A análise do comportamento dinâmico de plataformas flutuantes modulares e a integração de arrays de bóias ondulantes tem mostrado grande potencial para otimizar a captura de energia das ondas, principalmente em sistemas flutuantes semissubmersíveis. No contexto de plataformas modulares, o uso de espaçamentos específicos entre os módulos e o movimento relativo entre eles contribui para uma melhor performance hidrodinâmica. A separação entre as bóias e os módulos da plataforma, ajustada em 5 metros, proporciona um equilíbrio entre a captura de energia e a mitigação dos efeitos adversos das ondas.

Os módulos da plataforma flutuante, posicionados de forma estratégica com distâncias de 0,5 metros entre eles, permitem movimentos de rolamento entre os módulos adjacentes. A utilização de um ângulo de incidência de ondas β = 45° reflete as condições típicas do ambiente marinho, onde a movimentação das plataformas pode ser mais pronunciada. Para simular esses sistemas, a malha de elementos finitos é dividida entre a superfície úmida de cada módulo e a superfície interna da linha d’água, considerando um número de elementos finitos adequados para uma análise precisa, com 728 elementos para a superfície úmida e 80 para a linha d’água.

A análise do movimento de heave, ou flutuação vertical, dos módulos sob diferentes condições de ângulo de incidência das ondas revelou uma variação interessante nas respostas dinâmicas dos módulos flutuantes. No caso da plataforma isolada, as respostas de heave são mais estáveis, mas ao integrar múltiplos módulos, especialmente em intervalos de frequência de 0,7–1,2 rad/s e 1,4–1,5 rad/s, a eficiência hidrodinâmica da plataforma é consideravelmente aumentada. Esse aumento na eficiência reflete a capacidade dos módulos de interagir de maneira otimizada com as ondas, aumentando a extração de energia.

A não uniformidade nas respostas dos módulos individuais também é um ponto crucial. Por exemplo, o módulo #5, localizado no lado exposto às ondas (lado "weather"), apresenta uma resposta de heave e roll significativamente maior, devido à sua posição em relação à direção das ondas incidentes. Esse comportamento desigual precisa ser considerado no projeto de tais sistemas, já que a localização e a orientação dos módulos em relação às ondas podem influenciar diretamente na performance do sistema.

Outro aspecto relevante na análise dessas plataformas flutuantes modulares é a integração de arrays de bóias ondulantes em plataformas semissubmersíveis. Ao combinar a plataforma flutuante com bóias oscilantes, o sistema pode ser otimizado para capturar a energia das ondas de maneira mais eficiente. A plataforma semissubmersível proposta tem uma série de características, como uma altura total de 6 metros e um comprimento de 50 metros, enquanto as bóias, com formas cônicas, possuem uma altura acima da linha d'água de 1,5 metros, adaptadas para extrair energia das ondas que as impactam. A interação entre as bóias e a plataforma flutuante é fundamental para a operação do sistema de PTO (Power Take-Off), que converte a energia do movimento relativo entre os componentes do sistema em energia elétrica.

A análise do impacto do amortecimento PTO na performance hidrodinâmica do sistema revelou que, à medida que o amortecimento aumenta, a potência extraída pelo sistema também sofre variações. O valor ótimo de amortecimento PTO foi identificado, e seu ajuste adequado resultou em um desempenho de captura de energia significativamente superior. Quando o amortecimento foi ajustado para o nível ótimo, o sistema apresentou melhor eficiência energética, indicando que a configuração de um sistema de PTO adequado, mesmo com os parâmetros de um flutuador isolado em águas abertas, é fundamental para otimizar o desempenho do sistema como um todo.

É importante entender que a eficiência do sistema não depende apenas de suas características físicas, como dimensões dos módulos e da plataforma, mas também da interação entre os componentes flutuantes e das condições ambientais. A abordagem de usar uma combinação de plataformas flutuantes modulares e bóias ondulantes oferece vantagens no aproveitamento de energia das ondas, especialmente em frequências específicas, enquanto o ajuste fino dos parâmetros de PTO pode levar a um desempenho significativamente melhor, especialmente em condições variáveis de onda e vento.

Como Modelar a Integração de Estruturas Flutuantes de Grande Escala com Dispositivos de Energia das Ondas

A crescente demanda por soluções de energia renovável tem impulsionado a pesquisa em tecnologias de aproveitamento da energia das ondas, com destaque para as Estruturas Flutuantes de Grande Escala (VLFS, do inglês Very Large Floating Structures). Essas estruturas, projetadas para atuar como plataformas flutuantes gigantescas, têm se mostrado promissoras na captura de energia das ondas, especialmente quando associadas a dispositivos especializados para a conversão da energia hídrica. No entanto, a complexidade das interações entre os corpos flutuantes e o ambiente marinho impõe desafios técnicos significativos, tanto em termos de modelagem quanto na eficiência dos sistemas de captação de energia.

