Antal besökare sedan 10 oktober 1998:  39049st

1. Inledning

2. Frågeställning

3. Vågteori

1. Vågens form
2. Uppkomsten av vågor

4. Nyttan med vågor

1. Vertikala konstruktioner

1. OWC
2. Flöte
3. Cockerelles flotte
4. Salters Ducks

2. Horisontala konstruktioner

1. Wash up
2. Wash in
3. Luft kuddar
4. Pendeln

5. Vågkraft runt omkring i världen

1. Norge
2. Danmark
3. Storbritannien
4. Japan
5. Indien
6. Indonesien
7. Sverige

6. Slutsats
1. Källor

Väldigt och svällande kommer den upp bakom oss, lyfter upp hela akterpartiet, och låter oss sväva med. En, två, tre sekunder. Den glider in under aktern och för över båten genom horisontalläge till en sakta inbromsande stegring.

- Såg ni, loggen räckte inte till!

Tre sekunders skönt surfande, tre sekunder maktdemonstration från havets gud Neptun.

Vår båt, en 31 fot lång och 3 ton tung segelbåt, som i vanliga fall ligger så lugnt och stilla vid bryggnocken, kom att likt en tunn tygflagga på väg upp för en flaggstång att lyftas av havet och dess vågor.

Det var sommaren 1997, och jag och några goda kamrater var på väg över vårt uppbrusade hav Östersjön, för att senare på kvällen lägga till innanför en lugn vågbrytare vid Lickershamn, på Gotlands norra udde. Jag kan än idag komma ihåg våra ivriga samtal angående de böljande vågorna och den kraft de gång på gång lyfte båten med, mot himlen blå. Man kände sig kanske inte så säker då, som när våra fäder vinkade av oss från vår hemhamn, med ord som, "den är osänkbar". Hur som helst kom vi säkert i hamn, med odelade positiva minnen angående vågorna och den kraft de besatte. Värre var det för min yngre broder. Ett halvår innan min lilla utflykt med kamraterna, så var jag på semester med min familj. Målet för vår resa hade kommit att falla på den Indonesiska övärden. Som alla andra som befann sig i närheten av stranden, så skulle ju jag och min bror testa, att surfa på vågorna. Efter lite prutande hos de lokala bräduthyrarna fick vi tag i varsin bräda. Nu skulle det surfas. Vi började paddla ut på havet för att få tag i vågor av adekvat format, min bror åt sitt håll och jag åt mitt. Många vågor och lika många misslyckade försök senare begav jag mig upp på stranden, för att ta igen mig. På stranden mötte jag min mor, som stod och spanade efter min lillebror. Tydligen hade han inte setts på ett tag. Min mor och jag ställde oss stranden och spanade ut mot horisonten i hopp om att få syn på en 10 år gammal svensk pojke. Det tog sin tid men helt plötsligt från ingen stans kommer min bror rusande längs stranden upp i min mors famn, för att få tröst. Tydligen hade en våg rivit ner min bror från brädan och tryckt ner honom under vattnet, och där efter hade det varit nog så svårt för honom att komma in till stranden. Själv fick jag några dagar senare känna på de Balinesiska vågorna då jag blev nertryckt ca två meter under vattnet mot bottnen. Första gången var denna typ av händelser inte världens mest angenäma. Men med tiden lärde man sig uppskatta tiden under vattnet, då rädslan övergick till fascination och förundran, över de väldiga vågorna.

Som ni säkert har förstått av inledningen så är vågor, och kanske framför allt kraften de besitter, något som fascinerar mig. En ganska självklar frågeställning från min sida kretsar således kring hur vågor fungerar, och om det finns någon nytta med dem. Självklart kommer vågor ur energiförsörjningsypunkt att ta en stor del av detta arbete, men jag kommer också ta mig friheten att skriva om sådant som fick mig att intressera mig för vågor. Vågor och kraften de besitter.

