marine renewables infrastructure network · 2019. 5. 2. · entrale de nante e pour l'exploita...

20
Infrastructure Access Report Infrastructure: UCCHMRC Ocean Wave Basin UserProject: JOULES Wavetrain Performance of the JOULES Wavetrain WEC Joules Energy Efficiency Services Ltd Marine Renewables Infrastructure Network Status: Draft Version: 01 Date: 17Jan2013 EC FP7 “Capacities” Specific Programme Research Infrastructure Action

Upload: others

Post on 10-Jun-2021

0 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Marine Renewables Infrastructure Network · 2019. 5. 2. · entrale de Nante e Pour l'Exploita la Mer (IFR United K rgy Centre Ltd. (ersity of Exeter (ergy Centre Ltd. rathclyde (UNI_S

 

 

 

Infrastructure Access Report 

Infrastructure: UCC‐HMRC Ocean Wave Basin 

User‐Project: JOULES ‐ Wavetrain 

Performance of the JOULES Wavetrain WEC   

Joules Energy Efficiency Services Ltd  

 

Marine Renewables Infrastructure Network

Status:  Draft Version:  01 Date:    17‐Jan‐2013 

 

EC FP7 “Capacities” Specific Programme Research Infrastructure Action 

Page 2: Marine Renewables Infrastructure Network · 2019. 5. 2. · entrale de Nante e Pour l'Exploita la Mer (IFR United K rgy Centre Ltd. (ersity of Exeter (ergy Centre Ltd. rathclyde (UNI_S

ABMARof reenerand acro MARComas wareaavai4‐ye MARdevevarioin or The acce Par 

 

 

 

 

 

BOUT MRINET (Marinesearch centrgy ‐ wave, truns for fou

oss 11 EU cou

RINET  offersmpanies and wave energyas such as polable to an eear initiative.

RINET  partnelopment prous facilitiesrder to facilit

aim of the ielerate the co

tners 

MARINEne Renewabtres and orgatidal & offshour years untiluntries and 1

s  periods  ofresearch groy,  tidal energower take‐ofestimated 30. 

ers  are  alsorocess, conds in the netwtate partner

nitiative is toommercialis

Univ

Sustainable 

Institut Fran

Nationa

Euro

Tec

ET bles  Infrastruanisations thore‐wind.  Thl 2015.  The 1 Internation

f  free‐of‐chaoups can avagy, offshore‐ff systems, g00 projects a

o  working  tucting reseawork in orderships and kn

o streamlineation of mar

versity College Co

Energy Authority

Aa

Danmarks Tekn

Ecole C

nçais de Recherch

al Renewable Ene

The Univ

opean Marine En

University of St

The Universi

Queen’s 

P

Ente V

cnalia Research &

Rev.

ucture Netwohat are workihe initiative network of nal Cooperat

arge  access ail of this Tra‐wind  energgrid integratind 800 exter

to  implemenarch to  impror to enhancenowledge exc

e the capabilrine renewab

ork, HMRC (UCC_Coor

y of Ireland (SEAI_

Dealborg Universite

niske Universitet 

Centrale de Nante

he Pour l'Exploitala Mer (IFR

United Kergy Centre Ltd. (

versity of Exeter (

nergy Centre Ltd. 

rathclyde (UNI_S

ity of Edinburgh (

University Belfas

Plymouth Univers

Vasco de la Energ

& Innovation Fou(TEC

B1‐Tech (1

Infrast

. 01, 17‐Jan‐2Page 2 of 19

ork for emeing togetheris funded thr29 partners ion Partner C

to  test  facansnational Agy  and enviroion, materiarnal users, w

nt  common ove testing ce personnel change.   

ities of test ble energy.  S

Ireland _HMRC) rdinator 

 

_OEDU)  

enmark et (AAU) 

 

(RISOE)  

France es (ECN) 

 

ation de REMER) 

 

ingdom NAREC) 

 

UNEXE)  

(EMEC)  

STRATH)  

(UEDIN)  

st (QUB)  

sity(PU)  

Spain ía (EVE) 

 

ndation CNALIA) 

Belgium 1_TECH) 

 

 

NeSti 

Sti(EC 

GeFraAn 

Go 

Un 

PoW(W 

ItaUn 

Un 

Un 

Co 

BrInsPa 

NoSin 

No(N 

tructure Acc

2013 9 

rging Energyto acceleratrough the ECwith 42 specCountry (Bra

cilities  at  a Access (TA) tonmental dals or moorinwith at least f

standards capabilities aexpertise an

infrastructurSee www.fp7

etherlandsichting Tidal Test

ichting EnergieonCNeth) 

ermany aunhofer‐Gesellsngewandten Fors

ottfried Wilhelm 

niversitaet Stuttg

ortugal ave Energy Centr

WavEC) 

aly niversità degli Stu

niversità degli Stu

niversità degli Stu

onsiglio Nazionale

razil stituto de Pesquiaulo S.A. (IPT) 

orway ntef Energi AS (SI

orges Teknisk‐NatTNU) 

ess Report: J

y Technologite the develoC's Seventh Fcialist marinazil). 

