Thermodynamic processes involved in wave energy extraction

Resumen

Resumen La energía undimotriz, o energía de las olas, es una de las energías renovables más prometedoras para el futuro. Esta tesis estudia la termodinámica de dispositivos de columna de agua oscilante (Oscillating Water Column, OWC). Estudios previos sobre este tipo de dispositivos ofrecen expresiones para la oscilación de la columna de agua dentro de la cámara del dispositivo basadas en teoría lineal de ondas, así como de los fenómenos de expansión y compresión del aire dentro de la cámara basados en teoría de gas ideal. Aunque en la práctica altos niveles de humedad se presentan en zonas costeras, la influencia de diferentes condiciones atmosféricas (tales como temperatura y humedad) en el rendimiento de turbinas Wells no ha sido estudiado en el campo de las energías marinas. Distintos informes apuntan a diferencias sustanciales entre potencia estimada y potencia obtenida en distintas plantas en operación. El efecto de la humedad en la cámara de aire del OWC provoca cambios en el entorno de la turbina, modificando su funcionamiento y eficiencia. La humedad contenida en la cámara de aire se plantea como causa de las diferencias de potencia observadas. Esta tesis presenta el estudio de la influencia de aire húmedo en el funcionamiento de una turbina Wells en la cámara de un OWC usando un modelo de gas real. La formulación que se presenta a continuación incluye la modificación del índice adiabático, y la consecuente modificación de las distintas variables de estado, tales como entalpía, entropía y calor específico. La formulación es validada con datos experimentales, mostrando una mejor aproximación a las condiciones de laboratorio que el modelo clásico de gas ideal. El análisis indica que el comportamiento del gas real puede explicarse con el uso de un número adimensional que depende de la presión y la temperatura. Una primera aproximación a la formulación del OWC se realiza a través del cálculo del flujo de aire a través de la turbina con el modelo de gas real, observándose una disminución en eficiencia del 6% frente al modelo ideal cuando se considera un pulso de presión ideal. Más adelante se desarrolla un modelo numérico basado en CFD (Computational Fluid Dynamics) para simular las características del OWC en un canal de oleaje. El funcionamiento de la turbina Wells se simula mediante el uso de un modelo de disco actuador (Actuator Disk Model, ADM) en Fluent. Se ensayan distintos oleajes regulares en un canal 2D, y estos se calibran con ensayos de laboratorio de oleaje en el canal, y de funcionamiento de una turbina Wells en túnel de viento. La respuesta lineal entre presión y caudal es obtenida para la turbina, demostrando la aplicabilidad de los ADMs al estudio de dispositivos OWCs. Este modelo numérico se aplica primero en condiciones de aire seco, modificando después las condiciones del mismo para simular el aire húmedo. Los resultados muestran que la potencia del dispositivo depende del grado de humedad del aire, decreciendo la potencia disponible cuando aumenta la humedad. Finalmente, se comparan los resultados del modelo teórico y el modelo numérico con aire seco y aire húmedo, obteniendo resultados similares para el modelo teórico de gas real y el modelo numérico con humedad. Ambos se diferencian considerablemente del modelo numérico con aire seco, salvo para condiciones de resonancia, donde los resultados son independientes del modelo de gas usado. En los demás casos, el modelo de gas real predice diferencias de hasta el 50% respecto a la teoría clásica cuando este se acopla con el modelo de radiación-difracción frente a oleajes regulares.