Design und Analyse von Wellenenergiekonvertern

Motivation

Im Zeitalter der Energiewende spielen regenerative Energien eine immer wichtigere Rolle. Im Zuge dessen gewinnen Wasserkraft, Sonnen- und Windenergie immer mehr an Bedeutung. Neben diesen bekannten Beispielen für erneuerbare Energien existiert dazu noch die Möglichkeit, aus Meereswellen Energie zu gewinnen. Hierbei werden mechanische Systeme auf die Meeresoberfläche positioniert, die durch die aufkommenden Wellen eine Auf- und Abbewegung erfahren, aus welcher ein intern eingebauter elektrischer Generator Spannung erzeugt. Da Wellenenergie im Vergleich zu Wind- und Sonnenenergie eine deutlich höhere Leistungsdichte aufweist, wird diese als eine vielversprechende Ressource für erneuerbare Energien angesehen.

Um nun möglichst viel Wellenenergie erzeugen zu können, müssen mechanische Systeme derart gebaut werden, dass sie durch die ankommenden Wellen eine große Bewegung erfahren. Hierfür muss geklärt werden, welche Wellen auf dem offenen Ozean aufkommen und welche Kräfte sie auf welches mechanische System auswirken. Im Institut für Mechanik und Meerestechnik stehen zwei Systeme bereit, für die dies zu untersuchen gilt.

Modellierung von Wasserwellen

Zur Beschreibung von Wasserwellen stehen viele verschiedene Methoden zur Auswahl. Der wahrscheinlich einfachste Ansatz wird über eine lineare Summation von Sinus-Wellen durchgeführt, die alle zueinander zufällig phasenverschoben sind. Bei geeigneter Wahl der jeweiligen Amplituden lässt sich hieraus die reale See schon relativ gut abbilden.

Eine zufällige lineare Wasseroberfläche.

Ein genauerer Blick auf die Meeresoberfläche zeigt jedoch, dass vor allem höhere Wellen deutlich häufiger in Erscheinung treten als es die lineare Wellentheorie vorhersagt. Als Folge dessen werden nichtlineare Wellentheorien benutzt, um das Verhalten von Wasserwellen so gut es geht zu beschreiben. Hierbei können verschiedene Aspekte wie der Einfluss von Wind oder die Interaktion von Wasserwellen berücksichtigt werden.

Eine nichtlineare Welle, die aus dem nichts erscheint und ihre Amplitude in kürzester Zeit verdreifacht (links) und zwei Wellen, die interagieren und anschließend in ihre Form übergehen (rechts).

Im Hinblick auf die Energieerzeugung aus Meereswellen gilt es herauszufinden, welche Wellen welche Kräfte auf ein gegebenes mechanisches System ausüben. Zur Berechnung der hierbei auftretenden Fluid-Struktur-Interaktion im Umfeld eines natürlichen Seegangs kommen verschiedenste Methoden der numerischen Strömungsmechanik (CFD) zum Einsatz.

Wellenenergiekonverter

Um ein mechanisches System zu bauen, welches Energie aus Wasserwellen gewinnt, nutzt ein elektrischer Generator entweder die translatorische oder rotatorische Bewegung des Systems, welches durch die Wellen angeregt wird. Für jede Möglichkeit wurde am Institut für Mechanik und Meerestechnik jeweils ein Versuchsaufbau entwickelt, welche für weitere Untersuchungen zur Verfügung stehen.

Der erste Aufbau besteht aus einer fest angebrachten Spule und einem beweglichen Magneten, der an einem schwimmenden Zylinder angebracht ist. Bewegt sich nun der Zylinder durch eine ankommende Welle auf und ab, so bewegt sich der Magnet im gleichen Maße durch die Spule und Spannung wird induziert. Ziel ist es nun herauszufinden, Wellen welcher Frequenz und Amplitude welche Auswirkungen auf das System haben und wie man dieses abändern muss, damit möglichst viel Energie erzeugt werden kann. Dabei stehen einem Parameter wie die Masse und das Auftriebsvolumen des Zylinders sowie die elektrische Dämpfung des Generators als Änderungsgrößen zur Verfügung.

