Modeling of a two-oscillating-body wave energy converter for shallow water

This PhD work has dealt with the development and study of an innovative wave energy converter for shallow water, the EDS (Energy Double System). This system has the peculiarity of being composed by two oscillating bodies with different motion modes: a pitching-heaving float and a surging paddle supported by the same arm, which is pivoted over the water and extends seaward. The groundwork has been done for the mathematical model of EDS. Considering linear wave theory and some simplifying hypotheses, the equations of motion of EDS in the frequency domain have been derived, and the parameters that influence the system behavior have been identified. A physical model of the EDS has been built and tested in the wave flume of the Politecnico di Milano. The EDS model has been tested at various distances from the shoreline, along a sloping beach. Monochromatic waves have been used to test the model. Waves have been densely measured along the beach, getting the wave height envelope. The main geometrical and mechanical parameters of the EDS model has been varied throughout the tests in order to maximize the efficiency of EDS for each wave and at each distance from the shoreline. As the EDS system is an evolution of the simpler pitching-heaving float, the latter has been tested too, in order to see the net advantage brought by the paddle to this system. In this way, the behavior of the pitching-heaving float in shallow water has been characterized too. Efficiency has been found to vary a lot with distance from the shoreline, for both the pitching-heaving float and the EDS. On average, the efficiency of the float increases as water depth increases. The efficiency of EDS in relation to water depth shows different trends depending on the incident wave. The partial efficiency of the paddle increases as water depth decreases. It has been shown that the EDS system reaches higher efficiencies than the pitching-heaving float, and this difference is significant especially in shallow water and for relatively big waves. Finally, some issues about the feasibility of the EDS at real scale are discussed.

Il presente lavoro riguarda lo sviluppo e lo studio di un innovativo WEC (Wave Energy Converter) per acque poco profonde, il sistema EDS (Energy Double System). Questo sistema ha la particolarità di essere composto da due corpi oscillanti in due diverse direzioni: un galleggiante che si muove in pitch-heave e una pala a tergo di esso che si muove in surge. Entrambi i corpi sono sostenuti da un braccio incernierato sopra il livello dell’acqua. In questo lavoro sono state poste le basi per il modello matematico del sistema EDS: considerando la teoria lineare e alcune ipotesi semplificative, sono state ricavate le equazioni di moto del sistema EDS, e sono stati identificati i parametri che influenzano il comportamento del sistema. È stato costruito un modello in scala del sistema EDS, che è stato testato nel canale ondogeno del Politecnico di Milano. Il modello è stato posizionato lungo uno scivolo a pendenza costante, a diverse profondità. Per testare il modello sono state utilizzate onde monocromatiche, fittamente misurate lungo lo scivolo, in modo da ottenere l’inviluppo dell’altezza d’onda. Durante gli esperimenti, sono stati variati i principali parametri geometrici e meccanici del sistema EDS al fine di massimizzarne l'efficienza rispetto ad ogni onda e per ogni posizione del sistema lungo lo scivolo. Poiché il sistema EDS è un'evoluzione del sistema costituito dal galleggiante in pitch-heave, quest’ultimo è stato testato nelle stesse condizioni di prova del sistema EDS, in modo da quantificare il vantaggio portato dalla pala in surge. In questo modo, anche il comportamento del solo galleggiante in acqua bassa è stato caratterizzato. I risultati mostrano che l'efficienza del WEC, sia il solo galleggiante che il sistema EDS, varia sensibilmente in funzione della profondità dell’acqua, in particolare l’efficienza del solo galleggiante aumenta mediamente con la profondità dell’acqua mentre l’efficienza del sistema EDS presenta trend diversi in funzione dell’onda, con un rendimento parziale della pala che diminuisce al crescere della profondità. Nelle prove effettuate, il sistema EDS ha mostrato efficienze superiori al solo galleggiante, e questa differenza è particolarmente significativa in acque poco profonde e nel caso di onde relativamente grandi. Infine, alcune problematiche riguardanti la fattibilità del sistema EDS a scala reale sono discusse.