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IL MOTO ONDOSO LA SUA ENERGIA E LO SFRUTTAMENTO Lorenzo Cappietti Laboratorio di Ingegneria Marittima www.labima.unifi.it ENERGIA DAL MARE TOSCANO
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IL MOTO ONDOSO LA SUA ENERGIA E LO SFRUTTAMENTO
Lorenzo CappiettiLaboratorio di Ingegneria Marittima
www.labima.unifi.it
ENERGIA DAL MARE TOSCANO
LABORATORIO DI INGEGNERIA MARITTIMA
WWW.LABIMA.UNIFI.IT
Valentina Vannucchi
Andrea Esposito
IreneSimonetti
IlariaCrema
Pier Luigi Aminti
Dario Pelli
CONTENUTI DELLA PRESENTAZIONE
• PARTE I : IL MARE E LE SUE ENERGIE
• PARTE II: L’ENERGIA DEL MOTO ONDOSO
• PARTE III: ESEMPI DI DISPOSITIVI PER LOSFRUTTAMENTO DELL’ENERGIA DEL MOTOONDOSO
• IV LE RICERCHE PRESSO IL LABORATORIODI INGEGNERIA MARITTIMA
PARTE I
IL MARE E LE SUE ENERGIE
ENERGIA DA GRADIENTE TERMICO
Il gradiente termico è prodotto dalle differenze di °Ttra i diversi strati del mare
acque profonde: 6°-7°
Il sole riscalda la superficie del mare e crea una differenza di °T
acque superficiali: 25°-28°
ENERGIA DA GRADIENTE TERMICO
La prima centrale per la conversione dell'energia termica degli Oceani (OTEC) è nata nel 1996 al largo delle isole Hawaii
Acqua calda di superficie
Acqua fredda del fondale
TURBINA
CONDENSATORE
ACQUA DESALINIZZATA
POMPA
GENERATORE
EVAPORATORE
Fonte: www.ralph-dte.eu
È detta anche ENERGIA OSMOTICA deriva dalladifferenza di concentrazionesalina fra l'acqua di mare e l'acqua dolce
ENERGIA DA GRADIENTE SALINO
ENERGIA DA GRADIENTE SALINOSi può convertire in energia tramite una membrana semipermeabile che separa l’acqua dolce da quella salata
SCAMBATORE DI PRESSIONE
H2O salata MEMBRANA TURBINA
MARE
H2O dolce
Filtro
FIUME
ENERGIA DELLE CORRENTI MARINE
Le correnti marine sono movimenti di massa d'acqua, indotti dalla loro diversa densità.
Si distinguono dalle acque circostanti per:- Temperatura - Salinità- Colore
ENERGIA DELLE CORRENTI MARINE
Solo in Europa la disponibilità di questo tipo di energia è pari a circa 75 GW
Le correnti possono essere sfruttate con lo stesso principio utilizzato per l’energia eolica.
Fonte: European Ocean Energy Association (EU-OEA), www.euea.com
PARTE II
L’ENERGIA DEL MOTO ONDOSO
ENERGIA DALLE MAREE
La marea è il ritmico innalzamento e abbassamento del livello del mare provocato dall'azione gravitazionale della Luna e del Sole
ENERGIA DALLE MAREE
Con l’alta marea, l’acqua fluisce in un bacino e passando attraverso una serie di tunnel, aziona delle turbinecollegate a dei generatori
TSUNAMI – INUTILE!
ENERGIA DALLE ONDE DA VENTO!
PROPAGAZIONE E MOTI ORBITALI
Filmato 2 http://youtu.be/oe
IZm8U965A
Filmato 1 http://youtu.be/Lt
S9m-fCoZE
PARAMETRI CARATTERISTICI DELLE ONDE “REGOLARI”• H = distanza
verticale tra cresta e cavo• L = distanza orizzontale tra due creste o cavi consecutivi• T = intervallo di tempo necessario affinché una cresta percorra una distanza pari alla lunghezza d’onda
PARAMETRI CARATTERISTICI DELLE ONDE “REALI”
• Hs = altezza significativa
• Tp = periodo di picco
• Te = periodo “energetico”
• Lp/Le lunghezze d’onda
LA POTENZA DEL MOTO ONDOSO
Potenza: lavoro fatto dalmoto ondoso nell’unità ditempo attraverso una finestalarga 1m e alta dal fondalealla superficie del mare
(W/m)TeHsgP 22
64
1
1
LA POTENZA DEL MOTO ONDOSO
Se Hs=1m e Te=6s -> potenza per un metrodi larghezza di cresta pari a circa 2.8 kW/m!
