Marine Renewables Infrastructure Network - MaRINET2 Access Report Infrastructure: TECNALIA...

23
   Infrastructure Access Report Infrastructure: TECNALIA Electrical PTO Lab UserProject: REWELPO REWEC3Electrical PTO system Optimization  Mediterranea University of Reggio Calabria   Marine Renewables Infrastructure Network Status: Final Version: 02 Date:  26Jul2014  EC FP7 “Capacities” Specific Programme Research Infrastructure Action 

Transcript of Marine Renewables Infrastructure Network - MaRINET2 Access Report Infrastructure: TECNALIA...

 

 

 

Infrastructure Access Report 

Infrastructure: TECNALIA Electrical PTO Lab 

User‐Project: REWELPO 

REWEC3‐Electrical PTO system Optimization  

Mediterranea University of Reggio Calabria  

 

Marine Renewables Infrastructure Network

Status:  Final Version:  02 Date:    26‐Jul‐2014 

 

EC FP7 “Capacities” Specific Programme Research Infrastructure Action 

  Infrastructure Access Report: REWELPO 

Rev. 02, 26‐Jul‐2014 Page 2 of 23 

ABOUTMARINETMARINET (Marine Renewables  Infrastructure Network for emerging Energy Technologies)  is an EC‐funded network of research centres and organisations that are working together to accelerate the development of marine renewable energy ‐ wave, tidal & offshore‐wind.  The initiative is funded through the EC's Seventh Framework Programme (FP7) and runs for four years until 2015.  The network of 29 partners with 42 specialist marine research facilities is spread across 11 EU countries and 1 International Cooperation Partner Country (Brazil).  MARINET  offers  periods  of  free‐of‐charge  access  to  test  facilities  at  a  range  of  world‐class  research  centres.  Companies and research groups can avail of this Transnational Access (TA) to test devices at any scale in areas such as wave energy,  tidal energy, offshore‐wind  energy  and environmental data or  to  conduct  tests on  cross‐cutting areas such as power take‐off systems, grid integration, materials or moorings.  In total, over 700 weeks of access is available to an estimated 300 projects and 800 external users, with at least four calls for access applications over the 4‐year initiative.  MARINET  partners  are  also  working  to  implement  common  standards  for  testing  in  order  to  streamline  the development process, conducting research to  improve testing capabilities across the network, providing training at various facilities in the network in order to enhance personnel expertise and organising industry networking events in order to facilitate partnerships and knowledge exchange.    The aim of the initiative is to streamline the capabilities of test infrastructures in order to enhance their impact and accelerate the commercialisation of marine renewable energy.  See www.fp7‐marinet.eu for more details.  

Partners  Ireland 

University College Cork, HMRC (UCC_HMRC) Coordinator 

 

Sustainable Energy Authority of Ireland (SEAI_OEDU)  

 Denmark 

Aalborg Universitet (AAU)  

Danmarks Tekniske Universitet (RISOE)  

 France 

Ecole Centrale de Nantes (ECN)  

Institut Français de Recherche Pour l'Exploitation de la Mer (IFREMER) 

 

 United Kingdom 

National Renewable Energy Centre Ltd. (NAREC)  

The University of Exeter (UNEXE)  

European Marine Energy Centre Ltd. (EMEC)  

University of Strathclyde (UNI_STRATH)  

The University of Edinburgh (UEDIN)  

Queen’s University Belfast (QUB)  

Plymouth University(PU)  

 Spain 

Ente Vasco de la Energía (EVE)  

Tecnalia Research & Innovation Foundation (TECNALIA) 

 Belgium 

1‐Tech (1_TECH)  

 

NetherlandsStichting Tidal Testing Centre (TTC)  

Stichting Energieonderzoek Centrum Nederland (ECNeth)  

Germany Fraunhofer‐Gesellschaft Zur Foerderung Der Angewandten Forschung E.V (Fh_IWES)  

Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover (LUH)  

Universitaet Stuttgart (USTUTT)  

Portugal Wave Energy Centre – Centro de Energia das Ondas (WavEC)  

Italy Università degli Studi di Firenze (UNIFI‐CRIACIV)  

Università degli Studi di Firenze (UNIFI‐PIN)  

Università degli Studi della Tuscia (UNI_TUS)  

Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR‐INSEAN)  

Brazil Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo S.A. (IPT)  

Norway Sintef Energi AS (SINTEF)   

Norges Teknisk‐Naturvitenskapelige Universitet (NTNU)  

  Infrastructure Access Report: REWELPO 

Rev. 02, 26‐Jul‐2014 Page 3 of 23 

DOCUMENTINFORMATIONTitle  REWEC3‐Electrical PTO system Optimization 

Distribution  Public 

Document Reference  MARINET‐TA1‐REWELPO 

User‐Group Leader, Lead Author 

 

Felice Arena  Mediterranea University of Reggio Calabria DICEAM, Loc. Feo di Vito, Reggio Calabria (Italy). E‐mail: [email protected] 

User‐Group Members, Contributing Authors 

 

Alessandra Romolo  Mediterranea University of Reggio Calabria Giovanni Malara  Mediterranea University of Reggio Calabria Valentina Laface  Mediterranea University of Reggio Calabria Federica Maria StratiMediterranea University of Reggio Calabria 

Infrastructure Accessed:  TECNALIA Electrical PTO Lab 

Infrastructure Manager (or Main Contact) 

Joseba Lopez Mendia 

 