Dieser Aufbau befindet sich im instituseigenen Wellenkanal und kann für verschiedenste vorgegebene Wellen ausprobiert werden.

Blick auf den schwimmenden Zylinder innerhalb des Wellenkanals.

Eine simulierte, zufällige Wasseroberfläche und die zugehörige Hubbewegung des Zylinders.

Im zweiten Aufbau wird ein Pendel-Energie-Wandler betrachtet. Dieser besteht aus einem Pendel mit drei Armen, die jeweils mit 120° zueinander versetzt angebracht sind. Der Aufbau ist in der Lage, den Drehpunkt des Pendels so zu bewegen, dass eine zufällige Bewegung resultierend aus einer ankommenden Wasserwelle simuliert werden kann. Darüber hinaus können verschiedenste Parameter wie z. B. die Verschiebungsrichtung des Pendels oder die Position von Zusatzmassen, die Auswirkungen auf das Trägheitsmoment des Pendels haben, verändert werden. Durch einen angebrachten Generator wird anschließend Strom erzeugt. Es ist wieder zu testen, wie verschiedene mechanische und elektrische Parameter gewählt werden müssen, damit möglichst viel Energie erzeugt werden kann.

Versuchsaufbau des Pendel-Energie-Wandlers.

Gemessener Drehwinkel des Pendels, wobei sein Drehpunkt durch realistische Wasserwellen angeregt wurde. Die grünen Bereiche zeigen auf, wann das Pendel in Rotation geraten ist. Für weitere Details, siehe: L. Dostal, M.-A. Pick: Theoretical and experimental study of a pendulum excited by random loads. In: European Journal of Applied Mathematics 30 (5): 912-927 (2019).

Wahrscheinlichkeit in Abhängigkeit der zugrundeliegenden Wellenhöhe, Wellenfrequenz und Anfangsstellung, dass das Pendel in Rotation gerät. Für weitere Details, siehe: L. Dostal, K. Korner, E. Kreuzer, D. Yurchenko: Pendulum energy converter excited by random loads. In: ZAMM-Journal of Applied Mathematics and Mechanics 3 (98): 349-366 (2018).

Die Auf- und Abbewegung führt zu einer Rotation des Pendels, aus welcher dann Spannung abgegriffen werden kann.

Studentische Arbeiten

Dieses Thema stellt eine Schnittstelle der Bereiche Mechanik, Mechatronik, Regelungstechnik, Numerik und Fluiddynamik dar und bietet viel Raum für studentische Arbeiten. Je nach Interesse kann man sich entweder mit der Modellierung von Wasserwellen, Fluid-Struktur-Interaktion, Regelung/Optimierung von Systemparametern oder dem Entwerfen eines effizienteren elektrischen Generators beschäftigen. Wer weiß, vielleicht haben Sie ja sogar ganz eigene Ideen, wie man Energie aus Wasserwellen ziehen kann. Wer Interesse hat, im Rahmen einer Bachelor-/Projekt-/Masterarbeit bei diesem Thema mitzuwirken, kann sich gern bei uns melden.

