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ARTICULO : ANTONIO F.O. FALCAO, JOAO C.C.
HENRIQUES.OSCILLATINGWATER -COLUMN WAVE ENERGY CONVERTERS AND
AIRTURBINES : A REVIEW. RENEWABLE ENERGY XXX (2015 ) 1E34
Facultad de Ingeniera
PROCESOS QUMICOS Y
TRMICOS
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INTRODUCCIN
Las olas del mar son una importante fuente de energa renovable
que, se esampliamente explotada, puede contribuir
significativamente al suministro de energaelctrica de los pases con
costas frente al ocano.
El OWC fue el primer concepto desarrollado para la conversin de
energa de lasolas, y sigue siendo la tecnologa favorita entre una
gran parte de la comunidad.Puede ser empleado en lnea de la playa o
cerca de la costa situaciones aisladas,integrados en un rompeolas,
o en una o varias OWC flotantes plantas. Desde elpunto de vista
mecnico, la toma de fuerza es particularmente simple y fiable:
Lanica parte mvil de una turbina de aire es el rotor, que se
encuentra sobre el mar.
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Yoshio Masuda (1925-2009) un oficial de lamarina japonesa, es
considerado como el padrede la tecnologa en la obtencin de energa
deolas, con estudios en Japn desde la segundamitad de la dcada de
1940.
l desarrollo de una boya de navegacin quefunciona con energa de
las olas, equipndolocon una turbina de aire.
Resea histrica
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Los procesos mecnicos de absorcin
de esta energa requiere una interfaz
de movimiento, que implican un
movimiento parcial o totalmente
sumergido del cuerpo.
columna de agua oscilante (OWC)
Primeros desarrollos
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La principal ventaja de la OWCs (columna oscilante de agua)
frente a la mayora deWEC (convertidores de energa de las olas) es
su simplicidad, la nica parte mvil dela conversin de la energa es
el rotor de una turbina, que se encuentra sobre el niveldel agua,
que gira a una velocidad relativamente alta y conduce directamente
a ungenerador elctrico.
Las turbinas son auto-rectificadoras, es decir,
la direccin de su rotacin se mantiene sin
cambios independientemente de la direccin
con la que fluye el aire.
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Se ha propuesto una amplia variedad de tecnologas y estudios con
respecto ala obtencin de sta energa, en algunos casos se han
probado en tamaocompleto prototipos frente a las condiciones
ocenicas reales.
La primera WEC a gran escala para ser
desplegada en el mar fue Kaimei.
Era una gran barcaza (80 m2 a 12 m, 820
toneladas) que tenia cmaras incorporadas
en el casco, teniendo cada una un plano de
agua con un rea de 42-50 m2
La eficiencia de aire en las turbinas no estaba
muy lejos de lo que se esperaba, la
hidrodinmica en el rendimiento de la
absorcin de energa era bastante
decepcionante.
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El programa noruego instalo en 1985 una OWCstamao completo
integrado en un acantilado enToftestallen, cerca de Bergen, con una
potenciade 500 kW. La planta fue destruida en 1988durante una
tormenta debido a un fallo en laconexin atornillada de la
estructura.
El logro ms visible fue de un pequeo prototipo
en la costa OWC, con una potencia de 75 kW
equipado con turbinas y desplegado en la isla de
Escocia (puesta en servicio en 1991). Tenia una
cmara de rea 45 m2), tierra-fijo
equipada con una turbina Wells de 40 kW.
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En Asia alrededor de 1990 se instalaron dos
grandes prototipos de convertidores OWCs con
60 kW integrados con un rompeolas en el puerto
de Sakata, Japn.
Planta de 125 kW en Trivandrum, India,
equipado con turbinas Wells.
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Yoshio Masuda y su grupo idearon otros conceptos para flotar un
OWCs. El principal
resultado de este ejercicio fue el doblado hacia atrs de la Boya
de Ductos (BBDB).
El BBDB es un dispositivo flotante OWCs, un mdulo
de tipo cajn con flotabilidad, una cmara de aire y
una turbina de aire que conduce a un generador
elctrico, puesto que no hay tubo central vertical, el
convertidor no necesita agua profunda para el
despliegue.
Sorprendentemente se comprob que el mejor
desempeo se puede lograr colocando el
dispositivo con la espalda frente a las olas.
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Esto condujo a estudios, seguido por el diseo y construccin, de
dos plantas entamao completo de OWCs con estructura fija (las
denominadas plantas pilotoeuropeos), equipados con turbinas
Wells.
Planta de Pico Planta de Islay
Estructura fija OWC
Fue construido, de pie en el
fondo del mar, al lado de un
acantilado. Potencia 400 kW
Fue construido en un hueco
excavado en un acantilado
rocoso. Potencia 500 kW
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Provincia de Guangdong, China, seconstruy en 2001 con una
potencia 100kW.
Empresa australiana
Oceanlinx.Potencia 1MW.
Planta instalada en
Yongsoo.Potencia 500 kW.
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La compaa australiana Energetech desarrollo un prototipo cerca
de la costa, cuyaestructura fue hecha de acero, y se puso a prueba
en el Port Kembla, Australia, en 2005.
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OWC ROMPEOLAS INTEGRADA
La opcin del "rompeolas OWCs" fue adoptado y se construy un
prototipo en el puerto de Mutriku, en el norte de Espaa con 16
cmaras y 16 turbinas Wells valorados en 18,5 kW cada uno.
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Se implemento una geometra diferente para unOWCs incrustado en
un rompeolas, lo cual permiteque la longitud de la columna de agua
seincremente sin colocar la apertura demasiado lejospor debajo de
la superficie del mar.
Este tipo de OWCs se construy en el puerto de
Civitavecchia (cerca de Roma), Italia.
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La BBDB OWCs se prob en la baha deGalway, Irlanda, entre 2008 y
2011.
The Mighty Whale, otro conversor OWCs
flotante, fue desarrollado por el Japn en
Ciencias del Mar y el Centro de Tecnologa.
El dispositivo consista en una estructura que
tena tres cmaras de aire y tanques de
flotabilidad.
Estructura flotante OWC
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La compaa australiana Oceanlinx desplegouna plataforma flotante
con varias cmaras deOWCs (en este caso ocho cmaras) cada unocon una
turbina de aire.
El OWCs fue un objeto de estudios de
optimizacin que mostr la ventaja de que el
tubo que se est utilizando en su parte inferior
es mejor que una cilndrica.
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FLOTANTE ESTRUCTURA WEC CON EL INTERIOR OWC
Se han propuesto y estudiado en algunas configuraciones WEC que
el OWCs estencerrado en una estructura flotante y no es conectado
con el agua de mar exterior.
Es un flotador asimtrico con un interior U-tanque
parcialmente lleno con agua y dos cmaras de aire
laterales conectadas por un conducto.
El movimiento de la OWCs inducida principalmente
por el cabeceo del flotador, obliga al aire fluir a
travs de el conducto donde se instala una turbina
de aire auto-rectificacin donde absorbe la energa.
Dispositivo T-Gen
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Un WEC asimtrico propuesto, consiste en el movimiento del
cilindro en oleadas, locual induce un chapoteo en el interior del
tanque que a su vez impulsa un flujo deaire a la turbina.
