Modelagem computacional de um conversor de energia das ondas em energia elétrica do tipo coluna de água oscilante (CAO) considerando dados realísticos em estado de mar

Abstract

Num momento em que o consumo de energia elétrica vem sendo discutido mundialmente devido aos problemas provenientes de sua geração, há uma grande necessidade de desenvolver alternativas que conduzam a impactos ambientais menores. Além das energias renováveis que já estão em funcionamento, existe uma que tem se destacado devido a sua abundância de recurso natural, que é a conversão da energia das ondas do mar em energia elétrica. Atualmente existem diversas tecnologias que fazem esta conversão, porém nenhuma consolidada. Dentre elas o dispositivo do tipo Coluna de Água Oscilante (CAO) é, aparentemente, o mais promissor. O objetivo desta pesquisa é propor um modelo simplificado para simular numericamente o princípio de funcionamento de um CAO, a fim de que se possa utilizar dados de estado de mar realísticos, para isso este modelo é baseado na metodologia piston, a qual considera apenas o conversor e o escoamento do ar em um domínio computacional bidimensional com o uso de uma malha gerada através do software GAMBIT. Para simulação numérica foi utilizado o software ANSYS FLUENT 14.0. Ao longo da pesquisa foi realizado, teste de independência de malha, verificação do modelo com soluções numérica (nesta etapa foi verificada a utilização da ferramenta Table Data para inserção de dados, como condição de contorno para velocidade prescrita) e analítica, onde houve comparações dos resultados obtidos empregando o modelo em estudo, considerando as condições de sucção e exaustão na CAO com diferentes magnitudes de velocidade. Também foi realizada uma análise dos esquemas de solução disponíveis no software, para acoplamento pressão velocidade, discretização da pressão e solução dos termos advectivos, a fim de obter uma combinação que reduza as diferenças entre as soluções numérica e analítica e o tempo de processamento o tempo de processamento. Foi proposto também, um estudo de caso onde se utilizou dados discretos de tempo e velocidade como condição de contorno, calculadas a partir de um método que transforma o espectro de variância do estado de mar em uma série temporal de elevação da superfície livre correspondente, considerando o clima de ondas referente a região do Farol de Santa Marta/SC, a partir disto foi calculada a energia disponível do dispositivo, o qual apresentou capacidade de abastecimento de energia elétrica para aproximadamente 477 residências. A partir dos resultados, pode-se considerar que esta modelagem é promissora em aplicações realísticas e também deve-se destacar que a inserção de dados realísticos é um aspecto original deste estudo. O modelo numérico proposto foi capaz de simular numericamente o comportamento fluidodinâmico do escoamento de ar na CAO atendendo as equações da continuidade e da energia mecânica.

At a time when the consumption of electric energy has been discussed worldwide due to problems arising from its generation, there is a strong need to develop alternatives that lead to lower environmental impacts. In addition to the renewable energies that are already in operation, there is one that has stood out due to its abundance of natural resource, which is the conversion of energy from sea waves into electricity. Currently there are several technologies that make this conversion, but none consolidated. Among them, the Oscillating Water Column (CAO) device is, apparently, the most promising. The objective of this research is to propose a simplified model to numerically simulate the operating principle of a CAO, in order to use realistic sea state data, for this this model is based on piston methodology, which considers only the converter and the air flow in a computational domain, two-dimensional, using a mesh generated through GAMBIT software. ANSYS FLUENT 14.0 software was used for numerical simulation. Throughout the research was carried out, test of independence of grid, verification of the model with numerical solutions (in this step, the use of the Table Data tool for data insertion as a boundary condition for the prescribed velocity was verified) and analytical, where there were comparisons of the results obtained using the model under study, considering the conditions of suction and exhaustion in the CAO with different magnitudes of velocity. It was also performed an analysis of the solution schemes available in the software, for coupling pressure speed, discretization of the pressure and solution of the advective terms, in order to obtain a combination that reduces the differences between the numerical and analytical solutions and the processing time. It was also proposed a case study where discrete time and velocity data were used as a boundary condition, calculated from a method that transforms the sea state variance spectrum into a corresponding free surface elevation time series, considering the wave climate referring to the Santa Marta/SC lighthouse region, from this the available energy of the device was calculated, which presented capacity to supply electricity to approximately 477 households. From the results, it can be considered that this modeling is promising in realistic applications and it should also be emphasized that the insertion of realistic data is an original aspect of this study. The numerical model proposed was able to numerically simulate the fluid dynamics behavior of the air flow in the CAO attending the equations of continuity and mechanical energy.