[論文レビュー] Energy harvesting using vortex-induced vibrations of tensioned cables

Clément Grouthier, Sébastien Michelin+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 1, 2012

Vibration and Dynamic Analysis被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、張力ケーブルにおける渦励振（VIV）からのエネルギー回収を、ウェークオシレーター・モデルを用いて調査し、ケーブルの振動とウェークの振動の周波数がロックイン状態に達した際、連続的および離散的回収構成の両方が同程度の最大効率（約0.2）を達成することを示している。この手法により、スケーラブルで流れに適応可能なエネルギー回収が可能となり、大規模な展開が有望である。

ABSTRACT

The development of energy harvesting systems based on fluid/structure interactions is part of the global search for innovative tools to produce renewable energy. In this paper, the possibility to harvest energy from a flow using vortex-induced vibrations (VIV) of a tensioned flexible cable is analyzed. The fluid loading on the vibrating solid and resulting dynamics are computed using an appropriate wake-oscillator model, allowing one to perform a systematic parametric study of the efficiency. The generic case of an elastically-mounted rigid cylinder is first investigated, before considering an infinite cable with two different types of energy harvesting : a uniformly spanwise distributed harvesting and then a periodic distribution of discrete harvesting devices. The maximum harvesting efficiency is of the same order for each configuration and is always reached when the solid body and its wake are in a frequency lock-in state.

研究の動機と目的

• 張力ケーブルにおける渦励振（VIV）からのエネルギー回収の可能性と効率を分析すること。
• 最適な電力抽出を実現するため、ケーブルに沿ったエネルギー回収装置の連続的および離散的配置を比較すること。
• 周波数ロックインに着目し、最大エネルギー回収効率が達成される条件を特定すること。
• VIVベースの回収システムが大規模で流れ駆動型のシステムにおいて、スケーラビリティと適応性をどのように維持できるかを評価すること。

提案手法

• Facchinettiら（2004b）およびde Langre（2006）に基づくウェークオシレーター・モデルを用い、流体-構造相互作用およびVIVダイナミクスをシミュレートする。
• 無限に張力がかかるケーブルとしてモデル化し、エネルギー回収装置を分布型または周期的配置として扱い、線形化ウェークオシレーター法を適用する。
• 減衰密度、張力、回収装置間隔の影響を分析するためのパラメトリックスタディを実施する。
• ロックイン状態は、ウェーク周波数と構造モード周波数の同期として定義され、次元解析から主要パラメータが導出される。
• 正規化された出力電力を用いて回収効率を計算し、ばね支持された剛体シリンダーのような既知の構成と照合して妥当性を検証する。
• 次元スケーリングを適用し、実世界の性能を推定する。1.5 m/sの流れ下での100 mケーブルの総出力も含む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 張力ケーブルが渦励振を受ける状況で、エネルギー回収の最大効率はどの程度達成可能か？
• RQ2 同一の流れ条件下で、連続的配置と離散的配置のエネルギー回収効率はどのように比較できるか？
• RQ3 ケーブルの構造モードとウェークの振動の間で周波数ロックインが発生する条件は何か？ これはエネルギー抽出を最大化する条件である。
• RQ4 張力制御を適応的に行うことで、異なる流れ速度下でも高い効率を維持できるか？
• RQ5 減衰密度、回収装置間隔、ケーブルの張力といった主要パラメータが、全体の回収性能にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 連続的および離散的回収構成の両方において、周波数ロックイン状態に達した場合、最大エネルギー回収効率は約0.2（20％）に達する。
• ばね支持された剛体シリンダーの場合、最適効率はδ = 0.89およびξ = 0.18で達成され、これは特定の次元なし周波数および減衰比に対応する。
• 局所的回収装置を備えた張力ケーブルでは、最適効率はπ/l = 0.92およびξ = 3.65で達成され、異なるが同等の性能領域を示す。
• 張力が流れ速度に比例して変化する場合（Θ ∼ U²）、最適なダンパー間隔L ≈ 4 mは速度に依存せず、さまざまな流れ条件下でも安定した性能を発揮する。
• 直径0.04 m、長さ100 mのケーブルが1.5 m/sの流れ下にある場合、最適チューニングを仮定すると、25台の回収装置を4 m間隔で配置することで約1215 Wの出力が得られる。
• 純粋に横方向の運動と線形ケーブル動力学の仮定に対しても、結果は頑健であり、ウェークオシレーター・モデルが本質的なロックインおよび効率のトレンドを捉えている。