Ställer man sig vid en strandkant och studerar vågorna som kommer rullande mot sanden, så kommer man snart fram till att ingen våg är den andra lik. Visst kommer de att rulla in ungefär lika snabbt, och kanske även ha samma höjd och längd, även om det är osannolikt. Ty även om de i stort ser likadana ut så kommer de alltid ha små inbördes variationer. Skillnaden i karaktär kan liknas vid två olika röster som sjunger samma ton. Övertonerna kommer i det fallet göra att man hör en tydlig skillnad, även fast vågorna har samma längd och fart. Liksom vädret följer vågorna stora komplexa system, vilka bildar kaosartade situationer, och som gör det omöjligt att förespå en vågs exakta utseende och karaktär. I fortsättningen kommer vågornas små variationer inte att han någon större betydelse. När vi i fortsättningen talar om vågor räcker det med att vi delar in idealvågen i tre olika former: sinusoidal, trokoidal och cykloidal (fig. 1).

Vidare kommer vågornas höjd, fart (v), periodtid (T), och våglängd (l ), att ha stor betydelse. De tre sistnämnda storheterna förhåller sig på följande vis:

[v]=meter/sekund [l ]=meter [T]=sekunder

Då vattnet är så pass djupt att bottenformen inte har någon inverkan på vågen gäller:

, vilket ger

Alla som någon gång har stått vid en upp grundande strand har väl sett hur vågorna ändrar karaktär när de närmar sig stranden, således kan man dra slutsatsen att vattendjupet spelar en stor roll för vågornas form. Man brukar skilja på:

• Djupvattensvåg definieras som vågor vilka rullar över vatten där vattendjupet är större än halva våglängden.
• Vågor i mellanzon är de vågor som förekommer på vatten där vattendjupet är mellan ½ och 1/10 av våglängden.
• Grundvattenvåg definieras som vågor vilka rör sig över vatten där djupet är mindre än 1/25 av vågens längd.

När en våg kommer in på grunt vatten kommer både hastigheten och våglängden att reduceras, medan perioden är den samma. Vågens hastighetsminskning när den går in över grundare vatten ger upphov till så kallad refraktion, vilket innebär att en snett infallande våg byter vinkel när den faller in mot grundare vatten. Vid refraktion börjar vågor med en längre period att böjas av före vågor med en kort period vid en uppgrundning.

Ett annat begrepp man kommer i kontakt med när man talar om vågor är diffraktion. Diffraktion är benämningen på den radiella spridningen av vågor som inträffar då vågor passerar änden på en vågbrytare eller en skarp udde. Det intressanta med spridningen kring t.ex. en vågbrytare är den ökade och minskade höjden på vågorna som sker (se fig. 2).

Likt de flesta energikällor på vår jord ligger solen och omvandlandet av dess energi till grund för vågorna och dess färd över vattnen. Solen värmer upp luften, vilket leder till strömningar (vindar), vilka i sin tur bidrar till uppkomsten av vågorna. Vågornas liv kan delas in i tre perioder:

1. De bildas av en vind.
1. De växer till sitt maximum.
1. De rör sig över havsytan, så länge det finns en underhållande vind. Avtar eller saknas vinden kommer de att förlora höjd, tills dess att de dör mot en strand som en dyning.

Man brukar skilja på sådana vågor som fortfarande befinner sig i sitt ursprungsområde; alltså att samma vindar blåser över vattenytan som när vågen uppstod, och vågor som inte ursprungsvinden längre blåser på. De senare är de som kallas dyningar. Dyningar kan vara mycket svåra att upptäcka när de uppträder med andra vågor i ett stormande hav. De är desto lättare att urskilja i någorlunda lugna förhållanden. Dyningar är långa vågor med liten amplitud.

Likt alla andra konstruktioner finns det vissa avgörande faktorer som spelar in vid vågens uppbyggnad. Perioden och höjden på en djupvattensvåg kan sägas bero på tre olika faktorer: vindens medelhastighet, tiden under vilken vinden blåser och längden av det område vilken vinden blåser över. Dessa faktorer kan på vår jord ses som ytterst begränsade.

