Hydrodynamic effects of marine environment on the analysis and optimization of solar and wave energy systems with application to floating units and solar ships

Abstract

The present dissertation investigates the innovative utilization of renewable energy from the sea, focusing on contemporary technologies such as floating photovoltaics (FPV), wave energy converters (WEC), and solar ships. Additionally, it explores hybridization concepts as potential future work, proposing ideas to enhance energy efficiency and performance. The research conducted is mainly focused on the investigation of marine environment effects on power output, which is accomplished by developing appropriate hydrodynamic models. The research is structured into several critical areas, each addressing different aspects of marine renewable energy technologies and their interaction with the dynamic marine conditions. The introductory section provides a brief overview of the marine renewable energy potential. It delves into the concepts of FPV systems, solar ships, wave energy parks, as well as the possibilities of hybrid systems combining these technologies. This section discusses the importance of harnessing marine energy to sustainably meet global energy demands, highlighting the need for innovative approaches to harness and utilize the abundant energy resources available in the marine environment. In Part I, simplified hydrodynamic models are developed and applied to analyze the behaviour and performance of FPV systems. The models leverage detailed hydrodynamic data, and combine the results with a simple PV model, to quantify the effects of wave‒induced motions on the power output of FPV systems. By examining how various hydrodynamic conditions, such as wave height and frequency as well as the local seabed topography, impact the efficiency of FPV installations, the models provide valuable insights into optimizing both the design and deployment of these systems for maximum energy efficiency. The research identifies a range of key factors that influence FPV system performance, including the amplitude and frequency of platform oscillations and the interaction between wavefields and FPV structures. By understanding these dynamics, the studies offer strategies to mitigate adverse effects, such as energy losses due to excessive motion, and to enhance overall energy production, ensuring that FPV systems can operate more reliably and efficiently in diverse marine conditions. Case studies using real solar radiation and sea state data from specific locations in the Mediterranean region are also discussed. The next part delves into the innovative concept of solar powered ships, focusing on the integration of photovoltaic panels into existing marine vessels. In particular, it presents a multifaceted assessment of several critical aspects associated with solar‒powered ships, such as the autonomy range and the potential energy savings. The modelling is based on three dimensional models, appropriately developed to support hydrodynamic analysis with the added complexity of forward speed. By investigating the potential of solar ships, this section aims to investigate the development of more sustainable and energy‒efficient maritime transport solutions. The findings and proposals presented are intended to contribute to the maturation of new technologies through which renewable energy will play a crucial role in reducing the carbon footprint of the shipping sector. The