Diseño óptimo de un sistema de aprovechamiento de la energía del oleaje y gestión integral a diferentes escalas de tiempo/optimal design of a wave energy converter and integrated management at different timescales

Resumen

INTRODUCCIÓN La producción de energía a partir de los mares y océanos es una tecnología en desarrollo actualmente. Entre todas las formas posibles para el aprovechamiento energético (mareas, corrientes, oleaje y gradientes de salinidad y temperatura), la energía producida por el movimiento de las olas, denominada energía undimotriz, es la que ha experimentado una mayor investigación en los últimos años. Desde la primera patente presentada en Francia en 1799, ha surgido una gran variedad de convertidores de energía del oleaje, siendo el sistema de columna de agua oscilante (OWC) probablemente el más desarrollado. Sin embargo, los sistemas OWC no son aún competitivos respecto a otras tecnologías renovables puesto que presentan una serie de limitaciones constructivas y de operatividad. Hasta la fecha se han seguido varias líneas de trabajo para buscar dispositivos que den un rendimiento óptimo. Los trabajos que obtienen una conjuración óptima anual para un escenario real de clima marítimo, calculan la producción energética a partir de un conjunto de estados representativos del clima marítimo [1, 2].En cambio, algunos estudios ponen de manifiesto la influencia de la variabilidad intra-anual del clima marítimo en la potencia eléctrica generada [3]. DESARROLLO TEÓRICO En esta tesis se propone una metodología para estudiar la influencia de la escala temporal en el proceso de optimización de un nuevo sistema OWC. El sistema propuesto es de menores dimensiones respecto a los sistemas existentes, con un rango de trabajo asociado a escenarios de menor contenido energético (los típicos en la costa Andaluza). El estudio de optimización se complementa con el análisis estadístico de variables de interés para la gestión que miden el rendimiento del dispositivo durante su vida útil, utilizando simulaciones que reproducen la variabilidad no estacionaria del clima marítimo [4] y de la potencia neumática disponible. Además, se desarrollan modelos analíticos para el análisis de la formación de barras de sedimentos alrededor del sistema, que tienen en cuenta el efecto de la difracción y radiación del oleaje que se produce en estos dispositivos OWC. También se estudia el efecto de la pérdida de carga [5] en un sistema OWC con la cámara abierta y la tendencia de las formas del lecho. CASOS DE ESTUDIO La metodología propuesta para el proceso de optimización, se aplica a un nuevo sistema OWC, el cual se considera ubicado en un emplazamiento real de la costa Andaluza. Se pretende encontrar el sistema óptimo que maximice la potencia neumática media disponible para la turbina. Para ello se realiza un análisis comparativo optimizando la sumergencia y la velocidad de giro de la turbina del sistema, en distintas escalas temporales (estado de mar, estaciones, año). Para las configuraciones óptimas obtenidas, se analiza ciertas variables relacionadas con el rendimiento no estacionario del dispositivo. Con este fin, se simulan las series temporales de la potencia neumática disponible para un gran número de realizaciones del clima marítimo durante la vida útil del sistema, basadas en la altura de ola y el periodo pico. Respecto a la hidrodinámica del sistema, los efectos de la pérdida de carga se estudian para un sistema OWC con la cámara abierta, es decir, a presión atmosférica. Se analizan variables de interés como la captura del sistema o la fuerza máxima que ejerce el oleaje sobre el sistema. Por último, para estos dos sistemas OWC considerados, se estudia el transporte de sedimentos y las formas de lecho potenciales con modelos analíticos. El análisis se realiza considerando los parámetros más importantes que influyen en la extracción de la energía del oleaje, como el período y el ángulo de incidencia del oleaje local, o la sumergencia y la velocidad de giro de la turbina. CONCLUSIONES Los resultados demuestran la importancia de tener en cuenta las características del clima marítimo en el diseño, tanto los periodos de pico de los estados de mar más probables como la altura de ola significante. Además, para incrementar la competitividad del sistema OWC y mejorar su respuesta a la variabilidad interanual del clima marítimo es procedente diseñar sistemas capaces de adaptar su configuración a los sucesivos estados de mar incidentes en su vida útil. A este respecto se comprueba que el radio del sistema influye más en la potencia neumática media disponible que el diámetro de la turbina. Los modelos analíticos desarrollados considerando la pérdida de carga, se validan con modelos numéricos (Fluent, Fluinco). Los resultados muestran que los modelos analíticos propuestos son válidos para proporcionar una primera aproximación de la influencia de aspectos fundamentales de diseño del dispositivo como su sumergencia o anchura, así como el ángulo de incidencia o periodo del oleaje. Respecto al transporte de sedimentos, se observa que los resultados para el dispositivo óptimo se corresponden con un mayor transporte de sedimentos. En ese caso, la optimización funcional del sistema puede no ser la más conveniente para la estabilidad del lecho. Por otro lado, la consideración de la pérdida de carga produce una reducción de los mayores valores del transporte de sedimentos, afectando en mayor medida a los casos que presentan un mayor valor de la velocidad horizontal a través del sistema. BIBLIOGRAFÍA BÁSICA [1] A.F.O. Falcão and R.J.A. Rodrigues. Stochastic modelling of OWC wave power plant performance. Applied Ocean Research, 24(2):59–71, 2002. [2] R.P.F. Gomes, J.C.C. Henriques, L.M.C. Gato, A.F.O Falcão. Hydrodynamic optimization of an axisymmetric floating oscillating water column for wave energy conversion. Renewable Energy, 44: 328-339, 2012. [3] R. Carballo, G. Iglesias. A methodology to determine the power performance of wave energy converters at a particular coastal location, Energy Conversion and Management, 61:8-18, 2012. [4] S. Solari and M. A. Losada. Non-stationary wave height climate modeling and simulation.Journal of Geophysical Research: Oceans (1978–2012), 116(C9), 2011. [5] C.C. Mei, P.L.F. Liu, and A.T. Ippen. Quadratic loss and scattering of long waves. Journal of the Waterways, Harbors and Coastal Engineering Division, 100(3):217–239, 1974.