Brorsen, Michael

Frigaard, Peter

Kramer, Morten

Nærværende rapport beskriver foreløbige hovedkonklusioner på modelforsøg udført på Aalborg Universitet, Institut for Vand, Jord og Miljøteknik med bølgeenergianlægget Wave Star i perioden 13/9 2004 til 12/11 2004.Nærværende rapport beskriver foreløbige hovedkonklusioner på modelforsøg udført på Aalborg Universitet, Institut for Vand, Jord og Miljøteknik med bølgeenergianlægget Wave Star i perioden 13/9 2004 til 12/11 2004

    Aalborg UniversitetWave StarKramer, Morten Mejlhede; Frigaard, Peter Bak; Brorsen, MichaelPublication date:2004Document VersionOgså kaldet Forlagets PDFLink to publication from Aalborg UniversityCitation for published version (APA):Kramer, M., Frigaard, P., & Brorsen, M. (2004). Wave Star: foreløbige hovedkonklusioner på skala 1:40modelforsøg. (1 udg.) Aalborg: Department of Civil Engineering, Aalborg University.  (Hydraulics and CoastalEngineering; Nr. 12).General rightsCopyright and moral rights for the publications made accessible in the public portal are retained by the authors and/or other copyright ownersand it is a condition of accessing publications that users recognise and abide by the legal requirements associated with these rights.            ? Users may download and print one copy of any publication from the public portal for the purpose of private study or research.            ? You may not further distribute the material or use it for any profit-making activity or commercial gain            ? You may freely distribute the URL identifying the publication in the public portal ?Take down policyIf you believe that this document breaches copyright please contact us at vbn@aub.aau.dk providing details, and we will remove access tothe work immediately and investigate your claim.Downloaded from vbn.aau.dk on: April 24, 2017                            Wave Star – Foreløbige hovedkonklusioner på skala 1:40 modelforsøg        Under PSO2004-projektet FU4301   Morten Kramer, Peter Frigaard & Michael Brorsen November, 2004         DEPARTMENT OF CIVIL ENGINEERING AALBORG UNIVERSITY SOHNGAARDSHOLMSVEJ 57   DK-9000 AALBORG   DENMARK TELEPHONE +45  96 35 80 80  TELEFAX  +45 98 14 25 55  Hydraulics and Coastal Engineering No. 12  ISSN: 1603-9874 Wave Star Foreløbige hovedkonklusioner på skala 1:40 modelforsøg  Morten Kramer, Peter Frigaard & Michael Brorsen  Wave Star - Foreløbige hovedkonklusioner på skala 1:40 modelforsøg 3 Forord Nærværende skrift beskriver foreløbige hovedkonklusioner på modelforsøg udført på Aalborg Universitet, Institut for Vand, Jord og Miljøteknik med bølgeenergianlægget Wave Star i perioden 13/9-04 til 12/11-04. Forsøgene er foretaget på foranledning af Per Resen Steenstrup, administrerende direktør i Wave Star Energy.  Forud for dette skrift er fra Aalborg Universitets side udgivet to rapporter med numeriske beregninger på Wave Star, se Kramer et al. 2004a og 2004b samt én rapport vedr. forsøg foretaget i perioden 13/9-04 til 8/10-04, se Kramer & Frigaard 2004.  Den afsluttende forsøgsrapport forventes at udkomme December 2004 eller Januar 2005.  Kontakter vedr. forsøg udført af Aalborg Universitet:  Morten Kramer Sohngaardsholmsvej 57 9000 Aalborg  Tlf. 96357230 Fax 98142555 E-mail: i5mkr@civil.aau.dk Web: www.civil.aau.dk eller Peter Frigaard Sohngaardsholmsvej 57 9000 Aalborg Tlf. 96358479 Fax 98142555 E-mail: peter.frigaard@civil.aau.dk Web: www.civil.aau.dk   Kontakt vedr. Wave Star kan rettes til den administrerende direktør:  Per Resen Steenstrup Wave Star Energy Maglemosevej 61 DK-2920 Charlottenlund  Tlf: +45 3940 4696 Fax: +45 3940 4697 E-mail: info@WaveStarEnergy.com Web: www.wavestarenergy.com  Wave Star - Foreløbige hovedkonklusioner på skala 1:40 modelforsøg 4 Wave Star - Foreløbige hovedkonklusioner på skala 1:40 modelforsøg 5 Indholdsfortegnelse  1 Indledning................................................................................................................... 