Design und Analyse von Wellenenergiekonvertern

Im Zeitalter der Energiewende spielen regenerative Energien eine immer wichtigere Rolle. Im Zuge dessen gewinnen Wasserkraft, Sonnen- und Windenergie immer mehr an Bedeutung. Neben diesen bekannten Beispielen für erneuerbare Energien existiert dazu noch die Möglichkeit, aus Meereswellen Energie zu gewinnen. Hierbei werden mechanische Systeme auf die Meeresoberfläche positioniert. Durch die aufkommenden Wellen werden diese Systeme dann in Bewegung gesetzt. Ein intern eingebauter elektrischer Generator wandelt anschließend diese Bewegung in Spannung um. Da Wellenenergie im Vergleich zu Wind- und Sonnenenergie eine deutlich höhere Leistungsdichte aufweist, wird diese als eine vielversprechende Ressource für erneuerbare Energien angesehen.

Um nun möglichst viel Wellenenergie erzeugen zu können, müssen diese mechanischen Systeme derart gebaut werden, dass sie durch die ankommenden Wellen große Bewegungen ausüben. Hierfür müssen verschiedene Fragen geklärt werden, wie zum Beispiel:

• Welche Wellen sind auf dem offenen Ozean zu finden und wie können sie geeignet modeliert werden?
• Welche hydrodynamischen Kräfte wirken Wasserwellen auf ein gegebenes mechanisches System aus?
• Wie müssen die Systemparameter (Masse, Größe,...) des mechanische System gewählt werden, damit es große Bewegungen aufübt?

Dies wird im Institut für Mechanik und Meerestechnik simulativ und experimentell untersucht.

Zur Beschreibung von Wasserwellen stehen viele verschiedene Ansätze zur Auswahl. Die einfachsten Wasserwellen sind reguläre Wellen, welche sich durch Sinus-Funktionen beschreiben lassen. Ein Blick auf eine Meeresoberfläche verrrät jedoch, dass reale Wasserwellen irregulär sind. Es ist daher wichtig zu klären, auf welche Weise solch reale Wasserwellen genau, aber auch mit wenig Berechnungsaufwand, simuliert werden können. Erst dann können im späteren Arbeitsprozess Wellenenergiekonverter dahingehend konstruiert und optimiert werden, dass sie in realen Wellen große Bewegungen ausüben.

Das folgende Video zeigt ein Beispiel einer irregulären Welle:

Es ist zu erkennen, dass sich das System in irregulären Wasserwellen anders verhält als in regulären Wellen. Aufgabe in diesem Forschungsprojekt ist es, das System dahingehend anzupassen, dass es in realen irregulären Wellen große Bewegungen ausübt. Dazu muss untersucht werden, welche irreguläre Wellen typischerweise im realen Ozean auftauchen, wie die zugehörige Fluid-Struktur Interaktion effizient berechnet werden kann und wie das System verändert werden muss, damit große Mengen an Energie gewonnen werden können.

Dieses Thema stellt eine Schnittstelle der Bereiche Mechanik, Mechatronik, Regelungstechnik, Numerik und Fluiddynamik dar und bietet viel Raum für studentische Arbeiten. Wer Interesse hat, im Rahmen einer Bachelor-/Projekt-/Masterarbeit bei diesem Thema mitzuwirken, kann sich gern bei uns melden. Je nach Interesse kann man sich entweder mit der

• Modellierung von Wasserwellen,
• Fluid-Struktur Interaktion,
• Regelung/Optimierung von Systemparametern oder
• dem Entwerfen eines effizienteren elektrischen Generators

beschäftigen. Vorwissen in diesen Bereichen ist natürlich von Vorteil, allerdings nicht zwingend erforderlich!

1. M. Hollm, L. Dostal, D. Yurchenko, R. Seifried: Performance increase of wave energy harvesting of a guided point absorber. In: European Physical Journal Special Topics 231(8): 1465-1473 (2022). [DOI:10.1140/epjs/s11734-022-00497-7]

2. M. Hollm, L. Dostal, J. Höhne, D. Yurchenko, R. Seifried: Investigation of the dynamics of a multibody wave energy converter excitetd by regular and irregular waves. In: Ocean Engineering 265: 112570 (2022). [DOI:10.1016/j.oceaneng.2022.112570]

3. J. Harms, M. Hollm, L. Dostal, T. A. Kern, R. Seifried: Design and optimization of a wave energy converter for drifting sensor platforms in realistic ocean waves. In: Applied Energy 321: 119393 (2022). [DOI:10.1016/j.apenergy.2022.119303]

4. L. Dostal, M. Hollm, E. Kreuzer: Study on the behavior of weakly nonlinear water waves in the presence of random wind forcing. In: Nonlinear Dynamics 3 (99): 2319-2338 (2020). [DOI:10.1007/s11071-019-05416-5] 

• Marten Hollm, M.Sc.
• Prof. Dr.-Ing. Robert Seifried