1. Ciencia

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DE
H I D R Á U LI C A
PUERTO VALLARTA, JALISCO, MÉXICO, OCTUBRE 2014
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OPTIMIZACIÓN DE UN DISPOSITIVO UNDIMOTRIZ TIPO BOYA FLOTANTE,
ANÁLISIS ESPECTRAL
García-Santiago Erick Iván1, Mendoza-Baldwin Edgar Gerardo1, Silva-Casarín Rodolfo1,
Ortega-García Miguel de Jesús2 y Ortega-García Francisco2
1
Instituto de Ingeniería, Universidad Nacional Autónoma de México. Circuito Escolar S/N, Edif. 5,
Ciudad Universitaria, Del. Coyoacán, México D.F., México. C.P. 04510
2
Laboratorio de Investigación Sexto Sol S.A. de C.V. Josefa Ortiz de Domínguez No. 72, Col. Loma Bonita,
Nezahualcóyotl, Estado de México, México. C.P. 57940
[email protected], [email protected], [email protected], [email protected],
[email protected]
Introducción
La sociedad ha planteado objetivos y retos muy claros
respecto a los métodos y sistemas futuros para la producción
de energía que abastecerá a la población. Actualmente, la
mayor parte de las fuentes de energía utilizan combustibles
fósiles, sin embargo, el agotamiento inminente de sus reservas
y los problemas ambientales que su uso genera, han impuesto
grandes retos que deben cumplir los nuevos métodos para
aprovechar las distintas fuentes de energía, siendo las tres
premisas principales las siguientes: renovabilidad, tecnologías
limpias y bajos costos. Estas premisas se cubren fácilmente
con la utilización de fuentes de energía inagotable como la
solar, eólica, fluvial y marina. De todas ellas, el océano es
propiamente la única fuente permanente y que presenta
diversas alternativas de aprovechamiento, tales como,
corrientes oceánicas y costeras, gradientes térmicos y
osmóticos, mareas y oleaje. De éstas, la energía del oleaje o
energía undimotriz tiene la ventaja de ser predecible y que
naturalmente viaja hacia la zona donde puede ser aprovechada.
En todo caso, la recuperación de las fuentes de energía no
fósiles es un paso que hoy, más que un mero interés científico,
es una necesidad.
En congruencia con lo anterior, este artículo tiene como objeto
mostrar los resultados del análisis realizado para evaluar la
interacción
estructura–oleaje
obtenido
durante
la
caracterización y optimización del WEC por sus siglas en
inglés (Wave Energy Converter) dispositivo undimotriz de una
palanca, el cual es un captador puntual de tipo boya flotante,
diseñado para aprovechar la energía potencial de las olas. La
operación del WEC se basa en principios básicos de la Física,
como el principio de Arquímedes, la palanca, la gravedad y la
rueda libre. Su funcionamiento hidráulico se puede describir
en dos fases: la "fase de tracción", producida cuando la cresta
de una ola eleva la boya, dando movilidad a todo el
mecanismo que inicia la producción de energía; y la "fase de
restitución", que coincide con el seno de la ola y permite que
el ciclo de generación se reinicie. El movimiento ascendente y
descendente de la boya se transmite mediante una palanca
hacia un mecanismo que se conecta un generador de energía
eléctrica.
La simplicidad en el diseño de este WEC le permite operar
fijo al fondo del mar en aguas poco profundas o flotante a
mayores profundidades, por lo que se estiman costos de
instalación, operación y mantenimiento bajos en comparación
con otros dispositivos (Waveplam 2009). Estas características
del dispositivo, han motivado al estudio y mejoramiento de su
funcionamiento, como los trabajos realizados por Muliawan
2013, Patel 2013, Heikkinen 2013 y Orazov 2010.
En virtud de que este sistema de generación opera cerca de la
costa en aguas someras y consume la energía del oleaje, puede
ser utilizado como elemento de protección de playas, por lo
cual el análisis espectral del oleaje es un aspecto importante en
este tipo de dispositivos. Por estas razones, se consideró
conveniente evaluar los coeficientes de transmisión, reflexión
y disipación del oleaje por la presencia del prototipo, así como
la influencia del coeficiente de reflexión producido por la
playa.
El análisis espectral es una técnica que consiste en
descomponer frecuencias de un fenómeno físico complejo en
constituyentes elementales para conocer la contribución de
cada uno de ellos al proceso. De esta forma se conoce la
estructura y evolución temporal (espacial) del sistema
(Rodríguez 1995).
