Evaluation of the power production performance of the wavepiston, wave energy converter

In the early 1970 the community has started to realize that have as a main principle the industry one, with the oblivion of the people and health conditions and of the world in general, it could not be a guideline principle. The sea, as an energy source, has the characteristic of offering different types of exploitation, in this project the focus is on the wave energy. Over the last 15 years the Countries interested in the renewable energies grew. Therefore many devices have came out, first in the world of research, then in the commercial one; these converters are able to achieve an energy transformation into electrical energy. The purpose of this work is to analyze the efficiency of a new wave energy converter, called WavePiston, with the aim of determine the feasibility of its actual application in different wave conditions: from the energy sea state of the North Sea, to the more quiet of the Mediterranean Sea. The evaluation of the WavePiston is based on the experimental investigation conducted at the University of Aalborg, in Denmark; and on a numerical modelling of the device in question, to ascertain its efficiency regardless the laboratory results. The numerical model is able to predict the laboratory condition, but it is not yet a model which can be used for any installation, in fact no mooring or economical aspect are included yet. È dai primi anni del 1970 che si è iniziato a capire che il solo principio dell’industria con l’incuranza delle condizioni salutari delle persone e del mondo in generale non poteva essere un principio guida. Il mare, come fonte energetica, ha la caratteristica di offrire diverse tipologie di sfruttamento, in questo progetto è stata analizzata l’energia da onda. Negli ultimi 15 anni sono stati sempre più in aumento i Paesi interessati in questo ambito e di conseguenza, si sono affacciati, prima nel mondo della ricerca, poi in quello commerciale, sempre più dispositivi atti a realizzare questa trasformazione energetica. Di tali convertitori di energia ondosa ne esistono diverse classificazioni. Scopo di tale lavoro è analizzare l’efficienza di un nuovo convertitore di energia ondosa, chiamato WavePiston, al fine si stabilire la fattibilità di una sua reale applicazione in diverse condizioni ondose: dalle più energetiche del Mare del Nord, alle più quiete del Mar Mediterraneo. La valutazione sul WavePiston è basata sullo studio sperimentale condotto nell’Università di Aalborg, in Danimarca; e su di una modellazione numerica del dispositivo stesso, al fine di conoscerne l’efficienza a prescindere dalla possibilità di avere risultati di laboratorio. Il modello numerico è in grado di predirre le condizioni di laboratorio, ma non considera ancora elementi come gli ancoraggi o valutazione dei costi.

Hydraulic evaluation of the gyro electric wave energy converter

Motivation Thanks for a scholarship offered by ALma Mater Studiorum I could stay in Denmark for six months during which I could do physical tests on the device Gyro PTO at the Departmet of Civil Engineering of Aalborg University. Aim The goal of my thesis is an hydraulic evaluation of the device: Gyro PTO, a gyroscopic device for conversion of mechanical energy in ocean surface waves to electrical energy. The principle of the system is the application of the gyroscopic moment of flywheels equipped on a swing float excited by waves. The laboratory activities were carried out by: Morten Kramer, Jan Olsen, Irene Guaraldi, Morten Thøtt, Nikolaj Holk. The main purpose of the tests was to investigate the power absorption performance in irregular waves, but testing also included performance measures in regular waves and simple tests to get knowledge about characteristics of the device, which could facilitate the possibility of performing numerical simulations and optimizations. Methodology To generate the waves and measure the performance of the device a workstation was created in the laboratory. The workstation consist of four computers in each of wich there was a different program. Programs have been used : Awasys6, LabView, Wave lab, Motive optitrack, Matlab, Autocad Main Results Thanks to the obtained data with the tank testing was possible to make the process of wave analisys. We obtained significant wave height and period through a script Matlab and then the values of power produced, and energy efficiency of the device for two types of waves: regular and irregular. We also got results as: physical size, weight, inertia moments, hydrostatics, eigen periods, mooring stiffness, friction, hydrodynamic coefficients etc. We obtained significant parameters related to the prototype in the laboratory after which we scale up the results obtained for two future applications: one in Nissun Brending and in the North Sea. Conclusions The main conclusion on the testing is that more focus should be put into ensuring a stable and positive power output in a variety of wave conditions. In the irregular waves the power production was negative and therefore it does not make sense to scale up the results directly. The average measured capture width in the regular waves was 0.21 m. As the device width is 0.63 m this corresponds to a capture width ratio of: 0.21/0.63 * 100 = 33 %. Let’s assume that it is possible to get the device to produce as well in irregular waves under any wave conditions, and lets further assume that the yearly absorbed energy can be converted into electricity at a PTO-efficiency of 90 %. Under all those assumptions the results in table are found, i.e. a Nissum Bredning would produce 0.87 MWh/year and a North Sea device 85 MWh/year.

