NO20024728L

NO20024728L - Vind- og bölgeenergianlegg

Info

Publication number: NO20024728L
Application number: NO20024728A
Authority: NO
Inventors: Frans Henrik Christensen
Original assignee: Frans Henrik Christensen
Priority date: 2000-04-03
Filing date: 2002-10-02
Publication date: 2002-10-02
Also published as: EP1272758A1; US6766643B2; WO2001075302A1; NO20024728D0; IS6573A; AU2001244099A1; DK174156B1; DK200000550A; US20030145587A1

Description

Oppfinnelsen angår et vind- og bølgeenergi anlegg omfattende en vindmølle med en rotor og en bølgeaktivert vannpumpe som kan drives av en turbin hvis utgangsaksel står i drivforbindelse med en elektrisk generator.

US 5 549 445 beskriver en sjøplattform for utvinning av vind- og bølgeenergi, ved hvilken et nedad åpent turbinkammer er omsluttet av en ringformet pongtong. Rundt pongtongen er det anordnet et stort antall bølgeaktiverte pumper som drives av neddykkede drivanordninger og suger vann ut av turbinkammeret, slik at vannet stiger opp gjennom kammeret og således passerer en elektrisk generator med tilhørende turbin som er neddykket i kammeret. Over turbinen er det i kammeret videre anordnet et skruehjul som drives direkte av en vindmølle med loddrett aksel og således også pumper vann opp gjennom kammeret forbi turbinen. Vannet som passerer dette skruehjul, ledes ut til omgivelsene gjennom åpninger i den øvre del av turbinkammerets vegg.

Ved anlegg for utvinning av energi fra vind og bølger avhenger den endelige pris på den produserte energi dels av byggeomkostningene og dels av den totale virkningsgrad. De kjente anlegg er generelt temmelig komplekse og derfor kostbare å bygge, og videre er de oppnådde virkningsgrader ikke optimale.

Formålet med den foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe et vind- og bølgeenergianlegg som har en enklere konstruksjon og gir en høyere ytelse enn tidligere kjente anlegg.

Med henblikk på dette formål er anleggetkarakterisert vedat vindmøllen omfatter et rørformet mølletårn som er fast forankret til havbunnen og omslutter en lagringstank mellom havoverflaten og møllerotoren, hvilken tank kan fylles med vann ved hjelp av pumpen via en tilbakeslagsventil, og fra hvilken vann kan ledes til turbinen.

På denne måte er det mulig ved hjelp av ett og samme element, nemlig et fast forankret mølletårn, å oppnå en kombinasjon av to vesentlige fordeler, nemlig bedre utnyttelse av vindenergien, da møllerotoren heves til en høyde med kraftige vinder, og på samme tid bedre utnyttelse av bølgeenergien, da det ved pumping av sjøvann inn i mølletårnet og lagring av vannet der er mulig å oppnå et så stort trykkfall over turbinhjulet at turbinens virkningsgrad er vesentlig høyere enn i tidligere kjente anlegg, for eksempel opptil rundt 20 %. Således kan en større energiproduksjon oppnås uten ekstra kostbare konstruksjonselementer, så som separate fundamenter for en vindmølle og et bølgeenergianlegg, eller flere større pumper.

Videre kan det oppnås bedre kvalitet av den produserte energi da antall omdreininger av turbinen kan holdes i det vesentlige konstant uten hensyn til det faktum at vannstrømmen fra den bølgeaktiverte pumpe kan variere avhengig av forplantningshastigheten og størrelsen av bølgene. En varierende vannstrøm fra pumpen utjevnes ved hjelp av en buffervirkning forårsaket av det lagrede vannvolum i lagringstanken. Generatoren som drives av turbinen, kan følgelig levere energi eller effekt med en mer ensartet frekvens og spenning, hvilket er en vesentlig kval itetsparameter.

