Analysis of a Wave Energy Converter with Particular Focus on the Effects of Power Take-Off Forces on the Structural Responses

Bølgeenergi anses som en potentiel lovende vedvarende energi teknologi. De mest kritiske faktorer i forhold til en økonomisk effektiv udnyttelse af bølgeenergi vedrører omkostningerne for både anlægsudgifter og drifts- og vedligeholdelsesomkostninger samt de forventede indtægter fra energiomsætningen. Et andet væsentligt element er en vurdering af de indgående risici, og her er risikoen for totalhavari en afgørende parameter.

Målet med afhandlingen er at udvikle designværktøjer og designprocedurer, som kan gøre bølgeenergi-konvertere mere konkurrencedygtige. For at beregne den forventede energieffekt opstilles wave-to-wire-modeller, som er numerisk baserede modeller, der ud fra en given bølgetilstand kan bestemme den energihøst, som man kan få fra bølgernes bevægelsesenergi. Første del af afhandlingen fokuserer på udviklingen af en sådan numerisk model. Et væsentligt element er at fastlægge de bølgeinducerede lastpåvirkninger, som bølgeenergi-konverteren udsættes for. Belastningen indgår i dimensioneringen af anlægget både for ekstremlast og for udmattelseslast. De matematiske modeller valideres med forsøg og forenklede beregningsmodeller.

I første del af afhandlingen undersøges en bølgeenergi-konverter, som består af en halvkugle-formet del, som bevæges op og ned i vandet. Den halvkugleformede del er påsat en arm, som roterer om et fast punkt på bølgekonverteren. Armen er yderligere påsat en hydraulisk cylinder, som bruges til at konvertere bølgernes kinetiske energi til et hydraulisk tryk, som herefter kan konverteres til elektrisk effekt. Der opstilles en ikke-lineær hydrodynamisk model, som er baseret på fit af eksperimentelle data fra regulære bølgebelastninger. I modellen indgår de viskose trækkræfter i både vandret og lodret retning. Den numeriske model valideres mod eksperimentelle forsøg med regulære og irregulære bølger. For små bølgehøjder er der en god overensstemmelse med anvendelse af potential teori, men for stejlere bølger er det nødvendigt at inkludere de ikke-lineære led fra bevægelsen af den halvkugleformede del. Hvis energi-udtaget (hydraulik cylinderen) modelleres som en passiv dæmper, er indflydelsen af viskose trækkræfter ubetydelig.

I anden halvdel af afhandlingen ligger fokus på beregningen af forskellige kontrolstrategiers indflydelse på både energiudbyttet og på udmattelsespåvirkningen af bølgeenergi-konverteren. De stokastiske bølgebelastninger omsættes til frekvensdomænet som påsættes en Finite Element Model (FEM). Der anvendes et kommercielt FEM-system, ANSYS, som direkte kan inkludere lasten i frekvensområdet og beregne den tilhørende dynamiske respons i alle punkter. Udmattelsesskaden bestemmes ved hjælp af en spektralbaseret metode. Beregningerne viser, at den kontrolstrategi, som giver det største energiudbytte også giver den største udmattelsesskade, og dermed den største anlægsomkostning. Endeligt diskuteres en strategi til at opstille den optimale kontrolstrategi under hensyntagen til både energiudbyttet og investeringen i bølgeenergi-konverteren.