Study of a wind-wave numerical model and its integration with ocean and oil-spill numerical models

The ability to represent the transport and fate of an oil slick at the sea surface is a formidable task. By using an accurate numerical representation of oil evolution and movement in seawater, the possibility to asses and reduce the oil-spill pollution risk can be greatly improved. The blowing of the wind on the sea surface generates ocean waves, which give rise to transport of pollutants by wave-induced velocities that are known as Stokes’ Drift velocities. The Stokes’ Drift transport associated to a random gravity wave field is a function of the wave Energy Spectra that statistically fully describe it and that can be provided by a wave numerical model. Therefore, in order to perform an accurate numerical simulation of the oil motion in seawater, a coupling of the oil-spill model with a wave forecasting model is needed. In this Thesis work, the coupling of the MEDSLIK-II oil-spill numerical model with the SWAN wind-wave numerical model has been performed and tested. In order to improve the knowledge of the wind-wave model and its numerical performances, a preliminary sensitivity study to different SWAN model configuration has been carried out. The SWAN model results have been compared with the ISPRA directional buoys located at Venezia, Ancona and Monopoli and the best model settings have been detected. Then, high resolution currents provided by a relocatable model (SURF) have been used to force both the wave and the oil-spill models and its coupling with the SWAN model has been tested. The trajectories of four drifters have been simulated by using JONSWAP parametric spectra or SWAN directional-frequency energy output spectra and results have been compared with the real paths traveled by the drifters.

Sistemi di ancoraggio per convertitori di energia da onda galleggianti

Il presente lavoro presenta una analisi di sensitività sui parametri progettuali più significativi per i sistemi di ancoraggio di dispositivi di produzione di energia del mare di tipo galleggiante, comunemente conosciuti come Floating Wave Energy Converters (F-WEC). I convertitori di questo tipo sono installati offshore e possono basarsi su diversi principi di funzionamento per la produzione di energia: lo sfruttamento del moto oscillatorio dell’onda (chiamati Wave Active Bodies, gran parte di convertitori appartengono la tecnologia di questo tipo), la tracimazione delle onde (Overtopping Devices), o il principio della colonna d’acqua oscillante (Oscillating Water Columns). La scelta del luogo di installazione dei tali dispositivi implica una adeguata progettazione del sistema di ancoraggio che ha lo scopo di mantenere il dispositivo in un intorno sufficientemente piccolo del punto dove è stato originariamente collocato. Allo stesso tempo, dovrebbero considerarsi come elemento integrato del sistema da progettare al fine di aumentare l’efficienza d’estrazione della potenza d’onda. Le problematiche principali relativi ai sistemi di ancoraggio sono: la resistenza del sistema (affidabilità, fatica) e l’economicità. Le due problematiche sono legate tra di loro in quanto dall’aumento del resistenza dipende l’aumento della complessità del sistema di ancoraggio (aumentano il numero delle linee, si utilizzano diametri maggiori, aumenta il peso per unità di lunghezza per ogni linea, ecc.). E’ però chiaro che sistemi più affidabili consentirebbero di abbassare i costi di produzione e renderebbero certamente più competitiva l’energia da onda sul mercato energetico. I dispositivi individuali richiedono approcci progettuali diversi e l’economia di un sistema di ormeggio è strettamente legata al design del dispositivo stesso. Esistono, ad oggi, una serie di installazioni a scala quasi di prototipo di sistemi WEC che hanno fallito a causa del collasso per proprio sistema di ancoraggio, attirando così l’attenzione sul problema di una progettazione efficiente, affidabile e sicura.

Observations and modeling of the Marginal Ice Zone

Global climate change in recent decades has strongly influenced the Arctic generating pronounced warming accompanied by significant reduction of sea ice in seasonally ice-covered seas and a dramatic increase of open water regions exposed to wind [Stephenson et al., 2011]. By strongly scattering the wave energy, thick multiyear ice prevents swell from penetrating deeply into the Arctic pack ice. However, with the recent changes affecting Arctic sea ice, waves gain more energy from the extended fetch and can therefore penetrate further into the pack ice. Arctic sea ice also appears weaker during melt season, extending the transition zone between thick multi-year ice and the open ocean. This region is called the Marginal Ice Zone (MIZ). In the Arctic, the MIZ is mainly encountered in the marginal seas, such as the Nordic Seas, the Barents Sea, the Beaufort Sea and the Labrador Sea. Formed by numerous blocks of sea ice of various diameters (floes) the MIZ, under certain conditions, allows maritime transportation stimulating dreams of industrial and touristic exploitation of these regions and possibly allowing, in the next future, a maritime connection between the Atlantic and the Pacific. With the increasing human presence in the Arctic, waves pose security and safety issues. As marginal seas are targeted for oil and gas exploitation, understanding and predicting ocean waves and their effects on sea ice become crucial for structure design and for real time safety of operations. The juxtaposition of waves and sea ice represents a risk for personnel and equipment deployed on ice, and may complicate critical operations such as platform evacuations. The risk is difficult to evaluate because there are no long-term observations of waves in ice, swell events are difficult to predict from local conditions, ice breakup can occur on very short time-scales and wave-ice interactions are beyond the scope of current forecasting models [Liu and Mollo-Christensen, 1988,Marko, 2003]. In this thesis, a newly developed Waves in Ice Model (WIM) [Williams et al., 2013a,Williams et al., 2013b] and its related Ocean and Sea Ice model (OSIM) will be used to study the MIZ and the improvements of wave modeling in ice infested waters. The following work has been conducted in collaboration with the Nansen Environmental and Remote Sensing Center and within the SWARP project which aims to extend operational services supporting human activity in the Arctic by including forecast of waves in ice-covered seas, forecast of sea-ice in the presence of waves and remote sensing of both waves and sea ice conditions. The WIM will be included in the downstream forecasting services provided by Copernicus marine environment monitoring service.