final part of the present work focuses on the modelling and performance evaluation of point absorber wave energy converter (WEC) arrays, considering the effects of bathymetry variability. This section investigates how bathymetry profiles, as well as hydrodynamic interactions among multiple floating bodies, affect the energy capturing capacity and performance of WEC arrays operating nearshore. Case studies are conducted to demonstrate the applicability of the developed models, indicating that they serve as valuable supporting tools for optimization studies. Subsequently, the deployment of WEC arrays on the exposed side of breakwaters is examined. Hydrodynamic interactions between waves, wave energy converters and breakwater structures are modelled and quantified, assessing how they influence the performance and energy output of such systems. A case study in this context also illustrates the utility of the model, providing insights into the design and placement of WEC arrays alongside coastal defence structures, highlighting opportunities to enhance energy production by exploiting existing infrastructure, while simultaneously augmenting the provided coastal protection, by attenuating the incoming wave energy. Finally, the potential for hybridization is discussed, combining technologies for harnessing wave, solar and other forms of energy in the marine environment. By addressing these diverse aspects of marine renewable energy technologies, the present work aims to contribute to the advancement and practical implementation of sustainable energy solutions from the sea, providing valuable insights for engineers, policymakers and researchers working towards a sustainable and energy‒efficient future. Through detailed modelling, case studies, and performance evaluations, the work aims to provide an overview of the opportunities and challenges associated with marine renewable energy, paving the way for innovative applications and increased adoption of these technologies. The computational methods employed involve the development of algorithms based on the application of the Boundary Element Method (BEM). These algorithms are utilized to calculate the dynamic behaviour of floating bodies of general geometry, as well as ships moving at forward speed. The Boundary Element Method is a numerical technique, widely used in engineering and physics, that addresses problems involving flow fields and wave phenomena by enabling dimensionality reduction through the use of boundary integral representations. This method proves particularly advantageous for analysing the hydrodynamic characteristics of floating bodies and ships. However, to exploit the computational efficiency that dimensionality reduction provides, the models must be simplified based on certain assumptions, such as non-viscous, irrotational flows, and incompressible media, that define the linearized theory for floating bodies. The latter is briefly described in Appendix A, for completeness purposes. While these assumptions facilitate more efficient calculations, they do not fully capture the complexities of real‒world fluid dynamics where viscosity, rotationality, and compressibility are significant factors under certain flow conditions. Within the context of the present dissertation, the BEM algorithms are combined with various supplementary techniques to improve their effectiveness and accuracy. Firstly, Perfectly Matched Layers (PML) are utilized to absorb wave‒like