REVISIONHISTORYRev.  Date  Description  Prepared by 

(Name) Approved By Infrastructure 

Manager 

Status (Draft/Final)

01  15/07/2014  Report draft  Felie Arena, Alessandra 

Romolo, Giovanni Malara, Valentina Laface, Federica Maria Strati 

  Draft 

02  26/07/2014  Final report  Felie Arena, Alessandra 

Romolo, Giovanni Malara, Valentina Laface, Federica Maria Strati 

yes  Final 

 

  Infrastructure Access Report: REWELPO 

Rev. 02, 26‐Jul‐2014 Page 4 of 23 

ABOUTTHISREPORTOne of the requirements of the EC in enabling a user group to benefit from free‐of‐charge access to an infrastructure is  that  the  user  group must  be  entitled  to  disseminate  the  foreground  (information  and  results)  that  they  have generated under the project in order to progress the state‐of‐the‐art of the sector.  Notwithstanding this, the EC also state  that  dissemination  activities  shall  be  compatible  with  the  protection  of  intellectual  property  rights, confidentiality obligations and the legitimate interests of the owner(s) of the foreground.  The aim of this report is therefore to meet the first requirement of publicly disseminating the knowledge generated through this MARINET infrastructure access project in an accessible format in order to: 

progress the state‐of‐the‐art 

publicise resulting progress made for the technology/industry 

provide evidence of progress made along the Structured Development Plan 

provide due diligence material for potential future investment and financing 

share lessons learned 

avoid potential future replication by others 

provide opportunities for future collaboration 

etc. In  some  cases,  the  user  group may  wish  to  protect  some  of  this  information  which  they  deem  commercially sensitive, and so may choose to present results in a normalised (non‐dimensional) format or withhold certain design data – this is acceptable and allowed for in the second requirement outlined above.  

ACKNOWLEDGEMENTThe work  described  in  this  publication  has  received  support  from MARINET,  a  European  Community  ‐  Research Infrastructure Action under the FP7 “Capacities” Specific Programme.  

LEGALDISCLAIMERThe views expressed, and responsibility for the content of this publication, lie solely with the authors.  The European Commission is not liable for any use that may be made of the information contained herein.  This work may rely on data from sources external to the MARINET project Consortium.  Members of the Consortium do not accept liability for loss or damage suffered by any third party as a result of errors or inaccuracies in such data.  The information in this document is provided “as is” and no guarantee or warranty is given that the information is fit for any particular purpose.    The  user  thereof  uses  the  information  at  its  sole  risk  and  neither  the  European  Commission  nor  any member of the MARINET Consortium is liable for any use that may be made of the information. 

  Infrastructure Access Report: REWELPO 

Rev. 02, 26‐Jul‐2014 Page 5 of 23 

EXECUTIVESUMMARYThe  Resonant  Wave  Energy  Converter  3  (REWEC3)  is  an  Oscillating  Water  Column  (OWC)  type  wave  energy converter. It is composed by a chamber with a water column in the lower part and an air pocket at the top. The air pocket  is  connected  to  the atmosphere by a duct hosting a  turbine. The wave motion  induces oscillations of  the water column which, in turn, induces an alternating flow on the turbine. Such a flow is exploited by specific turbines (such as Wells, impulse, etc.) that are able to rotate always in the same direction. The peculiarity of the REWEC3  is the presence of a small vertical (U‐shaped) duct connecting the water column to the open wave field. Such a small change in the configuration allows improving the performance of the device from the perspective of energy exploitation. Indeed, recent experimental works proved that it can reach resonance with incoming waves without the use of phase control devices. So that, the extraction of wave energy can be maximized by properly designing the geometrical configuration of the device. Hydrodynamics and optimization of the REWEC3 are discussed in a number of papers, but no specific considerations have been proposed on the PTO performance with this specific device. Specifically, the choice of the optimal turbine rotational  speed  for  a  given  sea  state  and  a  given  turbine,  as well  as  the  determination  of  an  effective  control algorithm, are still an open issue. In this context, the present MARINET project is the first step in the description of the REWEC3 – PTO system as a whole.  The project has been developed by relying on adequate numerical algorithms for simulating the REWEC3 dynamics and on  the  Tecnalia  test bench  for measuring  the power output of  the PTO.  Starting  from  a  given REWEC3  and turbine  configuration,  a  number  of  experiments  have  been  carried  out.  The  key  findings  of  the  project  are: determination of an optimal reference rotational speed for given sea state; differentiation of the system behaviour in  case of wind‐generated waves and  swells.  In addition,  in  the  light of  the MARINET objectives, a  further  result relates to the determination of the future steps for developing an optimized REWEC3 – PTO system.   

