Geometry optimisation of a wave energy converter

Abstract

The evolution of technology and its worldwide access has been key in the development of different scientific areas and in several socioeconomic advances. Both production and usage of these equipment and services require energy, which resulted in the growth of its demand and use, and also led to the emergence of environmental concerns regarding energy consumption and extraction, with a current political and social pressure towards the reduction of the consumption of fossil fuels and, consequently, its substitution for alternative sources. Among the alternative energy sources, marine renewable energy presents a high potential, in the form of wave, tidal, and ocean thermal energy. The progress of these renewable sources is greatly influenced, however, by increasing interest and financial investment on these technologies. Computational simulation of technological systems and processes, integrating optimisation algorithms, may be used as a tool to reduce the cost of structure development and increase their robustness, which will add value to new projects. This dissertation addresses the geometry optimisation of a point-absorber wave energy converter, focusing on the increase of energy absorption derived from heave forces. This process included the development of an initial geometry, which was evaluated in terms of hydrodynamics and optimised through an optimisation algorithm to tune the shape parameters that influence energy absorption with the goal of obtaining the optimal geometry. A deployment site in the Portuguese coast was defined to get information on the predominant waves for the assessment of several sea states. The used software is NEMOH and WEC-Sim, both open-source, for the evaluation of the interaction between the structure and the imposed wave conditions. The results that were extracted and analysed from this software included forces in the six degrees of freedom. Under extreme wave conditions, the highest increase in efficiency in wave energy conversion to mechanical energy between initial and final shapes was of around 20%, corresponding to an increase from 35.64% to 54.18%, while under average wave conditions, that increase only reached a value of around 2%, corresponding to an increase from 22.14% to 24.51%.

A evolução da tecnologia e do seu acesso a nível mundial tem sido determinante no desenvolvimento de diferentes áreas científicas e de variados avanços socioeconómicos. Tanto a produção como a utilização destes equipamentos e serviços necessitam de energia, o que resultou numa escalada da sua procura e utilização e ao aumento de preocupações ambientais relacionadas com o consumo e extração de energia, havendo atualmente uma forte pressão política e social para a redução do consumo de combustíveis fósseis e, consequentemente, da sua substituição por fontes alternativas. Entre as fontes alternativas de energia, a energia renovável marinha apresenta um alto potencial, na forma de energia das ondas, das marés e térmica oceânica. No entanto, o progresso destas fontes renováveis está altamente influenciado pelo aumento do interesse e do investimento financeiro nestas tecnologias. A simulação computacional de sistemas e processos tecnológicos integrando algoritmos de otimização pode ser usada como ferramenta para reduzir o custo do desenvolvimento destas estruturas e aumentar a sua robustez, o que dará mais valor a novos projetos. Esta dissertação visa a otimização da geometria de um conversor de energia das ondas, do tipo point-absorber, focando-se no aumento da absorção de energia resultante das forças de elevação. Este processo incluiu o desenvolvimento de uma geometria inicial, que foi posteriormente avaliada relativamente à sua hidrodinâmica e otimizada através de um algoritmo genético para ajustar os parâmetros da forma que influenciam a absorção de energia, com o objetivo de obter a geometria ótima. Foi definido um local de implementação, na costa portuguesa, para obter informação quanto ao tipo de onda predominante para a avaliação de diferentes estados de mar. O software utilizado foi o NEMOH e o WEC-Sim, ambos open-source, para a avaliação da interação entre a estrutura e as condições de onda impostas. Os resultados extraídos e analisados usando este software incluem forças nos seis graus de liberdade. Em condições de onda extremas, o maior aumento de eficiência na conversão de energia das ondas em energia mecânica entre as formas inicial e final foi de cerca de 20%, correspondendo a um aumento de 35,64% para 54,18%, enquanto em condições de mar médias, este aumento apenas atingiu o valor de cerca de 2%, correspondendo a um aumento de 22,14% para 24,51%.