Indagine computazionale sulle prestazioni idrodinamiche di un convertitore di energia delle onde a piastra verticale sommersa con aperture relative variabili

Perché le onde possono alimentare il nostro futuro

Le onde oceaniche trasportano una grande quantità di energia pulita, ma la maggior parte dei dispositivi che cercano di catturarla è complessa e costosa. Questo studio esamina un’idea sorprendentemente semplice: una sottile piastra verticale nascosta sotto la superficie del mare che rimodella il flusso d’acqua in modo da poter azionare una turbina con maggiore efficienza. Indagando come le onde interagiscono con questa piastra e con un fondale sagomato al di sotto di essa, i ricercatori esplorano un nuovo modo per estrarre più potenza da ogni onda che passa.

Una piastra nascosta sotto le onde

Il dispositivo al centro di questo lavoro è una piastra sottile verticale sommersa e fissa, posizionata poco sotto la superficie dell’acqua. Le onde in arrivo vengono in parte riflesse e in parte costrette ad accelerare mentre si infilano attraverso un’apertura tra la piastra e il fondale. A valle, questo flusso più veloce può azionare una turbina assiale, simile nello spirito a un piccolo mulino sottomarino. La domanda chiave di progetto è quanto debba essere ampia quell’apertura e come la forma del fondale sotto la piastra influenzi la quantità di energia utile che finisce nell’acqua in rapido movimento.

Costruire una vasca d’onda digitale

Invece di sperimentare in mare, il team ha costruito un modello informatico dettagliato di una vasca d’onda usando il software ANSYS Fluent. Hanno simulato due strati di fluido, aria sopra e acqua sotto, generando onde realistiche a un’estremità della vasca e assorbendole all’altra per evitare riflessioni indesiderate. All’interno di questa vasca numerica hanno posizionato la piastra sommersa, talvolta su un fondo piatto e talvolta su un fondale trapezoidale rialzato che creava un passaggio ristretto sotto la piastra. Monitorando sia la superficie dell’acqua sia la velocità del flusso intorno alla piastra, sono stati in grado di stimare quanta dell’energia ondosa incidente potesse essere convertita in potenza di flusso utile per la turbina.

Testare aperture e fondali diversi

I ricercatori hanno variato due ingredienti principali: l’altezza della fessura sotto la piastra, chiamata apertura relativa, e l’intensità delle onde, espressa tramite altezza e periodo. Hanno inoltre confrontato fondali piani e irregolari cambiando l’altezza della struttura trapezoidale sotto la piastra. Le loro simulazioni hanno mostrato che, quando le onde interagiscono con il fondale sagomato, l’acqua viene canalizzata e accelerata sotto la piastra, formando getti potenti e pattern vorticosi che trasportano maggiore energia cinetica. Questo effetto era molto più debole su un fondale piatto, dove il flusso restava più uniforme e meno energetico.

Individuare il punto ottimale per flusso ed efficienza

Esaminando la velocità del flusso sotto la piastra per molte combinazioni di altezza e periodo d’onda, il team ha identificato le condizioni in cui la velocità dell’acqua e quindi la potenza potenziale erano massime. Hanno rilevato che sia la ripidità delle onde sia la dimensione dell’apertura contano. Per onde relativamente ripide, la velocità del flusso assiale raggiungeva un picco a un periodo d’onda specifico di circa 1,87 secondi. Crucialmente, un’apertura relativa del 50 percento ha prodotto la migliore efficienza idrodinamica, ossia la quota maggiore di energia ondosa convertita in flusso rapido pronto per la turbina. Con questa apertura e un fondale trapezoidale, il dispositivo ha superato nettamente il caso a fondo piatto e le altre dimensioni della fessura.

Cosa significa per l’energia delle onde

In termini semplici, questo studio dimostra che una modesta modifica della geometria subacquea può aumentare significativamente l’efficacia di un dispositivo per l’energia ondosa. Una sottile piastra sommersa abbinata a un’apertura attentamente dimensionata e a un fondale sagomato può concentrare l’energia delle onde in un getto d’acqua potente per una turbina assiale. I risultati suggeriscono che un’altezza dell’apertura del 50 percento, combinata con certe condizioni d’onda, offre il miglior equilibrio tra permettere il passaggio dell’acqua e strozzarla quanto basta per accelerarla. Sebbene gli oceani reali siano più irregolari rispetto a una vasca d’onda digitale, le conclusioni offrono ai progettisti un punto di partenza chiaro per costruire convertitori di energia ondosa compatti, efficienti e potenzialmente meno costosi che si adattino meglio alla forma naturale del fondale marino.

Citazione: Yadav, S.S., Roy, S. & Rathore, P.K.S. Computational investigation on the hydrodynamic performance of a vertically submerged plate-type wave energy converter under variable relative openings. Sci Rep 16, 14854 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38433-7

Parole chiave: energia delle onde, energia rinnovabile oceanica, convertitore a piastra sommersa, topografia del fondale, dinamica dei fluidi computazionale