydraulisk fluid, en generatoranordning for generering av elektrisk energi fra det strømmende hydrauliske fluidet og elektriske kretser elektrisk tilkoblet generatoranordningen, hvor den elektriske energien er konvertert til et passende spennings/strømnivå for overføring til et distribusjonssystem eller last.

I et aspekt av oppfinnelsen er den elektriske kretsen tilkoblet en elektrisk kabel.

I et aspekt av oppfinnelsen er den hydrauliske akkumulatoranordningen hydraulisk koblet til de primære hydraulikksylinderanordningene, de sekundære hydraulikksylinderanordningene og/eller de vertikale

hydraulikksylinderanordningene.

I et aspekt av oppfinnelsen er energikonverteringsanordningen tilveiebrakt i øvre og/eller mellomliggende kamre i den flytende strukturen.

I et aspekt av oppfinnelsen omfatter systemet videre et styringssystem for styring av operasjonen til systemet i samsvar med værforhold, sikkerhetskrav, etc.

I et aspekt av oppfinnelsen styrer styringssystemet det hydrauliske mottrykket i de primære hydraulikksylinderanordningene, de sekundære

hydraulikksylinderanordningene og/eller de vertikale

hydraulikksylinderanordningene for å hindre at de når deres maksimale sammentrukne og/eller ekspanderte posisjoner.

I et aspekt av oppfinnelsen er huset i det vesentlige sylindrisk.

Detaljert beskrivelse

I det følgende vil en detaljert beskrivelse av en utførelsesform i samsvar med oppfinnelsen bli beskrevet med henvisning til de vedlagte tegninger, hvor: Fig. 1 viser en utførelsesform av bølgeenergigenereringssystemet; Fig. 2 viser et tverrsnitt av systemet i fig. 1; Fig. 3-5 illustrerer ulike posisjoner for den flytende strukturen i forhold til basestrukturen i fig. 1 og 2.

Utførelsesformen av bølgeenergigenereringssystemet 1 omfatter en basestruktur 2 og en flytende struktur 3, hvor den flytende strukturen 3 er bevegelig i forhold til basestrukturen 2 som vil bli beskrevet i detalj nedenfor. Bølgeenergigenereringssystemet 1 er anbrakt flytende i sjø, hvor vannivået 4 under normale driftsforhold er indikert i fig. 1. Basestrukturen 2 har liten, men positiv oppdrift i vann. Basestrukturen 3 er f.eks. forankret til havbunnen ved hjelp av forankringsmidler (ikke vist), dermed er den vertikale bevegelsen av basestrukturen 2 begrenset opp til en bestemt belastning. Forankringsmidlet vil tillate noe vertikal bevegelse av basestrukturen for å hindre skader på systemet i situasjoner med ekstreme værforhold.

Basestrukturen 2 omfatter et i det vesentlige flatt, sylindrisk legeme 21 og en stolpe 22 som skyter frem oppover fra det flate, sylindriske legemet 21. Stolpen 22 omfatter en sentral, langsgående kanal 23 fra sin topp ned gjennom det sylindriske legemet 21, noe som tillater at en elektrisk kabel 5 kan tilveiebringes på innsiden av stolpen. Den elektriske kabelen 5 overfører elektrisk energi generert av systemet 1 til et energidistribusjonssystem og videre til en last. Det sylindriske legemet 21 er forankret eller koblet til havbunnen ved hjelp av et vaiersystem, et kjettingsystem, tausystem eller dreiestangsystem eller kombinasjoner av disse, og vil være festet til havbunnen ved hjelp av et pælesystem, sugeanker, anker eller vektsystem eller en kombinasjon av disse for å hindre fast avstand mellom havbunnen og bølgeenergisystemet. Dette er ønskelig i situasjoner med ekstreme værforhold, for å hindre skader på systemet.

I toppenden av stolpen 22 er det tilveiebrakt en sylindrisk åpning 24. En koblingsanordning 40 er tilveiebrakt i den sylindriske åpningen 24 for kobling av basestrukturen 2 til den flytende strukturen 3.