range  of  wto test devicata or  to  congs.  In total,four calls for

for  testing across the nend organising

res in order 7‐marinet.eu

ing Centre (TTC) 

nderzoek Centrum

schaft Zur Foerdechung E.V (Fh_IW

Leibniz Universitä

art (USTUTT) 

re – Centro de En

udi di Firenze (UN

udi di Firenze (UN

udi della Tuscia (U

e delle Ricerche (

sas Tecnológicas 

NTEF)  

turvitenskapelige

JOULES ‐

es)  is an EC‐opment of mFramework Pe research fa

world‐class  reces at any sconduct  tests , over 700 wr access appl

in  order  toetwork, provg industry ne

to enhance u for more d

m Nederland 

erung Der WES) 

ät Hannover (LUH

nergia das Ondas 

NIFI‐CRIACIV) 

NIFI‐PIN) 

UNI_TUS) 

CNR‐INSEAN) 

do Estado de São

e Universitet 

‐ Wavetr

‐funded netwmarine renewProgramme (acilities is sp

esearch  cenale in areas on  cross‐cu

weeks of acceications ove

o  streamlineviding traininetworking ev

their impactetails. 

H) 

rain 

work wable (FP7) pread 

ntres.  such 

utting ess is r the 

e  the ng at vents 

t and 

Page 3: Marine Renewables Infrastructure Network · 2019. 5. 2. · entrale de Nante e Pour l'Exploita la Mer (IFR United K rgy Centre Ltd. (ersity of Exeter (ergy Centre Ltd. rathclyde (UNI_S

Infrastructure Access Report: JOULES ‐ Wavetrain 

Rev. 01, 17‐Jan‐2013 Page 3 of 19 

DOCUMENT INFORMATION Title  Performance of the JOULES Wavetrain WEC Distribution  Public Document Reference  MARINET‐TA1‐JOULES ‐ Wavetrain User‐Group Leader, Lead Author 

 

Dr Nicholas Wells  Joules Energy Efficiency Services Ltd. 10 Edenderry Road, Belfast, BT8 8LD, N. Ireland. [email protected] 

User‐Group Members, Contributing Authors 

 

Dr Bjoern Elsaesser  Queens University Belfast                  

Infrastructure Accessed:  UCC‐HMRC Ocean Wave Basin Infrastructure Manager (or Main Contact) 

Brian Holmes 

 

REVISION HISTORY Rev.  Date  Description  Prepared by 

(Name) Approved By Infrastructure 

Manager 

Status (Draft/Final)

01  17/01/13  Infrastructure Access Report  Dr Nick Wells                           

 

   

Page 4: Marine Renewables Infrastructure Network · 2019. 5. 2. · entrale de Nante e Pour l'Exploita la Mer (IFR United K rgy Centre Ltd. (ersity of Exeter (ergy Centre Ltd. rathclyde (UNI_S

Infrastructure Access Report: JOULES ‐ Wavetrain 

Rev. 01, 17‐Jan‐2013 Page 4 of 19 

ABOUT THIS REPORT One 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.  

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

LEGAL DISCLAIMER The 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. 

Page 5: Marine Renewables Infrastructure Network · 2019. 5. 2. · entrale de Nante e Pour l'Exploita la Mer (IFR United K rgy Centre Ltd. (ersity of Exeter (ergy Centre Ltd. rathclyde (UNI_S

Infrastructure Access Report: JOULES ‐ Wavetrain 

Rev. 01, 17‐Jan‐2013 Page 5 of 19 

EXECUTIVE SUMMARY The “Wavetrain” device is a Wave Energy Converter (WEC) Concept designed by Dr Nick Wells of Joules E. E. S. Ltd.  The device is based on a floating oscillating body enclosing a water column which serves as an inertial reference and is inclined at an angle of 45° downwards against the wave propagation direction. The current design consists of three floating bodies connected to each other, with the leading device connected to a floating buoy. The picture in Figure 1  shows  the  three  devices  in  the HMRC wave  tank. A  number  of  theoretical  investigations  have  taken  place  to examine the  likely performance of this wave energy converter.  In essence the device can be perceived as a hybrid between an attenuator and an array of three point absorbers.  Each individual device acts as a point absorber to the incident wave, although as a  linked system  it shows some of the  interdependence of an attenuator WEC. An  initial set of tests was conducted  in June 2010 at the QUB, Portaferry wave tank that  indicated a relatively good capture performance.  

