Thermodynamic processes involved in wave energy extraction
- Autores: Encarnación Medina López
- Directores de la Tesis: Antonio Diego Moñino Ferrando (dir. tes.), Alistair G.L. Borthwick (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Granada ( España ) en 2018
- Idioma: inglés
- ISBN: 9788491637622
- Tribunal Calificador de la Tesis: Miguel Ortega Sánchez (presid.), Juan Manuel Santiago Zaragoza (secret.), Wanan Sheng (voc.), Brian Peterson (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Dinámica de los Flujos Biogeoquímicos y sus Aplicaciones por la Universidad de Córdoba; la Universidad de Granada y la Universidad de Málaga
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: DIGIBUG
- Resumen
- español
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.
- English
Abstract Wave energy is one of the most promising renewable energy sources for future exploitation. This thesis focuses on thermodynamic effects on Oscillating Water Column (OWC) devices equipped with Wells turbines, particularly humidity effects. Previous theoretical studies of the operation of OWCs have resulted in expressions for the oscillation of the water surface in the chamber of an OWC based on linear wave theory, and the air expansion-compression cycle inside the air chamber based on ideal gas theory.
Although in practice high humidity levels occur in OWC devices open to the sea, the influence of atmospheric conditions such as temperature and moisture on the performance of Wells turbines has not yet been studied in the field of ocean energy. Researchers have reported substantial differences between predicted and measured power output, and performance rates of OWCs presently coming into operation. The effect of moisture in the air chamber of the OWC causes variations on the atmospheric conditions near the turbine, modifying its performance and efficiency. The discrepancies in available power to the turbine are believed to be due to the humid air conditions, which had not been modelled previously.
This thesis presents a study of the influence of humid air on the performance of an idealised Wells turbine in the chamber of an OWC using a real gas model. A new formulation is presented, including a modified adiabatic index, and subsequent modified thermodynamic state variables such as enthalpy, entropy and specific heat. The formulation is validated against experimental data, and found to exhibit better agreement than the ideal approach. The analysis indicates that the real gas behaviour can be explained by a non-dimensional number which depends on the local pressure and temperature in the OWC chamber. A first approach to the OWC formulation through the calculation of real air ow in the OWC is given, which predicts a 6% decrease in efficiency with respect to the ideal case when it is tested with a hypothetical pulse of pressure. This is important because accurate prediction of efficiency is essential for the optimal design and management of OWC converters.
A numerical model has also been developed using computational fluid dynamics (CFD) to simulate the OWC characteristics in open sea. The performance of an OWC turbine is studied through the implementation of an actuator disk model in Fluent. A set of different regular wave tests is developed in a 2D numerical wave flume. The model is tested using information obtained from experimental tests on a Wells-type turbine located in a wind tunnel. Linear response is achieved in terms of pressure drop and air ow in all cases, proving effectively the applicability of the actuator disk model to OWC devices. The numerical model is applied first to an OWC chamber containing dry air, and then to an OWC chamber containing humid air. Results from both cases are compared, and it is found that the results are sensitive to the degree of humidity of the air. Power decreases when humidity increases.
Finally, results from the analytical real gas and numerical ideal gas models are compared. Very satisfactory agreement between the analytical and the numerical models is obtained when humidity is inserted in the gaseous phase. Both show considerable differences with the numerical model when dry air is considered.
However, at the resonance frequency, results are independent of the gas model used. For every other frequencies analysed, the real gas model predicts values of power down to 50% of the ideal power when it is coupled to the radiation-diffraction model for regular waves. It is recommended that real gas should be considered in future analyses of Wells turbines in order to calculate accurately the efficiency and expected power of OWC devices.
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