Koblingsanordningen 40 er i det vesentlige T-formet i et vertikalt tverrsnitt, med et sylinderhode 41 og et sylindrisk stempelelement 42 som skyter frem nedover fra hodet 41. Stempelelementet 42 er tilpasset til å bevege seg i en vertikal retning opp og ned på innsiden av åpningen 24. Den vertikale bevegelsen til koblingsanordningen 40 styres og/eller begrenses av vertikale hydraulikksylinderanordninger 43 tilveiebrakt mellom den øvre enden av stolpen 22 og den nedre enden av hodet 41, som vist i fig. 2. De vertikale hydraulikksylinderanordningene 43 kan anvendes for å justere den flytende strukturen 3 i forhold til tidevann, bølgehøyde, etc., imidlertid vil de ikke bli beveget under normal drift.

Koblingsanordningen 40 er koblet til basestrukturen 2 og den flytende strukturen 3 ved hjelp av primære hydraulikksylinderanordninger 44, som vil bli beskrevet i detalj nedenfor.

Den flytende strukturen 3 omfatter et i det vesentlige hult sylindrisk hus 31 med en sentral åpning 32 hvori stolpen 22 hos basestrukturen 2 er tilveiebrakt. Huset 31 omfatter flere kamre; et nedre kammer 33, et mellomliggende kammer 34 og et øvre kammer 35.

En første ende av de primære hydraulikksylinderanordningene 44 er roterbart festet til den øvre enden av huset 31, mens en andre ende av de primære hydraulikksylinderanordningene 44 er roterbart/dreibart festet til koblingsanordningen 40, som vist i fig. 2. Det skal bemerkes at den andre enden av de primære hydraulikksylinderanordningene 44 ikke hindrer vertikal bevegelse av koblingsanordningen 40.

Videre er de sekundære hydraulikksylinderanordningene 45 tilveiebrakt som avstandselementer i den sentrale åpningen 32 av huset 31. Det skal bemerkes at første ender hos de sekundære hydraulikksylinderanordningene 45 er fast festet til den sentrale åpningen 32 av huset 31, mens andre ender hos de sekundære hydraulikksylinderanordningene 45 er glidbare langs den øvre overflaten av stolpen 22. Den andre enden av de sekundære hydraulikksylinderanordningene 45 kan f.eks. omfatte et glideelement eller et rulleelement, for å redusere friksjonen mot toppen 22.1 fig. 2 er det vist at den andre enden hos de sekundære hydraulikksylinderanordningene 45 omfatter et roterende glidehjul 46 som roterer mot overflaten av stolpen 22 når den flytende strukturen 3 beveger seg i forhold til basestrukturen 2. Det er også vist at vinkelen mellom de sekundære hydraulikksylinderanordningene 45 og overflaten til den sentrale åpningen 32 er vesentlig 90°.

Det skal bemerkes at de sekundære sylinderanordningene 45 tilveiebringer noe fleksibilitet med tanke på relativ horisontal bevegelse mellom den flytende strukturen og basestrukturen. Under normal drift vil disse sylinderanordningene 45 være så stive at ingen bevegelser inntreffer. Dermed kan de sekundære anordningene 45 bli erstattet med andre typer av distanseelementer med fast lengde. Imidlertid, i situasjoner med ekstreme værforhold, kan fleksibiliteten tilveiebrakt av de sekundære sylinderanordningene 45 hindre systemet fra å bli ødelagt.

Huset 31 vil nå bli ytterligere beskrevet. Det nedre kammeret 33 er et kammer som kan fylles med vann ved behov for å justere flytestrukturen 3 i forhold til tidevann, bølgehøyde, bølgeperiode, etc. Som vist i fig. 2 omfatter det nedre kammeret 33 toveispumper 70 for pumping av vann inn i eller ut fra det nedre kammer 33 gjennom en øvre åpning 71 og en nedre åpning 72. Den øvre åpningen 71 er anbrakt på utsideperiferien av huset 31, med en avstand tilnærmet 3A av høyden til huset 31 fra bunnen av huset 31. Den nedre åpningen 72 er anbrakt på undersiden av huset 31.