485 KW
IN 170 m
DI CRESTA D’ONDA
<200m
molti
km
WIND
Il profilo di velocità del vento si estende
per km sopra lo strato limite
atmosferico
Una torre eolica sfrutta solo uno strato
infinitesimale
La maggior parte della potenza del
moto ondoso è concentrata vicino alla
superficie del mare.
Un dispositivo di conversione di
moderate dimensioni può assorbire la
maggior parte della potenza d’onda
La potenza del moto ondoso per unità di area verticale (dalla
superficie al fondo del mare) è circa 5 volte maggiore della potenza
specifica del vento che ha generato l’onda. L’energia d’onda è molto
più concentrata
20m
WAVES
DISTRIBUZIONE DI POTENZA DAL MOTO ONDOSO NEL MONDO
Fonte: Mork G et al.(2010). “Assessing the Global Wave Energy Potential”. Proceedings of the 29th International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering (OMAE2010)
PARTE IV
I DISPOSITIVI PER LO SFRUTTAMENTO DELL’ENERGIA DEL
MOTO ONDOSO
I DISPOSITIVI WAVE ENERGY CONVERTER - WEC
Il primo brevetto è del 1799, GIRARD e figliParigi
349.
12 juillet 1799.
BREVET D ’INVENT IO N DE Q ÙINZE ANS,
Pour divers moyen s d ’employer les vagues de
la mer , comme mot eurs ,
Aux sieurs GIRARD père et fils, de Paris.
__________________________________________
La mobilité et l’inégalité successive des vagues, après s’être
elevés comme montagnes, s’affaisent l’instant aprés, entrai-
L’ERA MODERNA
Nel periodo (1964-65) furono prodotte più di mille boe di segnalazione alimentate da un turbina ad aria attivata mossa dell OWC
Yoshio Masuda, (1925-2009), Giapponese fece studi sui dispositivi per lo sfruttamento dell’energia del moto ondoso fin dal 1940, ed è l’inventore della tecnologia Oscillating Water Column (OWC)
OSCILLATING
WATER COLUMNS
COLONNE D’ACQUA
OSCILLANTI
WAVE ACTIVATE
BODIES
CORPI
GALLEGGIANTI
I DISPOSITIVI WEC
In base al principio di
funzionamento si classificano in 3 categorie
OVERTOPPING
DEVICES
DISPOSITIVI
A TRACIMAZIONE
WAB: CORPI GALLEGGIANTI
POWER TAKE OFF
Conversione diretta con un generatore elettrico lineare
Uppsala University, Sweden
POWER TAKE OFF
Sistemi ad olio
in alta pressione
con motore idraulico
Oyster (UK)
HP gasaccumulator
LP gasaccumulator
Cylinder
B
A
Buoy
Motor
Manifold
POWER TAKE OFF
Turbine idrauliche
ad alta prevalenza
Generalmente del tipo
Pelton
wheel or
runner
nozzle
wheel or
runner
nozzle
Oyster (UK)
OWC: COLONNE D’ACQUAOSCILLANTI
POWER TAKE OFF
Wells turbine (mid-1970s)
• Several versions
• Used in most OWC prototypes
Impulse turbine (mid-1970s)
• Several versions
• Based on De Laval steamturbine (1889)
• Used in Indian prototype & CORES
rotor
rotation
Guide vanes
Guide vanes
Turbine ad aria autorettificanti
OTD: DISPOSITIVI A TRACIMAZIONE
POWER TAKE OFF
Turbine Idrauliche a Bassa Prevalenza
PROTOTIPI REALIZZATI DI WAVE ENERGY CONVERTER
PTO Motore idraulico +
generatore
FILMATO
Fonte: http://www.youtube.com/watch?v=Fu5AK_a9KN0
PROTOTIPI REALIZZATI DI WAVE ENERGY CONVERTER
OYSTER
PTO Motore idraulico +
generatore
FILMATO
Fonte: http://www.youtube.com/watch?v=TzEk74DIkuk
PROTOTIPI REALIZZATI DI WAVE ENERGY CONVERTER
PTO Motore idraulico +
generatore
FILMATO
Fonte: http://www.youtube.com/watch?v=nH8uWOt-0z8
PROTOTIPI REALIZZATI DI WAVE ENERGY CONVERTER
WAVEBOB
PTO Motore idraulico+ generatore
FILMATO
Fonte: http://www.youtube.com/watch?v=Y5GtILAnsFA
