Hoe kan Helmholtz-resonantie worden toegepast in de golfsabsorptie en energieopwekking van brekers?

De efficiëntie van golfbrekers bij het absorberen van golven met lange perioden is cruciaal voor zowel hun kustverdediging als hun vermogen om golfenergie op te vangen. Dit aspect kan worden versterkt door gebruik te maken van de Helmholtz-resonantie, een fenomeen dat oorspronkelijk werd geïntroduceerd door Hermann von Helmholtz in 1863. Helmholtz-resonantie is het resoneren van lucht in een holte, waarbij een smalle opening (de nek) verbonden is met een grotere ruimte of fles die gevuld is met lucht. De resonantiefrequentie is afhankelijk van de geometrie van de resonator, waarbij de grootte van de nek doorgaans veel kleiner is dan de holte zelf.

Deze resonantieprincipes zijn sinds lange tijd bekend in de akoestiek en worden bijvoorbeeld toegepast voor geluidsreductie. De toepassing van Helmholtz-resonantie is echter niet beperkt tot lucht, maar kan ook gebruikt worden om golven in water te absorberen. In havens, bijvoorbeeld, wordt Helmholtz-resonantie onderzocht om resonantie-effecten van watergolven te begrijpen. Euvé et al. stelden een tijdsdomeinmodel voor subgolflengte-resonantie van watergolven in een resonator voor, dat analoog is aan de akoestische resonantie van Helmholtz.

Interessant is de toepassing van dit concept in de golenergie, waar het kan bijdragen aan het verbeteren van de prestaties van golventurbines en andere golvenenergieomzetters. Een van de belangrijkste ontdekkingen was dat de versterking van golven op de resonantiefrequentie van Helmholtz gunstig is voor het vangen van oceaangolven in een ontworpen bekken, wat op zijn beurt kan helpen bij het optimaliseren van het ontwerp van golvenenergie-apparaten voor energie-extractie. De principes van Helmholtz-resonantie zijn zelfs toegepast in de ontwikkeling van oscillierende waterkolommen (OWC) voor energieopwekking uit golven.

Het concept van een Helmholtz-resonantie-gebaseerde oscillierende waterkolom werd voorgesteld door Zhao et al., die een OWC-chamber beschouwden als een resonator. Dit wordt bijvoorbeeld geïllustreerd door een kamer die omgeven is door een voorwand, een scheidingswand, een kamer bovenkant, een breker/zeewering en de zeebodem. Deze geconfigureerde kamer kan worden beschouwd als een Helmholtz-resonator die efficiënter langere golven absorbeert, wat het potentieel voor energiewinning uit golven vergroot.

In een andere studie werd het effect van de geometrie van de waterkolom op de efficiëntie van de energieabsorptie onderzocht. Het bleek dat wanneer de romp die de waterkolom omsluit dichter bij de zeebodem komt, de resonantie-effecten afnemen. Dit fenomeen werd niet voorspeld door de potentiële stroommodellen, wat aangeeft hoe belangrijk het is om rekening te houden met viscose effecten in dergelijke systemen. Het was ook duidelijk dat de resonantiefrequentie van de waterkolom lager wordt als de diepte van de romp toeneemt, wat nuttig kan zijn voor het opvangen van langere golven.

In simulaties met de Navier-Stokes-vergelijkingen en Computational Fluid Dynamics (CFD)-methoden werd het effect van verschillende geometrieën van de waterkolom onderzocht. De simulaties toonden aan dat de verhouding tussen de diepte van de romp en de hoogte van de golf (d/h) cruciaal is voor de respons van de waterkolom. Bij een d/h van 0,8 werd de maximale piekwaarde van de amplitude van de waterkolom vastgesteld, wat suggereert dat het gebruik van een diepere romp niet alleen de respons van de waterkolom vergroot, maar ook de resonantiefrequentie naar lagere golflengten verschuift. Dit biedt mogelijkheden voor het ontwerp van energieomzetters die specifiek gericht zijn op het opvangen van langere golven.

