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Análise experimental do efeito de desaceleração de CAO em

1. Diferen a de Press o q oy O 5 0 5 10 15 20 5 Figura 5 6 Erro de leitura do sensor GE Druck devido ao movimento das tomadas de press o 3 Da an lise do sinal obtido na Figura 5 6 calculou se um erro m ximo devido ao movimento de 2 47 Pa Contudo e uma vez que interessa a banda de erro mais frequente deste sinal procedeu se a um refinamento em que as flutua es aleat rias foram minimizadas Admitiu se que tal se podia fazer at existirem dez pontos com a mesma amplitude isto procedeu se a uma procura a partir dos pontos de maior amplitude para os de menor amplitude at chegar a valores que ocorriam com maior frequ ncia tendo sido definido como crit rio de paragem da procura uma frequ ncia de dez pontos com o mesmo valor medido Desta forma reduziu se o erro m ximo para 1 89 Pa Num sinal cuja amplitude registada varia de 20 Pa a 90 Pa este erro significa 9 45 a 2 1 do sinal Os gr ficos e valores apresentados ao longo do Cap tulo 5 ter o este erro j corrigido 5 3 Compara o de Geometrias Embora a compara o de geometrias fosse um objectivo secund rio desta disserta o importante a sua an lise antes de se analisar o potencial do modelo para que este possa ser encarado na sua plenitude Ao longo do texto que se segue ser o comparadas sempre as m
2. 42 FIGURA 5 10 COMPARA O DA DIFEREN A DE PRESS O ENTRE RESERVAT RIOS PARA DIFERENTES GEOMETRIAS 43 FIGURA 5 11 COMPARA O DAS EVOLU ES DA DIFEREN A DE PRESS O ENTRE RESERVAT RIOS PARA V RIAS AMPLITUDES astana DT 44 FIGURA 5 12 COMPARA O DAS EVOLU ES DA DIFEREN A DE PRESS O ENTRE RESERVAT RIOS PARA V RIAS FREQU NCIAS t 45 FIGURA 5 13 COMPARA O ENTRE OS MELHORES ESTADOS DE ONDA PARA A GEOMETRIA SEM DISCOS 46 FIGURA 5 14 COMPARA O ENTRE A ONDA INCIDENTE E O DESLOCAMENTO DO MODELO 47 FIGURA 51525 INAL REAL DA PRESSAO NA a 48 FIGURA 5 16 VARIA O DA PRESS O M XIMA NA CAO COM A 49 FIGURA 5 17 COMPARA O DA PRESS O NA CAO E NOS RESERVAT RIOS 50 FIGURA 5 18 DIFEREN A DE PRESS O ENTRE RESERVAT RIOS E A 51 FIGURA 5 19 RELA O PA P2 QUANDO H PASSAGEM DE CAUDAL sssseeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeseeeeeeeeeeeeeees 52 FIGURA 5 20 CAUDAL ENTRE RESERVAT RIO E 53 FIGURA 5 21 COMPARA O DA PRESS O DA CAO OB
3. 46 5 4 2 Pressao coluna de xu u un 47 5 4 3 Varidcao com Frequencia us D a au Da 49 5 4 4 Press o CAO e nos reservat rios A e B 50 5 4 5 Diferen a de Press o entre Reservat rio e CAO 51 5 4 6 caudale Poten IA a sys 53 5 5 COMPARA O ENTRE ESCALAS ami a SN 54 Dd Escada do MOGCIO asia 54 55 2 Teoliceo d CON semana mas 55 5 6 COMPARA O DA ESTIMATIVA DA PRESS O DA CAO ESCALA REAL COM A OBTIDA POR VARIA O DE PRESSAO TIDROSTATICA uuu aula ERRO MARCADOR N O DEFINIDO CAPITULO uuu 60 gt CONCEUSOES 60 6 1 RECOMENDA ES rs E 61 7 REFER NCIAS BIBLIOGR FICAS 63 A NE OS 65 DESCRI O DAS PE AS DO MODELO J EXISTENTE 65 PROGRAMA u nes eden ee ne eae 68 XI Lista de Figuras FIGURA 2 1 ZONAS MAIS PROP CIAS EXTRAC O DE ENERGIA DAS ONDAS 16 5 FIGURA 2 2 VALORES REPRESENTATIVO
4. 60 u 7 4 40 a a 20 L f f 2 20 I _ 40 Z 4 0 0 5 1 1 5 2 2 5 3 Tempo s 3200 3000 it EAN TA E 2800 A A A J y My 2600 A f 2400 i J _ 2200 i W 2000 dg 1 800 0 0 5 1 1 5 2 2 5 3 Tempo s Sinal Real Sinal Corrigido Figura 5 4 Compara o entre os sinais reais e corrigidos dos sensores de press o 36 Erro de desacelera o do sensor A an lise deste erro surge devido ao facto dos tubos de liga o as tomadas de leitura de press o poderem n o ter reac es id nticas ao movimento Deste modo e para se medir a diferen a procedeu se a um ensaio em que ambos os tubos de liga o foram presas ao modelo exactamente mesma profundidade P de assim averiguar se qual a diferen a entre leituras com as oscila es Figura 5 5 Fotografia da montagem utilizada para os ensaios do erro de desacelera o Erro de leitura devido a movimento 5
5. ta i 3 7 pg De notar que o termo de varia o de press o hidrost tica se refere as altera es da imers o da coluna de gua Como se explicar mais frente o facto da varia o desta imers o ser pequena leva a que este termo seja muito inferior quando comparado ao termo din mico As express es atr s referenciadas permitem calcular qual a press o da coluna de gua no fundo do modelo Para se saber qual o diferencial de press o entre as duas c maras necess rio estimar a press o de ambas relativamente press o de refer ncia Um valor razo vel de partida a 0 8 em que a pa a press o na c mara de alta press o Este valor depende da rea P2 16 e forma da liga o dos reservat rios a CAO Estimando e pg e sabendo o caudal de um reservat rio para o outro pode calcular se a pot ncia debitada pelo PTO W Qasp APap 3 8 Falta ainda especificar o tempo de abertura das v lvulas para que a partir da velocidade do escoamento se possam obter os volumes de agua movidos Se se considerar que ao se atingir a press o maxima no reservat rio a v lvula fecha pode relacionar se o tempo das v lvulas abertas com a press o a montante e jusante delas Defina se t 0 tempo em que existe entrada de agua no reservat rio isto o tempo at se atingir Tem se ent o ta e cos w t4 3 9 Note se que a express o 3 9 apenas cont
6. IX LISTA DE FIGURAS assina inte u Dead ibn done add Gn uu ls RS luas y 2 2 XII LISTA DETABELAS alailma a NOTA O XVII CAPITULO LL uuu aate ma ee A 1 1 INTRODUCA O sas oes u u u A Dau 1 1 1 BJECTIMOSQyuux Qu gt 2 CAPITULO O ass 3 2 uuu Zi u Gs Ree 3 2 1 BACKGROUND HISTORICO SSD dex a uQ 3 2 2 POTENCIA 4 2 2 1 4 2 2 2 PotencialA mole CG ee RO Sees talk mala bs 6 2 2 3 Potencial ECONOMICO Q unn aie DA 7 2 3 TECNOLOGIAS EXISTENTES E LIDERES vaikiva Sie ee ee a 8 2 3 1 Coluna de Agua mulas 9 2 3 2 Compos Osca ES asno paulada 11 2353 COIGOMENTO nao cea 13 CAPITULO u uu l aaa aa Pe u Qa a hk 14 3 FUNDAMENTOS TE RICOS uu guau uuu papu puas 14 APROXIMA ES CONSIDERADAS E 18 CAPITULO u y sa s 19 4 INSTALA O 19 4 1 O CANAL DE ONDAS vai a RU CO SI SUDO Ta A
7. 67 Ap ndice B Programa de LabView Edit view Project Tools Window Help DIE m 6 un 13pt application Font 65 1 ruidos vs Freq sonda ext RMS voltagem pressao total o voltagem sonda o Guardar dados AD 0 m 1 1 1 1 1 I 1 1 1 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 Time mov bois m mov boia m jo laser Formula Result 0 0442 altura a my jo sonda ext Formula Result 0 0002 0 04415 0 00015 0 0441 0 0001 a SE Ga 39 04405 8 0 00442 e spies 0 0001 0 04395 0 00015 0 0439 0 00027 0 00025 0 04385 E 0 0003 12 00 00 000 AM 12 00 05 000 AM 12 00 00 000 12 00 05 000 AM 1 1 1904 1 1 1904 1 1 1904 1 1 1904 Time Time pressao tdi tea pressao total press o total Pa Pressao Total Formula Result pressao camara camara Pa ja press o Formula Result 20 1 5 1235 155 10 0 75 a 0 5 57 0 25 gt 72 8 o 8 8 0 25 5 05 E 0 75 10 8 z 1 57 20 lt 1 75 12 00 00 000 AM 12 00 05 000 AM 12 00 00 000 AM 7 12 00 05 000 1 1 1904 1 1 1904 1 1 1904 1 1 1904 Time v HR WaveMaker P aqulsicao vl Front Panel PT 5 48 PM Figura B 1 Painel frontal do programa em LabView Neste painel podem ver se cinco janelas para a apresenta
8. gua As borrachas mostraram ter uma boa resposta a abrir mas no fecho a press o n o era suficiente para vedar completamente a abertura e os pl sticos acusaram demasiada press o entrando pela abertura e abrindo falhas no per metro da abertura Experimentou se ent o a fita isoladora com resultados muito apreci veis boa resposta e tamb m imperme vel no fecho A v lvula feita de fita isoladora consiste ent o numa tira fina que foi dobrada sobre si pr pria para se tornar mais r gida e n o correr o risco da fita colar nalguma zona do modelo Este rect ngulo de dupla camada de fita posteriormente colado ao modelo para que tenha liberdade de oscila o nos furos entre c maras Desta forma quando a press o superior a jusante a v lvula encosta ao modelo selando a passagem de gua e quando superior a montante empurra a v lvula abrindo caminho para a passagem de gua Devido ao formato dos rolos de fita notou se que a v lvula tende a enrolar pelo que deve ser esticada durante algum tempo para adquirir uma forma plana Figura 4 411 V lvula utilizada no modelo Adaptador da v lvula Esta pe a foi criada com a inten o de existir uma parede plana onde a v lvula de fita isoladora pudesse encostar pois faz lo numa superf cie curva poderia originar m veda o Trata se apenas de uma placa fina que encaixa nas aberturas interiores do reservat rio e que possu um furo para permitir a passagem de gua Para est
9. gua fazendo com que a press o no reservat rio n o des a tanto quanto seria esperado Press o na coluna de gua Reservat rio A e B 3000 2800 2600 Press o Pa 2400 2200 Press o Tempo 5 Figura 5 17 Compara o da press o na CAO e nos reservat rios A e B 50 Analisando os dois gr ficos da Figura 5 17 em conjunto verifica se que a maior diferen a de press o entre os reservat rios se d para as maiores press es atingidas Este resultado confirma as expectativas pr vias aos ensaios devido ao di metro dos furos entre c maras Como os furos entre a CAO e o reservat rio A sao de dimens o superior aos entre press o sobe mais rapidamente em A que em B Caso fossem dimens es semelhantes esperar se ia que a diferen a entre press es fosse muito mais reduzida Estes resultados permitem concluir que a rela o destes di metros deve ser tanto maior quanto poss vel para maximizar a diferen a de press o obtida entre reservat rios 5 4 5 Diferen a de Press o entre Reservat rio A e CAO Esta diferen a aqui analisada para se perceber qual o efeito dos furos das v lvulas na passagem de press o da CAO para o reservat rio Na altura de concep o do modelo admitiu PA se um valor de 0 8 para a rela o 2 em que pa s o respectivamente a press o no reservat rio A e na base da coluna de gua sendo este quociente considerado constante No entanto pela
10. 9 Verificar as caracter sticas da onda at cumprir os requisitos 10 Verificar que os sinais se encontram todos em regime estacion rio 11 Guardar os resultados 12 Parar a gera o de onda e esperar at o n vel da gua voltar a zero 13 Repetir os passos de 8 a 12 para todas as caracter sticas desejadas e o n mero de vezes necess rio para cada ensaio 31 14 Repetir passos de 1 a 13 para as quatro geometrias em teste O segundo ensaio repete os passos acima descritos sendo necess ria a confirma o da compatibilidade dos deslocamentos e da press o no reservat rio A com os testes do primeiro ensaio Esta confirma o da compatibilidade faz se no passo 10 do procedimento descrito atr s De notar que a viabilidade do segundo ensaio come a no acerto do volume de gua nos reservat rios uma vez que afecta a press o total lida Desta forma na respectiva etapa do procedimento necess rio garantir que a press o no reservat rio A a mesma que registada no primeiro ensaio 32 Capitulo 5 5 Resultados e Discuss o Neste cap tulo v o ser apresentados e explicados os tratamentos aplicados aos sinais adquiridos De seguida apresentam se os resultados experimentais obtidos sendo estes analisados e discutidos ao longo de todo o cap tulo No fim da an lise dos resultados experimentais faz se uma compara o com o modelo te rico de c lculo da press o atingida na coluna de gua de modo a se obter uma estim
11. consequentemente a queda de press o neste reservat rio Confirmou se que a utiliza o de reas superiores s necess rias nas liga es das c maras em conjunto com a recircula o 60 permitem um maior aumento da press o nos reservat rios do que ocorreria caso os furos n o fossem sobredimensionados Conseguiu se criar diferen as de press o consider veis entre os dois reservat rios cerca de 14 da varia o de press o na CAO para a escala do modelo utilizado Verifica se como esperado que a sa da de fluido do reservat rio B n o intensifica a diferen a de press o mas prolonga a por mais tempo Os caudais movidos no modelo experimental s o muito reduzidos na ordem dos centilitros A compara o dos resultados do modelo com a teoria demonstrou que a esta escala o erro entre os dois pequeno Face a esta demonstra o realizaram se c lculos a partir do modelo te rico para estimar os valores num modelo escala real a uma profundidade de aproximadamente 8 metros imposs vel prever o efeito da recircula o do fluido na base da CAO num aparelho a uma escala maior apenas com recurso aos ensaios feitos e se o seu impacto aumenta com o aumento da escala Utilizaram se as rela es obtidas para o modelo experimental para estimar os valores do aparelho escala real assumindo varia es id nticas Sempre que poss vel efectuaram se as aproxima es por defeito de modo a n o sobrestimar o potencial da in rcia d
12. gua contida na coluna que oscila devido aos esfor os da onda sobre a b ia a qual est acoplada a coluna Para que ao aumento de press o resultante da altera o da acelera o da coluna de gua se possa somar a componente hidrost tica a coluna de gua encontra se aberta para o exterior na parte superior junto b ia de superf cie que assegura a flutuabilidade do conjunto Na base inferior da coluna h dois reservat rios um de alta press o A e outro para baixa press o B que est o em contacto com a coluna atrav s de v lvulas de n o retorno A Figura 3 1 ilustra dispositivo descrito atr s A concep o deste dispositivo da autoria do orientador desta tese Figura 3 1 Esquema do dispositivo em estudo Os dois reservat rios est o ligados entre si permitindo passagem de flu do do de alta press o para o de baixa atrav s de uma turbina hidr ulica A desacelera o da coluna de gua no fundo do aparelho ocorre devido a dois fen menos Por um lado tem se os momentos de mudan a de sentido do aparelho em que se criam velocidades relativas com a CAO negativas Por outro lado tem se a entrada sa da de gua da coluna de para o exterior Quando o aparelho sobe a coluna de gua sobe solid ria com este Como a passagem da onda um pouco mais r pida que o movimento do aparelho 14 o aparelho tem atraso relativamente onda ocorrem ocasi es em que a altura da coluna de agua superior da superf cie liv
13. importante agora analisar a que correspondem estas varia es de press o na base da CAO em termos de diferen a de press o entre os dois reservat rios Este realmente o factor determinante na decis o da melhor geometria uma vez que se ir traduzir directamente na pot ncia poss vel de se extrair Em primeiro lugar fica patente que as aparentemente pequenas diferen as de press o na CAO t m maior relev ncia na diferen a de press o entre os reservat rios Anteriormente viu se que para uma amplitude de onda de 8 cent metros e frequ ncia de 0 8 Hz as geometrias com discos inferiores e sem discos se sobressaiam das restantes No entanto a diferen a observada na Figura 5 10 muito mais gradual entre geometrias sem se observar um salto unico entre as duas piores e as duas melhores Na realidade a diferen a de press o entre reservat rios nos ensaios com discos inferiores menor que o esperado visto que deveria adoptar um valor similar geometria sem discos da mesma forma que a press o na CAO Esta diferen a voltando an lise da coluna de gua deve se a press es m ximas menos intensas e press es m nimas mais intensas Estas pequenas varia es relativamente geometria sem discos resultam em press o ligeiramente inferior no reservat rio A e ligeiramente superior no B que somados os efeitos resultam numa menor diferen a entre reservat rios Diferen a de Press o entre o Reservat rio e Reservat rio B F
