Dispositivi Cilindrici Multicamera per la produzione di energia da moto ondoso a colonna d'acqua oscillante: modellazione semi-analitica ed analisi delle prestazioni

Wave energy is widely recognized for its global availability and intensity to have the potential to meet the world’s energy demand. Several devices have been designed to harvest this energy source: while some have been developed at full scale, few have been adopted in industry. The lack of convergence toward a single standardized device has not promoted its widespread deployment. However, a general consensus has been achieved on Oscillating Water Columns, that have been implemented in a variety of scenarios. This work considers the energy production of a circular device equipped with Oscillating Water Column (OWC) technology for harnessing wave energy. A semi-analytical solution of a related linear potential flow problem represented through the expansion of eigenfunctions and solved using the matching technique has been developed. This approach allowed examining the relevance of the device geometric parameters and their influence on the overall system performance. The parametric studies on the angular width of the internal chamber promoted the further analysis of vertical cylinders incorporating multiple OWC chambers having a reduced angular width. The critical characteristic of the proposed OWC concept is that the OWC chambers are arranged on the same circular ring, in contrast to the multi-chamber OWCs modelled as concentric rings commonly found in literature. A case study at the location of Mazara del Vallo (Italy) summarizes the considerations presented in previous chapters, showing a preliminary study on the energy that can be produced. Overall, the semi-analytical solution tends to overestimate the results, as it neglects the effects of non-linearity or viscosity. However, it provides a rapid and comprehensive preliminary analysis of the case under study, offering a consistent basis for more detailed investigations.

L’energia da moto ondoso è ampiamente riconosciuta per la disponibilità a livello globale e la particolare densità energetica, potenzialmente capace di soddisfare la domanda energetica mondiale. Nel corso degli anni sono stati proposti, studiati e testati diversi dispositivi per sfruttare questa fonte di energia. Sono stati realizzati alcuni prototipi a scala reale, in pochi hanno intrapreso una fabbricazione industriale. Tra le tecnologie sviluppate, quella a colonna d’acqua oscillante (OWC) risulta essere la più affidabile in termini di resistenza meccanica e produttività energetica. L’attuale assenza di convergenza su un dispositivo specifico per la produzione di energia da moto ondoso ne limita la distribuzione e l’impiego a livello mondiale. Il presente elaborato analizza la produzione di energia da un cilindro verticale dotato di tecnologia OWC per la produzione di energia dal moto ondoso. Con l’obiettivo di analizzare ed ottimizzare le prestazioni energetiche di un OWC a base circolare, è stata sviluppata una soluzione semi-analitica, basata sulla teoria del moto a potenziale. I potenziali di velocità sono stati definiti come serie di autofunzioni. Le incognite sono state ricavate mediante la tecnica del matching. Questa soluzione ha permesso di investigare gli effetti dei singoli elementi geometrici sulle performance del dispositivo. In particolare, i risultati circa l’angolo della camera interna hanno incentivato ulteriori analisi, promuovendo l’utilizzo di camere dalla ridotta ampiezza angolare. Tali risultati hanno promosso successive analisi riguardo dispositivi cilindrici equipaggiati con più camere nello stesso settore circolare: tale configurazione si attesta come assoluta novità in letteratura, dove il concetto di multi-camera è associato esclusivamente ad una serie di anelli concentrici. Inoltre, un caso studio nella località di Mazara del Vallo (Italia) sintetizza le considerazioni dei capitoli precedenti, mostrando uno studio preliminare sulla produzione energetica di un dispositivo accuratamente ottimizzato. In conclusione, bisogna tenere presente le sovrastime a cui si incorre adottando una soluzione semi-analitica, dato che vengono trascurati gli effetti della viscosità e dei termini non lineari. Tuttavia, tale metodo fornisce una rapida ed affidabile analisi preliminare del caso in esame, offrendo un’ottima base di partenza per studi più dettagliati.