Concept and design validation of floating wave energy converter arrays

Die Umstellung unserer Energiesysteme von fossilen auf erneuerbare Energieträger ist eine der größten Herausforderungen der heutigen Zeit. Zur Deckung des steigenden Strombedarfs, der vor allem durch die Elektrifizierung von Heizung und Verkehr entsteht, müssen neben den etablierten erneuerbaren Energiequellen Wind, Sonne und Wasserkraft weitere erneuerbare Energiequellen erforscht werden. Die Umwandlung von Wellenenergie könnte eine dieser alternativen Ressourcen sein, da sie über ein großes Potenzial verfügt. Dieses Potenzial wird allerdings bisher nicht ausgeschöpft, da noch kein Wellenenergiekonverter Marktreife erreicht hat. Die vorliegende Arbeit bezieht sich den frühen Entwurfsprozess (Konzeptvalidierung und Entwurfsvalidierung) von schwimmenden Wellenenergiekonverter-Arrays. In dieser Phase sind die Systemgrundlagen (Layout, Geometrie usw.) noch nicht festgelegt, und es sind verschiedene Optimierungen erforderlich, um die technologische Reife und die Leistung zu erhöhen. Diese Optimierungen werden in der Regel mit Hilfe zeit- und kosteneffizienter numerischer Modellierung durchgeführt, insbesondere mit Potentialtheorie-Modellen. Die Genauigkeit dieser Simulationen muss jedoch kritisch bewertet werden, um zu verlässlichen Entwurfsentscheidungen zu gelangen. Daten aus experimentellen Modelltests können verwendet werden, um das Vertrauen in die numerischen Modelle durch Validierung zu erhöhen. Physikalische Modellversuche sind jedoch zeit- und kostenintensiv. Diese Beziehung zwischen numerischen Modellen und experimentellen Modelltests wird in der vorliegenden kumulativen Dissertation untersucht. Insbesondere wird die Bedeutung der mechanischen Kopplung, der hydrodynamischen Kopplung, des Einflusses der Verankerung und der viskosen Effekte sowie deren Einbeziehung in Potentialtheorie-Modelle untersucht. Drei Publikationen bilden die wissenschaftliche Grundlage für diese Arbeit. Die ersten beiden Publikationen befassen sich mit der experimentellen und numerischen Modellierung eines schwimmenden Wellenenergiekonverter-Arrays und führen zu Erkenntnissen über die Auswirkungen der hydrodynamischen Kopplung, der mechanischen Kopplung und des Einflusses der Verankerung. Die dritte Veröffentlichung befasst sich mit viskosen Effekten. Während das verwendete Simulationsmodell die mechanischen Kopplungseffekte genau reproduzieren kann, wird die hydrodynamische Kopplung in dem vorgestellten Ansatz vernachlässigt. Die mechanische Kopplung hat jedoch einen größeren Einfluss auf das Bewegungsverhalten des schwimmenden Wellenenergiekonverter-Arrays als die hydrodynamische Kopplung, die als vernachlässigbar angesehen wird. Auch die Auswirkungen der Verankerung können nicht genau erfasst werden. Diese Ergebnisse dienen dazu, den Designern von Wellenenergiekonverter-Arrays Empfehlungen für die Anwendung numerischer Modelle und die Nutzung experimenteller Modellversuche zur Validierung der Hydrodynamik eines einzelnen Punktabsorbers sowie des Verankerungsdesigns zu geben. Schließlich werden künftige Forschungsrichtungen aufgezeigt, die offene Punkte aus den wissenschaftlichen Publikationen ergänzen, z. B. die Einbeziehung hydrodynamischer Interaktionen in Simulationen schwimmender Wellenenergiekonverter-Arrays mit Potentialtheorie-Modellen. Darüber hinaus wird die Bedeutung fortschrittlicher Regelungsmethoden und deren Potenzial zur Steigerung des Energieertrags schwimmender Wellenenergiekonverter-Arrays hervorgehoben.