Hur påverkar korallrevets batymetri effektiviteten hos OWC-arrayer?

I studier som behandlar dynamiken för Oscillating Water Column (OWC)-arrayer, har man funnit att det finns en betydande interaktion mellan havets topografi och de hydrodynamiska parametrarna som styr dessa system. Korallrevets batymetri, med sina karakteristiska geologiska drag som förereef, reef flat och lagoon, har en unik påverkan på hur vattenrörelser sker i dessa miljöer och därmed på effektiviteten hos OWC-arrayer.

En grundläggande aspekt av denna påverkan är resonansfenomenet som uppstår när inkommande och reflekterade vågor från kusten superponeras och bildar stående vågor. Dessa vågor är karakteriserade av noder och antinoder som påverkar hur energi överförs och omvandlas i systemet. Tidigare studier har visat att dessa resonanslägen är särskilt märkbara över korallrevets batymetri. När vågorna träffar förereef (den yttre delen av revet) och reef flat (den inre delen av revet), synkroniseras noder och antinoder, vilket ger upphov till stående vågformer som kan förstärka eller dämpa de hydrodynamiska parametrarna.

För att bättre förstå denna effekt är det viktigt att titta på de matematiska beskrivningarna av dessa fenomen. När man beräknar strålningsledningsförmågan och susceptansen för OWC-arrayer, måste man beakta hur dessa parametrar påverkas av revstrukturen. Till exempel kan strålningssusceptansen (μ) och den optimerade PTO-dämpningen (μPTO) relatera till luftkompressibilitet och hur detta samverkar med vattenkolonnens rörelse. Korallrevets batymetri förändrar dynamiken i dessa parametrar, vilket gör att nya resonansfrekvenser kan uppstå.

För en mer exakt modellering måste man ta hänsyn till det faktum att vågsetupen på revflaten inte är konstant och att vattnets djup på revflaten (hc.r.) kan påverka frekvenserna för de resonanta modulerna. Beräkningarna för de resonanta perioderna i både öppna och slutna bassänger visar att dessa varierar beroende på revstrukturen. Detta innebär att de optimala frekvenserna för OWC-arrayer kan skilja sig beroende på närvaron av korallrev.

En annan intressant observation är att korallrevets närvaro förändrar hur effektivt OWC-arrayer kan omvandla vågenergi. I jämförelse med en horisontell havsbotten (utan korallrev) där de maximala effekterna uppträder vid specifika frekvenser, har OWC-arrayer på korallrev ett mer komplext mönster. Den hydrodynamiska effektiviteten för dessa system uppvisar flera toppar vid olika frekvenser som inte finns i system utan korallrev. Detta indikerar att revets struktur har en direkt effekt på vågornas dynamik och på hur effektivt energi kan omvandlas.

För att bättre förstå dessa effekter krävs en detaljerad analys av den vågresonans som orsakas av korallrevet. Vissa resonansfrekvenser som inte kan förklaras med vanliga vattenkolonnresonanser, särskilt vid lägre frekvenser, tyder på att det är korallrevets påverkan på vågorna som spelar en viktig roll. Dessa fenomen kan förklara varför vissa frekvenser inte uppvisar de vanliga mönstren för resonans och varför OWC-arrayer över korallrev kan uppvisa en helt annan effektivitet jämfört med system utan sådan topografi.

För att fördjupa förståelsen av hur OWC-arrayer fungerar i sådana miljöer, måste man vidare undersöka detaljerna i hur olika frekvenser samverkar med korallrevets topografi. Det är också viktigt att ta hänsyn till variabler som luftens kompressibilitet och optimerad PTO-dämpning, samt hur dessa faktorer påverkar strålningssusceptansen och de totala hydrodynamiska parametrarna. Endast genom att integrera dessa faktorer kan vi skapa en mer exakt och funktionell modell för OWC-arrayer i reala miljöer där korallrev och liknande strukturer spelar en roll.

Hur påverkar variabel batymetri effektiviteten hos OWC-system i närvaro av korallrev och trappbotten?

Resonansfrekvenser som förutsagts genom Ek. (5.15) stämmer nära överens med topparna och dalarna i den hydrodynamiska effektiviteten som visas i Fig. 5.4. Trots detta finns det små skillnader mellan de förutsagda resonansfrekvenserna i Tabell 5.1 och positionerna för topparna/dalarna i Fig. 5.4. Detta kan bero på att vattnets uppsättning inte beaktas vid beräkningen av Tj-O.B. För att utforska den detaljerade vågfältet över revet visar Fig. 5.5a–c vågamplituderna över korallrevets batymetri för kh1 = 0.24, 0.54 och 1.20, som motsvarar den j-te (j = 0, 1, och 2) resonansmoden i det öppna bassängsystemet, under förutsättningen A= 1 m.

