Optimización de la cámara de aire de una columna de agua oscilante empleando la metodología de superficie de respuesta

Abstract

RESUMEN : En Colombia, la energía de las olas del mar es una de las fuentes de energía menos explotadas. La columna de agua oscilante (OWC, por siglas en inglés) puede ser una tecnología sostenible para generar electricidad utilizando este recurso disponible en el Mar Caribe y el Océano Pacífico. Este dispositivo es una combinación de un sistema neumático, un sistema mecánico y un sistema eléctrico. Normalmente, se identifican dos etapas principales en el proceso de conversión de la energía de las olas utilizando una OWC. En la primera etapa una cámara de aire convierte la energía de las olas en energía neumática y, a su vez, en la segunda etapa, una turbina de aire autorrectificante acoplada a un generador eléctrico convierte la energía neumática en electricidad. Este trabajo se ha enfocado en la primera etapa la cual fue adaptada a las condiciones del Océano Pacífico, donde se hizo análisis de sensibilidad a cuatro factores geométricos respecto a la profundidad de agua en un canal de olas: i) profundidad de la pared frontal (h1/a), ii) ancho de la cámara resonante (b1/a), iii) inclinación de la pared frontal (α), y, iv) diámetro de salida de aire (d/b2), aduciendo un sistema de toma de fuerza, el cual simula la resistencia generada por la turbina. Por lo tanto, la optimización de los parámetros de forma de la cámara para las características de las olas es de crucial interés para mejorar su eficiencia. Se realizaron simulaciones de dinámica de fluidos computacional para investigar la interacción entre los parámetros referidos sobre el rendimiento hidrodinámico. La eficiencia máxima de la cámara para la geometría óptima y la velocidad media de la superficie de columna de agua fue 67.729 % y 0.127 m/s, respectivamente. En la actualidad el país carece del desarrollo de estos dispositivos; sin embargo, hay centradas esperanzas en la energía de las olas como una de las tecnologías más favorables para proporcionar energía limpia y renovable en zonas de difícil acceso que carecen del recurso, en especial en las zonas no interconectadas.

ABSTRACT : In Colombia, wave energy is one of the least exploited energy sources. The oscillating water column (OWC) can be a sustainable technology to generate electricity using this resource available in the Caribbean Sea and the Pacific Ocean. This device is a combination of a pneumatic system, a mechanical system and an electrical system. Typically, two main stages are identified in the wave energy conversion process using an OWC. In the first stage an air chamber converts the wave energy into pneumatic energy and, in turn, in the second stage, a self-rectifying air turbine coupled to an electrical generator converts the pneumatic energy into electricity. This work has focused on the first stage which was adapted to Pacific Ocean conditions, where sensitivity analysis was made to four geometrical factors with respect to water depth in a wave channel: i) headwall depth (h1/a), ii) resonant chamber width (b1/a), iii) headwall inclination (α), and, iv) air outlet diameter (d/b2), adducing a power take-off system, which simulates the resistance generated by the turbine. Therefore, optimization of the chamber shape parameters for the wave characteristics is of crucial interest to improve its efficiency. Computational fluid dynamics simulations were performed to investigate the interaction between the referred parameters on the hydrodynamic performance. The maximum chamber efficiency for the optimum geometry and mean water column surface velocity was 67.729 % and 0.127 m/s, respectively. At present, the country lacks the development of these devices; however, there are hopes focused on wave energy as one of the most favorable technologies to provide clean and renewable energy in areas of difficult access that lack the resource, especially in non-interconnected areas.