El cuadro cerrado en el espacio areo
V1 est conectado a la atmsfera por
una OWCs cuyas paredes son
coaxiales al tubo, un V2 volumen de
aire y una turbina de aire.
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DISPOSITIVOS MULTI-OWC
Aparte de OWCs integradas en los rompeolas, otros WEC han sido
estudiado queconsta de mltiples OWCs.
En algunos casos, varias cmaras de aire comparten una nica
turbina querequieren baja presin y conductos de aire de alta presin
y la rectificacin de las
vlvulas de aire.
El Seabreath, en fase de desarrollo en la
Universidad de Padua, Italia, es un
atenuador flotante.
Se compone en un conjunto de cmaras
rectangulares con fondo abierto.
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El LEANCON es un dispositivo multi-OWCs. LosOWCs estn dispuestos
en dos filas menores dedos vigas conectadas entre s en forma de
V,estn dispuestas a lo largo de las dos piernas enun ngulo de 90
grados.
La integracin en un rompeolas es probablemente la solucin ms
fcil para de estructura fija
OWCs, visto desde un nivel econmico, construccin y puntos de
vista operativo.
Naturalmente no todos los rompeolas son adecuados debido a su
ubicacin.
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TURBINAS DE AIRE
Las turbinas de flujo convencional unidireccional como las
turbinas Francis o turbinas de flujoaxial, pueden ser ocupados en
los equipos Columna oscilante de agua OWCs (Oscillating
WaterColumns), siempre que el convertidor de la energa de las olas
este equipado con un sistema derectificacin con vlvula de no
retorno. Estos sistemas eran xito utilizados en pequeosdispositivos
como las boyas de navegacin.
Sin embargo, han sido considerados poco prctico en plantas
grandes, donde caudales puedenser de orden 10231 y el tiempo
requerido de respuesta es tpicamente menos de un segundo.Esto fue
confirmado por la experiencia Kaimei.[1]
Excepto por Kaimei y las pequeas boyas de navegacin, todos ( o
casi todos) los prototiposOWC probados hasta el momento se han
equipado con turbinas de aire auto rectificadas.
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Turbina Francis, ocupada en dispositivos
OWCs
La forma en espiral es para que la velocidad
media del fluido permanezca constante en cada
punto del mismo.
El rotor es el corazn de la turbina, aqu se
realiza el intercambio de energa entre la
mquina y el fluido. Esta energa es una suma
de energa cintica, energa de presin y
energa potencial y luego transmite la energa
de un eje al generador elctrico dnde se
realiza la conversin final en energa.
Video que muestra funcionamiento de la
turbina: Video
Fig.1
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Existen varios estudios sobre los sistemas de conversin de
energa de las olas, estos son:
Plataforma flotante Kaimei y el ms actual es Backward bent
ducted buoy (BBDB) o en espaolBoya de conducto doblado hacia atrs,
sistema fijado en Sanze.
La eficiencia del sistema de conversin de Kaimei de energa de
las olas en elctricidad era pobre,la posterior conversin por el
impulso de turbinas es la McCormick y la turbina Wells era
excelente.
El sistema fijado en Sanze era superior a la Kamei ya que no hay
cancelacin de fase de losmovimientos relativos de la onda interna y
la cmara de captura.
El sistema de flotacin puede mejorarse drsticamente usando el
concepto BBDB. [1]
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Boya de conducto doblado hacia
atrs(BBDB).
La mayora de las turbinas propuestas y
analizadas de aire auto-rectificacin de flujo
axial para la conversin de energa de las olas
hasta ahora son de dos tipos: la turbina Wells y
la turbina de impulso.
Fig.2
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La alternativa ms popular para la turbina Wells es la turbina de
impulso auto rectificacin, patentado por Ivan A. Babintsev en 1975.
Su rotor es bsicamente idntico al rotor de una turbina de vapor
convencional de una sola etapa, del tipo de impulso de flujo axial
(la clsica de la turbina de vapor Laval patentado en 1889 y
desarrollado en la dcada de 1890 y principios del siglo 20 por
pioneros de las turbinas de vapor).
Fig.3 Turbina Wells
El flujo de la turbina Wells es bidireccional, por lo que hay
dos paletas de gua, que estncolocadas simtricamente en ambos lados
del rotor, aunque estas paletas pueden producirseveras perdidas
aerodinmicas.
Ahora se han propuesto y ensayado el uso de contra-rotacin de
rotores como la turbinaMcCormick, la contra-rotacin que se basa en
el concepto de turbina de impulso.
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Turbina de impulso,
Forma mas antigua de transformar energa
hidrulica a trabajo mecnico.
Caracterizadas por altas cabezas y bajas
descargas. Siendo una mquina especfica
para velocidades bajas sus diseos no
necesitan ser muy complicados[2]
Fig.4
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ECUACIN DE EULER Y TURBOMQUINAS
Se refiere al torque , producido por el flujo sobre un rotor de
turbina por el cambio en el flujo de momento de impulso a travs del
rotor. Si la aproximacin unidimensional se adopta el torque
ser:
= 11 22,
: . :
1 2
Esto puede ser escrito tambin como:
= (11 22)
Donde, = 1/ , es energa por unidad masa del fluido y es
velocidad rotacional (radianes por unidad detiempo). Para un rotor
con turbina de flujo axial, con relaciones 1 = 2 = , tenemos
= 1 2 (1)
Esto muestra que el flujo tiene que ser desviado por la paleta
del rotor de tal manera que 1 > 2.
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En una etapa convencional de turbinas de flujo
Axial como turbinas de vapor y gas, el flujo es
desviado a una fila de paletas estacionarias
corriente arriba del rotor de tal manera que
Vt1 > 0 y bajo condiciones de diseo Vt2 0. Deeste modo, la
energa cintica de turbulencia
por unidad de masaVt22
2, que se pierde a la
salida del rotor se reduce al mnimo.
Turbina de vapor
Fig.5
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La velocidad de paleta no es mas grande que = 1 2, en el caso de
las turbinas de impulsos.
Debido a las razones de construccin como turbinas de viento de
eje horizontal y turbinas marinascorrientes, no tienen paletas
gua.
Por otro lado, la velocidad en la punta de la paleta es mucho
mayor que y la energa cintica de salida22
2es una pequea fraccin del trabajo de E.
En las turbinas Wells trabajando bajo condiciones normales , la
velocidad de paleta del rotor es masgrande que la velocidad de
flujo.
Por esta razn,22
2es relativamente una pequea fraccin del trabajo E y la ausencia
de paletas del
estator no afecta dramticamente la eficiencia de la turbina.
El modelo de cascada es una aproximacin de dos dimensiones
conveniente a una turbo mquina de flujoaxial: Las cuchillas se
intersectan por una superficie cilndrica circular que se desarrolla
sobre el plano.
= (cot 2 cot 1) (2)
Donde : . = /( = 1,2)
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TURBINAS WELLSDiagrama de turbinas de Wells, basado en el modelo
de flujo
en cascada de dos dimensiones. el perfil de las paletas del
rotor son simtricas, estas se fijan en un ngulo de
90.Consideramos la aproximacin de flujo en cascada de dos
dimensiones, y denotan por c la cuerda de la paleta del rotor
y
por =2
(Z=nmero de paletas) el paso de las paletas.