14. lvulas se dar para uma diferen a de alturas de gua inferior a 1 mm ajuda a perceber a elevada sensibilidade das v lvulas De notar tamb m que durante este teste o reservat rio foi movido v rias vezes de posi o para atestar que pequenas movimenta es do flu do n o comprometem a impermeabilidade das v lvulas 5 2 Tratamento dos Sinais Num trabalho experimental desta natureza fundamental tratar os sinais recebidos para obter resultados com maior fidelidade e consist ncia sabido que na aquisi o de sinal o ru do pode fazer variar as medi es e alterar os resultados Na Figura 5 2 pode observar se um sinal do sensor de press o GE Druck e um do man metro utilizado Sinal Sensor GE Druck Press o Pa 50 0 5 1 1 5 2 2 5 3 Tempo s Sinal Man metro 3000 a 2500 WY A 2000 i 0 0 5 1 1 5 2 2 5 3 Tempo s Figura 5 2 Sinais reais dos dois sensores de pressao Verifica se a exist ncia de ru do nos sinais principalmente no proveniente do man metro devido a maior sensibilidade por parte deste Al m do ru do observa se que os sinais n o est o em fase o que indica atraso na leitura de um sensor relativamente ao outro Este atraso n o deveria existir uma vez que os tubos de liga o s tomadas de press o dos dois sensores se 34 encontravam no mesmo local lado a lado e portanto encontravam se sobre a mesma ac
15. o por parte da onda Outro erro inerente s o pequenas flutua es na amplitude do sinal Estas flutua es acontecem devido ao facto das ondas incidentes n o serem sempre da mesma amplitude e tamb m devido ao facto dos tubos que fazem a liga o entre as tomadas de press o e os man metros se deslocarem com o modelo Estes erros podem na generalidade ser corrigidos para a obten o de um sinal mais est vel No entanto existir o situa es em que ser necess ria a an lise de sinais n o tratados Atraso sensor manometro e sonda de n vel Com o decorrer dos ensaios tornou se evidente que o sensor de press o GE Druck continha um atraso consider vel na leitura Este foi determinado relativamente leitura de posi o feita pelo laser Uma vez que ambos os sinais possuem a mesma frequ ncia optou se por determinar o desfasamento a partir dos m ximos e m nimos dos sinais em intervalos equivalentes a uma oscila o Assim calculou se o atraso do sinal para v rios intervalos consecutivos e posteriormente calculou se a m dia deste atraso Este procedimento foi repetido para v rios ensaios distintos a diferentes amplitudes e frequ ncias No final obteve se um atraso m dio de 293ms para o sensor GE Druck Uma vez mais os tubos de liga o encontravam se colocados na zona de medi o do sensor laser tendo sido colocadas para que n o existisse desfasagem entre os sinais MN SNS N N z 0 03
16. obtidos pelo modelo te rico para a escala real Press o Pa Press o Pa Aumento Escala Modelo Experimental Escala Real M dia 2532 78347 31x Amplitude 555 4958 9x Tabela 5 3 Compara o da press o da CAO entre as diferentes escalas O aumento da m dia resulta da maior profundidade dos reservat rios enquanto o da amplitude vem da an lise da express o 5 2 com as rela es apresentadas anteriormente para as medidas geom tricas 2 e 49 30XLmodeio w2L ponina wt pg 30 43 wt 5 real 2 9 094 cos wt 5 3 modelo pg A cos wt real Para se estimar o valor da diferen a de press o entre reservat rios recorre se a an lise feita para o modelo desta mesma diferen a Adimensionaliza se a diferen a de press o obtida experimentalmente com a press o da coluna de agua uma vez que esta afecta os dois reservat rios Diferenga de press o entre A adimensionalizada 0 05 0 025 0 02 0 015 0 01 0 005 1 1 5 2 2 5 5 4 Tempo 51 Figura 5 24 Diferen a de press o adimensionalizada 57 Aplica se esta adimensionaliza o ao modelo te rico escala real e obt m se assim uma estimativa das diferen as de press o obtidas Diferen a de press o entre E Escala Real 2200 2000 1500 1500 1400 1200 Press o 1000 BOO 400 5 10 15 20 25 20 35 40 Tempo si Figura 5 25 Diferen a de press
17. 1 0 Hz despite the ressonance frequency be at 0 8 Hz This result results from the higher influence of the deceleration for this frequency when compared to other cases The values for flow and power at the model scale were very small but allow the extrapolation to the real scale The rating at a higher scale was calculated with the theoretical model which showed to be very accurate when compared with the experimental results At a 30 1 scale it may be possible to produce between 20 and 467 W for a 3 meter wave height and 10 seconds period However it can be expected that increasing the device length and therefore it depth allow power outputs of tens of kW As a last conclusion it remains the doubt whether the deceleration of the water column will be an efficient means to extract energy from the waves Nevertheless this effect can be used to in other devices with different power take offs to enhance energy extraction Key words Oscillating water column deceleration wave energy power vii vill ndice AGRADECIMENTOS sussa uyu u u s Um ui aun saio u nia ssa paia II 5 V ABSIRACT gt u uu a u echoed m mas VII INDICE o
18. 19 4 2 O MODELO ao a ena te an nl 20 4 2 1 Pe as tejerentes qo outro modelo man isa 20 4 2 2 Pecas especificas do modelO 21 4 3 AINSTRUMENTA O seres Sel aa dadada 24 4 3 1 Equipamento de Gera o de Ondas 24 4 3 2 PRESS AO 2 25 4 3 3 Deslocamentos koma m va 27 4 3 4 Placa e Programa de Aquisi o de Dados 29 4 4 ENSAIOS REALIZADOS E REPETIBILIDADE N I u dean 30 4 5 METODOLOGIA DOS ENSAIOS aum DD O aaa na 31 CAPITULO Su sY 33 RESULTADOS E DISCUSS O a isa 33 5 1 VERIFICA O DA VALIDADE DAS VALVULAS wid ice S a s kaidi ad 33 TRATAMENTO DOS SINAI S nai kala aia 34 5 3 COMPARA O DE GEOMETRIAS uya O SS O a alad 38 53 1 PD CSIO COI en OS a a E Ca OOT 38 5 3 2 Press o na Coluna de n da eliane 40 5 3 3 Diferen a de Press o entre Reservat rio 42 5 4 MELHOR GEOMETRIA SEM DISCOS Z l saida adia saia 46 5 4 1 Deslocamento do Modelo e Onda incidente
19. Ap s a an lise dos deslocamentos pode agora comparar se a press o total atingida na base da coluna de gua nas quatro diferentes geometrias Esta compara o deve ser feita tendo em conta varia es de amplitude e frequ ncia de modo a se compreender em que condi es cada geometria pode retirar melhores vantagens Esta an lise relevante para se perceber o efeito que cada geometria tem nas varia es de press o Freg1 2 Freg1 0 2000 2500 2600 2400 2200 Press o Total na Coluna de Agua Press o Total na Coluna de Aqua Pa 2000 dE 5 DE 58 23 Tempo 5 Tempo 5 a T Freg0 6 5 3000 I 2800 2 ES 2600 4 4 E 2400 2200 E 5 2000 A a 15 2 25 3 a Tampo Com discos Sem discos Com discos Superiores Com discos Interiores Figura 5 8 Gr ficos compara o da press o da CAO para v rias frequ ncias e geometrias 40 Yo 70 85 94 86 Da an lise da Figura 5 8 verifica se que a evolu o com a frequ ncia dentro da mesma geometria semelhante para todos os casos ensaiados A press o aumenta ate 1 0 Hz embora a oscila o seja maior para 0 8 Hz sendo atenuada para frequ ncias superiores Em frequ ncias ligeiramente superiores de resson ncia a desacelera o da CAO mais brusca e a diferen a no deslocamento acaba por n o afectar significativamente a press o atingida N
20. RIO A TEMPO TEMPO DECORRIDO COM A V LVULA DE A ABERTA VELOCIDADE VOLUME DE GUA QUE ESCOA DO RESERVAT RIO A PARA O B VOLUME DE GUA QUE ESCOA DA CAO PARA O RESERVAT RIO A POT NCIA PROFUNDIDADE COTA EM REPOUSO DENSIDADE DESLOCAMENTO VELOCIDADE ACELERA O FREQU NCIA DE ONDA VARIA O DE PRESS O ENTRE OS RESERVAT RIOS A E B XVII m Hz m s7 m Pa Pa Pa Pa Pa m s m s s s m s m m W m m kg m m m s m s rad s Pa XVIII Cap tulo 1 1 Introdu o O presente trabalho trata da avalia o do potencial de desenvolvimento de um novo conceito para a extrac o de energia das ondas O modelo desenvolvido associa conceitos utilizados noutras tecnologias j existentes procurando no entanto explorar efeitos diferentes A sua concep o estrutural baseia se num aparelho desenvolvido para opera o em alto mar consistindo numa b ia superf cie ligada a uma massa adicional submersa por interm dio de um tubo oco no qual gua oscila livremente As principais diferen as entre este conceito e a tradicional CAO s o o m todo de utiliza o da coluna de gua oscilante e o sistema de convers o de energia power take off PTO Na coluna de gua oscilante CAO tradicional ar comprimido na c mara pneum tica da b ia accionando uma turbina usualmente uma turbina Wells ou de impulso sendo este efeito tanto mais intenso quanto mai
21. UTILIZADA PARA MEDIR N VEL DA ONDA INCIDENTE WAVE PROBE MONITOR 28 FIGURA 4 12 RECTA DE CALIBRA O DA SONDA DE 28 FIGURA 4 13 LASER UTILIZADO PARA A MEDI O DO DESLOCAMENTO DO MODELO 29 FIGURA 4 14 RECTA DE CALIBRA O DO LASER iu uy ds a uns a mQ daa 29 FIGURA 5 1 TESTE DAS V LVULAS UTILIZADAS NOS ENSAIOS A CORANTE NO RESERVAT RIO A B CORANTE NO RESERVAT RIO ms mu DD RC a Z ys 33 FIGURA 5 2 SINAIS REAIS DOS DOIS SENSORES DE PRESS O FIGURA 5 3 DESFASAMENTO DOS SINAIS DE DESLOCAMENTO MEDIDO COM LASER E DE PRESS O COM O SENSOR GE DRUCK TO a EN VAZ DE E 35 FIGURA 5 4 COMPARA O ENTRE OS SINAIS REAIS E CORRIGIDOS DOS SENSORES DE PRESS O 36 FIGURA 5 5 FOTOGRAFIA DA MONTAGEM UTILIZADA PARA OS ENSAIOS DO ERRO DE DESACELERA AO 37 FIGURA 5 6 ERRO DE LEITURA DO SENSOR GE DRUCK DEVIDO AO MOVIMENTO DAS TOMADAS DE PRESSAO 37 FIGURA 5 7 GR FICOS COMPARATIVOS DO DESLOCAMENTO DO MODELO PARA V RIAS FREQU NCIAS E GEOMETRIAS 39 FIGURA 5 8 GR FICOS DE COMPARA O DA PRESS O DA CAO PARA V RIAS FREQU NCIAS E GEOMETRIAS 40 FIGURA 5 9 COMPARA O DA PRESS O DA CAO PARA V RIAS FREQU NCIAS E
22. ar na b ia superior de forma a que esta n o se encha de gua por ac o de salpicos A acumula o de gua nesta c mara poderia levar a altera es de massa e in rcia do modelo conduzindo a resultados incoerentes Permite tamb m a liga o a v rios discos que visam alterar o di metro da b ia superior do modelo atrav s de parafusos V lvulas O projecto das v lvulas para este modelo apresentou se complicado dadas as pequenas dimens es de todas as pe as as baixas diferen as de press es envolvidas e a necessidade de n o perder volume nos reservat rios Ap s pesquisa no mercado verificou se que as v lvulas existentes n o serviriam por violarem alguns dos requisitos nomeadamente o terem de funcionar com baixas press es e necessitarem de terem um pequeno volume Sendo assim 22 teve que se pensar em algo que fosse de muito r pida resposta e que n o permitisse a passagem de gua no sentido n o desejado Fizeram se v rios testes com diferentes materiais uma bola de t nis de mesa cortada dimens o ou seja apenas um disco c ncavo e orientada por uma gaiola v rias espessuras de borracha alguns pl sticos e finalmente com fita isoladora Alguns testes mostraram ser eficientes na resposta ou a vedar ou at em ambos O caso da bola de t nis de mesa a assentar numa fina camada de borracha parecia ser uma boa solu o mas verificou se que por vezes o disco perdia a orienta o e permitia a passagem de alguma
23. capacidade de auto renova o para suster a larga procura existente e deste modo a procura por fontes alternativas de energia um assunto de extrema import ncia Al m da falta de estabilidade o preju zo ambiental provocado pela utiliza o destes combust veis est a atingir limites insustent veis gerando tamb m uma vertente alarmante e de urg ncia na mudan a das fontes energ ticas A crescente aposta em energias renov veis que al m de serem recursos praticamente ilimitados n o provocam problemas ambientais denota a vontade de mudan a antes de se atingirem extremos cr ticos Os oceanos equivalem a 70 da superf cie do planeta e o potencial destes revela se enorme Existem v rias formas de aproveitamento dos oceanos para a convers o de energia a energia associada ao gradiente t rmico OTEC a energia associada ao gradiente salino a energia das correntes oce nicas e de mar a energia das mar s e a energia das ondas que nos interessa particularmente nesta tese A energia das ondas ainda que n o directamente tem origem na energia solar Esta a respons vel pelas correntes de convec o na atmosfera i e O vento que por sua vez gera as ondas nos oceanos A energia das ondas constituem a forma de energia renov vel mais densa no planeta No entanto os aparelhos existentes a data n o disp em ainda de condi es para serem uma solu o vi vel de fornecimento de energia pois n o s o ainda suficientemente fi
24. da b ia junto base desta aumenta a press o obtida para frequ ncias e amplitudes de onda elevadas ficando em aberto a possibilidade de combina o desta geometria com a geometria base utilizada Esta ltima foi analisada em detalhe devido obten o dos melhores resultados de entre quatro geometrias testadas Relativamente a esta geometria verificou se que a melhor frequ ncia de onda 1 Hz ainda que a frequ ncia de resson ncia do modelo estivesse mais pr xima de 0 8 Hz devido ao efeito mais acentuado da desacelera o da CAO para este caso escala do modelo os valores obtidos para o caudal e a pot ncia foram muito reduzidos motivando a estimativa destes valores para uma escala real de forma a melhor se perceber qual a gama de pot ncias que este efeito pode gerar A estimativa a uma escala superior foi feita atrav s do modelo te rico ap s comprova o que este aproximava com elevada precis o os resultados do modelo experimental Os valores estimados para uma escala de 30 1 demonstraram que poss vel obter pot ncias entre 20 e 467 W para uma altura de onda de 3 metros e per odo de 10 segundos tendo as aproxima es sido efectuadas por defeito Estima se ainda que com o aumento das dimens es do aparelho nomeadamente o seu comprimento e consequentemente profundidade a pot ncia extra da possa atingir as dezenas de kW Em conclus o final fica a d vida sobre se a desacelera o da CAO pode ser utilizada individualm
25. energia das ondas seja considerada dispendiosa Somando a esta contrariedade est o as despesas na opera o e manuten o dos aparelhos Nos ltimos anos tem existido a tentativa de incorporar sistemas de produ o de energia das ondas em obras civis como quebra mar dividindo as despesas de ambos os projectos e simultaneamente partilhando as zonas de manuten o Contudo em v rios casos constata se que o acr scimo de despesa devido s remodela es necess rias dos projectos demasiado elevado para ser vi vel na maioria dos casos Ultrapassando as dificuldades atr s descritas existir ainda um grande obst culo ao desenvolvimento das tecnologias o pre o de produ o da energia Os elevados pre os de produ o relativamente aos pre os praticados pela energia f ssil e e lica ser o potenciados principalmente pelo custo de opera o e manuten o dos aparelhos tendo ainda as amarra es uma fatia importante nestas despesas No entanto as previs es dos pre os que se poder o praticar s o promissoras Em v rias zonas dos EUA cr se poder atingir se uma tarifa entre os 0 09 e os 0 11 kWh P conseguindo melhores pre os de venda que os obtidos pela energia solar 80 20 a 0 30 kWh mas ainda longe dos praticados pela energia e lica 0 05 kWh Z 22 e f ssil 0 03 kWh 2 Na Europa o pre o desta energia 0 08 EUR kWh rondar tamb m o dobro do pre o corrente existente para os mixes prat
