Modelado numérico de convertidores de energía de las olas

El modelado numérico de los convertidores de energía de las olas (WEC) del tipo de cuerpo móvil por oleaje se basa en la segunda ley de Newton, que establece que la fuerza inercial se equilibra con todas las fuerzas que actúan sobre e dispositivo WEC. Estas fuerzas generalmente se dividen en cargas hidrodinámicas y externas.

En general, la fuente hidrodinámica compreende (de forma simplificada):

• Fuerza hidrostática causada por la variación de la sumersión del dispositivo debido a su movimiento oscilatorio bajo una distribución de presión hidrostática.

• Las cargas de excitación debidas a la acción de las olas incidentes en un dispositivo inmóvil.

• La fuerza de radiación correspondiente a la fuerza experimentada por el dispositivo debido al cambio en el campo de presión como resultado del desplazamiento del fluido generado por el propio oscilador.

Dependiendo del tipo de WEC, la fuente externa puede incluir las cargas inducidas por el:

• Equipo de toma de fuerza (PTO), que convierte la energía mecánica (movimientos del dispositivo receptor) en electricidad,

• Sistema de amarre, responsable del mantenimiento de la posición del WEC,

• Mecanismo de fin de carrera, utilizado para desacelerar al dispositivo captor al final de su carrera, a fin de disipar la energía cinética suavemente y, por lo tanto, evitar daños mecánicos en el dispositivo.

La modelización hidrodinámica de la interacción entre las olas del océano y los WEC a menudo se divide en tres fases diferentes de acuerdo con las condiciones del mar:

(i) Durante estados de mar pequeños a moderados, las aproximaciones de olas lineales son válidas, lo que corresponde a los métodos actuales de modelado hidrodinámico de última generación.

(ii) En olas moderadas a extremas, en general, se requiere algún tipo de modelado hidrodinámico no lineal para modelar con mayor precisión la interacción ola / dispositivo.

(iii) En última instancia, en condiciones tormentosas, es necesario un enfoque completamente no lineal para modelar la interacción hidrodinámica de las olas y el dispositivo.

Con respecto a la modelización de las cargas externas, se acepta comúnmente que la producción de energía debe restringirse a condiciones no tormentosas (modo de funcionamiento del WEC), que comprende olas pequeñas a moderadas y moderadas a extremas, que corresponden a energías bajas e intermedias energéticas. estados del mar. En condiciones tormentosas, generalmente no es necesario modelar la dinámica del equipo PTO ya que el WEC está interactuando con olas extremas, por lo que debe asumir el modo de supervivencia sin producción de energía. En el modo de funcionamiento del dispositivo, las cargas inducidas por el equipo PTO, el sistema de amarre y el mecanismo de tope pueden linealizarse bajo ciertas suposiciones; sin embargo, típicamente exhiben un comportamiento fuertemente no lineal, que requiere un enfoque de dominio del tiempo para poder describirse adecuadamente.

Existen otros métodos de modelado y que el más adecuado depende de varios factores, como la precisión requerida, el tiempo, el estado del mar (condiciones tormentosas o no tormentosas), el régimen del dispositivo (modo operativo o de supervivencia) y su principio de trabajo. En vista de eso, las herramientas de modelado generalmente se dividen en 3 tipos diferentes:

1. Modelos de frecuencia: la interacción hidrodinámica entre los WEC y las olas oceánicas es un proceso no lineal complejo de alto orden que, en algunas condiciones particulares, podría simplificarse. Este es el caso de las olas y los movimientos oscilatorios del dispositivo de pequeña amplitud. En este caso, el problema hidrodinámico está caracterizado por un enfoque lineal. Por lo tanto, en ese marco (que normalmente es bastante aceptable durante todo el régimen operativo del dispositivo) y con fuerzas lineales impuestas tanto por el PTO como por el sistema de anclaje, el primer paso para modelar la dinámica WEC se lleva a cabo tradicionalmente en el dominio de la frecuencia ( donde la excitación es de una forma armónica simple). En consecuencia, todas las cantidades físicas varían sinusoidalmente con el tiempo, de acuerdo con la frecuencia de la onda incidente. En estas circunstancias, las ecuaciones de movimiento se convierten en un sistema lineal que puede resolverse de manera directa. Aunque los modelos de frecuencia tienen una aplicabilidad limitada, estando restringidos a problemas lineales donde el principio de superposición es válido, el dominio de la frecuencia el enfoque es extremadamente útil ya que permite una evaluación relativamente simple y rápida del desempeño de WEC, bajo las condiciones mencionadas. Por lo tanto, este enfoque generalmente se utiliza para optimizar la geometría de los WEC para maximizar la captura de energía.    
2. Modelos de ola a cable (herramientas de dominio de tiempo): además del interés del enfoque de dominio de frecuencia, en muchos casos prácticos la dinámica de WEC tiene algunas partes que son fuertemente no lineales, por lo que el principio de superposición ya no es aplicable. Estas no linealidades surgen principalmente de la dinámica del sistema de amarre, el equipo de PTO y la estrategia de control y, cuando está presente, el mecanismo de fin de carrera. Además, en ondas moderadas a extremas, los efectos no lineales en la interacción hidrodinámica de ola / dispositivo son más relevantes. Esto requiere algún tipo de modelado no lineal que típicamente consiste en tratar la flotabilidad y las cargas de excitación como términos no lineales. Además, las fuerzas de deriva lentas de segundo orden también pueden incluirse en una descripción de dominio de tiempo de la dinámica de WEC. Para tener en cuenta adecuadamente estas no linealidades, el modelado WEC debe realizarse en el dominio del tiempo. Además, el movimiento de la superficie libre en un estado de mar raramente alcanza condiciones de estado estacionario, y también debe representarse en el dominio del tiempo. El enfoque del dominio del tiempo es una descripción razonablemente detallada y precisa de la dinámica del WEC. Dado que este enfoque permite el modelado de toda la cadena de conversión de energía desde la interacción hidrodinámica de ola / dispositivo a la alimentación en la red eléctrica, los modelos de dominio de tiempo se denominan comúnmente códigos de ola a cable. Los resultados más relevantes de un código de este tipo incluyen, entre otros, estimaciones de la potencia instantánea producida bajo estados marinos irregulares, movimientos / velocidades / aceleraciones del WEC y cargas en el mismo. Además, son herramientas extremadamente útiles para optimizar la estrategia de control de WEC con el fin de maximizar la potencia capturada.                                                                 
3. Dinámica de fluidos computacional (CFD): debido al gran tiempo de cálculo, el uso de códigos CFD se restringe típicamente a estudiar la interacción ola / dispositivo bajo ondas extremas, que es un fenómeno fuertemente no lineal. Normalmente, el objetivo principal en este caso es modelar la dinámica WEC en su modo de supervivencia sin producción de energía (con el fin de evaluar la idoneidad de la estrategia de supervivencia). Este tipo de interacción ola-cuerpo generalmente se calcula resolviendo las ecuaciones de Navier-Stokes promediadas de Reynolds con alguna tipo de técnica numérica para modelar la superficie libre del agua. En la actualidad, existen algunos códigos CFD capaces de modelar este tipo de interacción ola-cuerpo y fluyen con fenómenos complejos de superficie libre, como el romper de olas y el desbordamiento.