Vários estudos têm abordado a questão da resposta dinâmica dessas estruturas frente a forças externas, como as ondas. Zhang e seus colegas [40] apresentaram uma análise da resposta transiente de VLFS sob cargas variáveis utilizando o método de módulo-discreto-deflexão-de-feixe. De maneira semelhante, Nguyen et al. [24, 25] propuseram um sistema de rafts modulares para a extração de energia das ondas enquanto, simultaneamente, reduziam a resposta das VLFS. No campo da modelagem numérica, Cheng et al. [5] investigaram a integração de arrays de energia das ondas com VLFS, enquanto Tay et al. [32] desenvolveram uma rede neural artificial para prever respostas hidroelásticas dessas estruturas.

Estudos como os de Zhao et al. [43] e Zhang et al. [39] apresentaram métodos de análise de estresse, utilizando tanto a abordagem no domínio da frequência quanto no domínio temporal, para avaliar o comportamento global e local das VLFS. Esses métodos são cruciais para a avaliação do impacto das forças de ondas sobre as estruturas, garantindo que a deformação da plataforma seja minimizada, o que aumenta a durabilidade e a eficiência da captação de energia. Além disso, o estudo de sistemas híbridos, que combinam plataformas flutuantes com dispositivos de energia das ondas, como apresentado por Jin et al. [17] e Shi et al. [26], amplia as possibilidades de geração de energia renovável de forma sustentável.

Neste contexto, a modelagem matemática de sistemas híbridos flutuantes, compostos por plataformas esbeltas e dispositivos de captação de energia das ondas, exige um nível elevado de complexidade. A proposta é integrar um modelo numérico que combine métodos de cálculo de deflexão de feixes discretos com o método dos multiplicadores de Lagrange. A plataforma esbelta é equipada com vários corpos oscilantes, como mostrado na figura 8.1, que interagem entre si e com a plataforma flutuante, gerando energia através do sistema de PTO (Power Take-Off). Para isso, cada módulo da plataforma flutuante é discretizado, permitindo a análise da resposta dinâmica por meio de equações do movimento no domínio da frequência. A matriz de excitação de ondas, a matriz de massa adicionada e a matriz de amortecimento de radiação são calculadas com base em um solucionador potencial no domínio da frequência, e os módulos são conectados virtualmente por vigas equivalentes, assegurando a continuidade da deformação da estrutura.

Além disso, a interação entre a plataforma e os dispositivos de energia das ondas é descrita pela matriz de restrição L, que considera os movimentos relativos entre os corpos oscilantes e a plataforma flutuante. Essa abordagem possibilita a análise detalhada do desempenho do sistema, considerando tanto a extração de energia quanto os efeitos das ondas refletidas ao longo da costa.

O modelo descrito pode ser aplicado ao estudo de sistemas flutuantes de pequeno calado, como os sistemas fotovoltaicos flutuantes offshore (FOPV), para os quais é possível desenvolver uma análise hidroelástica detalhada, como sugerido por Shi et al. [26]. Essa abordagem considera não apenas a dinâmica das ondas, mas também os efeitos de interação entre os dispositivos de captação de energia e as plataformas, sendo crucial para a otimização do sistema de geração de energia.

A análise da elasticidade de corpos flutuantes em combinação com dispositivos de captura de energia de ondas não deve ser limitada à avaliação dos impactos imediatos das forças de ondas. O desempenho do sistema também depende de uma série de fatores externos, como os efeitos de reflexão costeira, que podem alterar significativamente a dinâmica das plataformas flutuantes. Considerar esses efeitos na modelagem e simulação dos sistemas híbridos é essencial para garantir a eficiência na captação de energia e na previsão de comportamentos a longo prazo.

Outro aspecto fundamental a ser considerado em um sistema híbrido é a forma como os dispositivos de captação de energia (osciladores, turbinas, etc.) interagem com a plataforma. Esses dispositivos não devem apenas ser projetados para otimizar a captura de energia, mas também para reduzir ao mínimo possível a resposta estrutural da plataforma, que pode ser altamente deformada pelas forças de ondas. O desenvolvimento de novas soluções de engenharia para reduzir a interação negativa entre as forças de onda e a estrutura da plataforma é um campo de estudo promissor.

Como as Estruturas Marinhas Multifuncionais Contribuem para a Sustentabilidade Energética e Ecossistemas Costeiros

O desenvolvimento de sistemas de energia de baixo carbono se apresenta como uma solução eficaz para os severos desafios da demanda global de energia. A melhoria da eficiência energética e a promoção de mudanças nos padrões de consumo, especialmente com a introdução de tecnologias inovadoras na produção e no consumo de energia, são estratégias essenciais para enfrentar esse desafio. Nesse contexto, a energia oceânica, incluindo a energia eólica offshore, as ondas, as marés, a energia solar e a térmica oceânica, torna-se um componente fundamental das fontes renováveis de energia no planeta.

Nos últimos anos, as tecnologias de extração de energia oceânica avançaram consideravelmente. A utilização dessa energia atende a dois objetivos principais: fornecer energia para consumidores em terra, como cidades, e suprir atividades offshore, como plataformas de petróleo e gás e sistemas de aquicultura offshore. A grande vantagem dessa segunda modalidade é que a energia pode ser gerada e consumida localmente, o que facilita sua aplicação em atividades marítimas. Além disso, o custo de fornecimento de energia é mais baixo em comparação com outras alternativas, o que tem impulsionado a adoção generalizada desse modelo de consumo.

A energia eólica offshore, por exemplo, teve início com turbinas eólicas montadas no fundo marinho. Este modelo inclui, principalmente, turbinas de tipo monopile e tipo jacket. Com a crescente demanda por desenvolvimento de energia eólica em águas mais profundas, surgiram as turbinas eólicas flutuantes, cuja fundação herda, em certa medida, os princípios de design das plataformas flutuantes de petróleo e gás. Estes modelos incluem plataformas como a TLP (tension leg platform), semi-submersíveis, barcaças e spar, que são empregados conforme a necessidade de estabilidade e capacidade de instalação em águas profundas.

No caso da energia das ondas, dispositivos como os de corpo oscilante, coluna de água oscilante (OWC) e dispositivos de transbordamento têm sido os mais estudados. Recentemente, novas versões desses dispositivos têm surgido, como as tecnologias piezoelétricas e dispositivos do tipo air-bag e TENG (triboeletric nanogenerator). A energia solar offshore também possui duas categorias principais: as instalações montadas em pilas e as flutuantes, como as plataformas modulares e baseadas em membranas. O conceito de integração entre plataformas flutuantes que combinam energia eólica e das ondas tem se tornado cada vez mais comum, pois essa sinergia não só maximiza a produção de energia, mas também melhora a estabilidade da plataforma, ampliando sua janela operacional.

O desenvolvimento de plataformas flutuantes que combinam essas tecnologias tem mostrado resultados promissores, com vários protótipos híbridos sendo testados em ambientes offshore. Além disso, a necessidade de sistemas de energia offshore para alimentar aquicultura offshore está crescendo, já que esse setor consome grandes quantidades de energia para suas atividades. O uso de dispositivos de energia marinha, como os que geram energia a partir das ondas ou do vento, tem se mostrado uma solução eficaz, tanto para o fornecimento de energia quanto para a sustentação das plataformas de aquicultura.

Um exemplo disso é a plataforma de aquicultura movida a energia das ondas Penghu e a plataforma híbrida “Guoneng Shared”, que integra geração de energia eólica com plataformas de aquicultura em alto-mar. Para conceitos futuros como cidades flutuantes, hotéis flutuantes e ilhas de energia offshore, a instalação de sistemas de energia renovável marinha será crucial para fornecer suporte energético estável e conveniente para atividades marítimas.

Além disso, o desenvolvimento de grandes estruturas marinhas multifuncionais (MPMS) tornou-se um foco importante. Essas estruturas são projetadas para proporcionar energia autossustentável, funções portuárias e outras utilidades em um único espaço, como exemplificado no projeto Space@sea. Elas também têm um papel importante na proteção ecológica e na aquicultura marinha. Integrar o cultivo de algas marinhas, vegetação marinha e recifes artificiais em estruturas costeiras existentes pode reduzir significativamente os custos e facilitar o compartilhamento de espaços, ao mesmo tempo que minimiza o impacto ambiental das construções.

Essas plataformas não se limitam a funções energéticas. Elas podem suportar ecossistemas naturais e habitats, desempenhando um papel crucial na sustentabilidade da engenharia oceânica moderna. A principal vantagem das MPMS é a redução da necessidade de construção de instalações independentes no mar, o que, por sua vez, minimiza os danos aos ecossistemas marinhos.

O modelo de compartilhamento de infraestrutura das MPMS permite uma utilização mais eficiente dos recursos e reduz os custos de construção e operação. Por exemplo, ao integrar a geração de energia eólica, das ondas e a aquicultura offshore em uma única plataforma, os custos de construção são significativamente reduzidos, além de minimizar os riscos de segurança e os desafios de coordenação das operações offshore. Isso também implica uma redução dos custos de manutenção, já que os sistemas de energia e suporte compartilhados podem ser mantidos de forma mais eficiente.

A multifuncionalidade das MPMS é uma característica chave, já que essas plataformas podem combinar várias funções, como geração de energia e cultivo marinho, criando sinergias que melhoram a eficiência global das operações. O exemplo do uso combinado de energia eólica e das ondas demonstra como essas tecnologias podem complementar-se para maximizar a produção de energia e aumentar a estabilidade das plataformas.

Essas inovações não apenas contribuem para a sustentabilidade do setor energético, mas também oferecem soluções para a gestão mais eficiente dos recursos marinhos e da infraestrutura offshore. O desenvolvimento de MPMS é, portanto, uma tendência crescente no campo da engenharia oceânica, ajudando a atender as crescentes demandas por energia e recursos, ao mesmo tempo que protege e valoriza os ecossistemas marinhos.

Como a Hidrodinâmica Afeta o Desempenho das Plataformas Flutuantes de Energia Eólica e Ondas?

A análise do comportamento hidrodinâmico de sistemas híbridos flutuantes, compostos por plataformas de energia eólica e ondas, envolve uma série de parâmetros cruciais que determinam o desempenho geral da estrutura. O movimento das plataformas e bóias oscilantes é influenciado por vários fatores, como a massa adicionada, a radiação de amortecimento, e a interação com as forças de ondas e vento. Estes elementos combinam-se de maneira complexa, e a compreensão de como cada um afeta a performance do sistema é essencial para a otimização de tais estruturas.

O sistema flutuante é sujeito a diferentes tipos de cargas, incluindo a carga das ondas, o vento, a tensão de ancoragem e a força de amortecimento do PTO (Power Take-Off). A análise de cada uma dessas cargas permite uma investigação detalhada das respostas dinâmicas do sistema. Para isso, são realizados testes sob várias condições operacionais, como altura das ondas e condições do vento, conforme ilustrado na Tabela 9.2. Estes testes visam observar a interação entre as ondas, o sistema de ancoragem e as forças PTO, fornecendo uma visão detalhada da dinâmica da plataforma em operação.

Nas investigações sobre a resposta dinâmica do sistema às ondas, observou-se que a plataforma flutuante apresenta uma resposta de movimento significativamente menor do que as bóias oscilantes, especialmente no grau de liberdade de rotação (roll). As bóias #1 a #4, que capturam a energia das ondas por meio de seu movimento de rotação relativo com a plataforma flutuante, têm uma resposta de movimento praticamente sincronizada com a plataforma. Em contraste, as bóias #5 e #6, que capturam a energia por meio de seu movimento de inclinação (pitch), apresentam uma dinâmica diferente.

A análise do amortecimento PTO, com base nas forças de radiação geradas pelo movimento relativo entre as bóias e a plataforma flutuante, revela a importância de considerar o amortecimento adequado para maximizar a captura de energia. Esse amortecimento é calculado levando em conta a interação entre as estruturas flutuantes e o movimento das ondas, com as bóias oscilantes desempenhando um papel crucial na conversão de energia de ondas.

A partir de uma perspectiva hidrodinâmica mais ampla, também é fundamental entender o impacto das cargas combinadas de vento e ondas no sistema. Embora a plataforma flutuante seja projetada para suportar essas forças simultaneamente, a dinâmica do sistema pode ser alterada, resultando em flutuações nas respostas de movimento. Quando o vento entra em cena, a localização de equilíbrio das bóias oscilantes sofre um deslocamento, refletindo a complexidade da interação entre os dois tipos de carga (ondas e vento). Isso deve ser cuidadosamente monitorado, pois essas flutuações podem afetar tanto a estabilidade da estrutura quanto a eficiência da extração de energia.

Por outro lado, o sistema de ancoragem desempenha um papel igualmente relevante na estabilidade do sistema. O comportamento das linhas de ancoragem, especialmente as com características catenárias, influencia a dinâmica das plataformas flutuantes. Alterações no sistema de ancoragem podem afetar significativamente as respostas de movimento e a capacidade de extração de energia das ondas. Em situações onde o sistema de ancoragem é ajustado, como no caso de um aumento na rigidez ou na densidade da corrente de ancoragem, pode-se observar variações nos movimentos relativos das bóias e na potência extraída.

Além disso, deve-se notar que, embora o vento exerça uma influência menor sobre a plataforma flutuante em comparação com a massa da plataforma, ele ainda provoca alterações nas respostas dinâmicas, especialmente quando se combinam com as forças das ondas. A interação dessas forças pode resultar em uma modificação no comportamento das bóias e, por consequência, na eficiência geral do sistema de captura de energia.

Em uma análise final, a performance hidrodinâmica do sistema integrado deve ser avaliada com base não só nos efeitos das cargas de onda e vento isoladamente, mas também nas suas interações complexas. A eficiência da extração de energia é diretamente afetada pela capacidade do sistema de se adaptar e responder a essas condições dinâmicas em tempo real. A compreensão aprofundada dessas interações é fundamental para o desenvolvimento de plataformas flutuantes que possam operar de maneira estável e eficiente em ambientes marinhos, maximizando a produção de energia renovável a partir de fontes hídricas e eólicas.

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