Análise geométrica de um dispositivo conversor de energia das ondas do tipo coluna de água oscilante considerando um estado de mar encontrado em Tramandaí - RS

Abstract

Dada a crescente demanda energética global, se faz necessário o estudo acerca de fontes renováveis de energia, dentre elas, destaca-se a energia contida nas ondas do mar, cuja extração é realizada através de dispositivos conversores. A presente dissertação tem como objetivo otimizar a geometria da câmara hidropneumática de um dispositivo conversor da energia contida nas ondas do mar em energia elétrica do tipo Coluna de Água Oscilante (CAO), quando submetido às ondas regulares representativas e quando submetido às ondas irregulares realísticas do estado de mar que ocorreu em Tramandaí, município do estado do Rio Grande do Sul (RS). O CAO é de nido como uma estrutura, parcialmente submersa, aberta ao mar abaixo da superfície livre da água e conectado a um duto aberto para a atmosfera. O software de dinâmica dos uidos computacional, FLUENT, foi utilizado para a simulação numérica do CAO acoplado à um canal de ondas bidimensional. A metodologia WaveMIMO foi utilizada para a geração das ondas irregulares realísticas. O Design Construtal, associado à Busca Exaustiva, foi empregado na otimização geométrica da câmara hidropneumática do CAO. O grau de liberdade H1/L (razão entre a altura e o comprimento da câmara hidropneumática do CAO) foi variado com o objetivo de maximizar a potência hidropneumática disponível. Os resultados mostraram que a geometria que otimiza o CAO, ou seja, aquela que maximiza a potência hidropneumática disponível quando o dispositivo é submetido às ondas regulares representativas é (H1/L)o = 0,4297, onde se obteve 53,15 W. Enquanto, quando o dispositivo é submetido às ondas irregulares realísticas, a geometria ótima é (H1/L)o = 0,1985 e obteve-se uma potência de 25,44 W. Deste modo, observou-se que as ondas regulares representativas superestimam a potência obtida pelo CAO.

Given the growing global energy demand, it is necessary to study renewable energy sources, among which the energy contained in sea waves stands out, which is extracted through converter devices. The present dissertation aims to optimize the geometry of the hydropneumatic chamber of a device that converts the energy contained in sea waves into electrical energy of the Oscillating Water Column (OWC) type, when subjected to representative regular waves and when subjected to realistic irregular waves of the sea state that occurred in Tramandaí, a municipality in the state of Rio Grande do Sul (RS). The OWC is de ned as a structure, partially submerged, open to the sea below the free surface of the water and connected to a duct open to the atmosphere. The computational uid dynamics software, FLUENT, was used for numerical simulation of the OWC coupled to a two-dimensional wave channel. The WaveMIMO methodology was used to generate realistic irregular waves. Constructal Design, associated with Exhaustive Search, was used in the geometric optimization of the OWC hydropneumatic chamber. The degree of freedom H1/L (ratio between the height and length of the OWC hydropneumatic chamber) was varied aiming to maximize the available hydropneumatic power. The results showed that the geometry that optimizes the OWC, i.e., the one that maximizes the hydropneumatic power available when the device is subjected to representative regular waves, is (H1/L)o = 0.4297, where 53.15 W was obtained. While, when the device is subjected to realistic irregular waves, the optimal geometry is (H1/L)o = 0.1985 and a power of 25.44 W was obtained. Thus, it was observed that the representative regular waves overestimate the power obtained by the OWC.