Vad är det då som kan få vågor att växa till alla sjöfarares värsta mardröms historier. Ja, till och börja med kan man säga, att de flesta av dessa jättevågor är resultatet av många års överdrift. Men faktum är att det finns vågor som kan vara nog så farliga för stora fartyg, även på skyddade vatten som vårt Östersjön. Vågor kan slå sina krafter ihop, och bilda en våg som är summan av de två ihopslagna. Faktum är att det flesta vågor på ett litet brokigt hav, med många vindar som styr är sådana. En sådan vågs totala höjd kan beräknas med formeln:

Efter som det på ett hav oftast är en starkare vind som råder, kan allt som oftast en av vågorna betraktas som en dyning. Dyningar brukar inte vara så långa, varpå H inte heller blir så stor. Detta är dock bara vad som gäller för de flesta vågor.

När helst det finns vågor på havsytan kan det med jämna mellanrum komma en eller flera vågor som har en höjd som är betydlig högre än de andras. Dessa brukar kallas nyckfulla vågor. Dessa vågor kan vara summan av två eller flera vågsystem. Tittar vi på figuren (fig. 3) nedan kan vi se hur två vågsystem med olika perioder kan bilda toppar som ligger betydligt över de enskilda vågornas toppar. Det är vågsystem likt dessa som bildar vågor på 7,5 meter som inte är ovanliga vid en atlantstorm. Även våghöjder på 12 meter är inte ovanliga, och våghöjder på 18 meter har förekommit. En pålitlig rapport har till och med angivit en våghöjd på 34 meter i Stilla oceanen. De sistnämnda våghöjderna är typiska exempel på nyckfulla vågor, i stormiga vatten.

Höga vågor bildas inte bara på stormiga hav av komplexa vågsystem, det finns också andra tillfällen då vågor kan uppnå betydande höjder. Starka strömmar med hastigheter över ¼ av vågens egna hastighet kan få vågen att helt stanna upp, varvid vågen kommer att tryckas ihop och amplituden öka, för att pressa ihop energin på en mindre yta. Undersökningar har visat att höjden kan stiga med 50-100 % i möte med strömmar med så låg hastighet som 2-3 knop. Vidare kan sägas att det omvända gäller då vågor åker med strömmar; höjden på vågorna minskar.

Händelser som liknar de då vågor möter strömmar inträffar då vågor närmar sig land eller går över grunda vatten. Då vågen går in över vatten med djup som är mindre än 1/25 av våglängden kommer dess hastighet att minska, varvid även våglängden reduceras. Som följd kommer vågen att utsättas för samma energikomprimering, och vågens höjd kommer att stiga. Vid förhållandet 1:100 mellan djup och längd ökar höjden med ca. 50%. En lite lustig händelse inträffar dock precis innan våghöjden ökar, nämligen en liten minskning. När djupet är mellan ¼ och 1/10 av våglängden minskar våghöjden med 10 %, för att sedan stiga.

Den begränsande faktorn för de flesta vågors höjd brukar vara då vågorna bryter. Detta brukar ske då vågens höjd uppnår en sjundedel av dess längd. I praktiken gäller dock vanligtvis förhållandet 1/14. Partiklarnas acceleration har då blivit så hög att tätheten inte kan bibehållas och vågtoppen bryter. I grunda vatten betyder emellertid inte höjd längdförhållandet lika mycket, utan där har förhållandet mellan höjd och vattendjupet en större betydelse, för vågens brytning. Det finns dock många andra förhållanden som spelar in, t.ex. strömmar och effekten av refraktion.

En våg är ju en transport av energi, varför forskare under en längre tid har försökt komma på olika metoder att ta tillvara på energin. Först ut var en man som försökte få sin båt att drivas av vågorna med hjälp av ett speciellt roder. Nu för tiden finns det en uppsjö av uppfinningar som är till för att ta till vara på vågornas energi. Dessa uppfinningar representeras först och främst av olika kraftverk, där iden bygger på att omvandla vågens energi till elenergi.

