Abstract:
Os oceanos representam um dos maiores recursos naturais, possuindo expressivo
potencial energético, podendo suprir parte da demanda energética mundial. Nas últimas
décadas, alguns dispositivos destinados à conversão da energia das ondas dos oceanos
em energia elétrica têm sido estudados. No presente trabalho, o princípio de
funcionamento do conversor do tipo Coluna de Água Oscilante, do inglês Oscillating
Water Colum, (OWC) foi analisado numericamente. As ondas incidentes na câmara
hidro-pneumática da OWC, causam um movimento alternado da coluna de água no
interior da câmara, o qual produz um fluxo alternado de ar que passa pela chaminé. O ar
passa e aciona uma turbina a qual transmite energia para um gerador elétrico. O objetivo
do presente estudo foi investigar a influência de diferentes formas geométricas da
câmara sobre o fluxo resultante de ar que passa pela turbina, que influencia no
desempenho do dispositivo. Para isso, geometrias diferentes para o conversor foram
analisadas empregando modelos computacionais 2D e 3D. Um modelo computacional
desenvolvido nos softwares GAMBIT e FLUENT foi utilizado, em que o conversor
OWC foi acoplado a um tanque de ondas. O método Volume of Fluid (VOF) e a teoria
de 2ª ordem Stokes foram utilizados para gerar ondas regulares, permitindo uma
interação mais realista entre o conversor, água, ar e OWC. O Método dos Volumes
Finitos (MVF) foi utilizado para a discretização das equações governantes. Neste
trabalho o Contructal Design (baseado na Teoria Constructal) foi aplicado pela primeira
vez em estudos numéricos tridimensionais de OWC para fim de encontrar uma
geometria que mais favorece o desempenho do dispositivo. A função objetivo foi a
maximização da vazão mássica de ar que passa através da chaminé do dispositivo
OWC, analisado através do método mínimos quadrados, do inglês Root Mean Square
(RMS). Os resultados indicaram que a forma geométrica da câmara influencia na
transformação da energia das ondas em energia elétrica. As geometrias das câmaras
analisadas que apresentaram maior área da face de incidência das ondas (sendo altura
constante), apresentaram também maior desempenho do conversor OWC. A melhor
geometria, entre os casos desse estudo, ofereceu um ganho no desempenho do
dispositivo em torno de 30% maior.
The oceans represent one of the major energy natural resources, which can be used to
supply the World energy demand. In the last decades some devices to convert the wave
ocean energy into electrical energy have been studied. In this work the operating
principle of an Oscillating Water Column (OWC) converter was analyzed with a
numerical methodology. The incident waves on the OWC hydro-pneumatic chamber
cause an oscillation of the water column inside the chamber producing an alternative air
flow through the chimney. The air passes and drives a turbine that is coupled and which
sends power to an electric generator. The aim of this work was to investigate the
influence of different geometric shapes of the camera on the resulting flow of air
passing through the turbine, or in others words, its performance. For this, different
geometries were analyzed for the converter employing computer modeling 2D and 3D.
A computational model developed in the GAMBIT (to generate and discretize the
computational domain) and FLUENT software was used, where the OWC converter
was coupled to a wave tank. The VOF method together with the 2nd order Stokes
theory were employed to generates regular waves, allowing a more realistic interaction
among water, air and OWC converter. The Finite Volume Method (FVM) was used for
the discretization of the governing equations. In this work the Contructal Design (based
on Constructal Theory) was first applied in numerical studies of three-dimensional
OWC order to find a geometry that further enhances the performance of the device. The
objective function is to maximize the mass flow rate of air flowing through the chimney
device OWC, analyzed by the method Root Mean Square (RMS). The geometries of
cameras that analyzed showed a larger area of the face of incidence of waves (with
constant height), also showed higher performance OWC drive. The best geometry,
among the cases in this study offered a gain in performance of the device around 30%.