I en fordelaktig utførelse er lagringstanken langstrakt og strekker seg i det vesentlige fra området rundt havoverflaten til området ved rotoren. På denne måte kan stort sett hele lengden av mølletårnet utnyttes for oppnåelse av et stort trykkfall over turbinen, med derav følgende høy virkningsgrad og samtidig et stort volum av lagret vann, hvilket muliggjør særlig jevn drift av turbinen.

I en konstruksjonsmessig særlig fordelaktig utførelse utgjøres mølletårnet av et slankt rør som i seg selv danner lagringstankens vegg, og derved sparer materialer for å lage en separat lagringstank i tårnet, idet tårnet bare skal lukkes ved bunnen.

Turbinen og den tilhørende elektriske generator kan med fordel være anordnet i mølletårnet under lagertanken. Dette tillater turbininnløpet å være anordnet i umiddelbar forlengelse av lagertanken, slik at det oppnås særlig fordelaktige strømningsforhold ved innløpet, hvilket resulterer i ytterligere forbedring av virkningsgraden så vel som ensartet drift. Dette unngår videre behovet for et separat hus for turbinen og generatoren, og disse komponenter er særlig godt beskyttet mot været i mølletårnet, da dette pga. sin høyde må ha kraftige dimensjoner. Således muliggjøres en særlig driftssikker funksjon.

Pumpen og tilbakeslagsventilen kan også fortrinnsvis være integrert med mølletårnet, slik at det tilveiebringes korte strømningsbaner med derav følgende mindre tap og videre en enkel og robust konstruksjon.

I en særlig kompakt utførelse har mølletårnet et fotavsnitt i hvilket turbinen og generatoren er anordnet sentralt i forlengelse av hverandre, og i hvilken et støpt fundament for møllen rager sentralt i en oppadgående retning, og pumpen er en stempelpumpe med ett eller flere stempler som er i stand til frem- og tilbakegående bevegelse i et område som omslutter ett eller flere av elementene, nemlig turbin, generator eller fundament. På denne måte kan turbininnløpet plasseres nær havets overflatenivå, hvilket muliggjør en større vannsøyle over turbinen samtidig som pumpens stempler kan ha en tilstrekkelig lang slaglengde, idet de er anordnet på høyde med turbinen, generatoren eller fundamentet i mølletårnets høyderetning. Da pumpestemplene således er beliggende perifert i mølletårnet umiddelbart innenfor dettes yttervegg, kan de på enklere måte forbindes med bølgeaktiverte drivanordninger som er beliggende utenfor tårnet.

I en foretrukket utførelse kan pumpestempelet eller stemplene beveges ved hjelp av en bølgeaktivert, langstrakt drivanordning, så som en flottør, som strekker seg i hovedsaken i en diametral retning i forhold til tårnet, og som er dreibart lagret rundt tårnets lengdeakse ved tårnets fotavsnitt. På denne måte kan drivanordningen dreie seg i forhold til de innkommende bølger avhengig av disses forplantningsretning, slik at drivanordningens lengdeakse er i det vesentlige parallell med bølgetoppene, hvorved i hovedsaken størstedelen av bølgeenergien overføres til drivanordningen som påvirkes av en jevn, oppadrettet kraft langs hele sin lengde. Ved å lagre drivanordningen rundt tårnets lengdeakse, kan den på en enkel og robust måte forbindes med pumpestempler som er beliggende inne i tårnet. En annen fordel som oppnås, er at drivanordningen påvirkes av en ekstra vannhevning som opptrer pga. oppbremsingen av en del av en innkommende bølge, da denne treffer mølletårnets fotavsnitt og fundamentet som er beliggende under dette.

Drivanordningen kan videre være i form av en flottør som i området rundt tårnet har et spesielt stort oppdriftsvolum, hvilket tillater bedre utnyttelse av den ovennevnte ekstra vannhevning.