26. estas medidas geom tricas resultam em aparelhos pequenos n o demonstrando o potencial que um aparelho de outras dimens es poder ter Este facto deve se as alturas de onda utilizadas serem relativamente grandes comparativamente com o tamanho do modelo em si Para se puder fazer uma an lise para aparelhos a uma escala ainda maior necess rio testar o modelo para ondas com menor amplitude Como se descreveu na sec o de Fundamentos Te ricos a press o devido a desacelera o da CAO depende fundamentalmente da frequ ncia da onda ao quadrado e de L Relativamente ao modelo experimental utilizado a frequ ncia ao quadrado diminui aproximadamente 100 vezes enquanto o comprimento L aumenta cerca de 30 vezes Outro factor que tamb m deixa antever maiores diferenciais de press o a maior amplitude das ondas que aumenta cerca de 30 vezes x 107 Fress o te rica na CAO escala real Total 6 5 g i 2 EL 5 5 10 15 20 25 20 35 40 Tempo s Press o te rica na CAO escala real waria o 5000 Ee m 2 EL 5000 5 10 15 20 25 20 35 40 Tempo Figura 5 23 Press o te rica na CAO a escala real 26 Como se pode observar na Figura 5 23 a press o atingida na coluna de gua relativa a press o atmosf rica atinge cerca de 8 3 x 10 Pa 0 8 bar e a sua varia o de amplitude os 5 x 10 Pa A tabela 5 3 faz a compara o entre os valores obtidos experimentalmente e os
27. j se encontre 46 numa posi o inferior Esta diferen a de fase tem algumas consequ ncias quanto ao n vel da coluna de gua No movimento descendente da onda a diferen a de press o hidrost tica leva a que a velocidade de sa da da gua da CAO aumente Esse efeito ben fico enquanto o aparelho se encontra em movimento ascendente e a onda em descendente uma vez que privilegia a desacelera o da CAO em rela o ao aparelho No entanto quando o modelo passa ao movimento descendente o efeito passa a ser de oposi o desacelera o pois um maior caudal a sair da b ia superior far maior oposi o gua da coluna na zona inferior n o a permitindo ter um movimento contr rio ao do aparelho t o forte como o que aconteceria se a fase fosse perfeita Deslocamento do Modelo e Onda incidente 0 06 0 04 0 02 o Amplitude 0 02 0 04 0 06 Onda incidente Deslocamento Modelo Figura 5 14 Compara o entre a onda incidente 10 cm e 1 0Hz e o deslocamento do modelo 5 4 2 Press o coluna de gua Na an lise das diferentes geometrias utilizou se sempre o sinal tratado pela transformada de Fourier uma vez que esta tem o mesmo efeito em todos os sinais No entanto interessante analisar o sinal real da press o na CAO 47 Press o Coluna de gua Sinal Real T Lo T T 3000 2600 E 2600 Press o Pa 2400 2200 2000 L Tempo s Figura 5
28. l 1 l 1 1 5 2 25 3 35 4 45 5 Figura 5 3 Desfasamento dos sinais de deslocamento medido com laser e de press o com o sensor GE Druck 35 Olhando para a Figura 5 3 os m nimos no sinal superior deveriam estar em fase com os m ximos do sinal abaixo Este facto deve se natureza do ensaio realizado que contava com um tubo de liga o fixo ao canal a uma determinada profundidade e outro fixo ao modelo em oscila o Deste modo no momento em que o modelo atinge a maior profundidade d se a maior diferen a de press o entre tomadas e vice versa O procedimento foi repetido para o man metro e sonda de n vel com resultados de 3ms 140ms respectivamente FFT Uma vez que os sinais s o aproximadamente sinusoidais recorreu se a utiliza o do m todo de Fast Fourier Transform FFT para aproximar as leituras a um sinal est vel e limpo de ru do Este tratamento calcula a m dia do sinal a sua amplitude m xima fase e frequ ncia permitindo posteriormente a utiliza o destes valores para a constru o do sinal limpo No entanto embora o tratamento limpe os sinais do ru do permitindo a utiliza o dos seus valores cria pequenos erros de amplitude em intervalos do sinal Nos casos em que o sinal real n o sinusoidal nomeadamente quando ocorrem patamares os sinais foram analisados sem tratamento Para compara o entre o mesmo tipo de sinais ser o sempre apresentados OS sinais tratados
29. ncia das ondas para v rias localiza es 2 2 2 Potencial Ambiental Na Figura 2 3 comparam se as emiss es de carbono por ciclo de vida das diferentes tecnologias de energia existentes Nesta an lise consideram se as emiss es para a constru o dos diferentes aparelhos e verifica se a grande diferen a entre as energias renov veis e os combust veis f sseis Small Scale Hydro Wind PV Nearshore wave CCGT Average UK Mix 1993 Modern Coal Plant 1 10 100 1000 Life Cycle Emissions g kWh Figura 2 2 Compara o das emiss es de ciclo de vida para os diferentes tipos de energia Como se observa da an lise do gr fico a energia das ondas na qualidade de energia renov vel possui tamb m o seu grande potencial relativamente ao ambiente Presentemente estima se que entre um a dois milhares de milh es de toneladas de emitidos por ano possam ser evitados pela substitui o de combust veis f sseis pela explora o da energia das ondas em larga escala 9 tamb m necess ria uma an lise relativamente a outros factores ambientais tais como o impacte nas esp cies marinhas a polui o sonora e visual e at a influ ncia nas linhas costeiras Estes factores dividem se em dois grupos tendo em conta localiza o dos aparelhos de ondas usados na costa ou off shore A presen a de aparelhos na costa tem de ter em conta a destrui o de paisagens c nicas e a influ ncia sonora nas pop
30. o Com este trabalho verificou se que o di metro interior da b ia superior do modelo produz efeito na desacelera o da coluna de gua Confirmou se no entanto que a geometria mais est vel e com melhores respostas para uma maior gama de estados do mar a geometria original em que o di metro interior da b ia e portanto a sec o da coluna de gua s o uniformes Avaliam se as respostas para v rias frequ ncias e amplitudes confirmando se as evolu es esperadas A inclus o de discos na zona inferior da b ia cuja consequ ncia reduzir a sec o transversal da coluna de agua nessa zona aumenta a amplitude das press es atingidas tendo um efeito positivo para frequ ncias e amplitudes elevadas e negativo para as restantes Geometrias que aumentem a massa do dispositivo a ponto de constrangerem a amplitude das oscila es t m um efeito negativo na press o obtida Verificou se que para frequ ncias mais elevadas o amortecimento do modelo aumenta rapidamente Para o efeito desta disserta o elegeu se uma geometria que se considerou como ptima embora n o seja absolutamente seguro que n o seja poss vel encontrar geometrias melhores com mais trabalho de pesquisa Nos ensaios para a melhor geometria encontrada p de verificar se a influ ncia da recircula o do fluido na base da CAO favorecendo numa primeira inst ncia o aumento de press o em A e contrariando a sa da de fluido de B no momento da abertura da v lvula e
31. observa o das evolu es das press es nas duas c maras percebe se que este valor n o ser constante pelo que interessa saber qual o seu m nimo uma vez que ser nessa Situa o que se ter a maior diferen a de press o entre a coluna de gua e o reservat rio Ae consequentemente o maior caudal da CAO para A Press o na coluna de gua Reservat rio A e B Press o Pa pA pColuna pB pColuna Tempo s Figura 5 18 Diferen a de press o entre Reservat rios e a CAO 51 Na Figura 5 18 em baixo pode identificar se explicitamente o momento de abertura das v lvulas a invers o da evolu o das curvas Fica tamb m patente a regularidade dos sinais com as v rias ondas assim como o caudal demasiado elevado entre reservat rios que leva a press es iguais nos dois reservat rios em determinadas zonas da onda Por outro lado tamb m facilmente vis vel a irregularidade da diferen a analisada e consequentemente a irregularidade da rela o Uma vez que quando a press o em A 2 superior as v lvulas est o fechadas tem se que n o existe passagem de caudal nessas alturas Na Figura 5 19 pode verificar se mais detalhadamente a raz o a quando existe 2 caudal Rela o entre press o no reservat rio A e na CAO pA pCol 1 05 i w 09 1 AE 2 2 Figura 5 19 Rela o a s quando passagem de caudal Fica patente que o valor adoptado nos c lculo
32. reservat rio dividido de forma a criar duas c maras O volume dos reservat rios deve ser tal que permita que todo o caudal possa entrar ao longo de uma oscila o Neste modelo este volume n o consistiu problema devido aos baixos caudais associados calculados previamente b Figura 4 3 Estrutura dos reservat rios a real b projecto A concep o do reservat rio como um todo simples Utilizam se dois cilindros ocos ligados por duas placas finas para dividir as c maras Ao olhar para esta pe a verifica se que as c maras s ser o fechadas pelas tampas posteriormente Este aspecto foi considerado de forma a se puder aceder de forma relativamente f cil s v lvulas no caso de algum problema surgir Note se ainda que o cilindro interior cortado com 4 entradas de dimens o consider vel Estes espa os permitem a liga o de placas planas que melhor servem os prop sitos das v lvulas Outro aspecto a considerar s o os furos nas divis rias do reservat rio Uma vez que a esta escala a incorpora o de turbinas imposs vel estes furos t m o objectivo de deixar passar gua entre os reservat rios simulando desta forma a perda de press o que existiria em 21 situa o real No desenvolvimento do modelo pensou se que a press o hidrost tica pudesse variar com maior intensidade do que a verificada na pr tica pelo que o di metro dos furos criados exagerado Este facto implica que o caudal entre reserva
33. veis e economicamente rent veis A previs o que num futuro relativamente pr ximo este tipo de energia possa vir a contribuir significativamente para produ o da energia que consumimos Ao longo dos ltimos 30 anos assistiu se pesquisa e lan amento de v rios prot tipos para absor o de energia das ondas maioritariamente por parte de um pequeno grupo de pa ses Dinamarca Irlanda Portugal Noruega Su cia Jap o ndia Austr lia e principalmente Reino Unido Nos ltimos anos a pesquisa alastrou se aos EUA China e Brasil principalmente 2 2 Potencial 2 2 1 Potencial Energ tico Actualmente estima se que as ondas contenham um potencial a n vel global entre 2 e 3 TW 123 sendo que com as tecnologias existentes apenas cerca de 20 pode ser explorado Estudos quantificam a energia armazenada nas ondas cerca de 15 a 20 vezes superior por metro quadrado que a obtida pelos dispositivos e licos ou solares O potencial bruto dispon vel nas ondas das linhas costeiras dos pa ses pioneiros no desenvolvimento desta energia disp em consider vel ver tabela 2 1 sendo um grande incentivo na procura de tecnologias de alto rendimento Pa s Potencial GW Su cia 1 Noruega 46 Dinamarca 3 9 Irlanda 21 5 Portugal 21 Reino Unido 120 Austr lia 146 China 128 5 EUA 240 Europa 320 Mundo 2000 a 3000 Tabela 2 1 Potencial energ tico em GW nos pa ses mais relevantes no desenvolvimento d
34. wikipedia org wiki Wave power 4 L Margheritini D V 2009 SSG wave energy converter Design reliability and hydraulic performance of an innovative overtopping device Renewable Energy 1371 1380 5 Falnes J 2007 A review of wave energy extraction Marine Structures 185 201 6 J M B P Cruz A J N A Sarmento Energia das ondas Introdu o aos aspectos tecnol gicos econ micos e ambientais Instituto do Ambiente Alfragide 2004 7 REUTERS D F 2010 Ondas do mar poder o fornecer energia a Austr lia cientistas Retrieved 2010 from http www estadao com br noticias vidae ondas do mar poderao fornecer energia a australia cientistas 596323 0 htm 8 Zhang D Li W amp Lin Y 2009 Wave energy in China Current status and perspectives 9 Minerals Management Service U S Department of the Interior 2006 Wave Energy Potential on the U S Outer Continental Shelf 10 Clement A McCullen P Falcao A Fiorentino A Gardner F Hammarlund K et al 2002 Wave energy in Europe current status and perspectives 11 Al Habaibeh A Su D McCague J amp Knight A 2010 An innovative approach for energy generation from waves 12 WaveRoller 2010 Harnessing the Blue Energy Retrieved 2010 from http www aw energy com index html 13 Thorpe T 1999 An Overview of Wave Energy Technologies Status Performance and Costs 14 Ocean Power Technologies 2010 Technolo
35. 15 Sinal real da press o na CAO Na Figura 5 15 podem identificar se zonas distintas afectadas pela abertura e fecho das v lvulas em especial a abertura das v lvulas do reservat rio B Ap s cada m ximo verifica se uma flutua o durante a descida da press o O mesmo tipo de flutua o existe ap s cada m nimo embora seja muito mais t nue que a anterior As oscila es verificadas nos m nimos e m ximos dos sinais devem se recircula o de fluido existente devido r pida desacelera o do modelo Este fen meno n o foi contabilizado antes e mais frente ser explicada a sua influ ncia na press o dos reservat rios O efeito da abertura das v lvulas importante de considerar quando se fizer a an lise entre as press es na CAO e nos reservat rios sendo essa a principal raz o de se utilizar o sinal real em vez do sinal tratado Como se pode observar na Figura 5 4 o tratamento do sinal com a transformada de Fourier elimina por completo o efeito da abertura de v lvulas e da recircula o que iria provocar uma an lise errada dos sinais combinados A tabela 5 2 apresenta ainda o valor m dio e a amplitude da varia o da press o na CAO Estes valores ser o posteriormente utilizados na compara o para um aparelho escala real Press o Pa M dia 2532 Amplitude 555 Tabela 4 2 Valores relevantes da press o na CAO 48 5 4 3 Varia o com a Frequ ncia Anteriormente analisou se a varia o
36. AIS RELEVANTES NO DESENVOLVIMENTO DA ENERGIA DAS ONDAS SA IS 4 TABELA 2 2 COMPARA O DO PRE O DE DISTRIBUI O DAS DIFERENTES ENERGIAS 14 8 TABELA 4 1 GAMA DOS SINAIS NA PLACA DE AQUISI O nine ada aan da cada acaba an doa 30 TABELA 5 1 VALORES M XIMOS E M NIMOS DO DESLOCAMENTO DO MODELO PARA AS DIFERENTES GEOMETRIAS E DA ONDA INICIE ENE E 40 TABELA 5 2 VALORES RELEVANTES DA PRESS O NA C O ccceccecsccscscsccscsscecsseccsseussccueescusecseecsseecsseecuseueuseueesens 48 TABELA 5 3 COMPARA O DA PRESS O DA CAO ENTRE AS DIFERENTES ESCALAS 5 XV XVI Nota o Acr nimos AWS ARQUIMEDES WAVE SWING CAO COLUNA DE GUA OSCILANTE IST INSTITUTO SUPERIOR T CNICO OWC OSCILLATING WATER COLUMN PTO POWER TAKE OFF SSG SEAWAVE SLOT CONE GENERATOR Lista de Vari veis T a gt RELACAO ENTRE PRESSAO NO RESERVATORIO A E NA CAO AMPLITUDE DE ONDA AREA DA LIGA O ENTRE OS RESERVAT RIOS A E B FREQU NCIA ACELERA O DA GRAVIDADE COMPRIMENTO DA ABERTURA NA CAO AT SUPERF CIE LIVRE DENTRO DOS RESERVAT RIOS PRESS O PRESS O ATMOSF RICA PRESS O TOTAL PRESS O RELATIVA HIDROST TICA PRESS O EM REPOUSO CAUDAL ENTRE OS RESERVAT RIOS A E B CAUDAL ENTRE CAO E RESERVAT
37. C t 20 t em que t o deslocamento vertical pelo que a velocidade e acelera o em 2 s o expressas de acordo com 2 8 82 0 15 Assumindo agora que a velocidade e acelera o da superf cie livre s o desprez veis face ao movimento do aparelho a equa o 1 permite obter PA gt Zo 4 2 3 4 Podem distinguir se claramente tr s termos distintos nesta express o O primeiro corresponde press o hidrost tica m dia o segundo varia o de press o hidrost tica induzida pela diferen a de cotas entre a superf cie livre e a base da coluna de gua e o terceiro a acelera o da coluna de gua O par metro L que aparece no termo de desacelera o designa o comprimento entre a abertura do modelo junto b ia superior e a superf cie livre do flu do dentro dos reservat rios e Po denomina a press o total em 2 Uma vez que para o caso em estudo interessam as varia es de press o relativamente ao seu valor m dio iremos trabalhar com a press o total em 2 relativamente ao seu valor m dio ficando 0 2 1 3 5 pg Pode agora relacionar se o deslocamento vertical a superf cie livre com as caracter sticas das ondas C neo 3 6 Em que A a amplitude complexa da onda e w a sua frequ ncia em radianos por segundo Associando a equa o 3 6 com a 3 5 e considerando apenas as amplitudes complexas tem se
