G3-Giornate Giovani GNRAC Quartiere Fieristico di Ferrara, 20 Settembre 2013
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- Francesco Martinelli
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1 Quartiere Fieristico di DIMENSIONAMENTO DI UNA VERY LARGE FLOATING STRUCTURE" EQUIPAGGIATA CON SISTEMI WAVE ENERGY CONVERTER DEL TIPO OSCILLATING WATER COLUMN Prime considerazioni e progetto di modellistica fisica Dott.ssa Ilaria Crema ilaria.crema@dicea.unifi.it
2 MOTIVAZIONI G3-Giornate Giovani GNRAC Caratterizzazione della disponibilità energetica nel Mar Mediterraneo (PhD V. Vannucchi) Caratterizzazione delle zone più energetiche offshore e nearshore Prototipazione & Fattibilità/Ottimizzazione (I. Crema) Dimensionamento ed ottimizzazione preliminare dell efficienza idraulica e della risposta idroelastica di un sistema VLFS-OWC Modello Numerico (I. Simonetti) Ottimizzazione dell efficienza idraulica e meccanica del dispositivo OWC
3 OBIETTIVI G3-Giornate Giovani GNRAC 1 2 SVILUPPO di un Sistema VLFS-WEC realizzabile e sicuro OTTIMIZZAZIONE dell efficienza idraulica del WEC e della stabilità del sistema VLFS-WEC Revisione della LETTERATURA MODELLO FISICO in scala ridotta 3 STIMA PRELIMINARE dell energia prodotta dal sistema VLFS- WEC in uno specifico sito di installazione nel Mar Mediterraneo Analisi della SERIE TEMPORALE dei dati acquisiti sperimentalmente
4 INTRODUZIONE: COS È UNA VLFS? Limitata disponibilità di terreno SOLUZIONE Very Large Floating Structure Suzuki & Yoshida (1996) definiscono una struttura galleggiante Very Large quando questa soddisfa le seguenti condizioni: della lunghezza d onda caratteristica: λ wave L VLFS è maggiore: del parametro caratteristico: CONCENTRATED LOAD λ c VLFS BUOYANCY EI: resistenza alla flessione [N m 2 ]
5 INTRODUZIONE: QUALE VLFS? Secondo Watanabe et al., 2004 le VLFSs su classificano in: Semi-sommerse VANTAGGI facile e veloce da costruire ecologico facile da spostare, rimuovere, trasportare ed espandere economico A pontone SVANTAGGI poco sicuro in caso di tsunami La tecnologia scelta è: poco sicuro in caso di attacchi terroristici comportamento idroelastico sotto l'azione delle onde
6 INTRODUZIONE: COS È UN WEC Falcão (Falcão, 2010) ha classificato i WECs CONVERTITORI DI ENERGIA CHE SFRUTTANO IL MOTO ONDOSO secondo il principio di funzionamento WAB Wave Activate Body OWC Oscillating Water Column OTD Overtopping Device Fonte:
7 INTRODUZIONE: QUALE WEC? Poiché WAB OTD movimento dell intero sistema o delle sue unità strutturali installazione di un ampio bacino di raccolta sulla piattaforma Sicurezza e Stabilità degli operatori e delle infrastrutture NON ASSICURATE! Area disponibile per l installazione di eventuali altri dispositivi NON SUFFICIENTE! La tecnologia scelta è: OWC (COLONNA D ACQUA OSCILLANTE) è in grado di garantire SIMULTANEAMENTE: l'approvvigionamento energetico l attenuazione della risposta idroelastica
