Efficient flow energy harvesting

Coupling mechanisms between the dynamics of flexible structures and surrounding flows can lead to the self-sustained motion of a solid body. Several important fluid–solid instabilities have been hitherto studied to assess the feasibility and efficiency of such systems to produce renewable energy from geophysical flows. These systems have attracted a great deal of attention, especially since conventional wind or water turbines cannot provide efficient power conversion to low-power applications.

In the EU-funded project FLOWENERGY, scientists adopted a different strategy to the hitherto used approaches. Instead of reducing flow-induced instabilities and vibrations, they boosted vibrations of the solid to maximise the amount of the produced energy from a given steady fluid flow.

A fraction from the extraction of the flow energy into solid kinetic energy can be converted into electricity. This energy conversion involves impacting on the solid vibration properties — instability threshold, amplitude and frequency. FLOWENERGY showed that energy extraction can benefit from the fundamental properties of these fluid–solid systems, fostering vibrations at lower flow velocities and with larger flapping amplitudes.

Scientists also placed focus on studying the interactions amongst the fluid flow, the vibrating solid and the electric output circuit on a piezoelectric flag. The circuits were found to significantly impact harvesting efficiency by fostering tuning or lock-in phenomena.

Another task was to consider complex assemblies of vibrating solids and determine the relation between local arrangement and their vibration properties. Experimental studies involved irregular arrays of vibrating cylinders. A simple model was proposed to determine the vibration amplitude of the different cylinders as a function of their local arrangement. This study is crucial to designing energy harvesting farms or assemblies of flow energy harvesters.

The problem of hydrodynamic interactions in assemblies of self-propelled systems led to establishing several collaborations within the project.

FLOWENERGY helped to further enhance understanding of the energy exchange mechanisms in vibrating fluid–solid systems, and determine their energy harvesting potential.Kopplungsmechanismen zwischen der Dynamik der flexiblen Strukturen und den umgebenden Flüssen können zur selbsterhaltenden Bewegung eines festen Körpers führen. Mehrere wichtige Fluid-Feststoff-Instabilitäten wurden bisher untersucht, um Durchführbarkeit und Effizienz dieser Systeme für die Erzeugung erneuerbarer Energien aus geophysikalischen Flüssen zu bewerten. Diese Systeme haben eine Menge Aufmerksamkeit auf sich gezogen, zumal herkömmliche Wind- oder Wasserkraftanlagen keine effiziente Energieumwandlung für Niederstromanwendungen bieten können.

Im EU-geförderten Projekt FLOWENERGY wählten die Wissenschaftler eine andere Strategie als die bisher verwendeten Ansätze. Statt die strömungsinduzierten Instabilitäten und Vibrationen zu reduzieren, verstärkten sie die Vibrationen des Feststoffes, um die Menge der erzeugten Energie einer gegebenen stationären Fluidströmung zu maximieren.

Ein Bruchteil der aus der Strömungsenergie gewonnenen kinetischen Energie kann in elektrische Energie umgewandelt werden. Für diese Energieumwandlung müssen die Schwingungseigenschaften des Feststoffs beeinflusst werden - Instabilitätsschwelle, Amplitude und Frequenz. FLOWENERGY zeigte, dass die Energiegewinnung von den grundlegenden Eigenschaften dieser Fluid-Feststoff-Systeme profitieren kann, da sie die Vibrationen bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten und mit höher abweichenden Amplituden stärken.

Außerdem legten die Wissenschaftler einen Schwerpunkt auf die Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen dem Fluidstrom, des vibrierenden Feststoffs und des elektrischen Ausgangsschaltkreises an einer piezoelektrischen Platte. Es stellte sich heraus, dass die Schaltungen die Effizienz der Energiegewinnung wesentlich beeinflussten, indem sie Tuning- oder Lock-in-Phänomene stärkten.

Eine weitere Aufgabe bestand darin, komplexe Baugruppen von vibrierenden Feststoffen zu prüfen und die Beziehung zwischen der lokalen Anordnung und deren Schwingungseigenschaften zu bestimmen. Experimentelle Studien umfassten unregelmäßige Arrays von vibrierenden Zylindern. Ein einfaches Modell wurde vorgeschlagen, um die Schwingungsamplitude der einzelnen Zylinder in Abhängigkeit von ihrer lokalen Anordnung zu bestimmen. Diese Studie ist von entscheidender Bedeutung für die Konstruktion von Anlagen zur Energiegewinnung (energy harvesting farms) oder von Baugruppen für die Umwandlung von Strömungsenergie.

Das Problem der hydrodynamischen Wechselwirkungen in Baugruppen von selbsterhaltenden Systemen führte zur Gründung mehrere Kooperationen im Rahmen des Projekts.

FLOWENERGY trug dazu bei, das Wissen von Energieaustauschmechanismen in schwingenden Fluid-Feststoff-Systemen weiter zu verbessern und ihr Energiegewinnungspotenzial zu bestimmen.