38. CAO Ill E V ZONAS DE MOVIMENTO ASCENDENTE E DESCENDENTE COM AMBAS AS V LVULAS FECHADAS IV MOVIMENTE ASCENDENTE SA DA DE GUA DA CAO 15 FIGURA 4 1 CANAL DE ONDAS DO LABORAT RIO DE HIDRA LICA DO IST 1 PLATAFORMA DE 19 FIGURA 4 2 MODELO UTILIZADO NA DISSERTA O A REAL PROJECTO 20 FIGURA 4 3 ESTRUTURA DOS RESERVAT RIOS A REAL B 21 FIGURAS A V LVULA UTILIZADA NO MODELO I vei areas aa bad aaa aaa 23 FIGURA 4 5 CONJUNTOS DE DISCOS UTILIZADOS PARA ALTERA O DO DI METRO INTERNO DA B IA SUPERIOR A REAL DESACOPLADOS PROJECTO ESQUEMA DE MONTAGEM 24 FIGURA 4 6 EQUIPAMENTO DE GERA O DE ONDAS A CONTROLADOR ABSORVEDOR DE REFLEX ES 25 FIGURA 4 7 SENSOR DEPRESS O GE DRUCK UTILIZADO uu sessao spin y u 25 FIGURA 4 8 RECTAS DE CALIBRA O DO SENSOR GE 26 FIGURA 4 9 FRENTE DO MANOMETRO DE PRESS O 2 26 FIGURA 4 10 RECTA DE CALIBRA O DO MAN METRO DE PRESS O B7442 2 FIGURA 4 11 A SONDA DE N VEL
39. INSTITUTO SUPERIOR T CNICO An lise experimental do efeito de desacelera o de CAO em dispositivos de convers o de energia das ondas Tiago Manuel Murta Rosa de Sousa Pereira Disserta o para obten o do Grau de Mestre em Engenharia Mec nica J ri Presidente Orientador Co Orientador Vogal Outubro de 2010 Agradecimentos Gostaria de agradecer ao Prof Ant nio Sarmento pela oportunidade concedida de trabalhar um projecto experimental numa rea em crescimento como o a Energia das Ondas minha opini o que o desenvolvimento desta disserta o enriqueceu a minha forma o na medida em que tornou claras as dificuldades existentes na realiza o de ensaios experimentais Deixo tamb m um agradecimento ao Engenheiro Miguel Lopes pela total disponibilidade que ofereceu no decorrer do projecto do modelo utilizado assim como pelo material emprestado para a realiza o dos ensaios Tamb m pelo empr stimo do sensor Laser utilizado um obrigado doutoranda Ana Margarida Deixo ainda uma palavra para Jo o Caetano t cnico do Laborat rio de Hidr ulica pela companhia e apoio prestados durante o tempo de ensaios O meu mais sincero agradecimento vai para Tiago Duarte por todas as horas de discuss o sobre o trabalho a ser desenvolvido pela ajuda na montagem el ctrica e por todo o restante apoio dado A disponibilidade a cem por cento demonstrada facilitou muito a realiza o desta disserta o Dar tamb m
40. No centro do diagrama situam se os blocos de convers o dos sinais de voltagem para as unidades correctas nestes blocos que se inserem as caracter sticas de cada sensor isto os par metros de calibra o Cada bloco destes tem posteriormente uma liga o ao bloco de escrita e tamb m aos blocos de apresenta o dos gr ficos e valores no painel frontal do LabView 69
41. S EM KW M DE FRENTE DE ONDA DA POT NCIA DAS ONDAS PARA V RIAS LOCALIZA ES TAS ssa m a ap 6 FIGURA 2 3 COMPARA O DAS EMISS ES DE CICLO DE VIDA PARA OS DIFERENTES TIPOS DE ENERGIA 13 6 FIGURA 2 4 ESQUEMA DE FUNCIONAMENTO T PICO DE OWC COSTEIRO 9 FIGURA 2 5 ENERGETECH OWC PORT KEMBLA 10 FIGURA 2 6 REPRESENTA O DO MIGHTY WHALE 0ccccceccccncavcncavsncevnccovaceveascesspesaspesasracvsacarsacevnecevaccvsaseveaseoeas 10 FIGURA 2 7 AEGIR DYNAMO A ESQUEMA DO PROT TIPO B CONVERSOR DE MOVIMENTO DE TRANSLAC O PARA MOVIMENTO DE ROTA O E Saias A E Oi 12 FIGURA 2 8 ESQUEMA DE FUNCIONAMENTO GLOBAL 12 FIGURA 2 9 FOTOGRAFIA DE WAVE DRAGON EM FUNCIONAMENTO NA 13 FIGURA 2 10 QUADRO DE RESUMO DA CLASSIFICA O DE V RIAS TECNOLOGIAS DE CONVERS O DE ENERGIA DAS ONDAS 13 FIGURA 3 1 ESQUEMA DA ESTRUTURA DO MODELO 14 FIGURA 3 2 ESQUEMA DE FUNCIONAMENTO DO APARELHO 1 REPOUSO EQU LIBRIO ENTRE OS RESERVAT RIOS II MOVIMENTO DESCENDENTE ENTRADA DE AGUA NA
42. Searev o Anaconda o Pato de Salter o Aegir Dynamo etc A caracter stica comum de todos estes dispositivos o facto de todos possu rem partes constituintes da geometria em movimento por ac o directa da gua do mar aumentando o desgaste do aparelho Alguns deles partilham tamb m o m todo de extrac o de energia atrav s de turbinas hidra licas A ideia geral pressurizar um l quido com a ac o das oscila es das ondas e faz lo atravessar motores hidr ulicos ou turbinas hidr ulicas para gerar energia Alguns dispositivos utilizam o movimento relativo entre dois corpos um com baixa frequ ncia de resson ncia e o outro com alta para criar a sobrepress o AguaBuoy PowerBuoy WaveBob enquanto outros recorrem oscila o de um p ndulo apenas Pendulor Searev PS Frog Estes assim como o Pato de Salter McCabe Wave Pump e o Pelamis utilizam o movimento de rota o entre as diferentes pe as constituintes do aparelho para pressurizar o l quido O SDE consiste no aproveitamento do movimento das ondas junto a um quebra mar utilizando v rias p s para captar as oscila es e comprimir o l quido Os respons veis por esta tecnologia afirmam conseguir um pre o de mercado de 0 02 kWh 23 O Anaconda um projecto em desenvolvimento que utiliza as diferen as de press o causadas pela deforma o do seu corpo de borracha para formar uma press o elevada numa das extremidades extraindo energia atrav s de turbinas hidr ulica
43. TIDA EXPERIMENTALMENTE E TEORICAMENTE 54 FIGURA 5 22 COMPARA O DA PRESS O DO RESERVAT RIO A OBTIDA EXPERIMENTALMENTE E TEORICAMENTE 55 FIGURA 5 23 PRESS O TE RICA NA CAO ESCALA REAL 56 FIGURA 5 24 DIFEREN A DE PRESS O 57 FIGURA 5 25 DIFEREN A DE PRESS O ENTRE ESTIMADA UM APARELHO ESCALA REAL 58 FIGURA 5 26 CAUDAL ESTIMADO ENTRE RESERVAT RIOS PARA UM APARELHO 58 FIGURA 5 27 POT NCIA ESTIMADA DE UM APARELHO ESCALA REAL csssssccuscousscsceuscoussesesasccussasceusccussossnascoussesss 59 FIGURA AT TUBO DE AUXILIO AO GUIAMENTO ausaks aanus 65 FIGURA A Z CONJUNTO PE A MME PECA JS l DOADORES NAU Ika G ema 66 FIGURA A 3 PE AS DE LIGA O DO MODELO AO TUBO DE GUIAMENTO A LIGA O SUPERIOR B LIGA O INFERIOR 67 FIGURA B 1 PAINEL FRONTAL DO PROGRAMA EM LABVIEW scceccecsecsecncceccecsecsececcecsecseceeeueeesseeseeeceeseeseeeeeeceeseees 68 FIGURA B 2 DIAGRAMA DE BLOCOS DO PROGRAMA EM LABVIEW sccsccscsecsececcsececcecsecneencceceeseeseeeeeeseeseeeeeeeeeeseess 69 XIII XIV Lista de Tabelas TABELA 2 1 POTENCIAL ENERG TICO EM GW NOS PA SES M
44. WC simples formado por um cilindro vertical longo dimensionado para que se atinja a resson ncia da coluna de gua tendo no topo uma turbina a ar Uma das vantagens destes aparelhos flutuantes a fixa o sendo ancorados com um elevado grau de liberdade ao fundo do oceano Por oposi o existe o Orecon que constitu do por v rias colunas de diferentes comprimentos e ancorado por cabos sob tens o ao fundo do mar Os diferentes tamanhos permitem obter resson ncia para v rios estados do mar e v rias frequ ncias de onda 1 Figura 2 5 Representa o do Mighty Whale 10 2 3 2 Corpos Oscilantes Os Corpos Oscilantes come aram a ser estudados simultaneamente com os dispositivos de OWC mas apenas recentemente tiveram um desenvolvimento significativo em termos de prot tipos testados no mar Podemos dividir esta categoria em equipamentos flutuantes e submersos sendo que v rios diferem no tipo de movimento a partir do qual absorvem energia Na variante de equipamentos flutuantes os mais conhecidos por terem atingido a fase de prot tipo s o o WaveBob Galway Bay Irlanda 2009 Washington 2005 8 o PowerBuoy Atlantic City New Jersey 2005 e Santo a O AquaBuoy Makah Bay Espanha 2008 gt e o Pelamis Portugal e Esc cia 2006 existindo ainda muitos outros como o IPS Buoy o Pendulor a McCabe Wave Pump Kilbaha Irlanda 1996 9 10 18 o SDE Jaffa Tel Aviv 2008 225 o PS Frog o
45. a e deste modo conseguir controlar a pot ncia gerada atrav s da percentagem de pot ncia gua 27 28 desejada O AWS utiliza directamente um gerador el ctrico linear para converter o movimento do flutuador em rela o base POWER THE USER DESALINATED WATER 15 50 METRES WATER DEPTH SEAWATER RETURN Figura 2 7 Esquema de funcionamento global da tecnologia CETO 12 2 3 3 Galgamento A ltima categoria refere se aos dispositivos de galgamento Estes s o concebidos de forma a que as ondas galguem as paredes frequentemente com a forma de uma rampa de um reservat rio sobrelevado A gua acumulada no reservat rio flui de novo para o oceano por gravidade atrav s de turbinas hidr ulicas de baixa queda Os dispositivos de galgamento podem ser flutuantes ou fixos na costa e por vezes utilizam um colector de ondas para que estas convirjam e aumentem a sua altura Como exemplos tem se os flutuantes WaveDragon 9102 e o Floating Wave Power Vessel Mu Mess Nissum Bredning Denmark 2008 Shetland 2002 1 e como fixos o Tapchan Toftestallen Noruega 1985 eo 5 sendo que SSG concebido especialmente para Seawave Slot Cone Generator SSG quebra mares embora tamb m possua uma adapta o para off shore M caso dos dispositivos fixos necess rio ter em conta a mar Figura 2 8 Fotografia de Wave Dragon em funcionamento na Dinamarca A Figura 2 10 aprese
46. a energia das ondas Neste enquadramento a Su cia e a Dinamarca destacam se pelo baixo potencial relativamente aos outros pa ses sendo o principal problema derivado do baixo recurso energ tico por metro de frente de onda o que leva a falta de locais apropriados explora o das ondas 99 O envolvimento destes dois pa ses deve se forte aposta em energias renov veis dos pa ses n rdicos Um local considerado inapropriado quando as ondas n o possuem energia suficiente para rentabilizar a instala o de um aparelho ou quando o estado do mar demasiado vari vel ou in spito Para al m destes factores pesam tamb m a disponibilidade das liga es el ctricas o tipo de fundos do mar e os poss veis conflitos com outras actividades como as pescas rotas mar timas ou at actividades militares A evolu o 4 da tecnologia associada a esta energia deixa em aberto a percentagem destes potenciais que pode ser eficientemente aproveitada sendo estes valores te ricos A pot ncia P contida nas ondas por metro de frente de onda depende da sua amplitude e do per odo das ondas 7 5 11 sendo por isso evidente a influ ncia que o estado do mar possui na escolha dos locais Para guas suficientemente profundas tipicamente acima dos 50 m de profundidade tem se P H T kW m 2 1 Ao longo dos anos varios estudos permitiram cartografar esta pot ncia em varias zonas do globo O mapa da Figura 2 1 ilustra as zona
47. a CAO Embora correndo o risco de se ter estimado os valores por defeito obtiveram se valores m dios de pot ncia de 267 W com picos entre 20 e 467 W Estes valores indicam que a desacelera o da coluna de gua de forma independente fica aqu m das tecnologias emergentes mas que este efeito merece ser aprofundado a uma escala e detalhe maior No entanto estima se j que este efeito pode ser utilizado em aparelhos de m dia pot ncia e fica ainda em aberto a possibilidade de combina o com outros efeitos como a varia o hidrost tica ou a incorpora o de um PTO de turbinas de ar no topo da coluna de gua Verificou se ainda que para as dimens es de um aparelho real o efeito da desacelera o toma uma componente mais importante que o efeito por varia es hidrost ticas levando a crer que a combina o destes dois efeitos pode ter potencial para extrair pot ncias muito mais elevadas Quanto a problemas identificados o mais preocupante relativo ao tamanho e resposta das v lvulas Calculou se que a rea das v lvulas seria perto de 1 o que significaria um raio de 0 56 m O lado positivo que a rea pode ser decomposta em v rias utilizando se tamb m v rias v lvulas 6 1 Recomenda es Ap s a realiza o deste trabalho surgiram v rias ideias quanto ao desenvolvimento do estudo da in rcia da coluna de gua A ideia principal a seguir o envolvimento do efeito comprovado nesta disserta o com a varia o de pr
48. a gerar flutuabilidade no modelo e portanto puder aproveitar as oscila es das ondas ligada a uma massa submersa por meio de um tubo aberto A massa submersa ser composta de dois reservat rios distintos e divididos que ir o ter varia es de quantidade de fluido no seu interior Ambos os reservat rios encontram se tamb m ligados CAO sendo o movimento da gua restringido por v lvulas em ambos os reservat rios O tubo de liga o entre a b ia e a massa aberto de forma a permitir a interac o da agua da CAO com a agua exterior 4 2 1 Pe as referentes ao outro modelo As pe as utilizadas do modelo j existente n o ser o aqui referidas encontrando se em anexo uma breve descri o de cada uma delas e sua fun o acompanhada de imagens 20 4 2 2 Pe as espec ficas do modelo Ap s a an lise do modelo da tese referida concluiu se que para a concep o de um modelo funcional para este trabalho seria necess rio dimensionar algumas outras De seguida apresenta se o nome e uma descri o das pe as e dos motivos para certas dimens es relevantes ao projecto Reservat rios Numa fase inicial pensou se em fabricar dois reservat rios totalmente distintos e acopla los ao corpo do modelo Contudo devido s medidas exteriores do modelo verificou se que a geometria iria ser um problema para as oscila es do modelo criando maior amortecimento devido ao volume de gua deslocado Assim optou se por fabricar um nico
49. abiliza as amplitudes reais em vez das complexas Esta aproxima o feita considerando que a superf cie livre tem uma varia o diminuta fora do dispositivo Dividindo a express o 3 9 pela express o deduzida anteriormente para a press o m xima em 2 obt m se cos w tA 3 10 Pelo que t dado por tn 3 11 O tempo de abertura das v lvulas depende ent o da frequ ncia da onda incidente e do coeficiente de rela o entre as press es a jusante e montante das v lvulas que por sua vez depende da rea da liga o e novamente da frequ ncia da onda Pode ainda relacionar se o caudal que entra no reservat rio A com o caudal que se escoa deste para o reservat rio B Para que a press o ganha com a entrada de gua seja totalmente aproveitada tem se que o volume de agua que entra no reservat rio A igual ao volume de agua que se escoa numa oscila o de A para B Relacionando estes volumes com o tempo dispon vel para cada escoamento tem se VA gt B 3 12 tA Q ADB Qos 17 Em que t designa o tempo de uma oscila o completa e pode ser relacionado com a frequ ncia da onda por 1 217 t 3 13 Obt m se finalmente Qo gt ata Q2 A cos 2224109 I2 gt 4005 0 3 14 3 1 Aproxima es consideradas A partida para a concep o deste modelo existem problemas de dif cil resolu o que se tentou contornar O facto da escala ser pequena afectou directamente os equipament
50. abricado baseou se num modelo desenvolvido numa tese que decorreu simultaneamente tendo sido utilizadas algumas pe as desse mesmo modelo O objectivo principal dos ensaios experimentais foi verificar quais as press es atingidas devido acelera o e desacelera o da coluna de gua para v rios estados de ondas Foram medidas as press es na coluna de gua e nos reservat rios adjacentes para se perceber qual a influ ncia que as v lvulas utilizadas t m sobre as press es m ximas atingidas nos reservat rios de alta e baixa press o Como objectivo secund rio tentou explorar se uma varia o de geometria que refor asse a acelera o e desacelera o de gua Esta geometria alternativa foi obtida por varia o do di metro interno da b ia superior em duas zonas distintas O modelo foi dimensionado com o programa comercial de projecto mec nico SolidWorks e para a aquisi o de dados criou se um programa em LabView No decorrer deste trabalho desenvolveu se um pequeno programa te rico em MatLab que permitiu a compara o das press es obtidas experimentalmente e teoricamente Atrav s deste programa tentou demonstrar se qual a potencialidade de um aparelho deste tipo escala real e comparar os resultados obtidos numericamente com os obtidos experimentalmente Capitulo 2 2 Energia das Ondas 2 1 Background Historico Actualmente assiste se a uma depend ncia energ tica forte dos combust veis f sseis Estes n o possuem a
