Jak kąt padania fali wpływa na efektywność urządzeń do pozyskiwania energii falowej w systemach przybrzeżnych?

Efektywność urządzeń do pozyskiwania energii z fal jest ściśle związana z ich projektem, konfiguracją oraz charakterystyką fal, na które są narażone. Jednym z najważniejszych parametrów, które wpływają na wydajność takich systemów, jest kąt padania fal. W przypadku układów urządzeń do pozyskiwania energii z fal, takich jak OWC (oscylujące kolumny wodne) czy układy z kołyszącymi się bojkami, wpływ kąta padania na wydajność oraz reakcję urządzeń jest jednym z kluczowych czynników, które należy uwzględnić przy ich projektowaniu.

Dla fali padającej prosto (kąt θ₀ = 0) zaobserwowano dwa wyraźne szczyty efektywności η, znajdujące się przy wartościach kB = 0,416π oraz 0,851π. Drugi szczyt jest znacznie wyższy niż pierwszy, co wskazuje na znaczący wpływ tego zjawiska na wydajność systemu. Dla innych kątów padania nie występuje wyraźny drugi szczyt efektywności, a zmiany efektywności falowania przybierają bardziej stonowany charakter. Interesującym zjawiskiem jest jednak występowanie nagłych zmian efektywności w całym zakresie częstotliwości, które często manifestują się wyraźnymi minimami lub gwałtownymi spadkami efektywności w określonych pasmach częstotliwości.

Kiedy kąt padania fali wzrasta, miejsca tych nagłych zmian przesuwają się w stronę niższych częstotliwości. Podobne zmiany można zaobserwować w współczynnikach odbicia i transmisji fal, które wykazują gwałtowne zmiany w określonych częstotliwościach. To zjawisko jest zgodne z obserwowanym w hydrodynamicznej efektywności urządzeń, gdzie spadek efektywności wiąże się ze wzrostem współczynnika odbicia. W takim przypadku można mówić o silnym zjawisku odbicia, które prowadzi do znacznego obniżenia efektywności systemu w konkretnej częstotliwości.

Dodatkowo, systemy takie, jak OWC czy układy z bojkami, wymagają uwzględnienia specyficznych częstotliwości rezonansowych dla różnych typów fal. Zjawiska takie jak odbicie fali od urządzeń przy określonym kącie padania wymagają szczególnej uwagi przy projektowaniu takich systemów. Wykorzystanie odpowiednich modeli matematycznych, które uwzględniają zmienność kąta padania fal, może pomóc w optymalizacji efektywności tych urządzeń w różnych warunkach środowiskowych.

Podobnie jak zmiany efektywności, także reakcje heave bojek w odpowiedzi na fale wykazują zależność od kąta padania. Zauważa się, że w miarę jak kąt padania rośnie, reakcje bojek maleją, co dodatkowo wpływa na zdolność urządzenia do przechwytywania energii falowej. Konieczne jest zatem uwzględnienie tych zależności w projektowaniu nowych urządzeń do pozyskiwania energii z fal.

Jakie znaczenie ma stosunek zanurzenia w analizie hydrodynamicznej kolumny wodnej?

Badania wykazują, że maksymalna wartość Ag/Ai kolumny wodnej odpowiada minimalnemu współczynnikowi odbicia KR oraz maksymalnemu współczynnikowi dyssypacji energii KD. Innymi słowy, największa dyssypacja energii jest ściśle związana z szczytową odpowiedzią kolumny wodnej oraz minimalnym współczynnikiem odbicia KR. Krytyczny stosunek zanurzenia, d/h = 0.8, odpowiada minimalnemu współczynnikowi odbicia KR = 0.07. W sytuacji, kiedy dno skrzyni zbliża się do dna morskiego (tj. w warunkach krytycznego zanurzenia, d/h = 0.8), wąska szczelina utworzona między skrzynią a dnem przypomina szyjkę rezonatora Helmholtza w akustyce. Pod tymi warunkami energia fali padającej jest niemal całkowicie pochłaniana, co można uznać za zerowe odbicie fali. Dyssypacja energii następuje w wyniku wysokiej prędkości przepływu w regionie między skrzynią a dnem, w którym skrzynia posiada dwa ostre kąty. Te ostre kąty generują wiry, prowadząc do znacznej dyssypacji energii.

