Αριθμητική μοντελοποίηση και διερεύνηση λειτουργίας και ενεργειακής απόδοσης μηχανισμού ανάκτησης κυματικής ενέργειας μέσω της παλινδρομικής κίνησης βυθιζόμενου πλωτήρα

Abstract

Το θέμα της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η αριθμητική μοντελοποίηση ενός μηχανισμού που βασίστηκε σε σχέδια του ΚΑΠΕ ώστε στη συνέχεια μέσα από την δημιουργία ενός προγράμματος να είναι δυνατή η βελτιστοποίηση των διαστάσεών του. Στόχος λοιπόν της εργασίας είναι να βρεθούν οι διαστάσεις του πλωτήρα του μηχανισμού αλλά και των επιμέρους μερών αυτού ώστε να εκμεταλλεύεται στο μέγιστο την κυματική ενέργεια.

Στο πρώτο μέρος της εργασίας γίνεται μια ιστορική αναδρομή στην προσπάθεια εκμετάλλευσης του κυματισμού αλλά και μια σύντομη ανασκόπηση στις υπάρχουσες τεχνολογίες κυματικής ενέργειας. Εν συνεχεία εξηγείται η φυσική της ταλάντωσης του πλωτήρα και η εύρεση των εξισώσεων που διέπουν την κίνηση του πλωτήρα. Στη συνέχεια ακολούθησε η εύρεση των βέλτιστων διαστάσεων του πλωτήρα για την οποία αναπτύχθηκε κατάλληλος κώδικας. Η εύρεση των βέλτιστων διαστάσεων από το πρόγραμμα που αναπτύχθηκε έγινε σε δύο στάδια. Στο πρώτο θεωρήθηκε ότι το έμβολο βρισκόταν σε κάθετη θέση πάνω στο πλωτήρα, ενώ στη συνέχεια μελετήθηκε η περίπτωση όπου το έμβολο είναι στηριγμένο σε πλάγιο βραχίονα. Η μέθοδος που ακολουθήθηκε για να βρεθεί ο καλύτερος πλωτήρας, είναι γνωστή ως “βελτιστοποίηση με μέθοδο πλέγματος” κατά την οποία δημιουργήθηκε ένα σύνολο από διαφορετικούς πλωτήρες και στη συνέχεια για κάθε ένα χωριστά, με την χρήση της αριθμητικής μεθόδου Runge-Kutta, έγινε αρχικά προσομοίωση της ταλάντωσης του για συγκεκριμένα κυματικά δεδομένα και στη συνέχεια έγινε ο υπολογισμός της ενέργειας που αποδίδει. Τέλος έγινε παρουσίαση και ερμηνεία των αποτελεσμάτων που έδωσε η εκτέλεση του κώδικα όπως και προτάσεις σχετικές με την εργασία.

Όσον αφορά τα αποτελέσματα που έδωσε ο κώδικας μπορεί να υποθεί πως και στις δύο περιπτώσεις τοποθέτησης του εμβόλου είναι λογικά. Συγκεκριμένα δείχνουν πως για ένα κυματικό δυναμικό που περιλαμβάνει μεγάλα κύματα ο καλύτερος πλωτήρας είναι αυτός με μεγάλο βύθισμα και μικρή ακτίνα ώστε να εκμεταλλευόμαστε όσο το δυνατόν περισσότερο την ενέργεια των μεγάλων κυμάτων. Αντίθετα σε ένα κυματικό δυναμικό πολλών μικρών κυμάτων θα πρέπει ο πλωτήρας να έχει μικρό βύθισμα αλλά μεγάλη ακτίνα ώστε ο πλωτήρας, άρα και ο μηχανισμός, να είναι σε θέση να “ακολουθούν” τα μικρά κύματα τα οποία κυριαρχούν.

The aim of this thesis is the study of a machine designed by the CRES, in order to find out which are the dimensions that will lead to maximum exploitation of the wave energy field. The dimensions that we want to find out are; draft, buoy radius, the length of the arm. Also we want to calculate the point where the piston will be supported/tied/screwed.

The study was made in two steps. First, was studied the buoy's movement considering that the piston was placed vertically on the buoy. Then, it was studied the case in which the piston was placed in athwart position and leaned on the arm. The method, that was used to find the best buoy, is named “optimization by using grid”. In this method, a set of different buoys was made and then every buoy's oscillation, for predefined wave data, was calculated/simulated using the Runge-Kutta numerical method. Lastly, knowing the amplitude of the oscillation it was easy to calculate the power that every buoy was producing. The best buoy in every occasion, with the piston placed vertical and athwart, was the one that was producing the higher power.

The results of the program, which will be studied in another paragraph, were in both occasions reasonable.