Hydrodynamic optimization and optimal control of a wave energy converter
Optimisation hydrodynamique et contrôle optimal d'un récupérateur de l'énergie des vagues
Résumé
The SEAREV project is a new concept of wave energy converter based on a robust principle and a sophisticated control. The wave energy converter is composed of a floating body containing a cylinder of inertia with an off-centered gravity center. The control is known as “latching control” and consists in locking the cylinder to the floating body at some moments of the cycle.
In this study, four time domain simulators of the motions have been derived, for four sets of assumptions. Interaction between the fluid and the floating body has been described by the standard linear potential theory. Comparisons are made between the results of the four different simulators to quantify the effects of the non linearities into the mechanics of the cylinder and of the directionality of the incoming wave.
Then, optimal control of the system and sub-optimal latching control are considered, the aim being to improve the energy capture of the system. Two methods are introduced in order to assess the benefit that can be brought by latching control. First one is a semi analytical method which allows to solve the problem of the calculation of the latching duration in regular wave. The second one is based on the Pontriaguine’s principle. It is less efficient than the first one in regular wave, but it allows to make simulations in random seas.
Energy production depends obviously on the mechanical characteristics of the device, so an optimization has been done on the floating body shape and on the mechanical characteristics of the cylinder. A method using two levels is given when optimization is done without control. The upper level uses genetic algorithm, the lower one is based on a gradient algorithm. Results on different shapes give the key dimensions of the device. Another optimization has been done, using the latching control and gives the order of magnitude of the benefit that can be brought by this kind of control to such systems.
Le projet SEAREV est un nouveau concept de récupération de l’énergie des vagues basé sur un principe robuste et un contrôle sophistiqué. Le récupérateur est ainsi composé d’un flotteur clos contenant en son sein un cylindre d’inertie à centre de gravité décentré. Le contrôle envisagé est un contrôle « tout ou rien » (latching control) qui consiste à bloquer le mouvement relatif du cylindre interne en des moments bien choisis de son cycle.
Dans le cadre de cette thèse, quatre simulateurs numériques des mouvements du système dans le domaine temporel ont été développés, pour quatre jeux d’hypothèses sur la cinématique du mouvement. La modélisation des efforts d’interaction fluide-structure a elle été abordée dans le cadre d’une théorie potentielle linéarisée classique. Des comparaisons entre les résultats des différents modèles sont présentés et permettent de quantifier des effets tels que les non linéarités dans la mécanique du cylindre et la directionnalité de la houle.
Le contrôle optimal du système et le contrôle sub-optimal par latching sont ensuite considérés, dans le but d’améliorer les performances du système. Deux méthodes sont proposées afin d’évaluer le gain que l’on peut attendre d’un contrôle par latching. La première est une méthode semi-analytique originale qui permet de résoudre le problème de la durée de blocage en houle régulière. La seconde est basée sur le principe de Pontriaguine et les lois de la commande optimale. Moins performante en houle régulière, elle permet cependant de traiter le problème en houle aléatoire.
Les performances du système dépendant évidemment de ses caractéristiques géométriques, une optimisation a été conduite sur la forme du flotteur et les caractéristiques mécaniques du cylindre. Une méthode faisant intervenir deux niveaux d’optimisation, l’un basé sur les algorithmes génétiques et l’autre sur une méthode de gradient est présentée dans le cas d’une optimisation du système non contrôlé. Les résultats sur plusieurs types de géométrie fournissent un dimensionnement du système. Une optimisation du système contrôlé a également été conduite et présentée. Ces résultats fournissent l’ordre de grandeur du gain que peut apporter le contrôle par latching aux systèmes houlomoteurs.
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