 Figure 1: Initial floating test at HMRC wave tank 

 The key objective of the HMRC tests was to determine the individual body motions for all three articulated modules in  the Wavetrain device and  to ascertain  if  the estimated  response amplitude operators are  realistic  in  terms of overall performance of the full‐scale integrated system. The second objective was to measure the axial forces in the tubular struts forming part of the device articulation mechanism and mooring system. Knowledge of these forces will enable detailed structural design optimisation of the strut system and articulated joints.  Both  key  objectives were  achieved  in  the Marinet  funded  tests  at  HMRC with  a  total  of  65  separate  test  runs accomplished during the allocated test period.  

Page 6: Marine Renewables Infrastructure Network · 2019. 5. 2. · entrale de Nante e Pour l'Exploita la Mer (IFR United K rgy Centre Ltd. (ersity of Exeter (ergy Centre Ltd. rathclyde (UNI_S

Infrastructure Access Report: JOULES ‐ Wavetrain 

Rev. 01, 17‐Jan‐2013 Page 6 of 19 

CONTENTS  

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

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

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

2.1  SETUP ................................................................................................................................................................. 9 2.2  TESTS ............................................................................................................................................................... 14 2.2.1  Test Plan .................................................................................................................................................... 14 2.3  RESULTS ............................................................................................................................................................ 14 2.4  ANALYSIS & CONCLUSIONS ................................................................................................................................... 16 

3  MAIN LEARNING OUTCOMES ......................................................................................................................... 16 

3.1  PROGRESS MADE ............................................................................................................................................... 16 3.1.1  Progress Made: For This User‐Group or Technology ................................................................................. 17 3.1.2  Progress Made: For Marine Renewable Energy Industry .......................................................................... 17 3.2  KEY LESSONS LEARNED ........................................................................................................................................ 17 

4  FURTHER INFORMATION ................................................................................................................................ 18 

4.1  SCIENTIFIC PUBLICATIONS .................................................................................................................................... 18 4.2  WEBSITE & SOCIAL MEDIA ................................................................................................................................... 18 

5  REFERENCES ................................................................................................................................................... 18 

6  APPENDICES ................................................................................................................................................... 18 

6.1  STAGE DEVELOPMENT SUMMARY TABLE ................................................................................................................ 18 6.2  ANY OTHER APPENDICES ........................................................................................ ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. 

 

Page 7: Marine Renewables Infrastructure Network · 2019. 5. 2. · entrale de Nante e Pour l'Exploita la Mer (IFR United K rgy Centre Ltd. (ersity of Exeter (ergy Centre Ltd. rathclyde (UNI_S

Infrastructure Access Report: JOULES ‐ Wavetrain 

Rev. 01, 17‐Jan‐2013 Page 7 of 19 

1 INTRODUCTION & BACKGROUND 

1.1 INTRODUCTION The Hydraulics & Maritime Research Centre, UCC  is a small scale  testing  facility  in Cork,  Ireland. The Ocean Wave Basin has a water depth of 1.0m. The periods generated by the wave maker range from 2.0 seconds to 0.66 seconds with wave heights significantly  in excess of 0.2m. The Cork wave basin also allows polychromatic wave generation with  good  absorption  capability  both  at  the  end  of  the wave  tank  and  at  the wave maker.  The  tank has  a  fully automatic data acquisition system with A/D converter and motion tracking cameras and software.  The Wavetrain device had been tested previously at the QUB, Belfast and Portaferry facilities during initial concept validation work  in the period June –September 2010. The Marinet funded tests at HMRC are designed to measure device motions and forces for a range of sea conditions to provide validation evidence for the numeric model. 

 

1.2 DEVELOPMENT SO FAR 

1.2.1 Stage Gate Progress Previously 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 (DofF) 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 

Page 8: Marine Renewables Infrastructure Network · 2019. 5. 2. · entrale de Nante e Pour l'Exploita la Mer (IFR United K rgy Centre Ltd. (ersity of Exeter (ergy Centre Ltd. rathclyde (UNI_S

Infrastructure Access Report: JOULES ‐ Wavetrain 

Rev. 01, 17‐Jan‐2013 Page 8 of 19 

STAGE GATE CRITERIA  Status  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 

• 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 Plan for this Access  The test programme was conducted in two sessions on 10th and 11th January 2013. The models were built over the Christmas break  in December 2012 and fitted  in HMRC, Cork with suitable pressure sensors and the  load sensor  in the period 7th to 9th January.  

Objectives Following the ‘Development Protocol’ the objectives for this access fall within TRL 1 – Confirmation of Operation and TRL  2  Performance  Convergence.    During  the  trials  verification  of  the  design  variables  and  physical  process  is completed and the physical process of the motion of the Wavetrain device and the power take‐off mechanism are validated together with obtaining information to validate and calibrate the mathematical model damping effect and phase. Logarithmic Decrement tests were used to determine the effective damping coefficient and real generic sea tests used  to gain  information on  the PTO damping, natural periods, power absorption  characteristics and wave‐device response phase relationships.  