De interactie tussen de structuur van de waterkolom en de golven blijkt complex te zijn, waarbij factoren zoals de geometrie van de romp, de viskeuze effecten en de dichtheid van het water in belangrijke mate de efficiëntie van de resonantie beïnvloeden. Deze bevindingen benadrukken dat het ontwerp van brekers of andere energieopwekkingssystemen die afhankelijk zijn van resonantie, rekening moet houden met gedetailleerde hydrodynamische analyses en de complexe interactie tussen watergolven en structuren.

Hoe Oscillerende Waterkolom Apparaten Presteren Onder Extreme Zeetoestanden?

Oscillerende waterkolom (OWC) apparaten, die worden gebruikt voor het winnen van golfenergie, staan voor aanzienlijke uitdagingen wanneer ze geconfronteerd worden met extreme zeewateromstandigheden, zoals zware stormen. Dergelijke omstandigheden kunnen verwoestende krachten uitoefenen op de structuren van de apparaten, wat de noodzaak benadrukt voor een grondige analyse van hun hydrodynamische prestaties en ontwerpcriteria. Diverse studies, variërend van theoretische modellen tot numerieke simulaties en experimenten, zijn uitgevoerd om de interactie tussen golven en OWC-systemen beter te begrijpen. Deze onderzoeken richten zich niet alleen op de golfbelasting, de efficiëntie van de hydrodynamica, maar ook op de mechanismen van golfreflectie en transmissie, het vermogen om energie op te nemen en de werking van het systeem onder extreme omstandigheden.

Een cruciaal aspect van het ontwerp van OWC-apparaten is de efficiëntie van de energieopvang. Talrijke onderzoeken hebben zich gericht op dit onderwerp, met de nadruk op het verbeteren van de prestaties van deze systemen door de interactie tussen de golven en de waterkolom te optimaliseren. Wanneer OWC-apparaten geïntegreerd worden in breekwateren of als onderdeel van een offshoreplatform, spelen factoren zoals de geometrie van de structuren, de diepte van het water en de vorm van de zeebodem een aanzienlijke rol. Variaties in de bathymetrie kunnen de effectiviteit van het systeem beïnvloeden, omdat onregelmatigheden in de zeebodem de golven kunnen verstrooien of veranderen, wat invloed heeft op de prestaties van de OWC.

Naast de aandacht voor de efficiëntie van de golfenergieopvang, is het van belang te begrijpen dat OWC-apparaten blootstaan aan de dynamische krachten van golven, vooral tijdens extreme stormen. In dergelijke situaties kunnen de structurele belastingen tot schade of zelfs tot het falen van het apparaat leiden. Daarom moeten er gedetailleerde analyses worden uitgevoerd om de overleving van deze systemen te waarborgen. Dit betekent dat de OWC-apparaten bestand moeten zijn tegen grote krachten, zoals die ontstaan door hoge golven en sterke stromingen, zonder dat de integriteit van de structuur in gevaar komt.

In de context van variabele bathymetrie spelen de vormen en onregelmatigheden van de zeebodem een extra complicatie in de prestaties van OWC-systemen. Een zeebodem met een onregelmatige of gevarieerde diepte kan de bewegingsdynamiek van de waterkolom beïnvloeden, waardoor de efficiëntie van energie-extractie fluctueert. Onderzoekers hebben opgemerkt dat de interactie van de waterkolom met de zeebodem ertoe kan leiden dat sommige energieën niet optimaal worden overgedragen naar het systeem, vooral wanneer er periodieke onregelmatigheden zoals zandbanken of onderwaterheuvels aanwezig zijn. Dit benadrukt de noodzaak van een nauwkeurige modellering van de zeebodem om de impact van deze onregelmatigheden te begrijpen en te beheren.

