Il sistema integrato di piattaforme galleggianti per la produzione di energia eolica e da onde interagisce con numerosi parametri idrodinamici che influenzano le sue prestazioni. L'analisi dei movimenti oscillatori delle boe, come mostrato nelle figure 9.4 e 9.5, ci permette di comprendere le risposte dinamiche in termini di rollio e beccheggio, nonché l'effetto del ritardo indotto dal smorzamento radiante. Per calcolare le forze di radiazione generate dal movimento delle strutture galleggianti, è necessario convolvere la funzione di ritardo con le risposte dinamiche di ogni corpo, come mostrato nella figura 9.6.

Le boe oscillanti, come indicato nei dati, catturano l'energia ondosa attraverso il movimento relativo con la piattaforma galleggiante, mentre il sistema PTO (Power Take-Off) converte questa energia. Il sistema PTO agisce come un meccanismo di smorzamento, con diverse boe che sfruttano il movimento relativo in rollio e beccheggio. Le figure 9.4 e 9.5 mostrano come la massa aggiunta e il smorzamento radiante delle boe siano simmetrici, mantenendo una risposta armonica con la piattaforma galleggiante. È fondamentale notare che il sistema PTO può essere ottimizzato in base alla frequenza e all'intensità delle onde, variando a seconda delle condizioni operative, come mostrato in Figura 9.7.

Il sistema integrato, come esplorato nella sezione successiva, è soggetto a carichi di vento, onde, ormeggio e smorzamento PTO. Per valutare l'effetto di ciascun carico, vengono eseguite indagini parametriche su tre condizioni operative. Le simulazioni numeriche effettuate, come evidenziato nella Tabella 9.2, consentono di osservare come variabili come l'altezza delle onde, la velocità del vento e il periodo PTO influenzano le risposte dinamiche del sistema. Sottolineiamo l'importanza di considerare le condizioni ambientali specifiche, poiché influiscono direttamente sul comportamento delle strutture galleggianti e sulla loro capacità di raccogliere energia.

Nel contesto delle caratteristiche dinamiche del sistema sotto azione delle onde, l'analisi della risposta in frequenza delle oscillazioni in rollio e beccheggio ci offre informazioni cruciali sul comportamento della piattaforma galleggiante e delle boe. L'effetto delle onde sui movimenti di rollio e beccheggio è particolarmente evidente, con la piattaforma che mostra risposte significativamente inferiori rispetto alle boe. Le boe 5 e 6, in particolare, presentano una risposta in rollio ridotta, mentre le altre boe mantengono un movimento coerente con la piattaforma. La risoluzione delle risposte temporali, come mostrato nelle figure 9.9 e 9.10, permette di osservare l'estrazione di energia dalle onde in diverse condizioni operative.

Il sistema di ormeggio gioca un ruolo fondamentale nell'affidabilità e nella stabilità complessiva della piattaforma. L'analisi dell'effetto del sistema di ormeggio, in particolare il sistema di ancoraggio a catena, rivela come le linee di ormeggio influenzino la risposta dinamica della piattaforma e delle boe. Le simulazioni numeriche condotte per il caso LC2 evidenziano come la fase delle risposte di rollio delle boe, in relazione alle forze di ancoraggio, possa determinare un comportamento diverso rispetto alle condizioni senza ancoraggio. La forza di smorzamento PTO rimane praticamente invariata rispetto alla condizione LC1, indicando una stabilità nella capacità di estrarre energia dalle onde.

Quando si introducono sia il carico eolico che il carico ondoso, il comportamento dinamico del sistema cambia ulteriormente. Il carico eolico, sebbene relativamente piccolo rispetto alla massa della piattaforma galleggiante, aggiunge una componente di spinta aggiuntiva che influenzerà la posizione di equilibrio delle boe oscillanti. L'analisi dei carichi combinati di vento e onde, come mostrato nelle figure 9.14, 9.15 e 9.16, evidenzia l'importanza di considerare i carichi a frequenze differenti che causano fluttuazioni nei movimenti della piattaforma. Queste fluttuazioni derivano dalla sovrapposizione delle frequenze del vento e delle onde, con effetti che, sebbene relativamente limitati, influenzano la risposta dinamica del sistema. Le oscillazioni delle boe, così come le velocità di rotazione relative, non cambiano significativamente sotto l'influenza del vento, ma la posizione di equilibrio delle boe può variare.

Inoltre, è essenziale comprendere che la gestione di sistemi ibridi come quello descritto richiede una progettazione ottimizzata che bilanci efficacemente le forze ondose e eoliche. Le caratteristiche di risposta in frequenza e in dominio del tempo devono essere analizzate in dettaglio per garantire un'estrazione di energia continua ed efficiente. Gli sviluppi futuri potrebbero includere l'integrazione di nuovi materiali o tecnologie per migliorare la resistenza e la durabilità del sistema di ancoraggio, nonché l'ottimizzazione del sistema PTO per rispondere meglio alle variazioni delle condizioni ambientali.

