Come migliorare le prestazioni di estrazione dell'energia nelle tecnologie di conversione dell'energia dalle onde tramite tecniche multi-resonanti

La performance di estrazione dell'energia delle apparecchiature per la conversione dell'energia dalle onde (WEC, Wave Energy Converters) è strettamente legata alla risonanza della colonna d'acqua o del galleggiante oscillante. Nei dispositivi a singola camera, come nel caso delle colonne d'acqua oscillanti (OWC) con una sola camera, si osserva solitamente un picco di efficienza a una frequenza di risonanza specifica, che spesso porta a una larghezza di banda di frequenza relativamente stretta per l'estrazione di energia. Questo fenomeno, che si verifica quando la colonna d'acqua si muove in risonanza con le onde, determina un'efficienza ottimale, ma la limitata larghezza di banda di frequenza riduce l'efficacia del dispositivo in condizioni di onde variabili.

In particolare, l'impiego di più camere consente di sfruttare le interazioni idrodinamiche tra i diversi corpi in movimento, portando a una sinergia che aumenta l'estrazione complessiva di energia. Un esempio notevole di questo approccio si trova nello studio di un sistema OWC a piattaforma multi-corpo, che, grazie all'interazione idrodinamica tra più colonne d'acqua, può migliorare significativamente la capacità di estrazione dell'energia.

I dispositivi a più camere possono anche svolgere un ruolo significativo nella protezione costiera. Oltre alla produzione di energia, la configurazione multi-resonante permette a questi dispositivi di ridurre l'impatto delle onde sul litorale, agendo come frangiflutti naturali. L'interazione tra le onde e la disposizione delle camere in un sistema multi-resonante può portare non solo a un miglioramento delle performance di estrazione energetica, ma anche a un rafforzamento della capacità di difesa contro l'erosione costiera e le tempeste.

Un altro aspetto interessante riguarda l'analisi delle prestazioni in condizioni diverse di onde e parametri geometrici. Li et al. hanno analizzato il comportamento di un array di OWC a doppia camera posizionato lungo la costa, osservando come le caratteristiche dell'onda e la geometria dell'array influenzino le prestazioni del sistema. Questi studi sono fondamentali per progettare soluzioni efficienti che possano essere adattate a diversi ambienti marini e condizioni climatiche, garantendo così una maggiore versatilità dei dispositivi.

Oltre agli aspetti teorici e di progettazione, la simulazione numerica gioca un ruolo cruciale nella comprensione delle performance dei sistemi multi-resonanti. Utilizzando simulazioni CFD (Computational Fluid Dynamics), Gadelho e Guedes Soares hanno studiato un dispositivo OWC a doppia camera galleggiante, mettendo in evidenza l'importanza del movimento del dispositivo e della sua interazione con le onde per ottimizzare la sua performance energetica. Le simulazioni numeriche sono quindi uno strumento essenziale per ottimizzare il design e la disposizione di questi sistemi complessi, permettendo di testare diverse configurazioni senza dover ricorrere a costosi esperimenti fisici.

L'approccio multi-resonante offre numerosi vantaggi, non solo in termini di estrazione di energia, ma anche in relazione alla sostenibilità e alla durabilità dei sistemi. L'adattamento della larghezza di banda di frequenza ai cambiamenti nelle condizioni oceaniche permette ai dispositivi di funzionare in modo più costante, riducendo la dipendenza da condizioni ottimali e aumentando la loro efficienza in ambienti più variabili. Inoltre, la combinazione di diversi modelli di risonanza aiuta a evitare problemi tipici legati alla saturazione energetica che si verificano nei dispositivi a singola camera.

In sintesi, l'evoluzione verso sistemi multi-resonanti rappresenta un passo significativo nel miglioramento delle prestazioni dei dispositivi per la conversione dell'energia dalle onde. Questi dispositivi non solo offrono una maggiore efficienza nell'estrazione dell'energia, ma svolgono anche un ruolo fondamentale nella protezione costiera, contribuendo alla resilienza delle infrastrutture marine. Gli sviluppi teorici e le simulazioni pratiche continueranno a guidare l'innovazione in questo campo, fornendo soluzioni sempre più sofisticate e sostenibili per sfruttare il potenziale delle onde come fonte di energia rinnovabile.

Come si comportano i sistemi OWC multi-camera e a corpi multipli sotto onde oblique e risonanze modali?

Nel caso di onde oblique (θ = π/4), si osserva che le camere frontali in un sistema OWC a otto camere subiscono una notevole riduzione dell’efficienza rispetto al caso ad onda perpendicolare. In compenso, le camere posteriori mostrano un picco di efficienza spostato verso frequenze più basse, suggerendo che la distribuzione spaziale dell’efficienza all’interno dell’array sia fortemente influenzata dalla direzione dell’onda incidente. Questo comportamento conferma la necessità di una progettazione sistemica che tenga conto delle interazioni fluido-struttura sotto onde oblique.

Nell’analisi dei dispositivi a corpi oscillanti multipli (multi-body), emerge con chiarezza come la disposizione seriale di boe permetta un assorbimento energetico più efficiente. La teoria previsionale, supportata da solutori di flusso potenziale lineare, mostra che l’efficienza idrodinamica totale del sistema multi-body non solo supera quella del sistema a corpo singolo, ma presenta anche una doppia risonanza, evidenziando un intervallo di frequenze operative più ampio. La presenza di due picchi nell’efficienza, separati da una valle causata dalla risonanza di Bragg, suggerisce una capacità intrinseca del sistema di adattarsi a condizioni di mare variabili.