W ramach teoretycznego badania, stosujemy solver przepływu potencjalnego (oparty na pół-analitycznym rozwiązaniu) do przewidywania efektywności hydrodynamicznej dwuwymiarowego urządzenia OWC (Oscillating Water Column), usytuowanego na wybrzeżu. Skupiamy się na różnych scenariuszach z różnymi wartościami zanurzenia przedniej ściany. Na wykresie przedstawiono wyniki częstotliwości rezonansowej (tj. położenie szczytowej efektywności) uzyskane za pomocą solvera przepływu potencjalnego. Zauważalnym efektem jest to, że częstotliwość rezonansowa ωc zmniejsza się (tj. przesuwa się do niższej częstotliwości), gdy zanurzenie przedniej ściany rośnie. Sugeruje to, że częstotliwość rezonansowa jest regulowana przez zmianę zanurzenia przedniej ściany.

Należy jednak pamiętać, że w przypadku symulacji opartych na przepływie lepkim lub rzeczywistych testów, występuje zjawisko „blokowania”, które prowadzi do znacznego zmniejszenia odpowiedzi ruchu kolumny wodnej. Zjawisko to powinno być uwzględniane przy projektowaniu urządzeń do pozyskiwania energii z fal, które mają na celu pochłanianie fal o dłuższych długościach. Jednak odpowiednia konstrukcja, w której zanurzenie ściany komory OWC będzie spełniało kryterium (d − h)2/(Bgh) ∼ o(1), może umożliwić utworzenie urządzenia Helmholtza OWC o zwiększonej zdolności do pochłaniania fal długozasięgowych.

Połączenie urządzeń OWC, które są w stanie pochłaniać energię z fal, z perforowanymi ścianami, które także umożliwiają dyssypację energii, może okazać się obiecującą metodą. W tym przypadku, zastosowanie systemu, który łączy te dwa mechanizmy – wykorzystanie urządzenia Helmholtz-OWC do pochłaniania długozasięgowych fal i perforowaną ścianę do absorpcji krótkozasięgowych fal – może przynieść korzyści. W ramach badania przeprowadzono teoretyczne analizy wydajności systemu łączącego urządzenie OWC z cechami rezonansu Helmholtza i perforowaną ścianą. Perforowana płyta jest umieszczona w określonej odległości od struktury OWC, a sąsiednie jednostki są połączone przez dolne przegrody. Pneumatyczna komora OWC jest połączona z zewnętrzną przestrzenią morską, a kolumna wodna porusza się pod wpływem energii fal.

Zastosowanie tej teorii przepływu potencjalnego pozwala na dokładne opisanie ruchu fali. Teoretyczny model oparty jest na problemie dyfrakcji/radiacji fal liniowych, a metoda dopasowania funkcji własnych służy do rozwiązania odpowiednich równań brzegowych. Dzięki zastosowaniu warunków okresowości w przypadku układu OWC o charakterze typowej sieci okresowej, możliwe jest uzyskanie wyników dotyczących wydajności hydrodynamicznej w takich układach.

Warto pamiętać, że takie połączenie różnych mechanizmów pochłaniania energii w systemach morskich ma duży potencjał w kontekście rozwoju technologii pozyskiwania energii z fal. Zrozumienie i uwzględnienie takich zjawisk, jak rezonans Helmholtza, dyssypacja energii czy zmiany w częstotliwości rezonansowej przy różnych zanurzeniach, stanowi kluczowy element skutecznego projektowania urządzeń do wykorzystania energii falowej.