I en fordelaktig utførelse omfatter anlegget en føler for registrering av bølgenes utbredelsesretning, og et styresystem for innstilling av drivanordningen i forhold til den registrerte retning og ved hjelp av en fortrinnsvis elektrisk aktuator, slik at drivanordningens lengdeakse er i hovedsaken parallell med bølgetoppene. Dette tillater drivanordningens orientering å optimeres i forhold til bølgenes utbredelsesretning, slik at drivanordningen påvirkes av en størst mulig oppadrettet kraft fra bølgetoppene. Videre trenger drivanordningen da ikke å være utformet slik at den av seg selv innstiller seg stabilt etter bølgenes retning; et område med et spesielt stort oppdriftsvolum kan for eksempel ved hjelp av aktuatoren holdes konstant på den side av mølletårnet som vender mot de innkommende bølger.

Tårnets fundament kan ha en nedad økende diameter under havoverflaten. Dette kan forårsake en økning av den ekstra vannhevning som opptrer pga. oppbremsing av en innkommende bølge, da fundamentet kan danne en oppadrettet rampe for bølgene.

I én utførelse er den del av ytterveggen som er beliggende ved havoverflaten, dannet av metall, og anordninger for elektrisk oppvarming av denne del av ytterveggen er inkludert. På denne måte kan det smeltes is som ellers i noen tilfeller kan hindre drivanordningens funksjon eller skade tårnet dersom isskruing opptrer.

Oppfinnelsen skal nå beskrives nærmere i det følgende ved hjelp av utførelseseksempler og under henvisning til de skjematiske tegninger, der

fig. 1 viser et perspektivriss av et vind- og bølgeenergianlegg ifølge oppfinnelsen,

fig. 2 viser vind- og bølgeenergianlegget på fig. 1 sett fra en annen vinkel,

fig. 3 viser et delvis aksialt snitt gjennom anlegget på fig. 1, og fig. 4 viser et delvis aksialt snitt gjennom anlegget etter linjen IV-IV på fig. 3.

Fig. 1 viser et vind- og bølgeeneirgianlegg 1 for forankring på havbunnen, omfattende et rørformet mølletårn 2, en møllerotor 3 og en langstrakt flottør 4. Møllerotoren 3 er en såkalt HAWT (Horizontal Axis Wind Turbine), hvis horisontale aksel driver en elektrisk generator 5 som er anordnet ved toppen av tårnet 2. Mølletårnet 2 kan være laget av stål og kan for eksempel være 100 m høyt, hvor møllegeneratoren 5 er på eksempelvis 2 MW. Anlegget kan imidlertid bygges i mange forskjellige størrelser. Ved bunnen har tårnet 2 et fotavsnitt 6 som er vist i et aksialt snitt på fig. 3.

Fig. 3 viser fotavsnittet 6 montert på havbunnen ved hjelp av et støpt betongfundament 7 som har et øvre sylindrisk avsnitt 9 som rager et stykke opp i fotavsnittet. Fundamentet 7 har videre et nedre avsnitt 8 i hvilket diameteren øker nedover, slik at bølger som beveger seg i retning mot fundamentet, presses oppover mot flottøren 4. Fundamentets høyde kan tilpasses til vanndybden på stedet. Forankringen tillater videre tårnet å fylles med vann, og at de store oppadrettede krefter på flottøren 4 kan utnyttes for energiproduksjon.