behaviour at infinity, preventing numerical reflections from contaminating the evaluated solutions. This ensures that a finite computational domain can accurately simulate an infinite medium without the complications introduced by boundary numerical reflections. Additionally, mirroring techniques are employed to decrease the computational mesh size while preserving the integrity of the problems' physical aspects. By leveraging the symmetrical properties of the geometry, these techniques allow for a more efficient representation of hydrodynamic problems, many of which inherently exhibit symmetrical properties. Furthermore, a Coupled Mode Model is incorporated to analyze wave propagation across general seabed bathymetry, enabling the simulation of hydrodynamic phenomena in more realistic environments. Finally, parallel programming methods are adopted to accelerate the calculations by distributing the computational workload across multiple processors. This results in a significant reduction in simulation time, facilitating the analysis of more complex scenarios within practical time constraints. These approaches ensure that the developed computational algorithms not only yield accurate results, but also operate with enhanced computational efficiency.

Η παρούσα διατριβή διερευνά καινοτόμες μεθόδους αξιοποίησης της ανανεώσιμης ενέργειας από τη θάλασσα, εστιάζοντας σε σύγχρονες τεχνολογίες όπως τα πλωτά φωτοβολταϊκά (FPV), τα ηλιακά πλοία και οι μετατροπείς κυματικής ενέργειας (Wave Energy Converters ‒ WECs). Επιπλέον, εξετάζει ιδέες υβριδοποίησης ως προτάσεις για μελλοντική έρευνα, προτείνοντας λύσεις για την ενίσχυση της ενεργειακής απόδοσης. Η έρευνα εστιάζεται στον προσδιορισμό των επιπτώσεων του θαλάσσιου περιβάλλοντος στην παραγωγή ενέργειας, που επιτυγχάνεται με την ανάπτυξη κατάλληλων υδροδυναμικών μοντέλων, και είναι δομημένη σε διάφορους κρίσιμους τομείς, καθένας από τους οποίους αναφέρεται σε διαφορετικές πτυχές των τεχνολογιών ανανεώσιμης ενέργειας από τη θάλασσα και την αλληλεπίδρασή τους με τις δυναμικές θαλάσσιες συνθήκες. Η εισαγωγική ενότητα παρέχει μια επισκόπηση του δυναμικού της θαλάσσιας ανανεώσιμης ενέργειας. Εξετάζει τις έννοιες των πλωτών φωτοβολταϊκών, των ηλιακών πλοίων και των ενεργειακών πάρκων κυματικής ενέργειας, καθώς και δυνατότητες υβριδικών συστημάτων που συνδυάζουν αυτές τις τεχνολογίες. Η ενότητα αυτή θέτει το πλαίσιο για την κατανόηση της σημασίας της εκμετάλλευσης της θαλάσσιας ενέργειας για την ικανοποίηση των παγκόσμιων ενεργειακών αναγκών με βιώσιμο τρόπο, επισημαίνοντας την ανάγκη για καινοτόμες προσεγγίσεις όσον αφορά την απομάστευση και τη χρήση των πλούσιων ενεργειακών πόρων που διατίθενται στο θαλάσσιο περιβάλλον. Στο πρώτο μέρος της εργασίας, αναπτύσσονται απλοποιημένα υδροδυναμικά μοντέλα, τα οποία εφαρμόζονται για την ανάλυση της συμπεριφοράς και απόδοσης των συστημάτων πλωτών φωτοβολταϊκών μονάδων. Τα μοντέλα αυτά παρέχουν λεπτομερή υδροδυναμικά δεδομένα, τα οποία σε συνδυασμό με ένα μοντέλο υπολογισμού της παραγόμενης ισχύος από ηλιακούς συλλέκτες, ποσοτικοποιούν την επίδραση της δυναμικής στην παραγωγή ενέργειας. Εξετάζοντας τον τρόπο με τον οποίο διάφορες υδροδυναμικές παράμετροι, όπως το ύψος κύματος και η συχνότητα αλλά και η τοπική τοπογραφία του θαλασσίου πυθμένα, επηρεάζουν την απόδοση των εγκαταστάσεων, τα μοντέλα παρέχουν πολύτιμες πληροφορίες για τη βελτιστοποίηση τόσο του σχεδιασμού όσο και της ανάπτυξης αυτών των συστημάτων με γνώμονα την μέγιστη ενεργειακή