Endtext

Hoe interacteert dam-breukstroming met het OWC-systeem? Een analyse van de experimenten en numerieke modellen

In de onderzochte OWC-structuur (Oscillerend Waterkolom) worden acrylaatpanelen van 10 mm dik gebruikt, bevestigd op de bodem van het tankmodel. Ter verbetering van de stabiliteit en trillingsdemping is de voorwand uitgevoerd met panelen van 20 mm, terwijl de achterwand 15 mm panelen bevat. Bovenin is een cirkelvormig luchtopening van 34 mm diameter aangebracht, die het systeem simuleert met een opening van 1%, berekend als de verhouding tussen het oppervlak van de opening en het wateroppervlak in de kamer. Twee drukmeters (P1 en P2) bevinden zich langs de middellijn van de zeewand van de voorwand, om de krachten van de dam-breukstroming vast te leggen. Daarnaast is een extra sensor (S1) gemonteerd op het dek van de kamer om de interne luchtdruk te monitoren. De gemeten druk wordt genormaliseerd ten opzichte van de initiële statische druk (waarbij de waterdichtheid van 994,511 kg/m3 wordt gebruikt), en de tijd wordt gepresenteerd in een dimensieloze indeling met de karakteristieke tijdschaal T = t (g/d), waarbij d de waterdiepte stroomafwaarts van het systeem aanduidt (d = 100 mm). Deze normalisatie wordt toegepast om de resultaten grafisch weer te geven, zoals te zien is in figuur 6.5.

De evolutie van de druk op de OWC-structuur kan in verschillende fasen worden ingedeeld. In fase A vormt de watertong zich, maar is er nog geen contact met de wand. Fase B markeert het eerste contact, waar een scherpe, driehoekige drukpuls verschijnt, terwijl het waterniveau in de kamer vrijwel ongewijzigd blijft. In fase C stijgt het waterniveau bij de voorwand en verhoogt de waterstand in de kamer overeenkomstig, waardoor een golvende lucht-water interface ontstaat. In fase D, wanneer het water van de wand valt, daalt de impactdruk naar nul; tegen T = 12.42 bereikt het water in de kamer zijn maximale hoogte, met nul interne druk, voordat de lucht naar binnen wordt gezogen en negatieve druk ontstaat.

De maximale luchtdruk in de kamer correleert met de snelheid van de waterkolom, een fenomeen dat ook werd waargenomen door Viviano et al. bij testen met reguliere golven en OWC-systemen. Dit suggereert dat er een synchronisatie bestaat tussen de luchtdruk en de snelheid van de waterkolom onder invloed van sterke niet-lineaire verstoringen, zoals de dam-breukstroming. De maximale snelheid van de waterkolom komt overeen met de maximale luchtdruk in de kamer, waarbij beide eerst toenemen en daarna afnemen.

Bij vergelijking met de testgegevens uit het veld, waarop de belasting door de golven in drie verschillende regimes wordt waargenomen – quasi-staande golven, licht brekende golven en impactbelasting – blijkt dat de impactbelasting bij OWC-structuren de snelste piek vertoont, gevolgd door een snelle daling. Dit gedrag werd ook geobserveerd bij dam-breukstroming, die een soortgelijke dynamiek van snel opkomende krachten vertoont. Deze bevindingen ondersteunen de waarde van het model voor het onderzoeken van OWC-gedrag onder invloed van sterke niet-lineaire golven, met toepassingen in zowel experimentele als praktische omgevingen.

Hoe kunnen multifunctionele maritieme structuren bijdragen aan duurzame energievoorziening en ecologische bescherming?

Multifunctionele maritieme structuren (MPMS) bieden een innovatieve oplossing voor het oplossen van de dringende vraagstukken in de wereld van energieproductie en het behalen van duurzame ontwikkelingsdoelen. In de context van de wereldwijde energievraag en de noodzaak om deze op een milieuvriendelijke manier te bevredigen, blijkt de ontwikkeling van laag-koolstof energiesystemen, zoals maritieme energie, een veelbelovende richting. Deze structuren combineren diverse energieproductie- en ecologische functies, waardoor ze bijdragen aan zowel de efficiëntie van energieopwekking als de bescherming van de mariene ecosystemen.