Vid kh1 = 0.24 (j = 0) observeras en stor vågamplitude (mer än 4 gånger den inkommande vågans amplitude) över revflatan och lagunen. För fallet kh1 = 0.54 (j = 1) är vågamplituden över revflatan och lagunen tydligt mindre än den som visas i Fig. 5.5a. För kh1 = 1.20 (j = 2) finns en stor vågamplitude över revflatan (se Fig. 5.5c). Detta innebär att området med förstärkt vågamplitude varierar avsevärt för de tre resonansmoderna.

Fig. 5.6 visar vattnets höjd vid olika tidpunkter under en period (t = 0.1 T, 0.2 T, …, och 1.0 T). Den tidsberoende vågamplituden ges av ekvationen:

Vi observerar en vågknut (i Fig. 5.6a) vid x = 42,5 m (dvs. slutet av för-revet). Denna typ av vågrörelse kallas resonansmode i det öppna bassängsystemet för j = 0. En annan vågknut (i Fig. 5.6b) vid x = 33,2 m (dvs. nära slutet av revflatan), motsvarar resonansmoden i det öppna bassängsystemet för j = 1.

Effekten av det inkommande vågornas vinkel illustreras i Fig. 5.8, som visar den hydrodynamiska effektiviteten och reflektionskoefficienten för ett OWC-array över korallrevets batymetri för våginkommande vinklar θ = 0, 1/6π, 1/4π och 1/3π. Under snedvinklade vågförhållanden minskar den effektiva bandbredden för hydrodynamisk effektivitet som överstiger 50%. Zhao et al. (2016) förklarade denna tendens och noterade att caissonsystemen kan orsaka starka reflexioner, vilket leder till ett dramatiskt fall i den hydrodynamiska effektiviteten. Det triggarfrekvensen för stark vågreflektion skiftar till lägre frekvenser, vilket leder till en förminskad effektiv bandbredd.

Zhou et al. (2018) genomförde en teoretisk analys av ett OWC-array på en trappad botten och observerade att en ökning av steghöjden leder till flera svängningar i både hydrodynamisk effektivitet och reflektionskoefficienter. Dessa svängningar i lågfrekvensregionen berodde på vågresonans över den trappade bottnen, vilket stämmer överens med fynden av Rezanejad och Soares.

Den hydrodynamiska interaktionen mellan havsbotten och vågkraftsystem spelar således en viktig roll för att förbättra prestandan hos sådana system. Ett sådant system, som är beläget över en komplex batymetri, kan utnyttja resonansfenomenet för att anpassa designen och optimera effektiviteten. Resultaten från denna forskning ger användbara insikter om hur variabel batymetri och olika resonanslägen kan påverka hydrodynamisk effektivitet och speglar behovet av att noggrant beakta dessa effekter vid utveckling av framtida vågkraftsystem.

Vad påvekar de hydrodynamiska parametrarna i flytande vind- och vågplattformar?

I den här modellen av systemet, som består av en flytande plattform och ett antal svängande bojar, är det avgörande att beräkna den tillagda massan och strålningsdämpningen som påverkar plattformens rörelser i både rullning och gungning. Dessa parametrar beräknas genom att använda en tidsdomänsmodell, där vi kan se hur rörelserna i systemet påverkas av radiationsdämpning. Denna funktion gör det möjligt att räkna ut de krafter som uppstår när den flytande strukturen rör sig i vattnet.

En annan viktig aspekt är PTO-dämpning, vilket innebär att den relativa rörelsen mellan de svängande bojarna och plattformen skapar energi som kan omvandlas via PTO-systemet. Olika bojar fångar vågenergi genom rullning och gungning. Eftersom bojarna är symmetriskt placerade, har de samma tillagda massa och strålningsdämpning, vilket förenklar beräkningarna för systemets dynamik.

För att kunna förstå den dynamiska responsen hos systemet i olika miljöer är det viktigt att studera hur plattformen reagerar på olika typer av laster. I den här studien har tre olika lastfall undersökts: det ena baserat på våghöjd och PTO-dämpning, det andra med våg- och mooringlaster, och det tredje som tar hänsyn till vind- och vågkraft samtidigt. Varje lastfall påverkar systemets dynamik på olika sätt, vilket gör det möjligt att dra slutsatser om hur effektivt systemet kan konvertera både vind- och vågenergi.

Den dynamiska responsen under vågpåverkan har visat sig vara kraftigast för bojarna i rullrörelse, särskilt för Boje #1 till #4, medan Boje #5 och #6, som är inriktade på gungningsrörelse, har mycket mindre rörelser. På plattformen är rullrörelsen i allmänhet mindre än för bojarna, medan gungningen uppvisar ett stabilt beteende som är nära plattformens rörelser. Den största påverkan på plattformens rull- och gungrörelser sker vid en frekvens mellan 0,6 och 1,0 rad/s.

