L’energia rinnovabile offshore sta vivendo un periodo di rapida espansione, attirando sempre più attenzione sia dal mondo accademico che dall’industria. In particolare, l’integrazione delle energie rinnovabili offshore con altre tipologie di strutture marine, come i frangiflutti, le turbine eoliche offshore e le piattaforme galleggianti, ha dato vita a un concetto emergente: le strutture marine multiuso costiere e offshore (MPCOS). Queste strutture, in grado di svolgere funzioni multiple, presentano vantaggi significativi che potrebbero facilitare la commercializzazione delle energie rinnovabili marine. Inoltre, le MPCOS offrono soluzioni per il rifornimento energetico delle attività offshore. A differenza delle tradizionali strutture marine monofunzionali, le MPCOS sono decisamente più complesse, il che rende la loro analisi idrodinamica molto più articolata.

L’evoluzione di queste nuove strutture marine rappresenta una spinta verso l'avanzamento della ricerca fondamentale in idrodinamica. L’approfondimento di questi temi diventa cruciale per capire come le MPCOS possano effettivamente integrarsi nell’ecosistema marino, rispondendo sia alle esigenze energetiche che a quelle logistiche delle attività offshore. Tuttavia, nonostante il crescente interesse, l'analisi idrodinamica di queste strutture rimane una sfida tecnica e scientifica complessa. Un aspetto fondamentale di questo studio è comprendere come la combinazione di componenti diversi – piattaforme galleggianti, dispositivi di energia da onda e strutture di protezione costiera – possa interagire in modo costruttivo, ottimizzando le prestazioni e riducendo gli impatti ambientali.

Uno degli approcci più promettenti riguarda l'uso dei dispositivi di energia delle onde (OWC), che sfruttano il movimento oscillatorio dell'acqua per generare energia. La configurazione di questi dispositivi, specialmente in array periodici, è un tema centrale nella ricerca. L’interazione tra le onde e questi dispositivi è studiata attraverso modelli semi-analitici che ne prevedono le performance di estrazione energetica e la riflessione delle onde. Le configurazioni progettuali devono tener conto di numerosi fattori, tra cui la forma dell'array, l'angolo delle onde incidenti e la geometria del fondale marino, poiché tutti questi elementi influenzano in modo significativo l'efficacia dell’estrazione energetica.

Altri aspetti fondamentali comprendono la gestione delle onde di lunga durata. A questo scopo, alcuni ricercatori hanno proposto dispositivi ibridi che combinano l’OWC con sistemi frangiflutti perforati. Tali soluzioni sono progettate per assorbire efficacemente le onde più lunghe, sfruttando il principio della risonanza di Helmholtz, che consente una migliore gestione dei flussi di energia ondosa. L'analisi idrodinamica di questi dispositivi deve considerare sia il flusso potenziale che quello viscoso, con l’obiettivo di ottimizzare la progettazione e garantire una risposta efficiente in ambienti marini reali.

Un altro aspetto interessante è il fenomeno di multi-risonanza, che si verifica quando più colonne d'acqua o boe oscillanti sono configurate insieme. Questo approccio consente di ottenere una larghezza di banda più ampia per l’estrazione di energia dalle onde. Studi teorici ed esperimentali hanno dimostrato che una configurazione ottimizzata di dispositivi OWC può estrarre energia in un range di frequenze molto più ampio rispetto a soluzioni convenzionali, migliorando così l’efficienza complessiva del sistema.

Per quanto riguarda la progettazione e l'analisi di piattaforme galleggianti modulari, la sinergia idrodinamica tra piattaforma e dispositivi di energia delle onde si sta rivelando un altro tema centrale. La progettazione di un sistema ibrido, composto da una piattaforma galleggiante e un array di dispositivi OWC, deve essere affrontata con un quadro numerico avanzato basato su flussi potenziali, che permette di ottimizzare il comportamento del sistema e massimizzare l’efficienza energetica. La sinergia idrodinamica non riguarda solo la cooperazione tra i vari componenti del sistema, ma anche la loro interazione con l'ambiente marino circostante, che può influenzare le prestazioni globali.