Det mellomliggende kammeret 34 og det øvre kammeret 35 omfatter ulike elementer hos en energikonverteringsanordning 73.

Energikonverteringsanordningen 73 konverterer hydraulisk energi, dvs. energi fra strømmende hydraulisk fluid til elektrisk energi.

Energikonverteringsanordningen 73 omfatter en hydraulisk akkumulatoranordning 74 som er hydraulisk koblet til de primære og sekundære hydraulikksylinderanordningene 44, 45 ved hjelp av rør/ledninger, etc. (ikke vist). Også de vertikale hydraulikksylinderanordningene 43 kan bli hydraulisk koblet til hydraulikkakkumulatoren 74. Når hydraulikksylinderanordningene 44, 45 trekker seg sammen eller responderer på grunn av den relative bevegelsen mellom den flytende strukturen 3 og basestrukturen 2 strømmer hydraulisk fluid inn i eller ut fra hydraulikkakkumulatoranordningen 74. Hydraulikkakkumulatoranordningen 74 er koblet til generatoranordningen 5 slik at hydraulikkstrømmen forårsaket av den relative bevegelsen forårsaker at generatoranordningen 74 genererer elektrisk energi fra den hydrauliske strømmen. Generatoranordningen 74 er elektrisk tilkoblet til den elektriske kretsen 76, hvor den elektriske kraften konverteres til et passende spennings/strømnivå for overføring til de ovenfor nevnte

energidistribusjonssystemet og last via kabelen 5.

Hydraulikkakkumulatoranordningen 74, generatoranordningen 75 og den elektriske kretsen 76 er betraktet å være elementer som er kjente for en fagperson på området, og vil ikke bli beskrevet i detalj her. Den hydrauliske energien som genereres kan f.eks. konverteres til 50/60 Hz AC-spenning med et spenningsnivå på f.eks. 380-440 volt, dette kan imidlertid variere fra anvendelsesområde til anvendelsesområde basert på ulike parametere (størrelse og antall nærliggende bølgeenergigenereringssystemenheter, avstand til last, type og parameter hos distribusjonsnettverk, etc).

Videre er et styringssystem tilveiebrakt for styring av operasjonen til bølgeenergigenereringssystemet 1. Styringssystemet omfatter følemidler for å måle f.eks. høyde, lengde og frekvens til bølger, værforhold, etc, trykkfølemidler for å overvåke trykket hos det hydrauliske systemet og også pumpeanordninger for pumping av hydraulisk fluid inn i eller ut fra hydraulikksylinderanordningene og for å styre mottrykket i dem for å begrense deres frihet til å bevege seg, dvs. å styre deres "stivhet". Fig. 3 illustrerer den flytende strukturen 3 i den nedre posisjonen i forhold til basestrukturen 2. Som vist er den primære hydraulikksylinderanordningen 44 orientert med en vinkel amjn. Vinkelen amj„ kan f.eks. være ned til -60° i forhold til en horisontallinje. Fig. 4 illustrerer den flytende strukturen 3 i den øverste posisjonen i forhold til basestrukturen 2. Som vist er den primære hydraulikksylinderanordningen 44 orientert med en vinkel amax. Vinkelen kan f.eks. være opptil 60° i forhold til en horisontallinje.

Følgelig tvinges hydraulisk fluid mellom de primære sylinderanordningene 44 og den hydrauliske akkumulatoranordningen 74 når den flytende strukturen 3 tvinges mellom posisjonene vist i fig. 3 og 4. Dermed produseres elektrisk energi ved hjelp av generatoranordningen 75.

For å hindre risiko for skader bør hydraulikksylinderanordningene og spesielt de primære hydraulikksylinderanordningene 44 ikke tillates å bevege seg til deres maksimale (utvidede) eller minimale (sammentrukne) posisjoner. Denne oppgaven utføres ved hjelp av styringssystemet, som styrer mottrykket i sylinderanordningene ved hjelp av den hydrauliske akkumulatoranordningen 74.

