Conversor de energia das ondas em energia elétrica com dispositivo de coluna de água oscilante: simulação numérica e estudo geométrico

Os oceanos representam um dos maiores recursos naturais, possuindo expressivo potencial energético, podendo suprir parte da demanda energética mundial. Nas últimas décadas, alguns dispositivos destinados à conversão da energia das ondas dos oceanos em energia elétrica têm sido estudados. No presente trabalho, o princípio de funcionamento do conversor do tipo Coluna de Água Oscilante, do inglês Oscillating Water Colum, (OWC) foi analisado numericamente. As ondas incidentes na câmara hidro-pneumática da OWC, causam um movimento alternado da coluna de água no interior da câmara, o qual produz um fluxo alternado de ar que passa pela chaminé. O ar passa e aciona uma turbina a qual transmite energia para um gerador elétrico. O objetivo do presente estudo foi investigar a influência de diferentes formas geométricas da câmara sobre o fluxo resultante de ar que passa pela turbina, que influencia no desempenho do dispositivo. Para isso, geometrias diferentes para o conversor foram analisadas empregando modelos computacionais 2D e 3D. Um modelo computacional desenvolvido nos softwares GAMBIT e FLUENT foi utilizado, em que o conversor OWC foi acoplado a um tanque de ondas. O método Volume of Fluid (VOF) e a teoria de 2ª ordem Stokes foram utilizados para gerar ondas regulares, permitindo uma interação mais realista entre o conversor, água, ar e OWC. O Método dos Volumes Finitos (MVF) foi utilizado para a discretização das equações governantes. Neste trabalho o Contructal Design (baseado na Teoria Constructal) foi aplicado pela primeira vez em estudos numéricos tridimensionais de OWC para fim de encontrar uma geometria que mais favorece o desempenho do dispositivo. A função objetivo foi a maximização da vazão mássica de ar que passa através da chaminé do dispositivo OWC, analisado através do método mínimos quadrados, do inglês Root Mean Square (RMS). Os resultados indicaram que a forma geométrica da câmara influencia na transformação da energia das ondas em energia elétrica. As geometrias das câmaras analisadas que apresentaram maior área da face de incidência das ondas (sendo altura constante), apresentaram também maior desempenho do conversor OWC. A melhor geometria, entre os casos desse estudo, ofereceu um ganho no desempenho do dispositivo em torno de 30% maior.

Rotina computacional de obtenção, tratamento e visualização de dados oceanográficos

Atualmente, sensores remotos e computadores de alto desempenho estão sendo utilizados como instrumentos principais na coleta e produção de dados oceanográficos. De posse destes dados, é possível realizar estudos que permitem simular e prever o comportamento do oceano por meio de modelos numéricos regionais. Dentre os fatores importantes no estudo da oceanografia, podem ser destacados àqueles referentes aos impactos ambientais, de contaminação antrópica, utilização de energias renováveis, operações portuárias e etc. Contudo, devido ao grande volume de dados gerados por instituições ambientais, na forma de resultados de modelos globais como o HYCOM (Hybrid Coordinate Ocean Model) e dos programas de Reanalysis da NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration), torna-se necessária a criação de rotinas computacionais para realizar o tratamento de condições iniciais e de contorno, de modo que possam ser aplicadas a modelos regionais como o TELEMAC3D (www.opentelemac.org). Problemas relacionados a baixa resolução, ausência de dados e a necessidade de interpolação para diferentes malhas ou sistemas de coordenadas verticais, tornam necessária a criação de um mecanismo computacional que realize este tratamento adequadamente. Com isto, foram desenvolvidas rotinas na linguagem de programação Python, empregando interpoladores de vizinho mais próximo, de modo que, a partir de dados brutos dos modelos HYCOM e do programa de Reanalysis da NOAA, foram preparadas condições iniciais e de contorno para a realização de uma simulação numérica teste. Estes resultados foram confrontados com outro resultado numérico onde, as condições foram construídas a partir de um método de interpolação mais sofisticado, escrita em outra linguagem, e que já vem sendo utilizada no laboratório. A análise dos resultados permitiu concluir que, a rotina desenvolvida no âmbito deste trabalho, funciona adequadamente para a geração de condições iniciais e de contorno do modelo TELEMAC3D. Entretanto, um interpolador mais sofisticado deve ser desenvolvido de forma a aumentar a qualidade nas interpolações, otimizar o custo computacional, e produzir condições que sejam mais realísticas para a utilização do modelo TELEMAC3D.