Breng de golfturbine naar de zee

Transcriptie

1 Breng de golfturbine naar de zee Energie opwekken uit de golven van de zee; een idee waarmee uitvinder Bennie Olde Heuvel aan de slag is gegaan. Hij bedacht de golfturbine, een apparaat dat door rotatiekracht een generator aandrijft en zo golfenergie omzet in elektrische energie. Het is een vernieuwende en innovatieve uitvinding waarvoor nu een octrooi is aangevraagd. De golfturbine kan bijdragen aan de transitie naar duurzame energie, maar moet nog verder ontwikkeld worden voordat deze daadwerkelijk geproduceerd en gebruikt kan worden. Alliander heeft innovatie hoog in het vaandel staan en werkt, anticiperend op een veranderende energiemarkt, graag mee aan duurzame ontwikkelingen. De Innovatiecommissie Product & Dienst werkt daarom aan het open innovatieproject Crowdbeat, waarbij twee ideeën voor de transitie naar duurzame energie geholpen worden door de inzet van open innovatie. De golfturbine is één van deze twee ideeën waar we onder andere Alliandermedewerkers vragen hun kennis voor in te zetten. Meer over Crowdbeat is te lezen op Gevraagd De specificaties van de turbine zijn uitgedacht en het werkingsprincipe is getest in Bennies badkuip. Nu is een berekening nodig om te bepalen wat de energieopbrengst is van deze turbine. De vraag luidt: Wat is de vermogenskarakteristiek van de golfturbine bij de geleverde golfdata en wat zijn de aanbevelingen voor optimalisatie van de golfturbine? Deelnemers Om deze vraag te beantwoorden willen we de expertise van een groot publiek inzetten. Enerzijds wordt de vraag uitgezet bij twee online platforms: One Bilion Minds en Engineering for Change. Anderzijds wordt de vraag gesteld aan gerenommeerde kennisinstellingen als Deltaris, Marin en de Universiteit Twente. Wij, als Alliandermedewerkers, zijn goed opgeleid en hebben een hoop kennis in huis. Kunnen wij ons meten aan dergelijke grote kennisinstellingen? Ga de uitdaging aan en zet jouw technische expertise in om de golfturbine verder te ontwikkelen door de energieopbrengst te berekenen! Resultaten Op basis van het beste antwoord gaan we aan de slag met het bouwen van een prototype. Mocht jouw antwoord hieraan bijdragen, dan nodigen we je uit om (vrijblijvend) mee te doen met de verdere ontwikkeling van de golfturbine. Als het concept van de golfturbine een succes blijkt te zijn, wordt deze daadwerkelijk op de markt gebracht. Prijs De Alliandermedewerker met het beste antwoord wint een weekend waarin duurzame energie ten volste ervaren wordt: een overnachting inclusief ontbijt in de Vuurtoren van Harlingen, met uitzicht over de golven van de Waddenzee, en exclusieve beschikking over elektrisch vervoer. De winnaar wordt tijdens het Alliander Open Innovatiefestival, 21 t/m 24 mei, bekend gemaakt. Procedure Als jij de uitdaging aandurft om het vraagstuk op te lossen, meld je dan aan door een mail te sturen 1

2 naar Je ontvangt een bevestiging van deelname en een uitgebreid informatiepakket, waarin de specificaties van de golfturbine, golfdata en de gevraagde rendementsberekeningen nauwkeurig staan omschreven. De antwoorden dienen uiterlijk 12 mei ingediend te worden. Deadline: zondag 12 mei :59 uur. 2