Flottøren 4, som er bare delvis vist på fig. 3, er lagret rundt fotavsnittet 6 slik at den kan dreie om mølletårnets lengdeakse og forskyves opp og ned, idet den flyter på passerende bølger. Ved hjelp av flere vertikalt forløpende holdearmer 10, og via et rotasjonslager 11 som er anordnet ved bunnen av fotavsnittet, er flottøren 4 forbundet med flere vertikalt forskyvbare pumpestenger 12 som er beliggende inne i fotavsnittet og har tilhørende pumpestempler 13. Lageret 11 strekker seg hele veien rundt betongfundamentets sylindriske avsnitt 9, slik at flottøren 4 kan dreie seg rundt lagerets vertikale rotasjonsakse og til hvilken som helst vinkelstilling, og kan for eksempel være utformet som et i og for seg kjent rullelager. Alt etter anleggets aktuelle geografiske beliggenhet er holdearmene 10 og pumpestengene 12 dimensjonert passende lange, slik at flottøren 4 kan bevege seg tilstrekkelig langt opp og ned med bølgene til å kunne optimere energiutnyttelsen under de fleste værforhold som opptrer.

Hvert pumpestempel 13 er lagret på vertikalt forskyvbare måte i en pumpesylinder 14 som er anordnet i et ringformet område mellom en perifer yttervegg 15 av fotavsnittet 6 og et indre rør 16 som er en forlengelse av det aktuelle mølletårn 2. Pumpestempelet oppdeler således sylinderen 14 i et nedre pumpekammer 19 og et øvre pumpekammer 20. I en første pumpesyklus beveger pumpestemplene 13 seg først oppover pga. en bølge som passerer tårnet og som løfter flottøren 4, og derved suges vann fra havet gjennom de ikke viste tilbakeslagsventiler inn i hver sylinder i det nedre pumpekammer 19 under stempelet. Vannet kan for eksempel suges inn gjennom en på fig. 4 vist åpning 17 i ytterveggen 15. Når bølgetoppen beveger seg bort fra tårnet, beveger flottøren seg nedover under påvirkning av sin egen vekt, hvorved stemplene 13 bringes nedover i sine sylindere 14. I hvert stempel 13 er det anordnet en tilbakeslagsventil 18 som tillater vann å strømme fra det nedre pumpekammer 19 til det øvre pumpekammer 20, men ikke i motsatt retning. Ved den nedadrettede stempelbevegelse strømmer vannet derfor fra det nedre til det øvre pumpekammer. Ved de etterfølgende pumpesykluser pumpes vann ut av det øvre pumpekammer 20 ved hver oppadrettet bevegelse av pumpestempelet via en tilbakeslagsventil 21 og inn i en lagertank 22 som utgjøres av den hule del av mølletårnet 2 som er beliggende over fotavsnittet 6, samtidig som vann suges inn i det nedre pumpekammer 19. Generelt kan det benyttes en eller flere pumper, og disse kan være konstruert på mange forskjellige måter, og tilbakeslagsventilene kan være beliggende på andre måter og være av forskjellige kjente typer.

Ved fortsatt drift av pumpestemplene 13 kan lagertanken i mølletårnet 2 fylles helt eller delvis med vann som bygger opp et forholdsvis høyt vanntrykk ved bunnen av mølletårnet, for eksempel 10-12 bar i forhold til omgivelsene. Lagertanken 22 kan eventuelt være lukket ved toppen, slik at det over vannoverflaten i tårnet finnes et luftvolum som blir komprimert etter hvert som tårnet fylles. Dette gjør det mulig å skape et enda høyere trykk i lagertanken. Ved bunnen av lagertanken 22 er en turbin 23 anordnet sentralt i tårnrøret 2, med en innløp 24 som er åpent opp i lagertanken, og et utløp 25 som er åpent mot omgivelsene gjennom fotavsnittets 6 sidevegg 15, se fig. 4. Turbinen har blader 26 som dreier en turbinaksel 27 som via et gir 28 driver en elektrisk generator 29 som for det viste anlegg kan være på 3 MW. Turbinakselen strekker seg vertikalt ned gjennom en tettende skillevegg 30 som beskytter gir og generator mot vann. I den viste utførelse er generatoren anordnet over betongfundamentet 7, men den kunne også være beliggende i en fordypning i dette, eventuelt sammen med gir og/eller turbin.