7 2 Konklusion.................................................................................................................. 7 3 Referencer................................................................................................................... 8   Bilag I. Forsøgsopstilling ............................................................................................ 9 Bilag II. Uregelmæssige Nordsøbølger........................................................................ 9 Bilag III. Uddrag af resultater .................................................................................... 10 Bilag III.A Effektproduktion i uregelmæssige bølger .......................................... 10 Bilag III.B Effektiviteten i uregelmæssige bølger ............................................... 11 Bilag III.C Effektproduktion i regelmæssige bølger ............................................ 12 Wave Star - Foreløbige hovedkonklusioner på skala 1:40 modelforsøg 6  Wave Star - Foreløbige hovedkonklusioner på skala 1:40 modelforsøg 7 1 Indledning Gennem modelforsøgene med Wave Star er der samlet erfaringer med en skala 1:40 mo-del af Wave Star konceptet, og konceptets effektoptag er bestemt i såvel regelmæssige og uregelmæssige bølger svarende til et typisk forekommende bølgeklima i Nordsøen.   Forsøgsopstillingen i bølgebassinet fremgår af Bilag I og de anvendte Nordsøbølger fremgår af Bilag II. Et udpluk af forsøgsresultaterne vedr. effektoutput er gengivet i Bilag III. Det bemærkes, at effektoutputtet er målt direkte på modellens power take off svarende til en generator belastning. Modellens effektoutput er fundet som vridningsmomentet i akslen multipliceret med rotationshastigheden, hvor begge parametre er målt direkte på akslen.  Hovedformålet med modelforsøgene er at optimere flyderdesignet (form, vægt, etc.) såle-des konceptets effektoptag maskimeres. Forsøgene er endnu ikke tilendebragt, men ud fra de hidtil udførte 286 forsøg, tegner der sig alligevel et generelt billede af de hovedkonklu-sioner, som præsenteres efterfølgende. 2 Konklusion Gennem de indledende forsøg med Wave Star er der opnået væsentlige erfaringer med modellen. Forsøgene viser, at anlægget er effektivt i regelmæssige og uregelmæssige bøl-ger for både korte og lange bølger for såvel lave som høje bølger.  Ved afprøvning af flydere med forskellige diametre i trin fra 7, 8 og 10 m i fuld skala (Ø175, Ø200 og Ø250 mm i modelskala) og forskellig geometrier fra flade, svagt krumme og kugleformede flydere, giver kugleflydere det højeste effekt niveau når kuglevægten øges, således kuglen omtrent trykkes ned i vandet til centrum af kuglen.  For en maskine med 40 stk. kugleflydere med en diameter på 8 m i fuld skala er den gen-nemsnitlige effekt i Nordsøbølgerne målt til 631 kW i fuld skala, hvilket svarer til en årlig energiproduktion på 5516 MWh. På grund af maskinens orientering i forhold til bølgeret-ningen vil en maskine med halvt så mange flydere, 20 stk., yde et større effektoutput pr. flyder, da skyggevirkningerne fra foran liggende flyderne generelt er mindre. For en ma-skine med 20 flydere, er den gennemsnitlige effekt i Nordsøbølgerne målt til 338 kW i fuld skala, hvilket svarer til en årlig energiproduktion på 2949 MWh.  