Asumimos flujo irrotacional incompresible y despreciamos el
grosor de la lmina.
2 = 1 + 2 tan
2(3)
Luego, de la ec. (2), podemos obtener directamente el
trabajo
del rotor por unidad masa de aire
= 2 tan
2 (4)
Fig.6
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La ec. (3) muestra que la salida del flujo con 2 depende solo de
1 y en el rotor acorde a la relacin c/t,no de la velocidad de flujo
o la velocidad de rotacin. Esta es la base de diseo de los labes o
paletaspara una turbina Wells. Si las dos filas de paletas gua son
como una imagen entre ellas, podra ser 2 = 1. Luego:
1 =
21 +
5
Es importante relacionar la cada de presin de la velocidad de
flujo.
El define un coeficiente adimensional de presin:
= (22)1, :
y un coeficiente adimensional de velocidad de flujo:
= 11
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En el caso de turbinas Wells con paletas gua:
= 2
2(6)
Muestra relacin lineal entre presin y la velocidad de flujo.
En el caso de turbinas Wells sin paletas gua:
= 2 1 +
2
2
En este caso la relacin lineal es una aproximacin, porque
2es mucho mas
pequea que la unidad.
Observacin: La turbina Wells es considerada una turbina
lineal.
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Hay diferentes formas de evitar la prdida de flujo, mientras
laturbina se mantiene insensible a invertir la direccin del
flujo.
Una de estas turbinas es la de contra rotacin sin paletas
gua:Hay dos filas de paletas pero giran en direccin contraria con
lamisma velocidad
Fig.7 , Volver a Turbinas de auto-rectificacin de impulso de
flujo axial
Turbina de impulso auto rectificadora, Rotor con
sistema de paletas gua simtrica.
Abajo: la representacin en cascada de dos dimensiones.
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Una desventaja es el incremento de complejidad debido a dos
turbinas-generador de conjuntos yduplicacin de la potencia de
rotacin electrnica.
La alternativa es tener dos filas axialmente desplazadas de las
palas del rotor y montarlas en un solorotor.
La turbina original monoplano se origin en Queens University of
Belfast, donde sus resultados se basanen el principio de la columna
de agua-aire oscilante, se convierte en energa mecnica de rotacin
poruna turbina Wells. Estas turbinas pueden absorber solo una
cierta amplitud mxima de presin, debido alas limitaciones de
velocidad punta.[3]
El rotor biplano puede ser complementado o no con paletas gua en
ambos lados de la rotacin.
Las turbinas Wells Biplano sin paletas guas son un usadas en el
acantilado integrado OWC Islaycomisionada en 1995 y ms
recientemente en Muntriku OWC rompeolas.
Una diferente configuracin consiste en colocar las paletas gua
entre dos filas de las aspas del rotor.
Esto ltimo es para evitar o minimizar la perdida de energa
cintica del remolino al salir de la turbina,tambin puede extenderse
a mas de dos aspas del rotor, lo que podra considerarse como una
turbinamulti-etapa.
Las turbinas Wells multi-etapa eran investigadas como una
alternativa para impulsar las turbinas OWCscaracterizados por
grandes oscilaciones de presin de aire.
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En consecuencia, las condiciones del flujo a travs de las
turbinade aire pueden ser significativamente diferentes, con
velocidadespico para el flujo hacia el exterior, generalmente mayor
que el flujohacia dentro, para igualar los valores pico del ngulo
de incidenciaen la entrada de las paletas del rotor que fluye desde
el interiorhasta el exterior para evitar prdidas de estancamiento,
un ngulode escalonamiento diferente de 90 puede ser adoptado.
Turbina cuyo rotor de paletas es controlable y ajustable de
ngulose han propuesto y construido, la turbina Wells, cuyo
mecanismode control sofisticado fue impulsado por corrientes de
Foucaultconstruido y diseado.
Fig.8
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TURBINAS DE AUTO-RECTIFICACIN DE IMPULSO DE FLUJO AXIAL
Esta es la alternativa ms frecuente de la Turbina Wells, la
principal diferencia es el impulso de la turbina,donde el rotor con
las aspas forman canales o conductos.
El ngulo del flujo de salida es aproximadamente es igual al
ngulo de salida de las aspascorrespondientes.
La geometra de las paletas del rotor es una modificacin de la
turbina de vapor tipo impulso, que ahora seimpone es la igualdad de
ngulos en la aspa de entrada y salida.
En la turbina Wells, sustituimos la fila anular de las paletas
del rotor por la cascada de aspas bi-dimensional, tambin debemos
asumir que el flujo es incompresible e irrotacional.
Podemos observar que 1 > 1 2 > 2( ),y bajo las condiciones
de diseo el flujo sale del rotor aun ngulo 2 > 1, donde 1 es el
ngulo del flujo de salida desde la entrada de las paletas.
Ver Fig.7
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Denota por y los ngulos de las velocidad absolutas y relativas
del flujo.
Esos ngulos estn relacionados entre s por 1 = 1 + 1, 2 =
1 + 2,donde, =
es un coeficiente de flujo adimensional y es la velocidad
axial.
Para el flujo las condiciones de diseo no puede ocurrir, porque:
No se puede tener al mismo tiempoincidencia en el flujo derecho, en
las aspas del rotor y en la segunda fila de paletas de gua, este es
unproblema frecuente para los diseadores de turbinas para
aplicaciones en olas.
McCormick propuso una turbina de impulso contra rotacin
auto-rectificadora, este prototipo fue construidoy probado en
Kaimei a mediados de la dcada de 1980.
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Los resultados fue el problema de incidencia que persiste en la
turbina de contra-rotacin, enel flujo de la entrada a la segunda
del rotor y tambin en el flujo de la entrada a la segundafila de
paletas guas.[4]
Para resolver el problema incidencia excesiva, variables
geomtricas han sido propuestas porKim et al.[5]
Con el fin de evitar las dificultades de la geometra, las
paletas pueden pivotar bajo la accinde los momentos aerodinmicos
que actan sobre ellos, y ocupar una de las dos posicionesangulares
pre-establecidos, dependiendo de si el aire est fluyendo adentro o
hacia afuera.
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Esto permite que la geometra de paletas guas aguas abajo
para adaptarse mejor a 2, el ngulo del flujo que abandona
elrotor. La complejidad mecnica tiene una fiabilidad adicional
y
problemas de mantenimiento para mejorar el rendimiento
mecnico de la turbina
En cualquier caso, ya que el coeficiente de flujo esfuertemente
variable en el tiempo, oscilando irregularmente entre
valores negativos y positivos, esto es imposible de evitar
el
estancamiento de la aerodinmica en las aspas del rotor.
Fig.9
Representacin bidimensional de la turbina de accin con
auto-lanzadores de paletas guas (de tipo mono-aleta) en las dos
posiciones angulares.
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Fig. 10. Eficiencia versus coeficiente de flujo
para una
turbina Wells monoplano con paletas guas y una turbinade impulso
con paletas guas fijas.denota el peak encondiciones de
eficiencia
En ausencia de paletas guas, = 1 = 1. En el flujo
real, se sabe que la aerodinmica separa la capa lmite con
severas prdidas aerodinmicas. Si el ngulo de incidencia 1enla
entrada del rotor excede un valor crtico 1 depende delperfil de la
paleta, de la relacin c/t, condiciones del flujo con
aguas hacia arriba y el nmero de Reynolds.
