Qual è l'effetto del coefficiente di porosità nella parete perforata sul sistema ibrido di dissipazione ed estrazione dell'energia dalle onde?

La gestione delle singolarità di velocità causate dalla sottile parete della camera OWC e dalla parete perforata, utilizzando un metodo Galerkin multi-termine, rappresenta una delle sfide principali nel design di dispositivi di estrazione energetica dalle onde. In dettaglio, la potenziale velocità $U_{\chi}$ (con $\chi = D$ e $\chi = R$, dove D e R corrispondono rispettivamente ai problemi di diffrazione e di radiazione) viene introdotta per descrivere la velocità sulla parete perforata, come segue:

dove $H^{(1)}_{\chi} (\chi = D \text{ e } R)$ rappresenta l'incognita sulla parete perforata. Il termine $Y_m(y)$ è introdotto per rappresentare il problema periodico nella direzione $y$, mentre la funzione ausiliaria $u_{s1}(z)$ è determinata come segue:

Ulteriori dettagli mostrano che il coefficiente di porosità della parete perforata influisce direttamente sull'efficienza idrodinamica, sulla dissipazione dell'energia e sul coefficiente di riflessione.

Un'analisi approfondita delle relazioni tra il coefficiente di riflessione, il coefficiente di dissipazione e l'efficienza idrodinamica in funzione di $kh$ (il parametro di onda) mostra che il coefficiente di porosità ha un impatto significativo sul comportamento delle onde. In particolare, nel range di frequenza 1 < $kh$ < 5, il coefficiente di porosità G determina una maggiore efficacia nella dissipazione dell'energia, migliorando così la banda di frequenza per l'assorbimento dell'energia delle onde. Quando il valore di $G$ è 0.5(1 + 1i), il sistema permette una larga banda di frequenza per l'assorbimento dell'energia delle onde, che si traduce in una maggiore efficienza nella cattura delle onde a bassa frequenza e una minore riflessione.

Inoltre, l'efficienza idrodinamica, che indica l'efficacia nell'estrarre energia dalle onde, raggiunge il suo picco nel range di bassa frequenza quando la parete perforata con un coefficiente di porosità adeguato è in grado di dissipare l'energia delle onde a frequenze intermedie. Le frequenze più basse, invece, vengono assorbite più efficacemente grazie al comportamento del risonatore di Helmholtz all'interno della camera OWC. Il sistema integrato, che agisce come una sorta di frangiflutti, riesce quindi ad assorbire onde di bassa e media frequenza, aumentando così la larghezza di banda per l'assorbimento efficace delle onde.

Il fenomeno della risonanza di Helmholtz, in particolare, può favorire l'assorbimento di onde di bassa frequenza, e di conseguenza, aumentare l'efficienza della dissipazione energetica nella gamma di frequenze più basse, vicino alla frequenza di risonanza del pistone, dove il coefficiente di riflessione raggiunge valori minimi. Di conseguenza, una parete perforata con un adeguato coefficiente di porosità può migliorare l'assorbimento delle onde a frequenze più lunghe, creando un sistema di dissipazione energetica efficiente per un ampio spettro di frequenze.

La posizione angolare delle onde incidenti ha anche un impatto notevole sul comportamento del sistema, sebbene l'effetto principale si manifesti soprattutto nelle onde con $kh > 1.5$. L'angolo di incidenza influisce maggiormente sul coefficiente di riflessione, con un impatto minore sull'efficienza idrodinamica. Quando la frequenza delle onde è più alta, il sistema tende a rivelare comportamenti diversi, come la risonanza del galleggiamento dell'acqua all'interno della camera OWC.

Queste osservazioni sono particolarmente rilevanti per la progettazione di strutture costiere e per ottimizzare il funzionamento dei dispositivi di cattura dell'energia dalle onde, in quanto mostrano come la geometria e il comportamento idrodinamico possano essere controllati e migliorati variando parametri come il coefficiente di porosità della parete perforata o l'angolo di incidenza delle onde. Il risultato è un sistema di protezione costiera che, oltre a difendere le coste, fornisce anche una fonte di energia pulita ed efficiente.

L'effetto di un piatto perforato sull'azione di un flusso da rottura di diga su un caisson OWC

L'analisi dell'interazione tra i caisson OWC (Oscillating Water Column) e flussi estremi, come quelli generati da una rottura di diga, è fondamentale per comprendere i carichi idrodinamici a cui sono sottoposti questi sistemi. In particolare, l'adozione di piatti perforati come elemento di protezione strutturale risulta essere una strategia interessante per mitigare l'impatto dei flussi estremi, riducendo i picchi di carico locali e aumentando la sicurezza e l'affidabilità dei caisson OWC.

I caisson OWC sono strutture utilizzate per la conversione dell'energia del mare, che sfruttano il movimento dell'acqua per produrre energia elettrica. Tuttavia, durante eventi estremi come le rotture di diga, queste strutture possono subire sollecitazioni considerevoli, che a volte superano la capacità di resistenza dei materiali impiegati. In questo contesto, l'integrazione di piatti perforati sulla parete frontale del caisson si presenta come una soluzione potenzialmente efficace.

Un altro aspetto rilevante emerso dallo studio riguarda la distribuzione della pressione sulla parete del caisson. Senza il piatto perforato, la pressione raggiungeva valori molto elevati in corrispondenza dell'impatto del flusso, ma con l'adozione del piatto perforato, la distribuzione della pressione si è notevolmente attenuata. La pressione massima è stata ridotta, e il picco si è spostato verso una posizione inferiore, mostrando l'efficacia del piatto nel modificare l'andamento del flusso e nell'alleviare i carichi estremi.

Inoltre, le simulazioni numeriche hanno rivelato che la presenza del piatto perforato ostacola una parte significativa del flusso d'acqua, portando a una dissipazione dell'energia e una riduzione del carico d'impatto sulla struttura. L'effetto di dissipazione dell'energia è particolarmente importante nei casi di flussi estremi, in cui la protezione della struttura diventa cruciale per prevenire danni eccessivi. L'introduzione di un piatto perforato, quindi, non solo riduce la forza esercitata dal flusso, ma contribuisce anche a un cambiamento nella localizzazione del punto di impatto, spostandolo a una posizione più sicura e meno vulnerabile.

L'integrazione di piatti perforati in strutture OWC potrebbe dunque rappresentare un passo significativo verso il miglioramento della sicurezza delle infrastrutture di conversione dell'energia del mare, consentendo una gestione più efficace dei carichi dinamici derivanti da eventi estremi. Tali interventi non solo aumentano la resistenza delle strutture, ma contribuiscono anche a ottimizzare le prestazioni complessive dei sistemi di energia da onde, riducendo i rischi di danneggiamento e migliorando la sostenibilità a lungo termine di queste tecnologie.

Qual è l'impatto della riflessione costiera sulle piattaforme galleggianti integrate con dispositivi per l'energia dalle onde?

Nel contesto delle piattaforme galleggianti integrate con dispositivi per l'energia dalle onde, l'interazione tra il movimento delle onde e la struttura della piattaforma è fondamentale per determinare l'efficacia dell'estrazione di energia. L'effetto idroelastico, che tiene conto della deformazione elastica della piattaforma galleggiante, ha un impatto significativo sulle prestazioni del sistema. Quando la piattaforma galleggiante è ancorata in prossimità della costa, la riflessione delle onde dalla riva può alterare il comportamento dinamico del sistema, influenzando la sua capacità di estrarre energia.

Un aspetto fondamentale è che le oscillazioni relative tra la piattaforma e il dispositivo di energia da onda sono molto più pronunciate quando la distanza tra la piattaforma e la costa aumenta. In questi casi, le fluttuazioni di frequenza sono osservate per onde a frequenze specifiche (come nel range tra 0.7–1.35 rad/s). Questo fenomeno è dovuto principalmente agli effetti di interferenza causati dalle onde riflesse dalla costa che si sovrappongono alle onde incidenti.

Le piattaforme galleggianti più snelle, che presentano geometrie particolarmente sottili, sono più vulnerabili agli effetti idroelastici. Senza considerare questi effetti, si corre il rischio di sottostimare l'efficienza del dispositivo di energia dalle onde, con una possibile sottostima che può arrivare fino al 50%. Questo rende essenziale l'integrazione di modelli che considerano le proprietà idroelastiche della piattaforma per ottenere previsioni accurate delle prestazioni, in particolare quando il dispositivo è installato vicino alla costa, dove la riflessione delle onde gioca un ruolo cruciale.

La ricerca numerica condotta per valutare le prestazioni del sistema galleggiante integrato ha dimostrato che l’effetto della riflessione costiera è particolarmente pronunciato quando la distanza dalla riva aumenta, con oscillazioni significative osservate nella curva di efficienza idrodinamica rispetto alla frequenza dell’onda. Questo rende chiaro che, per ottimizzare la progettazione delle piattaforme galleggianti integrate con dispositivi per l'energia dalle onde, è indispensabile prendere in considerazione la riflessione delle onde in prossimità della costa. La necessità di un approccio che combini la modellazione idroelastica e la riflessione costiera è dunque fondamentale per migliorare l'affidabilità e l’efficacia dei sistemi progettati.

Il modello numerico descritto in questo studio può essere adattato anche per altre tipologie di piattaforme galleggianti, comprese quelle modulari o flessibili, come le città galleggianti modulari, estendendo la metodologia alla simulazione di vari dispositivi di estrazione di energia dalle onde. L’analisi delle deformazioni della piattaforma, unite agli effetti idroelastici, consente di ottenere una comprensione approfondita di come le strutture galleggianti interagiscono con l'ambiente marino circostante, portando a una progettazione più robusta ed efficiente.

Oltre agli aspetti tecnici legati alla deformazione e all’efficienza idrodinamica, è fondamentale comprendere che la progettazione di piattaforme galleggianti integrate con dispositivi per l'energia dalle onde deve essere vista come un processo dinamico e interattivo, dove le condizioni ambientali, tra cui la riflessione costiera e l'interazione con le onde incidenti, giocano un ruolo cruciale nel determinare la fattibilità e l'efficacia complessiva del sistema. La ricerca in questo settore è quindi cruciale per sviluppare soluzioni che possano rispondere in modo ottimale alle sfide imposte dai vari ambienti marini.