Metodología
Se fabricó un modelo del WEC a escala 1:20 que fue sometido
a pruebas experimentales (Ilustración 1) en el canal de oleaje
del Laboratorio de Costas y Puertos del Instituto de Ingeniería
de la UNAM, el canal de oleaje mide 37 metros de longitud,
80 centímetros de ancho y 120 cm de alto, lleno a su máxima
capacidad requiere de 24,000 litros de agua y en condiciones
normales de operación 15,000 litros. El generador de oleaje
consiste en una placa vertical de acero sostenida por un riel
horizontal que se mueve hacia adelante y atrás. Las principales
características técnicas del generador son: Carrera de la paleta
de 0.85 m y velocidad máxima de la paleta de 0.81 m/s, entre
las capacidades del mismo se cuentan las de generar tanto
oleaje controlado (regular) en el que siempre se tiene la misma
ola, como oleaje aleatorio (irregular) el cual resulta mucho
más cercano a la realidad. El canal cuenta con un módulo de
absorción de oleaje para minimizar el efecto de las ondas rereflejadas, adicionalmente se ha dispuesto de una playa
disipativa en la parte final del canal.
Las pruebas se centraron en evaluar la respuesta del sistema a
diferentes alturas y periodos de oleaje para distintos diámetros
de boya y longitudes de palanca. La potencia de salida se
registró mediante un tacómetro y un torquímetro, para evaluar
la estabilidad estructural se utilizó una cámara de alta
velocidad y cinco sensores de presión instalados de forma
equidistante sobre la estructura vertical del dispositivo en toda
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la columna de agua, mientras que para el análisis espectral se
utilizaron once sensores de nivel distribuidos a lo largo del
canal de oleaje (Ilustración 2) conectados a un datalogger y a
una PC.
periodo y altura de ola; y 2 componentes clave en el diseño del
sistema (diámetro de boya y longitud de palanca) tal y como
se describe en la Tabla 2.
Tabla 2. Condiciones de operación experimentales.
Condición de operación
Número
Descripción
Regular e Irregular
Tipo de oleaje
2
Periodo de oleaje “T”
15
0.8 a 2.2 s
Altura de ola “H”
3
0.05 , 0.075 y 0.10 m
Diámetro de boya “ ”
3
0.10 , 0.15 y 0.20 m
3
Longitud de palanca “ ”
m: metros, s: segundos
La combinación de las dos geometrías del sistema (boya y
palanca) permitieron evaluar 9 arreglos distintos del WEC
(Tabla 3) para determinar el arreglo óptimo del sistema con el
que se alcanza la mayor potencia y eficiencia de generación.
Ilustración 1. Pruebas experimentales con el WEC.
El análisis espectral del oleaje requirió una preparación previa
de los sensores de nivel en el canal de oleaje: se instalaron 3
grupos de sensores con 3 elementos cada uno y un solo sensor
cerca de la pala de generación y de la playa artificial. La
distancia entre los elementos de cada grupo de sensores fue
como se muestra en la Tabla 1 determinadas en función del
periodo de oleaje de acuerdo a las ecuaciones (1).
Tabla 3. Combinaciones del sistema.
Simbología
Longitud de
Diámetro de
palanca [m]
boya [m]
0.8 – 1.6
1.7 – 2.2
AY
AZ
Distancia entre sensores (cm)
1° y 2° sensor
30
45
Combinaciones
AX
Tabla 1. Distancia entre elementos de cada grupo de sensores
Periodos de
oleaje “T” (s)
2° y 3er sensor
65
155
A = 0.8
X = 0.10
B = 0.9
Y = 0.15
C = 1.0
Z = 0.20
BX
BY
BZ
CX
CY
(1)
donde
es la distancia máxima ente sensores y
la distancia mínima.
0.8 , 0.9 y 1.0 m
CZ
es
El WEC fue colocado a 10 metros de la playa artificial, a 3
metros delante y detrás de él fue colocado un grupo de
sensores que registraron las variaciones en el tren de ondas
inducidas por la presencia del WEC (Ilustración 2).
Descripción
Palanca de 0.8 m
Boya de 0.10 m
Palanca de 0.8 m
Boya de 0.15 m
Palanca de 0.8 m
Boya de 0.20 m
Palanca de 0.9 m
Boya de 0.10 m
Palanca de 0.9 m
Boya de 0.15 m
Palanca de 0.9 m
Boya de 0.20 m
Palanca de 1 m
Boya de 0.10 m
Palanca de 1 m
Boya de 0.15 m
Palanca de 1 m
Boya de 0.20 m
La combinación de estados de oleaje y geometrías del sistema
descritas en las Tablas 2 y 3, sumaron un total de 1620
pruebas realizadas, de las cuales se analizaron trenes de 150
olas tanto monocromáticas como sujetas a un espectro de tipo
Jonswap.
Resultados
Con el análisis espectral del oleaje se evaluó la variación que
tiene el espectro de la ola al dirigirse hacia la costa y pasar por
la estructura del prototipo.
Ilustración 2. Distribución de sensores de nivel en el canal de
oleaje.
Las condiciones de operación utilizadas durante las pruebas
con el WEC involucraron los parámetros del tipo de oleaje, su
Con los datos obtenidos del grupo de sensores que están antes
y después del WEC (Ilustración 2) se determinó el coeficiente
de transmisión “Ktrans”, coeficiente de reflexión “Kreflex” y el
coeficiente de disipación “Kdisip”. Los resultados se presentan
en las Ilustraciones 3 a 7. En ellas, los primeros 90 datos
graficados corresponden a la combinación AX, donde 45
pruebas fueron realizadas con oleaje regular y 45 con oleaje
irregular, de las cuales las primeras 15 pruebas se efectuaron
con una altura de ola de 5 cm, las 15 siguientes con alturas de
ola de 7.5 cm, y las 15 restantes con alturas de ola de 10 cm.
