Oscillating water column wave energy converters integrated in very large floating structures

Crema, Ilaria

The increasing population density and the industrial expansion significantly affect the availability of land. In this context, the high modularity of Very Large Floating Structures may represent a promising alternative for multipurpose use. Furthermore, the interest for the sea as a source of renewable marine energy is increased in the last years. Among the large diversity of Wave Energy Converters, the Oscillating Water Column is one of the most promising concept. Moreover, when an OWC is integrated in a VLFS, it can increase the wave energy absorption and can attenuate the motion of the floating structure. Hence, there is a growing interest in the development of an innovative VLFS equipped with OWC devices. In this scope, the mitigating effect of the OWC on the VLFS motion can be combined with an increased efficiency of the OWC, thus better contributing to supply energy for the facilities located on the floating system. The study of a VLFS-OWC System conceived for a hypothetical installation in a Mediterranean area, with moderate wave climate, is performed by small-scale experiments, carried out in the wave-current flume of the Maritime Engineering Laboratory of Florence University. The tests focused on the effect of: OWC design parameters, incident waves, damping induced by a non-linear air turbine, length and heave motion of the VLFS, on the performance of the OWC, including its attenuating effect on the motion of the VLFS-OWC system. The design of fixed OWC, VLFS and VLFS-OWC models as well as the testing programme and laboratory procedures, are based on the literature review of the available numerical and physical models on OWC devices and VLFS. The most dominant parameters affecting the performance of a fixed OWC are: the chamber width (in wave propagation direction), the front wall draught and the damping induced by the air turbine. The additional parameters, affecting the efficiency of an OWC integrated in a VLFS, are: the length of the structure and the heave motion. Formulae are developed for predicting the heave motion of the VLFS-OWC system respectively, for regular waves and irregular waves, Formulae are developed for improving the prediction of the performance of a fixed OWC for an OWC integrated in a VLFS respectively, for regular irregular waves. These findings have contributed to improve the understanding of the OWC and the relative importance of the aforementioned parameters affecting the device under moderate wave climate.

Die zunehmende Bevölkerungsdichte und die industrielle Expansion beeinflussen erheblich die Verfügbarkeit von Land. In diesem Zusammenhang könnte die hohe Modularität von sehr großen schwimmenden Bauwerken VLFSs mit vielfältigen Einsatzmöglichkeiten eine viel versprechende Alternative darstellen. Unter der großen Vielfalt von Wellenenergiekonvertern WECs ist die oszillierende Wassersäule OWC eines der vielversprechendsten Konzepte. Wenn ein OWC-System in ein VLFS eingebaut wird ist erstens die Wellenenergieabsorption erhöht und zweitens wird die Hubbewegung des schwimmenden Bauwerks gedämpft. Daher besteht ein wachsendes Interesse an der Entwicklung eines innovativen VLFS mit integrierten OWC. Der Dämpfungseffekt der OWC auf die Hubbewegung der VLFS steht in Beziehung zu einem höhten Wirkungsgrad des OWC, welcher zu einer höheren Energiegewinnung und -versorgung des schwimmenden Bauwerks führt. Zu diesem Zweck wurden kleine Experimente im Wellenkanal des Maritime Engineering Laboratory der Universität Florenz durchgeführt. Die Labortests konzentrierten sich auf die Wirkung von: OWC-Entwurfsparameter; einfallenden Wellenbedingungen; Dämpfung, welche durch eine nichtlineare Luftturbine; Länge und Hubbewegung des VLFS auf die Leistung des OWC, einschließlich der Dämpfungswirkung des eingebauten OWC auf die Hubbewegung des VLFS-OWC-Systems. Das Design der festen OWC-, VLFS- und VLFS-OWC-Modelle, sowie das Testprogramm und die Laborverfahren basieren auf einer umfassenden Literaturrecherche über die verfügbaren numerischen und physikalischen Modelle für OWC-Geräte und VLFS-Technologien. Die wichtigsten Ergebnisse dieser Doktorarbeit können wie folgt zusammengefasst werden: Die dominierenden Parameter, die die Leistung eines festen OWC-Systems beeinflussen, sind die Kammerbreite, der Frontwandzug und die induzierte Dämpfung der Luftturbine; Die zusätzlichen Parameter, die die Effizienz eines in einem VLFS integrierten OWCs beeinflussen, sind die Länge der Struktur und die Hubbewegung; Formeln zur Vorhersage der Hubbewegung des VLFS-OWC-Systems für regelmäßige und unregelmäßige Wellen wurden entwickelt; Formeln zur Verbesserung der Leistungsvorhersage eines festen OWC integriert in eine VLFS wurden für regelmäßige und unregelmäßige Wellen entwickelt. Diese Ergebnisse haben dazu beigetragen, das Verständnis der Funktionsweise des OWC-Systems und die relative Bedeutung der oben genannten Parameter, bei moderatem Wellenklima, zu verbessern.

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Crema, Ilaria: Oscillating water column wave energy converters integrated in very large floating structures. 2018.

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