Page 9: Marine Renewables Infrastructure Network · 2019. 5. 2. · entrale de Nante e Pour l'Exploita la Mer (IFR United K rgy Centre Ltd. (ersity of Exeter (ergy Centre Ltd. rathclyde (UNI_S

Infrastructure Access Report: JOULES ‐ Wavetrain 

Rev. 01, 17‐Jan‐2013 Page 9 of 19 

The  outputs  that  will  be  determined  include  the  device  stability  and  motion  response  amplitude  operators. Pressure/force, velocity RAO’s with phase diagrams, and power conversion characteristic time histories. In addition evaluation of the test video  is expected to reveal hull seaworthiness, any excessive rotations or submergence. The water surface abeam of the device modules was also measured and recorded with the other data.   The  objective  was  to  test  for  a  range  of  monochromatic  wave  periods  the  individual  module  motions  while simultaneously measuring the  load  in the connecting tubular struts. These tests were repeated  for three different wave amplitudes of 5, 10 and 20mm, (0.4, 0.8 and 1.6m at full scale). Following this a number of tests were to be carried out using various polychromatic Bretschneider wave spectral forms with small amplitude waves.  A sequence of polychromatic Bretschneider wave spectral forms with Cosine2 and Cosine8 spreading functions were undertaken to complete the programme of work.   

Primary Scale  The primary scale of the tests was 1:80.   

Facility  The HMRC facility is a 3D basin for use with scales 1:25 to 1:100 

2 OUTLINE OF WORK CARRIED OUT 

2.1 SETUP   

 Figure 2: Setup of model at HMRC wave basin with motion tracking system 

 The model of the Wavetrain device was purpose built for this study at a scale of 1 in 80th and was made from HDPE quadrangular  sections. The  floating  chamber was  filled with  closed‐cell polyurethane  foam  to maintain buoyancy should the upper part of the model be temporarily submerged. As shown above the design consists of three floating bodies  connected  to  each  other, with  the  leading  device  connected  to  a  floating  buoy.  The  three modules  are connected by  inclined tubular struts with universal  joints at each end. These tubes are pivoted at the back of each module close to the water line and connected to the front toe of the module immediately behind. The first module in this chain is connected through the same tubular struts to a cylindrical floating buoy. On each side an elastic cable 

Page 10: Marine Renewables Infrastructure Network · 2019. 5. 2. · entrale de Nante e Pour l'Exploita la Mer (IFR United K rgy Centre Ltd. (ersity of Exeter (ergy Centre Ltd. rathclyde (UNI_S

Infrastructure Access Report: JOULES ‐ Wavetrain 

Rev. 01, 17‐Jan‐2013 Page 10 of 19 

connection  is made, which maintains, when  acting  against  the module’s  natural  hydrostatic  stiffness  in  pitch  a constant spacing between the lead buoy and the last module. The two middle modules are free to move along this connection, thus giving almost unrestricted heave and surge of each device. The floating cylindrical buoy is restricted in  terms of surge  through a catenary mooring chain system, which connects  to a  fixed mooring point on  the  tank floor. The last device is connected through a long and almost horizontal mooring line to a mooring point at the rear of the tank to maintain device alignment when no waves are present. A very low stiffness spring connection allows low surge restraint and almost unrestricted heave motion.  Following this initial phase the model was prepared for testing with three suitable pressure sensors and a set of six twin‐wire wave probes, one on each of the inclined internal water columns. In addition four light reflective spheres were attached to each module to facilitate the individual motion tracking together with a miniature force transducer installed in one of the tubular struts.   

 Figure 3: Close up of a module with the reflective motion tracking system 

 

Page 11: Marine Renewables Infrastructure Network · 2019. 5. 2. · entrale de Nante e Pour l'Exploita la Mer (IFR United K rgy Centre Ltd. (ersity of Exeter (ergy Centre Ltd. rathclyde (UNI_S

Infrastructure Access Report: JOULES ‐ Wavetrain 

Rev. 01, 17‐Jan‐2013 Page 11 of 19 

  

Figure 4: Close up of the force transducer system integrated with the tubular strut   The summary  table  for  the Free Oscillation  tests  is given below.  In  the  third  test  the solo device was  floating  in a more upright manner at an angle of 47 degrees  resulting  in a shifted shorter natural period  in view of  the  larger resolved area of the water plane and hence larger hydrostatic stiffness.     Model  Natural 

Period Model  Natural Frequency 

Full Scale Natural Period 

Damping Coefficient 

1. Free Oscillation Module 2  1.09  0.914  9.75  0.232 2. Free Oscillation Module 3  1.03  0.976  9.17  0.114 3. Free Oscillation Solo Device  0.844  1.19  7.55  0.165 

Table 2.1 Free Oscillation Tests 

 The  following Table gives the series of calibrated  frequencies  for use with tank testing.   The actual model periods have also been transcribed to full scale periods for a model scale of 1:80. These frequencies were used for all of the monochromatic testing in HMRC.  Tank Frequency Set  Model  Scale 