3 Algemene voorwaarden prijsvraag Deelname is mogelijk voor alle medewerkers van Alliander, Liander en Liandon. De Aanbieder is CrowdBEAT, het project van de Innovatiecommissie Product & Dienst, en medeuitvoerder van de totstandkoming van Ocean Movement. Door aanmelding via gaat de deelnemer akkoord met het vertrouwelijk behandelen en niet delen met derden van het informatiepakket. Over de uitslag en toekenning van de prijs kan niet worden gecorrespondeerd. De prijs is persoonsgebonden en staat op naam van de winnaar. De prijs is niet overdraagbaar, inwisselbaar of uit te keren in geld of voor andere producten of diensten. Bij weigering of niet aanvaarding van de prijs of de aan de prijsvraag verbonden voorwaarden, zal de prijs niet worden uitgekeerd. Alsdan is de Aanbieder gerechtigd een andere winnaar te trekken. De winnaar kan tot uiterlijk 1 maand na bekendmaking aanspraak maken op uitreiking van de prijs. Na deze periode vervalt de aanspraak op de prijs automatisch. De winnaar van de prijs zal op verzoek van de Innovatiecommissie Product & Dienst medewerking verlenen aan promotionele activiteiten van de Innovatiecommissie voor zover dit in redelijkheid van hen verlangd mag worden, waaronder begrepen publiciteit ten aanzien van de prijsuitreiking via alle interne communicatiekanalen. Voor de verleende medewerking aan promotionele activiteiten zal geen financiële vergoeding worden betaald. Ocean Movement wordt ondersteund door de Innovatiecommissie Product & Dienst en jongerennetwerk Tension van Alliander. Voor verdere vragen kan contact opgenomen worden met Dennis Bergsma, dennis.bergsma@alliander.com. 3

4 De vraagomschrijving De golfturbine is een apparaat dat in de golven van een zee energie kan opwekken door met een rotatiekracht een generator aan te drijven. stabilisator De golfturbine is verbonden aan een vast object, bijvoorbeeld de mast van een windmolen (zie fig. 1) en drijft haaks op de golven. Hiertoe is de verbinding met het vaste object zodanig opgezet dat deze in hoogte mee kan bewegen met de getijden en kan roteren om de as van het vaste object. Aan het andere uiteinde van de golfturbine is een onder water zwevende stabilisator gemonteerd, die ervoor zorgt dat de turbine stabiel op de golven ligt en deining wordt voorkomen. Wanneer het water in rust is, ligt de turbine tot de middellijn in het water. Figuur 1: Bevestiging van golfturbine aan windmolen 1. Werkingsprincipe van de golfturbine De golfturbine is een cilinder met daaromheen kamers gemonteerd. Deze kamers hebben aan de bovenzijde een uitlaatklep en zijn aan de onderzijde open. De klep werkt als een ventiel: de lucht kan makkelijk uit een kamer stromen, maar de lucht van buiten de kamer kan niet via de klep in de kamer stromen. Wanneer een golf vanuit de middellijn stijgt zal de kamer via de onderkant vollopen. De lucht gaat via de klep naar buiten. Wanneer de golf weer daalt dan zal de klep sluiten en ontstaat er een vacuüm tussen de klep en het water in de kamer: het water zal in de kamer blijven zitten. Door de zwaartekracht ontstaat er een neerwaartse kracht. De golfturbine gaat daardoor roteren. Wanneer de kamer onder water is zal de onderdruk weer verdwijnen en loopt de kamer via de uitlaatklep weer leeg. De lege kamer zal bij een stijgende golf een opwaartse kracht leveren, die ook weer omgezet wordt in een rotatiekracht op de golfturbine. De werking is in figuur 2 gevisualiseerd. 4

5 lucht ontsnapt lucht ontsnapt klep sluit A B C golf stijgt golf stijgt golf hoogste stand klep is gesloten vacuum D E F golf daalt golf daalt golf laagste stand golf laagste stand G H I klep open water stroomt uit de kamer klep gesloten golf stijgt Figuur 2: Visualisatie van de werking van één kamer opwaartse kracht golf stijgt 2. Beschrijving van de golfturbine Op de doorsnede van de turbine zijn twee kamers geplaatst ter grootte van 120 graden van de omtrek (zie fig. 3). De kamers zijn met een hoek verschil van 90 graden op de turbine gemonteerd (zie fig. 4). inlaat uitlaat golven Figuur 3: Kameropstelling Figuur 4:Kameropstelling in de lengterichting van de golfturbine 5