Quali sono i progressi nella ricerca e nello sviluppo delle piattaforme marine multifunzionali?

Le piattaforme marine multifunzionali (MPMS) rappresentano un'innovazione fondamentale nel settore delle energie rinnovabili offshore, unendo la produzione di energia, l'acquacoltura e altre attività costiere in un unico sistema integrato. Queste strutture non solo hanno il potenziale di ridurre i costi e migliorare l'efficienza, ma anche di rispondere alle sfide ambientali e sociali, offrendo nuove soluzioni sostenibili per la gestione delle risorse marine. La ricerca sulle MPMS ha fatto passi da gigante, portando a sviluppi significativi nella simulazione numerica, nei test sperimentali e nella realizzazione di prototipi.

Un aspetto cruciale nella progettazione di tali piattaforme è l'analisi idrodinamica. I modelli basati sul flusso potenziale, pur offrendo un costo computazionale relativamente basso, non sono in grado di catturare fenomeni non lineari complessi, come gli effetti delle onde estreme o quelli vischiosi. In risposta, sono emerse metodologie più avanzate, come le simulazioni basate sulla teoria del flusso vischioso, che permettono di modellare con maggiore precisione l’effetto di smorzamento vischioso e di descrivere dettagliatamente il campo di flusso. Questi approcci sono stati applicati anche allo studio dei sistemi di turbine eoliche galleggianti, dove la resistenza al vento e alle onde è cruciale per il funzionamento ottimale.

Molti degli studi più recenti si sono concentrati su piattaforme galleggianti ibride che combinano turbine eoliche con sistemi di acquacoltura, come dimostrato dalle ricerche di Cai et al. [10]. Tali piattaforme possono operare sia come impianti di produzione di energia che come strutture per l’allevamento di pesci, unendo due settori strategici in una soluzione unica. Nonostante i vantaggi teorici, la difficoltà principale rimane quella di integrare efficacemente le tecnologie, garantendo al contempo una stabilità idrodinamica e una sicurezza operativa anche in condizioni estreme.

Accanto alla simulazione numerica, la ricerca si è anche concentrata su esperimenti fisici in vasca, che forniscono dati affidabili per testare la resistenza e le prestazioni delle piattaforme. Gli esperimenti condotti da ricercatori come Cao et al. [11] e Fenu et al. [31] sono fondamentali per validare i modelli numerici e comprendere meglio le risposte dinamiche delle piattaforme galleggianti in presenza di onde e venti intensi. Le prove in vasca permettono inoltre di simulare le condizioni reali in modo controllato, garantendo l'affidabilità dei dati raccolti.

Nel 2009 è stato proposto un concetto innovativo di un sistema ibrido vento-onda basato su una piattaforma offshore fissa, dotata di dieci boe oscillanti e una turbina eolica installata sulla parte superiore della piattaforma. Questo progetto ha dato il via a numerosi sviluppi successivi, tra cui il progetto "Blue Growth Farm", finanziato dall'Unione Europea nel 2020, che ha proposto una piattaforma equipaggiata con una turbina eolica da 10 MW e un array di OWC (oscillating water column) destinata alla produzione di energia e all’acquacoltura. Altri prototipi degni di nota includono il sistema “Penghu” a energia eolica e onde, testato in mare, e il sistema “Guoneng Shared” che integra turbine eoliche galleggianti e gabbie per l’allevamento di pesci [36].

Una delle principali difficoltà nella realizzazione di questi prototipi è la gestione delle forze marine combinate, che influenzano la stabilità della struttura. I test in vasca e le simulazioni numeriche cercano di ottimizzare la progettazione delle piattaforme per ridurre al minimo i rischi derivanti dalle forze del mare e garantire il miglior equilibrio tra le esigenze energetiche e quelle agricole. A tal fine, si stanno sviluppando soluzioni avanzate che includono il miglioramento delle tecnologie di ancoraggio e delle strutture galleggianti per garantire la sicurezza e l'efficienza operativa.

Oltre agli aspetti tecnologici, la ricerca si concentra anche su studi ambientali e socio-economici, che analizzano l'impatto delle piattaforme multifunzionali sugli ecosistemi marini e sulle comunità locali. L'adozione di pratiche ecocompatibili è essenziale per evitare danni agli habitat marini e garantire una convivenza armoniosa tra la produzione di energia e le attività di acquacoltura.

L'importanza di questa ricerca non risiede solo nell'innovazione tecnologica, ma anche nella capacità di rispondere a una crescente domanda globale di soluzioni energetiche sostenibili e sicure. Con l'aumento della pressione sulle risorse naturali, le piattaforme multifunzionali offshore offrono una risposta innovativa per ottimizzare l'uso delle risorse marine in modo che possano contribuire sia alla produzione energetica che alla sicurezza alimentare.

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