Styringssystemet kan tilveiebringe at de primære hydraulikksylinderanordningene 44 er stivere når de tvinges oppover av bølger enn når de beveger seg nedover (på grunn av gravitasjonskraft).

Det henvises nå til fig. 5, som illustrerer den vertikale bevegelsen av koblingsanordningen 40 i forhold til stolpen 22.1 ett aspekt av oppfinnelsen er de hydrauliske sylinderanordningene 43 brukt til å justere høyden på den flytende strukturen 3 i forhold til havnivået, for å optimalisere posisjonen til den flytende strukturen med tanke på tidevannsvariasjoner. Her er høyden til koblingsanordningen 40 justert ved hjelp av styringssystemet f.eks. periodisk (f.eks. hvert 30. min., hver 2. time, etc.), basert på et målt gjennomsnittlig havnivå, en tidevannstabell eller lignende.

I et annet aspekt av oppfinnelsen beveges også koblingsanordningene 40 innenfor sine grenser satt av de vertikale hydrauliske sylinderanordningene 43 i samsvar med bølger. Her bidrar også de vertikale hydraulikksylinderanordningene 43 til energiproduksjon.

Som nevnt ovenfor styrer styringssystemet bølgeenergigenereringssystemet 1. En viktig oppgave for styringssystemet er å optimalisere energiproduksjonen til systemet 1, ved å optimalisere bølgeenergiabsorpsjon. Dette kan utføres ved å justere friheten til bevegelse for den flytende strukturen (dvs. begrense ekstremverdier for hydraulikksylinderanordningene) eller pumping av sjøvann inn i eller ut fra det nedre kammeret. Som kjent vil det være optimalt å bevege den flytende strukturen opp og ned ved naturlig frekvens eller resonansfrekvens for bølgene, dermed vil styringssystemet kunne være optimalisert for slik funksjon.

Følgelig vil styringssystemet aktivt søke konfigurasjonen av vekt (oppdrift) og vinkler som kan hente ut mest energi fra havtilstandsforholdene. Styringssystemet omfatter sensorer for å føle værforhold, f.eks. slik som vind, bølgefrekvens, bølgeperioder, etc. En annen viktig oppgave for styringssystemet er å beskytte systemet 1 med tanke på dårlig vær som kan skade strukturene. Dette kan utføres ved å fylle det nedre kammeret med sjøvann, og følgelig senke den flytende strukturen og basestrukturen helt eller delvis ned i sjøen.

Videre vil det også være mulig å stoppe systemet fra lang avstand for å hindre vertikal bevegelse ved et behov for vedlikehold, etc. F.eks. kan fluid pumpes ut av det nedre kammet, og den flytende strukturen 3 vil flyte opp og være enkelt tilgjengelig for vedlikehold, etc.

Alternative utførelsesformer

I en alternativ utførelsesform er basestrukturen 2 festet til havbunnen. Dette er selvfølgelig av spesiell interesse i grunnere farvann. I andre alternative utførelsesformer er basestrukturen forankret til havbunnen ved hjelp av ledninger eller kjetting til sugeankeret, pælesystemer eller et klumpvektsystem.

I alternative utførelsesformer kan de sekundære sylinderanordningene 45 være tilveiebrakt som flere rader av sylindre, hvor radene er montert med mellomrom i vertikalretning. Alternativt er de sekundære sylinderanordningene 45 festet til stolpen 22 mens rullene glir langs den indre overflaten av åpningen 32.

I samsvar med oppfinnelsen er det tilveiebrakt et robust og pålitelig bølgeenergigenereringssystem, hvor det kan hindres at de hydrauliske sylindrene når sine maksimale utvidede og/eller ekspanderte posisjoner, for dermed å redusere risikoen for skade på systemet. Videre er i det vesentlige alle bevegelige deler anbrakt eller kan senkes over havnivå for adgang med tanke på vedlikehold, utbytting av deler og komponenter ved behov, etc.

Den ovenfor detaljerte beskrivelse er spesielt tilveiebrakt for å illustrere og beskrive foretrukne utførelsesformer av oppfinnelsen. Imidlertid begrenser beskrivelsen ikke oppfinnelsen til de spesifikke utførelsesformene.