8 INTRODUZIONE: SITO DI INSTALLAZIONE L onda di progetto è stata scelta in base ai dati raccolti nel precedente lavoro di dottorato sulla caratterizzazione della disponibilità energetica del Mediterraneo (2013, Vannucchi) MEAN POWER YEAR 2011 (kw/m) ONDA DI PROGETTO 1<H m0 <4.5m 4.5<T e <9s Toscana Centrale: UTM32 Latitude: Longitude: Water depth:-50m Mean wave power 2011:2.9kW/m Sardegna Nord-Occidentale: UTM32 Latitude: Longitude: Water depth:-50m Mean wave power 2011: 8kW/m
9 IL PROTOTIPO: LA PIATTAFORMA VLFS In accordo con Suzuki (1986, Suzuki), è stato scelto di costruire il prototipo di VLFS in calcestruzzo, in quanto è un materiale: a basso costo idoneo in ambiente marino di facile fabbricazione e trasportabilità Inoltre sono note molte applicazioni di strutture in calcestruzzo galleggianti, ad esempio: Mega-Float (Tokyo Bay) Osaka Kansai Airport (Osaka) Ujina Floating Pier (Hiroshima, Japan) Mega-Float (Marina Bay, Singapore)
10 IL PROTOTIPO: COSTRUZIONE DELLA VLFS CASSONE GALLEGGIANTE 25X25X15m ASSEMBLAGGIO DELLE UNITA PIATTAFORMA Piattaforma rettangolare in cls: 150x50x15m Area utile: 7500m 2 Peso: 25x10 3 t
11 IL PROTOTIPO: COSTRUZIONE DELL OWC Con lo scopo di: ripartire i costi di costruzione ridurre la risposta idroelastica della VLFS proteggere la VLFS dal moto ondoso estrarre energia dal moto ondoso La VLFS è equipaggiata con convertitori OWCs : Air turbine 10m 2.5m 10m 10m Struttura a cassone in cls: 10x10x15m Spessore della parete frontale: 0.8m 8.8m -7.5m 15m 15m -7.5m Ampiezza della camera: 8.8m 0.8m Pescaggio:-7.5m
12 IL PROTOTIPO: IL SISTEMA VLFS-OWC 44 OWCs sono disposti intorno alla piattaforma rendendo tutto il sistema indipendente dalla direzione dell'onda 15m 170m La VLFS-OWC è mantenuta ad una profondità di 50m da un ancoraggio lasco che segue il gradiente di marea locale -50m Sistema di forma rettangolare: 170 x70x15m Secondo quanto affermato da Suzuki & Yoshida 1996, questo valore soddisfa la condizione di VLFS poiché: λ wave <130m N OWC: 44 Profondità: -50m Freeboard: +7.5m
13 METODOLOGIA: IL MODELLO FISICO 1 STEP Ottimizzazione del efficienza idraulica dell OWC Alla scala dell OWC 2 STEP Valutazione dell'efficienza del sistema VLFS-OWC e Risposta Idrodinamica Alla scala del sistema VLFS-OWC VLFS-OWC 3 STEP Stima preliminare della produzione di energia del sistema VLFS-OWC VLFS-OWC
14 METODOLOGIA: LE CONDIZIONI DI PROVA 1 st STEP SCALA DELL OWC C0 Fisso VLFS-OWC Efficienza idraulica dell OWC fisso 2 nd STEP SCALA DEL SISTEMA VLFS-OWC C1 Ancorato VLFS-OWC Risposta idrodinamica e movimento della sola piattaforma C2 Ancorato VLFS-OWC Efficienza idraulica e risposta idrodinamica dell intero sistema
15 1 STEP: OTTIMIZZAZIONE DELL OWC PARAMETRI DI PROGETTO FISSI: Ld Td Fc Posizione della Turbina ad aria Freeboard: Fc Ampiezza della camera: W Inclinazione del muro frontale: β Spessore del muro frontale: b b W D PARAMETRI DI PROGETTO DA OTTIMIZZARE: Lunghezza della camera: Ld Pescaggio: D Effetto della turbina: Td
