Modeling and Analysis of a Dynamic Positioning System for a Wave Energy Converter

Abstract

Waveco utvikler et nytt type bølgekraftverk bestående av to deler, en undervanns turbin festet til en bøye som flyter på havoverflaten og følger bølgenes bevegelse. Bøyens bevegelse beveger dermed turbinen som flyter dypt under bølgesonen og skaper dermed energi.

Det foreligger bekymringer om at havstrømmer kommer til å påvirke turbinen og dra den bort fra den ønskede posisjonen under bøyen. Denne avhandlingen utvikler en ulineær modell for bølgekraftverket for å karakterisere dets stabilitet og gi en anbefalinger for det nevnte høyst ulineære systemet og de påvirkende effektene på systemet.

Modellen er Lagrangian basert, med hydrodynamiske krefter modellert ved Morison likningene i to dimensjoner. Treghetskraften blir funnet ved hjelp av integrasjon over dent nedsenkede volumet til bøyen. Styringskraft blir skapt ved to vinger festet på turbinen. En liner modell blir utviklet for å designe en Linear Quadratic regulator, som blir bruk til å regulere styringskraften fra vingene for å styre turbinen tilbake til ønsket posisjon. Modellen blir så numerisk simulert under realistiske kondisjoner for å utforske gjennomførbarheten til systemet.

Waveco is developing a new wave energy converter with two components, an underwater turbine attached to a buoy on the ocean surface that floats in the waves. The buoy's motion then moves the turbine up and down deep below the wave zone, generating power.

However, there are concerns about ocean currents affecting the turbine dragging the turbine away from its wanted position under the buoy. In this thesis, a nonlinear model is developed for the wave energy converter to characterize stability and provide recommendations for the aforementioned highly nonlinear and adverse effects on the system.

The model is Lagrangian based, with hydrodynamical forces modeled with Morison equations in both heave and surge, and the inertia force is integrated across the submerged volume of the buoy. Control force is then generated with a set of wings attached to the turbine. A linear model is developed to design a Linear quadratic regulator to control the force generated from the wings to steer the turbine back to its wanted position. The model is simulated with realistic conditions using numerical simulation to study the feasibility of the system.