Effiziente Simulation zur Analyse und Optimierung eines Wellenenergiekonverters in nichtlinearen, zufälligen Seegängen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Robert Seifried
• Fachliche Zuordnung: Mechanik
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 528383251

Die Gewinnung von Energie aus einer zufälligen Quelle ist ein grundlegendes Problem im Bereich der erneuerbaren Energien. Neben der Möglichkeit, Sonnen- oder Windenergie zu gewinnen, gibt es auch die Möglichkeit, Energie aus Meereswellen zu gewinnen. Dabei werden mechanische Systeme auf der Meeresoberfläche positioniert, die durch ihre Bewegung elektrische Energie erzeugen. Da Wellenenergie im Vergleich zur Wind- und Solarenergie eine besonders hohe Leistungsdichte aufweist, ist sie Ressource für erneuerbare Energien vielversprechend. Um aus Wellenenergiekonvertern (WEKn) so viel Energie wie möglich zu gewinnen, muss das mechanische System jedoch so konstruiert werden, dass durch die Anregung der Meereswellen eine große Dynamik des Systems erreicht wird. Auf realen Ozeanen treten die Meereswellen zufällig auf. Außerdem haben Messungen ergeben, dass eine lineare Wellentheorie nicht geeignet ist, um das Verhalten einer realen See vollständig darzustellen. Daher muss der WEK so konstruiert werden, dass große Dynamiken des Systems auch in nichtlinearen zufälligen Seegängen erreicht werden können. Die gängigen Toolboxen zur Berechnung der Fluid-Struktur-Interaktion benötigen jedoch einen hohen Rechenaufwand, um Wechselwirkung zwischen Schwimmkörpern und Fluiden und damit auch die Bewegung des Schwimmkörpers in nichtlinearen zufälligen Wellen simulieren zu können. Ziel des vorgeschlagenen Projekts ist es, ein effizientes Simulationsmodell zu erstellen und zu validieren, welches sowohl den mechanischen Teil des WEKs, als auch die nichtlineare zufällige Fluid-Struktur-Interaktion zwischen Schwimmkörper und Wasser berücksichtigt. Mit dem erstellten Simulationsmodell werden die Dynamik und die Menge der gewonnen Energie eines WEK in nichtlinearen zufälligen Seegängen analysiert und mit den entsprechenden Ergebnissen in einem linearen zufälligem Seegang verglichen. Diese Vergleiche sollen die Notwendigkeit der Verwendung nichtlinearer zufälliger Seezustände aufzeigen. Als WEK wird ein mechanisches System verwendet, welches aus einem schwimmenden zylindrischen Körper und einem Generator besteht und welches im Rahmen von Vorarbeiten in linearen Seegang schon untersucht wurde. Der Generator gewinnt die Energie aus der Bewegung des Zylinders. Das Verhalten des Systems wird in Simulationen analysieren und in Experimenten validiert. Für experimentelle Untersuchungen verfügt das Institut über einen Wellenkanal, in welchem zufällige und nichtlineare Wellen erzeugt werden können. Um eine große Dynamik des WEKs zu erreichen, werden anhand des Simulationsmodells dann mehrere Systemparameter des WEKs (wie z. B. der Radius und die Masse des Zylinders) optimiert. Darüber hinaus werden Regelstrategien eingesetzt, um die Menge der gewonnenen Energie zu erhöhen. Auf diese Weise wird die Dynamik des WEKs dahingehend optimiert, dass eine große Menge an Energie aus zufälligen und nichtlinearen Wellen (wie sie auch in realen Seezuständen auftreten) gewonnen werden kann.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen