Analisi meccanica di un sistema di energy harvesting PowerBuoy

Conversione della potenza marina in potenza elettrica

Figura 3.1 - Schema concettuale della conversione della potenza marina in potenza elettrica.

Il design degli impianti di conversione dell'energia del mare è molto vario, questo viene adipendere anzitutto dal tipo di energia che si sta cercando di estrarre, ad esempio se energia delle onde, delle maree, del gradiente di temperatura (vedi Cap. 1), ma non solo, gli impianti varianomolto anche in base alla posizione che occupano rispetto alla costa.

In questo capitolo vedremo come vengono classificati i Wave Energy Converter (WEC), altrimenti detti Convertitori di energia dal moto ondoso; questi dispositivi assorbono l'energia dalle onde incidenti e la trasformano in energia meccanica, è poi compito dei sistemi di Power Take-Off convertire quest'ultima in energia elettrica.

Negli anni sono stati brevettati oltre 1000 WEC in Giappone, Nord America ed Europa, di questi solo un cospicua parte è economicamente sostenibile.

riproducibile in scala, nessuna, invece, si è imposta come tecnologia predominante [1]. 25I WECs vengono categorizzati prevalentemente per distanza dalla costa e per principio di funzionamento.

3.1 Posizione rispetto alla costa

Figura 3.2 - Sezione di un profilo costiero suddiviso in base alla distanza dalla costa (fonte AWenergy).

Nella classificazione dei dispositivi in base alla distanza dalla costa ne individuiamo tre tipi:

• on-shore;
• near-shore;
• off-shore.

3.1.1 Dispositivi on-shore

Questi dispositivi possono essere collocati sui fondali marini o, altrimenti, possono essere integrati in strutture frangiflutti o scogliere. La scelta del collocamento di questi impianti non è mai facile, questo perché il moto ondoso in acque basse è sempre poco prevedibile ed altamente suscettibile alla conformazione dei fondali ed alla geometria delle coste. Questi ultimi aspetti possono fare la differenza, possono infatti fare in modo che i fenomeni di rifrazione,

diffondere l'energia delle onde in modo più uniforme lungo la costa. In alternativa, possono essere ancorati al fondale tramite cavi o strutture galleggianti, consentendo una maggiore flessibilità nella posizione e nell'orientamento. I dispositivi near-shore sfruttano principalmente la riflessione delle onde per generare energia. Le onde che si avvicinano alla costa vengono riflesse dal dispositivo, creando un effetto di interferenza che amplifica l'energia delle onde in determinati punti, noti come "hotspot". Questi hotspot possono essere utilizzati per azionare turbine o altri dispositivi che generano energia. Tuttavia, i dispositivi near-shore possono anche causare fenomeni dissipativi, in cui l'energia delle onde viene dispersa e non utilizzata per generare energia. Questo può accadere se il dispositivo non è progettato correttamente o se le condizioni del mare non sono favorevoli. La progettazione di un impianto near-shore è complicata dalla conformazione unica della costa e dei fondali di ogni sito. Questo rende difficile standardizzare i dispositivi e richiede una progettazione su misura per ogni posizione. Tuttavia, i dispositivi near-shore offrono alcuni vantaggi rispetto ai dispositivi on-shore, come una maggiore facilità di installazione e manutenzione, una riduzione del cablaggio necessario per la connessione alla rete e l'assenza di ormeggi. In conclusione, i dispositivi near-shore sono progettati per sfruttare la diffrazione e la riflessione delle onde per generare energia. Sebbene possano presentare sfide nella progettazione e nell'installazione, offrono vantaggi significativi rispetto ai dispositivi on-shore.sia danni causati da eventi estremi come uragani o maremoti. Inoltre, la manutenzione di questi dispositivi può essere più complessa rispetto a quelli near-shore, a causa delle difficoltà di accesso e delle condizioni ambientali più avverse. I dispositivi off-shore possono essere suddivisi in tre categorie principali: sommersi, galleggianti e ancorati al fondale. I dispositivi sommersi sono collocati sul fondale marino e sfruttano l'energia delle onde che si propagano sopra di essi. Questi dispositivi sono generalmente costituiti da una struttura rigida che cattura l'energia delle onde e la trasforma in energia elettrica utilizzabile. La loro posizione sul fondale marino li protegge dagli effetti dissipativi del fondale stesso, consentendo loro di sfruttare appieno la potenza del moto ondoso. I dispositivi galleggianti, come suggerisce il nome, sono dispositivi che galleggiano sulla superficie dell'acqua. Questi dispositivi sono generalmente costituiti da una struttura galleggiante che cattura l'energia delle onde e la trasforma in energia elettrica utilizzabile. La loro posizione sulla superficie dell'acqua consente loro di sfruttare la potenza del moto ondoso in modo efficiente, senza essere influenzati dagli effetti dissipativi del fondale marino. I dispositivi ancorati al fondale sono dispositivi che sono fissati al fondale marino tramite ancoraggi. Questi dispositivi possono essere costituiti da strutture rigide o galleggianti, a seconda delle esigenze specifiche del progetto. La loro posizione fissa li rende stabili e in grado di sfruttare appieno la potenza del moto ondoso. Tuttavia, la loro manutenzione può essere più complessa a causa delle difficoltà di accesso e delle condizioni ambientali più avverse. In conclusione, i dispositivi off-shore rappresentano una fonte energetica promettente grazie al loro grande potenziale energetico e alla possibilità di sfruttare appieno la potenza del moto ondoso. Tuttavia, è necessario affrontare i problemi legati al carico estremo, al costo elevato e alla manutenzione complessa per rendere questi dispositivi una soluzione efficace ed efficiente per la produzione di energia dalle onde.