På grunn av det store trykkfall over turbinen i forhold til tidligere kjente anlegg hvor ingen lagertank benyttes, kan det benyttes en høytrykksturbin, så som en såkalt Francis-turbin, som har en vesentlig høyere virkningsgrad enn en lavtrykksturbin som benyttes i tidligere kjente anlegg. Det store vannvolum som kan være lagret i tårnet, tillater turbinen å løpe med en veldefinert hastighet, i stor utstrekning uavhengig av variasjoner av den innpumpede vannstrøm. Giret 28 kan ha forskjellige utvekslingsforhold, slik at flere turbinhastigheter er mulige med en generatorhastighet som resulterer i en i hovedsaken fast frekvens av den genererte effekt, for eksempel 50 Hz.

Drivanordningen 4 kan være konstruert på forskjellige måter, idet den er langstrakt og beliggende med sin lengdeakse i hovedsaken i rett vinkel med tårnets akse og er dreibar om denne. På fig. 1 sees den viste utførelse i et riss sett på skrå forfra, hvilket betyr at flottøren 4 er innstilt på passende måte i forhold til bølger som beveger seg mot papirets plan, svakt på skrå fra venstre. Fig. 2 viser utførelsen i et riss sett på skrå bakfra. Fig. 1 viser at flottøren har et midtre område 31 med et særlig stort oppdriftsvolum for utnyttelse av den ekstra vannhevning som opptrer når innkommende bølger treffer tårnfundamentet. Det midtre område 31 som forbinder to flottørarmer 32, er derfor plassert foran tårnet, vendt mot de innkommende bølger. Med denne utforming av flottøren kan den ikke innstille seg selv i den viste stilling, da stillingen ville være ustabil, og den er derfor styrt av en ikke vist elektrisk servomotor. Motoren styres elektronisk på basis av målesignaler fra en føler som registrerer bølgenes utbredelsesretning. Føleren kan være en strømningsmåler av kjent type, eller den kan omfatte flere trykkmålere som er anordnet i vannet rundt tårnet. Flottøren kan imidlertid være utformet slik at den innstiller seg selv i en stabil stilling med sin lengdeakse parallell med bølgetoppene. Dette skjer dersom flottøren har en senterakse som er beliggende bak rotasjonsaksen. Evnen til innstilling parallelt med bølgetoppene tillater drivanordningen ifølge oppfinnelsen å utnytte bølgeenergien bedre enn tidligere kjente drivanordninger, da en større del av det hevede vannvolum påvirker drivanordningen.

Drivanordningen 4 kan være en flottør som er hul eller porøs, men den kan også være utformet som et blad, eventuelt med en form som er lik en omsnudd snøskrape. Et slikt blad kan være enklere og derfor billigere å realisere. I denne utførelse kan drivanordningens nedadrettede bevegelse være begrenset av en stopper som kan høydereguleres ved hjelp av en aktuator, for eksempel en servomotor, i forhold til det aktuelle vann-nivå, slik at bladet holdes på en passende høyde for at de innkommende bølger skal være i stand til å løfte bladet. Denne aktuator kan styres på grunnlag av målesignaler fra en vannstandsmåler, så som en flottør.

Drivanordningen 4 må være dimensjonert i overensstemmelse med de fremherskede værforhold på konstruksjonsstedet. Lengden og oppdriftsvolumet eller bladoverflaten langs drivanordningens lengdeakse må følgelig være tilpasset til lengdene, amplitudene og frekvensene av de opptredende bølger, idet et passende kompromiss velges på grunnlag av de forskjellige tilstander som opptrer. Drivanordningen 4 kan eventuelt være lagret med mulighet for begrenset vipping om en akse vinkelrett på både selve anordningens lengdeakse og tårnets lengdeakse, og eventuelt også slik at den er vippbar i begrenset grad om sin lengdeakse, slik at drivanordningen kan følge bølgebevegelsen mer nøyaktig. For å beskytte drivanordningen mot isformasjoner om vinteren, kan fotavsnittets ytre hus eventuelt oppvarmes for å smelte isen, eller drivanordningen kan være anordnet på tårnet med mulighet for heving av denne over isen til en ikke-aktiv stilling. Den beskrevne drivanordning 4 med tilhørende pumpe- og turbinsystem er i seg selv en separat oppfinnelse som kan anvendes som bølgeenergianlegg uten en vindmølle, da systemet ganske enkelt kan monteres på sitt eget fundament på havbunnen.