Claims

1. Bølgeenergigenereringssystem for generering av elektrisk energi fra bølger, omfattende en basestruktur (2) og en flytende struktur (3), hvor den flytende strukturen er bevegelig i forhold til basestrukturen når den påvirkes av bølger, hvor: - basestrukturen (2) omfatter en vesentlig vertikal stolpe (22); - den flytende strukturen (3) omfatter et hus (31) med en sentral åpning (32), hvor den flytende strukturen (3) er tilveiebrakt i det vesentlige rundt den vertikale stolpen (22); - den flytende strukturen (3) er bevegelig koblet til stolpen (22) ved hjelp av de primære hydraulikksylinderanordningene (44), hvor de primære hydraulikksylinderanordningene er hydraulisk koblet til energikonverteringsanordningen (73) for konvertering av hydraulisk energi i fluidstrømmen forårsaket av bølgebevegelser til elektrisk energi; - sekundære hydraulikksylinderanordninger (45) tilveiebrakt i den sentrale åpningen (32) mellom stolpen (22) og huset (31) for å opprettholde en avstand mellom huset (31) og stolpen (22).

2. System i samsvar med patentkrav 1, hvor basestrukturen er forankret til havbunnen.

3. System i samsvar med patentkrav 2, hvor basestrukturen omfatter et i det vesentlige flatt, sylindrisk legeme (21), hvor stolpen (22) stikker frem oppover fra legemet (21).

4. System i samsvar med patentkrav 3, hvor basestrukturen omfatter en langsgående kanal (23) for en elektrisk kabel (5) elektrisk koblet til energikonverteringsanordningen (73).

5. System i samsvar med patentkrav 1, hvor den flytende strukturen (3) omfatter et nedre kammer (33) hvor toveispumper (70) er tilveiebrakt for pumping av sjøvann inn i eller ut fra det nedre kammer for ballastering av den flytende strukturen (3).

6. System i samsvar med patentkrav 1, hvor de primære hydraulikksylinderanordningene (44) er koblet til basestrukturen (2) ved hjelp av en koblingsanordning (40) tilveiebrakt på toppenden av stolpen (22).

7. System i samsvar med patentkrav 6, hvor koblingsanordningen (40) er vertikalt bevegelig i forhold til toppenden av stolpen (22) ved hjelp av vertikale hydraulikksylinderanordninger (43).

8. System i samsvar med patentkrav 1, hvor energikonverteringsanordningen (73) omfatter en hydraulikkakkumulatoranordning (74) for akkumulering av hydraulisk fluid, en generatoranordning (75) for generering av elektrisk energi fra det strømmende hydrauliske fluidet og elektriske kretser (76) elektrisk koblet til generatoranordningen (75), hvor den elektriske energien er konvertert til et passende spennings-/strømnivå for overføring til et distribusjonssystem eller last.

9. System i samsvar med patentkrav 8, hvor den elektriske kretsen (76) er koblet til en elektrisk kabel (5).

10. System i samsvar med patentkrav 8, hvor den hydrauliske akkumulatoranordningen (74) er hydraulisk koblet til de primære hydraulikksylinderanordningene (44), sekundære hydraulikksylinderanordningene (45) og/eller de vertikale hydraulikksylinderanordningene (43).

11. System i samsvar med patentkrav 8, hvor energikonverteringsanordningen (73) er tilveiebrakt i øvre og/eller i mellomliggende kamre i den flytende strukturen (3).

12. System i samsvar med patentkrav 1, videre omfattende styringssystem for styring av operasjonen til systemet (1) i samsvar med værforhold, sikkerhetskrav, etc.

13. System i samsvar med patentkrav 12, hvor styringssystemet styrer hydraulikkmottrykket i de primære hydraulikksylinderanordningene (44), sekundære hydraulikksylinderanordningene (45) og/eller de vertikale hydraulikksylinderanordningene (43) for å hindre at de når sine maksimale sammentrukne og/eller utvidede posisjoner.

14. System i samsvar med patentkrav 1, hvor huset (31) er i det vesentlige sylindrisk.