Inoltre, la gestione dei carichi estremi è un aspetto che non può essere trascurato. Le piattaforme galleggianti e i dispositivi OWC sono soggetti a eventi oceanici estremi, come tempeste e onde anomale, che possono causare danni strutturali significativi. L'analisi del processo di slam e la valutazione dei carichi su pareti di OWC sono essenziali per garantire la sicurezza e la durabilità delle strutture. Per mitigare questi effetti, sono stati studiati sistemi di protezione, come piastre perforate, che riducono i carichi di punta e migliorano la stabilità strutturale.

La previsione delle caratteristiche dinamiche delle piattaforme galleggianti multiuso, specialmente in presenza di carichi combinati (onde e vento), richiede modelli idrodinamici complessi che considerano l’interazione tra turbine eoliche, piattaforme galleggianti e dispositivi OWC. La simulazione dinamica di questi sistemi in tempo reale è cruciale per comprendere le risposte elastico-idrodinamiche della piattaforma e l’efficienza dell'estrazione energetica. Le interazioni tra le diverse componenti del sistema sono estremamente complesse e la loro analisi richiede modelli avanzati che possano incorporare gli effetti della riflessione costiera e delle onde incidenti.

In definitiva, l'analisi idrodinamica delle MPCOS è un campo di ricerca in continuo sviluppo, che combina numerosi aspetti teorici e pratici. Il futuro di queste strutture dipende dalla capacità di integrare in modo efficace e sostenibile le diverse tecnologie marine, garantendo non solo un’alta efficienza energetica, ma anche una protezione adeguata dell’ambiente marino e costiero. La ricerca continua a spingere i limiti dell’innovazione, cercando soluzioni che possano davvero rivoluzionare l'approvvigionamento energetico offshore e l’ingegneria marina.

Come le Onde di Rottura Influenzano la Pressione e le Forze su una Struttura OWC

La struttura OWC (Oscillating Water Column) è un dispositivo progettato per sfruttare il movimento del mare e generare energia. La sua progettazione richiede una comprensione approfondita della dinamica delle onde e delle forze che agiscono sulla struttura. Un aspetto critico per l'efficace funzionamento dell'OWC è la capacità di rispondere alle variazioni di pressione causate dal flusso di onde fortemente non lineari, come quelle prodotte da un fenomeno di "dam-break" (rottura della diga).

Nella configurazione sperimentale esaminata, la struttura OWC è costruita con pannelli acrilici di spessore 10 mm, fissati sul fondo del serbatoio, con una parete frontale di 20 mm di spessore e una parete posteriore di 15 mm. Per migliorare la stabilità e ridurre le vibrazioni, sono stati installati sensori di pressione in tre punti chiave: due sul lato frontale della parete (P1 e P2) per monitorare le forze indotte dal flusso d'acqua, e uno sul ponte della camera per misurare la pressione dell'aria interna (S1). La pressione dinamica viene normalizzata rispetto alla pressione statica iniziale, utilizzando una densità dell’acqua di 994.511 kg/m³, e viene espressa in un formato adimensionale, rendendo così possibile un confronto tra i diversi modelli numerici e i dati sperimentali.

Le simulazioni numeriche sono state confrontate con i dati sperimentali per validare l’efficacia del modello predittivo. Come mostrato nella figura 6.4, i risultati sperimentali del profilo della superficie dell’acqua a vari momenti di tempo (104, 5.74, 7.72, 9.70, e 11.68) sono stati confrontati con le simulazioni numeriche. I risultati indicano che il modello numerico cattura efficacemente il comportamento fisico del flusso di rottura della diga e la sua interazione con la struttura OWC.

Nel grafico 6.5, la pressione dinamica normalizzata è stata tracciata rispetto al tempo adimensionale T per i punti di monitoraggio P1, P2 e S1. I dati provenienti sia dalle esperimentazioni che dai modelli numerici (incomprimibile e comprimibile) sono stati utilizzati per analizzare l’interazione tra il flusso di onde non lineari e la struttura. È stato osservato che il modello incomprimibile tende a sottostimare la pressione di picco (pS1) di circa il 31,32%, mentre il modello comprimibile fornisce previsioni molto più accurate, suggerendo che la comprimibilità dell'aria è un fattore non trascurabile nell'interazione con onde fortemente non lineari, come quelle prodotte dal flusso di rottura.