Period Model    Scale Frequency 

Full Scale Period 

1. F2  1.79  0.56  16.0 2. F3  1.59  0.63  14.2 3. F4  1.45  0.69  13.0 4. F5  1.33  0.75  11.9 5. F6  1.23  0.81  11.0 6. F7  1.14  0.88  10.2 7. F8  1.06  0.94  9.48 8. F9  1.00  1.00  8.94 9. F10  0.80  1.25  7.15 10. F11  0.69  1.44  6.17 

Table 2.2 Tank Calibrated Frequency Set 

Page 12: Marine Renewables Infrastructure Network · 2019. 5. 2. · entrale de Nante e Pour l'Exploita la Mer (IFR United K rgy Centre Ltd. (ersity of Exeter (ergy Centre Ltd. rathclyde (UNI_S

Infrastructure Access Report: JOULES ‐ Wavetrain 

Rev. 01, 17‐Jan‐2013 Page 12 of 19 

The following monochromatic test sets were completed for the Wavetrain device. The Table provides  information on the test parameters but not on the output results which will require more time to compute and analyse. The test code system was based on M/R _ Fn _ Hn where M/R denotes Monochromatic  or Polychromatic waves, Fn denotes the model scale frequency set and Hn denotes model scale wave height in mm. Video records were taken for each data set. Total test times were approximately 1 minute after allowance for reaching steady state conditions.  Test Set  Date  Model Scale Period  Model  Scale Frequency  Full Scale Period  Model Scale Waveheight  Full Scale Waveheight 

M_F2_H10  10/01/13  1.79  0.56  16.0  10mm  0.8m M_F3_H10  10/01/13  1.59  0.63  14.2  10mm  0.8m M_F4_H10  10/01/13  1.45  0.69  13.0  10mm  0.8m M_F5_H10  10/01/13  1.33  0.75  11.9  10mm  0.8m M_F6_H10  10/01/13  1.23  0.81  11.0  10mm  0.8m M_F7_H10  10/01/13  1.14  0.88  10.2  10mm  0.8m M_F8_H10  10/01/13  1.06  0.94  9.48  10mm  0.8m M_F9_H10  10/01/13  1.00  1.00  8.94  10mm  0.8m M_F10_H10  10/01/13  0.80  1.25  7.15  10mm  0.8m M_F11_H10  10/01/13  0.69  1.44  6.17  10mm  0.8m M2_F2_H10  11/01/13  1.79  0.56  16.0  10mm  0.8m M2_F3_H10  11/01/13  1.59  0.63  14.2  10mm  0.8m M2_F4_H10  11/01/13  1.45  0.69  13.0  10mm  0.8m M2_F5_H10  11/01/13  1.33  0.75  11.9  10mm  0.8m M2_F6_H10  11/01/13  1.23  0.81  11.0  10mm  0.8m M2_F7_H10  11/01/13  1.14  0.88  10.2  10mm  0.8m M2_F8_H10  11/01/13  1.06  0.94  9.48  10mm  0.8m M2_F9_H10  11/01/13  1.00  1.00  8.94  10mm  0.8m M2_F10_H10  11/01/13  0.80  1.25  7.15  10mm  0.8m M2_F11_H10  11/01/13  0.69  1.44  6.17  10mm  0.8m M3_F2_H20  10/01/13  1.79  0.56  16.0  20mm  1.6m M3_F3_H20  10/01/13  1.59  0.63  14.2  20mm  1.6m M3_F4_H20  10/01/13  1.45  0.69  13.0  20mm  1.6m M3_F5_H20  10/01/13  1.33  0.75  11.9  20mm  1.6m M3_F6_H20  10/01/13  1.23  0.81  11.0  20mm  1.6m M3_F7_H20  10/01/13  1.14  0.88  10.2  20mm  1.6m M3_F8_H20  10/01/13  1.06  0.94  9.48  20mm  1.6m 

Page 13: Marine Renewables Infrastructure Network · 2019. 5. 2. · entrale de Nante e Pour l'Exploita la Mer (IFR United K rgy Centre Ltd. (ersity of Exeter (ergy Centre Ltd. rathclyde (UNI_S