51. ada pelo que necess rio ter a mesma rela o entre as reas dos furos das divis rias que o utilizado no modelo experimental A rela o no modelo de 8 68 considerando que um dos furos entre os dois reservat rios estava fechado pelo que a rea dos furos entre a CAO e os reservat rios ter de ser aproximadamente 0 885 m Esta rea tamb m poder ser dividida em v rias entradas Com os caudais calculados pode ent o finalmente estimar se a pot ncia que um aparelho escala real debitaria Fot ncia estimada para a escala real 500 450 400 350 200 250 Pot ncia WW 200 150 100 50 5 10 15 20 25 20 35 40 Tempo fs Figura 5 27 Pot ncia estimada de um aparelho escala real Tem se ent o que um aparelho apenas a utilizar press o obtida pela desacelera o da coluna de agua pode atingir picos de pot ncia de 467 W produzindo em m dia 267 W Como referido ao longo de toda esta an lise estes valores s o estimativas para uma escala ainda inferior correntemente utilizada noutros dispositivos de esperar que com o aumento da profundidade dos reservat rios ou seja com o aumento de L e z se atinjam valores de pot ncia mais elevados Assim estima se que aparelhos para a explora o do efeito de in rcia da coluna de gua escala real possam atingir as dezenas de kW se atingirem profundidades a rondar os 40 50 metros Al m disso o atrito entre a b ia e o guiamento n o foi considera
52. ativa do erro entre a teoria e a pr tica Esta compara o permite fazer uma previs o dos resultados esperados num modelo a uma escala real e consequentemente da viabilidade de um dispositivo de aproveitamento do efeito testado nesta disserta o 5 1 Verifica o da Validade das V lvulas O primeiro ensaio realizou se ainda com o modelo desmontado Era fundamental garantir que as v lvulas pouco tradicionais utilizadas cumpriam a sua fun o da forma esperada Desta forma testou se a impermeabilidade das v lvulas e a sua resposta O teste de impermeabilidade consistiu no enchimento das c maras correspondentes a cada conjunto de v lvulas com gua at uma altura semelhante Estando o sistema est vel adicionou se um pequeno volume de gua com corante c mara respons vel pelo fecho das v lvulas e ao longo de um per odo de uma hora verificou se se gua com corante aparecia na outra c mara Figura 5 1 Teste das v lvulas utilizadas nos ensaios a Corante no reservat rio A b Corante no reservat rio B Como se pode observar na Figura 5 1 o corante mant m se no reservat rio onde foi inserido mesmo ap s misturado com uma vareta No caso do corante no reservat rio B 33 verifica se que a gua na coluna central fecha as v lvulas correctamente sendo que a pequena frac o de corante que poss vel identificar nesta zona se deve a uma perda aquando da mistura com a vareta Este facto assim como o fecho das v
53. cem vantagem significativa para a cria o de maiores diferen as de press o necess rio test los num modelo que permita manter a massa total e in rcia Entre as duas geometrias restantes pensa se que a melhor solu o seria uma composi o autom tica e inteligente das duas No caso desta solu o se tornar demasiado dispendiosa elege se o caso sem discos como melhor geometria As vantagens desta s o a melhor resposta para baixas frequ ncias e amplitudes e a obten o de boas respostas para os restantes estados do mar tornando esta geometria muito est vel A estabilidade da resposta importante uma vez que garante boa gera o de energia numa vasta gama de condi es mar timas A geometria com discos inferiores falha precisamente em manter esta estabilidade apresentando varia es de press o muito mais reduzidas para baixas amplitudes e frequ ncias que a geometria sem discos 45 5 4 Melhor Geometria Sem Discos Na sec o anterior de an lise melhor geometria pode concluir se que as situa es mais favor veis cria o de maiores diferen as de press o ocorrem para amplitudes de 8 ou 10 cm e frequ ncias de 0 8 e 1 0Hz Embora esteja presente que a gama de ondas no mar muito alargada concentraram se os seguintes testes nestas amplitudes e frequ ncias para se estudar o caso mais prov vel de pico de pot ncia do dispositivo Deste modo estes casos ser o agora comparados em maior detalhe Ap s inferido q
54. combina es sem discos com todos os discos apenas com discos inferiores e apenas com discos superiores Como referido na sec o referente as pe as do modelo estes discos t m a fun o de alterar o di metro interno da b ia superior e desse modo alterar a acelera o desacelera o da CAO Para estas situa es testaram se varias frequ ncias de onda e v rias amplitudes de forma a se entender quais as melhores condi es de mar para um modelo deste tipo Os ensaios foram realizados para uma variedade de amplitudes e frequ ncias ampla sendo que ao longo desta disserta o apenas se incluir o regularmente quatro casos de cada 4 6 8 e 10 cm de amplitude e 0 6 0 8 1 0 e 1 2 Hz Estes valores foram escolhidos por apresentarem intervalos regulares entre si tendo tamb m em conta os limites inferiores para os quais se conseguiam leituras consistentes 30 Para a obten o de resultados mais fi veis os testes foram feitos v rias vezes para cada caso Todos os testes foram realizados em regime estacion rio quando todos os sinais apresentavam amplitudes est veis A instrumenta o dispon vel para os ensaios condicionou o modo como estes foram feitos Tendo um leitor de press o para a press o relativa atmosf rica e outro para diferen as de press o tornou se imposs vel fazer a medi o de todas as grandezas simultaneamente realizando se dois ensaios para cada geometria e estado de mar testados Num primeiro ensaio proced
55. da press o na base da CAO para quatro frequ ncias espec ficas embora se tenham retirado valores para outras para n o gerar confus o com excesso de curvas na an lise dos gr ficos Na Figura 5 16 apresentam se agora os valores m ximos de press o atingidos para todas as frequ ncias testadas nos ensaios para ondas de 10 cm De notar que estes m ximos foram obtidos ap s o tratamento com FFT que permitiu a elimina o dos patamares de press o existentes nessas zonas Adicionalmente calculou se uma fun o de regress o a estes pontos para as diferentes frequ ncias Esta fun o contabiliza os diferentes amortecimentos do modelo para as diferentes frequ ncias isto a varia o de press o observada na figura n o se deve unicamente s frequ ncias mas tem tamb m influ ncia dos diferentes deslocamentos do modelo varia o da Press o M xima na CAO com a frequ ncia 3050 Curva de aproxima o Pontos Experimentais 3000 2950 2900 Press o Pa 2950 2800 2750 2700 Figura 5 16 Varia o da Press o M xima na CAO com a frequ ncia para onda de 10 cm Os resultados observados na figura comprovam a evolu o analisada na escolha do melhor estado de mar para a cria o de diferen a de press o A press o m xima atinge se para 1 Hz ainda que o deslocamento m ximo seja a 0 8 Hz 49 5 4 4 Press o na CAO e nos reservat rios A e B No texto anterior referiu se a import ncia de saber em q
56. do pelo que prov vel que se consigam obter pot ncias mais elevadas 59 Cap tulo 6 6 Conclus es Neste trabalho verificou se o potencial da absor o de energia das ondas que utiliza a in rcia da coluna de gua oscilante para alimentar dois reservat rios interligados um de alta e outro de baixa press o originando um escoamento unidireccional entre ambos O desenvolvimento de um modelo completamente novo levou exist ncia de situa es de dif cil resolu o acabando por criar v rias aproxima es que poder o no futuro ser evitadas A escala global do modelo e as baixas press es envolvidas impediram o uso de v lvulas calibradas e a medi o directa dos caudais envolvidos De modo a poder calcular uma aproxima o dos caudais nas diferentes passagens foi necess rio condicionar geometricamente a concep o do modelo especificamente da rea dos furos de liga o entre c maras que foram feitos com dimens o muito superior ao necess rio Ainda assim obtiveram se resultados com explica o l gica e coerentes quanto s press es que se podem atingir nos reservat rios de alta e baixa press o e ao caudal entre ambos e portanto extrac o de energia O modelo desenvolvido pode ser melhorado a n vel de instrumenta o utilizada ao n vel das liga es entre c maras e do atrito entre a b ia e o sistema de guiamento vertical que n o foi quantificado mas cumpriu os objectivos propostos para esta disserta
57. e modelo interessava fazer estes furos o maior poss vel ainda que a baixa diferen a de press o n o permita a passagem de um grande caudal Os furos serem grandes garante que o m ximo de caudal passe a cada instante e que o seja feito perto de instantaneamente de forma a que se possa fazer a aproxima o de 23 que existe um ponto no reservat rio A com velocidade nula a todos os instantes e consequentemente permitir a utiliza o da Lei de Bernoulli para o c lculo da velocidade Discos Estas pe as existem somente com o prop sito de alterar o di metro interno da b ia superior do aparelho e desse modo mudar a acelera o da coluna de gua Pretende se estudar se existe altera es vis veis na press o atingida devido forma como a CAO oscila visto que pode criar maiores ou menores desacelera es b Figura 4 512 Conjuntos de discos utilizados para altera o do di metro interno da b ia superior a real desacoplados do modelo b projecto esquema de montagem 4 3 A Instrumenta o 4 3 1 Equipamento de Gera o de Ondas As instala es do laborat rio de hidra lica est o equipadas com um batedor no final do canal capaz de gerar ondas entre aproximadamente 0 01 e 0 1m de amplitude com frequ ncias de 0 03 a 2 Hz Este batedor controlado com o aux lio do software da HR Walling Ford atrav s de um controlador representado na Figura 4 6 Este controlador permite observar em tempo real uma esti
58. ente Uma vez que se utilizou o valor m nimo de a tem se que as press es atingidas no modelo te rico s o mais reduzidas fazendo assim do modelo conservador relativamente realidade A mesma an lise foi feita para a press o no reservat rio B com as mesmas conclus es Desta forma tem se que escala do modelo experimental as diferen as entre este e o modelo te rico s o m nimas com preju zo para o te rico Sendo assim calcula se de seguida o modelo para dimens es reais 5 5 2 Te rico Escala real Antes de se entrar nos valores obtidos necess rio fazer considera es devido diferen a de escala do modelo e s diferen as das caracter sticas das ondas Relativamente s ondas tem se que escala real a sua frequ ncia normalmente muito inferior tipicamente per odos de 8 a 12s e que a sua altura de onda se situa normalmente em 55 torno dos 3 metros Quanto ao modelo as caracter sticas relevantes a considerar s o a profundidade do modelo na zona dos reservat rios z o comprimento desde a abertura do modelo at superf cie livre dentro dos reservat rios L Tendo em conta a rela o de escalas entre as alturas de onda 30x tem se que os valores das medidas geom tricas utilizadas para esta an lise foram z 7 8m e L 3 75m De notar que para que esta an lise se possa fazer todas as dimens es relativas ao modelo t m de manter a rela o entre si utilizada no modelo Observe se tamb m que
59. ente para a gera o de elevadas quantidades de energia No entanto este efeito poder talvez ser utilizado para a melhoria de outros dispositivos que utilizem diferentes equipamentos de extrac o de energia Palavras chave Coluna de gua oscilante desacelera o energia das ondas vi Abstract The goal of this work was to study the potential of the deceleration of the oscilatting water column OWC for wave energy extraction It was also studied the influence of the internal diameter of the model s top buoy on the attain pressures An appropriate experimental model for the building of pressure by the deceleration of the OWC was developed based on an existing device the SparBuoy The global dimensions were taken from that device A theoretical model was developed in MatLab allowing the calculation of the pressure in the OWC base as well as the water flow and absorbed power The model was validated against the experimental data and was used to estimate the results to a real scale ata later stage lt was verified that changing the internal diameter of the buoy near the lower end increases the pressure for high wave frequencies and heights enabling the possibility of combinations between this geometry and the base geometry used This last one was analised in detail as it was found to provide the highest energy absorption from the four tested geometries It was possible to check that the best wave frequency for this experimental model is
60. esenta o das vari veis no painel frontal para a an lise durante os ensaios Gama de Aquisi o V Resolu o mV Precis o mV 10 4 882 19 012 5 2 441 6 517 Tabela 4 3 Gama dos sinais na placa de aquisi o 4 4 Ensaios Realizados e Repetibilidade Ao longo deste trabalho foram realizados v rios testes em que se pretendeu adquirir sempre as mesmas grandezas press es e posi o do modelo relativamente gua necess rio ter informa o quanto posi o do modelo para perceber em que ponto da oscila o o modelo se encontra para as diferentes press es adquiridas Ap s os primeiros testes verificou se que a frequ ncia de resson ncia do pr prio modelo n o permitiria testes em oposi o de fase da onda Estes testes permitiriam englobar e analisar os efeitos combinados de varia es de press o hidrost tica e din mica resultante da desacelera o da coluna de gua N o podendo realizar estes ensaios decidiu analisar se apenas o efeito separado da desacelera o e portanto restringiram se as frequ ncias testadas a um valor superior de 1 2 Hz Acima desta frequ ncia foi poss vel observar a passagem ocasional de ondas por cima do modelo influenciando a press o hidrost tica da coluna de gua Embora se pudessem testar v rias combina es geom tricas alterando a quantidade de discos superiores e inferiores utilizados pretendeu se apenas estudar qual a situa o mais favor vel entre quatro diferentes
61. esmas quatro geometrias com discos sem discos com discos superiores e com discos inferiores De notar que a geometria com discos engloba o uso de discos superiores e inferiores simultaneamente 5 3 1 Deslocamentos A primeira compara o deve ser feita a n vel dos deslocamentos do modelo O facto de existir altera o da geometria ainda que interior levanta a possibilidade de diferen as na amplitude das oscila es do modelo A altera o de geometria leva tamb m a uma altera o de massa e consequentemente da in rcia total 38 Frequ ncia 1 2 Frequ ncia 1 0 Deslocamento m Deslocamento m 12 14 16 18 2 22 24 26 28 3 Tempo s Tempo s Frequ ncia 0 6 Frequ ncia 0 6 Deslocamento m Deslocamento m Sem Discos Com Discos Com discos superiores Com discos inferiores Onda Incidente Figura 5 7 Graficos comparativos do deslocamento do modelo para varias frequ ncias e geometrias Ao analisar a Figura 5 7 percebe se que para as geometrias com todos os discos e com discos superiores o amortecimento da oscila o maior devido a maior in rcia mas n o possui um efeito muito acentuado Esperar se ia que a geometria com discos inferiores fosse tamb m afectada pelo aumento de massa mas pode observar se que as oscila es correspondentes s o semelhantes s da geometria sem discos Verifica se que para a frequ ncia 0 8 Hz a amplitude do deslocamento maior que nos restantes casos estando se pro
