Avaliação geométrica de um conversor de energia das ondas do mar em energia elétrica do tipo coluna de água oscilante empregando um modelo axissimétrico e dados realísticos de estado de mar

Abstract

O cenário internacional de escassez de recursos não renováveis somado à crescente demanda energética, são incentivos para a diversificação das matrizes energéticas mundiais com foco em fontes renováveis de energia. Nesse contexto, o Brasil dispõe de uma grande extensão de zonas propícias à exploração da energia das ondas do mar, sendo a costa sul do país uma das regiões mais energéticas do litoral. Existem diversas tecnologias propostas para a conversão da energia das ondas do mar em eletricidade, entre elas destaca-se o dispositivo Coluna de Água Oscilante (CAO), que é composto, basicamente, por uma câmara hidropneumática e um duto onde é instalada uma turbina acoplada a um gerador elétrico. Sua câmara é aberta abaixo da superfície livre da água, enquanto o duto é aberto para a atmosfera. O movimento oscilante da superfície livre da água, produzido pelas ondas incidentes, faz com que o ar escoe através do duto e acione a turbina. Uma das metodologias empregadas na modelagem computacional do princípio de funcionamento desse dispositivo é a Metodologia Ar, que simplifica a análise do problema considerando apenas o escoamento de ar no interior do conversor. Nesta pesquisa, considerando a Metodologia Ar, um modelo axissimétrico foi desenvolvido e validado para a simulação de um conversor CAO submetido a um estado de mar realístico, representativo da região da Praia do Cassino, em Rio Grande - RS. Foi utilizado o Método dos Volumes Finitos (MVF), através do software Fluent, para a solução das equações de conservação de massa e de quantidade de movimento para o escoamento de ar no interior do CAO. Além disso, foi avaliada a influência de parâmetros geométricos na potência disponível do conversor CAO, através do Design Construtal aliado à Busca Exaustiva. Para isso, dois graus de liberdade foram variados: a relação entre a altura e o diâmetro da câmara hidropneumática (H1/L1) e a relação entre a altura e o diâmetro da menor base de uma região, cuja superfície de revolução tem formato trapezoidal, localizada entre a câmara hidropneumática e o duto da turbina (H2/L2), além disso, relação entre a altura e o diâmetro do duto da turbina (H3/L3) foi mantido constante. Os resultados indicam que a maior potência do conversor é alcançada pelos menores valores de H1/L1 e maiores valores de H2/L2, tendo como melhor caso, obtido por H1/L1 = 0,1 e H2/L2 = 0,81, uma potência 839 vezes maior do que o pior caso, porém, os valores encontrados são impraticáveis em dispositivos reais, sendo necessário limitar a potência dos conversores à 500 kW para tornar essa avaliação mais próxima da realidade, assim, a maior potência obtida foi de 15,5 vezes maior do que a encontrada no pior caso, sendo esses valores condizentes com outros estudos desenvolvidos.

The international scenario of non-renewable resources shortage added to the growing energy demand, are incentives for the diversification of the world's energy matrixes with a focus on renewable energy sources. In this context, Brazil has a wide range of conducive areas to the sea wave energy exploitation, the country south coast being one of the most energetic regions of the coast. There are several technologies proposed for converting sea wave energy into electricity, among them the Oscillating Water Column (OWC) device, which is basically composed by a hydropneumatic chamber and a duct where a coupled turbine is installed to an electric generator. Its chamber is opened below the water free surface, while the duct is opened to the atmosphere. The water free surface oscillating movement, produced by the incident waves, causes the air to flow through the duct and activate the turbine. One of the methodologies used in the operating principle computational modeling of this device is the Air Methodology, which simplifies the problem analysis considering only the air flow inside the converter. In this research, considering the Air Methodology, an axisymmetric model was developed and validated for the OWC converter simulation subjected to a realistic sea state, representative of the Praia do Cassino region, in Rio Grande – RS. The Finite Volume Method (FVM) was used, through the Fluent software, to solve the mass conservation equation and momentum conservation equation for the air flow inside the OWC. In addition, the geometric parameters influence on the available power of the OWC converter was evaluated, through the Constructal Design combined with the Exhaustive Search. For this, two degrees of freedom were varied: the relationship between the hydropneumatic chamber height and width (H1/L1) and the relationship between the height and width of the smallest base of a region, with a trapezoidal shape, located between the chamber hydropneumatic and the turbine duct (H2/L2). The results indicate that the greatest power of the converter is achieved by the H1/L1 lowest values and the H2/L2 highest values, having the best case obtained by H1/L1 = 0.1 and H2/L2 = 0.81, a power 839 times greater than the worst case. These found results are impractical on real devices, so, to make this assessment closer to reality, it limited the power of the converters to 500 kW, thus, the highest power obtained was 15.5 times greater than that found in the worst case, being these values are consistent with other studies developed.