Det är också viktigt att ta hänsyn till hur förankringssystemet påverkar plattformens rörelser. I den här studien användes ett katenärt förankringssystem, där ankarna och släpppunkterna på plattformen analyserades noggrant. Resultaten visade att faserna för rullrörelsen hos vissa bojar var omvända, vilket innebär att bojarna rör sig i motsatt riktning under vissa förhållanden. Även om förankringssystemet inte påverkade de relativa rotationshastigheterna och den extraherade energin nämnvärt, påverkade det dock jämviktsläget för bojarna, vilket leder till en viss förskjutning i deras positioner.

I analysen av systemet under påverkan av både vind- och vågkrafter visades det att vindens inverkan är relativt liten i förhållande till vågorna, särskilt eftersom vindkraftverket på plattformen har en liten massa jämfört med hela strukturen. Detta innebär att vindbelastningen huvudsakligen fungerar som en extra kraft på plattformen, vilket förändrar den dynamiska balansen något. Under dessa förhållanden uppträder intressanta fluktuationer i rörelserna, eftersom plattformen utsätts för två typer av frekvenser: en från vinden och en från vågorna. Förhållandet mellan dessa två krafter påverkar hur systemet svarar på externa störningar, vilket också har betydelse för hur vågenergi kan extraheras effektivt.

Hur kan multipurpose marina strukturer bidra till både energiutvinning och kustskydd?

Multipurpose marina strukturer (MPCS) har blivit ett viktigt ämne för att möta både energiutvinning och ekologiska krav längs kuster och i marina miljöer. Deras användning sträcker sig från att erbjuda kustskydd och bevara marina ekosystem till att generera förnybar energi, vilket skapar en synergistisk effekt när olika system kombineras.

En av de mest framträdande fördelarna med att integrera vågenergiutrustning med flytande vindturbiner är att det förbättrar stabiliteten hos vindturbinerna. Vågenergiutrustning och vindturbiner kompletterar varandra genom sina olika energiproduktionsegenskaper. Vindturbiner har kortare fönster för energiproduktion, medan vågenergiutrustning tenderar att ha längre driftstider, även om den installerade kapaciteten är mindre. Detta gör att de tillsammans kan erbjuda ett stabilt och konstant energiflöde, vilket är särskilt fördelaktigt för flytande plattformar som är beroende av dessa system för att upprätthålla en stabil energitillförsel.

Ett annat exempel på effektivt samarbete mellan olika teknologier är integreringen av vågenergiutrustning med bryggor. Medan bryggor ger kustskydd genom att minska effekten av vågor, kan vågenergiutrustningen samtidigt absorbera vågenergi och därmed skapa ett ömsesidigt förstärkande system. I vissa fall kan till och med vågenergiutrustningen öka bryggornas förmåga att skydda kusterna mot erosion. Detta förhållande mellan olika teknologier har potentialen att skapa mer hållbara lösningar för att hantera de påfrestningar som orsakas av klimatförändringar och havsnivåhöjningar.

Multipurpose artificiella rev (MPAR), som är ett exempel på sådana integrerade strukturer, erbjuder både fiskbiotop och kustskydd. MPAR är i regel porösa strukturer som effektivt kan dämpa vågenergi och därmed spela en avgörande roll för att minska erosion vid kusten. Dessutom bidrar dessa strukturer till att förbättra den estetiska och rekreationsmässiga upplevelsen av kustområden genom att skapa attraktiva, biologiskt rika miljöer som gynnar både marin livskraft och turism.

Med tanke på de allt större behoven av ren energi och skydd mot kusterosion är utvecklingen av marina strukturer som kan tillhandahålla både energi och ekologiska fördelar en viktig riktning för framtidens marina projekt. I många fall är det inte längre tillräckligt att förlita sig på traditionella kustskyddssystem som endast skyddar mot vågor utan att bidra till andra behov. Därför är det avgörande att utveckla och bygga MPCS, som kan förena flera funktioner – från energiutvinning och ekosystembevarande till skydd av kustnära samhällen.

En annan viktig aspekt av multipurpose marina strukturer är deras förmåga att bidra till energi- och resursförsörjning på stora flytande plattformar. Projekt som Space@sea, TROPOS och MERMAID har visat hur marin förnybar energi kan integreras i stora flytande plattformar för att ge stabil och lokal energi. Detta minskar beroendet av landbaserad elöverföring eller oljetransport och erbjuder en mer kostnadseffektiv och hållbar lösning för drift och produktion.