62. ess o hidrost tica Para tal necess ria a cria o de um modelo que consiga 61 oscilar em oposi o de fase onda O modelo desenvolvido no decorrer desta tese n o pode ser aproveitado para o teste sugerido devido sua alta flutuabilidade que o impede de oscilar na frequ ncia requerida Deve tamb m utilizar se alturas de onda que permitam a extrapola o para medidas geom tricas superiores Sugere se tamb m o estudo do aproveitamento do PTO com turbinas de ar usual nos modelos de OWC oscilantes Para este caso pode fazer se uma adapta o do modelo desta tese ao modelo utilizado na tese de Tiago Kullberg Martins sendo que n o necess ria a cria o de nenhuma pe a para este efeito devido compatibilidade j existente entre os dois modelos Finalmente aconselha se fortemente o desenvolvimento de testes sobre a desacelera o da CAO a escalas maiores para confirmar a sua crescente influ ncia e os valores estimados no decorrer desta disserta o Caso se siga esta via de desenvolvimento devem ser testadas v rias rela es entre os di metros das liga es das c maras de modo a se optimizar as diferen as de press o atingidas 62 7 Refer ncias Bibliogr ficas 1 Vining J G amp Mueize A 2009 Economic Factors and Incentives for Ocean Wave Energy Conversion 2 Wave Energy n d Retrieved 2010 from http www wavesenergy com 3 Wikipedia 2010 Wave Power Retrieved 2010 from http en
63. eu se medi o da diferen a de press o entre reservat rios da press o total no reservat rio A da amplitude da onda incidente e dos deslocamentos do modelo No segundo ensaio alteraram se as tomadas de press o para fazer a leitura da diferen a de press o entre o reservat rio A e a coluna de gua mantendo se a leitura da press o total do reservat rio A Deste modo aliando a an lise dos deslocamentos e da press o registada em A pode monitorizar se a compatibilidade dos ensaios Apenas se registaram valores quando se obteve uma compatibilidade elevada m nimo de 95 dos sinais lidos no primeiro ensaio tendo aten o frequ ncia e amplitude dos sinais de forma a permitir a compara o entre ensaios 4 5 Metodologia dos Ensaios A realiza o dos ensaios seguiu uma metodologia previamente determinada de forma a reduzir ao m ximo a ocorr ncia de erros sistem ticos Esta medida associada repetibilidade dos ensaios garante a fidelidade das medi es O procedimento seguido para o primeiro ensaio foi 1 Escolher a geometria a usar 2 Montar o modelo na posi o de teste 3 Ajustar do volume de gua dentro dos reservat rios atrav s da liberta o de ar pelas mangueiras de press o 4 Ligar os sensores de press o e o laser 5 Ligar o programa de aquisi o de dados 6 Ajustar o zero da sonda de n vel e do laser 7 Ligar o controlador e absorvedor do canal 8 Gerar onda com caracter sticas desejadas
64. evido posi o m dia da superf cie livre ser superior o que leva a maiores amplitudes de oscila o da CAO Esta conclus o leva a crer que seria ben fica a inclus o de um sistema adaptativo do di metro interior e inferior da b ia Um conjunto de sensores recolheria informa es relativamente s condi es do mar sendo depois calculada o melhor di metro e altura dos discos inferiores Utilizando uma solu o deste g nero aumenta se a efici ncia da desacelera o para as diferentes condi es existentes 44 Frequ ncia 0 6 Hz Frequ ncia 0 6 Hz pA pB Pa 1 o pA pB Pa 1 1 5 2 2 5 3 3 5 4 1 1 5 2 2 5 3 3 5 4 Tempo s Tempo s Frequ ncia 1 0 Hz Frequ ncia 1 2 Hz pA pB Pa 7 pA pB Pa Sem discos Com discos Com discos Superiores Com discos Inferiores Figura 5 12 Compara o das evolu es da diferen a de press o entre reservat rios para v rias frequ ncias para uma onda de 8 cm As mesmas conclus es se podem tirar da an lise da diferen a de press o entre Ae Ba variar com a frequ ncia Juntando os resultados at agora analisados parece poder concluir se que as geometrias que incluem discos superiores na sua composi o n o parecem ser as mais eficientes Os discos superiores parecem apenas aumentar a in rcia do aparelho levando em geral a press es mais baixas Para se puder concluir com certeza que a inclus o dos discos superiores n o ofere
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66. gy introduction html 26 Ocean Navitas 2007 Ocean Navitas Renewable Energy Technology Retrieved 2010 from http oceannavitas com index html 27 Wikipedia 2007 CETO Wave Power Retrieved 2010 from http en wikipedia org wiki CETO Wave Power 28 Carnegie 2010 Retrieved 2010 from Carnegie Wave Energy http www carnegiewave com 29 Falc o A F O Ocean Energy Renewable Energy Instituto Superior T cnico 2008 64 Anexos Ap ndice A Descri o das Pe as do Modelo j existente Pe a 2 Tubo de aux lio ao guiamento Uma das condi es para os testes era que o modelo apenas oscilasse verticalmente Para esse efeito foi criado um guiamento atrav s de uma haste met lica segura ao canal de ondas e de um tubo solid rio com o modelo no interior do qual a haste se desloca A haste calibrada e apenas toca em dois apoios de baixo atrito situados internamente no topo e fundo do tubo O tubo permite tamb m fechar o fundo da coluna de gua mantendo o guiamento Possui v rias ranhuras para a fixa o de outras pe as do modelo ao tubo Figura A 1 Tubo de aux lio ao guiamento Pe a 4 4 Superf cie interior da b ia superior De forma a que o modelo flutuasse na gua criou se uma c mara de ar na b ia superior Esta pe a limita interiormente essa camara de ar sendo fixa pe a 7 que delimita a c mara exteriormente Em termos de concep o apenas um pequeno cilindro fino de acr
67. icados 0 04 EUR kWh Espera se que o desenvolvimento das tecnologias o pre o de produ o se reduza e se torne directamente competitivo com o obtido pela energia e lica 15 isto cerca de 0 04 kWh 3 0 065 kWh em Portugal devido menor intensidade do vento Na Tabela 2 2 pode observar se uma estimativa e compara o dos pre os que poder o ser praticados quando as tecnologias se tornarem mais consistentes Energy Source Cost as Primary Cost as Secondary source 14 Source 1 Mm Photovoltaic Solar 10 1 5 25 50 Diesel 12 100 Wind ll 10 Fossil Fuel 1 5 Wave 3 4 7 10 Tabela 2 2 Compara o do pre o de produ o das diferentes energias Contudo uma vez que as tecnologias s o recentes e com pouca comprova o torna se complicado encontrar o financiamento para a cria o de energia das ondas Este factor econ mico leva a que a maior parte dos investimentos nesta nova energia renov vel sejam derivados de financiamentos dos governos 2 3 Tecnologias existentes e l deres As tecnologias existentes para a absor o de energia das ondas podem ser catalogadas de v rias formas sendo as mais comuns por localiza o ou m todo de funcionamento Neste trabalho opta se por agrupar os aparelhos da segunda forma existindo assim tr s grandes reas Coluna de gua Oscilante Corpos Oscilantes e Galgamento 2 3 1 Coluna de gua Oscilan
68. itivo ja fora de funcionamento varias outras espalhadas pelo mundo Toftestallen Noruega 1985 Sakata Jap o 1990 Vizhinjam ndia 1990 etc 32 EXPLORE THE MODEL Select a view Top view Sida wiii S a 8 tl OSCILLATING WATER COLUMN Ocean wave energy generation is relatively new to North America However installations have been built or are under construction in number of countries The Oscillating Water Column is one ol several different technologies designed to capture the energy ol ocean waves Figura 2 4 Energetech OWC Port Kembla Na categoria das centrais de coluna de agua oscilante flutuantes tamb m existe j uma 9191 o Backward Bent Duct Buoy grande diversidade de aparelhos dos quais o Mighty Whale BBDB e o Spar Buoy s o os mais reconhecidos O Mighty Whale uma adapta o dos dispositivos fixos possuindo tr s c maras cada uma associada a uma turbina Wells No BBDB a grande diferen a reside na forma da coluna de gua oscilante que passa a ser em forma de L com parte mais longa horizontal e alinhada com a direc o de propaga o das ondas e a abertura vertical na parte final do L apontando para jusante O comprimento do L dimensionado para que se atinja a resson ncia entre o movimento na c mara e o da coluna de gua oscilante Este modelo foi testado com sucesso no Jap o e na China e recentemente tamb m na Irlanda Galway Bay 2006 O Spar Buoy um O
69. lico 65 Pe a 7 Superf cie exterior da b ia superior Como atr s foi referido delimita a c mara de ar exteriormente e permite a liga o ao resto do corpo do modelo A forma c nica da pe a consequ ncia dos efeitos pretendidos na radia o de ondas em modelos deste tipo e para n o provocar uma perda de carga demasiado grande no deslocamento na gua Figura A 2 Conjunto Pe a 4 4 e Pe a 7 Pe a 9 Corpo do modelo Trata se de uma pe a tubular com a fun o de aumentar a coluna de gua na zona inferior do modelo A teoria deste modelo diz que quanto maior a coluna de gua for maior ser a press o devido in rcia desta Pe as 9 1 e 9 2 Liga o corpo tubo guiamento A funcionalidade destas pe as a mesma garantir a liga o do corpo do modelo ao tubo de guiamento O facto de n o serem pe as iguais deve se a constrangimentos no modelo da tese referida Para este trabalho poderiam ser adoptadas duas pe as id nticas tendo em considera o a cria o de furos devidamente localizados no tubo de guiamento para o encaixe entre as pe as 66 Figura A 3 Pe as de liga o do modelo ao tubo de guiamento a Liga o Superior b Liga o Inferior Todas as pe as aqui apresentadas excep o da 4 4 e 7 foram fabricadas em polipropileno devido ao peso total do modelo As excep es foram criadas em acr lico devido complexidade de o fazer em polipropileno e ao custo inerente
70. mativa do erro da amplitude das ondas geradas e a varia o do ganho para correc o desse erro Associado ao controlador encontra se um absorvedor com o objectivo de diminuir a amplitude da reflex o das ondas no batedor 24 Figura 4 613 Equipamento de gera o de ondas a controlador b absorvedor de reflex es 4 3 2 Press o GE Druck O sensor de press o utilizado durante os ensaios foi um sensor GE Druck LP 1000 series Este sensor apenas permite fazer a leitura de diferen as de press o para o caso desta experi ncia uma vez que o valor m ximo que o sensor pode ler inferior press o hidrost tica atingida Foi utilizado para medi o das diferen as de press o entre os dois reservat rios com maior precis o Figura 4 7 Sensor de press o GE Druck utilizado A calibra o deste sensor foi feita a partir dos valores limite do sensor Tra ou se a recta correspondente a estes dois pontos e posteriormente confirmou se esta calibra o associando o valor retornado pelo visor do sensor com a voltagem medida pela placa de aquisi o 25 300 y 50x 200 150 Belo GC 0 0 2 6 Tens o V 4 Recta de F brica Pontos Medidos Figura 4 814 Rectas de calibra o do sensor GE Druck Tendo em conta a semelhan a das duas rectas obtidas e uma vez que as medi es feitas podem incluir efeitos de ru do optou por utilizar se a recta correspondente aos limites do sensor y 50x Ma
71. n metro de Press o Ao contr rio do sensor da GE Druck este manometro permite a leitura de press o relativa a atmosf rica devido sua escala at 2000 mmH2O 200 mbar Deste modo foi utilizado para a leitura da press o da coluna de gua e posteriormente de um dos reservat rios Figura 4 9 Frente do man metro de press o utilizado 26 A calibra o deste man metro fez se pelo mesmo m todo de medi o que se utilizou para o sensor GE Druck A recta de calibra o foi calculada na escala do sensor mil metros de agua tendo os valores sido convertidos posteriormente para Pascal para o enquadramento com as unidades do outro sensor de press o 300 250 y 397 8x 4 o Z E 150 S o 100 A o 0 0 0 2 0 4 0 6 0 8 Tens o V Figura 4 10 Recta de calibra o do man metro de press o B7442 4 3 3 Deslocamentos Sonda de N vel Utilizou se uma sonda de n vel para verificar a altura da onda incidente permitindo a redu o de erros devido a amplitudes incorrectas Esta sonda foi localizada frente do modelo relativamente incid ncia da onda n o sendo portanto a leitura afectada directamente pela movimenta o do modelo O atraso consequente da dist ncia existente entre a sonda e modelo foi corrigido no tratamento de dados A leitura dos sinais vindos das sondas feito por um equipamento denominado de Wave Probe Monitor Este aparelho opera sobre a e
72. na Coluna de Agua Pa Press o Total na Coluna de gua Pa Com discos Sem discos Com discos superiores Com discos inferiores Figura 5 9 Compara o da press o da CAO para v rias frequ ncias e geometrias Conv m explicar que as altera es d spares da geometria com discos inferiores se devem ao efeito que estes t m no caudal que sai da b ia superior pela abertura na coluna Possuindo uma conduta de menor di metro mais longa permite que a velocidade da gua que a atravessa estabilize em valores maiores tornando a seguinte desacelera o mais brusca Da an lise das duas figuras consideradas conclui se que as geometrias com melhor resposta a n vel da press o s o a sem discos e a com discos inferiores As restantes duas geometrias s o demasiado dependentes das baixas frequ ncias pelo que possuem uma gama de boa efici ncia muito mais reduzida no entanto conveniente analisar a diferen a de press o atingida entre os dois reservat rios uma vez que apesar da press o na base da CAO apontar para a primazia das geometrias referenciadas se deve considerar a hip tese das varia es de press o nos reservat rios puderem n o corresponder da mesma forma 5 3 3 Diferen a de Press o entre Reservat rio A e B Analisou se a varia o da press o total na coluna de gua e concluiu se que para amplitudes mais elevadas o efeito dos discos inferiores se intensifica com maior relev ncia do 42 que nos outros casos
73. nta as v rias das tecnologias discutidas agrupando as de acordo com os mesmos crit rios que a utilizada na descri o anterior e resume a categoriza o dos diferentes aparelhos comentados Isolated Pico LIMPET Oscillati Fixed structure In breakwater Sakata Mutriku column with air turbine Floating Mighty Whale Ocean Energy Sperboy Oceanlinx Essentially translation heave AquaBuoy 5 IPS Buoy FO3 Wavebob PowerBuoy Oscillating bodies with hydraulic motor Essentially rotation Pelamis PS Frog SEAREV hydraulic turbine linear electrical generator Essentially translation heave AWS Submerged Rotation bottom hinged WaveRoller Oyster Shoreline with concentration TAPCHAN In breakwater without concentration SSG Floating structure with concentration Wave Dragon Figura 2 9 Quadro de resumo da classifica o de v rias tecnologias de convers o de energia das ondas Fixed structure 13 Cap tulo 3 3 Fundamentos Te ricos A teoria linear das ondas de superf cie a base para este projecto No entanto ao inv s de utilizar o movimento relativo entre a coluna de gua e o aparelho o dispositivo em estudo focar se a nas diferen as de press o que poss vel obter Neste dispositivo a extremidade inferior de um uma coluna de gua vertical fechada com o objectivo de fazer oscilar a press o na base da coluna produzida pela acelera o desacelera o da