  Infrastructure Access Report: REWELPO 

Rev. 02, 26‐Jul‐2014 Page 6 of 23 

CONTENTS  

1  INTRODUCTION & BACKGROUND .................................................................................................................... 7 

1.1  INTRODUCTION .................................................................................................................................................... 7 1.2  DEVELOPMENT SO FAR .......................................................................................................................................... 8 1.2.1  Stage Gate Progress .................................................................................................................................... 8 1.2.2  Plan For This Access ..................................................................................................................................... 9 

2  OUTLINE OF WORK CARRIED OUT .................................................................................................................... 9 

2.1  SETUP ................................................................................................................................................................. 9 2.1.1  GENERAL DESCRIPTION OF ELECTRICAL PTO LAB .................................................................................................... 9 2.1.2  REWEC3 CONFIGURATION .............................................................................................................................. 11 2.2  TESTS ............................................................................................................................................................... 12 2.2.1  Test Plan .................................................................................................................................................... 12 2.2.2  Test procedure ........................................................................................................................................... 13 2.3  RESULTS ............................................................................................................................................................ 16 2.4  ANALYSIS & CONCLUSIONS ................................................................................................................................... 16 

3  MAIN LEARNING OUTCOMES ......................................................................................................................... 22 

3.1  PROGRESS MADE ............................................................................................................................................... 22 3.1.1  Progress Made: For This User‐Group or Technology ................................................................................. 22 3.1.2  Progress Made: For Marine Renewable Energy Industry .......................................................................... 22 3.2  KEY LESSONS LEARNED ........................................................................................................................................ 23 

4  REFERENCES ................................................................................................................................................... 23 

 

  Infrastructure Access Report: REWELPO 

Rev. 02, 26‐Jul‐2014 Page 7 of 23 

1 INTRODUCTION&BACKGROUND

1.1 INTRODUCTIONThe Resonant Wave Energy Converter (REWEC) is an Oscillating Water Column (OWC) type wave energy converter. It was  conceived  about  a  decade  ago  by  modifying  the  classical  OWC  configuration.  Specifically,  the  device  is composed by a closed air chamber and a water column connected to the open wave field. But, the connection to the open wave field involves a small vertical U‐shaped duct. For this reason, the device is also known as U‐OWC. The first experiments and theoretical analyses on the device were conducted by considering a U‐OWC embodied into a submerged breakwater (Boccotti, 2003). These first investigations revealed the main characteristic of the REWEC: it  is  able  to  reach  resonance with  incident waves without  the need of phase  control devices.  In  this  regard,  the crucial element of the device is the vertical duct. Indeed, it allows tuning the REWEC by properly designing the length and the width of the duct. In addition, the pressure in the air pocket can be controlled for adapting the performance of the plant to the characteristics of the actual sea state. Recently,  the working  principle  of  the  REWEC was  investigated  in  the  context  of  vertical  breakwaters  (Boccotti, 2007a,  2007b,  2012;  Boccotti  et  al.,  2007).  Specifically,  the  device  was  incorporated  into  classical  vertical breakwaters used for creating a safe basin (such a device was named REWEC3).  In this context, the “plant” allows accomplishing two objectives: converting wave energy to electrical energy; improving the safety of the basin against high  sea  waves.  In  this  regard,  it  is  worth‐mentioning  that  the  device,  by  absorbing  wave  energy,  fosters  the reduction of reflected waves in front of the structure in comparison with traditional caisson breakwaters. From the perspective of theoretical modelling, the REWEC3 is quite different from the classical OWCs as its dynamic behaviour  is well  described  by  including  nonlinear  terms  into  the  equation  of water  column  oscillations.  These nonlinearities were determined by  experimental  activities  and  relate  to  the head  losses occurring  in  the  vertical duct. The key consequence of this requirement is the need of working in time domain in contrast to linear analyses conducted  for designing OWCs  (Malara et al., 2013). A holistic view on  the design of  the plant was proposed by Boccotti  (2012). He disseminated problems  regarding  the choice of  the optimal U‐duct width and  length, and  the various strategies for incorporating with efficacy a Wells turbine. In terms of practical applications, the REWEC3 technology will be applied to the Civitavecchia port,  in Rome (Italy) (Arena et al., 2013). In this context, the device was adopted only for improving the performance of the breakwater, with no energy conversion purposes. However,  the potential of  the  infrastructure can potentially be exploited  for energy supply.  

 

Figure 1.1: comparison between an OWC (left panel) and a U‐OWC (right panel). 

 

direction of wavepropagation

direction of wavepropagation

  Infrastructure Access Report: REWELPO 

Rev. 02, 26‐Jul‐2014 Page 8 of 23 

1.2 DEVELOPMENTSOFAR

1.2.1 StageGateProgressPreviously completed:   Planned for this project:  

 

STAGE GATE CRITERIA  Status 

Stage 1 – Concept Validation 

Linear monochromatic waves to validate or calibrate numerical models of the system (25 – 100 waves) 

Finite monochromatic waves to include higher order effects (25 –100 waves) 

Hull(s) sea worthiness in real seas (scaled duration at 3 hours) 

Restricted degrees of freedom (DoF) if required by the early mathematical models 

Provide the empirical hydrodynamic co‐efficient associated with the device (for mathematical modelling tuning) 

Investigate  physical  process  governing  device  response.  May  not  be  well  defined  theoretically  or numerically solvable 

Real seaway productivity (scaled duration at 20‐30 minutes) 

Initially 2‐D (flume) test programme 

Short crested seas need only be run at this early stage if the devices anticipated performance would be significantly affected by them 

Evidence of the device seaworthiness 

Initial indication of the full system load regimes 

 

Stage 2 – Design Validation 

Accurately simulated PTO characteristics 

Performance in real seaways (long and short crested) 

Survival loading and extreme motion behaviour. 

Active damping control (may be deferred to Stage 3) 

Device design changes and modifications 

Mooring arrangements and effects on motion 

Data for proposed PTO design and bench testing (Stage 3) 

Engineering Design (Prototype), feasibility and costing 

Site Review for Stage 3 and Stage 4 deployments 

Over topping rates 

 

Stage 3 – Sub‐Systems Validation 

To investigate physical properties not well scaled & validate performance figures 

To employ a realistic/actual PTO and generating system & develop control strategies 

To qualify environmental factors (i.e. the device on the environment and vice versa) e.g. marine growth, corrosion, windage and current drag 

To validate electrical supply quality and power electronic requirements. 