16 La LUNGHEZZA DELLA CAMERA (Ld) influenza: 1. La frequenza di risonanza dell OWC (1978, Evans) G3-Giornate Giovani GNRAC 1 STEP: OTTIMIZZAZIONE DELL OWC 2. Il volume d aria e il fenomeno dell air spring che comporta possibili picchi di risonanza (2010, Lovas) 3. Il periodo di sloshing all interno della camera (2005, Carbon Trust), (2012, Sheng). In accordo con Sheng Ld<¼ λ wave, quindi per il sito selezionato Ld<14m Ld =8.8m Ld =13.8m Ld =3.8m G1 G2 G3 8.8m 13.8m 3.8m
17 1 STEP: OTTIMIZZAZIONE DELL OWC IL PESCAGGIO (D) influenza: 1. La frequenza di risonanza dell OWC (1978, Evans) 2. Il fenomeno dell inlet broaching che implica sbalzi di pressione e conseguenti perdite (2005, Carbon Trust) 3. Il periodo di sloshing all interno della camera (2012, Sheng) D=-7.5m D=-20m D=-35m G4 G5 G6
18 1 STEP: OTTIMIZZAZIONE DELL OWC L EFFETTO DELLA TURBINA (Td ): La presenza della turbina ad aria influenza l efficienza di conversione dell energia catturata dal dispositivo. Questo effetto di smorzamento può essere simulato riproducendo orifizi di differente diametro (2010, Toyota; 2007, Morris-Thomas; 2012, Sheng) Td=0.5% Td=1% Td=2% G7 G9 G10
19 2 STEP: OTTIMIZZAZIONE DEL VLFS-OWC Inoltre saranno condotti dei test anche per un sistema VLFS-OWC di maggiore lunghezza e numero di dispositivi per valutarne le differenti prestazioni 150x50x15m 300x50x15m 170x70x15m (44 OWCs) 320x70x15m (74 OWCs)
20 MODELLO FISICO: SCELTA DEL FATTORE DI SCALA L attività sperimentale sarà condotta nel CANALE MARITTIMO del Dipartimento di Ingegneria Civile ed Ambientale dell Università di Firenze applicando il CRITERIO DI SIMILITUDINE DI FROUDE Il fattore di scala è stato scelto considerando i seguenti vincoli di laboratorio: Il livello massimo di acqua di fronte al generatore di moto ondoso è di 50 60cm; La massima altezza significativa generata è caratterizzata da: Hs = 15cm, Tp = 1-2s 1 100
21 MODELLO FISICO: REALIZZAZIONE Il modello fisico del sistema VLFS-OWC sarà riprodotto in plexiglas, regolandone accuratamente il peso per una corretta rappresentazione del momento di inerzia Rectangular Plexiglas platform: 170x70x15cm Per una simulazione rappresentativa del comportamento idroelastico dalla piattaforma sarà opportunamente scalata la rigidità associata alle connessioni tra le singole unità strutturali della VLFS.
22 MODELLO FISICO: SET UP EFFETTO DELLA TURBINA simulato con orifizi di differenti diametro saranno installati 4 CUSCINETTI A SFERA con la funzione di: ridurre l attrito con le pareti del canale prevenire la collisione tra il modello e le pareti del canale limitare il movimento del sistema a due gradi di libertà
23 MODELLO FISICO: ACQUISIZIONE DEI DATI SONDE RESISTIVE Misurano i livelli di acqua CELLE DI CARICO Misurano le tensioni sviluppate sugli ancoraggi TRASDUTTORI DI POSIZIONE Misurano il movimento del sistema VLFS-OWC VISTA LATERALE WG 8 WG 7 WG 6 LC-3 LC-4 LC-1 LC-2 WG 5 WG 4 WG 3 WG WG 2 WAVE 1 MAKER Absorbing beach TRASDUTTORI DI PRESSIONE SONDA RESISTIVA VISTA FRONTALE ANEMOMETRO A FILO CALDO Misurano le pressioni interne alla camera Misura la velocità del flusso d aria attraverso l orifizio
24 Quartiere Fieristico di GRAZIE PER L ATTENZIONE Dott.ssa Ilaria Crema ilaria.crema@dicea.unifi.it
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