Deutsch
Francais
Nederlands
Svenska
Norsk
Dansk
Suomi
Espanol
Italiano
Portugues
Magyar
Polski
Cestina
Русский
For å analysere store flytende strukturer integrert med bølgekraftenheter, er det viktig å forstå hvordan de forskjellige koordinatsystemene (lokale og globale) relaterer til hverandre, spesielt når det gjelder forskyvninger og krefter som virker på nodene i strukturen.
I et lokalt koordinatsystem er forholdet mellom nodaldisplacementene og de nodale kreftene til et romlig bjelkeelement gitt ved en ligning som knytter sammen disse to størrelsene. For et element i node i til node i+1, kan kreftene og forskyvningene uttrykkes som følger:
Fl(i,i+1) = Kl(i,i+1)εl(i,i+1)
Her representerer de nodale kreftene, stivhetsmatrisen, og forskyvningene ved hver node. Når vi ser nærmere på de spesifikke uttrykkene for kreftene og forskyvningene , finner vi at de omfatter både forskyvning i de lineære retningene (x, y, z) og rotasjoner rundt aksene (α, β, γ).
Når vi skal overføre fra det lokale koordinatsystemet til det globale koordinatsystemet (som vanligvis refereres til som o-xyz), benyttes en overgangsmatrise. Dette gjør det mulig å transformere nodenes forskyvninger og krefter mellom de to systemene. Ligningen som beskriver denne overgangen er som følger:
Her representerer en transformasjonsmatrise som tar hensyn til orienteringen av det lokale systemet i forhold til det globale systemet. På samme måte kan kreftene også transformeres til det globale systemet ved å bruke:
Denne prosessen gjør det mulig å analysere strukturen i et globalt perspektiv, selv om vi først beregner de lokale interaksjonene mellom bjelkeelementene.
En viktig del av analysen involverer stivhetsmatrisen. Denne matrisen er avgjørende for å forstå hvordan de forskjellige elementene i strukturen stiver mot deformasjoner. For å gjøre beregningene enklere, kan vi bruke en transformasjonsmatrise som kobler sammen de lokale og globale stivhetsmatrisene, slik at vi kan operere med en enhetlig representasjon av hele systemets stivhet:
Når denne matrisen er funnet, kan vi begynne å analysere hvordan kreftene og deformasjonene påvirker systemet som helhet.
Videre, for å vurdere bevegelsene til en struktur under bølgepåvirkning, er det nødvendig å bruke teorien om Euler-Bernoulli bjelker. Denne teorien tillater beregning av bøyningsmoment og skjærkrefter som påvirker elementene under bølgebevegelser. For eksempel, bøyningsmomentet blir positivt når det er medurs på venstre tverrsnitt, og skjærkreftene er positive når de virker oppover. På høyre tverrsnitt er bøyningsmomentet positivt når det er moturs, og skjærkreftene er positive når de virker nedover. Dette gir en tydelig forståelse av hvordan kreftene fordeles langs strukturen.
For å finne bevegelsene i et flytende legeme under bølgepåvirkning, løser vi systemet av ligninger som beskriver de eksterne kreftene ved hvert punkt i strukturen. Etter at disse kreftene er beregnet, kan de brukes til å finne hvordan hvert punkt på den elastiske strukturen beveger seg i forhold til andre punkter, basert på de relative bevegelsene mellom bøyelementene.
Videre kan energiproduksjonen fra bølgekraften estimeres ved å vurdere de relative bevegelsene mellom bøyelementene og bølgeplattformen. Kraften som utvinnes fra denne relative bevegelsen, beregnes ved:
Der er dempingen for PTO-systemet, og er den relative bevegelsen mellom bøyelementene og plattformen. Totalkraften som utvinnes fra hele systemet kan beregnes som summen av kraftene fra hvert enkelt bøyelement.
Når det gjelder verifikasjon av modellen, kan den sammenlignes med tidligere beregninger av bølgekraftpåvirkede flytende strukturer, for eksempel modeller av store flytende strukturer (VLFS) som er delt opp i flere moduler. Ved å sammenligne de numeriske resultatene med analytiske løsninger, kan vi validere modellens evne til å predikere strukturelle responser under bølgepåvirkning.
Til slutt er det også viktig å merke seg hvordan samspillet mellom de flytende elementene og bølgebevegelsene kan føre til komplekse dynamiske responser, som kan endre seg med bølgens intensitet og frekvenser. Ved å bruke den foreslåtte modellen for store flytende strukturer som er koblet til bølgekraftenheter, kan man mer nøyaktig forutsi og optimalisere deres design og ytelse i virkelige bølgeforhold.
