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Modelling of an Array of Floating Oscillating Water Column Wave Energy Converters with Full Hydrodynamic Coupling and Nonlinear Power Take Off Dynamics

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  • Wave energy is one of the most promising renewable energy sources. Thus, research in this field has increased substantially over the last decade. However, significant costs associated with development and maintenance have so far impeded the implementation of commercially viable projects. Furthermore, the hydrodynamic interactions between water and prototypes meant to convert the energy in wave tanks are not trivial to scale up for the deployment in the ocean. Relief can be produced by using detailed full-scale mathematical models to predict the power generation capabilities. The objective of this work is the derivation of a full scale model of three floating oscillating water column wave energy converters, taking all hydrodynamic interactions between the devices into account. The kinetic, and potential, energy transferred to the air chamber causes a pressure difference that maintains the running of novel biradial turbines. This can be accurately modeled using pressure dependent turbine characteristics, whilst air compressibility into consideration. The description of these analytical relationships is followed by a numerical simulation of the hydrodynamic coefficients, for the specifically used geometries, with the aid of the boundary element method solver (ANSYS Aqwa). Subsequently the implementation that puts together the analytical and numerical parts is presented, and the resulting simulation model is validated based on regular and irregular sea states. This work is concluded with a discussion of possible control approaches to improve power generation.
  • Wellenenergie ist eine der vielversprechendsten Quellen für erneuerbare Energien, weshalb der Forschungsaufwand über die letzten Jahre stetig stieg. Dennoch erschwe-ren hohe Entwicklungs- sowie Instandhaltungskosten die Umsetzung kommerzieller Projekte. Zusätzlich sind die hydrodynamischen Interaktionen, die bei kleineren Pro-totypen in Wellentanks ermittelt werden, nicht ohne weiteres für den Einsatz im Meer skalierbar. Abhilfe kann durch die Verwendung maßstabsgetreuer Modelle zur Vorhersage der Energieerzeugung gescha˙en werden. Das Ziel dieser Arbeit ist die Herleitung eines Simulationsmodells im Maßstab 1:1 von drei schwimmenden, oszillie-renden Wassersäulen Wellenenergie Umwandlern, unter Beachtung aller hydrodyna-mischen Interaktionen zwischen den Apparaten. Die auf die Luftkammer übertragene kinetische und potentielle Energie, führt zu einer Druckänderung, wodurch eine bira-diale Turbine angetrieben wird, die mit Hilfe der druckabhängigen Turbinencharakte-ristika detailliert beschrieben wird, unter Berücksichtigung der Kompressibilität der Luft. Der Beschreibung dieser analytischen Zusammenhänge folgt die numerische Si-mulation der hydrodynamischen Koeÿzienten für die spezifischen Abmessungen der verwendeten Endgeräte mit dem Boundary Element Method Solver ANSYS Aqwa. Anschließend wird die Implementierung, welche die analytischen und numerischen Ergebnisse vereint, präsentiert. Das resultierende Simulationsmodell wird anhand von regelmäßigem und unregelmäßigem Seegang validiert. Die Arbeit wird mit einer Betrachtung von möglichen Regelungsansätzen zur Verbesserung der Energiegewin-nung abgeschlossen.
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  • D. T. Gaebele, Modelling of an array of floating oscillating water column wave energy converters with full hydrodynamic coupling and nonlinear power take off dynamics, Master’s thesis, University of Stuttgart, Institute for System Dynamics, Stuttgart, Germany (06 2018)
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  • National Science Foundation (Award Number: 1711859)
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