74. ntre Reservat rio A e B De notar que o caudal aqui apresentado calculado ponto a ponto atrav s da velocidade obtida da equa o de Bernoulli e da rea do furo 2 Qasp X k X Caes 5 1 A express o 5 1 mostra que o caudal depende directamente da rea das v lvulas e da raiz quadrada da diferen a de press o refor ando a raz o para os pequenos caudais registados Depende tamb m do coeficiente de descarga que devido a se ter sobredimensionado a liga o entre os reservat rios se assume unit rio Mais frente ser feita uma compara o com o esperado escala real A pot ncia que seria debitada por este modelo ent o muito afectada pelos valores de caudal obtidos andando apenas em torno das mil simas de Watt sendo o valor m ximo calculado de 3 5 mW No entanto a esta escala n o se pode ter a no o da viabilidade que um 53 aparelho destes poderia ter pelo que de seguida se tentar fazer uma compara o para a escala real 5 5 Compara o entre escalas Para se puder comparar as duas escalas utilizou se o modelo te rico como base Primeiro avalia se o modelo te rico escala do modelo com os resultados obtidos para este e em seguida altera se o modelo te rico para calcular escala real Obviamente que existir o diferen as devido aos efeitos observados s quantidades de gua que se deslocam e at diferente in rcia Estas diferen as s o consideradas sendo feita uma refle
75. o entanto para frequ ncias sucessivamente maiores o efeito da amplitude do deslocamento torna se mais intenso que o causado pela cada vez mais repentina desacelera o Para frequ ncias inferiores os dois efeitos somam se e actuam negativamente sobre a press o criada Comparando agora as geometrias entre si facilmente se repara que as varia es da geometria apenas com discos inferiores s o muito mais acentuadas que as das restantes geometrias Verifica se tamb m que nas geometrias com discos e com discos superiores a press o reflecte o aumento de massa e in rcia sofrendo uma atenua o mais intensa Para uma melhor avalia o dos efeitos dos discos superiores necess ria a cria o de uma massa ajust vel noutra parte do modelo o que n o foi considerado neste trabalho Quanto compara o com varia o de amplitudes observa se o crescimento de todas as curvas com o aumento de amplitude sendo que novamente a geometria com discos inferiores demonstra as maiores varia es Nota se no entanto que para amplitudes pequenas a exist ncia de discos inferiores tem um efeito nefasto nos valores m ximos da press o na CAO 41 Amplitude 10cm Amplitude 3000 2800 2600 2400 2200 Press o Total na Coluna de gua Pa Press o Total na Coluna de gua Pa 1 do 14 6 18 2 22 24 26 28 3 1 12 14 16 18 2 22 24 26 28 3 Tempo s Tempo s Amplitude Bem Amplitude 4cm KI RE Press o Total
76. o em tempo real de sinais A superior direita registava os valores do ru do para se puder controlar quando algum sensor estivesse com algum problema As restantes apresentavam os sinais do deslocamento da b ia altura da onda incidente press o lida pelo man metro e diferen a de press o lida pelo GE Druck Junto de cada janela existe tamb m uma caixa com o valor instant neo do sinal Na zona superior esquerda existem duas caixas de apresenta o do valor de voltagem utilizados para a calibra o dos sensores assim como uma caixa de controlo do zero do sensor laser Est tamb m dispon vel uma interface para guardar os dados em ficheiro e para parar as leituras 68 onda incidente ncidente m oltagem sonda calibrar 23 sonda ext calibrar pressao total Write To Measurement File A EE amara o saa E uidos vs Freq 7 a 72 de v WME ta TE kri Kk Ta Figura B 2 Diagrama de Blocos do programa em LabView Na figura B 2 apresenta se o diagrama de blocos utilizado no programa LabView para a leitura e convers o dos sinais obtidos No lado esquerdo tem se um bloco para a aquisi o dos dados e no lado direito um para a escrita dos resultados em ficheiros txt A sa da do bloco de aquisi o tem se o bloco para a an lise de ru do dos sinais
77. o entre A e B estimada para um aparelho escala real Na Figura 5 25 verifica se que a rela o entre a diferen a m xima e a m nima cerca de 6 7 vezes a press o m nima enquanto que para o modelo experimental esta era de 8 Esta diferen a pode dever se ao m todo de adimensionaliza o ou a algumas diferen as din micas devido diferente escala Outra adimensionaliza o poss vel seria utilizando a varia o de amplitudes da press o da CAO O caudal a calcular depende ainda da rea do furo entre os reservat rios Uma vez que as medidas do modelo est o praticamente todas a uma escala de 30 para um aparelho real utiliza se um di metro com essa raz o neste c lculo d 0 36 m A rea de passagem ent o 0 102 m Caudal estimado para a escala real 0 2 Caudal mass 0 05 5 10 15 20 25 30 35 40 Tempo s Figura 5 26 Caudal estimado entre reservat rios para um aparelho real 58 A Figura 5 26 mostra que a varia o de caudal consider vel o que exige um estudo pormenorizado relativamente quantidade de turbinas a utilizar e ao tipo de controlo a ter De notar que a rea de passagem pode ser dividida em v rias o que permite controlar individualmente quantas passagens est o abertas Este controlo pode ser de muita import ncia para controlar a pot ncia debitada consoante o estado das ondas Para a obten o destes caudais fundamental garantir que a press o atingida nos reservat rios a calcul
78. o outro reservat rio imediatamente sa da da liga o e obter se a velocidade do escoamento atrav s do furo 18 Cap tulo 4 4 Instala o Experimental 4 1 O Canal de Ondas Os ensaios referentes a esta disserta o foram conduzidos nas instala es do Laborat rio de Hidra lica do Instituto Superior T cnico Estas instala es consistem num canal de im altura por 0 70m de largura e 20m de comprimento com capacidade de gera o de ondas O n vel de gua m dio recomendado e utilizado foi de 0 5m Para a adapta o do modelo e instrumenta o no canal recorreu se a uma plataforma no topo superior do canal com liga o ao fundo deste por interm dio de um var o de a o inoxid vel Esta plataforma serviu tamb m para o aux lio da instala o dos sensores utilizados Figura 4 1 Canal de Ondas do laborat rio de hidra lica do IST 1 Plataforma de apoio 19 4 2 O Modelo Este modelo foi concebido especificamente para esta experi ncia sendo que as medidas gerais seguem as j existentes num prot tipo de um modelo similar Algumas pe as do modelo foram aproveitadas de um outro modelo fabricado no mbito da tese de mestrado de Tiago Kullberg Martins que disponibilizou o uso dessas mesmas pe as na constru o do modelo utilizado para a realiza o da presente disserta o a b Figura 410 2 Modelo utilizado na disserta o a real b projecto O modelo consiste numa b ia superior par
79. or a velocidade da coluna de gua enquanto no modelo desenvolvido no mbito desta disserta o pretende se obter uma oscila o de press o associada s varia es de acelera o da CAO A diferen a de press o acumulada em dois reservat rios um para alta press o e outro para baixa de forma a ser poss vel accionar uma turbina hidra lica unidireccional com o caudal entre estes Neste trabalho ser analisado o potencial da desacelera o da coluna de gua n o entrando nas dificuldades da constru o de um aparelho comercial em detalhe Ser o ensaiadas v rias amplitudes e frequ ncias de onda para se tentar concluir qual o estado do mar mais favor vel para a cria o de maiores diferen as de press o tamb m objectivo desta disserta o determinar se altera es na geometria interior da b ia flutuante afectam a desacelera o da coluna de gua Este trabalho incide principalmente na componente experimental embora se inclua uma compara o com resultados te ricos No cap tulo 2 introduz se o tema da energia das ondas analisando se o seu potencial energ tico ecol gico e econ mico para os pr ximos anos feita uma revis o das tecnologias existentes data apontando se casos espec ficos de testes efectuados e de novos prot tipos que demonstram viabilidade para comercializa o O cap tulo 3 faz uma apresenta o da teoria que impulsionou o desenvolvimento desta tese e das express es utilizadas Ser incl
80. os que se poderiam utilizar e condicionou fortemente a concep o do modelo As baixas press es envolvidas agravam o problema Estes dois par metros em conjunto for aram a aproxima o do c lculo do caudal que num modelo de maior escala poderia ter sido medido por instrumenta o Condicionaram tamb m o di metro dos furos de liga o entre as tr s zonas de press o distinta a base da coluna de gua o reservat rio de alta press o e o de baixa press o O primeiro problema a lidar foi a medi o do caudal entre reservat rios As pequenas dimens es e press es esperadas tornaram a instrumenta o desta grandeza imposs vel pelo que os valores obtidos foram calculados a partir das press es medidas Com estas e utilizando a equa o de Bernoulli estima se a velocidade do escoamento entre os reservat rios No entanto esta aproxima o implica desprezar se o termo n o estacion rio do escoamento nos reservat rios um facto que a entrada e sa da de gua nas c maras gera movimento na gua no seu interior existindo ent o uma componente de press o din mica n o contabilizada Para atenuar estes erros de aproxima o dimensionaram se os reservat rios com uma rea para a superf cie livre superior necess ria de modo a que os pequenos caudais movidos n o alterassem significativamente o n vel desta Pode assim utilizar se a equa o de Bernoulli entre um ponto afastado da liga o com velocidade desprez vel e um ponto n
81. particularidade de n o descalibrar sendo apenas necess rio o ajuste do seu zero isto a adi o de uma constante A recta de calibra o apresentada corresponde a calculada pelos limites do sensor A constante que define o zero foi ajustada antes de qualquer ensaio com o modelo em repouso devido a pequenas perdas de gua no canal de ondas utilizado 0 06 0 05 0 01 0 05 0 04 0 03 0 02 AA E ii Deslocamento m 0 01 0 02 0 03 OO Tens o V Figura 4 14 Recta de calibra o do laser 4 3 4 Placa e Programa de Aquisi o de Dados A aquisi o de dados foi feita atrav s de uma placa PCMCIA NI DAQCard 6024 E montada previamente no decorrer dos ensaios da tese de Tiago Duarte No decurso dos ensaios referentes a este trabalho apenas se teve de proceder liga o dos terminais do man metro de press o confirmando se tamb m as liga es j existentes A placa permite a aquisi o de uma vasta gama de tens es sendo que os sinais adquiridos se encontravam entre 10 V ou 5 V A defini o destes intervalos permitiu optimizar a resolu o e a precis o da placa para cada sinal ver tabela 4 1 Para proceder interpreta o dos sinais adquiridos pela placa procedeu se programa o em LabView imagens em anexo Neste faz se a aquisi o dos sinais e a 29 transforma o destes para as vari veis pretendidas segundo a calibra o de cada sensor feita a apr
82. re levando a que se produza um movimento de sa da de agua pela abertura do tubo Esse movimento contr rio ao movimento ascendente do aparelho e da zona inferior da coluna de gua constringindo este ltimo e levando a um aumento de press o na base da C O Ambas as situa es podem ser visualizadas na Figura 3 2 qp b q LISA s oe 23 BE a foo BN 2 2 E 2 E 2 x gt pA pB p2 p2 pB pA pE lt p2 lt pA p lt pA lt pZ pE lt p2 lt pA p2 p02 pe lt poe p2 gt gp02 Figura 3 2 Esquema de funcionamento do aparelho i repouso equilibrio entre os reservat rios ii movimento descendente entrada de gua na CAO iii e v Zonas de movimento ascendente e descendente com ambas as v lvulas fechadas iv movimente ascendente sa da de gua da CAO A acelera o e desacelera o da coluna de gua pode ser calculada atrav s da equa o de Bernoulli para regime estacion rio desde que se desprezem os efeitos viscosos Como se pode ver na Figura 3 1 poss vel relacionar um ponto na superf cie livre exterior 1 com um ponto na base da coluna de agua 2 rela o obtendo se atrav s da equa o de Bernoulli 2 OV g 1 dt z 2 0 3 1 O termo de acelera o est inclu do nesta equa o uma vez que n o desprez vel As cotas dos pontos 1 e 2 e 22 podem ser expressas em termos dos seus valores m dios z e Zo atrav s de 3 2 N N Zo
83. requ ncia 0 8Hz pA pB Pa Sem discos Com discos Com discos Superiores Com discos Inferiores Tempo s Figura 5 10 Compara o entre geometrias da diferen a de press o entre reservat rios para onda de 8 cm As evolu es apresentadas nas figuras 5 10 e 5 11 levam a que se prevejam maiores diferen as de press o para a geometria com discos inferiores para a amplitude de 10 cm e as frequ ncias de 1 0 e 1 2 Hz Conclui se portanto que para condi es mais extremas das ondas prefer vel a utiliza o de discos inferiores De seguida apresentam se a compara o da diferen a de press o entre A e B para v rias frequ ncias e amplitudes de onda 43 Amplitude 4 cm pA pB Pa 15 2 25 Tempo 5 Amplitude 6 cm Amplitude 6 cm pA pB Pa 3 35 4 1 ES 2 25 3 35 4 Tempo 5 Amplitude 10 cm pA pB Pa pA pB Pa Sem discos Com discos Com discos Superiores Com discos Inferiores Figura 5 11 Compara o das evolu es da diferen a de press o entre reservat rios para v rias amplitudes de onda para 0 8 Hz A an lise da Figura 5 11 mostra que a geometria sem discos produz melhores resultados que as restantes para uma gama mais larga de amplitudes Verifica se como esperado que para amplitudes grandes a geometria com discos inferiores passa a ter melhor resposta a n vel da diferen a de press o Os discos inferiores tornam se mais eficientes para maiores alturas de onda d
84. s iniciais para a concep o do modelo foram inferiores aos reais Esta diferen a do projecto para a pr tica deve se ao facto de se ter sobredimensionado os furos das v lvulas e se ter fechado um dos furos na divis ria entre reservat rios Estas altera es levam a que a press o em A possa atingir valores mais elevados e mais rapidamente Como se concluiu anteriormente a raz o entre os dois di metros dos furos da CAO para A e de A para B deve ser a maior poss vel para que se atinjam maiores diferen as de press o e o di metro da passagem entre A e B deve ele tamb m ser suficiente para que permita a passagem de caudal em grande quantidade Notar aqui tamb m o efeito da recircula o na coluna de gua que ajuda passagem de press o para o reservat rio A aumentando desse modo os valores de a Este efeito tem de ser testado num aparelho de maior escala de modo a se perceber que tem as mesmas consequ ncias 52 5 4 6 Caudale Pot ncia A esta escala e com a influ ncia da rea reduzida definida para a passagem do reservat rio A para o B tem se que os valores atingidos de caudal s o da ordem dos centilitros por segundo 1 x 10 m s Estes s o valores muito reduzidos e os volumes que s o movidos s o ainda inferiores devido aos per odos de tempo testados serem inferiores a 1 segundo x 10 Caudal entre Reservat rio B Caudal m3 s 1 1 5 2 2 5 3 3 5 4 Tempo s Figura 5 20 Aproxima o do Caudal e
85. s mais prop cias explora o da energia das ondas estando o potencial nas linhas costeiras dos continentes apresentado na Figura 2 2 em kW m 31 Figura 2 1 Zonas mais prop cias extrac o de energia das ondas Note se que o potencial mares interiores ou confinados n o se encontra apresentado nem apresentado na Figura 2 2 dada a baixa densidade de energia nestas zonas A explora o da energia das ondas no alto mar complexa por uma grande variedade de factores sendo os principais a grande variabilidade de pot ncia nas ondas a dificuldade acrescida nas amarra es a necessidade de aparelhos mais resistentes para enfrentar as intemp ries e consequentemente mais dispendiosos e o maior investimento na liga o el ctrica a terra O facto da quantidade de problemas a resolver ser menor junto costa levou a que as pesquisas se focassem a numa fase inicial ainda que se pense que os aparelhos costeiros apenas possam absorver entre 25 a 50 do que um aparelho em alto mar poderia absorver para a mesma onda Mesmo dentro dos aparelhos costeiros os diferentes estados do mar levam a que seja dif cil obter alta efici ncia continuamente ainda que o factor de carga da energia das ondas que se espera poder atingir 30 a 45 seja superior ao solar que se estima entre 10 a 20 ou e lico entre 25 35 415 Figura 2 1 Valores representativos em kW por metro de frente de onda da pot
