[論文レビュー] A review of hydrodynamic investigations into arrays of ocean wave energy converters

Swapnadip De Chowdhury, Jean-Roch Nader+8 more|arXiv (Cornell University)|Aug 1, 2015

Wave and Wind Energy SystemsEngineering参考文献 57被引用数 19

ひとこと要約

本稿は、波力発電変換装置アレイの水力学的調査をレビューし、理論的・数値的・実験的研究を統合して、アレイの性能と相互作用を評価する。主な知識的ギャップを特定し、モデル化とスケール実験の相補性を強調するとともに、波力抽出を最適化するためのアレイレベル設計の重要性を強調する。

ABSTRACT

Theoretical, numerical and experimental studies on arrays of ocean wave energy converter are reviewed. The importance of extracting wave power via an array as opposed to individual wave-power machines has long been established. There is ongoing interest in implementing key technologies at commercial scale owing to the recent acceleration in demand for renewable energy. To date, several reviews have been published on the science and technology of harnessing ocean-wave power. However, there have been few reviews of the extensive literature on ocean wave-power arrays. Research into the hydrodynamic modelling of ocean wave-power arrays is analysed. Where ever possible, comparisons are drawn with physical scaled experiments. Some critical knowledge gaps have been found. Specific emphasis has been paid on understanding how the modelling and scaled experiments are likely to be complementary to each other.

研究の動機と目的

• 波力発電変換装置アレイの水力学的モデリングおよび実験的研究に関する広範な文献を統合・評価すること。
• 特にモデリングと実験的検証において、アレイスケール波力エネルギー研究における重要な知識のギャップを特定すること。
• 数値モデリングと物理的スケール実験の相補性が、アレイ設計の進展にどのように寄与するかを評価すること。
• アレイの水力学的挙動および波構造相互作用の理解を向上させることで、波力エネルギー技術の商業化を支援すること。

提案手法

• 波力発電変換装置アレイに関する理論的・数値的・実験的研究の体系的レビュー。
• 物理的スケール実験の結果と水力学的モデルを比較し、精度と信頼性を評価すること。
• アレイ構成における波の diffraction（回折）、放射、干渉効果などの波構造相互作用の分析。
• 境界要素法やポテンシャル流れ理論などのさまざまなモデリング手法がアレイ文脈でどのように適用されるかの評価。
• 異なるアレイ形状、間隔、波条件における研究結果の統合的分析。
• シミュレーション結果と物理モデルデータの間の乖離および相乗効果を特定することに注力。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アレイ内の波力発電変換装置同士の水力学的相互作用は、全体の出力効率にどのように影響を与えるか？
• RQ2 数値モデルは、物理的スケール実験と比較して、波力発電変換装置アレイの性能をどの程度正確に予測できるか？
• RQ3 現在の波力発電変換装置アレイの水力学的モデリングにおける主な制限要因および知識のギャップは何か？
• RQ4 数値モデリングと物理的実験を効果的に統合することで、アレイ設計および性能予測をどのように改善できるか？
• RQ5 アレイの幾何形状および間隔は、波力の捕集を最適化し、破壊的干渉を最小限に抑えるために果たす役割は何か？

主な発見

• アレイ構成は、建設的波干渉および最適化されたエネルギー結合のおかげで、個々のデバイスと比較して波力の抽出を顕著に向上させることができる。
• 数値モデルと物理的実験の間には一般的に乖離が生じており、特に近接領域の波散乱および粘性効果の予測において顕著である。
• 境界要素法などのモデリング手法は有望ではあるが、正確性を高めるために実験データによる慎重なキャリブレーションが必要である。
• 物理的スケール実験は、ポテンシャル流れモデルでは完全に解明されない非線形的および粘性効果を捉えるために、複雑なアレイ相互作用の検証に不可欠である。
• 不規則波スペクトルおよび長期的性能を含む、実海洋環境下でのアレイダイナミクスのモデリングに関する重要な知識のギャップが依然として存在する。
• モデリングと実験の相補性は、信頼性が高くスケーラブルな波力発電アレイシステムの開発を進めるために不可欠である。