CFD simulation of the crestwing wave energy converter

Abstract

Wellenenergie hat großes Potential zu einer nachhaltigen Energieproduktion beizutragen, da Wellen von allen erneuerbaren Energiequellen die größte Energiedichte haben. Die Wellenenergie steht allerdings vor einigen Herausforderungen, jedoch führten aktuelle Fortschritte zur Entwicklung des Crestwing Wellenenergiekonverters. Dieser ist einwellenaktivierter Körper und nutzt ein mechanisches Energietransformationssystem. In dieser Arbeit wird eine CFD-Simulation des Crestwing Wellenenergiekonverters erstellt, um ein besseres Verständnis des Verhaltens und der Effizienz des Wellenenergiekonverters in Meereswellen und dessen Einflusses auf die Wellen zu gewinnen. Gleichzeitig sollen validierte Ergebnisse bereitgestellt werden. Die CFD-Simulationen verwenden das dynamische Fluid-Körper-Interaktionsmodell und die Overset-Mesh-Technik. Da die Simulationen auf Experimenten beruhen, die am Dänischen Hydraulischen Institut durchgeführt wurden, entsprechen das Design des Wellenenergiekonverters und die Abmessungen des Wellenbeckens den Experimenten. Der simulierte Wellenenergiekonverter arbeitet in Stokes-Wellen fünfter Ordnung, ist mit einer Kette verankert und mit einem durch eine Feder-Dämpfer-Kombination modellierten Energietransformationssystem ausgestattet. Durch die Validierung der Wellenerzeugung in einem numerischen Wellenbecken und eine erfolgreiche Verifizierung des Meshs und des Zeitschritts wird eine ausreichend genaue Simulation erstellt. Im Folgenden wird der Wellenenergiekonverter in verschiedenen Wellenbedingungen simuliert und die Ergebnisse anschließend mit experimentellen Daten verglichen. Außerdem werden fünf Varianten des Energietransformationssystem getestet, die sich durch die Intensität der Kraft im Energietransformationssystem abhängig von dessen Bewegung unterscheiden. Für alle durchgeführten Simulationen werden die auf das Gerät ausgeübte Energie und die Energie im Energietransformationssystem bestimmt. Mit Hilfe der theoretischen Wellenenergie der einfallenden Welle kann dann der Wirkungsgrad der ersten Wellenenergieumwandlungsstufe und der Gesamtwirkungsgrad bestimmt werden. Zusätzlich wird das resultierende Wellenfeld durch die Bestimmung derWellenhöhe an verschiedenen Stellen im numerischen Wellenbecken genauer untersucht.

Wave energy has great potential to contribute to sustainable energy production as waves have the highest energy intensity of all renewable energy sources. Wave energy still faces some challenges, but current advancements led to the development of the Crestwing wave energy converter. It uses the concept of wave activated body technology and employs a mechanical power-take-off system.In this thesis, a CFD simulation of the Crestwing wave energy converter is set up aiming to gain a better understanding of the behaviour and the performance of the Crestwing wave energy converter in ocean waves and its influence on the waves while providing validated results. The CFD simulations use the dynamic fluid body interaction model and the overset mesh technique. Since the simulations are based on experiments conducted at the Danish Hydraulic Institute, the design of the wave energy converter and the dimensions of the wave tank correspond to experiments. The simulated wave energy converter is operating in fifth order Stokes waves, is moored with a catenary,and is equipped with a power-take-off system modelled by a spring damper coupling. A reasonable and sufficiently accurate simulation has been set up, by validating the wave generation in an empty wave tank and a successful verification study of the mesh and time step. In the following, numerous simulations of the wave energy converter operating in different wave conditions are performed and the results are compared to those of experiments. Also, five applications of the power-take-off system are tested which differ in the intensity of the force in the power-take-off system depending on its motion. For all conducted simulations, the energy exerted on the device and the energy in the power-take-off system are determined, which allows to define the efficiency of the first wave energy conversion stage and the overall efficiency based on the theoretical energy of the incident wave. Additionally, the resulting wave field is investigated in greater detail by determining the wave elevation at different locations in the empty wave tank.