To quantify survival conditions, mooring behaviour and hull seaworthiness 

Manufacturing, deployment, recovery and O&M (component reliability) 

Project planning and management, including licensing, certification, insurance etc. 

 

Stage 4 – Solo Device Validation 

Hull seaworthiness and survival strategies 

Mooring and cable connection issues, including failure modes 

  Infrastructure Access Report: REWELPO 

Rev. 02, 26‐Jul‐2014 Page 9 of 23 

STAGE GATE CRITERIA  Status 

PTO performance and reliability 

Component and assembly longevity 

Electricity supply quality (absorbed/pneumatic power‐converted/electrical power) 

Application in local wave climate conditions 

Project management, manufacturing, deployment, recovery, etc 

Service, maintenance and operational experience [O&M] 

Accepted EIA 

 

Stage 5 – Multi‐Device Demonstration 

Economic Feasibility/Profitability 

Multiple units performance 

Device array interactions 

Power supply interaction & quality 

Environmental impact issues 

Full technical and economic due diligence 

Compliance of all operations with existing legal requirements 

 

1.2.2 PlanForThisAccessCurrently, one of the aspects requiring a further development relates to PTO optimization. Indeed, as mentioned in the  introductory paragraph, only the hydrodynamics and the design of the geometrical configuration of the device were investigated and reliability of the associated methods were assessed against experimental data. For  this  reason, REWELPO  is  aimed  at  beginning  a  systematic  analysis  of  the  PTO  system  coupled  to  a REWEC3 device. In this context, the Tecnalia facility was selected as it provides an effective instrumentation for coupling the available  numerical  codes  of  the  User‐Group  to  the  test‐bench  required  for  pursuing  pertinent  experimental measurements. Considering the criteria planned for this project (see paragraph 1.2.1), this access was conceived for developing the following two points: 

1. Accurately simulate PTO characteristics; 2. Employ real PTO in different sea state conditions. 

This access allows obtaining a first perspective on the problem of PTO ‐ REWEC3 coupling. However, it is also a first stage  to  the  development  of  optimal  control  strategies.  Indeed,  REWELPO was  conceived  for  incrementing  the knowledge of the User‐Group  in the field of control theory and turbine dynamics. So that, future contributions on REWEC3 devices can be given from a broader perspective. 

2 OUTLINEOFWORKCARRIEDOUT

2.1 SETUP

2.1.1 GENERALDESCRIPTIONOFELECTRICALPTOLABIn  conjunction with  the  components of a wave energy  converter mentioned previously, elements devoted  to  the conversion of turbine rotational energy to electrical power and to the  injection of the produced energy to the grid are necessary. In this regard, the electrical conversion stage involves the following elements: 

Electrical generator: there are different typologies such as linear or rotating, asynchronous or synchronous, with different behaviour. The choice of the typology is very important because it influences the choice of the power converter and of the control; 

Power converter: it is the connection between the generator and the electrical grid; 

Associated elements: other components of the electrical conversion system such as Dc‐link Capacitor, DC‐link, chopper resistor, Control boards, etc. 

  Infrastructure Access Report: REWELPO 

Rev. 02, 26‐Jul‐2014 Page 10 of 23 

Therefore, a distinction  can be adopted, by differentiating  the  “device  related part”  (REWEC3 +  turbine) and  the “electrical related part” (PTO, etc.). Along these lines, the electrical infrastructure in Tecnalia is divided in two main parts (Figure 2.1): 

Emulated part: it is the turbine emulator that reproduces the mechanical output of an ocean energy device that capture ocean energy and transform it into rotating motion. It is composed by the motor, the frequency converter to control the motor and the motor control software. The electrical motor is used to re‐create the dynamic response of an ocean energy device, from given input conditions. 

Real part: it is the physical part of the PTO side. It includes the generator, the frequency converter to control the generator and a PLC with the generator control software. It is the same equipment that would be in on the full scale ocean energy device, but it is scaled.  

The connection between the two parts  is the mechanical shaft between the motor and the generator. The system includes: 

electrical generator; 

power electronics; 

sensors; 

control; 

cables to connect to the grid. In order  to  implement correctly  the desired system, key physical  limitations of  the  facility must be accounted  for. Specifically, the main constraints of this facility are: 

maximum power: 28KW; 

maximum rotational speed: 1800 rpm; 

maximum mechanical torque: 100Nm; 

inertia:  the current  installed  inertia  is given by a  flywheel of 1kgm2, but  there  is  the possibility of both  to decrease and  increase  the  inertia  (up  to 8 kgm2), by applying a compensation  torque  to  the  test bench  in order to have the same dynamics as if it had a lower/higher inertia.  

   

Figure 2.1: configuration of the testing infrastructure in Tecnalia. 

 

Figure 2.2: tech‐bench with generator, gear box and motor. 