Tomando 1 = 1 y asumiendo 1 = 11 y
= 0,5, encontrado
el coeficiente de carga = 0,39. Para la turbina de impulso
tiene similares consideraciones, donde 2,0 y se lleg a la
conclusin que el trabajo E por unidad de masa de la
velocidad
de aspas de las turbinas Wells es tpicamente 2,0/0,39 =
2,3 veces ms largo comparado con una turbina de impulso.Los
resultados se dan en la tabla 1, donde se muestra que la
velocidad de paletas del rotor es mucho ms grande en las
turbinas Wells que tambin tiene un dimetro mayor.
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Tabla 1. Comparacin entre una
turbina Wells(W) y una turbina de
Impulso (imp).
En el caso de la turbina Wells, la prdida de energa cintica se
puede evitar con el uso de paletas
guas, con simetra axial y un conducto divergente que se utiliza
como difusor, est prdida es mucho
mayor en la turbina impulso como se muestra en la tabla 1. Esto
explica por qu el uso de un difusor de
revolucin es mucho ms importante en una turbina de impulso que
en una turbina Wells.
En el anlisis de flujo de dos dimensiones nos indica que la
eficiencia de la turbina Wells puede ser
mucho ms sensible a cambios en el Nmero de Reynolds.
Una comparacin entre la turbina de Wells y la turbina de impulso
se basan en un nmero suficiente
grande de Reynolds, donde la turbina Wells tiene menor
eficiencia mxima que la turbina de impulso,
estas comparaciones son en los modelos de 0,3 m de dimetro de
rotor externo y con un nmero de
Reynolds relativamente pequeo.
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OTRAS TURBINAS DE AIRE DE FLUJO AXIAL PARA LOS FLUJOS
BIDIRECCIONALES
Otro mtodo para reducir las prdidas aerodinmicas en la entrada
de la segunda fila depaletas gua de una turbina de impulso,
consiste en aumentar la distancia entre las paletasguas y las aspas
del rotor con el objetivo de reducir la velocidad(y por lo tanto la
energacintica) y las prdidas de energa debido a la separacin de la
capa lmite.[6]
Este mtodo fue propuesto como la turbina de impulso de alto
rendimiento para su uso en laOWCs.
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La turbina Dennis-Auld, desarrollada en Australia para
equiparplantas OWC, es una turbina de auto rectificacin de flujo
axial, laspalas que se ven en la figura pueden ser controladas para
quevaren en un rango < < , donde 20 35).
En esta turbina los bordes de aspas son idnticos, porque
cadaborde funciona como salida dependiendo de la direccin del
flujo,ya que cambia de direccin(salida y entrada).
Los resultados de prueba de la turbina Dennis-Auld dio
unaeficiencia mxima de 0,65, este prototipo de turbina se prob
enOceanlinx Mk3 lado a lado con la turbina HydroAir.
Fig.11
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TURBINAS AUTO RECTIFICADORAS DE AIRE Y FLUJO RADIAL
Adems de la configuracin de flujo axial ms comn, algunos
estudios tambin se han hechoen la turbina auto rectificadora de
aire y flujo radial (Fig. 12). Cabe sealar que la turbina ya noes
insensible a la direccin de flujo: el flujo a travs de las palas
del rotor y paletas de gua esradialmente centrfuga o centrpeta en
funcin del ciclo de onda
Fig.12
La turbina est conectada a la cmara de OWCspor un conducto
axial, mientras que la salida o laadmisin hacia el ambiente es
radial.
La turbina radial fue investigado y mediantesimulacin numrica
investigando el efecto decontrol de las paletas guas (del interior
al exterior yal revs) y encontraron un incremento de hasta un15% en
la eficiencia en comparacin con paletasguas fijas. Con la
disposicin (experimental y) lainformacin numrica, la configuracin
radial de laturbina de impulso aparece como una alternativa ala
axial, aunqueno necesariamente la mejor opcin. Fig.13,
Representacin esquematica de la turbina
de impulso auto rectificadora radial.
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Una versin de la turbina de Wells de flujo radialaxial clsica
fue propuesta por John Kentfield en1983, y recientemente fue
estudiado porsimulacin numrica y experimentalmente (Fig.14). Los
resultados de las pruebas de modelorevelaron que, como para la de
flujo axial msconvencional la turbina Wells, la carga de presines
aproximadamente una funcin lineal de lavelocidad de flujo, y una
fuerte cadaen la eficiencia se produce si el caudal supera unvalor
crtico; esta valor es aproximadamente 30%mayor para el flujo hacia
el exterior. Una mximaeficiencia de 0,65 se midi para el flujo
hacia elexterior, en comparacin con 0,60 parahacia adentro Fig. 12
Turbina HydroAir.
Fig.14, Turbina Wells versin flujo radial
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Un tipo diferente de turbina de auto-rectificacin de flujo
radial, tiene un par depaletas guas montados en la periferia del
rotorde flujo radial, estas paletas se deslizaaxialmente, por la
gravedad y la accin de laaerodinmica, as para convertir el
flujobidireccional admitido a la turbina en un flujounidireccional
a travs del rotor, como semuestra en la Fig. 15.
Resultados: La mxima eficiencia fue dealrededor del 57%. El
rendimiento de la turbinaparece ser penalizado por la falta de
unsistema difusor eficiente para la recuperacinde energa cintica en
la salida del rotor.
Fig.15, Turbina de auto-
rectificacin de flujo radial con
unidireccional flujo al rotor de
paletas guas axiales dobles.
a)Flujo descendente
b)Flujo ascendente
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La llamada turbina bi-radial es una turbina deimpulso que es
simtrica con respecto a un planoperpendicular a su eje de
rotacin.
El flujo dentro y fuera de el rotor es radial, el rotorest
rodeado por un par de filas de paletas de guade flujo radial, cada
fila estando conectada a lacorrespondiente entrada/salida de rotor
y lasparedes del conducto son discos planos.
Fig.15 en la parte b) las paletas de gua se desvanradialmente
desde el rotor.
En la parte a) las paletas gua pueden ser removidaso insertadas
en el espacio del flujo por desplazaraxialmente el conjunto de
paletas gua, de modo quea corriente abajo las paletas gua obstruyen
el pasodel flujo que sale del rotor. En este caso, la
distanciaradial entre el rotor y las paletas gua es pequea.
La turbina era bi-radial estudiado por simulacinnumrica y las
pruebas modelo. La mximaeficiencia medida fue aproximadamente
79%,posiblemente la mayor eficiencia de una turbina deaire
auto-rectificacin medido hasta ahora.
Fig.16
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Turbinas convencionales de una etapa, como turbinasde vapor y
gas, con una fila de paletas de gua seguidapor un rotor de paletas,
se sabe que alcanza altaseficiencias en el flujo
unidireccional.
En tales turbinas, si el signo de la carga de presincambia (y la
velocidad de rotacin se mantieneinalterada), la velocidad de flujo
(aparte de cambiarsigno) se convierte mucho ms pequeo (y
elrendimiento de la turbina se vuelve muy deficiente).
Esto ha llevado a la idea de asociar dos idnticasturbinas
convencionales"de aire (turbinas 1 y T2) en paralelo para convertir
laenerga neumtica de una OWC, de tal manera que,para un cabezal de
presin dada situacin, la secuenciadel flujo en las paletas de gua y
aspas de rotor en laturbina 1 se invierte con respecto a la turbina
T2. Parauna determinada presin (independientemente de susigno), la
mayor parte del flujo es admitido a una de lasturbinas (accionado
con una buena eficiencia).
Fig.17
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Mientras que una fraccin ms pequea del flujo es admitido a la
otra turbina (es decir, en elmodo de asfixia y opera a baja
eficiencia) las dos turbinas pueden ser acopladas a un
mismogenerador elctrico como en la fig.17 o que cada turbina est
acoplada a su propio generador.
Puesto que las turbinas no son simtricas, las palas del rotor ya
no tienen que ser simtricascon respecto a un punto. Cierto torque
positivo de la reaccin puede ser conveniente.
Las pruebas de un par de turbinas unidireccionales en una
plataforma bidireccional de flujo deaire oscilante. La turbina
rotor tena un dimetro de 165mm y cada turbina se acopl a supropio
generador.
Resultados: Se calcul una eficiencia mxima de 0,6. La
aerodinmica del rendimiento de laconfiguracin de la turbina
unidireccional doble se simul numricamente, se encontr que latasa
de flujo a travs de la turbina en modo inverso es aproximadamente
un tercio del flujototal y produce torque lo que reduce la
eficiencia del sistema si las dos turbinas sondirectamente
conectadas al mismo eje de rotacin.
-
ALGUNOS PROTOTIPOS DE TURBINAS DE AIREVarios prototipos a tamao
real OWCs se han desplegado en el mar, en algunos casos a grandes
modelos aescala 1:3 o 1:4 han sido testeados en aguas protegidas.
El primer prototipo de gran tamao fue Kaimei, yamencionado
anteriormente.
Se ensayaron diferentes tipos de cmaras de turbinas (incluyendo
unidireccional, Wells y turbinas auto-rectificacin de impulso).
Desde entonces, la mayora de los prototipos fueron equipados con
turbinas Wells, algunos de los cuales seenumeran en la Tabla 2,
junto con sus caractersticas principales. Notable por su tamao son
el par de 2x500kW turbinas Wells de rotacin contraria que equip
elprototipo OSPREY. Nunca operados porque la estructura de la
planta fue daado durante el despliegue enEscocia en 1995 y ms tarde
destruida por accin de las olas.
Tabla 2
-
RUIDO DE LA TURBINA
Todas las turbinas que funcionan con aire u otro gas producen
ruido, esto puede ser una molestia si la mquina se encuentra
cercade una zona habitada y no est adecuadamente protegidos como es
el caso de muchas turbinas elicas.
El ruido tambin puede ser un problema con las turbinas de aire
para convertir a energa los movimientos de las olas,especialmente
cerca de la playa o de la costa.El ruido aumenta por el tamao de la
mquina y, especialmente, por la velocidad de flujo y velocidad de
las palas del rotor. Estosignifica que afectar particularmente a
las turbinas Wells, especialmente bajo condiciones de flujo
estancado.Una cmara de atenuacin del ruido tuvo que ser adaptado al
final de la turbina Wells, en los conductos de la planta costa
LIMPET(Isla de Islay, Escocia) para reducir el ruido transmitido.
Esto result a causas de mala distribucin del flujo durante la
carrera deadmisin de la de la turbina; el mayor flujo de aire en la
parte inferior de la canalizacin de la turbina causado un aumento
adicionaly con una reduccin asociada de rendimiento de la
turbina.
Una extensa investigacin experimental sobre acstica y
caractersticas de las turbinas Wells se llev a cabo en la
Universidad deSiegen, en Alemania; aqu se encontr que, para una
velocidad fijo de rotacin, la potencia acstica radiada por la
turbina Wells eraconstante con respecto al aumento de carga de
presin hasta un punto de funcionamiento donde se alcanza el punto
de mximapotencia. Ms all de este punto, se observa puestos de
turbina y un aumento dramtico en potencia acstica, la turbina
Wellsemite ruido que supera con creces todos los niveles de ruido
que se encuentra en un rgimen de flujo saludable.
-
ANLISIS DIMENSIONALEl anlisis dimensional es ampliamente usado
en estudios de turbo mquinas. Esta aplicacin para turbinas de aire
por OWCsespecialmente utilizado en dos situaciones:
i) Cuando los modelos testeados a una escala real.
ii) Para estudiar los efectos del cambio de la velocidad
rotacional sobre las curvas de rendimiento aerodinmico de una
turbinadado.
En convertidores OWC operando bajo condiciones de mar energtico,
las oscilaciones de presin en la cmara de aire pueden serlo
suficientemente grande para los cambios en la densidad del aire al
ser no despreciable. Esto significa que los efectos delnmero de
Mach en el flujo de la turbina puede ser significante.
(i) la misma turbina bajo diferentes condiciones de trabajo, o
(ii) una turbina de tamao completo y su modelo geomtricamente
similar. El anlisis dimensional requiere que tres magnitudes
adimensionales toman igual valores de las relaciones similares
para
aplicar: nmero de Reynolds, Nmero de Mach y la relacin de
entrada a salida de presin. No mucha informacin precisa est
disponible en el seguimiento del tamao real del prototipo de
turbinas de aire bajo las condiciones reales del mar. De hecho,
la
mayora de informacin proviene de las pruebas de modelo en
condiciones de laboratorio, en la mayora de los casos con
dimetros de rotor de turbina entre 0,3 y 0,6 m.
Numero de Mach: Es una medida de velocidad relativa que se
define como el cociente entre la velocidad de un objeto y la
velocidad del sonido en el medio en que se mueve dicho objeto.
Dicha relacin puede expresarse segn la ecuacin.
= /
Debemos considerar:
-
Las cabezas de presin alcanzables en las pruebas de equipos de
perforacin hasta ahorausados para probar turbinas
auto-rectificadoras de aire son sustancialmente ms bajos de loque
puede ser alcanzado en los convertidores de OWC bajo condiciones
energticos del mar.
En consecuencia, el nmero Mach es usualmente ignorado como una
condicin para lasimilitud aerodinmica. Al mismo tamao, los cambios
en Nmero de Reynolds prcticamenteno afectan el rendimiento
aerodinmico de turbinas de aire.
Esto no se aplica si la similitud se establece entre un pequeo
modelo y una gran mquina.En cualquier caso, el nmero de Reynolds es
alternativamente bien establecido en lasfrmulas de turbo
maquinaria. Por lo tanto en lo que resta del articulo ignoramos
Mach yReynolds para efectos numricos y asumimos que el flujo de
aire a travs de la turbina esaproximadamente incompresible.
-
EL RENDIMIENTO DE LA TURBINA EN OLEADAS AL AZAR
Lo que importa en trminos de aerodinmica es una eficiencia media
en lugar de la mximaeficiencia.