86. s pela passagem do fluido de dentro do corpo para fora 251 Embora esta tecnologia n o possua efectivamente um corpo em movimento mas sim em deforma o foi inclu da nesta categoria Finalmente o Aegir Dynamo destingue se de todos os outros atr s referidos devido ao sistema directo de produ o de energia que transforma o movimento linear da b ia em movimento rotacional no gerador aproveitando tanto o movimento ascendente como o descendente para fazer o gerador rodar na mesma direc o O gerador usado neste aparelho do mesmo tipo dos geradores usados pelas turbinas e licas os geradores magn ticos ou de man permanente 81 11 __ OneDirectional Rotational BrCirectional Movement to Vertical Electric Generator Movement Anchor Caused by A Z Wave b Figura 2 6 Aegir Dynamo a Esquema do prot tipo b Conversor de movimento de translac o para movimento de rota o Por outro lado existem ainda os equipamentos com liga o ao fundo do oceano e totalmente submersos Destes destacam se o Arquimedes Wave Swing Portugal 2004 9 13 23 Oyster 821 WaveRoller Peniche Portugal 2008 22 e CETO Garden Island Austr lia 2010 Estes ltimos tr s situam se normalmente em guas pouco profundas at 20 metros e bombeiam gua para uma turbina hidra lica em terra O CETO possu a vantagem nica de tamb m produzir gua pot vel atrav s de um processo de osmose invers
87. scala de tens o recebida amplificando os para a gama 10 a 10V tamb m neste aparelho que se faz o ajuste do zero das sondas a Figura 4 11 a sonda de n vel utilizada para medir n vel da onda incidente b Wave Probe Monitor A calibra o desta sonda seguiu os mesmos moldes das anteriores A estrutura da sonda possui orif cios que a permitem subir ou descer com 1cm de espa amento Fizeram se v rias medi es calculando se posteriormente a respectiva recta de regress o 0 045 0 04 0 035 0 03 0 025 0 02 0 015 0 01 0 005 0 y 0 0173x O gt gt N 2 5 Figura 415 12 Recta de calibra o da sonda de n vel Esta sonda muito sens vel e com o decorrer dos ensaios altera o da temperatura da gua e pequenas perdas de gua do canal foi necess rio ajustar o seu zero v rias vezes entre ensaios Laser Para a medi o do deslocamento do modelo recorreu se a um laser modelo da KEYENCE fixo numa zona superior ao modelo Este laser permite alta precis o na leitura da altura da oscila o A utiliza o deste laser obrigou cria o de uma zona opaca na superf cie superior do modelo de modo a que pudesse ser reflectido O laser foi fixo a uma placa no topo do canal ver Figura 4 1 por interm dio de uma calha met lica que tamb m auxiliou a sua calibra o Figura 4 13 Laser utilizado para a medi o do deslocamento do modelo Este sensor possui a
88. t rios se escoara mais rapidamente que o previsto e que portanto poder o ocorrer situa es em que as press es equilibrem antes de existirem novamente condi es de abertura de v lvulas A implica o desta decis o de concep o num aparelho escala real seria um per odo de tempo na oscila o sem produ o de energia Embora este aspecto possa ser partida encarado como um erro de concep o tem a vantagem de permitir ensaiar v rias amplitudes e frequ ncias sem necessidade de ajustar o furo para o caudal pretendido pelo que neste caso particular surgiu como um erro ben fico Na realidade ap s alguns ensaios preliminares decidiu bloquear se um dos dois furos de forma a tornar a perda de press o gradual e que n o existissem per odos de tempo sem caudal entre os reservat rios Como se ver na sec o de Resultados esta decis o provou se acertada uma vez que se conseguiu que a diferen a de press o entre ambas as c maras fosse sempre superior a zero Tampas do reservat rio superior e inferior A tampa superior possui as entradas para as tomadas de press o para os reservat rios Ambas apresentam superf cies exteriores c nicas para facilitar o escoamento exterior da gua em torno da massa adicionada A tampa inferior faz o fecho da coluna de gua ao exterior providenciando uma superf cie fechada para ser poss vel a desacelera o da CAO Tampa da b ia superior Tem como principal fun o fechar a c mara de
89. te Os aparelhos do tipo Coluna de gua Oscilante OWC Oscillating Water Column foram dos primeiros a serem desenvolvidos sendo apelidados v rias vezes de aparelhos de primeira gera o O princ pio destes dispositivos consiste na exist ncia de uma c mara pneum tica fixa ou flutuante qual a onda acede pelo fundo ou por uma abertura lateral comprimindo e expandindo alternadamente o ar contido na c mara e promovendo um fluxo de ar para e de a atmosfera exterior atrav s duma conduta onde se encontra uma turbina de fluxo revers vel Waregen Figura 2 3 Esquema de funcionamento tipico de OWC costeiro Estes aparelhos podem dividir se em fixos e flutuantes sendo que os fixos existem tanto isolados na costa ou perto da costa como em quebra mar A inclusao de OWC em quebra mar pode tornar os custos de constru o mais razo veis uma vez que os pode dividir com a constru o do quebra mar em si al m de permitir a exist ncia de reas de opera o e manuten o comuns a ambos V rios prot tipos foram lan ados e muitos encontram se em funcionamento De entre as centrais de coluna de gua oscilante destacam se Central Piloto Europeia da ilha do Pico Pico A ores 1999 gt uma pot ncia de 400 kW 9 Limpet OWC Ilha de Islay Esc cia 2000 19151823 Energetech OWC Port Kembla Austr lia 2006 9 10 1323 ambas com 500 kW de pot ncia OSPREY Dounreay Esc cia 1996 11 para 2 MW dispos
90. u da uma breve demonstra o dos resultados te ricos para a escala do modelo e para a escala real O cap tulo 4 exibe as instala es onde os testes foram realizados as v rias pe as constituintes do modelo utilizado o seu objectivo no modelo e os problemas encontrados na concep o do modelo Ser apresentada toda a instrumenta o utilizada e respectiva calibra o assim como o programa de aquisi o de dados criado Neste cap tulo indicam se tamb m quais os ensaios realizados ao longo deste trabalho e a metodologia utilizada nos mesmos No cap tulo 5 ser o analisados os resultados experimentais obtidos O cap tulo 6 consistir nas conclus es retiradas deste trabalho e qual a ptica de futuro do conceito explorado com este modelo Ser o apresentadas as dificuldades que ter o de ser resolvidas para futuros desenvolvimentos nesta rea 1 1 Objectivos Nesta disserta o estuda se de forma preliminar a possibilidade de desenvolver um sistema de aproveitamento de energia das ondas baseado no desenvolvimento de altas e baixas press es respectivamente associadas desacelera o e acelera o de uma coluna de agua vertical existente no interior de uma b ia com movimentos de arfagem Para tal procedeu se ao desenvolvimento de um modelo adequado a este estudo que foi ensaiado no canal de ondas do Laborat rio de Hidra lica do Departamento de Engenharia Civil e Arquitectura do Instituto Superior T cnico O modelo f
91. ual realmente o melhor estado testado ser o ent o analisados todos os efeitos relevantes nas varia es de press o e as suas consequ ncias f cil identificar na Figura 5 13 que 10 cm de amplitude e 1 0Hz de frequ ncia correspondem ao melhor estado das ondas em termos de diferen as de press o criadas para o modelo e condi es testados Compara o da diferen a de press o entre o Reservat rio A e B para v rios estados de onda 80 Amplitude 8cm Frequ ncia 0 8Hz Amplitude 8cm Frequ ncia 1 0Hz Afr NA Amplitude 10cm Frequ ncia 0 8Hz 70 hy 38 Amplitude 10cm Frequ ncia 1 60 um Press o Pa 30 1 2 1 4 1 6 1 8 2 22 2 4 2 6 Tempo s Figura 5 13 Compara o entre os melhores estados de onda para a geometria sem discos 5 4 1 Deslocamento do Modelo e Onda incidente Anteriormente na compara o de geomeirias os sinais da onda incidente e do deslocamento do modelo foram ajustados perfeitamente em termos de fase para permitir uma melhor compara o da amplitude de ambos Agora na Figura 5 14 pode ver se a diferen a de fase no movimento do modelo para com a onda incidente Note se que o sinal foi transportado para o local da b ia de modo o que permite fazer esta compara o Esta diferen a deve se in rcia do aparelho que faz com que no pico de uma crista de onda o modelo ainda possua velocidade ascendente e que portanto continue a subir embora a onda incidente
92. ue instante abrem as v lvulas na an lise das tr s press es em conjunto Da Figura 5 17 pode observar se que os m ximos de press o nos reservat rios n o coincidem com os m ximos da press o na coluna de gua embora os furos de liga o da CAO ao reservat rio A sejam sobredimensionados Verifica se assim que o efeito da recircula o ajuda a aumentar a press o no reservat rio A mas pela negativa impede que a press o no reservat rio B des a at ao m nimo da press o da CAO Devido tamb m sobredimensionada liga o entre reservat rios verifica se que o m ximo de press o em B se d praticamente no mesmo instante que em A Seria de esperar que existisse uma desfasagem entre os m ximos destes dois sinais agora claramente vis vel a zona onde as v lvulas do reservat rio B abrem situando se esse momento no cruzamento do sinal de press o da CAO com o do reservat rio B junto aos m ximos Como se pode observar a press o em B come a a reduzir nessa altura sendo no entanto sempre superior da coluna de gua Junto aos m nimos dos sinais verifica se que a diferen a da CAO para os reservat rios se acentua partida este resultado seria esperado apenas para o reservat rio A mas ao se compreender a influ ncia da recircula o pode explicar se porque se verifica esta diferen a tamb m para o reservat rio B No movimento descendente o primeiro efeito da recircula o contrariar o caudal a sair de B para a coluna de
93. ula es vizinhas tendo menor influ ncia na vida marinha Estas implica es t m de ser consideradas na escolha de um local adequado Por outro lado no projecto de aparelhos off shore necess rio perceber em que escala estes poder o afectar a vida marinha Alguns estudos referem que a presen a de conjuntos de aparelhos poder servir de recife artificial H permitindo o desenvolvimento e prolifera o de esp cies A morfologia costeira pode ser afectada se houver uma redu o significativa da energia que dissipada na zona de rebenta o situa o que s com uma utiliza o muito intensiva da energia das ondas tem condi es para ocorrer No entanto s o necess rios mais dados sobre as emiss es sonoras que possivelmente podem interferir com a orienta o de algumas esp cies 2 13 18 19 201 Em geral a perspectiva que a energia de ondas tenha um efeito muito positivo sobre o ambiente e medida que o pre o de mercado se for reduzindo e se tornar mais competitivo estes baixos impactes ambientais tornar se o um trunfo importante sobre outros tipos de energia poluentes abrindo novas possibilidades para mixes energ ticos mais renov veis e limpos 2 2 3 Potencial Econ mico Outro importante factor a avaliar no potencial destas tecnologias s o as dificuldades econ micas existentes Actualmente a fiabilidade das tecnologias desenvolvidas e os riscos de destrui o envolvidos levam a que uma maior aposta na
94. uma palavra a Tiago Kullberg Martins pelo empr stimo de pe as do modelo por ele utilizado e pelo tempo perdido a ensinar me o funcionamento do canal Gostaria ainda de enaltecer o grupo de amigos que se formou nestes ltimos 5 anos Orgulho me de afirmar que aprendi diverti e cresci com todos eles Todas as discuss es relativas ou n o disserta o contribu ram para a minha forma o pessoal e profissional e meu desejo que o possam continuar a fazer por um longo per odo de tempo Finalmente mas n o menos importante agradecer minha fam lia por sempre me apoiar e pressionar a fazer mais e melhor e pela oportunidade dada para a realiza o deste curso Resumo O objectivo deste trabalho foi analisar o potencial da desacelera o da coluna de gua oscilante CAO para extrac o de energia das ondas Procurou tamb m estudar se a influ ncia que altera es no di metro interno da b ia superior do modelo t m sobre a press o obtida Foi desenvolvido um modelo apropriado cria o de press o pela desacelera o da CAO baseado num aparelho j existente e em funcionamento o SparBuoy tendo as dimens es gerais sido obtidas deste Para compara o com os resultados obtidos desenvolveu se o modelo te rico em MatLab permitindo o c lculo da press o da CAO caudais e pot ncias Este modelo foi posteriormente utilizado para a estimativa escala real dos resultados Verificou se que a varia o do di metro interno
95. vavelmente perto de uma frequ ncia secund ria pr pria do modelo Neste caso n o ser a frequ ncia de resson ncia uma vez que nesse caso a amplitude da oscila o dever ser superior da onda incidente De notar tamb m que na Figura 5 7 ii a amplitude da onda incidente inferior ao pretendido levando a que todas as curvas sejam do mesmo modo afectadas Ainda da an lise da figura conclui se que a oscila o do modelo diminui para frequ ncias superiores a 0 8Hz devendo se a uma conjuga o de esfor os hidrodin micos e da in rcia do modelo levando a que o modelo n o conclua a traject ria da onda na sua totalidade Conclui se portanto que com a continua o de aumento da frequ ncia as oscila es do modelo ser o mais reduzidas A an lise gr fica completada com os valores apresentados na tabela 5 1 39 Frequ ncia Onda Incidente Sem discos Com discos Com discos Com discos Hz 1 2 1 0 0 8 0 6 cm cm cm superiores cm Inferiores cm M x 4 20 2 11 2 68 2 11 2 94 62 64 63 Min 4 24 2 62 2 1 2 66 2 96 Max 3 93 3 14 2 2 2 83 3 17 70 72 Min 3 94 3 15 2 90 2 83 3 33 Max 3 94 3 64 3 36 3 45 3 73 88 85 84 Min 4 26 3 55 3 64 3 42 4 00 Max 3 99 3 19 2 94 2 99 3 32 78 78 3 22 3 08 Min 3 89 3 11 3 49 Tabela 5 1 Valores m ximos e minimos do deslocamento do modelo para as diferentes geometrias e da onda incidente 5 3 2 Press o na base da Coluna de gua
96. x o do que se espera que aconte a escala real 5 5 1 Escala do Modelo A compara o deve come ar por ser feita ao n vel das press es atingidas na coluna de agua Utilizaram se as medidas geom tricas do modelo experimental assim como as condi es da onda no modelo te rico para que a compara o seja mais fiel f 1 0 Hz A 10 cm L 12 5 cm A express o 5 1 foi a utilizada no c lculo te rico da press o na coluna de agua w2L 2 pgA Cos wt 5 2 Compara o da Press o na C O para o modelo te rico e modelo experimental 3200 2000 2000 2600 Press o Fa Figura 5 21 Compara o da press o da CAO obtida experimentalmente e teoricamente para a onda de 10 cm e 1 0 Hz 54 Verifica se pela an lise da Figura 5 21 que o modelo te rico da press o na CAO muito preciso relativamente ao experimental Deste modo e utilizando o valor de a 0 94 m nimo obtido experimentalmente obt m se o valor te rico para a press o em A Note se que num aparelho escala real o per odo de tempo para a passagem de gua da CAO para o reservat rio A cerca de 8 a 10 vezes superior ao registado para o modelo experimental Compara o da Press o no Reservat rio A para o modelo te rico e modelo experimental 3200 2000 2000 2600 Press o Pa 1500 1 2 2 5 3 Sal 4 4 5 5 Tempo 5 Figura 5 22 Compara o da press o do Reservat rio A obtida experimentalmente e teoricam

Análise experimental do efeito de desaceleração de CAO em

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