Como a Geometria e o Ângulo de Incidência das Ondas Influenciam a Eficiência Hidrodinâmica em Dispositivos OWC

Nos estudos sobre conversores de energia das ondas do tipo OWC (Oscillating Water Column), o desempenho hidrodinâmico depende não apenas das características das ondas incidentes, mas também da geometria do dispositivo e das condições de operação. A relação entre a reflexão das ondas, a eficiência na extração de energia e as forças atuando sobre as estruturas é complexa, envolvendo diversos parâmetros que interagem de maneira não linear.

onde $R(\chi)$ representa os coeficientes de potencial de velocidade de difração e radiação no modo de propagação, e o termo $M$ define a intensidade da resposta do sistema em relação a diferentes modos de propagação.

onde $\varphi$ é o potencial de velocidade em cada subdomínio, e $S$ é a área da superfície da água. O estudo numérico das condições de continuidade de velocidade e de potencial de velocidade nas interfaces dos subdomínios $\Omega_1$, $\Omega_2$ e $\Omega_3$ permite determinar os coeficientes desconhecidos, a partir dos quais se pode calcular a eficiência do sistema.

Além disso, fenômenos como a ressonância de oscilações ao longo da direção do litoral podem reduzir a eficiência do dispositivo em certas condições. Por exemplo, a presença de um "vale" na eficiência, observada em frequências mais altas, pode ser atribuída à ressonância de oscilação na direção perpendicular à costa. Isso ocorre especialmente em dispositivos com geometria mais longa no sentido ao longo da costa, o que pode afetar o desempenho hidrodinâmico do OWC.

Outro aspecto importante é a influência da geometria do dispositivo, particularmente o comprimento do caixote OWC na direção ao longo da costa. Ao aumentar a dimensão $l/h$ do dispositivo, a largura da faixa de frequências eficazes ($\eta > 0.2$) diminui significativamente. Em outras palavras, uma maior extensão ao longo da costa pode resultar em uma redução substancial da eficiência na captura de energia das ondas. Esse fenômeno é mais pronunciado sob a ação de ondas oblíquas, mas não ocorre com ondas normais, o que demonstra a importância de considerar as características geométricas no processo de design.

Além disso, a distribuição das forças nas paredes frontal e lateral da câmara OWC é fundamental para garantir a estabilidade e o desempenho estrutural do dispositivo. As forças de onda agem sobre a parede frontal e a partição do caixote de maneira distinta, dependendo da direção e da frequência das ondas incidentes. Em particular, a direção oblíqua das ondas pode provocar picos de força em frequências específicas, algo que não ocorre sob ação de ondas normais. Esse efeito de forças deve ser cuidadosamente analisado no projeto para evitar danos estruturais e otimizar a performance do dispositivo.

Por fim, a análise das condições de ressonância e dos parâmetros geométricos, como o comprimento e a largura do dispositivo, é crucial para a maximização da eficiência do OWC. A interação entre as características das ondas e a geometria do dispositivo pode gerar resultados altamente dependentes das condições locais e, portanto, exige uma modelagem detalhada e uma análise numérica precisa para otimizar o desempenho do conversor de energia das ondas.

Sistemas Híbridos Flutuantes de Energia Eólica e Ondas: Uma Análise Numérica de Performance Integrada

As plataformas flutuantes híbridas que combinam energia eólica e de ondas funcionam de forma a permitir que conversores de energia das ondas sejam instalados sobre as fundações das turbinas eólicas flutuantes. Este arranjo possibilita que ambos os sistemas compartilhem a mesma plataforma flutuante, o mesmo sistema de ancoragem e os mesmos sistemas de transmissão de energia, resultando em uma utilização mais eficiente do espaço oceânico. Além disso, ao reduzir a necessidade de múltiplas instalações independentes, essa integração não só economiza recursos e espaço, mas também maximiza a capacidade de geração de energia das duas fontes, aproveitando ao máximo os recursos renováveis disponíveis no ambiente marinho.

Estudos realizados por Hallak e Guedes Soares [9] oferecem uma visão geral dos desenvolvimentos mais recentes em plataformas híbridas eólicas-ondas, abordando as dificuldades técnicas e as oportunidades de otimização dos sistemas. Zhou et al. [33] investigaram, por meio de métodos numéricos e experimentais, a resposta hidrodinâmica acoplada de um dispositivo do tipo OWC (Oscillating Water Column) integrado a uma turbina eólica montada sobre monopile. Esse tipo de estudo é crucial, pois ajuda a entender como a movimentação das ondas e do vento pode afetar simultaneamente a operação do sistema flutuante, permitindo uma análise mais precisa da performance integrada.

É importante que os projetos de plataformas híbridas considerem não apenas os aspectos técnicos relacionados à energia eólica e das ondas, mas também a integração eficiente dos sistemas de controle e monitoração. O monitoramento contínuo das condições ambientais e da integridade estrutural das plataformas pode proporcionar informações valiosas para otimizar a operação e aumentar a vida útil dos sistemas. Além disso, a implementação de novas tecnologias, como a inteligência artificial e o aprendizado de máquina, pode melhorar significativamente a previsão de desempenho e a manutenção preditiva desses sistemas híbridos.