Mariene energie, zoals offshore windenergie, golfenergie, getijdenenergie en thermische oceaanenergie, is een belangrijke component van hernieuwbare energiebronnen. De technologieën voor het winnen van oceaanenergie hebben de afgelopen jaren aanzienlijke vooruitgangen geboekt. De toepassing van oceaanenergie heeft twee belangrijke doelen: het leveren van energie aan landgebonden consumenten, zoals steden, en het voorzien in de energiebehoefte van offshore activiteiten. In het tweede geval is het voordeel dat oceaanenergie lokaal kan worden ontwikkeld en geconsumeerd, wat bijzonder handig is voor offshore activiteiten, zoals olie- en gasplatforms of offshore aquacultuursystemen. Bovendien is de kostenstructuur van oceaanenergie lager in vergelijking met andere energiebronnen, wat heeft bijgedragen aan de brede acceptatie van dit model van energieverbruik.

Daarnaast wordt offshore zonne-energie steeds belangrijker. Er zijn twee hoofdtypen: pile-mount en drijvende zonnepaneelplatforms. De ontwikkelingen in dit gebied omvatten innovatieve concepten zoals de SolarDuck en HeliFloat. Er is ook belangstelling voor hybride platforms die zowel wind- als golfenergie combineren. Deze platforms bieden uitstekende mogelijkheden voor synergie en optimalisatie van de energieproductie, wat zowel de stabiliteit van het windplatform als de kwaliteit van de opgewekte elektriciteit verbetert. Dergelijke systemen hebben nog niet het commerciële niveau bereikt, maar de technologie is al in vergevorderd stadium van ontwikkeling en de prototypes worden in offshore omgevingen getest.

Een ander interessant aspect van MPMS is hun toepassing in de offshore aquacultuur. Grootschalige aquacultuur vereist aanzienlijke hoeveelheden energie voor productieactiviteiten. Mariene energiebronnen kunnen een belangrijke rol spelen bij het voorzien in deze energiebehoefte, terwijl tegelijkertijd de benodigde platformen voor de aquacultuursystemen kunnen worden ondersteund. Voorbeelden van geïntegreerde systemen, zoals het Penghu-golfenergie-aquacultuurplatform en de eerste wind-vissershybride drijvende platformen, laten zien hoe windenergie kan worden gecombineerd met offshore aquacultuur.

MPMS kunnen aanzienlijk bijdragen aan het behoud van mariene ecosystemen door gebruik te maken van bestaande infrastructuur en tegelijkertijd nieuwe ecologische functies te integreren. Dit vermindert de negatieve impact van deze structuren op de omgeving en vergemakkelijkt de uitvoering van ecologische initiatieven. Het ontwikkelen van maritieme structuren die natuurlijke ecosystemen ondersteunen, is een belangrijke stap in het duurzame beheer van de oceanen.

Tot slot bieden MPMS aanzienlijke voordelen zoals ruimte- en kostenbesparing door het delen van infrastructuur, multifunctionaliteit en synergie tussen verschillende systemen, wat leidt tot efficiënter gebruik van mariene ruimte. Door de integratie van verschillende energie- en ecologische functies op één platform kunnen de kosten van constructie en exploitatie aanzienlijk worden verlaagd, terwijl tegelijkertijd de negatieve impact op het milieu wordt geminimaliseerd.

Hoe kan de combinatie van drijvende wind- en aquacultuurplatforms de energieproductie optimaliseren?

Drijvende wind-aquacultuurplatformen bieden veelbelovende mogelijkheden voor het benutten van de oceaan als een geïntegreerd systeem voor duurzame energieproductie en voedselvoorziening. Door de synergie tussen windenergie, golven en mariene biotechnologie, kunnen deze platforms niet alleen bijdragen aan hernieuwbare energie, maar ook een nieuw economisch model voor kustgemeenschappen creëren. De platforms zijn ontworpen om optimaal gebruik te maken van de dynamiek van de oceaan: de beweging van het water, de kracht van de golven en de constante aanwezigheid van wind. Wanneer deze systemen goed worden geïntegreerd, kunnen ze niet alleen de energieproductie verhogen, maar ook bijdragen aan de verbetering van de aquacultuurpraktijken.