Infrastructure Access Report: JOULES ‐ Wavetrain 

Rev. 01, 17‐Jan‐2013 Page 13 of 19 

M3_F9_H20  10/01/13  1.00  1.00  8.94  20mm  1.6m M3_F10_H20  10/01/13  0.80  1.25  7.15  20mm  1.6m M3_F11_H20  10/01/13  0.69  1.44  6.17  20mm  1.6m M4_F2_H40  11/01/13  1.79  0.56  16.0  40mm  3.2m M4_F2_H40  11/01/13  1.59  0.63  14.2  40mm  3.2m M4_F2_H40  11/01/13  1.45  0.69  13.0  40mm  3.2m M4_F2_H40  11/01/13  1.33  0.75  11.9  40mm  3.2m M4_F2_H40  11/01/13  1.23  0.81  11.0  40mm  3.2m M4_F2_H40  11/01/13  1.14  0.88  10.2  40mm  3.2m M4_F2_H40  11/01/13  1.06  0.94  9.48  40mm  3.2m M4_F2_H40  11/01/13  1.00  1.00  8.94  40mm  3.2m M4_F2_H40  11/01/13  0.80  1.25  7.15  40mm  3.2m M4_F2_H40  11/01/13  0.69  1.44  6.17  40mm  3.2m  Polychromatic tests included long crested trials and short‐crested trials with two spreading functions, Cosine2 and Cosine8. The tests lasted for 8192 samples.   Bretschneider   Date  Spectral type  Model Scale Hs  Full Scale Hs  Model  scale Tz  Full Scale Tz 

B3 – Long Crested  11/01/13  Bretschneider  20mm  1.6m  0.86  7.7 B16 – Long Crested  11/01/13  Bretschneider  20mm  1.6m  1.07  9.6 B17 – Long Crested  11/01/13  Bretschneider  20mm  1.6m  1.29  11.5 B11 – Long Crested  11/01/13  Bretschneider  20mm  1.6m  1.43  12.8 B1 – Long Crested  11/01/13  Bretschneider  40mm  3.2m  0.57  0.86 B18 – Long Crested  11/01/13  Bretschneider  40mm  3.2m  1.29  11.5 B19 – Long Crested  11/01/13  Bretschneider  50mm  4.0m  0.64  5.7 B1 – Cosine 2  11/01/13  Bretschneider  40mm  3.2m  0.57  0.86 B1 – Cosine 8  11/01/13  Bretschneider  40mm  3.2m  0.57  0.86 B3 – Cosine 8  11/01/13  Bretschneider  20mm  1.6m  0.86  7.7 B11 – Cosine 8  11/01/13  Bretschneider  20mm  1.6m  1.43  12.8 B19 – Cosine 8  11/01/13  Bretschneider  50mm  4.0m  0.64  5.7 B19 – Cosine 2  11/01/13  Bretschneider  50mm  4.0m  0.64  5.7 B11 – Cosine 2  11/01/13  Bretschneider  20mm  1.6m  1.43  12.8 B18 – Cosine 2  11/01/13  Bretschneider  40mm  3.2m  1.29  11.5 

Page 14: Marine Renewables Infrastructure Network · 2019. 5. 2. · entrale de Nante e Pour l'Exploita la Mer (IFR United K rgy Centre Ltd. (ersity of Exeter (ergy Centre Ltd. rathclyde (UNI_S

Infrastructure Access Report: JOULES ‐ Wavetrain 

Rev. 01, 17‐Jan‐2013 Page 14 of 19 

 

2.2 TESTS 

2.2.1 Test Plan The methodology for this new study included some initial floating tests at the Cork facility; the key objectives were to  test  the ballasting and balancing of  the devices and  to prepare  the mooring arrangement. A  few  impulse and natural oscillatory decay  tests were  conducted  to gain  insight  into  the applied pneumatic damping. A  total of 65 different test configurations were tested in HMRC during this period. An overview of the basic parameters tested is given below:  

• Range of monochromatic  seas with wave periods  covering  6.17s,  7.15s,  8.94s,  9.48s,  10.2s,  11.0s,  11.9s, 13.0s, 14.2s & 16.0s (all to full scale) 

• A  single damping  condition  corresponding  to 8mm orifice opening was used  throughout  the  full  range of tests 

• Various Bretschneider Sea States were used in the second series of tests with wave heights Hs = 20mm, Tz = 0.86, 1.07,1.29 & 1.43s, Hs = 40mm, Tz = 0.57 & 1.29 and Hs = 50mm, Tz = 0.64 at model scale 

• Bretschneider Sea States with Cos2 spreading functions at Hs = 20mm & Tz = 1.43, Hs = 40mm & Tz = 0.57 & 1.29, and Hs = 50mm & Tz = 0.64 

• Bretschneider Sea States with Cos8 spreading functions at Hs = 20mm & Tz = 0.86 & 1.43 and Hs = 40mm & Tz = 0.57 

 

2.3 RESULTS XZ Motions  This Post‐Access report will not discuss the time series analysis in full detail. However, preliminary results for the XZ motion plots for the three modules are provided for three indicative monochromatic frequencies.     