Em termos de impacto ambiental, a implementação de plataformas flutuantes híbridas oferece uma série de benefícios. A combinação de energia eólica e de ondas pode mitigar os impactos ecológicos locais, reduzindo a necessidade de ocupação de grandes áreas do fundo marinho e possibilitando o uso de recursos renováveis de forma mais eficiente. No entanto, a análise de impactos ambientais permanece uma parte essencial do desenvolvimento dessas tecnologias, principalmente em relação aos efeitos sobre os ecossistemas marinhos e a fauna local.

Como as Estruturas Marinhas Multipropósito Podem Redefinir a Energia Renovável e a Proteção Costeira

A integração de dispositivos de energia das ondas pode ser projetada para aumentar a estabilidade das turbinas eólicas flutuantes. Além disso, os dois sistemas se complementam no que diz respeito às características de geração de energia. As turbinas eólicas têm janelas de geração de energia mais curtas, enquanto os dispositivos de energia das ondas possuem capacidades instaladas menores, mas janelas de operação mais longas. A combinação de barreiras marítimas e dispositivos de energia das ondas também oferece funcionalidade complementar. Embora os dispositivos de energia das ondas absorvam a energia das ondas, as barreiras proporcionam proteção costeira, criando um efeito sinérgico. Em certos casos, a integração dos dispositivos de energia das ondas pode até mesmo melhorar a capacidade das barreiras de proteger a costa.

Os recifes artificiais multipropósito (MPARs) podem ser utilizados tanto para habitats de peixes quanto para proteção costeira. A estrutura dos recifes artificiais geralmente é feita de materiais porosos, permitindo a dissipação eficaz da energia das ondas, o que resulta em uma excelente sinergia com as funções de proteção costeira. Pesquisas demonstraram que os recifes artificiais em áreas costeiras podem atuar como estruturas de proteção costeira e prevenir a erosão das praias. Além disso, os MPARs são estruturas que oferecem benefícios estéticos e aumentam o potencial recreativo das áreas costeiras.

Para expandir o espaço marinho, é necessário contar com grandes plataformas flutuantes e energia sustentável. Projetos como o Space@sea, TROPOS e MERMAID têm focado nesse tema. Se dispositivos de energia renovável marinha forem integrados com sucesso em grandes plataformas flutuantes, eles podem fornecer suporte energético estável e conveniente para a produção e atividades nessas plataformas. Esse modelo é mais vantajoso do que depender de eletricidade transmitida do continente ou da geração de energia proveniente do transporte de petróleo, pois oferece maior conveniência, estabilidade e menores custos.

O espaço marinho é dividido em áreas costeiras e em alto-mar, de acordo com a distância da linha costeira. Nesse contexto, as estruturas marinhas podem ser classificadas em estruturas submersas fixas na região costeira e em estruturas flutuantes para a região offshore em águas profundas. As estruturas marinhas multipropósito (MPMS) podem ser divididas em duas categorias principais: estruturas costeiras multipropósito (MPCS) e estruturas offshore multipropósito (MPOS). A seguir, são abordadas as características e classificações de cada uma dessas estruturas.

As Estruturas Costeiras Multipropósito Ecológicas (E-MPCS) têm como principal objetivo a proteção e restauração dos ecossistemas marinhos, como a construção de recifes artificiais, cultivo de plantas marinhas como gramíneas e manguezais, ao mesmo tempo em que atenuam a energia das ondas para proteger a costa e as comunidades litorâneas. Esses sistemas combinam tecnologia de engenharia com princípios ecológicos, aprimorando a restauração dos ecossistemas enquanto atendem aos requisitos de proteção. As E-MPCS incluem MPARs e engenharia ecológica costeira. Os MPARs, além de fornecerem habitats para a vida marinha, também servem para atrair diferentes espécies de peixes e promover o crescimento dos recursos pesqueiros, reduzindo efetivamente a energia das ondas e protegendo a costa.

As Estruturas Costeiras Multipropósito Baseadas em Energia, por outro lado, são uma categoria de engenharia costeira que integra infraestrutura de energia renovável marinha, como dispositivos de energia das ondas, com engenharia costeira tradicional. Essas estruturas se destacam por sua capacidade de fornecer tanto proteção costeira quanto conversão de energia renovável. A combinação da defesa costeira com a geração de energia representa uma inovação na interseção da engenharia marinha com o campo da energia renovável. Algumas abordagens tecnológicas incluem os quebra-mares de coluna d'água oscilante, que geram energia nas câmaras da parede frontal, e os quebra-mares de superação de energia das ondas, que capturam e convertem a energia das ondas em eletricidade.

As MPOS baseadas em hubs geralmente se referem a plataformas flutuantes muito grandes (VLFS) projetadas para servir como centros de atividades offshore, abrangendo logística, habitação e ecossistemas. O objetivo do design dessas estruturas é fornecer uma plataforma ampla para diversas atividades no mar, com o potencial de revolucionar a maneira como lidamos com espaços marítimos em alto-mar.