Para un estado del mar determinado, la probabilidad de funcin de
densidad f con unasuperficie de elevacin en un punto puede ser
considerada Gauss, una suposicin ampliamenteadoptado en
aplicaciones de la ingeniera. Las oscilaciones de presin p(t) en la
cmara de aireson aleatorias y puede considerarse como un
proceso.
Por otro lado este tipo de turbina exhibe una caracterstica
lineal presin vs caudal. Esto seaproxima al caso de las turbinas
Wells.
Es interesante comparar los resultados representados en la
figuras para el promedio de eficienciah de turbinas de aire, con
eficiencias tpicas de alta presin-PTO hidrulicos de aceite usados
enWEC oscilante de cuerpo. Tal informacin, en funcin del
rendimiento de hidrulica y elctrica debienes componentes y en
simulaciones numricas de todo el WEC
Para para una agitada boya en la costa de Oregon, EE.UU. Se
encontr que la eficiencia de lafuerza tiende a variar mucho con el
estado del mar, con un promedio anual de 61% y un valormximo del
72%. Cabe sealar que la eficiencia de las tomas de fuerza
hidrulicassustancialmente varia con la carga (y el estado del mar),
mientras que la eficiencia aerodinmicade turbinas de aire (conocido
por ser casi independiente el nmero de Reynolds) depende
slodbilmente en tales factores, siempre que la velocidad de rotacin
se controle de maneraadecuada y no exista restricciones en la
velocidad mxima permitida de rotacin.
Fig. 18
-
TURBINA DE AMORTIGUACIN INDUCIDALa hidrodinmica del proceso de
absorcin de energa de las olas por un convertidorOWC depende de la
relacin entre la tasa de flujo de volumen desplazado por
elmovimiento OWC y la presin de aire en la cmara, es decir, la
amortiguacinproporcionado por la turbina. Esto est directamente
relacionado con la tasa de volumende flujo de aire / a travs de la
turbina (positivo hacia afuera del flujo) y la cabeza depresin p a
disposicin de la turbina (asumir flujo de aire incompresible con la
densidad).
La relacin
= () depende del tipo de turbina, geometra, tamao y velocidad
de
rotacin. Debe coincidir con la requisitos de la hidrodinmica,
que, por un dispositivo deOWC dado, depender del estado del mar,
sobre todo de la frecuencia de la ola. Parauna turbina de geometra
determinada (independientemente del tamao, velocidadrotacional y
densidad de aire en la turbina), el anlisis dimensional permite
escribir = ,donde es una relacin funcional que caracteriza la
geometra de turbina, esla dimensin de la carga de presin
adimensional del caudal y como se define por laecuacin:
.(7)
-
Las turbinas Wells son conocidas por ser turbinas
aproximadamente lineal, es decir, = , donde K es un factor
quedepende, de la relacin centro-a-punta de dimetro y del rea palas
total dividida por rea anular.
=
(8)
La hidrodinmica de los convertidores OWC representa los estados
del mar donde se obtiene un valor de diseo, se
especifica la geometra de la turbina(K fijo), encontrar un valor
de diseo
.
Otra condicin es introducida por la dependencia de la eficiencia
de la turbina por la carga de la presin = (), esel valor que
maximiza la eficiencia.
La velocidad de rotacin de la turbina se debe aumentar si hay
mas energa en los estados, la eficiencia no debe serafectada
negativamente.
La linealidad de la turbina Wells la hace diferente de otras
turbinas, la carga de presin en funcin del caudal es
aproximadamente cuadrtica.
2
4
1 9
Esto demuestra que la amortiguacin proporcionada por la turbina
es independiente de la velocidad de rotacin. Esta velocidad puede
ser ajustado para maximizar la eficiencia de la turbina sin que
afecte a el proceso hidrodinmico.En olas irregulares reales y en un
clima de olas que consiste en una amplia gama de estados de la mar,
los procedimientos de optimizacin de la turbina son mucho ms
complejo que de los que se describen anteriormente.
-
OBSERVACIONES FINALES
Se han desarrollado varios tipos de turbinas de aire
auto-rectificacinpara equipar plantas OWC. Los pozos de flujo
axialturbina es la ms conocida. Tambin es mecnicamente la turbina
mssimple, especialmente la variante sin paletas gua, y posiblemente
el msbarato de construir. Las caractersticas de rendimiento pueden
ajustarcambiando la relacin y el centro a punta de dimetro la
solidez de la hoja(rea de palas total dividida por rea anular).
La introduccin de paletas gua, ya que lejos de recuperar la
energacintica, puede mejorar la eficiencia mxima de unos pocos
porcentajes. Unefecto similar puede lograrse mediante rotores de
rotacin contraria,pero esta es una solucin ms costosa.
-
Las turbinas Wells multi-etapa se han considerado para presiones
relativamente grandes, peroesto an no ha sido probado. Los
resultados de las pruebas de las turbinas Wells indican que
laseficiencias mximas de hasta aproximadamente el 75% son
alcanzables con los mejores diseos.La construccin bsica de la
turbina en s, hace que este valor poco probable sea superado porms
de un pequeo porcentaje.
La principal limitacin de la turbina de Wells es la fuerte cada
de la eficiencia que se producecada vez que la velocidad de flujo
supera las condiciones de las aspas del rotor. Esto
esparticularmente perjudicial en olas irregulares, como se muestra
en la Fig.18a. poraplicaciones y condiciones idnticos, la velocidad
de las aspas del rotor de unaturbina Wells es mucho mayor que la de
cualquier otro tipo de turbina auto-rectificacin (tanto eldimetro
del rotor y la velocidad de rotacin son ms grandes). Mientras que
esto aumenta laenerga cintica y capacidad de almacenamiento, tambin
puede tener efectos negativos, esdecir, las limitaciones debidas al
nmero de Mach (aparicin de ondas de choque).
-
El inconveniente principal de la turbina de auto-rectificacin
axial y de flujo radial son turbinas detipo de impulso, ambas bajo
condiciones de las direcciones del flujo, de una fila de paletas
guasaguas bajo al rotor.Este se encontr que era limitar la eficacia
mxima a aproximadamente 50%. El uso de paletasde gua pasiva o
activamente controladas pueden mejorar la mxima eficiencia de tales
turbinasen aproximadamente 10 a 15%, pero esto es logrado a costa
de una mayor complejidadmecnica.
Un problema de esta configuracin est asociado con el aumento de
la distancia del remolinoprovocado por un fuerte flujo que tiene
que viajar entre la primera fila de paletas guas y las aspasdel
rotor: Esto es probable que produzca significativas prdidas y flujo
de distorsin debido a lainteraccin con las paredes internas del
conducto. La nica forma de evitar totalmente esteproblema es
eliminar las paletas guas de aguas abajo del flujo de que sale del
rotor; esto se haceen el deslizamiento de las aspas en la versin de
la turbina biradial, lo que permiti un picomedido y una eficiencia
de 79%. Una vez ms, esto se logra a costa deaumento de la
complejidad mecnica.
Turbinas hidrulicas y de gas convencional de flujo radial y
axial en este tipos de mquinas sonmuy eficientes, con eficiencias
mximas en el rango de 90 a 93%. Su uso en aplicaciones OWCrequerira
un mecanismo de vlvula de rectificacin de flujo. Esto ha sido
considerado paramltiples dispositivos flotantes OWCs con cmaras
conectadas a una sola turbina a travs deconducto baja y alta
presin.