  Infrastructure Access Report: REWELPO 

Rev. 02, 26‐Jul‐2014 Page 11 of 23 

It is seen that several constraints are present. Therefore, a procedure for the determination of an adequate system must be considered. For the present work, it has been found convenient to adopt a Froude similarity for running the tests, with a scale factor determined according to the maximum mechanical torque. Therefore, a certain system  is first simulated  for determining  the maximum  torque. Then,  the scale  factor  is calculated  in order  to “fit”  the  test bench. Specifically, the scale factor λ is calculated by the equation: 

 benchtest

simulated

T

T

max

max ,  (1) 

Tmax simulated being the maximum torque obtained by simulation and Tmax test bench being the physical upper limit of the mechanical  torque.  In  order  to  maintain  a  constant  scale  factor  over  all  the  tests,  this  parameter  has  been determined by considering  the maximum  simulated  torque over  the  realization of all  the case  studies. Obviously, such a choice affects also the maximum available speed. However, this aspect has not posed any issue, as the plant has been conveniently designed for working in the desired speed range, (see the next paragraph for more details). The whole system runs in a dSPACE using a Matlab/Simulink model and simulates the performance of the device and turbine. The model must emulate  the dynamics of  the REWEC and of  the  turbine.  Its  input  is  the  turbine  speed, which is read from the test‐bench. Its output is the mechanical torque that is applied to the shaft. The dSPACE real‐time board is used to connect the simulation model to the physical world. 

2.1.2 REWEC3CONFIGURATIONThe proposed tests are pursued with the objectives of defining an optimal operational regime under certain wave conditions, which  can  be  further  investigated  in  natural  (uncontrolled)  conditions  at  the NOEL  laboratory  of  the Mediterranea University of Reggio Calabria. Therefore, the choice of the emulated plant as well as the selection of the wave conditions consider both test‐bench requirements and NOEL site conditions. As full scale reference model, a typical plant to be used in the Mediterranea Sea is adopted. The model is similar to the  one  described  by  Boccotti  (2012).  However,  such  a  model  has  been  slightly  modified  in  order  guarantee resonance with  incident waves  and  higher  efficiencies  for  the  imposed  rotational  speeds.  The  plant  is  supposed equipped with  a monoplane Wells  turbine.  In  this  regard,  a  crucial  limit  involved  in  the  choice  of  the  REWEC3 configuration relates to the need of “fitting” the rotational speed  limits of the facility. To this end, the diameter of the turbine has been chosen by invoking the dimensionless flow rate coefficient: 

 R

uU a

*   (2) 

where ua denotes the air velocity through the turbine [m/s], ω the rotational speed of the turbine [rpm], R the radius of the turbine [m]. So that, the diameter has been determined  in order to keep the parameter U* into the optimal range (0.05 ‐0.3), which is associated with the highest efficiency. Figure 2.3 shows a scheme of the REWEC3 considered during the tests. The width of the cell  is 1.2m. Further, the inner diameter of the turbine is 2/3 of the outer diameter (this is a typical ratio for monoplane turbines).  

   

Figure 2.3: size of the REWEC3 plant. 

0.5

2

1.9

+1.90

units in meters

0.55

0.4

0.65

1

  Infrastructure Access Report: REWELPO 

Rev. 02, 26‐Jul‐2014 Page 12 of 23 

2.2 TESTS

2.2.1 TestPlan

2.2.1.1 Pre‐processingThe system  is tested under the action of two categories of sea states: wind‐generated waves; swells. As previously mentioned,  the sea state conditions were chosen with reference  to  the actual sea  that usually occurs at  the Noel site. Table 2.1 summarizes the characteristics of the sea states simulated during the tests. In this regard, note that wind‐generated waves were described by a  JONSWAP  spectrum, while  swells by a  six‐parameter  spectrum  (Ochi, 2005).  

Input  Hs [m]   Tp [s]  ω [rpm]   Type of sea state 

1  0,60  3,30  1700  wind waves 

2  0,60  3,30  1600  wind waves 

3  0,60  3,30  1500  wind waves 

4  0,60  3,30  1400  wind waves 

5  0,60  3,30  1300  wind waves 

6  0,60  3,30  1200  wind waves 

7  0,40  2,70  1700  wind waves 

8  0,40  2,70  1500  wind waves 

9  0,40  2,70  1200  wind waves 

10  0,80  3,80  1700  wind waves 

11  0,80  3,80  1500  wind waves 

12  0,8  3,80  1200  wind waves 

13  0,15  3,30  1700  swells 

14  0,15  3,30  1500  swells 

15  0,15  3,30  1200  swells 

16  0,20  3,60  1700  swells 

17  0,20  3,60  1500  swells 

18  0,20  3,60  1200  swells 

19  0,20  4,00  1700  swells 

20  0,20  4,00  1500  swells 

21  0,20  4,00  1200  swells 

22  0,20  4,50  1700  swells 

23  0,20  4,50  1500  swells 

24  0,20  4,50  1200  swells 

25  0,25  4,00  1700  swells 

26  0,25  4,00  1500  swells 

27  0,25  4,00  1200  swells 

Table 2.1: parameters associated with each case study: significant wave height; peak spectral period; turbine reference rotational speed; sea state spectrum.  

  Infrastructure Access Report: REWELPO 

Rev. 02, 26‐Jul‐2014 Page 13 of 23 

2.2.2 TestprocedureThe dSpace and Simulink/Matlab are implemented for each case study. Figure 2.4 shows the Simulink diagram used during the tests. It consists of two sides. A “test bench” part which connects the emulated part to the real part of the system. A “simulation” part, which  is used for comparison purposes. Obviously, the output of the experiments are the ones obtained  from the “test bench” side. However, a comparison with a theoretical calculation  is pursued  in parallel to the experiment for checking the reliability of the calculations and the correct operational regime of the test bench. Tests were carried out by imposing a constant reference speed to the turbine. To this end a Proportional Control Law has been implemented to provide the desired generator torque. Figure 2.5 shows the Proportional Control Law. This aspect affects also  the  treatment of  the  turbine  inertia.  In  this  regard,  the problem  is  that  the  inertia of  the simulated system does not coincide with the  inertia  in the test bench. Specifically, the  inertia of the Wells turbine and of the real test bench are, respectively, 

  2/2.0 mkgJ d , 

and 

 2/2.1 mkgJ benchtest . 