För att vidare utveckla denna teknologi behöver man förstå olika typer av strukturer. De kan delas in i två huvudgrupper: kustnära strukturer och offshore-strukturer. Kustnära strukturer inkluderar sådana som är monterade på havsbotten och erbjuder funktioner för både energiutvinning och kustskydd, medan offshore-strukturer, som är flytande och används i djuphavsområden, ofta tjänar som plattformar för energiutvinning, logistik och bostadsområden.

En ytterligare aspekt av dessa strukturer är den ökande förståelsen för hur ekologiska och tekniska lösningar kan samverka för att skapa hållbara marina miljöer. Ekologiska kuststrukturer, som seagrass och mangrovesystem, har visat sig vara mycket effektiva när det gäller att stabilisera kustlinjer och motverka erosion. Dessa ekologiska system, när de integreras med tekniska strukturer som MPAR, kan ytterligare förstärka den skyddande effekten på kusterna, samtidigt som de bidrar till restaurering av marina ekosystem och hållbar fiskproduktion.

Denna utveckling av multipurpose marina strukturer innebär att framtida marina projekt kommer att behöva en mångfacetterad och integrerad designstrategi, där både tekniska och ekologiska funktioner samverkar för att möta dagens och framtidens behov. Att skapa hållbara lösningar för både energiutvinning och kustskydd kräver ett nära samarbete mellan olika teknologier och disciplinära områden, där varje aspekt bidrar till helheten för att skapa mer robusta och flexibla system.

Hur kan flera användningsområden på havsplattformar främja hållbar energiutvinning?

Flera forskningsområden kring offshore-energi har fokuserat på att utveckla lösningar som effektivt kan kombinera olika former av förnybar energi genom integrerade system, särskilt genom att använda havsplattformar. Dessa plattformar, som traditionellt har använts för olje- och gasproduktion, får nu en ny roll inom förnybar energi. Genom att sammanföra vindkraft, vågkraft och solenergi på samma struktur, kan man potentiellt öka den totala energieffektiviteten och minska driftkostnaderna för flera energikällor samtidigt.

Inom ramen för forskningen kring dessa multi-användningssystem undersöks flera tekniska och miljömässiga aspekter. Till exempel, forskning kring integrationen av vågkraft med andra förnybara system, som vind- eller solenergi, har visat på potentialen att skapa stabilare och mer tillförlitliga energilösningar. För att uppnå detta krävs en noggrann design och optimering av systemet för att kunna utnyttja resurserna på ett effektivt sätt, samtidigt som de tekniska utmaningarna minimeras. Det är också viktigt att förstå hur väderförhållanden och havsströmmar påverkar varje system och hur dessa effekter kan hanteras.

Flera studier har visat på effektiviteten hos olika modeller, som den 3D-BEM-modell (Boundary Element Method) för hydrodynamisk analys av vågenergikonverterare (WEC) som är anslutna till en brygga. Andra modeller undersöker prestandan hos solcellssystem på flytande plattformar, vilket visar på de potentiella synergierna när flera energikällor kombineras i ett integrerat system. Det är även viktigt att överväga strukturella frågor, såsom hur plattformarna ska stå emot de krafter som genereras av både havsvågor och vind.

Ett av de största hindren för att använda offshore-strukturer för flera energikällor är den höga initiala investeringskostnaden samt de tekniska utmaningarna kring installation och underhåll. Trots detta pekar många experter på att den långsiktiga ekonomiska vinsten kan bli betydande, särskilt om man lyckas optimera kombinationen av flera förnybara energikällor för att skapa ett stabilt och effektivt energinätverk.

Dessutom spelar miljöaspekterna en viktig roll i denna utveckling. Genom att använda befintliga strukturer, som olje- och gasplattformar, och kombinera dem med hållbara energilösningar, kan man minska behovet av nya infrastrukturer, vilket minskar miljöpåverkan från byggprocessen. Samtidigt måste man noggrant analysera den ekologiska påverkan på marina livsmiljöer och havsbotten för att säkerställa att dessa multi-användningssystem inte orsakar oönskade effekter på det marina ekosystemet.

I framtiden kommer integrationen av dessa plattformar sannolikt att spela en central roll i övergången till en mer hållbar energiproduktion. Kombinationen av olika förnybara källor på en enda struktur ger både ekonomiska och miljömässiga fördelar och kan på lång sikt bli en avgörande komponent i global energiomställning.

För att denna utveckling ska bli framgångsrik är det avgörande att fortsatt forskning och teknisk innovation fokuserar på att lösa problem relaterade till de specifika egenskaperna hos havsbaserade miljöer och hur dessa kan integreras på ett effektivt sätt. Samtidigt bör ett starkt fokus ligga på att förstå de socio-ekonomiska konsekvenserna av sådan teknik, särskilt när det gäller arbetsmarknad, lokalsamhällen och global energiåtgång.