Numerical and experimental study of the hydrodynamic efficiency of a tidal energy extraction system and its effect on the re-suspension of sea bed sediments

Abstract

Este trabajo pretende contribuir a las investigaciones que se están realizando actualmente sobre energías renovables marinas y su obtención a partir de las corrientes de las mareas. En este contexto, una empresa Noruega ha desarrollado un aparato sin turbina que consiste en un conjunto de velas dispuestas en cascada que se mueven con la corriente en una dirección establecida para finalmente generar electricidad (TidalSails S.A., 2014). Las velas están unidas a un raíl que las soporta y les permite el movimiento en una dirección. Además, el raíl posee tres lados creando un triángulo equilátero con amarres en cada esquina, de modo que es más eficiente con menor espacio.

En nuestro estudio se ha elegido este dispositivo de captación de energía de las mareas para estudiar la mejor configuración del mismo, tratando de generar la mayor potencia posible, sin erosionar el fondo marino y evitando dañar el medio ambiente. Para ello, y en una primera parte, se ha estudiado la aerodinámica de las velas usadas en el mencionado dispositivo. El flujo de estudio es considerado incompresible con una corriente de entrada uniforme de velocidad V, a través de una cascada de placas planas rectangulares de longitud de cuerda c y altura b, moviéndose a una velocidad U perpendicular a la corriente V y a una cierta separación entre las placas paralelas y ángulo de incidencia. Se ha fijado un número de Reynolds a Re=56600 y una semi-relación de aspecto sAR=3. El estudio de la aerodinámica de las velas se ha llevado a cabo mediante un código numérico que ha permitido realizar las simulaciones turbulentas, comparando una única vela con los resultados experimentales de Pelletier & Mueller (2000); y así validar y ajustar los parámetros turbulentos a la entrada.

La segunda parte de la tesis se ha centrado en estudiar experimentalmente la erosión que sobre un fondo arenoso producen las placas planas en un canal hidráulico. Con ello, buscamos el efecto que la separación entre las velas y el fondo pueden producir en la arena; a la vez que, disponer de un conocimiento que nos permita tomar las mejores decisiones para producir el menor impacto ambiental. Para esto último, el número de Reynolds ha sido fijado al máximo según nos permitía el propio canal hidráulico. El canal posee unas dimensiones muy pequeñas y no permite utilizar técnicas estándares de reconstrucción de la superficie erosionada, ya sea porque introducen objetos en un espacio limitado, requieren de licencias muy caras, no tienen en cuenta la refracción de la luz o porque pueden distorsionar el resultado final. Por estos motivos, se ha diseñado una metodología y desarrollado un código en Matlab que permite salvar estas dificultades. La metodología fue realizada mediante patrones de formas conocidas, y una serie de líneas paralelas proyectadas sobre la superficie erosionada a reconstruir, obteniéndose la forma de dicha superficie sumergida en dimensiones reales. Gracias a las imágenes tomadas y al procesado de las mismas, se pueden obtener diversos resultados, como: el calculo de la cantidad de arena en unidad de volumen que se erosiona, la forma de las dunas que se generan, las curvas de nivel del fondo, la reconstrucción 3D de la superficie sumergida y los perfiles de la superficie en diferentes planos. Se ha utilizado el método anterior expuesto para calcular la altura de la placa plana con respecto al fondo arenoso y el ángulo de esta placa plana con respecto a la corriente. Realizando variaciones para minimizar la erosión producida en el fondo marino, con valores constantes del número de Reynolds máximo permitido por el canal hidráulico, y el mismo ancho de la placa plana con un único tipo de arena.

Como resultado, se ha obtenido un máximo relativo que optimiza el sistema para extraer la máxima potencia posible de la corriente marina a una separación de placas idéntica al ancho de la misma y un ángulo respecto a la corriente de 75º. También se obtuvo una altura óptima para producir menor volumen de erosión.