Systemutvikling og lokal energiproduksjon fra bølgebevegelser i vann

Abstract

I løpet av de siste årene har energiprisene blitt dyrere, og samfunnet krever mer og mer energi enn før. Samtidig ønskes det å bevege seg i en mer grønnere energiskifte. Her har FN, Norge og NMBU som mål å satse på en fornybar energiutvikling. For å oppnå disse målene må energiproduksjonen fra dagens fossile produksjonsmetoder omstilles til fornybare produksjonsmetoder. I tillegg til dette mister vi en del elektriskenergi når energi transporteres over større strekninger. For å få minst mulig energitap kan det være fint å tenke på lokale produksjonsmetoder for elektrisk energi.

Følgelig har denne masteroppgaven sitt hovedfokus på muligheten til å skape småskala energikraftverk som utnytter lokal bølgeenergi ved kystområder. Spesielt gjelder dette muligheten for at den lille energien lokale brygger påføres av bølgekraft ved små-havner også kan utvinnes til fornuftig elektrisk energi. Denne masteroppgaven har dermed som et hovedmål å prøve å klare å hente ut 5-15 kW med elektrisitet fra et slikt småskalaanlegg. Videre har viktige produktmål vært, at konseptløsningen skal være brukervennlig, driftssikker og ukomplisert, og kunne gi gode muligheter for modulbygging.

Oppgaven innledes med å beskrive bakgrunn overordnede oppdragsrammer for arbeidet, prosjektplanlegging og viktig teorigrunnlag og metodebruk. Gjennom hele oppgaven har man tilstrebet å benytte anerkjente verktøy som IPD (Integrert produktutvikling), samt «Stuart Pugh sin utviklings og seleksjonsmetodikk». Dette omfatter viktige trinn som produktspesifisering og funksjonsanalyse, etterfulgt av frambringing av løsnings og konsept alternativer, screene disse og drøfte konsept-løsninger gjennom prosessen Pugh kaller «Styrt konvergens» for løsnings-utredning og valg.

For en god struktur og kvalitet på prosjektarbeidet har arbeidet blitt delt inn i 3 hoveddeler, med en utredningsfase, en utviklingsfase og en analyse fase. Inspirert av Pugh, elementer fra QFD (Quality function Deployment) og ISO 9001 og en trinnvis utviklingsmetodikk, har det også vært mulig å kunne gå tilbake underveis i arbeidet ved trinn hvor konsept ikke har vist seg å gi ønskete funksjonelle utbytter.

Det finnes mye litteratur knyttet til storskala utnytting av bølge-energi og mye av dette er blitt gjennomgått og referert i forbindelse med innledningen og beskrivelser av teori- og teknologibakgrunnen for arbeidet. Imidlertid eksisterer det ikke mye material om små bølgekraftanlegg, og en både omfattende og krevende del av prosjektarbeidet har derfor vært knytte til forholdsvis enkle muligheter som måtte finnes og ulike veier for å føre fram til en mer systematisk løsningsutredning og valg. Dette gjelder både grunnleggende mekanismer for å kunne overføre bølgebevegelse til rotasjon, pendelbevegelse, trykk eller andre fysiske prinsipper som lar seg beregne i for å kunne fastlegge både krefter, momenter energi og overføring til elektrisk effekt.

Under utviklingsfasen har det blitt etablert produktspesifiseringer, med viktige hovedmål og videre delmål for konstruksjonen. Det har blitt gjort rede for nødvendige sikkerhets- og brukshensyn for konseptet/produktet, og videre blitt kartlagt nødvendige/ønskede produkt-egenskaper. Utefra disse har det blitt foretatt funksjonsanalyser. Funksjons analysene har gitt et grunnlag for hva, hvorfor og hvordan produktmålene best skal kunne oppnås. Videre dekomponeres funksjonsanalysen til ulike løsningsalternativer, som beskrives og evalueres i progressive tabeller. Løsningsalternativene vurderes mot hverandre i en egenscreening, hvor resultatene skaper et grunnlag for et konsept.

