Constructal design applied to an oscillating water column wave energy converter device subjected to a realistic sea state

Abstract

This work presents a numerical analysis of an Oscillating Water Column (OWC) converter device, an ocean Wave Energy Converter (WEC) into electrical energy, using realistic sea state data. The main goal of this work is to perform a geometric evaluation of this device in order to define an optimal geometry to maximize its available hydrody- namic power. To do so, the WaveMIMO methodology was employed, which converts sea data from spectral wave model Tomawac into time series of free surface elevation, which is, then, appropriately treated and transformed into orbital velocity compo- nents of water particles. Tomawac obtained realistic sea state data from the coastal region of the city of Rio Grande, in the state of Rio Grande do Sul, Brazil, for the year 2014, which was used for the study case. In the numerical simulations, it was also em- ployed a methodology which uses transient velocity data as a means to impose velocity boundary condition for the generation of numerical waves. This methodology was validated reproducing a laboratory experiment with regular waves, which consisted of laboratory-scale OWC device inserted in a wave channel. To perform the geometrical evaluation of the device, the Constructal Design method is employed. The objective function is to maximize the available hydropneumatic power. The hydropneumatic chamber volume (VHC) and the total volume of the OWC device (VT ) are adopted as geometric constraints of the problem and were kept constant. Three degrees of freedom (DOF) are chosen for this study: H1 /L (ratio between height and length of the hydropneumatic chamber), whose values are varied, H2/l (ratio between height and length of the turbine duct) and H3 (submergence depth of hydropneumatic chamber), whose values were kept constant. Finally, the best device performance happened with geometry of H1 /L value of 0.1985 and presented a hydropneumatic power Phyd of 29.63 W. That is 4.34 times higher than the power obtained with the worst geometry performance, which was 6.83 W, obtained with the degree of freedom H1 /L value of 2.2789; and 2.49 times higher than the power obtained by the device with the same dimensions as those from the one in Pico island, which was 11.89 W. The contribu- tion of this study is to perform a geometric evaluation, with the Constructal Design method, of an OWC device subjected to realistic irregular waves from the wave climate of the coastal region of the city of Rio Grande, in the state of Rio Grande do Sul, Brazil, which is unprecedented in the literature.

O presente trabalho apresenta uma análise numérica de um dispositivo conversor de energia de ondas do mar em energia elétrica do tipo Coluna de Água Oscilante (do inglês, OWC), empregando dados realísticos de estado do mar. O objetivo deste trabalho é realizar uma avaliação geométrica deste dispositivo, a fim de se definir uma geometria ótima para maximizar a potência hidrodinâmica disponível. Para tanto, foi empregada a metodologia WaveMIMO, que converte dados de mar do modelo de ondas espectral Tomawac em séries temporais de elevação da superfície livre, que são, por sua vez, devidamente tratadas e transformadas em componentes de velocidade orbital de partículas de água. Por meio do Tomawac foram obtidos dados realísticos de estado de mar da região costeira da cidade de Rio Grande, Rio Grande do Sul, para o ano de 2014, os quais foram usados para o estudo de caso. Assim, nas simulações numéricas, foi empregada uma metodologia que utiliza dados de velocidade transiente como condições de contorno de velocidade para a geração de ondas numéricas. Esta metodologia foi validada reproduzindo um experimento de laboratório com ondas regulares, que consistia em um dispositivo OWC em escala laboratorial inserido em um canal de ondas. Para realizar a avaliação geométrica do dispositivo, é empregado o método Design Construtal. A função objetivo é maximizar a potência hidropneumática disponível. O volume da câmara hidropneumática (VHC) e o volume total do dispositivo OWC (VT ) são adotados como restrições geométricas do problema e foram mantidos constantes. Três graus de liberdade (do inglês, DOF) são escolhidos para este estudo: H1 /L (relação entre altura e comprimento da câmara hidropneumática), cujos valores são variados, H2/l (relação entre altura e comprimento do duto da turbina ) e H3 (profundidade de submersão da câmara hidropneumática), cujos valores foram mantidos constantes. O melhor desempenho do dispositivo aconteceu com a geometria de valor H1 /L igual a 0,1985 e apresentou uma potência hidropneumática Phyd de 29,63 W. Isso é 4,34 vezes maior que a potência obtida com o pior desempenho geométrico, que foi de 6,83 W, obtido com o grau de liberdade H1 /L igual a 2,2789 e 2,49 vezes superior à potência obtida pelo dispositivo com as mesmas dimensões do dispositivo da ilha do Pico, que foi de 11,89 W. A contribuição deste estudo é realizar uma avaliação geométrica, com o método Design Construtal, de um dispositivo OWC submetido a ondas realísticas região costeira da cidade de Rio Grande, Rio Grande do Sul, o que é algo inédito na literatura.