Maskinen er placeret, således rækken af flydere er parallel med bølgeudbredelseseretnin-gen, se Figur 1. Baggrunden for valget af denne orientering skyldes et ønske om at kunne skabe et forholdsvist kontinuert effektoutput fra maskinen. Dette opnås, da maskinen på den lange led er længere end de længste bølger. Det er bemærkelsesværdigt, at maskinen på trods af den skyggevirkning, som skyldes orienteringen i forhold til bølgerne, er i stand til at opnå høje effektiviteter. I gennemsnit over et år kan maskinen producere 2,5 gange så meget energi, som der er til rådighed i de indkomne bølger, som rammer de to forreste flydere. Dette skyldes, at bølgeenergien pga. diffraktion strømmer til fra siderne. Se evt. mere om anlæggets effektivitet i Bilag III.B.  Det er væsentligt at konstatere, at effektarbejdskurverne for transmissionssystemet er kendetegnet ved en flad karakteristik. Dette giver en simpel og effektiv generatordrift og reguleringen af generatorbelastningen lettes.  Wave Star - Foreløbige hovedkonklusioner på skala 1:40 modelforsøg 8 Hver gang en flyder bevæges op og ned mistes energi pga. det mekaniske transmissions-system. Dette skyldes de to forhold, at før flyderen kan bidrage i transmissionssystemet kræves en vis flytning af flyderen (overvindelse af slør i modellen) og en vis hastighed for at opnå tilkobling til akslen. Såfremt virkningen af disse forhold kan mindskes for et an-læg i fuld skala, kan effektniveauerne for et anlæg i fuld skala forventes større end sva-rende til de i dette skrift præsenterede.  Det er forfatternes vurdering, at effektoutputtet fra Wave Star er stort i forhold til maski-nens fysiske udstrækning. Maskinen arbejder godt i både små og store bølger og den ”fla-de motorkarakteristik” for transmissionssystemet er en stor fordel for konceptet. Den fort-satte optimering af flyderdesignet og armvinklen, som foregår i laboratoriet vha. yderlige-re modelforsøg, forventes at kunne øge maskinens effektivitet, således effektproduktionen fra Wave Star modellen kan øges en smule i forhold til det i dette skrift præsenterede. Disse forsøg udføres og afsluttes inden udgangen af December 2004.  3 Referencer Bølgekraftudvalgets Sekretariat (2000). Bølgekraftprogram (2000).  Kramer, M., Frigaard, P (2004). Wave Star – Skala 1:40 modelforsøg, forsøgsrapport 1. Hydraulics and Coastal Engineering No. 10. ISSN: 1603-9874. Aalborg University, De-partment of Civil Engineering.  Kramer, M., Brorsen, M., Frigaard, P (2004a). Wave Star – Indledende undersøgelse af flydergeometri. Hydraulics and Coastal Engineering No. 4. ISSN: 1603-9874. Aalborg University, Department of Civil Engineering.  Kramer, M., Brorsen, M., Frigaard, P (2004b). Wave Star – Hydrodynamisk interaktion mellem 5 flydere. Hydraulics and Coastal Engineering No. 7. ISSN: 1603-9874. Aalborg University, Department of Civil Engineering.Wave Star - Foreløbige hovedkonklusioner på skala 1:40 modelforsøg 9 Bilag I. Forsøgsopstilling Forsøgene er foretaget på Aalborg Universitet, Institut for Vand, Jord og Miljøteknik i det dybe bølgebassin. Bølgebassinet har dimensionerne 15.8 x 8.6 x 1.5m. Under forsøgene var maskinen placeret cirka i midten af bassinet, se Figur 1. Forsøgene med ½ maskine svarende til 20 bøjer udgjorde den forreste halvdel af bøjerne (til venstre mod bølgema-skinen).  