Conversor de energia das ondas em energia elétrica com dispositivo de coluna de água oscilante: simulação numérica e estudo geométrico

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%.