PROTOTIPI REALIZZATI DI WAVE ENERGY CONVERTER
PTO Turbina idraulica
FILMATO
Fonte: http://www.youtube.com/watch?v=O4ljxiuOFeE
OE-BUOY
PROTOTIPI REALIZZATI DI WAVE ENERGY CONVERTER
PTO Turbina ad aria
FILMATO
Fonte: http://www.youtube.com/watch?v=T20dCGPjxPQ&list=PL198BFFB8CBE99329
LIMPET
PROTOTIPI REALIZZATI DI WAVE ENERGY CONVERTER
FILMATO
PTO Turbina ad aria
Fonte: http://www.youtube.com/watch?v=BbauzHi6QXQ
MUTRIKU
PROTOTIPI REALIZZATI DI WAVE ENERGY CONVERTER
FILMATO
PTO Turbina ad aria
Fonte: http://www.youtube.com/watch?v=IK65S0sPtsg
PROTOTIPI REALIZZATI DI WAVE ENERGY CONVERTER
PARTE IV
LE RICERCHE PRESSO IL LABORATORIO DI INGEGNERIA
MARITTIMA
DISTRIBUZIONE DI POTENZA DAL MOTO ONDOSO NEL MAR
MEDITERRANEO MEDIA ANNI 2009-2013
Potenza [kW/m]Pmax=15 kW/m
DISTRIBUZIONE DI POTENZA DAL MOTO ONDOSO NEL MAR
MEDITERRANEOAprile
[kW/m]
Dicembre
[kW/m]
PERSISTENZA DELLA POTENZA DAL MOTO ONDOSO NEL MAR
MEDITERRANEO
Variabilità = Dev. Standard/Media
DISTRIBUZIONE DI POTENZA DAL MOTO ONDOSO IN TOSCANA
Potenza [kW/m]
Pmax=4.2 kW/m
DISTRIBUZIONE DI POTENZA DAL MOTO ONDOSO IN TOSCANA
DISTRIBUZIONE DI POTENZA DAL MOTO ONDOSO IN TOSCANA
INFRASTRUTTURE, CENTRI URBANI, INDUSTRIE GALLEGGIANTI ALIMENTATE DA
FONTI RINNOVABILI MARINE
PROPOSTA
INFRASTRUTTURE, CENTRI URBANI, INDUSTRIE GALLEGGIANTI ALIMENTATE DA
FONTI RINNOVABILI MARINE
PROTOTIPO
INFRASTRUTTURE, CENTRI URBANI, INDUSTRIE GALLEGGIANTI ALIMENTATE DA
FONTI RINNOVABILI MARINE
IN ESERCIZIO
NORTH-WESTERN SARDINIA
Water depth:-50m
Mean Wave Power ‘11: 8kW/m
Design Wave Parameters within the presumed OWC operational range:
1<Hm0<4m
6<Te<9s
MEAN POWER YEAR 2011 (kW/m)
PARAMETRI DI PROGETTO
PROPOSTA DI VERY LARGE FLOATING
STRUCTURE CON DISPOSITIVI OWC
In order to: • share the manufacturing costs
• operate as ANTI-MOTION devices
• protect from the wave loads
• extract the wave energy
The OWCs are arranged all around the VLFS making the whole system WAVE DIRECTION-INDEPENDENT
PARAMETRI DI PROGETTO
Feasible in the existing Mediterranean dockyards
low cost suitable in the marine environment easy manufacturing and transporting
SIZING
CONCRETE MATERIAL
MULTI-MODULE TYPE CONSTRUCTION METHOD
easy construction possible future enlargement
PRINCIPALI PROBLEMI
HYDROELASTIC BEHAVIOR
INCIDENT WAVES
Efficient incident wave ABSORPTION
System STABILITY
+
Wave Energy EXTRACTION
The assessment of the ANTI-MOTION FUNCTION of the OWC is important because:
OPTIMIZED wave-to-pneumatic conversion
PRINCIPALI PROBLEMI
Hot wire anemometer
Outgoing air velocity
Pressure at the top of the chamber
Water column surface oscillation
VLFS surface oscillation
MEASURE INSTRUMENT
OWC Efficiency
ASSESSED PARAMETER
Pressure Transducers
Surface gauges
Video analysis
Chamber transfer function
Ultrasonic Distance Sensors
Hydroelastic response
PHYSICAL MODEL: PARAMETRIC STUDY
FIXED OWC DESIGN PARAMETERS:
• Air turbine placement • Freeboard: Fc• Capture width: W• Frontal wall slope: β• Back wall length: B
OWC DESIGN PARAMETERS TO BE OPTIMIZED:
• Length of the chamber: Ld• Lip draught: D• Turbine damping: Td
ATTIVITÀ SPERIMENTALE
ATTIVITÀ SPERIMENTALE
ATTIVITÀ SPERIMENTALE
ATTIVITÀ SPERIMENTALE
Lorenzo [email protected]
0554796231
Laboratorio di Ingegneria Marittimawww.labima.unifi.it
FINE
GRAZIE PER L’ATTENZIONE