 Figure 5: XZ plane motion plots for modules 1‐3 at 11.9s full scale  

Page 15: Marine Renewables Infrastructure Network · 2019. 5. 2. · entrale de Nante e Pour l'Exploita la Mer (IFR United K rgy Centre Ltd. (ersity of Exeter (ergy Centre Ltd. rathclyde (UNI_S

Infrastructure Access Report: JOULES ‐ Wavetrain 

Rev. 01, 17‐Jan‐2013 Page 15 of 19 

 Figure 6: XZ plane motion plots for modules 1‐3 at 9.48s full scale (peak response) 

 

 Figure 7: XZ plane motion plots for modules 1‐3 at 7.15s 

It may be seen  in Figure 6, which corresponds to the module natural period and peak response that the module  is moving accurately on the inclined plane corresponding to the angle of the inertia tubes, (approximately 45degrees). At frequencies above and below that of the peak motion response the motion is less linear and the power modules respond with  quasi‐elliptical motion  although  the  lead module  and  the  trailing module  have more  complicated responses. The  response at  the natural period and peak  response  is very close  to  that assumed  in  the numerical model.  

Strut Forces  Strut loads for the natural period in waves of 40mm model scale height (3.2m full scale) are shown in Figure 8. This is a significant wave height corresponding to storm conditions.   

 Figure 8: Tubular strut axial load plot at 9.48s full scale giving a peak load of 83.5t. 

The model load varies from +0.7N to – 1.5N giving a peak load at full scale of 83.5t. 

  

Page 16: Marine Renewables Infrastructure Network · 2019. 5. 2. · entrale de Nante e Pour l'Exploita la Mer (IFR United K rgy Centre Ltd. (ersity of Exeter (ergy Centre Ltd. rathclyde (UNI_S

Infrastructure Access Report: JOULES ‐ Wavetrain 

Rev. 01, 17‐Jan‐2013 Page 16 of 19 

 

2.4 ANALYSIS & CONCLUSIONS  The preliminary results are very encouraging and  indicate that the power module motions are  indeed  in the  form anticipated  in  the basic numerical model. The  free oscillation  tests have provided new  information previously not available on the equivalent damping factor applied by the power take‐off system at model scale. This has been used in the numerical model to replicate the XZ motion RAO’s which correlate closely with the measured model tests. This evidence provides some validation of the numerical model whose results have been used to predict full scale capture performance.  There  are  significant  viscous  losses  at model  scale  (1:80)  that  conceal  the  likely  full  scale  capture performance.  Further  quantification  of  the  capture  performance  at  larger model  scale  (say  1:25) would  help  to isolate and quantify these losses.  These  tests pave  the way  for TRL 3  trials  to commence Device Optimisation  including Hull Geometry, Component Configuration, Power Take‐off Characteristics and Design Engineering/Naval Architecture. 

3 MAIN LEARNING OUTCOMES 

3.1 PROGRESS MADE  The Plan for this Access given in Section 1.2.1 may be used to assess the progress made during these trials.  The particular Stage 1 – Concept Validation investigations planned for this set of tests included:  

• Finite monochromatic waves to include higher order effects • Investigate  the  physical  process  governing  device  response  (may  not  be  well  defined  theoretically  or 

numerically solvable • Real seaway productivity • Evidence of device seaworthiness • Initial indication of the full system load regimes 

 While the Stage 2 – Design Validation investigations included:  

• Mooring arrangements and effects on motion  All of these aspects have been furthered successfully during these trials. Three series of monochromatic wave tests have been completed with common frequencies and increasing wave amplitude that will provide evidence of higher order effects. The physical process governing the device response has been demonstrated to be a linear response in the  inclined plane of  the water  inertia  tubes with  surge  and heave  coupled  in phase has been  illustrated  at  the natural period combined with some elliptical motions at other frequencies. The aim will be to broaden the device linear inclined plane response as far as possible through geometry changes and different sized devices. Out of phase motions in surge or heave may lead to some un‐recoverable energy losses.  The productivity of the device  in real seaways may be calculated  from  the polychromatic tests of which  there are three specific types:  

• Long‐crested polychromatic Bretschneider at Hs of 20mm, 40mm and 50mm. • Short‐crested polychromatic Bretschneider with Cosine 2 spreading function • Short‐crested polychromatic Bretschneider with Cosine 2 spreading function 

 

Page 17: Marine Renewables Infrastructure Network · 2019. 5. 2. · entrale de Nante e Pour l'Exploita la Mer (IFR United K rgy Centre Ltd. (ersity of Exeter (ergy Centre Ltd. rathclyde (UNI_S

Infrastructure Access Report: JOULES ‐ Wavetrain 

Rev. 01, 17‐Jan‐2013 Page 17 of 19 

This analysis will follow  in due course. The video taken of each test will provide evidence of device seaworthiness. Similarly, the loads measured in the tubular strut will provide an  indication of full system load regimes for detailed engineering design.  The motion  results and video  recordings will provide evidence of  the effectiveness of  the mooring system and  its impact on device motions. 

3.1.1 Progress Made: For This User­Group or Technology The tests have provided a comprehensive data set to validate the Wavetrain design concept. Already, it is apparent that  the device motions and  loads are  largely as predicted and  that  it has good potential  to produce energy  in a competitive  manner.  This  evidence  supports  the  observations  made  by  the  consultants  Black  &  Veatch  who independently reviewed the concept under the auspices of the Carbon Trust Marine Energy Challenge Programme. 