3.011.152.91 6.22 1.05 1.515.84ReolReoltil bølgegenereringStrand over vandoverfladeStrand under vandoverflade8.59Bølgemålere (14 stk)Flyderne (2 rækker a' 20 stk)Område med hydraulikcylindre Middelposition af flapper til bølgegenerering Figur 1. Forsøgsostilling. Alle mål i meter. Bilag II. Uregelmæssige Nordsøbølger Som angivet i efterfølgende Tabel 1 undersøges Wave Star for et bølgeklima svarende til det typisk forekommende bølgeklima i Nordsøen, jvf. standard bølgespektre fra Bølge-kraftudvalgets Sekretariat (2000). Peak Periode Tp og signifikant bølgehøjde Hs karakteri-serer det anvendte bølgespektrum, i dette tilfælde JONSWAP-spektret med en peak en-hancement faktor på 3,3.  Tabel 1. Bølgeklima i Nordsøen på en lokalitet på ca. 50 m dybt vand, ca. 100km ud fra Vestkysten.   Søtilstand    I II III IV V  Hs [m] <0.5 1 2 3 4 5 >5.5 Tp [sek]  5,6 7,0 8,4 9,8 11,2  Effekt pr meter [kW/m] - 2 12 32 66 115 >145 Timer pr. år 966 4103 1982 944 445 211 119 Sandsynlighed [%] 11,0 46,8 22,6 10,8 5,1 2,4 1,4 Bidrag til middeleffekt  [kW/m] - 0,94 2,71 3,46 3,37 2,76 2,77  Den gennemsnitlige effekt til rådighed i bølgerne beregnes som summen af den nederste række i Tabel 1 til 16 kW pr. meter bølgefront.   Wave Star - Foreløbige hovedkonklusioner på skala 1:40 modelforsøg 10 Bilag III. Uddrag af resultater Efterfølgende præsenteres et uddrag af forsøgsresultaterne med konceptet. Mange flyder-design er testet, men de hidtil største effektproduktioner fra konceptet er opnået med tun-ge (1,7 kg for Ø200 kugleformen og 0,95 kg for Ø175 kugleformen) kugleformede flyde-re, hvorfor det er valgt at gengive resultater med denne flydertype.  Friktionen i modellen er målt til 7,5 Nm. For skala 1:40 svarer dette til en friktion på 19 MNm i fuld skala hvis Froudes modellov anvendes. For en virkelig prototype i fuld skala vil friktionen imidlertid være væsentligt mindre, da modellens friktion ikke skaleres kor-rekt med Froudes modellov. Den målte friktion i modellen er derfor medtaget som belast-ning ved beregning af konceptets effektoptag. Effektkurverne i dette skrift svarer således til produktionen fra et koncept uden friktion.   Bilag III.A Effektproduktion i uregelmæssige bølger I dette kapitel præsenteres to forsøgsserier foretaget med Ø200 kugleflydere belastet til en total vægt på 1,7 kg. Ved denne belastning opnås, at kuglen omtrent trykkes ned i vandet til centrum af kuglen. Den ene forsøgsserie omfatter tests på hele maskinen monteret med 40 stk. flydere, og i den anden forsøgsserie var maskinen monteret med 20 stk. flydere.  På Figur 2 og Figur 3 er måleresultaterne gengivet. På figurerne er toppunkterne for ef-fektproduktionen i de enkelte søtilstande markeret med rødt. Disse punkter angiver den indstilling af belastningen, som giver den maksimale effektproduktion. Effektniveauet for toppunkterne er gengivet i Tabel 2 og anvendt i beregningen af konceptets årlige energi-produktion.  0246810120.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00 70.00 80.00 90.00 100.00Belastning, modelskala [Nm]Effekt, modelskala [W]00.511.522.533.544.50 50 100 150 200 250Belastning, fuldskala [MNm]Effekt, fuld skala [MW]Søtilstand ISøtilstand IISøtilstand IIISøtilstand IVSøtilstand VUregelmæssige bølger. Hel maskine (40 flydere) med 1,7 kg Ø200 kugleflydere.Søtilstandende angivet i Tabel 1: Figur 2. Effektproduktion i uregelmæssige bølger for Wave Star med 40 stk Ø200 kugleflydere. Wave Star - Foreløbige hovedkonklusioner på skala 1:40 modelforsøg 11 01234560.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 35.00 40.00 45.00 50.00Belastning, modelskala [Nm]Effekt, modelskala [W]00.511.520 20 40 60 80 100 120Belastning, fuldskala [MNm]Effekt, fuld skala [MW]Søtilstand IISøtilstand IIISøtilstand IVSøtilstand VUregelmæssige bølger. ½ maskine (20 flydere) med 1,7 kg Ø200 kugleflydere.Søtilstandende angivet i Tabel 1: Figur 3. Effektproduktion i uregelmæssige bølger for Wave Star med 20 stk Ø200 kugleflydere.  