I risultati delle esperimentazioni sui carichi dinamici e sulla pressione dell'aria all’interno della camera OWC hanno rivelato che l'evoluzione della pressione può essere suddivisa in quattro fasi. Nella fase A, si forma la lingua d’acqua che non ha ancora raggiunto la parete; nella fase B, il contatto iniziale provoca un picco di pressione molto ripido e triangolare, mentre il livello dell'acqua nella camera resta quasi invariato. Durante la fase C, il livello dell’acqua contro la parete aumenta, portando a una variazione nell'interfaccia aria-acqua, e infine nella fase D, quando l'acqua si libera dalla parete, la pressione diminuisce rapidamente, raggiungendo valori negativi a causa dell’ingresso di aria esterna.

Un altro aspetto importante osservato è la relazione tra la velocità della colonna d’acqua, il movimento del livello dell’acqua e la pressione dell’aria all’interno della camera OWC. I dati mostrano che la pressione dell’aria e la velocità della colonna d’acqua sono sincronizzati, con entrambi che mostrano una fase di aumento iniziale seguita da una diminuzione. Questo fenomeno è stato confermato anche in altri studi, come quello di Viviano et al., che hanno osservato una relazione simile in test con onde regolari. La sincronizzazione tra pressione dell’aria e velocità della colonna d’acqua è particolarmente rilevante quando la struttura è soggetta a sollecitazioni di onde non lineari forti.

Inoltre, l’impatto delle onde di rottura sulla struttura è stato confrontato con dati provenienti da esperimentazioni in mare. Quando si integrano le distribuzioni di pressione lungo la superficie della struttura, si possono calcolare le forze che agiscono su di essa, che vengono suddivise nelle componenti orizzontale (Fx), laterale (Fy) e verticale (Fz). I dati dimostrano che le forze indotte da onde non lineari come quelle di rottura della diga si comportano in modo simile alle forze riscontrate in condizioni di onde di rottura in mare. Le curve di carico da impatto mostrano picchi di forza molto rapidi e pronunciati, che sono particolarmente significativi per l'affidabilità e la resistenza della struttura OWC.

Il confronto con i test in mare, eseguiti con un fattore di scala di Froude 1:8, ha rivelato che i risultati ottenuti dal modello sono ben allineati con quelli sperimentali, suggerendo che il modello potrebbe essere un valido strumento per analizzare il comportamento delle strutture OWC sotto l’effetto di onde non lineari forti.

In conclusione, la validazione numerica e sperimentale delle strutture OWC in condizioni di flusso di rottura della diga è fondamentale per la progettazione e il miglioramento delle prestazioni di questi dispositivi. I dati indicano che la comprimibilità dell’aria e la risposta dinamica della struttura alle onde non lineari sono fattori determinanti per la progettazione di una OWC efficiente e resistente alle sollecitazioni estreme.

Come la smorzatura PTO Influenza il Movimento delle Piattaforme Galleggianti e l'Efficienza Energetica nella Cattura delle Onde

Nel contesto della generazione di energia dalle onde, la smorzatura PTO (Power Take-Off) gioca un ruolo cruciale nell'efficienza e nella stabilità delle piattaforme galleggianti. Studi numerici recenti hanno esplorato l'influenza della smorzatura PTO sulla risposta dinamica delle piattaforme semi-sommerse integrate con array di dispositivi di energia dalle onde. I risultati evidenziano come vari livelli di smorzatura possano ottimizzare sia la cattura dell'energia sia il movimento della piattaforma.