To mulige hovedkonsepter framkommer fra første delene av seleksjonsprosessene, begge basert på momentoverføring via arm fra bryggeutligget til et hydraulisk pumpesystem i tilknytning til brygge moloen. Disse drøftes så videre funksjonelt fram til en løsning basert på vektarmprinsippet og muligheter for tilpasning i eksisterende bryggeutliggere og moloer. For å best mulig kartlegge hvordan ytelser og fysiske dimensjoner i dette konseptet bør være, har løsningsutviklingen blitt fulgt opp, og det har blitt gjort grove grunnlagsberegninger som har gitt bedre holdepunkter til hvilke dimensjoner produktet bør ha for å kunne produsere 5 kW med elektrisk effekt ved små bølgehøyder slik man finner langs fjordarmer. Videre har det blitt gjort FEM-analyser og simuleringer på enkeltenheter/elementer for å forbedre konsept-løsningen.

Dette dimensjoneringsarbeidet har ført både flere nye idéer og oppfatninger om hvordan produktet kan se ut og en del aspekter av dette er også blitt testet ved innspill både fra ingeniørfaglige fagfolk og et bredere publikum. Resultatene fra dette har også gitt viktige og positive impulser til en videre oppfølging av prosjektet.

Fra de restriktive resultatene har det blitt valgt frem en ferdigstilt produktarkitektur til det konseptuelle bølge kraftverket. Produkt utviklingen har resultert i et løsningskonsept og et produkt som er i to seksjoner, en hoved konstruksjon som skaper hydraulisk trykk og olje til drift ved et pumpestempel, og en landbasert del inneholder de hydrauliske- og elektriske komponentene for generering av strøm til nett eller batterilagring (illustreres fram til system-skisse og tekniske anvisninger). Hoved konstruksjonen er dimensjonert og konstruksjons- og 3D illustrert fullt ut, med tekniske anvisninger, og inneholder en modulmekanisme med 3 ledd, en trekant feste ledd (brakket flyt) på flytebryggen, en trekant feste ledd ved fastbryggen (brakett fast), og ett stempel i midten.

De trekantformete festeleddene (brakettene) lages av materialet Aluminium 6082, T6 materialet. Brakettene lages av to 80x50x5 rektangulære hullprofilbjelker og ett 80x50x5 rektangulær hullprofilbjelke for støtte mellom armene. For festing av stemplene som ligger mellom brakettene brukes det 15 mm metallplater og for feste til bryggen brukes det 5 mm plater på toppen av konstruksjonen. Alle ledd i trekant feste (brakettene) sveises sammen. For pumpe stempel brukes SCH1 MP3 stempel fra Bosch Rexroth, med 63 mm indre diameter og mulighet for 300 mm slaglengde (for ekstrem tilfeller). Øvrige tekniske anvisninger og systembeskrivelser mm. framgår også av siste del av rapporten.

Økonomiske produksjonskalkyler og enkle vurderinger av lønnsomhet er lagt inn som oppfølging av produksjonsanvisningene. Disse er svært grove og usikre, men tyder på at man kan oppnå økonomisk balanse for produktet ved en enhet som har ett landbasert aggregat og bryggemolo med 10 bryggutliggere som får gå jevnt over en 4-årsperide ved produksjon av 100 enheter årlig ved moderate bølgehøyder.

I en eventuell videreføring av prosjektet vil de være viktig både å følge opp med mer målrettede og praktiske markedsundersøkelser, økonomiske risikoanalyser og ikke minst bruksbetingesler og belastninger som man vil møte over tid. Mer detaljerte beskrivelser av dette og andre ingeniørfaglige og tekniske oppfølgingspunkter mm. er gitt i siste del av konklusjonsavsnittet.

Til slutt bør det nevnes at egenillustrering har vært en inspirerende, men og viktig del av dette grads-arbeidet. I så måte er alle illustrasjoner som ikke er merket med referanser egenproduserte av forfatteren, men også mange omarbeidet og opphavskreditert for formålet.

In recent years, energy prices have become more expensive, and society is demanding more and more energy than before. At the same time, it is desired to move in a greener energy shift. Here, the UN, Norway and NMBU aim to invest in renewable energy development. To achieve these goals, energy production must be converted from current fossil production methods to renewable production methods. In addition to this, we lose some electrical energy when energy is transported over larger distances. To have the least possible energy loss, it may be good to think about local production methods for electrical energy. Consequently, this master's thesis has its main focus on the possibility of creating small-scale energy power plants that utilize local wave energy in coastal areas. This applies to the possibility that the small energy applied to local wharves by wave power at small harbours can also be extracted into reasonable electrical energy. This master's thesis therefore has as its main goal to try to manage to extract 5-15 kW of electricity from such a small-scale plant. Furthermore, important product goals have been that the concept solution should be user-friendly, operationally reliable, and uncomplicated, and be able to provide good opportunities for modular construction.