Hvordan hydrodynamiske simuleringer og eksperimentelle tester former utviklingen av flytende vind- og akvakulturplattformer
Innenfor forskningen på flerbruks maritime strukturer (MPMS) er det et stadig økende fokus på å utvikle plattformer som kan integrere vindkraft og akvakultur, spesielt i åpne havområder. Et område som har fått mye oppmerksomhet de siste årene, er kombinasjonen av flytende vindturbiner og akvakulturkasser, og hvordan disse kan optimaliseres for å møte de spesifikke utfordringene som oppstår når flere energikilder og aktiviteter kombineres i et enkelt system. I denne sammenhengen har det blitt brukt ulike metoder for numeriske simuleringer og eksperimentelle tester for å undersøke den hydrodynamiske ytelsen og samspillet mellom vind, bølger og strukturelle komponenter.
Hydrodynamiske modeller basert på potensialstrømning gir en relativt lav beregningskostnad, noe som gjør dem attraktive for tidlige faser av design og simulering. Men disse modellene har begrensninger når det gjelder å håndtere ikke-lineære problemer som ekstreme bølgeeffekter og viskøse effekter. CFD-metoder (Computational Fluid Dynamics) som er basert på viskøs strømningsteori gir derimot en mer presis fremstilling av virkelige forhold, ettersom de kan fange opp detaljer i strømningens struktur og dynamikk. Slike metoder er brukt til å simulere dynamikken i flytende vindturbiner, og har også blitt brukt i flere studier som involverer hybride plattformer for både vindkraft og akvakultur.
Tanktester har vist seg å være en pålitelig metode for å validere de numeriske simuleringene, og flere studier har blitt utført for å vurdere hvordan ulike design responderer på bølger og vind. Eksempler på slike tester finnes i arbeider som de av Cao et al. (2022), Fenu et al. (2021), og Chen et al. (2024). Disse eksperimentene har vært avgjørende for å forstå hvordan kombinasjonen av vindkraft og akvakultur kan oppføre seg i faktiske sjøforhold, og har bidratt til utviklingen av prototyper som har blitt testet i sjøen.
I tillegg til den numeriske og eksperimentelle forskningen, har det vært flere prototyper utviklet for hybride vind- og akvakulturplattformer. Ett av de mest kjente konseptene er det som ble foreslått i 2009, som kombinerte en bunntetts plattform med ti kantileversystemer for oscillerende bøyer og en vindturbin plassert på toppen. I 2020 ble EU Horizon 2020-prosjektet "Blue Growth Farm" lansert, som foreslo en plattform med en OWC-enhet (Oscillating Water Column) og en vindturbin på 10 MW, samt fiskefôringskasser integrert i strukturen. Andre prototyper inkluderer "Guoneng Shared"-plattformen, som kombinerer en flytende vindturbin med nettbur, og "Mingyu No.1"-systemet, som benytter en jakke-type offshore vindfundament med integrerte akvakulturbur.
En av de viktigste utfordringene ved utviklingen av disse hybride plattformene er samspillet mellom ulike elementer. Flytende vindturbiner og akvakulturkasser krever spesifikke designvurderinger for å sikre stabilitet under forskjellige værforhold. Den dynamiske responsen til plattformene må vurderes nøye for å hindre skader på både turbiner og bur, samtidig som systemene er effektive i energiproduksjon og fiskefôringsprosesser. For å oppnå dette er det nødvendig å benytte seg av både numeriske simuleringer og eksperimentelle valideringer, som kan bidra til å forutsi og forbedre plattformens ytelse i virkelige driftsforhold.
Videre er det viktig å forstå at det er en kompleks interaksjon mellom den hydrodynamiske oppførselen av plattformen, bølge- og vindforholdene, og de mekaniske belastningene på strukturen. Mange av de foreslåtte løsningene er fortsatt i utviklingsfasen, og det er derfor viktig at både teoretiske modeller og eksperimentelle resultater blir brukt for å utvikle mer robuste og effektive løsninger. Testene og modellene må også ta hensyn til de langsiktige driftsforholdene til plattformene, inkludert potensiell slitasje på komponentene, og hvordan dette kan påvirke både økonomisk levedyktighet og miljøpåvirkning.
Utviklingen av flerbruks maritime strukturer for vind- og akvakulturformål er et spennende og krevende felt som kombinerer energiutvinning og bærekraftig matproduksjon. Selv om det er gjort betydelig fremgang, er det fortsatt mange utfordringer som må løses. Fortsatt forskning på hydrodynamiske simuleringer, eksperimentelle tester og prototypeutvikling vil være avgjørende for å realisere de fullstendige potensialene til disse hybride plattformene.