Enhancing Wave Energy Conversion through Fluid-Dynamic PTO Control Optimization

This thesis centers on the enhancement of a Wave Energy Converter (WEC) efficiency, using a Computational Fluid Dynamics (CFD) approach. Wave energy is a significant yet underutilized renewable resource, with technology convergence still to be achieved. The WEC investigated originates from the EDS, a nearshore, two-oscillating, point absorber WEC, which couples a heaving float and a surging paddle, object of several studies at Politecnico di Milano. This thesis focuses on the float-only system, inertially equivalent to the EDS but characterized solely by the float subsystem. A CFD approach is employed, based upon the existing and validated numerical model of the EDS using the software FLOW-3D HYDRO®. This study deals with a fluid-structure interaction problem and focuses on primary and secondary energy conversion stages, strongly dependent on the Power Take Off (PTO) system, which extracts energy from waves and modifies the device’s response motion. This mechanism is modelled linearly within the numerical model using a torsional spring object. The influence of the PTO on the system performance is investigated through a sensitivity analysis of the spring damping coefficient. PTO control is identified as the most suitable approach to enhance system efficiency and a threshold latching control is chosen among the proposed control strategies. Latching entails the restraint of the device during two portions of the oscillation cycle to slow down the device and move closer to a resonant condition between device velocity and wave forcing. Up to date, a heuristic criterion for the device release has not been identified. The goal is to develop a passive and non-predictive control strategy, without wave forecasting information and based solely on the float motion parameters. The control is simulated within the numerical model through a software customization, thereby introducing non-linearities in the model. Then, an optimization procedure is carried out for two waves using FLOW-3D (X)®, leading to a significant increase in energy absorption. Lastly, latching control is tested on the EDS system.

Il presente lavoro di tesi ha come obiettivo il potenziamento dell’efficienza di un Wave Energy Converter (WEC), un dispositivo volto a sfruttare l’energia dal moto ondoso. L’energia ondosa rappresenta una risorsa rinnovabile significativa ma ancora poco sfruttata per cui non si è ancora raggiunta la convergenza tecnologica. Il WEC oggetto di studio ha origine dal sistema Energy Double System (EDS), un tipo di WEC a corpi oscillanti con due gradi di libertà, posizionato sottocosta e composto da un galleggiante in heave e da una pala in surge, oggetto di ricerca al Politecnico di Milano da diversi anni. Questa tesi si concentra sul float-only system, inerzialmente equivalente all’EDS ma caratterizzato unicamente dal sottosistema galleggiante. Per lo studio di questo sistema viene impiegato l’approccio CFD (Computational Fluid Dynamics), partendo da un modello numerico esistente e validato dell’EDS e utilizzando il software FLOW-3D HYDRO®. Lo studio analizza un problema di interazione fluido-struttura dal punto di vista numerico e si concentra sulle prime due fasi di conversione dell’energia, individuando il Power Take Off system (PTO) come elemento primario del processo di conversione. È infatti il meccanismo attraverso cui l’energia viene estratta dalle onde, modificando di conseguenza il moto del dispositivo. Questo meccanismo viene modellato linearmente dal modello numerico utilizzando una molla torsionale. L’influenza del PTO sulle prestazioni del sistema viene indagata attraverso un’analisi di sensitività del coefficiente di smorzamento associato alla molla. Il controllo del PTO è identificato come l’approccio più adatto per incrementare l’efficienza del sistema e la strategia che viene scelta tra quelle proposte è nota come threshold latching control. Il latching comporta il blocco del dispositivo durante due porzioni del ciclo di oscillazione per rallentare il dispositivo e avvicinarsi ad una condizione di risonanza tra la velocità del dispositivo e la forzante ondosa, tuttavia non esiste un criterio euristico per il rilascio del dispositivo. L’obiettivo è quindi sviluppare una strategia di controllo passiva e non predittiva, in assenza di informazioni sulla forzante ondosa e basata esclusivamente sul moto del galleggiante. Il controllo viene simulato all’interno del modello numerico attraverso una customizzazione del software, introducendo di conseguenza non linearità nel modello. La strategia di controllo è stata poi ottimizzata utilizzando il software FLOW-3D (X)®, per due diverse onde determinando un aumento significativo dell’assorbimento di energia da parte del sistema. Infine, il controllo viene testato sul sistema completo dell’EDS.