Compensation system for high range mean sea level variations designed for wave power plants. Mechanical design and hydrodynamic modelling

Uppsala University is in the vanguard of wave energy research. Several wave power plants have been developed and tested offshore. Experimental results show that a deviation of ± 0.2 m from the average sea level affects the functioning of the Wave Energy Converters reducing the electric power production. This is the case of tides. During high tides the translator hits the top of the linear generator and during low tides the connection line loses tension and the translator lies at the bottom of the generator. In both cases the energy production is drastically decreased. This thesis presents a solution to be able to use the existing technology of WEC in seas where the tides are relevant. The chosen concept is a winch system where a motor through a gearbox moves a wheel with particular grooves in which a chain is wedged. The chain is then connected with the line that connects the buoy and the translator inside the generator. The functioning of the tidal compensator is divided in two different moments: a moment in which the motor is moving the wheel and it is adjusting the length of the connection line and a moment in which the brake function of the motor is active and the wheel is standing still. The nominal forces are 150 kN and 500 kN respectively. The tidal compensator has been designed and all the calculations are presented in this thesis. FEM analysis has been done around the capability of the tidal compensator to handle the nominal forces. Besides the mechanical designing, hydrodynamic simulations have been carried out. The simulations analyse the behaviour of the tidal compensator mounted on a buoy and connected, through the connection line, with the translator inside the generator placed at the seabed. The output of the simulations is the power production in different sea states. Comparing different activation modes of the tidal compensator, the percentage gains in terms of power production are shown. The presented results show the potential of the designed tidal compensator and led to the construction of a full-scale prototype. This thesis paved the way for offshore testing of the tidal compensator.

L’università di Uppsala è all’avanguardia nel campo della ricerca sull’energia prodotta da onde di mare. A dimostrarlo molteplici prototipi sviluppati e testati in mare aperto. I risultati empirici ottenuti nel corso degli anni mostrano che una variazione di ± 0.2 m del livello medio mare provoca una riduzione nell’energia elettrica prodotta da WEC (Convertitore di Energia da Onde marine). Nello specifico durante le alte maree il generatore urta la sommità del generatore lineare e durante le basse maree, la linea di connessione boa - traslatore perde tensione e il traslatore giace alla base del generatore: condizioni che portano ad una decrescita dell’energia prodotta. Questa tesi si pone l’obiettivo di ottimizzare l’esistente tecnologia di convertitori in mare in condizioni di maree rilevanti, grazie ad un dispositivo simile a un verricello, nel quale un motore attraverso un riduttore, muove una ruota dotata di particolari scanalature in cui è posta una catena, catena a sua volta collegata alla linea che connette la boa e il traslatore all’interno del generatore. Il funzionamento del compensatore di marea - dimensionamenti all’interno della tesi - si può dividere in due diversi momenti: un momento in cui il motore muove la catena ridimensionando la lunghezza della linea e un momento in cui il freno del motore è attivo e la ruota è ferma. Le forze di progetto per i due diversi momenti sono rispettivamente 150 kN e 500 kN. Simulazioni FEM sono state infine eseguite per verificare la capacità del sistema di resistere alle forze di progetto. Oltre al dimensionamento meccanico, sono state condotte anche simulazioni idrodinamiche volte ad analizzare il comportamento del compensatore di marea posto su una boa e connesso, attraverso la linea, al traslatore. Scopo delle simulazioni è valutare la potenza elettrica prodotta in concomitanza di differenti stati di mare. A partire dalle potenze elettriche calcolate, si è potuto quantificare i guadagni percentuali in termini di produzione di energia elettrica in funzione delle differenti modalità di attivazione del compensatore di marea. I presenti risultati dimostrano il potenziale del compensatore di marea e hanno portato alla costruzione di un prototipo in scala reale, aprendo quindi la strada a test in mare aperto del compensatore di marea.