απόδοση. Εξετάζεται μια σειρά βασικών παραγόντων που επηρεάζουν την απόδοση των συστημάτων, συμπεριλαμβανομένων του πλάτους και της συχνότητας των κινήσεων των κατασκευών καθώς και των αλληλεπιδράσεων μεταξύ κυματικών πεδίων και πλωτών σωμάτων. Μέσω της κατανόησης των παραπάνω, η μελέτη προσφέρει δεδομένα για τη μείωση των αρνητικών επιπτώσεων, όπως οι απώλειες ενέργειας λόγω υπερβολικών κινήσεων, και για την ενίσχυση της συνολικής παραγωγής ενέργειας, διασφαλίζοντας ότι τα πλωτά φωτοβολταϊκά συστήματα λειτουργούν με μεγαλύτερη αξιοπιστία και αποτελεσματικότητα σε διάφορα θαλάσσια περιβάλλοντα. Επίσης, παρουσιάζονται αποτελέσματα βασισμένα σε πραγματικά δεδομένα ηλιακής ακτινοβολίας και θαλάσσιων συνθηκών από συγκεκριμένες τοποθεσίες στην περιοχή της Μεσογείου. Στη συνέχεια της διατριβής εξετάζεται το καινοτόμο αντικείμενο των ηλιακών πλοίων, εστιάζοντας στην ενσωμάτωση φωτοβολταϊκών συλλεκτών σε υπάρχοντα πλοία. Η συγκεκριμένη ενότητα αναλύει εκτενώς αρκετές κρίσιμες πτυχές που σχετίζονται με τα ηλιακά πλοία, όπως η αυτονομία και οι πιθανοί τρόποι εξοικονόμησης ενέργειας. Η μοντελοποίηση βασίζεται σε τριδιάστατα μοντέλα, κατάλληλα δομημένα ώστε να υποστηρίζουν την υδροδυναμική ανάλυση με την πρόσθετη πολυπλοκότητα της πρόσω ταχύτητας. Μέσω της διερεύνησης της προοπτικής των ηλιακών πλοίων, η ενότητα στοχεύει στο να συνεισφέρει στην ανάπτυξη βιώσιμων και ενεργειακά αποδοτικών λύσεων για τις θαλάσσιες μεταφορές. Τα αποτελέσματα και οι προτάσεις που παρουσιάζονται σκοπό έχουν να συμβάλλουν στην ωρίμανση νέων τεχνολογιών, μέσω των οποίων η ανανεώσιμη ενέργεια θα αναλάβει κομβικό ρόλο στη μείωση του αποτυπώματος άνθρακα του τομέα της ναυτιλίας. Το τελευταίο μέρος της εργασίας επικεντρώνεται στη μοντελοποίηση και αξιολόγηση της απόδοσης συστοιχιών αποτελούμενων από σημειακούς απορροφητές κυματικής ενέργειας, λαμβάνοντας υπ’ όψιν τη μεταβλητότητα της βαθυμετρίας. Εξετάζονται οι επιπτώσεις τόσο του προφίλ βαθμομετρίας όσο και των αλληλεπιδράσεων μεταξύ πολλαπλών πλωτών σωμάτων, στην απομάστευση ενέργειας και την απόδοση κυματικών πάρκων που λειτουργούν σε παράκτιες περιοχές. Επιπλέον, διεξάγονται περιπτωσιολογικές μελέτες με στόχο την ανάδειξη της εφαρμοσιμότητας των προτεινόμενων μοντέλων, υποδεικνύοντας ότι αυτά λειτουργούν ως πολύτιμα υποστηρικτικά εργαλεία για μελέτες βελτιστοποίησης. Στη συνέχεια, εξετάζεται η τοποθέτηση σημειακών απορροφητών στην εκτεθειμένη πλευρά κυματοθραυστών. Συγκεκριμένα, μελετώνται οι υδροδυναμικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ κυματικών πεδίων, μονάδων απομάστευσης ενέργειας και κυματοθραυστών, αξιολογώντας πώς αυτές οι αλληλεπιδράσεις επηρεάζουν την απόδοση και την παραγωγή ενέργειας. Μια μελέτη περίπτωσης σε αυτό το πλαίσιο επίσης επιδεικνύει τη χρησιμότητα του μοντέλου, παρέχοντας πληροφορίες για το σχεδιασμό και την τοποθέτηση μονάδων κυματικής ενέργειας σε προϋπάρχουσες δομές, όπως οι λιμένες, επισημαίνοντας τη δυνατότητα ενίσχυσης της παραγωγής ενέργειας παρέχοντας παράλληλα πρόσθετα οφέλη, όπως η προστασία των ακτών. Τέλος, αναφέρονται δυνατότητες υβριδοποίησης, που συνδυάζουν τεχνολογίες για την απομάστευση κυματικής, ηλιακής καθώς και άλλων μορφών ενέργειας, στο θαλάσσιο περιβάλλον. Αναλύοντας τις παραπάνω πτυχές των τεχνολογιών της θαλάσσιας ανανεώσιμης ενέργειας, η παρούσα εργασία στοχεύει να συμβάλλει στην προαγωγή και την πρακτική εφαρμογή βιώσιμων λύσεων παραγωγής ενέργειας από τη θάλασσα, παρέχοντας πολύτιμα δεδομένα για μηχανικούς, πολιτικούς και ερευνητές