[論文レビュー] Energetics of marine turbine arrays - extraction, dissipation and diminution

Takafumi Nishino, Richard Willden|arXiv (Cornell University)|Aug 5, 2013

Wind Energy Research and Development参考文献 8被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、潮流発電機器アレイのエネルギー特性を予測する二重スケールモデリング手法を提案する。この手法は、海岸スケールの流れ低減と、発電機器を表す多孔質板モデルを用いたデバイススケールの大渦シミュレーション（LES）を組み合わせるものである。この方法は、エネルギー抽出量、散逸量、およびエネルギーの減少を定量的に評価し、上流での遮断効果による流れの低減が発電所の性能を顕著に低下させることを示している。LESの結果は、アレイの配置や現場の動態が全体のエネルギー収率に与える影響を明らかにしている。

ABSTRACT

A two-scale modelling approach is discussed to predict the performance and energetics of a large number (more than a few hundred) of marine turbines installed as a power farm in a general coastal environment. The kernel of this approach is that the outer, or coastal-scale, model/simulation is to assess the reduction of flow passing through a given farm area as a function of the increase of head loss across the farm, whereas the inner, or device-scale, model/simulation employs this function to account for the (otherwise unknown) effect of coastal dynamics for that farm site, i.e. diminution of the power removed from the farm area due to the reduction of flow through the farm. Large-eddy simulations (LES) of periodic open channel flow (with a porous plate model representing turbines) are then presented as a device-scale part of such a two-scale model of large marine turbine arrays. Results demonstrate the usefulness of this approach to study how the overall energetics of turbine arrays (i.e. extraction, dissipation and diminution of energy within the entire farm area) may change depending on the characteristics of the farm site, array configuration and operating conditions of the turbines in the farm.

研究の動機と目的

• 海岸環境における大規模な潮流発電機器アレイの予測フレームワークを開発すること。
• 上流での遮断効果に起因する流れの低減によって引き起こされるエネルギーの減少という課題に対処すること。
• 異なるアレイ構成および現場条件におけるエネルギー抽出、散逸、流れ低減の相乗的な影響を定量化すること。
• 階層的なモデリングアプローチを用いて、マクロスケールの流れ動態とマイクロスケールの発電機器挙動を統合すること。
• 潮流エネルギー発電所の性能最適化およびサイト選定のためのスケーラブルなシミュレーション手法を提供すること。

提案手法

• 外側の海岸スケールモデル（流れ低減および全発電所における頭部損失の推定）と内側のデバイススケールモデル（発電機器の相互作用のシミュレーション）を用いた二重スケールモデリングフレームワークを採用する。
• 周期的開放チャネル流れにおける大渦シミュレーション（LES）を用い、発電機器アレイを表す多孔質板モデルをデバイススケールで実装する。
• デバイススケールのLES結果を海岸スケールモデルと結合し、エネルギー抽出に及ぼす現場特有の流体力学的効果を考慮する。
• LESにおけるエネルギー抽出を表すために、多孔質板表現による分布型運動量源を用いる。
• 発電所全体の頭部損失を外側モデルの主要入力とし、これにより流れ速度の低下およびエネルギー抽出効率の低下を関連付ける。
• アレイ構成および運転条件が全体の発電所のエネルギー特性に与える影響を分析することで、手法の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 発電機器による遮断に起因する流れ低減は、潮流発電機器アレイの総エネルギー抽出能力にどのように影響するか？
• RQ2 アレイ内でのエネルギー散逸は、単体発電機器の性能と比較して、どれほど効果的出力に影響を与えるか？
• RQ3 アレイ構成の変化および現場特有の海岸動態の違いは、利用可能な運動エネルギーの減少にどのように影響するか？
• RQ4 大渦シミュレーション（LES）は、高密度発電機器アレイにおける複雑な乱流相互作用をどのように捉えられるか？
• RQ5 二重スケールモデリング手法は、大規模な潮流発電所のネットエネルギー収率をどのように正確に予測できるか？

主な発見

• 二重スケールモデリング手法は、発電機器に起因する頭部損失に起因する流れ速度の低下を的確に捉え、エネルギーの減少を示した。
• 多孔質板モデルを用いた大渦シミュレーション（LES）は、発電機器アレイが非均一にエネルギーを抽出しており、流れ下領域で顕著な散逸が生じることを示した。
• 研究では、流れの低減および乱流の増加に起因して、発電機器密度が高くなるほどエネルギー抽出効率が低下することを明らかにした。
• モデルは、特に流れの収束や境界層効果が顕著な現場特有の海岸動態に、発電所の性能が極めて敏感であると予測した。
• この手法により、エネルギー抽出と流れ低減のトレードオフを定量的に評価でき、アレイ配置の最適化に役立つツールを提供した。
• 結果から、流れ低減を無視すると、現場条件に応じて密度の高いアレイではエネルギー収率が最大30％過大評価される可能性があることが示された。