Den första personen att börja experimentera med att omvandla vågenergi till elektrisk energi, och faktiskt föra sina planer till verket, var professor Yoshio Masuda, en före detta överbefälhavare vid Japanska flottan. Hans ide gick ut på att omvandla vågornas rörelse till strömmande luft som i sin tur drev en turbin. Denna ide kom snabbt att erövra vågkraftsmarknaden, och dominerade den också under lång tid. Detta var i mitten på 1970-talet, och forskningen hade inte kommit så långt som den har i dag. Masudas apparat har sedan 70-talet utvecklats och kan sägas stå som modell för den vanligaste vågenergi konstruktionen, nämligen OWC stationerna (Oscillating Water Column). De flesta anordningar som går ut på att vattnet får en turbin att snurra, antingen direkt eller indirekt via luft, kallas OWC.

Det finns flera olika sätt att dela in de olika konstruktionerna, man kan till exempel syfta på var kraftverket befinner sig: fastsatt på botten eller flytande, på land, nära land eller ute på öppet vatten. Jag har valt att dela in kraftverken efter det sätt de tar till vara på vågorna. Den grövsta uppdelningen bygger på om kraftverkens primära kontakt med vågorna bygger på vertikala eller horisontala rörelser.

När man började forska kring vågor och möjligheten att utvinna energi ur dem med hjälp av OWC tekniken, stötte man två problem. För det första var vågorna alldeles för kraftfulla, det skulle bli mycket svårt att bygga hållbara konstruktioner. Det andra problemet var att de gick för långsamt. För att en turbin skall ge en god effekt krävs varvtal på 1000 varv per minut eller mer. Man behövde alltså få vågorna mildare men snabbare. Masudas konstruktion bestod av en cylinder som stod upprätt i vattnet. Cylinderns bas, alltså undersidan var öppen och tillät vatten att rusa fritt, medan locket på cylindern vilken var över vattnet bestod av en turbin. När en våg sen kom, höjdes vattnet inuti cylindern, och luften i cylindern tvingades ut genom den enda utvägen, nämligen förbi turbinen i locket. När det sedan kom en vågdal kom vattennivån att sjunka, varvid luft strömmade in genom turbinen, för att fylla upp det vakuum som annars skulle bildas i cylindern. Detta är som sagt bara ett av de sätt där OWC tekniken tillämpas, några andra konstruktioner där tekniken också utnyttjas visas nedan. OWC tekniken tillämpas i största utsträckning som elförsörjning för flytbojar. Det finns ca 300 st, OWC-bojar på världens hav.

En annan konstruktion är den så kallade kilrännekonstruktionen. Hela anordningen är mycket stor. Den består av en kilränna, en damm och ett utlopp med turbin. Kilrännan är placerad på stranden, och leder upp till dammen. När vågorna kommer in i rännan kommer de att börja klättra upp för den för att slutligen hamna i dammen. När dammen väl är full släpper man helt enkelt ut vattnet genom turbinen, som alstrar en ström.

Förutom Japan var England en av de första länderna vars regering sköt till pengar till vågkraftforskningen. Den 29 April 1976 deklarerade en forskare vid Englands energidepartement, dr Walter Marshall, att den brittiska regeringen tänkte lägga ut över en miljon pund på forskning kring vågenergi.

I och med att intresset för vågenergi och problemen kring utnyttjandet ökade runt omkring i världen i mitten på 70-talet, beslöt man sig för att koordinera alla försök och studieresultat i en internationell sammanslutning (International Energy Agency - IEA). Pionjär länderna inom sammanslutningen var bl.a. Kanada, USA, Japan, Indien, Portugal, Norge, Irland och Storbritannien. Vart annat år hålls numer European Wavesymposier, i olika forskningsstäder runt om i Europa. De största länderna vad det gäller vågenergi i dagens läge är Norge, England, USA och Japan. Indien, Indonesien och Danmark är också stora vågkraftsnationer.

Norge är med sin långa Atlanten kust ett idealiskt land för vågenergiutvinning. De har också kommit tämligen långt, eller i alla fall dragit igång två stora projekt, båda på ön Toftestallen. Kraftverken är av typerna Land stationär OWC respektive kilrännekonstruktion.