Con l’aumentare del numero di boe, sia i picchi che la valle dell’efficienza si spostano verso frequenze superiori, permettendo un controllo più raffinato sull’intervallo operativo. Un sistema a sei boe, ad esempio, raggiunge un’efficienza massima dell’81%, in netto contrasto con il limite del 50% osservato nei sistemi a corpo singolo. Questo risultato si allinea con studi precedenti, secondo cui configurazioni a cinque boe possono assorbire fino al 99% dell’energia incidente in un certo intervallo di frequenze, raggiungendo un assorbimento quasi perfetto quando si consente il moto di beccheggio e deriva.

Le indagini sperimentali su sistemi OWC a più camere mostrano ulteriori vantaggi rispetto alle configurazioni tradizionali. Con modelli fisici costruiti in Perspex e testati in canali di flusso, è stato possibile osservare che il rapporto di larghezza di cattura totale migliora sensibilmente con l’aumento del numero di camere pneumatiche, a parità di volume complessivo della colonna d’acqua. Il fenomeno mostra una tendenza alla convergenza, suggerendo che oltre un certo numero di camere il beneficio marginale si riduce, ma non scompare.

Dal confronto tra i coefficienti di riflessione e trasmissione di diversi OWC-breakwater con breakwater galleggianti convenzionali, emerge che la riflessione nel caso OWC è significativamente inferiore, grazie alla capacità del dispositivo di assorbire pa

Integrazione di piattaforme galleggianti e dispositivi di energia dalle onde: un'analisi idrodinamica

L'integrazione dei dispositivi per l'energia dalle onde con strutture galleggianti marine (come frangiflutti, turbine eoliche offshore, piattaforme offshore e sistemi di acquacoltura) offre numerosi vantaggi in termini di condivisione spaziale, riduzione dei costi e multifunzionalità. Questo approccio integrato rappresenta una soluzione promettente per ridurre il costo dei dispositivi per l'energia marina. Le piattaforme multifunzionali integrate permettono di sfruttare lo spazio in modo più efficiente, favorendo la condivisione dei costi, e possono promuovere l'applicazione ingegneristica dei dispositivi per l'energia dalle onde.

In aggiunta, lo sviluppo di modelli numerici tridimensionali per array di dispositivi di tipo oscillante integrati in frangiflutti galleggianti ha portato a un approfondimento delle performance del sistema. Le ricerche hanno evidenziato l'importanza dei parametri come il damping del PTO, la frequenza delle onde e il pescaggio dei dispositivi per l'energia dalle onde, e il loro impatto sul coefficiente di riflessione, sul coefficiente di trasmissione e sulla larghezza di cattura dell'energia.

Oltre a queste soluzioni per frangiflutti, altri studi hanno esplorato piattaforme integrate che combinano acquacoltura, turbine eoliche e dispositivi per l'energia dalle onde. Il concetto di piattaforme multiuso è stato ampiamente esplorato, come nel caso delle piattaforme "Penghu" che integrano acquacoltura e dispositivi per l'energia dalle onde. L'integrazione di dispositivi WEC può ridurre, in certa misura, il movimento della piattaforma, aumentando la sua stabilità.

In alcuni casi, l'approccio del controllo strutturale semi-attivo ha dimostrato di essere efficace nel ridurre i movimenti della piattaforma e migliorare l'acquisizione di energia. Diversi esperimenti e analisi numeriche hanno confermato che la combinazione di dispositivi di energia dalle onde con altre tecnologie come le turbine eoliche, può ridurre i movimenti della piattaforma stessa, migliorando la capacità di raccolta dell'energia e la stabilità strutturale.

Un aspetto fondamentale di queste piattaforme galleggianti multifunzionali è la sinergia idrodinamica, ossia l'interazione costruttiva tra la piattaforma galleggiante e l'array di dispositivi per l'energia dalle onde. La sinergia idrodinamica può essere spiegata come l'interazione vantaggiosa tra le forze generate dalle onde e la struttura della piattaforma, che, se progettate correttamente, possono migliorare l'efficienza energetica e ridurre i costi operativi.

In generale, il miglioramento delle prestazioni idrodinamiche dei sistemi integrati dipende dalla progettazione accurata delle piattaforme e dalla gestione delle interazioni tra i dispositivi galleggianti e le onde. Modelli numerici e prove sperimentali hanno fornito dati importanti per affinare la progettazione di piattaforme modulari e per studiare le interazioni tra le onde e le strutture galleggianti. La progettazione e il test di nuove soluzioni per la gestione della stabilità e della capacità energetica delle piattaforme galleggianti è quindi cruciale per l'avanzamento delle tecnologie per l'energia dalle onde.

In sintesi, la combinazione di dispositivi per l'energia dalle onde con piattaforme galleggianti multifunzionali offre una strada interessante e promettente per il futuro delle energie rinnovabili marine, ma richiede una continua ricerca e sviluppo per ottimizzare le interazioni idrodinamiche e le performance complessive dei sistemi. La chiave del successo risiede nella capacità di sfruttare le sinergie tra le diverse tecnologie, garantendo allo stesso tempo efficienza, sostenibilità e riduzione dei costi operativi.