Several solutions could be used to overcome this problem, both mechanical and analytical. However, in this case an analytical procedure is used in order to emulate the scaled desired inertia (Jd scaled). The desired mechanical behaviour of the test bench is represented by the following equation: 

  Fdt

dJ

J

JTT benchtest

scaledd

benchtestem

)( ,  (3) 

Tm being the mechanical torque applied by the motor (calculated through the mathematical models), Te the resistive torque applied by  the generator  (calculated as output  from  the Proportional  Law), ω  the  rotational  speed of  the turbine and F the friction of the test bench. In this case the friction factor has been considered constant during the whole  test  simulation. Starting  from equation  (3),  solving with  respect  to dω/dt,  the  instantaneous  speed  for  the turbine that emulate the desired inertia for the test bench is computed.  

 

Figure 2.4: Simulink diagram used for emulating the REWEC3 behaviour.  

  Infrastructure Access Report: REWELPO 

Rev. 02, 26‐Jul‐2014 Page 14 of 23 

   

Fig 2.5: Proportional Control Law 

Figure 2.6 shows  the Simulink  representation of  the REWEC3 dynamics. This part of  the code  is connected  to  the main body by receiving as input the rotational speed of the turbine and providing as output the mechanical torque.  

  Infrastructure Access Report: REWELPO 

Rev. 02, 26‐Jul‐2014 Page 15 of 23 

 

  

Figure 2.6: REWEC3 scheme used for computing hydrodynamics of the plant and the turbine mechanical torque. 

 

  Infrastructure Access Report: REWELPO 

Rev. 02, 26‐Jul‐2014 Page 16 of 23 

2.3 RESULTSThe main quantities under investigation are: 

Turbine rotational speed; 

Mechanical torque; 

Power output. 

Figures 2.7 – 2.8 show the output of both the real and the simulated systems for specific case studies. The outputs are obtained by  considering a  fixed  reference  rotational  speed. The  first group  (Figure 2.7)  relates  to a  sea  state compatible with a  JONSWAP  frequency spectrum;  the second group  (Figure 2.8)  relates  to a sea state compatible with swells. Obviously, the figures show short windows extracted from a long record of about 10 minutes. In these cases,  the peak  spectral period of  the  incident waves are close  to  the eigenperiod of  the  system. Thus,  the plant works quite close to resonance. Table  2.2  shows  the  results  of  the  experiments  for  all  the  case  studies.  The  table  compares  the  results  of  the experimental measurements  against  the  numerical  simulation.  Such  results  shows  that  there  is  good  agreement between the experiment and numerical simulation. These outputs are post‐processed in order to determine a characteristic curve of the turbine in a given sea state.  

2.4 ANALYSIS&CONCLUSIONSThe  results  of  the  experiments  are  post‐processed  for  identifying  the  characteristic  curves  of  the  turbine. Computations are pursued starting from the numerical results discussed and summarized in table 2.2. Considering a certain sea state, the curves represent the average mechanical torque versus the reference rotational speed. Such a representation allows identifying the optimal reference speed associated with a sea state. Indeed, it is worth‐mentioning that the power is strictly related to the torque. So that, by representing the torque as a function of the rotational speed, the system can be optimized also in terms of power output. The characteristic curves are shown  in figures 2.9 – 2.12. Specifically, figure 2.9 and 2.11 show the curve obtained from  inputs  pertaining  to wind‐generated waves  and  swells.  The  curves  show  a  comparison with  the  associated curve represented by using the simulated data. Figure 2.10 and 2.12 show the data pertaining to all the  inputs.  In this  regard,  it  is  seen  that  the  experimental  analysis  allowed  to  identify  an optimal  rotational  speed, where  the calculated  curve attains  its maximum. However,  it  is also  seen  that  in  several  cases  the  curves  increase over  the considered speed interval. In conclusion, it is seen that for swell sea states an optimal reference rotational speed is identified along the range of investigated values. On the other hand, it is observed that the peak of the curve in not attained  in  case of wind  generated  sea  states.  This  aspect  is probably  related  to  the  limited  range of  rotational speed. Therefore, this aspect requires further investigations in order to clarify what are the conditions for finding the optimal values.  In addition, the determination of the connection between the spectral shape of the  incident wave field and the optimal speed conditions should be the objectives of further investigations.  

  Infrastructure Access Report: REWELPO 

Rev. 02, 26‐Jul‐2014 Page 17 of 23 

a)

b)

c)

Figure 2.7 – Comparison between the outputs of the real system (blue line) and of the simulated system (red line). Left panels: turbine rotational speed ω [rpm]. Right panels: converted power P [W]. The quantities are expressed in the 

experimental scale. Input data in full scale: Hs = 0.6m; Tp = 3.3s; JONSWAP frequency spectrum; reference turbine rotational speed: a) 1700 rpm; b) 1500 rpm; c) 1200 rpm. 