Kilränne anläggningen, eller TAPCHAN (TAPered CHANnel) som modellen också kallas, började byggas 1986. Själva iden med konstruktionen är som tidigare nämnts att vågorna ska kasta sig upp för en ramp som leder upp till en basäng. Toftestallens bassänginlopp ligger 3 meter över vattenytan, och har ett utlopp. TAPCHAN anläggningen var från början tänkt att stå modell för byggnadsintressenter, först och främst från tredje världen. Tyvär har denna anläggning fått stå och förfalla under de senaste tio åren, och är numera inte längre i drift.

Den andra anläggningen på Toftestallen är en OWC konstruktion, och var den första av sitt slag i Europa då den byggdes 1985. Anläggningen står på land och låter vågorna rulla in i en kammare där vattnet trycker ihop luften som får driva en turbin på 500 kW. Toftenstallens OWC konstruktion var i drift till 1988 då den förstördes i en storm.

I Storbritannien har två projekt dominerat vågenergin, dels OSPREY, och dels stationen på den Skotska ön Islay, (fig. 14).

OSPREY står för Ocean Swell Powered Renewable EnergY. Projektet är ett samarbete mellan JOULE II och sex olika företag. Vart och ett av dessa företag står för olika delar av produktionsledet. OSPREY har varit en mycket kostsam historia, inte minst på grund av att en storm förstörde OSPREY I i augusti 1995, varpå OSPREY II byggdes. Utvecklings- och byggnadskostnaderna för anläggningarna låg på 50 miljoner SEK. OSPREY är en OWC anläggning som är tänkt att stå ute på öppet vatten, i 14 till 20 meters djup. Som förankring i botten hade OSPREY I en tank fylld med 7500 ton sand. När OSPREY II byggdes kom den Brittiska staten fram till att det var drottningens sand och att man då skulle få betala för den. I stället för att betala och använda drottningens sand bestämde man sig för att använda betong.

drog upp kostnaderna så mycket att besparingsmålet inte uppnåddes. Det är också mycket svårt att finna dessa platser med naturliga tillrinningskanaler. Det ställs stora krav på att berggrunden är hållbar, så att det övriga prefabricerade byggnadsmaterialet kan sättas på plats, utan att ramla ihop. Trots att inte lönsamheten blev så stor som man först hade hoppats, planerar man bygga ett storskaligt kraftverk till i närheten av det första. Förmodligen hoppas man att storskaligheten skall göra detta kraftverk mer lönsamt än det första. Det lilla kraftverket kunde ge en effekt på 75 kW.

Japan som kan sägas vara först ut med iden om vågkraftverk, är också det land som har haft flest anläggningar igång. Den nutida forskningen och arbetet kring vågenergin har dock under de senare åren avstannat.

Den Japanska forskningen kan sägas vara indelad på tre olika konstruktionstyper: flytande OWC, kuststationära OWC och övriga konstruktioner.

Den första forskningen kom att handla mycket om flytande OWC anläggningar. 1974 började man forskningen kringde så kallade Kaimei projektet. Anläggningen bestod av en båtformad flytkropp, 80 gånger 13 meter, deplacement på 820 ton, och med 13 luftkammare. Anläggningen placerades längs kustlinjen mot Japanska sjön, där den signifikanta våghöjden ofta översteg 8 meter. Kaimei projektet kom att utvecklas i tre olika omgångar. De första fullskaliga proven kom att äga rum mellan 1978 och 1979, med en turbineffekt på 375 kW. Två senare provomgångar genomfördes 79 till 80, och mellan 85 och 86. De två senare försöken genomfördes med turbineffekten 1000 kW och 560 kW.

Först 84 kom man att bygga de första stationära OWC anläggningarna. Dessa konstruktioner kom ofta att sitta på prefabricerade vågbrytare, som släpades ut till avsedd plats, för skydd av hamninlopp eller dylikt. En fördel med dessa konstruktioner var att de inte gjorde någon ytterligare inverkan på miljön, vågbrytarna skulle ju ändå stå där, med eller utan vågkraftverk.

De övriga systemen som undersöktes i Japan var dels ett Salter’s Ducks system, på Iriomote Island (84-88), och ett så kallat Miyazu-Pendel-System, vid Murorans tekninska institut. Det intressanta med pendelsystemet var att det även fungerade vid mycket små våghöjder, med en våghöjd på 5 cm kunde man med en anläggningssträcka på 5 meter utvinna 100 W.