Nel range di frequenza ω = 0.25–0.5 rad/s, un aumento della smorzatura PTO comporta una migliore capacità di estrazione dell'energia dalle onde. L'effetto della smorzatura sulla risposta in movimento della piattaforma semi-sommersa è significativo, specialmente quando confrontato con i risultati ottenuti per piattaforme isolate. La frequenza corrispondente al picco della risposta in "heave" (movimento verticale) si sposta gradualmente da 0.3 a 0.4 rad/s al crescere della smorzatura PTO. Inoltre, per frequenze inferiori a 0.3 rad/s e superiori a 0.45 rad/s, il movimento in "heave" diminuisce, un comportamento che risulta simile sia per angoli β = 0° che β = 45°.

Un aspetto interessante è il cambiamento osservato nel movimento in "pitch" (oscillazione laterale). Per un angolo di β = 0°, l’aumento della smorzatura PTO ha un effetto negativo sulla piattaforma semi-sommerse nel range di frequenza ω = 0.15–1.0 rad/s, rispetto alla piattaforma isolata. Tuttavia, per β = 45°, questo effetto negativo si riduce significativamente, limitandosi a una gamma di frequenza da 0.15 a 0.45 rad/s. In ogni caso, in un range di frequenza ω = 0.45–1.0 rad/s, il movimento in "heave" diminuisce al crescere della smorzatura PTO, migliorando la stabilità complessiva della piattaforma.

Questi risultati sono coerenti con le simulazioni effettuate su piattaforme galleggianti connessi ad array di dispositivi per l'energia delle onde. In particolare, l'integrazione dell'array di dispositivi di energia dalle onde con la piattaforma può ridurre in modo significativo i movimenti di "heave" e "pitch". In piattaforme tipo chiatta a singolo modulo, l'integrazione ottimale di un array di dispositivi di energia dalle onde porta a una riduzione delle oscillazioni. Nei sistemi multi-modulo, invece, si osserva una risposta non uniforme tra i vari moduli, ma con un superiore rendimento nella cattura dell'energia rispetto ai sistemi a modulo singolo. L’analisi ha anche rivelato che, nelle condizioni testate, il miglior risultato di estrazione di energia dalle onde si ottiene nel range di frequenza 1 < ω < 1.5 rad/s.

Oltre a questi aspetti, emerge un concetto fondamentale nel design delle piattaforme galleggianti integrate: la sinergia idrodinamica. Questo concetto si riferisce alle interazioni positive tra i dispositivi per l'energia dalle onde e la piattaforma galleggiante. In un sistema ibrido come quello studiato, l'assorbimento efficiente dell'energia dalle onde da parte dei dispositivi può contribuire ad aumentare la stabilità della piattaforma, riducendo i movimenti indesiderati e migliorando l'efficienza complessiva del sistema.

L'analisi numerica, basata sulla teoria del flusso potenziale, offre una solida base per prevedere le dinamiche di piattaforme galleggianti integrate con dispositivi per l'energia dalle onde. Questo modello numerico, che include la matrice di massa aggiunta, la matrice di smorzamento da radiazione e le forze eccitanti delle onde, può essere utilizzato per studiare e ottimizzare sistemi complessi di piattaforme galleggianti e dispositivi energetici. L'approccio proposto è particolarmente utile per la progettazione di piattaforme galleggianti modulari, connesse a dispositivi di energia dalle onde, e può essere esteso a sistemi con configurazioni ancora più complesse.

In sintesi, l'integrazione di dispositivi di energia dalle onde con piattaforme galleggianti modulari o semi-sommerse può portare a un miglioramento significativo della cattura di energia, riducendo i movimenti oscillatori e aumentando l'efficienza idrodinamica. La corretta regolazione della smorzatura PTO è un elemento chiave in questo processo, così come la comprensione delle sinergie idrodinamiche tra piattaforma e dispositivi energetici. Tali scoperte sono fondamentali per il futuro della progettazione di impianti di energia marina e potrebbero fornire spunti per la creazione di sistemi sempre più efficienti e stabili.