Sistemi Ibridi Eolico-Onda: Studio Numerico sull'Integrazione delle Tecnologie

Nel corso delle prove sperimentali, Zhou et al. hanno valutato l’interazione tra la turbina eolica galleggiante e il convertitore di energia dalle onde, mettendo in luce la capacità del sistema di ridurre i movimenti orizzontali e di beccheggio della piattaforma. Questo tipo di approccio è fondamentale, in quanto consente di sfruttare in modo simultaneo le due risorse naturali, riducendo le oscillazioni della piattaforma e migliorando la stabilità statica e dinamica dell'intero sistema. Per esempio, Wei et al. [25] hanno condotto test su un sistema integrato che combina la turbina eolica WindFloat con una serie di convertitori di energia dalle onde a braccio oscillante, evidenziando come un incremento dell'area della linea di galleggiamento e un miglioramento nell'assorbimento dell'energia delle onde possa ridurre significativamente i movimenti di surging e pitching della piattaforma.

Il tema delle interazioni tra i dispositivi di conversione dell'energia delle onde e la turbina eolica è stato anche trattato da Kim et al. [15], i quali hanno esaminato come le piattaforme galleggianti possano interagire reciprocamente, influenzandosi a vicenda nel loro comportamento dinamico. Questi studi sono cruciali per il design ottimale di sistemi che devono essere in grado di rispondere simultaneamente a più forze ambientali, come quelle generate dal vento, dalle onde e dalle correnti marine.

Nel contesto della modellazione numerica, Rony et al. [22] hanno utilizzato un sofisticato strumento numerico che integra i domini aerodinamico, servo-meccanico e idro-elastico per studiare le risposte dinamiche di un convertitore di energia delle onde montato su una turbina eolica da 5 MW. Questo tipo di approccio, che si distingue per l'utilizzo di tecniche avanzate come le simulazioni in dominio temporale e il metodo degli elementi al confine (BEM), è indispensabile per la comprensione delle interazioni tra le diverse forze ambientali e le strutture stesse.

L'importanza della stabilità idrostatica e dinamica nelle piattaforme ibride non può essere sottovalutata. Faraggiana et al. [7] hanno sottolineato come i convertitori di energia delle onde, come gli assorbitori a tre punti, contribuiscano in modo significativo alla stabilità complessiva del sistema galleggiante, mentre la proposta di Lee e Ong [16] di un nuovo sistema di ancoraggio “soft-chain” ha cercato di risolvere i picchi di tensione nelle linee di ormeggio per sistemi che operano a profondità maggiori, come quelle di 50 metri.

Le sfide non riguardano solo la progettazione dei singoli dispositivi, ma anche la loro integrazione in un sistema complesso in cui ogni componente, dalla turbina alle strutture di supporto, interagisce continuamente con l'ambiente circostante. Come dimostrato nel lavoro di Hallak et al. [8], il modello matematico basato su coordinate generalizzate per l'analisi di sistemi galleggianti multipli con vincoli geometrici non lineari è essenziale per valutare le risposte idrodinamiche di piattaforme ibride e per la progettazione di sistemi che possano resistere agli stress e alle sollecitazioni ambientali.

A causa della complessità del sistema, non è possibile applicare semplici metodi di analisi nel dominio delle frequenze. È necessario adottare un approccio di analisi nel dominio del tempo che tenga conto dei moti non lineari e delle interazioni tra le forze ambientali e le strutture. Le equazioni di movimento derivate per questi sistemi integrati devono considerare le forze di eccitazione delle onde, i carichi non lineari del vento e altre forze di restituzione e smorzamento. La soluzione numerica di questi sistemi complessi richiede l'uso di metodi avanzati di simulazione e programmazione, come quello descritto nell'analisi di Lagrange, che considera anche le forze derivanti dai giunti e dai dispositivi di smorzamento.

Per quanto riguarda la produzione di energia, è essenziale considerare l'efficienza dei dispositivi di assorbimento delle onde, come nel caso dei dispositivi di assorbimento a punto, il cui potenziale di generazione di potenza è influenzato dalla capacità di assorbire l'energia delle onde su periodi di tempo specifici. La massimizzazione dell'assorbimento, attraverso l'ottimizzazione del design, porta a un miglioramento significativo della performance energetica complessiva del sistema.

In sintesi, l'integrazione di sistemi ibridi eolico-onda è una sfida tecnologica di grande portata, che richiede una comprensione approfondita delle dinamiche marine, dei comportamenti idrodinamici delle strutture galleggianti e dell'interazione tra i carichi ambientali. Con l'uso di modelli numerici avanzati e simulazioni temporali, è possibile progettare sistemi che non solo ottimizzano la produzione di energia ma che siano anche robusti e resilienti agli effetti dei carichi ambientali variabili.