Analyse og optimalisering av et bølgekraftverk basert på en punkt-absorbator

Abstract

En av de største utfordringene verden har i dag er hvordan man skal sikre energibehovet i fremtiden på en sikker og bærekraftig måte. Det forsøkes hele tiden å utnytte ulike typer av fornybare energikilder. Den høye energitettheten i havet gjør bølgekraft svært interessant. Det som er utfordrende med bølgekraft er de omfattende prosessene, fra bølgebevegelse til elektrisk energi inn i kraftnettet. En må tenke helhet og få til alle stegene i prosessen for å utnytte denne energien så effektiv som mulig.

Bølgekraftskonseptet som diskuteres i denne oppgaven er utviklet av Ocean Energy AS. Konseptet består av lineære generatorer som er plassert på havbunnen, forbundet med bøyer på overflaten som fanger opp bølgenes bevegelsesenergi. Hensikten med denne masteroppgaven er å analysere og optimalisere bølgekraftverket. Til dette skal simuleringsverktøyet 3Dfloat brukes.

Innledningsvis lå fokuset på å skjønne hvordan bølgekraftverket er bygget opp, gjøre seg kjent med BEM-kildekoden NEMOH og simuleringsverktøyet 3Dfloat, og tilegne seg nødvendig kunnskap innen hydrodynamikk.

Det ble etablert en simuleringsmodell av bølgekraftverket som viste seg å stemme godt overens med energiberegninger og bølgeteori. Det ble kjørt simuleringer med både regulære og irregulære bølger. I simuleringene ble demper justert for å finne de optimale dempingskoeffisientene. Det ble funnet at dempingskoeffisienten varierte fra periode til periode. Andre faktorer som bølgehøyder og ballast, hadde ingen innvirkning på dempingskoeffisienten.

Det er også blitt foreslått et nytt design av flytebøyen til Ocean Energy AS på grunnlag av lineær potensialteori og bølgekinematikk. Det nye designet er lengre i høyden og litt mindre i diameter.

Avslutningsvis er det funnet at det er mange likheter mellom resultatene fra regulære og irregulære bølger. Resultatene fra irregulære bølger viser et mer realistisk bilde av hvilke krefter som virker. Men om det er behov for enklere beregninger, vil resultater fra regulære bølger kunne klare å beskrive store deler av hva som skjer i virkelige havforhold.

For videre arbeid anbefales det å teste ut en prototype for å få en bedre helhetsforståelse av bølgekraftverket. Samt utføre en grundigere undersøkelse på optimal utforming og design av flytebøyen. Og det kan også kjøres flere simuleringer med flere ulike parametere.

One of the biggest challenges right now, is how to find a solution for securing reliable and sustainable energy supply. Several renewable energy technologies are constantly under development. The high energy density of ocean waves makes utilization of wave energy very interesting. The challenges for all wave power technologies is the adaptation of the design, and all the extensive processes. Everything have to be thoroughly reviewed and considered for more efficient energy utilization.

The concept discussed in this master thesis is developed by Ocean Energy AS. The concept consists of linear generators located on the seabed. Buoys on the surface is connected to these generators via a line, and captures the energy in the motion of the waves. This will make a wave energy converter (WEC) able to generate electricity. The purpose of this thesis is to analyze and optimize this wave power device. The 3Dfloat simulation tool will be used for this.

Initially the focus was to understand how this kind of wave power device works, familiarize with the software's NEMOH and 3DFloat, and acquire the necessary knowledge in hydrodynamics.

It was established a simulation model of the wave power plant which proved to be consistent with energy calculations and wave theory. Simulations was done with regular and irregular waves. The damper were adjusted to find the optimal damping coefficients. It was found out that the coefficient varied for different periods. Other factors such as wave heights and weights, had no impact on the optimal damping coefficient.

It has been suggested a new design of the buoy. The new design is longer in height and slightly smaller in diameter. It is also found that there are many similarities between the results of regular and irregular waves. The results of irregular waves is of course more realistic. But for simpler calculations, it will be enough to run simulations with regular waves.

Suggestions for further work is to test a prototype to get a better understanding of the wave power device. As well as perform a more thorough examination of the optimal layout and design of the buoy. Also, it can be run more simulations with several different parameters.