Por lo tanto los siguientes 90 datos graficados (prueba 91 -
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180) corresponden al a combinación AY y así sucesivamente
para el resto de las combinaciones.
Para el cálculo del “Ktrans” se tomó la altura de ola significante
obtenida por el método de Mansard (Mansard 1980) del grupo
de sensores situados antes del prototipo, mientras que para la
altura de ola transmitida se tomó la altura significante del
grupo de sensores ubicado después del prototipo a la cual se le
nombró “Htrans”. Ambas alturas de ola fueron obtenidas con el
programa REFLAB.f90 desarrollado por el grupo de Costas y
Puertos del Instituto de Ingeniería de la Universidad Nacional
Autónoma de México, con el cual se separó el oleaje
incidente, reflejado y transmitido.
(3)
[ ]
(
)
(4)
dónde “Ktrans” es el coeficiente de transmisión, “Kreflex” es el
coeficiente de reflexión y “
” es la eficiencia de
disipación.
El cálculo del coeficiente de transmisión se realizó mediante
la ecuación (2), cuyos resultados se presentan gráficamente en
la Ilustración 3.
(2)
donde “Ktrans” es el coeficiente de transmisión, “Htrans” es la
altura de ola transmitida y “Hincid” es la altura de ola incidente.
Ilustración 3. Coeficiente de transmisión.
Se puede observar que la mayor parte de las pruebas tiene un
“Ktrans” en un rango de 0.85 y 0.95, por lo que el promedio
para las 810 pruebas fue de 0.88, esto indica que
aproximadamente el 88 % de la energía de la ola logra pasar
por la estructura del prototipo.
Los resultados del “Kreflex” (obtenidos con el programa
REFLAB.f90 por el método de Mansard) presentados en la
Ilustración 4, muestran que la mayoría de las pruebas oscilo
entre 0.2 y 0.3, con un promedio de 0.22. Esto significa que el
oleaje reflejado por la estructura del prototipo es
aproximadamente del 22%.
Ilustración 5. Coeficiente de disipación.
Ilustración 6. Eficiencia de disipación.
La gráfica de la Ilustración 5 muestra que la mayor parte de
las pruebas presentaron un coeficiente de disipación entre 0.1
y 0.2, lo que indica que el sistema de generación tiene en
promedio un “Kdisip” de 0.16, por lo que una vez instalado el
prototipo se estima que disipe el 16% de la energía de la ola
que llega a la playa (Ilustración 6), fungiendo así como
sistema de protección costera.
A continuación, en la Ilustración 7 se muestran gráficamente
los resultados del coeficiente de reflexión de la playa obtenido
con el grupo de sensores 8, 9 y 10 situados entre la playa
artificial y el prototipo. Los resultados muestran que la
mayoría de las pruebas presentaron coeficientes entre 0.12 y
0.20 cuyo promedio fue de 0.16, esto significa que el
coeficiente de reflexión de la playa es del 16%.
Ilustración 4. Coeficiente de reflexión.
El cálculo del coeficiente de disipación y eficiencia de
disipación fueron determinados utilizando las ecuaciones (3) y
(4) a partir de los resultados del “Ktrans” y “Kreflex” obtenidos
en el análisis anterior. Los resultados obtenidos se presentan
gráficamente en las Ilustraciones 5 y 6 respectivamente.
Ilustración 7. Coeficiente de reflexión de la playa.
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Debido a que el prototipo opera en aguas poco profundas, su
proximidad con la playa es relativamente cercana, por lo que
el efecto de reflexión producido por la playa altera un 10 % el
coeficiente de transmisión del prototipo, por lo tanto el
dispositivo tiene un coeficiente de transmisión del 72%. Así
mismo, el coeficiente de disipación indica que el sistema de
generación puede servir como sistema de protección costera al
disipar el 16 % de la energía de la ola.
Conclusiones
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DE
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El coeficiente de transmisión para el arreglo óptimo del
sistema fue del 88 %, sin embargo, debido a que el
sistema opera en aguas poco profundas cerca de la costa,
el coeficiente de transmisión fue afectado un 10% por el
coeficiente de reflexión de la playa.
El coeficiente de reflexión de la estructura del sistema
fue del 22 %.
El coeficiente de reflexión de la playa fue en promedio
del 16 %.
Los coeficientes de reflexión y disipación del sistema
no son afectados por el coeficiente de reflexión de la
playa.
Una vez instalado el dispositivo undimotriz puede servir
como elemento de protección costera al disipar la
energía de una ola en un orden del 10 al 25 % en función
de las condiciones hidrodinámicas.
De los nueve arreglos mecánicos evaluados en el WEC
la combinación AX presentó mayor reflexión y
disipación de la energía del oleaje, al obtenerse
porcentajes del 52% y 48% respectivamente.
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