-
MODELADO OWCMODELACIN HIDRODINMICA TERICA
OWC fueron de los primeros convertidores de energa de las olasen
ser tericamente modelados. Esto fue particularmente elcaso de la
OWC en boya que se analiz por Michael McCormick, uno de los
pioneros energa delas olas, en lo que fueron dos de los primeros
trabajos tericos en convertidores de ola en energay han sido
publicados en un artculo[6].
Luego hubieron artculos con soluciones analticas ms simples:una
OWC en forma de tubo de pared delgada vertical y una bidimensional
formada por dosparedes delgadas verticales paralelas. Estas
primeros trabajos se basan en la teora de la onda deagua lineal y
el interior de superficie libre, se asumi como una superficie plana
horizontal depistn.
Este modelo fue adoptada por primera vez en OWC, donde una de
dos dimensionesse analiz tericamente. El modelo de la presin
superficial uniforme fue generalizado parageometras arbitrarias. La
adopcin del modelo de pistn rgido era (y es) una manera de
tomarventaja de la teora desarrollada mediados de 1970 de la
interaccin entre las ondas y los cuerposflotantes, especialmente
los barcos. Esta teora se ampli ms tarde para convertidores de
energaoscilantes de las olas.Los conceptos de velocidad y la fuerza
del cuerpo en la teora cuerpo oscilantes se sustituyen porcaudal de
aire y la presin de aire en la superficie libre uniforme con
enfoque de presin para elmodelado OWC.
-
Suponiendo que la teora de onda de agua lineal de la ecuacin
para el modelo de pistn de estructura fija OWC (Fig. 19a) se puede
escribir como:
2
2= + +
X: Coordenada vertical que define la posicin del pistn
m: Masa del pistn (Posiblemente igual a cero)
S: rea pistn
: Densidad del agua
g: Aceleracin gravitatoria
: Fuerza de radiacin sobre el pistn debido al movimiento
contrario en aguas tranquilas
: Fuerza de excitacin asumiendo pistn fijo debido al campo de
onda incidente
P: Exceso de presin del aire en la cmaraFig. 19
a) Modelo pistn
b) Modelo de superficie libre de
presin uniforme
-
Si la distribucin de la presin fuera uniforme sobre la
superficie libre al interior es elmodelo adoptado (Fig. 19b), se
introduce el caudal volumtrico q(t) desplazados porel movimiento de
la superficie libre interna.
= + 10
: Radiacin del caudal debido a la presin p oscilante en la cmara
en ausencia deondas incidentes.
: Es la excitacin de la velocidad de flujo debido al campo onda
incidente si p=0.
En ambos modelos, la presin de aire p(t) est relacionada con el
volumeninstantneo V (t) del aire en la cmara y su historial de
tiempo para lascaractersticas aerodinmicas de la turbina y para la
termodinmica del procesocompresin/descompresin del aire que toman
lugar en la cmara.
-
Este sistema se toma como lineal donde la respuesta a distintos
intervalos de tiempo de formasinusoidal es otra seal variable en el
tiempo de forma sinusoidal, posiblemente con una diferenciade fase
entre ambos. Bajo tales condiciones, el conjunto sistema
(onda-a-neumtico) es lineal. Siadems las olas son regulares de
frecuencia en radianes , podemos emplear un anlisis dedominio de la
frecuencia y escribir:
, , , , , , = {, , , , , , }(11)
Donde, , , , , , , son generalmente complejos
Tenga en cuenta que las relaciones de amplitud/) = ), ( , )
implican quela presin de la cmara y el caudal de aire desplazado
por el movimiento del pistn o el movimientode superficie libre
interior, puede ser complejo debido al efecto de la compresibilidad
del aire en lacmara.
Como es habitual en el anlisis de dominio de frecuencia, la
fuerza de la radiacin sobre el pistnes, =
2 . Aqu A (aadido de masa) y B (coeficiente de amortiguacin por
radiacin) sonreales, y B no puede ser negativo.
En consecuencia, se escribe, para la velocidad de flujo de
radiacin, = (G y H sonreales) ,donde G es la conductancia de la
radiacin y H es la susceptancia de radiacin. Los cuatrocoeficientes
de radiacin A, B, G y H dependen de onda frecuencia .
-
El modelo de pistn X[-w2(m+A)+iw+gS]=Fe-SP Ecuacin 12
X[-w2(m+A)+iw(B+S2)+ gS+S2w ]=Fe Ecuacin 13
A partir de la ecuacin (10). Encontramos, para la distribucin de
la presin superficial uniforme
Estas son las ecuaciones a resolver en el dominio de la
frecuencia y obtener Qe
Al establecer p = 0 en el modelo 1, es fcil encontrar la
siguiente relacin entre el complejo de fuerza de excitacin y la
amplitud Fe velocidad de flujo.
La conductancia de radiacin G1 y H1 susceptancia radiacin se
definen para el pistn modelo, y as no se espera que sea exactamente
igual a G y H. Entonces nos quedamos con
o se refieren al par de coeficientes hidrodinmicos (G1, H1).
para el par A y B.
-
Recordamos que los pares de hidrodinmica coeficientes (G1, H1) y
(G, H) son fsicamente similares,pero sus valores numricos no
coinciden debido a que los dos modelos no se espera que
produzcaexactamente iguales resultados. Al establecer p=0 en la
ecuacin 20, es fcil encontrar la siguienterelacin entre el complejo
de fuerza de excitacin y la amplitud Fe velocidad de flujo.
El subndice 1 indica que Qe, 1 no es exactamente igual a Qe
En general, la velocidad del pistn dx/dt y la tasa de volumen
desplazado que no son proporcionales ala oscilacin de presin p. Las
linealidades pueden ser introducidas por la termodinmica de la
cmarade aire o por las curvas de rendimiento aerodinmico de la
turbina. En tales casos, el anlisis dedominio de frecuencia ya no
es aplicable y tiene que ser reemplazado por un anlisis de dominio
detiempo.
En particular, la expresin de la fuerza de radiacin en el pistn
implica una convolucin integral, comoen la llamada ecuacin de
Cummins.
-
La memoria de la funcin ht est relacionada con la susceptancia
de la radiacin G a travs de latransformada de Fourier.
Las soluciones analticas basados en la distribucin de presin de
superficie en el modelo, seobtuvieron durante varias geometras
simples mediante la integracin. La ecuacin de Laplace para
lavelocidad potencial de la funcin por el mtodo de separacin de
variables junto con la funcin propiadel mtodo de expansin.
La posibilidad de emplear cdigos comerciables basados en la BEM,
es posiblemente la raznprincipal por la que el modelo de pistn
rgido, en lugar de la presin superficial tiene un enfoque
masrealista de la distribucin. Un OWC es popular tanto tericamente
como numricamente.
Es posible modificar un cdigo de BEM desarrollado para el
estudio de los cuerpos flotantes yextenderlo a la modelizacin de
OWC. Se utiliz el cdigo modificado para modelar la planta
OWCconstruida en la isla de Pico, Azores, incluyendo el efecto de
los alrededores inferior costa y no plana.
