Implementation and validation of a multi-DOF model for the simulation of wave energy converters

Energy extraction from sea waves has not yet reached the market level. Thus, it is a field that is still in expansion where efforts are directed in the development of many different technologies. The SEAREV device is a semi-submerged body that encounters the waves and experiences translational (surge and heave) and rotational (pitch) movements. The energy is converted by the relative rotation of a pendulum with an off-centered center of mass placed inside the structure. This pendulum can only rotate since it has an axis fixed to the hull. In this thesis, a numerical model for the simulation of a SEAREV type device is implemented starting from the cardinal equations of dynamics for semi-submerged bodies. Hence, as a first step, a model for a 3 degrees of freedom semi-submerged body is implemented and validated with the expected results given by linear wave theory. Bodies with simple geometries are used for this step. Then, the interaction between the hull and the pendulum is implemented to this model to generate a 4 degree of freedom model for the SEAREV device, that is, the 3 degrees of freedom of a semi-submerged body plus the relative rotation of the pendulum. The model is then validated with experiments from the researchers that have developed and studied this device across the years. Since rotational motion is the key for the conversion of energy, the response amplitude operator of the device is analyzed, which can be a guide to the implementation of the device for different sea states.

L'estrazione d'energia dal moto ondoso non ha ancora raggiunto il livello di mercato, pertanto è un campo ancora in espansione dove gli sforzi sono diretti nello sviluppo di molte tecnologie diverse. Il dispositivo SEAREV è un corpo semi-sommerso che incontra le onde e sperimenta moti traslazionali (surge e heave) e rotazionali (pitch). L'energia è convertita dalla rotazione relativa di un pendolo con un centro di massa decentrato posizionato all'interno della struttura. Questo pendolo può solo ruotare poiché ha un asse fisso allo scafo. In questa tesi, un modello numerico per la simulazione di un dispositivo di tipo SEAREV è implementato partendo dalle equazioni cardinali della dinamica per corpi semi-sommersi. Quindi, come primo passo, un modello per un corpo semi-sommerso con 3 gradi di libertà è implementato e validato con i risultati aspettati dalla teoria di onde lineari. Corpi con geometrie semplici sono stati usati per questa fase. L'interazione tra lo scafo e il pendolo è implementata in questo modello per sviluppare un modello a 4 gradi di libertà per il dispositivo SEAREV, cioè, i 3 gradi di libertà di un corpo semi-sommerso più la rotazione relativa del pendolo. Il modello è posteriormente validato con esperimenti da ricercatori che hanno sviluppato e studiato questo dispositivo attraverso gli anni. Essendo il moto rotazionale è la chiave per la conversione di energia, il Response Amplitude Operator del dispositivo è analizzato, il quale può essere una guida per l'implementazione del dispositivo per diversi stati di mare.