Produzione di energia elettrica mediante energia marina

La tesi affronta il tema della conversione dell’energia marina in energia elettrica. Tale argomento viene inquadrato nell’ambito della produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili, di cui si riportano le stime dei costi relativi, e confronti con la produzione da fonti fossili. La tesi affronta il tema della conversione dell’energia marina discutendone: la definizione, l’analisi economica, i progetti principali in cui sono coinvolte le maggiori imprese del settore, cenni alle stime del potenziale energetico dell’energia marina lungo le coste italiane e agli impianti in corso di realizzazione nel suolo nazionale. Vengono descritte inoltre le caratteristiche principali di un impianto per la conversione di energia marina in energia elettrica, ed in particolare: il funzionamento delle turbine marine e la loro classificazione, il principio di funzionamento di un convertitore di energia ondosa ed in particolare del tipo a galleggiamento. La tesi discute le prospettive di sviluppo della tecnologia in oggetto e le possibili applicazioni future. Infine, è presente un’analisi dei principali benefici e svantaggi dell’energia marina come fonte per la produzione di energia elettrica.

Progetto di un convertitore di potenza autonomo per applicazioni di energy harvesting per radiofrequenza

Progetto di un circuito convertitore di potenza ottimizzato per essere alimentato da un antenna a RF in grado di estrarre potenza dalle bande a 900Mhz, 1750 MHz e 2450 MHz

Progetto di un circuito convertitore di potenza per applicazioni di energy harvesting a bassissime tensioni

In questo lavoro si vuole mostrare come sia possibile realizzare un circuito per energy harvesting totalmente autonomo, quindi senza l’ausilio di batterie, per sorgenti ultra-low voltage, in particolare per sorgenti termoelettriche sottoposte a piccoli gradienti di temperatura ed in grado di erogare tensioni di qualche decina di millivolt. Si esporrà come il circuito sia capace di avviarsi, autosostenersi ed alimentare un piccolo carico. Si è scelta una architettura basata su componenti discreti suddivisa in due macro blocchi: un circuito di startup implementato attraverso un’architettura a trasformatore piezoelettrico e un boost converter pilotato in catena aperta da un oscillatore ultra-low power.

Realizzazione di un'interfaccia universale in tecnologia Bluetooth Low Energy per sensori integrati

Lo scopo dell’elaborato di tesi è la progettazione e lo sviluppo di un’applicazione per il modulo Bluetooth Low Energy (BLE) Texas Instrument CC2650 in grado di leggere le informazioni da un sensore analogico, tramite un Analog-Digital- Converter (ADC), e di scambiare i dati con uno smartphone Android in tempo reale. L’interfaccia realizzata deve essere universale, ovvero dovrà essere compatibile con sensori di diverso tipo, facilmente estensibile per l’aggiunta di un numero maggiore di periferiche di lettura e utilizzabile con un ampio numero di dispositivi.

Dispersion and energy relations in periodic chains and grids

In this study wave propagation, dispersion relations, and energy relations for linear elastic periodic systems are analyzed. In particular, the dispersion relations for monoatomic chain of infinite dimension are obtained analytically by writing the Block-type wave equation for a unit cell in order to capture the dynamic behavior for chains under prescribed vibration. By comparing the discretized model (mass-spring chain) with the solid bar system, the nonlinearity of the dispersion relation for chain indicates that the periodic lattice is dispersive in contrast to the continuous rod, which is non dispersive. Further investigations have been performed considering one-dimensional diatomic linear elastic mass-spring chain. The dispersion relations, energy velocity, and group velocity have been derived. At certain range of frequencies harmonic plane waves do not propagate in contrast with monoatomic chain. Also, since the diatomic chain considered is a linear elastic chain, both of the energy velocity and the group velocity are identical. As long as the linear elastic condition is considered the results show zero flux condition without residual energy. In addition, this paper shows that the diatomic chain dispersion relations are independent on the unit cell scheme. Finally, an extension for the study covers the dispersion and energy relations for 2D- grid system. The 2x2 grid system show a periodicity of the dispersion surface in the wavenumber domain. In addition, the symmetry of the surface can be exploited to identify an Irreducible Brillouin Zone (IBZ). Compact representations of the dispersion properties of multidimensional periodic systems are obtained by plotting frequency as the wave vector’s components vary along the boundary of the IBZ, which leads to a widely accepted and effective visualization of bandgaps and overall dispersion properties.