Modelação, simulação e optimização de um sistema para aproveitamento de energia dos oceanos

Tese de mestrado integrado, Engenharia da Energia e do Ambiente, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2014Este trabalho insere-se no primeiro estudo de um novo sistema de aproveitamento de energia das ondas offshore. O dispositivo proposto é um corpo oscilante que apresenta como inovação a forma como é extraída a energia pelo dispositivo. Uma vez que, a extracção de energia é realizada através do deslocamento de uma massa deslizante interna. O objectivo deste trabalho é desenvolver modelos matemáticos para simular numericamente o comportamento e optimizar a performance do dispositivo proposto. Para tal, foi desenvolvido em Matlab um programa que simula o desempenho no domínio da frequência para ondas regulares e outro para ondas irregulares (modelo estocástico). O dispositivo apresenta algumas restrições, relativas ao equilíbrio do sistema, ao deslocamento da massa deslizante e ao centro de gravidade (CG) desta massa, necessárias impor ao algoritmo, sendo que o processo de optimização do comportamento do dispositivo ficou encarregue aos algoritmos genéticos. Foram considerados diferentes cenários para a massa da bóia e para o mecanismo de conversão de energia das ondas (PTO). Da análise dos resultados obtidos, verificou-se que para o modelo da frequência a largura de captura do dispositivo apresenta dependência da massa da bóia e do cenário do PTO considerado. Para ambos os modelos, conclui-se que a potência média extraída pelo dispositivo é bastante afectada pelo valor da massa deslizante, sendo que quando este aumenta a potência média extraída pelo dispositivo também aumenta. Relativamente ao modelo estocástico, realizou-se um estudo do dispositivo com quilha, de modo a aumentar-se o valor da massa deslizante. Comparando os resultados, obteve-se melhores capturas de largura para o dispositivo com quilha. Conclui-se com este trabalho que o novo conceito de corpo oscilante offshore proposto comportou-se eficientemente no domínio da frequência quer para ondas regulares quer para ondas irregulares, apresentando resultados bastantes positivos com um enorme potencial.This work is part of the first study of a new wave energy device. The proposed device is an offshore oscillating body system that presents as innovation the energy extracted method based on internal sliding mass. The overall aim of the work was the development of mathematical models to simulate the behavior and optimize the performance of the proposed device. To this propose, frequency-domain models for regular waves and irregular waves (stochastic model) were developed using Matlab. The device presents several restrictions regarding to the balance of the system, the displacement of the slider mass and the center of gravity (CG) of this mass which needs to be restricted during the optimization process. Taken those into account, the performance of the device was optimized using genetic algorithms. Different scenarios were considered for the mass of the float and for the power take-off equipment. The obtained results for frequency-domain in regular waves showed that the capture width is highly sensitive to the mass of the float and to the power take-off equipment scenario. For booth models tested, it is possible to observe that the average power extracted by the device is influenced by the value of the sliding mass when this value increases the average power also increases. Furthermore, for the stochastic model a study was carried out for the device with a keel, in order to increase the value of the sliding mass. Comparing the results, better capture widths were obtained for the device with a keel. In conclusion, with this work the models and methods required to study the proposed device were established. Such models allow also to conclude that the proposed wave energy device achieves very good results and huge potential in frequency-domain for both regular and irregular waves