Le Strutture Galleggianti di Grande Dimensione e il Loro Integrazione con Dispositivi per l'Energia del Mare: Analisi Idrodinamiche e Performance

Le strutture galleggianti di grande dimensione, come città marine galleggianti, isole energetiche galleggianti, e frangiflutti galleggianti, stanno diventando sempre più rilevanti nell'uso dello spazio oceanico. Questi sistemi, progettati per essere integrati in ambienti marini estremi, richiedono una comprensione approfondita delle interazioni idrodinamiche e delle deformazioni idroelastiche. La deformazione delle strutture galleggianti sotto l'azione delle onde è di fondamentale importanza per garantire la loro stabilità e per massimizzare la loro efficienza, soprattutto quando sono equipaggiate con dispositivi per la produzione di energia, come i convertitori di energia delle onde.

Le strutture galleggianti di grande dimensione (VLFS) si distinguono per le loro dimensioni, che, a volte, sono significativamente più grandi in una o due direzioni, come la pescaggio. Questa peculiarità richiede un’analisi idrodinamica complessa, che tenga conto delle risposte idroelastiche delle strutture stesse. La teoria del flusso potenziale è comunemente utilizzata per lo sviluppo di modelli numerici per analizzare queste risposte, ma anche la presenza di forze di deriva e il carico sui connettori flessibili sono elementi fondamentali per la comprensione completa delle interazioni.

Negli ultimi decenni, i progressi nell’analisi idroelastica di queste strutture sono stati notevoli. Numerosi ricercatori, come Wang et al. (2023), Du et al. (2023), e Ertekin et al. (2022), hanno sviluppato modelli avanzati che consentono una valutazione dettagliata delle risposte idroelastiche di strutture galleggianti modulari, sia in condizioni statiche che dinamiche. Tali modelli sono indispensabili, non solo per la progettazione di grandi strutture galleggianti ma anche per l’analisi della loro capacità di integrarsi con sistemi di energia rinnovabile, come quelli per la conversione dell’energia dalle onde.

L’integrazione dei convertitori di energia delle onde con piattaforme galleggianti multiuso rappresenta una delle frontiere più promettenti nell’energia rinnovabile offshore. Dispositivi come gli oscillatori o i galleggianti convertitori di energia, che interagiscono con la superficie del mare, sono ora utilizzati in combinazione con piattaforme galleggianti per ottimizzare l’estrazione di energia. Tuttavia, la performance di questi sistemi ibridi è influenzata da numerosi fattori, tra cui la geometria della struttura galleggiante, la disposizione dei dispositivi, la forza delle onde e la stabilità dinamica complessiva della piattaforma. Recenti esperimenti hanno dimostrato che la presenza di frangiflutti galleggianti può migliorare significativamente l’efficienza dei convertitori di energia delle onde, riducendo al contempo l’impatto delle onde stesse sulle strutture circostanti.

Un altro aspetto importante riguarda l’adattamento di queste strutture alle condizioni oceaniche complesse, come quelle presenti nelle regioni con batimetrie variabili. Le risposte idroelastiche delle VLFS possono differire notevolmente a seconda delle caratteristiche del fondale marino, richiedendo approcci numerici avanzati come il Metodo degli Elementi Finiti (FEM) per simulare le interazioni in scenari con forti variazioni di profondità e corrente. La corretta simulazione di questi fenomeni è essenziale per garantire la sicurezza e la durabilità delle strutture.

L’analisi idrodinamica di piattaforme galleggianti integrate con sistemi di energia dalle onde è quindi un campo che continua ad evolversi rapidamente, alimentato dalle necessità energetiche globali e dalla crescente attenzione verso le soluzioni sostenibili per l'energia rinnovabile. La ricerca in corso offre importanti spunti per ottimizzare l’interazione tra le diverse componenti, migliorando la resistenza e l’efficienza di queste strutture in condizioni ambientali difficili.

Importante è anche la gestione delle forze di connessione tra le piattaforme galleggianti e i convertitori di energia. Questi dispositivi devono essere progettati in modo da non compromettere la stabilità delle strutture galleggianti, ma allo stesso tempo devono essere abbastanza flessibili da adattarsi alle diverse sollecitazioni meccaniche imposte dalle onde e dalle condizioni ambientali. Le soluzioni innovative per i connettori flessibili, come quelle proposte da Kim et al. (2023), hanno aperto nuove possibilità per migliorare la resilienza e l'efficacia di tali sistemi.

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