950

975

1000

1025

1050

1075

1100

500 550 600 650 700

(rpm)

t(s)

experimental scaled speed simulated scaled speed

0

2000

4000

6000

8000

10000

500 550 600 650 700

P(W

)

t(s)

Experimental scaled power Simulated  scaled power

850

875

900

925

950

500 600 700

(rpm)

t(s)

experimental scaled speed simulated scaled speed

0

2000

4000

6000

500 550 600 650 700

P(W

)

t(s)

Experimental scaled power Simulated  scaled power

650

675

700

725

750

775

800

500 600 700

(rpm)

t(s)

experimental scaled speed simulated scaled speed

0

2000

4000

500 550 600 650 700

P(W

)

t(s)

Experimental scaled power Simulated  scaled power

  Infrastructure Access Report: REWELPO 

Rev. 02, 26‐Jul‐2014 Page 18 of 23 

a)

b)

c)

Fig. 2.8 – Comparison between the outputs of the real system (blue line) and of the simulated system (red line). Left panels: turbine rotational speed ω [rpm]. Right panels: converted power P [W]. The quantities are expressed in the experimental 

scale. Input data in full scale: Hs = 0.15m; Tp = 3.3s; swell spectrum; reference turbine rotational speed: a) 1700 rpm; b) 1500 rpm; c) 1200 rpm. 

 

400

500

600

700

800

900

1000

1100

500 550 600 650 700

(rpm)

t(s)

experimental scaled speed simulated scaled speed

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

500 550 600 650 700

P(W

)

t(s)

Experimental scaled power Simulated  scaled power

400

500

600

700

800

900

1000

1100

1200

500 550 600 650 700

(rpm)

t(s)

experimental scaled speed simulated scaled speed

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

500 550 600 650 700

P(W

)

t(s)

Experimental scaled power Simulated  scaled power

400

450

500

550

600

650

700

750

800

500 550 600 650 700

(rpm)

t(s)

experimental scaled speed simulated scaled speed

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

500 550 600 650 700

P(W

)

t(s)

Experimental scaled power Simulated  scaled power

  Infrastructure Access Report: REWELPO 

Rev. 02, 26‐Jul‐2014 Page 19 of 23 

Input Hs [m] Tp [s] ωm exp [rpm]

Tmax exp [Nm]

ωm sim [rpm]

Tmax sim[Nm]

Wind Waves

1 1 0,6 3,30 1039,80 74,21 1040,10 72,17 2 0,6 3,30 967,59 64,45 965,08 63,46 3 0,6 3,30 915,91 57,39 916,97 55,84 4 0,6 3,30 853,71 49,79 855,27 48,47 5 0,6 3,30 791,44 44,04 793,95 41,67 6 0,6 3,30 729,10 37,70 732,53 35,40

2 7 0,4 2,70 1037,90 74,75 1038,60 72,19 8 0,4 2,70 915,33 57,44 916,31 55,82 9 0,4 2,70 729,70 36,90 732,01 35,39

3 10 0,8 3,81 1040,60 74,68 1041,40 72,18 11 0,8 3,81 916,03 58,12 917,48 55,84 12 0,8 3,81 729,24 37,05 731,76 35,37

Swells

4 13 0,15 3,3 885,76 42,40 905,34 41,72 14 0,15 3,3 831,22 42,74 814,33 42,89 15 0,15 3,3 691,25 32,41 690,03 32,12

5 16 0,2 3,6 993,52 46,30 995,90 46,23 17 0,2 3,6 882,66 49,12 884,71 49,09 18 0,2 3,6 716,73 35,92 714,78 35,34

6 19 0,2 4 976,90 44,05 976,26 44,07 20 0,2 4 874,56 51,41 869,69 52,00 21 0,2 4 709,13 35,59 705,39 35,11

7 28 0,2 4,5 936,48 44,37 936,8 43,56 29 0,2 4,5 867,30 40,84 835,46 41,73 30 0,2 4,5 699,26 31,11 697,9 31,05

8 31 0,25 4 1007,7 67,165 1006,5 66,73 32 0,25 4 895,13 55,72 897,29 55,26 33 0,25 4 719,59 36,12 720,86 35,37

Tab. 2.2 – Results of the experiments and from numerical simulations. It has been defined: Hs significant wave height of the sea state, Tp peak period of the sea state, ωref reference turbine rotational speed (full‐scale), ωexp mean value of the 

experimental rotational speed, Tmax exp maximum experimental torque, ωsim mean value of the simulated rotational speed, Tmax sim maximum simulated torque. All quantities, except for ωref, are in the experimental scale. 

 

  Infrastructure Access Report: REWELPO 

Rev. 02, 26‐Jul‐2014 Page 20 of 23 

Fig. 2.9 – Maximum turbine torque against the average turbine rotational speed for the case study shown in Table 2.1. 

Continuous line: experimental curve. Dotted line: numerical simulation. 

 

Fig. 2.10 – Maximum experimental torque against average turbine rotational speed in wind‐generated seas. 

30

40

50

60

70

80

700 800 900 1000 1100

T[Nm]

[rpm]

1 EXP

1 SIM

30

40

50

60

70

80

700 800 900 1000 1100

T[Nm]

[rpm]

2 EXP

2 SIM

30

40

50

60

70

80

700 800 900 1000 1100

T[Nm]

[rpm]

3 EXP

3 SIM

20

30

40

50

60

70

80

600 700 800 900 1000 1100

T[Nm]

m[rpm]

1 EXP

2 EXP

3 EXP

  Infrastructure Access Report: REWELPO 

Rev. 02, 26‐Jul‐2014 Page 21 of 23 

Fig. 2.11 – Maximum turbine torque against the average turbine rotational speed for the case study shown in Table 2.1. 