-
Los mtodos mencionados anteriormente se basan en la ecuacin de
Laplace y la teora lineal de laonda de aguas y no son capaces de
modelar pequeas ondas y el cuerpo de movimiento conamplitudes y
efectos disipativos de fluidos reales como la friccin viscosa,
turbulencia yderramamiento de Foucault. Tales efectos puede ser
importante sobre todo en los estados del mar conms energa y bajo
condiciones cerca de la resonancia.
La dinmica de fluidos computacional (CFD), los mtodos se pueden
emplear para tener en cuentatales efectos. Se basan por lo general
en la integracin numrica basados en el promedio deReynolds-
NaviereStokes (RAN).
-
TERMODINMICA DE LA CMARA DE AIRE
El volumen de la cmara de aire del convertidor debe ser OWC lo
suficientemente grande comopara evitar la ingestin de agua por la
turbina de aire bajo condiciones de mar en estadosenergeticos.
La aerodinmica y termodinmica de estos procesos son bastante
complejos y tienen lugar en lacmara de aire y de la turbina de un
convertidor OWC. Parece razonable suponer que sonaproximadamente
adiabticos, de hecho, los oscilaciones de la temperatura en la
cmara de aireson relativamente pequeas y las escalas de su tiempo
son demasiado cortos para el intercambiode calor significativos que
se producen a travs de las paredes de la cmara y otro lado de
lainterfaz en comparacin con el flujo de energa en la turbina.
Sin embargo, incluso si el proceso se asume como adiabtico,
significa cambios en la entropaespecfica se producen en el flujo a
travs de la turbina, debido a las prdidas viscosas. Talescambios
pueden estar relacionados con la eficiencia de la turbina.
-
Un poli-trpico relacin entre la presin p y la densidad:
Donde K es el exponente poli-trpico que se relaciona con la
media, h eficiencia de la turbina.
Una buena aproximacin a la relacin propuesto
Si h (turbina perfectamente eficiente) = 1, entonces k= 1,4, se
convierte simplemente en la relacin de la densidad isotrpico. Si h
=0, es k = 1 y se convierte en la relacin isotrmica.
-
PRUEBA MODELO DE OWCEl modelo terico basado en la teora de la
onda de agua lineal es un paso esencial en el desarrollode
convertidores de energa de las olas. Ello proporciona ideas e
informacin importante a costosrelativamente bajos, en general, de
una manera relativamente rpida.
Sin embargo, no son importantes los efectos no lineales que no
se contabilizan por este tipo demodelo, es decir, aquellos
asociados con grandes olas de amplitud, grandes movimientos de
amplituddel convertidor de energa de las olas u oscilante columna
de agua, y los efectos reales de fluidodebido a la viscosidad,
turbulencia, y desprendimiento de vrtices.
Cuando se emplean computacionalmente la dinmica de fluidos
(CFD), se realizan pruebas enmodelos que se asume que la parte
mojada del modelo es una representacin geomtrica exacta deel
prototipo a escala real. Esta similitud geomtrica se supone que es
aplicarn tambin a la parteinferior y las paredes circundantes.
-
CONTROL DE FASE REACTIVA
La WEC de oscilacin del cuerpo y tipos OWC, la ms alta
eficiencia de energa de las olas sealcanza en la absorcin de las
ondas regulares en condiciones prximas a la resonancia.
Especialmente en el caso de dispositivos relativamente pequeos
(los llamados absorbedores depunto), es as que se sabe que el ancho
de banda de resonancia es relativamente estrecha, la cualimplica
que su rendimiento en olas irregulares es relativamente pobre.
El control de reactivo puede ser ptima, es decir, puede permitir
la captura de la energa de ondamxima terica, segn lo predicho por
lineal teora de la onda de agua, que debe alcanzarse enamplitud sin
restricciones condiciones (tales control ptimo es no causal).
-
CONTROL DE FASE DE ENGANCHE
Una alternativa al control de fase reactiva es el control por
enclavamiento.
Esto fue propuesto por primera vez para los cuerpos oscilantes
individuales que reaccionan contra unmarco fijo de referencia (en
general, el fondo del mar), y consiste en el cuerpo de
enclavamiento enuna posicin fija durante ciertos intervalos del
ciclo de oscilacin.
En el caso de control por parte de enganche, que es
necesariamente sub ptima, el control deenclavamiento evita la
transferencia de energa de dos vas y la disipacin de energa
asociada quecaracterizan a una forma reactiva fase controlado PTO.
En el caso de un convertidor de OWC, deenganche est logrado
mediante el cierre de una vlvula en serie con la turbina.
Hay problemas especficos relacionados con la retencin de control
de un OWC. Uno de ellos es lacompresibilidad del aire en la cmara
que acta como un resorte y evita que la columna de aguapermanezca
fija con respecto a la estructura, incluso si el flujo de aire se
detuvo en la entrada a laturbina. Adems, cabe sealar que tal
compresibilidad podr eliminar la restriccin del enganche.
-
CONCLUSIN
Observamos en el trabajo realizado que el nivel de potencia
disponible en la turbina varaampliamente con el estado del mar.
Desde turbinas de aire de tamao completo operan en generalcon el
nmero de Reynolds, tales variaciones no deberan afectar
significativamente a la media de laeficiencia de la turbina, con la
condicin de que su velocidad de rotacin sea
adecuadamentecontrolada.
Esto no puede decirse de los generadores elctricos, ya que cuya
eficiencia se conoce al caerparcialmente las cargas.
El proceso hidrodinmico de absorcin de energa de las olas
mediante un dispositivo de OWC estrelacionado con el campo de ondas
y las olas radiadas, producidas por el movimiento de el cuerpo
y/oel movimiento de la OWC. Se puede decir que un buen absorbente
de energa de onda debe ser unbuen radiador de onda. Obviamente, en
dispositivos de estructura fija, la radiacin de onda esinducida slo
por el movimiento de la columna de agua. Casi lo mismo se puede
decir de un OWCmontado sobre una estructura flotante muy
grande.
En dispositivos, como el BBDB, las contribuciones de los
movimientos de la estructura y lasoscilaciones de la columna de
agua se pueden considerar como una caracterstica positiva.
-
REFERENCIAS
[1] Y. Masuda, M.E. McCormick, Experiences in pneumatic wave
energy conversin in Japan, in: M.E.McCormick, Y.C. Kim (Eds.),
Utilization of Ocean Waves e Wave to Energy Conversion, Amer Soc
CivilEng, New York, 1986, pp. 1e33.
[2]http://fluidos.eia.edu.co/hidraulica/articuloses/maquinashidraulicas/turbinas2/turbinas2.html
[3]
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/037604219500001F
[4] T.W. Kim, K. Kaneko, T. Setoguchi, M. Inoue, Aerodynamic
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vanes for wave power generator, in: Proc 1st KSME-JSME Thermal
Fluid Eng Conf,vol. 2, 1988, pp.133e137.
[5] T.W. Kim, K. Kaneko, T. Setoguchi, M. Inoue, Aerodynamic
performance of an impulse turbine with self-pitch-controlled guide
vanes for wave power generator, in: Proc 1st KSME-JSME Thermal
Fluid Eng Conf,vol. 2, 1988, pp.133e137.
[6]M.E. McCormick, Analysis of a wave energy conversion buoy, J.
Hydronaut. 8 (1974) 77e82.