Sia frequenti operazioni di manutenzione che risulterebbero inevitabilmente onerose. Questi WEC possono essere composti da due o più parti in movimento tra loro e presentano dei sistemi di ancoraggio al fondale; questi ultimi devono essere progettati attentamente poiché non solo mantengono stabile in posizione il dispositivo, ma influenzano l'assorbimento di energia della macchina.

La grande distanza dalla costa rende necessari lunghi cablaggi che diventano fonti inevitabili di dispersione dell'energia, di conseguenza è improbabile che un impianto composto da poche unità possa essere ritenuto sostenibile (in termini economici). Lo sfruttamento offshore del moto ondoso può essere redditizio con impianti dell'ordine di decine di MW solamente contando parecchie unità dislocate a schiera. In mare aperto, queste grandi centrali elettriche multi-dispositivo vengono definite "wave farm".

3.2 Principio di funzionamento

Figura 3.3-

Classificazione in base a dimensione e posizionamento rispetto al fronte d'onda. Un secondo metodo di classificazione dei WECs si basa sul loro principio di funzionamento, in particolare sulla loro capacità di intercettare l'onda e, quindi, sul loro posizionamento rispettivamente alla direzione del fronte d'onda. Anche in questa classificazione i dispositivi possono essere suddivisi in tre categorie:

1. point absorber (assorbitori puntuali);
2. attenuator (attenuatori);
3. terminators (terminatori).

283.2.1 Punti assorbitori

Questi dispositivi presentano una dimensione generalmente molto ridotta rispetto alla lunghezza d'onda e sono quasi sempre simmetrici, questo gli permette di ricavare energia a prescindere dall'orientamento del fronte d'onda. Sfruttano il movimento ondulatorio dello specchio d'acqua in un singolo punto, inoltre possono raccogliere energia da una porzione di fronte d'onda maggiore del loro diametro. Questa

La categoria di energy harvester normalmente vede una struttura galleggiante composta da un primo componente ad alta inerzia, e quindi relativamente stabile, ed un secondo componente mobile guidato dal moto ondoso. Quest'ultima componente è libera di muoversi del tutto o, altrimenti, può essere vincolata a muoversi verticalmente come nel caso del Power Buoy (vedi Fig. 3.4).