I Indien bedrivs ett pilotprojekt, med tämligen goda framtidsutsikter. Indien är nämligen ett av de få länder vars regering satsar på vågenergin, för att i framtiden kunna räkna med den som en tillförlitlig energikälla. Anledningen till att Indien hoppas och tror på vågenergin är dels det nuvarande energiläget med dyr el, och dels behovet av vågbrytare, som skydd för de många fiskelägren. Är man ändå igång att installera vågbrytare blir kostnaden inte så mycket större att integrera vågkraftverk i dem. Kraftverket i Indien ligger utanför fiskehamnen Vizhinjam, efter vilken anläggningen har uppkallats. Kraftverket är av typen vågbrytare med integrerad OWC konstruktion, och är utvecklat i samarbete mellan OEC (Ocean Engineering Centre) och IIT i Madras (Indian Institute of Technology). Anläggningen består av en 3000 tons kasun med stålram.

I Indonesien har planerna på att utnyttja vågenergin mer och mer övergått till realiteter. I september 1995 skrevs ett avtal under mellan det Norska företaget Gröner AS och de Norska och Indonesiska regeringarna, att Gröner AS ska bygga ett kraftverk i närheten av Yogyakarta i Indonesien. Av kostnaderna på 8 miljoner USD står Norska staten för 70% och den Indonesiska staten för 30%. Bygget startade 1996 och var klart 1997. Kraftverket är av kilränne konstruktion, alltså samma som det på ön Toftestallen i Norge.

Anläggningens magasin kommer att ligga 4,2 m över havet och ha en yta på 7000 m². I utloppet kommer vattnet att passera förbi en turbin med effekten 1,1 MW, och kommer årligen att producera 6,1 GWh.

7. Sverige

I Sverige är det framför allt ett företag som har visat framfötterna inom vågenergibranchen, nämligen Techocean i Göteborg. De har bland annat varit med i de två Svenska projekten IPS-bojen och slangpumpen.

IPS-bojen är en vanlig OWC konstruktion, som består av ett flöte som sitter fast på en kolv som även är fästad i bottnen. När bojen rör sig upp och ned pressas luften samman och strömmar ut respektive dras in. I kolvens öppning sitter en turbin som genererar ström då luften passerar. Figur 15 visar en IPS-boj vid Trubaduren, 1981.

en ventil som bara släpper in vatten. När flötet rör sig upp, minskar slangens innervolym, och vattnet som finns i slangen släpps ut genom en annan ventil, varpå vattnet får passera en turbin som genererar elektrisk energi. Figur 16 föreställer ett slangpumpskraftverk vid Vinga, Göteborg, 1984.

6. Slutsats

Att vågkraft är ett miljövänligt alternativ känns överflödigt att kommentera. De enda miljöhoten från vågkraftverken är de som finns i och med tillverkningen och det faktum att de faktiskt finns ute i vår natur, där de kan inkräkta på olika djurs revir och miljö. Det är med insikten att vågkraft är ett miljövänligt alternativ som vi måste ge oss in i energidiskussionen. Vågkraft kan i dagens läge ännu inte konkurrera med energikällor som kärnkraft och oljekraft, vad det gäller ekonomisk lönsamhet, i tätbebyggda områden. Min mening är att vågkraft har en framtid, om än med dagens förutsättningar något begränsad. Jag tycker mig kunna se en möjlighet med en utbyggd vågkraft främst ute till havs, där kraftverken får sörja för de många havsfyrarnas energibehov. Kanske finns det även en viss användning av vågkraftverk för avlägsna byar ute i olika övärldar. Vågkraft skulle alltså kunna användas i betydligt större utsträckning än vad den gör idag.

K. Adlard Coles Hårt väder till havs 1989

www.waveenergy.dk

www4.tripnet.se/technocean/NoFrames/WaveEnergy.html

www.oslo.sintef.no/gemini/1996-04/7.html

www.daedalus.gr/PRODUCT/Products.htm

www.ramboll.dk/wavepower/dwp0.htm