Analisi di simulazioni CFD di un dispositivo WEC tipo power buoy forzato da onde lineari

Air pollution due to anthropogenic activities and the exploitation of fossil fuels is threatening the environmental conditions of the planet and the health of its inhabitants. Using, studying and improving renewable energy sources is a fundamental step towards solving the problem. The wave motion in seas and oceans could be one of the most promising energy sources in this field, but available technologies do not yet have a satisfactory cost / efficiency ratio, due to the complexity of the environment in which they must operate. In this thesis a PowerBuoy-type wave energy converter is studied, which is composed by an oscillating device that, through the relative movement of its components, manages to extract energy from the motion forced by a linear wave, by conveying this kinetic energy into a device called Power Take-Off. The objective of this thesis is the frequency analysis of the dynamic results, obtained from numerical simulations of the device, reproduced with the Software Ansys Fluent CFD (computational fluid dynamics). The goal is to study the non-linear components of the external force transferred from the wave to the PowerBuoy, for different geometric and mass configurations. As will be seen, the role of the inertia of the device plays an important role in establishing how much the non-linear components are relevant on the total external forcing. In the first chapter, a general overview of WEC technologies will be presented and the dynamic and physical model of the PowerBuoy used for the CFD simulations are defined. In the second chapter we will describe the methods used to obtain the results through the Ansys Fluent software and how they were then elaborated on MATLAB to obtain a frequency study of the external force. In the third and fourth chapters, we will focus on the analysis of the frequency results, comparing the different cases and discussing the trend, identified increasing the mass.

L’inquinamento atmosferico dovuto alle attività antropiche e allo sfruttamento dei combustibili fossili sta minacciando le condizioni ambientali del pianeta e la salute dei suoi abitanti. Utilizzare, studiare e migliorare le fonti di energia rinnovabili è un passo fondamentale verso la risoluzione del problema. Il moto ondoso potrebbe essere una delle fonti energetiche più promettenti in questo ambito, ma le tecnologie contemporanee non presentano un rapporto costo/efficienza ancora soddisfacente per la complessità dell’ambiente in cui devono operare. In questa tesi viene studiato un convertitore di energia del moto ondoso di tipo PowerBuoy, un dispositivo oscillante che tramite il movimento relativo delle sue componenti riesce ad estrarre energia convertendo il movimento forzato dalle onde in energia elettrica, mediante un dispositivo di Power Take-Off collocato all’interno. In questa tesi si effettua un’analisi in frequenza di dati ottenuti da simulazioni numeriche del dispositivo forzato con onde lineari, realizzate mediante il programma CFD (computational fluid dynamics) Ansys Fluent. L’obiettivo è studiare le componenti della forzante trasferita dall’onda al PowerBuoy non lineari, ovvero le frequenze diverse da quella caratteristica dell’onda, per varie configurazioni geometriche e di massa. Come si vedrà, il ruolo dell’inerzia del dispositivo svolge un fattore importante nello stabilire quanto queste componenti non lineari siano più o meno rilevanti sul bilancio totale della forzante. Nel primo capitolo si esporrà una panoramica generale sulle tecnologie di conversione del moto ondoso definendo il modello dinamico e fisico del PowerBuoy utilizzato per le varie simulazioni in CFD. Nel secondo capitolo si descriveranno i metodi utilizzati per ottenere i risultati attraverso il software Ansys Fluent e come sono stati poi elaborati su MATLAB per ricavare uno studio in frequenza della forzante. Nel terzo e quarto capitolo ci si concentrerà sull’analisi dei risultati in frequenza, confrontando i risultati delle varie simulazioni, cosi da individuare trend di comportamento, che sono stati individuati in funzione della massa.