Studentische Arbeiten und Praktika

McConnell, Abby (Charlotte): "Dynamik eines Wellenergiekonverters", Praktikumsarbeit, 2022.
Zetek, Christoph: "Numerische Analyse der Fluid-Struktur-Interaktion bei unterschiedlichen Schwimmkörperformen", Bachelorarbeit, BSC-136, 2022.
Höhne, Joshua: "Simulative Untersuchung der Dynamik eines Multi-Komponenten-Wellenenergiekonverters im irregulären Seegang", Bachelorarbeit, BSC-135, 2022.
Engel, Jens: "Simulative Untersuchung und Regelung der räumlichen Bewegung eines Multi-Komponenten-Wellenenergiekonverters", Bachelorarbeit, BSC-134, 2022.
Woidelko, Mirco: "Vergrößerung der Leistung eines Wellenenergiekonverters durch Nutzung von Reinforcement Learning", Masterarbeit, MSC-047, 2022.
Sprengell, Anneke: "Simulative Untersuchung eines Multi-Harvester-Systems zur Wandlung von Wellenenergie", Bachelorarbeit, BSC-129, 2021.
Gohle, Simon: "Auswirkungen der Form eines zylindrischen Schwimmkörpers auf die agierenden hydrodynamischen Kräfte", Bachelorarbeit, BSC-128, 2021.
Shamko, Pavel: "Simlulative Untersuchung der Dynamik eines Wellenenergiekonverters in regulären Wellen", Bachelorarbeit, BSC-125, 2021.
Bluhm, Benedict: "Analyse und Optimierung der Dynamik eines kinetischen Wellenenergiekonverters", Bachelorarbeit, BSC-124, 2021.
Yang, Zhengyi: "Systematische Untersuchung der Performance eines Wellenenergiekonverters", Bachelorarbeit, BSC-119, 2021.
Kühne, Christian: "Simulative und experimentelle Untersuchung der Dynamik eines Wellenenergiekonverters unter Verwendung flexibler Mehrkörpersysteme", Bachelorarbeit, BSC-118, 2020.
Schulz, Leonard: "Entwicklung, Modellierung und Simulation eines neuartigen, kostengünstigen und zuverlässigen Wellenenergiewandlers", Bachelorarbeit, BSC-116, 2020.
Heidler-Behne, Nico: "Systematische Untersuchung eines Wellenenergiekonverters", Bachelorarbeit, BSC-110, 2020.
Thomsen, Nele: "Berechnung und Vergleich von linearen und nichtlinearen Wasserwellen", Bachelorarbeit, BSC-108, 2019.
Fischer, Hendrik: "Untersuchung der Interaktionen schwach nichtlinearer Wasserwellen", Bachelorarbeit, BSC-107, 2019.
Laketa, Samuel (Waterloo): "Entwicklung eines geeigneten Generators für einen Pendel-Energie-Konverter", Praktikumsarbeit, 2019.
Champenois, Bianca (Berkeley): "Untersuchung eines durch Wasserwellen angeregten Pendel-Energie-Konverters", Praktikumsarbeit, 2019.
Bespalko, Alexej: "Systematische Untersuchung zur Reinforcement-Learning basierten Regelung eines Acrobots", Bachelorarbeit, BSC-093, 2019.
Hollm, Marten: "Untersuchung schwach nichtlinearer Wasserwellen unter stochastisch Windanregung", Masterarbeit, MSC-018, 2018.
Cyr, Caralyn (Hoboken): "Einfluss von nichtlinearen Wasserwellen auf einen Energie-Konverter", Praktikumsarbeit, 2018.
Korner, Kevin (Pasadena): "Untersuchung eines Pendel-Energie-Wandlers unter einer zufälligen Anregung", Praktikumsarbeit, 2017.

Ausgewählte Veröffentlichungen

M. Hollm, L. Dostal, D. Yurchenko, R. Seifried: Performance increase of wave energy harvesting of a guided point absorber. In: European Physical Journal Special Topics 231(8): 1465-1473 (2022). [DOI:10.1140/epjs/s11734-022-00497-7]
M. Hollm, L. Dostal, J. Höhne, D. Yurchenko, R. Seifried: Investigation of the dynamics of a multibody wave energy converter excitetd by regular and irregular waves. In: Ocean Engineering 265: 112570 (2022). [DOI:10.1016/j.oceaneng.2022.112570]
J. Harms, M. Hollm, L. Dostal, T. A. Kern, R. Seifried: Design and optimization of a wave energy converter for drifting sensor platforms in realistic ocean waves. In: Applied Energy 321: 119393 (2022). [DOI:10.1016/j.apenergy.2022.119303]
L. Dostal, M. Hollm, E. Kreuzer: Study on the behavior of weakly nonlinear water waves in the presence of random wind forcing. In: Nonlinear Dynamics 3 (99): 2319-2338 (2020). [DOI:10.1007/s11071-019-05416-5]
L. Dostal, M.-A. Pick: Theoretical and experimental study of a pendulum excited by random loads. In: European Journal of Applied Mathematics 30 (5): 912-927 (2019). [DOI:10.1017/S0956792518000529]
L. Dostal, K. Korner, E. Kreuzer, D. Yurchenko: Pendulum energy converter excited by random loads. In: ZAMM-Journal of Applied Mathematics and Mechanics 3 (98): 349-366 (2018). [DOI:10.1002/zamm.201700007]