Analiza modułowej platformy pływającej połączonej z zestawem pływających boi w kształcie klinów

W rozdziale 7.4 badamy wydajność modułowej platformy pływającej połączonej z zestawem oscylujących boi w kształcie klinów. Boje w kształcie klinów są ściśle dopasowane do strony platformy, która napotyka fale, i poruszają się wzdłuż jej ściany, przy czym ich ruch jest ograniczony do przesuwnych prowadnic w pionie. Współpraca boi z platformą jest istotna, ponieważ jej ruchy są wzajemnie powiązane, co wpływa na ogólną efektywność systemu.

Platforma składa się z kilku modułów, a boje są rozmieszczone równolegle do jej konstrukcji. Połączenie boi i platformy odbywa się w sposób umożliwiający ich wzajemną interakcję, w której relatywne przesunięcie pomiędzy poszczególnymi elementami może zostać opisane matematycznie za pomocą specjalnych równań kinematycznych. Takie połączenie ma na celu optymalizację efektywności wyłapywania energii falowej, jednocześnie minimalizując ruchy platformy, które mogą utrudniać jej stabilność i funkcjonowanie.

W analizie hydrodynamicznej uwzględnia się parametry, takie jak długość, szerokość, głębokość zanurzenia i odstępy pomiędzy poszczególnymi elementami. Na przykład, dla boi o określonych wymiarach, takich jak długość L1 = 5,0 m, szerokość W1 = 3,0 m i zanurzenie d1 = 3,0 m na stronie narażonej na fale, oraz platformy pływającej o długości L2 = 100 m i szerokości W2 = 15 m, cały układ może być modelowany za pomocą odpowiednich siatek obliczeniowych.

Przy projektowaniu systemu istotną rolę odgrywa tzw. damping PTO, który jest miarą efektywności przechwytywania energii falowej. Zmiany tego parametru wpływają na wydajność wyłapywania energii przez boje. Damping PTO ma bezpośredni wpływ na to, jak skutecznie system reaguje na fale, a zatem na efektywność systemu w kontekście jego energetycznego wyzyskania. Na przykład, w przypadku gdy wartość damping PTO osiąga pewien poziom (δ = 1,0), krzywa efektywności niemal pokrywa się z wynikami innych wartości damping PTO.

Badania pokazują, że optymalny poziom damping PTO wpływa na wytrzymałość systemu, ponieważ nadmierna wartość tego parametru może prowadzić do zmniejszenia efektywności ekstrakcji energii. Jednakże, jak wskazuje analiza, zmniejszenie odpowiedzi platformy (takiej jak heaving) przy wyższym damping PTO może poprawić stabilność platformy, szczególnie w kontekście fal normalnych. Z drugiej strony, przy wyższych częstotliwościach fal (ω > 0,25 rad/s), interakcja boi z platformą wyraźnie redukuje ruchy platformy w pitchu.

Warto podkreślić, że przy takim połączeniu boi z platformą konieczne jest uwzględnienie optymalizacji parametrów geometrycznych i fizycznych całego systemu. Również, zależność pomiędzy ilością boi a ich rozmieszczeniem może wpływać na wyniki w zakresie efektywności energetycznej. Współpraca różnych elementów systemu, czyli modułowej platformy pływającej i boi, wymaga dokładnego dopasowania do zmiennych warunków morskich, takich jak częstotliwość fal i siła wiatru.

Tego rodzaju zintegrowane rozwiązania umożliwiają nie tylko wyłapywanie większej ilości energii z fal, ale także poprawę stabilności platformy, co czyni je atrakcyjnymi w kontekście budowy systemów do produkcji energii odnawialnej na morzu. Należy również wziąć pod uwagę, że skuteczność energetyczna zależy od liczby boi w systemie oraz ich wzajemnego ustawienia, a także od parametrów takich jak głębokość zanurzenia, długość i kąt nachylenia w stosunku do fali.