Attenuatori

Questi dispositivi sono strutture galleggianti, orientate parallelamente alla direzione di propagazione dell'onda e possono presentare dei sistemi atti a cambiarne l'orientazione. Generalmente, sono composti da più parti in movimento relativo tra loro (ad esempio, Pelamis, Fig. 3.5). Le diverse altezze d'onda lungo lo sviluppo del dispositivo producono la flessione delle parti tra loro connesse andando ad attivare delle pompe che vengono alloggiate tra ogni coppia di segmenti. Le pompe riforniscono degli accumulatori.

e da qui, il fluido pressurizzato aziona dei generatori. Il rendimento di queste macchine dipende più dall'angolo di inclinazione che dall'altezza dell'oscillazione, inoltre questo diminuisce ad angoli crescenti.

3.2.3 Terminatori Questi dispositivi che lavorano sulla superficie dell'acqua o in prossimità di essa, assorbono energia andando a collocarsi parallelamente al fronte d'onda. Questi dispositivi vengono chiamati terminatori in quanto, ponendosi perpendicolarmente alla direzione delle onde, riescono a catturare molta dell'energia e, conseguentemente, a smorzare tanto il moto ondoso. Fenomeni di riflessione delle onde non sono da escludere. Un terminatore perfetto è in grado di creare onde in esatta contrapposizione di fase rispetto all'onda incidente, questa condizione permetterebbe un'estrazione teorica del 100% della potenza trasportata dal fronte.

d'onda che l'ha colpito. Figura 3.6- Esempio di terminatore. Oyster della AQUAMARINE POWER.

Capitolo 4

Unità di Power Take-Off (PTO)

Come abbiamo potuto osservare il design dei WEC è molto vario, tuttavia, ogni wave energy converter sarebbe totalmente inutile senza un sistema capace di convertire l'energia meccanica fornita dalle onde in energia elettrica; le unità che si occupano di questa conversione sono chiamate Power Take-Off, o PTO.

I PTO sono sistemi basati su principi molto semplici, a volte possono essere associati anche a sistemi di controllo in retroazione che regolano la forza applicata dal PTO al galleggiante; in questo modo quest'ultimo potrà muoversi in fase con le onde e l'efficienza del sistema aumenta considerevolmente.

I sistemi di power take-off vengono classificati nella seguente maniera:

• generatori elettrici lineari;
• turbine ad aria;
• sistemi idraulici.

Figura 4.1- Classificazione dei PTO

1. 334.1 Generatori elettrici lineari

I generatori lineari convertono direttamente il movimento del WEC in energia elettrica. I vantaggi di questo tipo di conversione sono la mancanza di conversioni intermedie e la complessità limitata del sistema.

Il sistema è composto da uno statore e da un traslatore. Il primo è solidale alla struttura stabile o ad alta inerzia ed è composto da bobine di materiale conduttore. Il secondo è invece solidale al corpo in movimento (ad esempio la parte galleggiante) ed è costituito da una serie di magneti permanenti posti uno accanto all'altro con polarità alternata. Quando il traslatore scorre all'interno dello statore il campo magnetico comincia a variare e, ai capi delle bobine, compaiono delle f.e.m. indotte.

I generatori risultano più efficienti in presenza di forze deboli e velocità elevate ed in un WEC difficilmente si riescono a raggiungere le stesse velocità che si hanno in

Un generatore di tipo rotatorio. Di fatti, nei PTO basati su generatori lineari, la velocità di picco del traslatore raramente raggiunge i 2m/s e la media è decisamente più bassa; se pensiamo che in un classico generatore a rotore la velocità minima accettabile è di 50m/s, ci rendiamo conto di quanto sia basso il rendimento e di quanto sia complicato raggiungere tali velocità [2].

Figura 4.2- Schema di un generatore lineare a magneti permanenti.

Infatti, per generare un output soddisfacente, quindi rendimenti elevati, è necessario avere statori molto più grandi e conseguentemente macchine molto più pesanti [3,4].

Alcuni miglioramenti si sono avuti di recente con l'impiego di convertitori di frequenza, nuovi materiali per i magneti permanenti e l'impiego di molle attaccate alle armature per incrementare la velocità del traslatore.

4.2 Turbine