Continuous line: experimental curve. Dotted line: numerical simulation. 

30

35

40

45

50

55

700 800 900 1000 1100

T[Nm]

[rpm]

4 EXP

4 SIM

30

35

40

45

50

55

700 800 900 1000 1100

T[Nm]

[rpm]

5 EXP

5 SIM

30

35

40

45

50

55

700 800 900 1000 1100

T[Nm]

[rpm]

6 EXP

6 SIM

30

35

40

45

50

700 800 900 1000 1100

T[Nm]

[rpm]

7 EXP

7 SIM

30

40

50

60

70

700 800 900 1000 1100

T[Nm]

[rpm]

8 EXP

8 SIM

  Infrastructure Access Report: REWELPO 

Rev. 02, 26‐Jul‐2014 Page 22 of 23 

Fig. 2.12 – Cumulated experimental turbine power curves for swells sea states. 

3 MAINLEARNINGOUTCOMES

3.1 PROGRESSMADEThe proposed MARINET project has been developed with the objective of starting an overall analysis of the REWEC3 – PTO system. In this context, the key conclusion of the project relates to the determination of the optimal reference rotational speed  for a given sea state. However,  it  is worth‐mentioning  that  the project has  revealed  the need of conducting  deeper  analyses  in  order  to  investigate  the  optimization  problem  in  the  context  of wind‐generated waves.  Indeed,  it has been  found  that  the average power output  is an  increasing  function of  the rotational speed over the considered range. Thus, further case studies must be considered. In this regard, the problem is expected to be relevant from a scientific perspective, as in the open literature the connection between the spectral shape of the incident wave field and the optimal working conditions of a REWEC3 are largely unexplored. 

3.1.1 ProgressMade:ForThisUser‐GrouporTechnologyThis MARINET project was developed on the REWEC3 – PTO interaction. However, the User‐Group worked primarily on problems pertaining  to  the plant dynamics. Thus,  this project has been  a  key opportunity  for  introducing  the group to the PTO related problems. Thus, the first progress is connected to the knowledge acquired in the context of the PTO implementation and the related control theory. From a technology perspective,  it  is seen that the project has faced for the first time the problem of coupling the REWEC3 to a PTO system. 

3.1.1.1 NextStepsforResearchorStagedDevelopmentPlan–Exit/Change&Retest/Proceed?The next steps of the research are: 

Identification of the optimal operational speeds in wind‐generated sea‐states; 

Development of effective control laws for increasing the average converted power. 

3.1.2 ProgressMade:ForMarineRenewableEnergyIndustryThe  REWEC3  –  PTO  interaction  is, with  this  project,  at  its  early  stage  of  development.  In  this  context,  the  key progresses from an industry perspective are: 

30

35

40

45

50

55

60

65

70

75

80

500 600 700 800 900 1000 1100

T[Nm]

[rpm]

4 EXP

5 EXP

6 EXP

7 EXP

8 EXP

  Infrastructure Access Report: REWELPO 

Rev. 02, 26‐Jul‐2014 Page 23 of 23 

Experimental analysis  in a  test bench  can be  conducted with  the  stipulation  that  resonance  is preserved during the scaling. 

At full scale a control law is required for maximizing the absorbed power. However, this must accounts for the full spectral content of the incoming waves, and not only to a single parameter. 

3.2 KEYLESSONSLEARNED Froude  similarity  cannot  be  adopted  for  scaling  the  REWEC3  due  to  its  nonlinear  behaviour,  but  can  be 

employed for scaling properly input and output of the PTO. 

The coupled REWEC3 – PTO behaviour  in wind‐generated seas  is quite different with  respect  to swell sea states. 

Optimal speeds can be identified for a given sea state, but the spectral shape of the incoming wave plays a remarkable role. Thus, a single parameter (such as significant wave height) is not sufficient for selecting the optimal speed. 

4 REFERENCESArena, F., et al. (2013). On design and building of a U‐OWC wave energy converter in the Mediterranean Sea: a case 

study. Proc. of the 32nd International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering, OMAE2013, Nantes, France. 

Boccotti, P. (2003). "On a new wave energy absorber." Ocean Engineering 30(9): 1191‐1200. Boccotti, P. (2007a). "Comparison between a U‐OWC and a conventional OWC." Ocean Engineering 34(5‐6): 799‐805. Boccotti,  P.  (2007b).  "Caisson  breakwaters  embodying  an  OWC  with  a  small  opening—Part  I:  Theory."  Ocean 

Engineering 34(5‐6): 806‐819. Boccotti, P. (2012). "Design of breakwater for conversion of wave energy into electrical energy." Ocean Engineering 

51(0): 106‐118. Boccotti, P., et al. (2007). "Caisson breakwaters embodying an OWC with a small opening‐Part II: A small‐scale field 

experiment." Ocean Engineering 34(5‐6): 820‐841. Malara, G. and F. Arena (2013). "Analytical modelling of an U‐Oscillating Water Column and performance in random 

waves." Renewable Energy 60: 116‐126. Ochi, M.  K.  (2005).  Ocean Waves:  The  Stochastic  Approach.  Cambridge,  United  Kingdom,  Cambridge  University 

Press.