2023-10-272023-10-27https://hdl.handle.net/11420/43936Die 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.Obtaining energy from a random source is a fundamental problem in the field of renewable energy. In addition to the possibility of obtaining solar or wind energy, there is also the possibility of obtaining energy from ocean waves. Thereby, mechanical systems are positioned on the sea surface and electrical generators convert the motions of the systems into electrical energy. Since wave energy has a notably high power density compared to wind and solar energy, it is a promising resource for renewable energy. However, in order to harvest as much energy as possible from wave energy converters (WECs), the mechanical system has to be designed in such a way that a large dynamic motion is achieved. On real oceans, sea waves occur randomly. Furthermore, measurements have shown that a linear wave theory is not suitable to fully represent the behavior of a real sea. Therefore, the WEC must be designed in such a way that large system dynamics are to achieved in nonlinear random sea states. However, the current toolboxes for calculating fluid-structure interaction require a large computational effort to simulate interaction between floating bodies and fluids, and thus the motion of the floating bodies in nonlinear random waves. The aim of the proposed project is to create and validate an efficient simulation model that not only accounts for the mechanical part of the WEC, but also for the nonlinear random fluid-structure interaction between the floating body and the water. The created simulation model is used to analyze the dynamics of the WEC and the amount of energy gained by a WEC in nonlinear random sea states. The results are compared to the corresponding results in a linear random sea state. These comparisons are intended to demonstrate the necessity of using nonlinear random sea states. The used WEC is a mechanical system consisting of a floating cylindrical body and a generator, which has been examined in preliminary studies in linear sea state. The generator harvests energy from the motion of the cylinder. The behavior of the system is analyzed in simulations and validated in experiments. For experimental studies, the institute possesses a wave flume, in which random and nonlinear waves can be generated. In order to achieve high motion of the cylinder for a wide range of water waves, the simulation model is used to optimize several system parameters of the WEC (such as the radius and mass of the cylinder). In addition, control strategies are used to increase the amount of harvested energy. In this way, the dynamics of the WEC is optimized to extract a large amount of energy from random and nonlinear waves (as they occur in real sea states).