Published June 14, 2016 | Version v1
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Characterization of the functioning of an undulating membrane to recover energy from marine currents

Description

This manuscript presents three approaches: analytical, experimental and numerical, to study the behaviour of a flexible membrane tidal energy converter. This technology, developed by the EEL Energy company, is based on periodic deformations of a pre-stressed flexible structure. Energy converters, located on each side of the device, are set into motion by the wave-like motion. In the analytical model, the membrane is represented by a linear beam model at one dimension and the flow by a 3 dimensions potential fluid. The fluid forces are evaluated by the elongated body theory. Energy is dissipated all over the length of the membrane. A 20. scale experimental prototype has been designed with micro-dampers to simulate the power take-off. Trials have allowed to validate the undulating membrane energy converter concept. A numerical model has been developed. Each element of the device is represented and the energy dissipation is done by dampers element with a damping law linear to damper velocity. Comparison of the three approaches validates their ability to represent the membrane behaviour without damping. The energy dissipation applied with the analytical model is clearly different from the two other models because of the location (where the energy is dissipated) and damping law. The two others show a similar behaviour and the same order of power take off repartition but value of power take off are underestimated by the numerical model. This three approaches have allowed to put forward key-parameters on which depend the behaviour of the membrane and the parametric study highlights the complementarity and the advantage of developing three approaches in parallel to answer industrial optimization problems. To make the link between trials in flume tank and sea trials, a 1/6. prototype has been built. To do so, the change of scale was studied. The behaviour of both prototypes is compared and differences could be explained by differences of boundary conditions and confinement effects. To evaluated membrane long-term behaviour at sea, a method of ageing accelerated by temperature and fatigue tests have been carried out on prototype materials samples submerged in sea water. (author)

Abstract (French)

Cette these presente les trois approches: analytique, experimentale et numerique developpees pour etudier le comportement d'une hydrolienne a membrane ondulante. Cette technologie, portee par l'entreprise EEL Energy, est basee sur les deformations periodiques d'une structure flexible pre-contrainte. Des convertisseurs d'energie, positionnes de part et d'autre du systeme, sont actionnes par le mouvement d'ondulation. Analytiquement, la membrane est representee par un modele lineaire de poutre a une dimension et l'ecoulement par un fluide potentiel 3D. L'action du fluide sur la membrane est evaluee par la theorie des corps elances. L'energie est dissipee de facon continue sur la longueur de la membrane. Experimentalement, un prototype a l'echelle 1/20ieme a ete developpe, des micro-verins permettent de simuler l'energie produite. Les essais avec le prototype 1/20ieme ont permis de valider le concept d'hydrolienne a membrane ondulante et le mode de recuperation d'energie. Un modele numerique 2D elements finis a ete mis au point. Chaque element constitutif de la membrane y est reproduit, la dissipation d'energie est realisee par des elements dissipatifs mais la loi d'amortissement est limitee a un amortissement lineaire en vitesse. La comparaison des resultats issus de ces trois modeles a permis de valider leur bonne capacite a reproduire le comportement de la membrane sans conversion d'energie. La dissipation d'energie appliquee avec le modele analytique se distingue clairement des deux autres modeles de par sa localisation mais aussi par la loi d'amortissement utilisee. Les autres modeles sont coherents entre eux et, si on ne parvient pas a correler les resultats de puissance dissipee, le comportement du systeme et la repartition de la puissance dissipee le long de la membrane sont semblables. Ces trois approches ont permis de mettre en avant les parametres cles dont depend le comportement de la membrane et l'etude parametrique demontre la complementarite et l'interet du developpement conjoint des modeles dans un soucis industriel d'optimisation du systeme. Le developpement d'un prototype a l'echelle superieure (1/6ieme), devant faire le lien entre les essais en bassin et les essais en mer, a permis de travailler sur les effets d'echelle. Des differences de comportements sont observees entre ces deux prototypes mais elles sont dues en partie a des differences de conditions aux limites et en partie a des effets de confinements tres importants. Pour evaluer la tenue sur le long terme du prototype, ses composants (composite, elastomere) ont ete caracterises precisement et des essais de vieillissement accelere par temperature ainsi que des essais de fatigue ont ete mis en place sur des echantillons de matiere. (auteur)

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Original title (French)
Caracterisation du fonctionnement d'une hydrolienne a membrane ondulante pour la recuperation de l'energie des courants marins

Publishing Information

Imprint Pagination
238 p.
Report number
FRNC-TH--10702

Optional Information

Notes
[170 refs.]; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses