Desempenho Hidrodinâmico e Medidas de Proteção para Dispositivos de Coluna de Água Oscilante em Condições Extremas

Os conversores de energia das ondas (WECs) enfrentam desafios significativos quando expostos a eventos marítimos extremos, como tempestades severas, que podem gerar cargas devastadoras em suas estruturas. Investigações extensivas, abrangendo estudos teóricos, numéricos, experimentais e testes em campo, foram realizadas para compreender o desempenho hidrodinâmico e os critérios de projeto dos sistemas de coluna de água oscilante (OWC), incluindo o carregamento das ondas, eficiência hidrodinâmica, reflexão/transmissão das ondas, sistema de captação de energia e mais.

A interação das ondas com os sistemas de coluna de água oscilante é complexa e sensível às variações na batimetria do fundo marinho. Variações na profundidade e na topografia do fundo podem alterar significativamente a dinâmica das ondas que interagem com esses dispositivos, afetando tanto a eficiência da captação de energia quanto a resistência estrutural do sistema. Modelos teóricos e experimentais, como os apresentados por Koley e Trivedi (2020), revelam que a batimetria variável influencia diretamente o comportamento das ondas incidentes e refletidas, modificando a distribuição da energia das ondas ao longo do sistema de OWC.

Além disso, a combinação de diferentes estratégias de proteção contra ondas, como a utilização de quebra-mares e dispositivos de amortecimento, pode ser uma solução viável para aumentar a resiliência dos sistemas OWC. A análise do impacto de uma batimetria irregular ou de áreas com fundo marinho composto por diferentes características, como a presença de barreiras submersas, também revela desafios adicionais na otimização do desempenho dos conversores. Por exemplo, sistemas que operam sobre fundos irregulares podem experimentar efeitos adicionais de dispersão ou difração das ondas, como discutido por Guo et al. (2022), o que exige um design mais robusto e adaptativo para maximizar a produção de energia.

Para os engenheiros, a consideração das forças de onda e das condições de fundo marinho ao projetar dispositivos OWC é fundamental. Testes em campo e simulações numéricas têm sido usados para mapear como essas forças agem sobre as estruturas, permitindo a otimização do design e a previsão do comportamento do sistema em diferentes cenários de maré e tempestades. Isso é crucial para a viabilidade econômica dos projetos de energia das ondas, pois um dispositivo que não resiste a condições extremas pode resultar em custos elevados de manutenção ou até mesmo em falhas operacionais.

Além das questões hidrodinâmicas, outro fator essencial a ser considerado é a eficiência do sistema de captação de energia. A conversão de energia das ondas em eletricidade deve ser maximizada, garantindo que a energia extraída seja adequada para as condições locais de ondas e que a infraestrutura necessária para a geração de energia seja estável e eficiente. Nesse sentido, a eficiência do sistema de captação de energia, como os sistemas de turbinas ou geradores conectados aos OWC, é um aspecto que exige constante aprimoramento, uma vez que os dispositivos estão sujeitos a variações nas características das ondas ao longo do tempo.

A interação com as condições extremas do mar exige uma abordagem multifacetada, considerando tanto o impacto das forças naturais quanto as tecnologias envolvidas na conversão e captação da energia. Portanto, a implementação de estratégias adequadas de proteção e a adoção de designs flexíveis e adaptáveis para os sistemas OWC são essenciais para garantir a longevidade e a eficácia desses dispositivos em um ambiente marítimo desafiador.

Como uma Placa Perfurada Pode Reduzir o Impacto de Fluxos de Quebra de Barragem em Caixões OWC

A importância de estudar o comportamento hidrodinâmico de caixões OWC sob condições de fluxo de quebra de barragem está diretamente relacionada ao fato de que, em eventos de impacto forte, como os causados por rupturas de barragens, a força exercida sobre essas estruturas pode ser devastadora. A instalação de uma placa perfurada pode suavizar esses impactos ao dividir e dissipa-los de maneira controlada, reduzindo o risco de danos estruturais significativos. Experimentos realizados neste contexto mostraram que, sem a placa, os caixões OWC experimentam picos de pressão elevados que comprometem sua estabilidade. Por outro lado, com a placa perfurada instalada, a carga de impacto foi reduzida consideravelmente, o que foi comprovado pela diminuição de 27,4% na intensidade do pico de carga horizontal sobre a parede frontal do caixão.

A placa perfurada é projetada com uma série de aberturas retangulares, organizadas de forma a permitir um controle preciso da quantidade de energia dissipada. Sua eficiência é mais notável na dissipação da energia gerada pelo impacto inicial do fluxo de água, o que ajuda a diminuir a magnitude do impacto ao longo do tempo. Além disso, o comportamento da água na superfície foi observado, mostrando que a instalação da placa permite que uma quantidade significativa do fluxo de água seja bloqueada, evitando que a maior parte da energia do impacto atinja diretamente a parede frontal do caixão. Essa configuração proporciona uma resposta mais suave do sistema, sendo um avanço no campo das tecnologias de proteção para caixões OWC.

Em termos de parâmetros experimentais, os estudos indicaram que o efeito da profundidade da água a montante pode modificar de maneira significativa a carga de impacto sobre o caixão. Em profundidades maiores, o impacto é mais pronunciado, exigindo uma maior eficiência das medidas de dissipação de energia. Esse tipo de comportamento também foi validado em testes de campo, que demonstraram uma grande consistência com os resultados obtidos nos modelos numéricos.

Além disso, é importante entender que a adaptação de tais sistemas para condições reais envolve uma série de considerações práticas, como a durabilidade da placa perfurada em ambientes marinhos e a interação com outros elementos estruturais do caixão OWC. A confiabilidade desses sistemas em cenários prolongados de impacto, com múltiplas ocorrências de fluxos de ruptura de barragem, também deve ser considerada. Estudos adicionais poderiam explorar os efeitos de diferentes padrões de perfuração e materiais utilizados nas placas, otimizando ainda mais sua eficácia.

Como Modelar e Analisar Sistemas Híbridos de Energia Eólica e das Ondas: Abordagem Numérica

O estudo de sistemas híbridos, que integram energia eólica e de ondas, exige um modelo numérico robusto capaz de simular as interações entre as diversas forças que atuam sobre a plataforma flutuante e seus componentes. Para entender e prever o comportamento de tais sistemas, é necessário um conhecimento detalhado dos processos físicos envolvidos, como as cargas hidrodinâmicas, as forças aerodinâmicas, os parâmetros estruturais e a dinâmica do movimento da plataforma e dos dispositivos de energia das ondas.

A captura de energia das ondas por dispositivos flutuantes, como as boias oscilantes, é modelada por meio da potência de captura de energia, representada por $P_i$, e da velocidade relativa entre a boia e a plataforma flutuante, $V_i(t)$. Este movimento relativo é crucial, pois afeta diretamente a eficiência da conversão da energia das ondas. O cálculo dessa interação dinâmica depende da constante consideração do tempo de cálculo, a duração de cada período de onda $T$ e o tempo de início $t_0$, além do amortecimento ótimo do sistema PTO para cada boia.

As cargas aerodinâmicas, que também são determinantes na geração de energia eólica, são calculadas utilizando o método de Elemento de Lâmina e o método de Momento de Quantidade. O método de Momento considera a turbina eólica como um disco impermeável alinhado ao fluxo de vento, e a força axial $dT$ pode ser expressa em termos da densidade do ar $\rho_a$, da velocidade do vento $U_\infty$, e do fator de indução axial $a$. O método de Elemento de Lâmina, por outro lado, discretiza a lâmina da turbina em elementos menores e calcula as forças normais e tangenciais em cada segmento da lâmina, que afetam o torque no rotor.

O modelo numérico para um sistema híbrido de energia eólica e das ondas, como o descrito para uma plataforma flutuante de 40 m x 40 m com turbinas eólicas de 5 MW e boias oscilantes, leva em consideração parâmetros importantes, como as dimensões da plataforma, a profundidade de submersão e a distribuição das boias. A configuração de uma turbina eólica NREL de 5 MW, com parâmetros bem definidos, como a massa das lâminas e a altura da torre, é integrada ao sistema flutuante para fornecer uma base sólida na modelagem do sistema de energia híbrida. A interação entre a estrutura flutuante, as boias e as forças externas é analisada para estimar o desempenho do sistema.

A utilização de modelos de elementos finitos para simular a interação entre a plataforma e os dispositivos de captura de energia das ondas permite calcular os coeficientes hidrodinâmicos, como a massa adicionada, o amortecimento de radiação e a força de excitação de ondas. Esses cálculos são essenciais para prever o comportamento do sistema em condições reais de operação, como águas profundas e condições de vento e ondas variáveis. A profundidade do mar e as características da água, por exemplo, influenciam diretamente as forças de onda que atuam sobre a plataforma.