Oscillating-water-column systems: single devices, arrays and multi-purpose platforms

Juan Carlos Chong Portillo

Key information

Authors:

Juan Carlos Chong Portillo (Juan Carlos Chong Portillo)

Supervisors:

Luís Manuel De Carvalho Gato (Luís Manuel De Carvalho Gato); João Carlos de Campos Henriques (João Carlos de Campos Henriques)

Published in

February 22, 2022

Abstract

Esta tese apresenta o desenvolvimento de conversores de energia das ondas (CEOs) do tipo coluna de água oscilante (CAO) utilizando modelos numéricos e ensaios experimentais. O trabalho está focado em aplicações da economia azul. A investigação foi motivada pela necessidade de um maior desenvolvimento dos sistemas de energia renovável offshore e pela capacidade dos CEOs-CAO para apoiar os sectores económicos offshore estabelecidos e emergentes. Este documento compila oito capítulos que compreendem uma revisão da literatura dos diferentes conceitos de CEOs, uma descrição das principais atividades económicas associadas à economia azul em que os CEOs podem contribuir, uma revisão e conceptualização dos projetos de energia das ondas e dos seus principais processos, uma apresentação dos modelos numéricos e técnicas experimentais utilizadas no estudo de CEOs e a seleção dos modelos utilizados neste trabalho. Os restantes capítulos são dedicados a diferentes aplicações, que compreendem resultados numéricos e experimentais para demonstrar a adequação dos CEOs-CAO para um número diversificado de sectores económicos e, por último, apresentam-se as conclusões. O trabalho de investigação centrou-se no desenvolvimento de um novo conceito: a CAO de condutas coaxiais. A tecnologia foi estudada quer como dispositivo isolado quer em arranjos rígidos pensados como plataformas multiúso. São propostas várias aplicações de sistemas autónomos ou ligados à rede. Foram também examinadas outras tecnologias, nomeadamente a spar-buoy e a backward-bent-duct-buoy para pequenos sistemas autónomos. O trabalho envolveu o desenvolvimento de modelos numéricos avançados e extensas campanhas experimentais para um dispositivo isolado e uma plataforma de CAO de condutas coaxiais. Os resultados mostraram que os modelos desenvolvidos descrevem adequadamente a dinâmica dos sistemas. No entanto, os efeitos de escala e a compressibilidade apresentam uma importância substancial. Os modelos propostos representam ferramentas valiosas para novos estudos que envolvam a análise servo-aero-hidrodinâmica de configurações mais complexas. Esta tese apresenta contributos significativos que podem acelerar o posicionamento dos CEOs-CAO como um importante conjunto de tecnologias para fomentar a economia offshore. As principais contribuições são o desenvolvimento de uma nova tecnologia, a CAO de condutas coaxiais, alcançando com este trabalho um TRL de 4-5; validação de modelos numéricos para plataformas compostas por arranjos de CEOs-CAO rígidos que servem para estudos mais extensos e novas configurações, sobretudo na fase inicial de desenvolvimento; e desenhos específicos para diferentes aplicações, que demonstraram a sua viabilidade e representam uma base para as fases de comercialização. The thesis presents the development of oscillating-water-column (OWC) wave energy converters (WECs) based on numerical modeling and experimental testing. The work is focused on potential applications for the blue economy. The research was driven by the need for further development of offshore renewable energy systems and the potential capabilities of OWC WECs to support established and emerging ocean economic sectors. This document gathers eight chapters. The first four chapters include a literature review of different WEC concepts, a description of the principal economic activities associated with the blue economy in which WECs might contribute, the conceptualisation of wave energy projects following a process approach, the numerical modelling and experimental techniques to study wave energy converters, and the description of the models used in the present work. Chapters 5-7 are devoted to different applications, supported by numerical and experimental results to demonstrate the suitability of OWC WECs for a variety of economic sectors. Finally, conclusions are drawn in Chapter 8. The research work was mainly focused on the development of a new concept: the coaxial-duct OWC. This technology was studied as a single device and in rigid arrays to be used as multipurpose platforms. Several potential applications are envisioned for either stand-alone or grid-connected systems. Other technologies were also examined, namely the spar-buoy and backward-bent-duct-buoy WECs for small stand-alone systems. The work involved developing advanced numerical models and extensive experimental campaigns for both a single device and a platform made of coaxial-duct OWCs. The results showed that the models developed adequately describe the dynamics of the systems. However, the effects of scale and compressibility are of substantial importance. The models proposed represent valuable tools for further studies involving hydro-aero-servo analysis of more complex configurations. This thesis presents contributions for accelerating the positioning of OWC WECs as an important set of technologies to foster the offshore economy. The main contributions are the development of a new coaxial-duct OWC WEC technology, reaching a TRL of 4-5; validation of numerical models for rigid array platforms made of OWCs that serve for more extensive studies and the development of new configurations, especially in the early phases of development; and specific designs for different applications, demonstrating their viability and representing a milestone towards commercialisation phases.