Tårnet 2 kan være overflatebehandlet på de indre og ytre overflater på kjent måte, og videre være forsynt med katodisk korrosjonsbeskyttelse.

Claims

1. Vind- og bølgeenergianlegg (1) omfattende en vindmølle med en rotor (3) og en bølgeaktivert vannpumpe som kan drive en turbin hvis utgangsaksel står i drivforbindelse med en elektrisk generator, karakterisert ved at vindmøllen omfatter et rørformet mølletårn (2) som er fast forankret til havbunnen og omslutter en lagertank (22) mellom havoverflaten og møllerotoren (3), hvilken tank kan fylles med vann ved hjelp av pumpen (12, 13, 14) via en tilbakeslagsventil (21), og fra hvilken vann kan ledes til turbinen (23).

2. Vind- og bølgeenergianlegg ifølge krav 1, karakterisert ved at lagertanken (22) er langstrakt og strekker seg i det vesentlige fra området rundt havoverflaten til området ved rotoren (3).

3. Vind- og bølgeenergianlegg ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at mølletårnet (2) utgjøres av et slankt rør som i seg selv danner lagringstankens (22) vegg.

4. Vind- og bølgeenergianlegg ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved at turbinen (23) og den tilhørende elektriske generator (29) er anordnet i mølletårnet (2) under lagertanken (22), og at pumpen (12, 13, 14) og tilbakeslagsventilen (21) fortrinnsvis er integrert med mølletårnet (2).

5. Vind- og bølgeenergianlegg ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved at mølletårnet (2) har et fotavsnitt (6) i hvilket turbinen (23) og generatoren (29) er anordnet sentralt i forlengelse av hverandre, og i hvilket et støpt fundament (7) for møllen rager sentralt i en oppadgående retning, og at pumpen (12, 13, 14) er en stempelpumpe med ett eller flere stempler (13) som er i stand til å bevege seg opp og ned i et område som omslutter ett eller flere av elementene, nemlig turbin (23), generator (29) eller fundament (7).

6. Vind- og bølgeenergianlegg ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved at pumpestempelet (13) eller stemplene kan beveges ved hjelp av en bølgeaktivert, langstrakt drivanordning (4), så som en flottør, som strekker seg i hovedsaken i en diametral retning i forhold til tårnet (2), og som er dreibart lagret om tårnets lengdeakse ved tårnets fotavsnitt (6).

7. Vind- og bølgeenergianlegg ifølge krav 6, karakterisert ved at drivanordningen (4) er i form av en flottør som i området rundt tårnet har et spesielt stort oppdriftsvolum (31).

8. Vind- og bølgeenergianlegg ifølge krav 6, karakterisert ved at anlegget omfatter en føler for registrering av bølgenes utbredelsesretning, og et styresystem for innstilling av drivanordningen (4) avhengig av den registrerte retning og ved hjelp av en fortrinnsvis elektrisk aktuator, slik at drivanordningens lengdeakse er i hovedsaken parallell med bølgetoppene.

9. Vind- og bølgeenergianlegg ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved at tårnets fundament (7) har en nedad økende diameter under havoverflaten.

10. Vind- og bølgeenergianlegg ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved at den del av tårnets (2) yttervegg (15) som er beliggende ved havoverflaten, er dannet av metall, og at det er inkludert anordninger for elektrisk oppvarming av denne del av ytterveggen.