Estudo numérico de um dispositivo de placa horizontal submersa para conversão de energia das ondas do mar em energia elétrica aplicando design construtal

Abstract

Este trabalho apresenta um estudo numérico de um dispositivo de placa horizontal submersa para conversão de energia das ondas do mar em energia elétrica com a aplicação do método Design Construtal. O dispositivo do tipo placa horizontal submersa permite captar a energia de um escoamento horizontal alternante, decorrente da passagem das ondas, que atua como propulsão para uma turbina hidráulica colocada sob sua estrutura. O objetivo deste estudo é a obtenção de uma geometria deste conversor que proporcione a máxima eficiência energética teórica ao dispositivo. Para isso, foram realizadas simulações numéricas com modelos em escala de laboratório e escala real, utilizando um domínio bidimensional sem a presença da turbina hidráulica sob o conversor. A solução das equações de conservação de massa e quantidade de movimento foi realizada com o software Ansys Fluent®, com base no Método de Volumes Finitos associado ao modelo multifásico Volume of Fluid (VOF) para modelagem da interface água-ar. No canal de ondas numérico foram propagadas ondas monocromáticas de 2ª ordem, cuja altura e profundidade da água foram mantidas constantes. Foram avaliadas diversas configurações geométricas submetidas a ondas de diferentes períodos incidindo no dispositivo. Duas formulações distintas do método Design Construtal foram desenvolvidas, ambas tomando a altura da placa como grau de liberdade a ser otimizado, por meio do método de Busca Exaustiva. A primeira formulação foi aplicada tanto ao modelo em escala de laboratório quanto ao modelo em escala real, a fim de verificar a similaridade entre os modelos, considerando apenas um período de onda e uma razão de área do dispositivo. Com essa análise verificou-se a semelhança entre os resultados e obteve-se uma recomendação de geometria ótima para o conjunto de constantes e restrições analisado. Já a segunda formulação foi aplicada somente ao modelo em escala real, considerando quatro ondas distintas, para geometrias com diferentes valores da razão de área do dispositivo. A análise dos resultados permitiu obter recomendações teóricas para a geometria do conversor aplicáveis a diferentes características de ondas. Ambas as formulações indicaram o mesmo valor ótimo para o grau de liberdade analisado e demonstraram uma melhora de até 64,00 % no desempenho do equipamento entre as geometrias analisadas. Os resultados mostraram que dependendo da geometria do dispositivo é possível atingir uma eficiência de até 69,80 %.

This work presents a numerical study of a submerged horizontal plate device for wave energy conversion into electrical energy applying the Constructal Design method. The submerged horizontal plate device allows to exploit the energy from an alternating horizontal flow, that arises due to the waves propagation, which could drive a hydraulic turbine placed beneath its structure. The aim of this study is to obtain such geometry of the converter that provides maximum theoretical energy efficiency to the device. Therefore, several numerical simulations were performed with laboratory-scale and real-scale models, using a two- dimensional domain where the effect of the hydraulic turbine beneath the converter was disregarded. The conservation equations of mass and momentum was solved with Ansys Fluent® software, based on the Finite Volume Method associated to the multiphasic method Volume of Fluid (VOF) for water-air interface modeling. In the numeric wave channel some monochromatic second order waves were propagated, whose height and water depth were kept constant. Several geometric configurations of the device were evaluated and subjected to incident waves of different wave periods. Two distinct Constructal Design formulations were developed, where both taking the plate height as the degree of freedom to be optimized by means of the Exhaustive Search method. The first formulation was applied to both the laboratory-scale and the real-scale models in order to verify the similitude between the models, regarding only one wave period and one device area ratio. From this analysis, the similarity between the results was achieved and an optimal geometry recommendation, regarding the set of constants and restrictions analyzed, was obtained. The second formulation was applied only to the real-scale model, regarding four different waves, with several geometries and different values of the device area ratio. The analysis of the results allowed to obtain theoretical recommendations for the converter geometry applicable to different wave characteristics. Both formulations pointed the same optimum value for the degree of freedom analyzed and showed an improvement up to 64.00 % in the device performance among the analyzed geometries. The results showed that according to the device geometry it is possible to achieve efficiency up to 69.80 %.