που εργάζονται για ένα βιώσιμο και ενεργειακά αποδοτικό μέλλον. Μέσω λεπτομερούς μοντελοποίησης, περιπτωσιολογικών μελετών και αξιολογήσεων απόδοσης, η εργασία έχει στόχο να παράσχει μία πλήρη επισκόπηση των ευκαιριών και προκλήσεων που σχετίζονται με τη θαλάσσια ανανεώσιμη ενέργεια, διευκολύνοντας την εφαρμογή καινοτομιών και την υιοθέτηση αυτών των τεχνολογιών σε επίπεδο βιομηχανίας. Οι υπολογιστικές μέθοδοι που χρησιμοποιούνται περιλαμβάνουν την ανάπτυξη αλγορίθμων βασισμένων στην εφαρμογή της μεθόδου συνοριακών στοιχείων (Boundary Element Method ‒ BEM). Οι αλγόριθμοι αυτοί χρησιμοποιούνται για τον υπολογισμό της δυναμικής συμπεριφοράς πλωτών σωμάτων γενικής γεωμετρίας, καθώς και πλοίων που κινούνται με πρόσω ταχύτητα. Η μέθοδος συνοριακών στοιχείων είναι μια αριθμητική μέθοδος που χρησιμοποιείται ευρέως στη μηχανική και τη φυσική για την επίλυση προβλημάτων που σχετίζονται με πεδία ροής και κυματικά φαινόμενα, επιτρέποντας τη μείωση της χωρικής διαστατικότητας των προβλημάτων μέσω χρήσης ολοκληρωτικών συνοριακών αναπαραστάσεων των εμπλεκομένων πεδίων. Η μέθοδος αποδεικνύεται ιδιαίτερα χρήσιμη για την ανάλυση των υδροδυναμικών χαρακτηριστικών πλωτών σωμάτων και πλοίων. Ωστόσο, η εκμετάλλευση της υπολογιστικής αποδοτικότητας που παρέχει η μέθοδος συνοριακών στοιχείων απαιτεί την απλοποίηση της μοντελοποίησης βάσει ορισμένων υποθέσεων. Συγκεκριμένα οι ροές θεωρούνται ατριβείς και αστρόβιλες, ενώ αγνοούνται οι επιδράσεις της συμπιεστότητας. Βάσει των παραπάνω καθορίζεται η γραμμικοποιημένη υδροδυναμική θεωρία πλωτών σωμάτων, η οποία περιγράφεται εν συντομία στο Παράρτημα A, για λόγους πληρότητας. Παρόλο που αυτές οι υποθέσεις διευκολύνουν τους υπολογισμούς, δεν αντικατοπτρίζουν πλήρως την πολυπλοκότητα ρεαλιστικών ροών, όπου το ιξώδες, η στροβιλότητα και η συμπιεστότητα αποτελούν, υπό ορισμένες συνθήκες, σημαντικούς παράγοντες.Εντός του πλαισίου της παρούσας διατριβής, η μέθοδος συνοριακών στοιχείων συνδυάζεται με διάφορες επιπλέον τεχνικές για τη βελτίωση της αποτελεσματικότητας και της ακρίβειας. Αρχικά, χρησιμοποιούνται στρώματα απορρόφησης (Perfectly matched layers ‒ PML) για την απόσβεση της κυματικής συμπεριφοράς των λύσεων στο άπειρο, εμποδίζοντας τις αριθμητικές ανακλάσεις στο εκάστοτε υπολογιστικό χωρίο. Έτσι διασφαλίζεται ότι ένα πεπερασμένο υπολογιστικό πλέγμα μπορεί να προσομοιώσει φαινόμενα που εκτυλίσσονται στον άπειρο χώρο. Επιπλέον, εφαρμόζονται τεχνικές κατοπτρισμού για τη μείωση του μεγέθους του υπολογιστικού πλέγματος, διατηρώντας την ακεραιότητα των φυσικών πτυχών των προβλημάτων. Αξιοποιώντας συμμετρίες της γεωμετρίας, αυτές οι τεχνικές επιτρέπουν μια πιο αποδοτική και ακριβή αναπαράσταση των υδροδυναμικών προβλημάτων, πολλά εκ των οποίων εμπεριέχουν εγγενείς ιδιότητες συμμετρίας. Επιπλέον, ο υπολογισμός κυματικής διάδοσης σε περιοχές μεταβαλλόμενου βάθους επιτυγχάνεται με χρήση του μοντέλου συζευγμένων ιδιομορφών, επιτρέποντας την προσομοίωση υδροδυναμικών φαινομένων σε πιο ρεαλιστικά περιβάλλοντα. Τέλος, χρησιμοποιούνται μέθοδοι παράλληλου προγραμματισμού για την επιτάχυνση των υπολογισμών μέσω της διανομής του υπολογιστικού φόρτου σε πολλαπλούς επεξεργαστές. Αυτό οδηγεί σε σημαντική μείωση του χρόνου προσομοίωσης, διευκολύνοντας την ανάλυση πιο πολύπλοκων καταστάσεων εντός λογικών χρονικών πλαισίων. Αυτές οι προσεγγίσεις εξασφαλίζουν ότι οι υπολογιστικοί αλγόριθμοι που χρησιμοποιούνται όχι μόνο παρέχουν ακριβή αποτελέσματα, αλλά επιπρόσθετα λειτουργούν με βελτιωμένη υπολογιστική απόδοση.