Oscillating wave surge converters : modelagem da hidrodinâmica e do potencial energético em parques de geração por simulação numérica de grandes escalas

Abstract

No contexto atual do cenário global, o Oscillating Wave Surge Converter (OWSC) representa um dos sistemas mais promissores para a geração de energia elétrica por meio das ondas dos mares e oceanos. Esta tecnologia, baseada na captação do movimento horizontal das ondas, encontra-se em escala pré-comercial de desenvolvimento e pode, inclusive, ser associada com outras fontes de energia renováveis, como as energias eólica e solar. Atualmente, a modelagem numérica computacional corresponde à principal ferramenta utilizada para o estudo e o desenvolvimento desta e de diversas outras tecnologias. Sendo assim, pode ser observado que os trabalhos já realizados, acerca do assunto, ainda não apresentaram a aplicação da modelagem da turbulência segundo o método Large Eddy Simulation (LES) na análise destes conversores. Por outro lado, os estudos existentes voltados à hidrodinâmica de vários dispositivos atuando em conjunto baseiam-se, em sua grande maioria, em modelos simplificados de escoamento potencial. Desta forma, o presente trabalho tem como objetivo principal utilizar a abordagem numérica em LES para a modelar e estudar a ação de ondas regulares sobre um sistema composto por três placas iguais, que representam o comportamento hidrodinâmico presente nos parques de geração de energia (constituídos por vários conversores similares em movimento). As simulações são realizadas por meio do código computacional OpenFOAM v. 4.1, em conjunto com sua extensão OlaFlow, que possibilitam o tratamento da superfície livre pelo método conhecido como Volume of Fluid (VOF), bem como o movimento de corpo rígido pela metodologia Mesh Morphing Method. Validações numéricas permitiram concluir que o modelo Wall-Adapting Local Eddy-Viscosity (WALE) é aquele que se mostra mais adequado para as simulações propostas. Por meio dos resultados obtidos, verificou-se que o aumento da altura e do período de onda resultam em uma maior turbulência na região entre as placas, efeitos estes, que, quando combinados, podem ocasionar a diminuição do comportamento oscilatório das estruturas. A ocorrência de ondas estacionárias demonstrou ser benéfica para a geração de energia, pois estas potencializam a oscilação dos conversores. Diversos testes realizados permitiram identificar que o espaçamento ideal entre as estruturas deva ser igual a 1,5 vezes a altura das placas destes conversores. Observa-se, também, que os parques devem ser construídos em terrenos com declividades de fundo inferiores a 10°, uma vez que, em declividades superiores, o sistema tem a sua captação de energia reduzida. Certas modificações no layout dos parques podem resultar em um aumento de até 30% sobre a energia captada pelas placas, sendo, portanto, fundamentais para um projeto adequado de um parque de ondas constituído por vários OWSC’s.

In the current global scenario, the Oscillating Wave Surge Converter (OWSC) represents one of the most relevant systems for converting the ocean wave energy into electricity. This technology is based on capturing the horizontal movement of water waves and is at a precommercial scale of development. It can also be associated with other renewable energy sources, such as wind and solar energy. Computational numerical modelling is currently the main tool used for the analysis and development of this and several other technologies. Therefore, it can be observed that the research carried out on this subject did not present the application of turbulence modelling according to the Large Eddy Simulation (LES) method in the study of these converters. On the other hand, current studies focused on the hydrodynamics of several converters oscillating together are mostly based on simplified models of potential flow. In this context, the main goal of the present work is to apply the LES modelling to study the influence of water waves on a system composed of three equal flaps, which represent the hydrodynamic behavior existing in the OWSC’s farms (composed of several converters in motion). The simulations are performed using OpenFOAM v. 4.1 and its extension OlaFlow, which use the Volume of Fluid (VOF) method for the free surface modelling, while the rigid body dynamics is represented by the Mesh Morphing Method. Numerical validations led to the conclusion that the Wall-Adapting Local Eddy-Viscosity (WALE) model is the most suitable for the simulations presented in this work. It is observed that the increase in wave height and period result in greater turbulence in the region between the flaps, these effects, when combined with each other, can cause a decrease in the oscillatory behavior of these structures. The occurrence of standing waves proved to be important for energy generation, as they intensify the oscillatory behavior of the converters. Several experiments allowed the identification of the ideal spacing, which must be considered in the design of the farms, this value must be equal to 1.5 times the height of the flaps of these converters. It is also observed that the farms must be located on bottoms with slopes lower than 10°, considering that, in the case of higher slopes, the system presents a reduction in the generation potential. Certain modifications applied to the layout of the OWSC’s farms can result in an increase of up to 30% on the energy captured by the flaps, being fundamental for a proper design of the system.