Tabel 2. Effektproduktion i uregelmæssige bølger for Wave Star med Ø200 kugleflydere.   Effekt for en hel maskine (40 flydere) Effekt for ½ maskine (20 flydere)  Modelskala [W] Fuld skala [kW] Modelskala [W] Fuld skala [kW] Søtilstand I 0.42 171 0.21*) 86*) Søtilstand II 1.69 683 0.97 391 Søtilstand III 3.87 1565 2.06 835 Søtilstand IV 6.48 2624 3.48 1407 Søtilstand V 9.68 3920 4.86 1969 Årsmiddeleffekt 1.56 631 0.83 338 Årsproduktion 13.6 kWh 5516 MWh 7.3 kWh 2949 MWh  *) Effektproduktionen for en ½ maskine i søtilstand I er ikke målt, men derimod konserva-tivt estimeret som halvdelen af effektproduktionen for en hel maskine.  Bilag III.B Effektiviteten i uregelmæssige bølger Effektiviteten af bølgeenergianlæg er en ofte beregnet og omdiskuteret størrelse. Effekti-viteten P beregnes som:  Effektproduktionen af Wave Star P = Effekten i den indkomne bølge svarende til en strækning L ·100%  Effektiviteten afhænger imidlertid i høj grad af den anvendte referencestrækning L. Det er her valgt at beregne effektiviteten efter følgende tre modeller:  P1: For strækningen L benyttes 2·Flyderdiameteren = 16m (svarer til den del af maskinen som bølgen møder ved fronten) P2: For strækningen L benyttes bredden af maskinen = 40m P3: For strækningen L benyttes maskinens længste udstrækning = 240m  Ud fra effekterne angivet i Tabel 1 og Tabel 2 er effektiviteterne angivet i Tabel 3 bereg-net. Wave Star - Foreløbige hovedkonklusioner på skala 1:40 modelforsøg 12 Tabel 3. Effektiviteten af Wave Star med 40 stk. Ø200 kugleflydere. Søtilstand P1 [%] P2 [%] P3 [%] I 535 214 36 II 356 142 24 III 306 122 20 IV 248 99 17 V 213 85 14 Årsmiddel 247 99 16  Bilag III.C Effektproduktion i regelmæssige bølger I dette kapitel vises, at Wave Star også er effektiv i regelmæssige bølger. Efterfølgende præsenteres resultater af en forsøgsserie foretaget med Ø175 kugleflydere belastet til en total vægt på 0,95 kg. Forsøgene blev gennemført for ½ maskine (20 flydere) i 5 regel-mæssige bølgeserier. Disse 5 søtilstande er i  Tabel 4 benævnt R-I, R-II, R-III, R-IV og R-V. Bølgeserierne er valgt, således H svarer til Hs og T til Tp for de uregelmæssige sø-tilstande I, II, III, IV og V. Det bemærkes, at de opnåede effekter i disse regelmæssige søtilstande overstiger det, der kan forventes i de tilsvarende uregelmæssige søtilstande.  Tabel 4. Forsøg med regelmæssige bølger for Ø175 flyderen. Modelskala Fuld skala Søtilstand H [m] T [s] H [m] T [s] R-V 0.125 1.77 5 11.2 R-IV 0.100 1.55 4 9.8 R-III 0.075 1.33 3 8.4 R-II 0.050 1.11 2 7.0 R-I 0.025 0.89 1 5.6  0123456789100 10 20 30 40 50 60Belastning, modelskala [Nm]Effekt, modelskala [W]00.511.522.533.540 20 40 60 80 100 120 140Belastning, fuldskala [MNm]Effekt, fuldskala [MW]R-IR-IIR-IIIR-IVR-VRegelmæssige bølger. ½ maskine (20 flydere) med 0,95 kg Ø175 kugleflydere.   Figur 4. Effektproduktion i regelmæssige bølger for Wave Star med 20 stk Ø175 kugleflydere.  Det fremgår af Figur 4, at maskinen er i stand til at producere effekt i såvel de korte lave bølger som i de lange høje bølger, men effektproduktionen er naturligvis størst i de største bølger. Ydermere fremgår, at den belastning som giver anledning til optimalt effektoutput afhænger af søtilstanden. For store bølger er det mest optimalt at påføre stor belastning. 

Wave Star:foreløbige hovedkonklusioner på skala 1:40 modelforsøg

http://vbn.aau.dk/files/125222/Wave_Star-Skala%201-40%20forel%C3%B8bige%20hovedkomklusioner.pdf

Wave Star:foreløbige hovedkonklusioner på skala 1:40 modelforsøg

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

VBN