G3-Giornate Giovani GNRAC Quartiere Fieristico di Ferrara, 21 Settembre 2012

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1 3 SALONE SULLA TUTELA DELLA COSTA COAST PROTECTION EXHIBITION 2 ND EDITION Quartiere Fieristico di VALUTAZIONE ENERGETICA DEL CONVERTITORE DI ENERGIA DA ONDA "WAVEPISTON" Università di Bologna Elisa Angelelli

2 SOMMARIO Introduzione e Motivazioni Presentazione del dispositivo (WEC) Metodologia di analisi Risultati Sperimentali Ottimizzazione delle performance Commenti e conclusioni

3 Perché studiare i WECs? L 85% dei consumi annui proviene dall energia fossile (carbone, gas naturali, petrolio), tuttavia tale fonte energetica ha diverse problematiche, quali: 1. Esauribilità

4 Perché studiare i WECs? L 85% dei consumi annui proviene dall energia fossile (carbone, gas naturali, petrolio), tuttavia tale fonte energetica ha diverse problematiche, quali: 1. Esauribilità 2. Differente posizionamento riserve/luoghi di consumo

5 Perché studiare i WECs? L 85% dei consumi annui proviene dall energia fossile (carbone, gas naturali, petrolio), tuttavia tale fonte energetica ha diverse problematiche, quali: 1. Esauribilità 2. Differente posizionamento riserve/luoghi di consumo 3. Effetto Serra: Emissione di Biossido di Carbonio

6 Tali problematiche, unite a scenari climatici a medio-lungo termine, provocheranno un continuo aumento dei fenomeni di mareggiate e inondazioni. Elba 2004 Perché studiare i WECs? Filippine 2012 Sicilia 2012

7 Wave Energy Converters (WECs) Diversi modelli concettuali Distanza da riva Inshore Nearshore Offshore Interazione con l onda Attenuatori Terminatori Assorbitori puntuali Principio di funzionamento Submerged pressure OWC: Oscillating Water Column OTD: Overtopping Device WAB: Wave Activated Bodies

8 Wave Energy Converters (WECs) Diversi modelli concettuali Distanza da riva Inshore Nearshore Offshore Interazione con l onda Attenuatori Terminatori Assorbitori puntuali Principio di funzionamento Submerged pressure OWC: Oscillating Water Column OTD: Overtopping Device WAB: Wave Activated Bodies

9 Wave Energy Converters (WECs) Diversi modelli concettuali Distanza da riva Inshore Nearshore Offshore Interazione con l onda Attenuatori Terminatori Assorbitori puntuali Principio di funzionamento Submerged pressure OWC: Oscillating Water Column OTD: Overtopping Device WAB: Wave Activated Bodies

10 OBIETTIVI Effettuare una analisi preliminare di un nuovo dispositivo di conversione di energia da onda: il WavePiston; Capire se è capace di produrre energia e con quale efficienza di conversione; Esaminare i parametri progettuali da ottimizzare al fine di aumentare le prestazioni energetiche; Capire se esistono zone di installazione "privilegiate" per tale dispositivo.

11 Il WavePiston è un WEC galleggiante near-shore costituito da una serie di piatti verticali connessi tra loro attraverso una struttura rigida. Tale struttura, posizionata perpendicolarmente alla riva, è lunga almeno 2-3 L w, ed è consigliabile la sua ripetizione in moduli.

12 WAVEPISTON Collettore di energia Tubazione K. Glejbøl

13 MODELLO vs. PROTOTIPO Problematiche Progettuali 1. Limiti geometrici della vasca (L vasca <3*L onda ) 2. Modalità di ancoraggio 3. Scorrimento piatti 4. Sistema di estrazione energia (PTO) unico Risoluzioni di laboratorio 1. Modello fisico equivalente con al massimo solo 4 collettori 2. Realizzazione di una struttura fissa di sostegno 3. Rappresentazione della traslazione mediante una rotazione con distanza dal pivot elevata 4. Ogni collettore ha un suo PTO

14 MODELLO vs. PROTOTIPO Struttura fissa di sostegno PTO Collettore 0.50x0.10m

15 Metodologia Laboratorio di Aalborg (DK) Computer per registrazione dati Generatore d onde Prototipo del WavePiston

16 Clima ondoso Mare del Nord (Calma 12.3%)

17 Configurazione di riferimento Carico sul PTO di 1.5kg Due collettori (0.5m larghi e 0.1m alti) Distanza relativa tra i collettori di 2.40m

18 Performance per una installazione nel Mare del Nord (valori in scala reale) η WS [-] Efficiency WavePower*Probability P w *P o [kw/m] WS

19 Produzione energetica Stati D Onda H s T p P w P o η ws P R,WS [m] [sec] [kw/m] [%] [-] [kw/m] Valori medi annui Potenza media annua: 0.55 kw/m Energia producibile media annua: 72.3 MWh/collettore/anno Ogni collettore del WavePiston può alimentare 24 famiglie. Consumo familiare medio annuo: 8kWh/giorno

20 FASE 2: ANALISI DEI PARAMETRI DI PROGETTO OTTIMIZZAZIONE DELLE PERFORMANCE

21 Panoramica parametri variati

22 Carico ottimale o Rigidezza del PTO Sensore di spostamento Cella di carico Carro traslante PTO Pesi (da 0 a 5 kg): rappresentano l effetto di attrito sul collettore.

23 Onde Regolari Scala 1:20 η WS [%] Load 0kg Load 2kg Load 2,5kg Load 3kg Load 5kg η WS [%] Scala 1:30 (carico 2.5kg) Scale 1:20 Scale 1: WS WS

24 Onde Irregolari η [%] 14.0 Scala 1: load 1,5kg load 2,5kg WS

25 Parametri Ondametrici 1) Variazione del periodo d onda Tp η[%] 16.0 costant wave height of 0.06m Tp[s]

26 Parametri Onda-metrici 1) Variazione del periodo d onda Tp 2) Variazione dell altezza d onda Hs La variazione di H s (da 0.03m a 0.11m) provoca una diminuzione di η dal 6% al 2.5%. Come nel caso precedente del T p, il trend di η è non lineare e diminuisce all aumentare di H s. η[%] 6.00 costant wave period of 1.0s H s [m]

27 Parametri Onda-metrici 1) Variazione del periodo d onda Tp 2) Variazione dell altezza d onda Hs La variazione di H s (da 0.03m a 0.11m) provoca una diminuzione di η dal 6% al 2.5%. Come nel caso precedente del T p, il trend di η è non lineare e diminuisce all aumentare di H s. 3) Variazione della direzione β dell onda incidente η Referenced [-] angle 10 angle 20 angle 30 η η η WS

28 Parametri Geometrici 1) Numero e distanza dei collettori η WS [%] wave State 2 Lw=2.40m wave State 3 Lw=3.20m distanza [m] collectors Configuration Basic Configuration

29 Parametri Geometrici 2) Dimensione del collettore 2.1) Stessa altezza a di 0.10m 2.2) Stessa larghezza b di 0.38m η Reference width 0,5m width 0,38m η Referenced depth 0,1m depth 0,07m depth 0,13m WS WS 3

30 Riassumendo FASE 2: Considerando η di un singolo collettore: Parametri onda-metrici: η per T p H s β Parametri geometrici: η poco risente della distanza tra i collettori, per massimizzare produzione energetica della linea di collettori, meglio minima distanza tra essi; η per a b L analisi dell ottimizzazione delle performance suggerisce installazioni in mari poco energetici.

31 Installazione nel Mar Mediterraneo Fasi: 1. Decidere la futura locazione 2. Trovare i dati onda-metrici 3. Ricostruzione del clima tipico attraverso un numero limitato di dati disponibili Wave State Clima meteo-marino di Mazzara del Vallo Periodo di calma 2.7% (valori in scala reale) H s [m] T p [s] L w [m] P w [kw/m] P o [%]

32 4. Confrontare i trends degli stati d onda Danese ed Italiani T p [s] Irregular Italian Sea state Irregular Danish Sea state y = 1,2735x + 5,0184 y = 1,4x + 4, Hs [m]

33 Performance per una installazione a largo delle coste di Mazara del Vallo, Sicilia (valori in scala reale) η WS [-] Efficiency WavePower*Probability P w *P o [kw/m] WS

34 Produzione energetica Stati D Onda H s T p P w P o η ws P R,WS [m] [sec] [kw/m] [%] [-] [kw/m] Valori medi annui Potenza media annua: 0.30 kw/m Energia producibile media annua: 39.4 MWh/collettore/anno Ogni collettore del WavePiston può alimentare 13 famiglie. Consumo familiare medio annuo: 8kWh/giorno

35 SVILUPPI FUTURI Si ritiene opportuno lo sviluppo di un modello numerico al fine di prevedere la produzione energetica del WavePiston in una generica località, a prescindere dai risultati sperimentali. Ogni collettore è modellato come un sistema massa-molla (come in figura) con un solo grado di libertà. Tale modellazione è ancora alla sua fase iniziale, cioè la sua calibrazione basata sui dati delle prove con onde regolari.

36 CONCLUSIONI Il dispositivo presentato è in grado di produrre energia: Caso Mare del Nord η WS [-] Efficiency WavePower*Probability P w *P o [kw/m] WS

37 CONCLUSIONI Il dispositivo presentato è in grado di produrre energia: Caso Mare del Nord Caso Mazzara del Vallo η WS [-] Efficiency WavePower*Probability P w *P o [kw/m] WS

38 CONCLUSIONI Il dispositivo presentato è in grado di produrre energia: Caso Mare del Nord Caso Mazzara del Vallo Ha un efficienza elevata per stati ondosi meno energetici; Rimane da approfondire l aspetto di combinazione di produzione energetica e riduzione dell onda a tergo verso la costa.

39 GRAZIE PER LA GENTILE ATTENZIONE J.P. Kofoed Elisa Angelelli K. Glejbøl