Nas últimas duas décadas, novas políticas governamentais e metas obrigatórias de energias renováveis conduziram a um crescente interesse em fontes de energia oceânicas. A dinâmica complexa dos oceanos apresenta um vasto potencial, seja através de vento offshore, correntes marinhas, gradientes de temperatura, marés ou ondas. As ondas oceânicas em particular, constituem um recurso que pode ser explorado de diversas formas, desde sistemas de coluna de água oscilante a operar na costa, até mecanismos óleo-hidráulicos localizados no fundo marinho. Na presente dissertação procurou-se, em primeira linha, estudar métodos para a conversão da energia das ondas oceânicas com base numa ideia inicial. Esta consistiu em dois reservatórios de ar, compressíveis pelo peso das ondas, e um tubo no centro do sistema contendo uma turbina bidirecional. Este conceito, explorado num ramo teórico-prático, viria provar-se tecnicamente semelhante a um outro conversor já existente: o Delos - Reyes Morrow Pressure Device. Não obstante, construiu-se um modelo simples efetuando-se ensaios práticos a seco e uma tentativa experimental na praia. Os ensaios a seco demonstraram uma compressão rápida face à pressão exercida num reservatório e obtiveram-se velocidades máximas de escoamento do ar na ordem dos 10 m/s. Por outro lado, o ensaio na praia terminou inconclusivo quanto a resultados numéricos. As conclusões, juntamente com um entendimento mais aprofundado da física das ondas oceânicas, levaram ao desenvolvimento de um segundo conceito num panorama exclusivamente teórico. Para isso procedeu-se com um dimensionamento computacional em AutoCAD e a construção de um algoritmo, em Matlab, partindo de determinados pressupostos e aproximações. O algoritmo retrata, até um certo limite, a interação entre o modelo e as ondas, considerando as forças envolvidas e calculando uma força resultante para um intervalo iterativo. Através da análise numérica melhoraram-se as características de um modelo à escala 1:2 com 8,8 𝑘𝑊 de potência nominal até obter uma estrutura final com parâmetros otimizados. Com base nesta estrutura dimensionou-se o modelo à escala 1:1 com 85 𝑘𝑊 de potência nominal. O modelo foi simulado para os dados tri-horários de altura e período de onda da zona de Peniche e do Baleal, maioritariamente para o ano 2009, que apresentou registos para o ano inteiro. Os resultados obtidos indicaram tempos de operação anuais superiores a 7000 horas. A eficiência global de conversão atingiu valores máximos de 15 % e média anual de 5,6 %. O fator de capacidade médio foi 0,35 totalizando 262 𝑀𝑊ℎ de energia elétrica. A viabilidade técnica do modelo apresentou-se fortemente dependente do nível da água. Os pressupostos aplicados requerem uma análise mais detalhada através de ferramentas de computação da dinâmica de fluidos de forma a recriar situações de operação reais.

In the last two decades, new governmental policies and mandatory Renewable Energy targets brought an increasing interest in ocean energy sources. The oceans’ complex dynamics represent a vast potential, be it through offshore wind, ocean currents, temperature gradients, tides or waves. Ocean waves constitute a resource which can be explored in many ways ranging from oscillating water column systems, operating on the shore, to hydraulic-pump mechanisms located on the bottom of the ocean. The main target of this dissertation was to explore different types of Wave Energy Converters, starting from an initial idea. The concept consisted of two compressible air chambers with a tube in the center containing a bidirectional air turbine. The idea, thought for a theoretical and practical approach, would prove to be technically similar to another existing converter: the Delos - Reyes Morrow Pressure Device. Nonetheless, a simple structure was constructed, and practical tests in lab and at the beach were carried out. The dry-tests showed a fast compression of the chambers when pressure was applied, and the maximum air velocities obtained were around 10 m/s. On the other hand, the test on the beach finished without any numerical results. The conclusions, combined with a deeper understanding of ocean wave physics, led to the development of a second concept in a theoretical panorama. A computational sizing in AutoCAD was made and the construction of an algorithm, in Matlab, based on certain assumptions and approximations. The algorithm depicts, to a certain extent, the interaction between the model and the waves, considering the forces involved and calculating a resulting force for an iterative interval. Through the numerical analysis, the constructive aspects were improved for a 1:2 scale model with 8,8 𝑘𝑊 of nominal power, until a final structure with optimized parameters was concluded. Based on the latter, the 1:1 scale model was dimensioned with a nominal power of 85 𝑘𝑊. The 1:1 scale model was simulated for the consecutive three-hour data of wave height and period of the Peniche and Baleal zone. This was done, mainly for the year 2009 which presented data for the whole year. The results obtained estimated annual operating times of over 7000 hours. Overall conversion efficiency reached maximum values of 15 % and annual average of 5,6 %. The average capacity factor was 0,35, totaling 262 𝑀𝑊ℎ of electricity. The technical feasibility of the model was strongly dependent on the water level. The applied assumptions require a more detailed analysis through Computational Fluid Dynamics (CFD) tools in order to recreate real operating conditions.

Tese de mestrado integrado, Engenharia da Energia e do Ambiente, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2018