In recente studies is aangetoond dat de combinatie van drijvende platforms voor windenergie met aquacultuursystemen de efficiëntie kan verbeteren. Bijvoorbeeld, het gebruik van oscillatie-waterkolom (OWC) turbine-platforms heeft aangetoond dat ze zowel windenergie kunnen genereren als golven kunnen benutten voor de energieproductie. Dit type hybride systeem biedt een breed scala aan voordelen, zoals de mogelijkheid om de omgeving te verbeteren voor mariene ecosystemen, zoals viskwekerijen, terwijl het tegelijkertijd bijdraagt aan de energiebehoeften van kustgebieden.

De rol van aquacultuur in dit systeem is cruciaal, niet alleen voor de productie van voedsel, maar ook voor de ecologische voordelen die het biedt. Door viskwekerijen te integreren in deze platforms, kunnen we het negatieve milieu-effect van traditionele aquacultuurpraktijken verminderen. De platforms kunnen ook dienen als schuilplaatsen voor mariene organismen en kunnen bijdragen aan het herstel van mariene ecosystemen die worden aangetast door overbevissing en vervuiling.

Wat betreft de ontwerpkeuzes van deze systemen is het belangrijk om rekening te houden met de lokale zeenomstandigheden, zoals de golven, windkracht en stromingen. Het ontwerp van het platform moet robuust genoeg zijn om te weerstaan aan de dynamische krachten van de oceaan en tegelijkertijd efficiënt zijn in de productie van zowel energie als aquacultuur. Dit vereist gedetailleerde studies van de interactie tussen de verschillende componenten van het systeem, zoals de dynamische respons van het platform, het dragende vermogen van de aquacultuurbakken, en de effectiviteit van de geïntegreerde energieomzetters.

Naast de technische en ecologische aspecten van deze platforms is het ook belangrijk om te kijken naar de economische haalbaarheid. De kosten van het bouwen en onderhouden van dergelijke systemen kunnen aanzienlijk zijn, maar ze kunnen op de lange termijn economisch rendabel worden door de gecombineerde voordelen van energieproductie en voedselproductie. Investeringen in onderzoek en ontwikkeling zullen essentieel zijn om de technologie verder te optimaliseren en de kosten te verlagen. De integratie van verschillende hernieuwbare energiebronnen op één platform biedt niet alleen een technologische oplossing, maar ook een potentieel economisch voordeel voor kustgemeenschappen die afhankelijk zijn van de oceaan voor hun levensonderhoud.

Het succes van dergelijke hybride systemen hangt sterk af van de samenwerking tussen verschillende wetenschappelijke en industriële disciplines, waaronder mariene techniek, hernieuwbare energie, aquacultuur en ecologie. De ontwikkeling van geavanceerde modellen voor de dynamica van drijvende platformen is noodzakelijk om de effecten van wind, golven en stromingen te begrijpen en te voorspellen. Evenzo moeten er nieuwe technologische oplossingen worden ontwikkeld voor de energieomzetting en het beheer van mariene bronnen.

Naast de technologische en ecologische aspecten is het ook belangrijk om rekening te houden met de maatschappelijke acceptatie van dergelijke systemen. De implementatie van drijvende wind- en aquacultuurplatforms vereist vaak aanzienlijke investeringen van zowel de publieke als de private sector. Er moet echter ook rekening worden gehouden met de belangen van lokale gemeenschappen die mogelijk afhankelijk zijn van traditionele mariene activiteiten. In dit opzicht kunnen beleidsmaatregelen en regelgevingen, die gericht zijn op het ondersteunen van de integratie van hernieuwbare energie en duurzame visserijpraktijken, de weg vrijmaken voor de implementatie van deze systemen.