Random vibration analysis of a U-shaped Oscillating Water Column (OWC) wave energy harvester

The thesis deals with the analysis of a non-linear mechanical oscillator describing the dynamics of sea wave energy harvesters. Specifically, a wave energy converter device named U-shaped Oscillating Water Column (U-OWC) is investigated. For such a system, the coupling between the power take off (PTO)-generator technology (a Wells turbine) and the water-air motions is presented The first objective is to address major open-problems related to the optimal design and control of the system. In this regard, specific approaches accounting for the high variability of the wave energy resource are proposed by maximizing the overall performances of the system. Analyses are supported by preliminary estimations of the wave energy potential at specific sites of interest. Thus, the problem of harvesting the wave energy resource is addressed by implementing practical solutions for the realization and the optimal planning of U-OWC devices. Results yield the identification of the key parameters having a fundamental role in the optimal-design of the U-OWC. Further, control strategies aiming at the maximization of the energy-wise performances of the system are presented. The analyses are conducted by relaying on the numerical integration of the nonlinear integrodifferential equations governing the dynamic response of the system. Next, an approximate analytical solution is derived by the identification of a surrogate linear model that approximates the dynamic response of the original non-linear system. For this, the approximate steady-state solution under a harmonic mono-frequency excitation is derived by applying the equivalent-linearization technique. Then, the approximate stationary Gaussian response for the case of spectrum compatible excitation is sought by the application of the statistical linearization technique. Results show that an effective approximate solution can be efficiently computed in the framework of a linear random vibration theory. Thus, the standard input-output relationships commonly employed in the linear-random vibration analysis can be adopted. The thesis opens the possibility of developing an active control of the state of the system that is reliable only for linear dynamic systems.

La tesi concerne l’analisi di un oscillatore meccanico non lineare che descrive la dinamica di sistemi di conversione di energia proveniente dal moto ondoso in energia elettrica. Nello specifico, si analizza il sistema U-OWC, che sfrutta il principio di funzionamento dei dispositivi a colonna d’acqua oscillate (OWC). Nella tesi si presenta l’analisi della componente aria-acqua accoppiata al sistema meccanico che si occupa della conversione e generazione dell’energia (costituito da una turbina di tipo Wells). La tesi si pone come obiettivo primario lo sviluppo e l’elaborazione delle principali questioni aperte riguardanti il problema dell’optimal design e del controllo dinamico del sistema. Le analisi presentate sono supportate da indagini preliminari volte a stimare il potenziale energetico delle onde di mare in specifici punti, localizzati lungo il continente Europeo ed in quello Nord Americano. Il problema dello sfruttamento del potenziale energico stimato è affrontato tramite la pianificazione ed il dimensionamento ottimizzato di dispositivi U-OWC. I risultati presentati permettono di determinare i parametri che giocano il ruolo principale nell’individuazione di una geometria ottimizzata per il sistema. Inoltre, si presentano algoritmi di controllo attivo volti alla massimizzazione delle prestazioni di conversione energetica dell’impianto. La risposta dinamica del dispositivo U-OWC è ottenuta tramite l’integrazione numerica nel dominio del tempo delle equazioni che governano il moto del sistema, il quale è matematicamente descritto da un set di equazioni integro-differenziali non lineari. In seguito, nella tesi si presenta la soluzione derivata per un modello lineare che approssima la risposta dinamica del sistema originale. In una prima fase, si ottiene la soluzione per una sollecitazione armonica tramite l’implementazione della tecnica della linearizzazione equivalente. Successivamente, la soluzione per una sollecitazione interpretata tramite un processo stazionario Gaussiano è ottenuta con la tecnica della linearizzazione statistica. I risultati mostrano come una valida soluzione approssimata possa essere ottenuta nell’ambito della teoria lineare per sistemi soggetti a sollecitazioni armoniche e stocastiche. Le analisi presentate aprono la strada a significativi sviluppi futuri, con l’obiettivo di implementare strategie di controllo dello stato dinamico del sistema, generalmente applicabili solo nell’ambito di validità di sistemi lineari.