6 3. Rangschikking van de kamers en golfsituatie Figuur 5 geeft inzicht in hoe de golven ten opzichte van de kamers lopen. Belangrijk voor de golfturbine is dat deze stabiel op de golven ligt. In de praktijk wordt dit gerealiseerd met een stabilisator. Voor de berekeningen mag aangenomen worden dat de golfturbine stabiel op de golven ligt. De stabilisator heeft geen invloed op het draaigedrag van de turbine. Figuur 5: Kamers ten opzichte van de golven In onderstaande figuur wordt de opstelling van de kamers nader toegelicht. De golfturbine heeft in totaal 55 kamerparen. VA 1,8 mtr. ZA kamer 2,8 mtr. 1mtr. kamer 5 mtr. 120 graden Figuur 6: Opstelling kamers inhoud kamer 7,26 m3 De kleppen zijn uitgevoerd als deelkleppen (zie fig. 7). Het voordeel hiervan is dat de kleppen snel kunnen reageren op het doorstromende medium. Bij doorstroming van lucht (stand B) werken de kleppen als een ventiel: er zullen maar weinig kleppen open gaan en zij zullen zeer snel weer sluiten (stand A). Bij doorstroming van water (stand C) gaan de kleppen geheel waterstroom waterstroom open, zodat de doorvoer nagenoeg C C geheel vrij komt en daardoor de Lucht waterstroom geen weerstand ondervindt. Het sluiten van de kleppen B B bij waterstroom zal iets meer tijd in beslag nemen dan bij luchtdoorstroming. Aangenomen mag A A worden dat wanneer de druk buiten de kamer hoger is dan in de kamer, de Binnenkant kamer klep weer sluit. Voor de berekeningen en simulatie kunnen we voorlopig aannemen dat er geen verlies ontstaat door terugstroming van het medium. Figuur 7: Werking kleppen 6

7 4. Specificaties golfturbine Onderstaande tabel geeft de specificaties van de golfturbine weer. Naam/onderdeel omschrijving dimensies eenheden Golfturbine Lengte Totaal 100 [m] Gewicht Totaal [kg] Materiaal Staal Dichtheid 8 [kg.m 3] Cilinder gewicht [kg] Kamer Aantal 110 Diameter Buiten 2,8 [m] Diameter Buiten 4,8 [m] Diameter Binnen 2,8 [m] Breedte 1,8 [m] Diepte 1.0 [m] Omtrek Hoek ⅔pi [rad] Tussenruimte Hoek ⅓pi [rad] Inhoud 7,26 [m 3] Materiaal kunststof Dichtheid 1,1 [kg.m 3] Gewicht 200 [kg] Buitenomtrek 5 [m] Medium Lucht Dichtheid 1,29 [kg.m 3] zeewater Dichtheid 1,024 [kg.m 3] 5. Beschrijving van de golven op zee Het uitgangspunt is dat de golfturbine op 20 [km] uit de Noordzeekust wordt geïnstalleerd. Hiervoor is een datasheet bijgevoegd welke golfkarakteristieken bevat van een meetstation op ongeveer 20 km uit de Nederlandse kust. De kolommen bevatten (A) de datum, (B) de tijdsperiode (uu:mm:ss), (C) significante golfhoogte in centimeters, (D) significante golfperiode in secondes. Gedurende een jaar is voor elke periode van 10 minuten de gemiddelde significante golfhoogte en gemiddelde golfperiode gegeven. Voor de vorm van de golf mag aangenomen worden dat deze sinusvormig is. Mocht de dataset niet gebruikt kunnen worden, dan kan de volgende data gebruikt worden voor de berekening: Situatie Golfhoogte (cm) Golfperiode (s) , , , , ,0 7

8 Gevraagd 1. Wat is de vermogenskarakteristiek van de golfturbine bij de geleverde golfdata? (vermogen op de yas, tijd op de xas) 2. Welke aannames zijn gedaan bij het berekenen van de opgewekte vermogens? 3. Wat zijn de aanbevelingen voor optimalisatie van de golfturbine? Hierbij kan gedacht worden aan: a. Wat is de beste rangschikking van de kamers? b. Wat is de meest optimale dimensie van de kamers? Antwoord op vraag 1 graag retour in grafiekvorm (zie onder) met toelichting/motivatie op de relevante bevindingen (variatie op assen is mogelijk). Ook graag bijbehorende dataset waarin waarden (met eventuele tussenberekeningen) vermeld staan retour. Figuur 8: Vermogensgrafiek 8