Design construtal de um dispositivo de galgamento onshore em escala real para diferentes áreas de construção e ondas monocromáticas

Abstract

Dispositivos de conversão de energia das ondas em energia elétrica (WEC – do inglês: Wave Energy Converter) vêm sendo estudados nas últimas décadas como uma alternativa para suprir a demanda energética mundial. O dispositivo de galgamento é um dos diversos conversores de energia das ondas do mar em energia elétrica e seu princípio de funcionamento consiste em uma rampa que guia a água das ondas incidentes para um reservatório localizado acima do nível médio do mar. A água acumulada no reservatório escoa através de uma turbina de baixa queda gerando energia elétrica. No presente trabalho é realizado um estudo numérico relacionado ao efeito da geometria da rampa (razão entre a altura e comprimento da rampa: H1/L1) e a submersão (S) da mesma sobre o desempenho de um dispositivo de galgamento onshore em escala real para duas ondas monocromáticas diferentes e três diferentes áreas construtivas (ϕ) do dispositivo, empregando o Design Construtal e a Busca Exaustiva. Mais especificamente, pretende-se avaliar a influência da razão entre altura e comprimento da rampa (H1/L1) que maximiza a potência disponível (Pd) obtida a partir da quantidade total de massa de água acumulada no reservatório para diferentes frações de área (ϕ), várias distâncias entre o fundo do dispositivo e o fundo do tanque (S) e diferentes ondas monocromáticas (T), com a finalidade de se determinar a geometria ótima do dispositivo. Neste trabalho, é avaliado apenas o princípio físico de funcionamento do dispositivo. Consequentemente, as geometrias ótimas obtidas aqui servem como uma recomendação teórica para futuros estudos e construções desse tipo de conversor de energia das ondas. Neste estudo, as equações de conservação de massa, quantidade de movimento e uma equação para o transporte da fração volumétrica são resolvidas com o método dos volumes finitos (MVF). O modelo multifásico Volume of Fluid (VOF) é empregado para abordar a mistura água e ar. O emprego do Design Construtal permitiu um aumento no desempenho fluidodinâmico do dispositivo para todos os casos simulados. Os resultados mostraram que as melhores geometrias são obtidas para as menores razões de H1/L1 para todas as profundidades. Estes indicaram ainda que o efeito da razão H1/L1 sobre Pd foi semelhante para dois diferentes períodos de onda T. Além disso, conforme esperado, a diminuição do período (T) conduziu a uma diminuição da potência disponível (Pd).Devices to convert wave energy into electrical (WEC) have been studied in last decades as an alternative to supply the world energy demand. Therefore, the overtopping device is one of several wave energy converters into electrical energy and their operational principle consists of a ramp which guides the incoming waves into a reservoir raised slightly above the sea level. The accumulated water in the reservoir flows through a low head turbine generating electricity. In the present work it is performed a numerical study concerned with the effect of ramp geometry (ratio between the height and length of ramp: H1/L1) and the submergence S over the performance of an onshore overtopping device in real scale for two different monochromatic waves and three different construction areas (ϕ) of the device, by means of Constructal Design and the Exhaustive Search. The main purpose here is to verify the ratio between the height and length of ramp (H1/L1) which maximizes the available power (Pd) for several area fraction (ϕ), several distances from the bottom of the tank to the bottom of device (S) and monochromatic waves (T), for the purpose to determinates the optimal geometry of the device. In this work, it is evaluated only the main operational principle of device. Consequently, the optimal geometries achieved here serve as a theoretical recommendation for future studies and constructions of this kind of wave energy converter. In the present simulations, the conservation equations of mass, momentum and one equation for the transport of volumetric fraction are solved with the finite volume method (FVM). To tackle with water-air mixture, the multiphase model Volume of Fluid (VOF) is used. Constructal Design allowed a strong improvement of device fluid dynamic performance for all simulated cases. Results showed that the best shapes were achieved for the lowest ratios of H1/L1 for all analyzed depths. They also indicated that the effect of the ratio H1/L1 over Pd was similar for two different wave periods T. Furthermore, as expected, a decrease of period (T) resulted in a decrease of available power (Pd).