3.1.1.1 Next Steps for Research or Staged Development Plan – Exit/Change & Retest/Proceed? The next steps involve a concerted period of analysis of the accumulated data to validate the concept and determine the  fundamental  engineering  design  parameters.  Already,  it  is  clear  that  the Wavetrain  concept  is  sufficiently competitive to justify further and prolonged testing at 1:80 and 1:25 scale. Further tuning of the fundamental design parameters of mass, water plane area,  inclination angle and external boundary geometry are required  to  improve the  system performance  in off‐resonance  conditions. However,  the device  capture  factor bandwidth  has  already been demonstrated to be exceptional both in the numerical model and physical scale model results. This bandwidth is enhanced compared to isolated devices and benefits from the rigid inclined link connections that help to confine the power module motions in the inclined plane of the water inertia tubes. 

3.1.2 Progress Made: For Marine Renewable Energy Industry The Wavetrain device concept  is a development of work carried out  in QUB to examine pneumatic power take‐off using a Wells turbine from the IPS buoy rather than the original hydraulic system. The results of using inclined rigid links  to  connect a  series of power modules has also been demonstrated as being beneficial  to  the overall device capture  performance.  Further work  is  now  required  to  understand  the  interactions  between  the  device  power modules  (point  absorbers  in  a  linear  array). This work  is  initially  required  in  the numerical modelling which may subsequently be validated with further device testing at 1:80 and 1:25 scale. The numerical hydrodynamic modelling of the Wavetrain device needs to be enhanced to take account of a series of interconnected bodies rather than the isolated module hydrodynamics used to date. “q” factors for the  individual power modules need to be determined for different excitation frequencies. 

3.2 KEY LESSONS LEARNED The following observations may be made on the success of the testing at HMRC.  

• Previous experience  is valuable  in preparing models for testing prior to arrival at the wave tank and  in the design of features necessary for calibration of transducers  

• Set‐up of the  instrumentation  (wave probes,  force transducers, pressure transducers, motion sensors, etc) can take several days even when the models are well prepared in advance 

• Subsequent testing can take place at a fast pace once all the instrumentation is established and calibrated • Analysis  of  the  copious  quantities  of  test  data  is  by  far  the most  time  consuming  element  of  the  test 

sequence. The development  in advance of MatLab or Excel spreadsheets  to  receive  test data and provide key outputs would be a significant advantage for future testing. In this respect parametric studies could be analysed  in real  time and  tests modified  to pursue specific characteristics. However,  this requires detailed interaction between test establishments and the users in advance of use of the facility. 

  

Page 18: Marine Renewables Infrastructure Network · 2019. 5. 2. · entrale de Nante e Pour l'Exploita la Mer (IFR United K rgy Centre Ltd. (ersity of Exeter (ergy Centre Ltd. rathclyde (UNI_S

Infrastructure Access Report: JOULES ‐ Wavetrain 

Rev. 01, 17‐Jan‐2013 Page 18 of 19 

4 FURTHER INFORMATION 

4.1 SCIENTIFIC PUBLICATIONS List of any scientific publications made (already or planned) as a result of this work: 

• A  paper  on  the  motions  of  the  Wavetrain  power  modules  is  possible  for  presentation  at  one  of  the international wave energy conferences. 

4.2 WEBSITE & SOCIAL MEDIA Website: none YouTube Link(s): none LinkedIn/Twitter/Facebook Links: none Online Photographs Link: none   

5 REFERENCES  IP protection has  limited  the amount of  information  released  to  the public domain on  the Wavetrain device. The main reference is not available in the public domain – but could be made available on request to the author. It is the independent report on the Wavetrain device issued by Black & Veatch under the auspices of the Carbon Trust.    

6 APPENDICES 

6.1 STAGE DEVELOPMENT SUMMARY TABLE The  table  following  offers  an  overview  of  the  test  programmes  recommended  by  IEA‐OES  for  each  Technology Readiness Level. This is only offered as a guide and is in no way extensive of the full test programme that should be committed to at each TRL.  

Page 19: Marine Renewables Infrastructure Network · 2019. 5. 2. · entrale de Nante e Pour l'Exploita la Mer (IFR United K rgy Centre Ltd. (ersity of Exeter (ergy Centre Ltd. rathclyde (UNI_S

Infrastructure Access Report: JOULES ‐ Wavetrain 

Rev. 01, 17‐Jan‐2013 Page 19 of 19 

Page 20: Marine Renewables Infrastructure Network · 2019. 5. 2. · entrale de Nante e Pour l'Exploita la Mer (IFR United K rgy Centre Ltd. (ersity of Exeter (ergy Centre Ltd. rathclyde (UNI_S

Infrastructure Access Report: JOULES ‐ Wavetrain 

Rev. 01, 17‐Jan‐2013 Page 20 of 19