Αριθμητική μοντελοποίηση και διερεύνηση λειτουργίας και ενεργειακής απόδοσης μη-εμβολοφόρου αντλητικής διάταξης για ανάκτηση κυματικής ενέργειας με σύστημα πλωτήρα και εμβυθισμένου κατακόρυφου σωλήνα

Abstract

Η παρούσα Διπλωματική Εργασία εκπονήθηκε στο εργαστήριο Υδροδυναμικών Μηχανών του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου (ΕΜΠ), με την συνεργασία του Κέντρου Ανανεώσιμων Πηγών και Εξοικονόμησης Ενέργειας (ΚΑΠΕ). Σκοπός της είναι η αριθμητική μοντελοποίηση και διερεύνηση λειτουργίας και ενεργειακής απόδοσης ενός μηχανισμού αξιοποίησης της ενέργειας των θαλάσσιων κυματισμών.

Το δυναμικό της ενέργειας του θαλάσσιου κυματισμού μπορεί να έχει αξιοσημείωτη συνεισφορά στην παραγωγή ενέργειας από Ανανεώσιμες Πηγές. Παρ’ ότι οι μηχανές κυματικής ενέργειας σχεδιάζονται και δοκιμάζονται εδώ και τρεις δεκαετίες, δεν έχουν φθάσει σε ώριμη εμπορική μορφή, όπως συμβαίνει με τεχνολογίες που εκμεταλλεύονται άλλες μορφές ΑΠΕ. Επίσης, καμία από τις τεχνολογίες που δοκιμάζονται δεν έχει αποδειχθεί ως η επικρατούσα τεχνολογία και για τον λόγο αυτόν υπάρχει μεγάλο περιθώριο για την προώθηση νέων ιδεών. Η συσκευή που διερευνάται και μοντελοποιείται στην παρούσα εργασία είναι μια μη-εμβολοφόρος παλινδρομική αντλία με ελάχιστα κινούμενα μέρη, για την υδροηλεκτρική αξιοποίηση της ενέργειας του θαλάσσιου κυματισμού. Σχεδιάζεται για να εκμεταλλευτεί την κατακόρυφη παλινδρομική κίνηση ενός πλωτήρα, στον οποίο αυτή αναρτάται και ο οποίος επιπλέει ελεύθερα στον θαλάσσιο κυματισμό. Η αντλία αποτελείται από έναν κατακόρυφο σωλήνα ο οποίος φέρει κοντά στο επάνω άκρο του μια βαλβίδα αντεπιστροφής, ενώ το κάτω άκρο του είναι ανοιχτό. Η αρχή της άντλησης βασίζεται στην αδρανειακή συμπεριφορά της στήλης του νερού εντός του σωλήνα, η οποία αποκτά ορμή από την κίνηση του πλωτήρα. Η συσκευή αυτή έχει απασχολήσει και στο παρελθόν ερευνητές με ενθαρρυντικά αποτελέσματα, ωστόσο μέχρι και σήμερα καμία συγκροτημένη μελέτη δεν έχει πραγματοποιηθεί για την πρακτική εφαρμογή της. Στην παρούσα εργασία, η μοντελοποίηση του συστήματος πλωτήρα/σωλήνα έγινε με χρήση αριθμητικών μεθόδων και η διερεύνηση λειτουργίας επικεντρώθηκε κυρίως στην εφαρμογή της συσκευής στις ελληνικές θάλασσες, όπου επιχειρήθηκε βελτιστοποίηση του σχεδιασμού της για μέγιστη ενεργειακή απόδοση, με ικανοποιητικά αποτελέσματα. Τα αποτελέσματα είναι ενθαρρυντικά και θα μπορούσαν να αποτελέσουν την αφετηρία για περαιτέρω διερεύνηση του μηχανισμού, καθώς υπάρχουν πολλοί τεχνικοί και οικονομικοί παράγοντες που πρέπει να ληφθούν επίσης υπ’ όψιν.

This Diploma thesis was prepared at the Laboratory of Hydraulic Turbomachines of the National Technical University of Athens (NTUA), with the cooperation of Centre for Renewable Energy Sources and Saving (CRES). The purpose is the numerical modeling and analysis of operation and energy efficiency of a wave energy converter. The wave energy potential can have significant contribution to energy production from Renewable Energy Sources. Although, wave energy converters are designed and tested for three decades, they still have not reached a mature commercial form, as other renewable energy technologies. Also, none of the leading technologies has proven to be predominant and for this reason there is considerable scope to promote new ideas. The device which modeled in this thesis is a non-piston oscillating pump, with few moving parts, for the hydro-electrical conversion of wave energy. It is designed to exploit the heave motion of a free floating buoy in which is placed. The pump consists of a vertical pipe and a non-return valve near its upper end, while the lower end is open. The pumping is based on the inertial behavior of the water column inside the tube, which gain momentum from the movement of the buoy This device has been studied from some researchers in the past with promising results, but until now no organized study has been carried out for its practical use. In this study, numerical methods were used for modeling the system and the analysis of operation focused primarily on the implementation on a Greek wave spectra, where attempted optimization design for maximum energy efficiency, with satisfactory results. These satisfactory results could be a starting point for further investigation of the device, as there are many technical and economic factors to be studied extensively.