[論文レビュー] Heliostat blocking and shadowing efficiency in the video-game era

Alberto Venegas Ramos, F. Ramos|arXiv (Cornell University)|Feb 7, 2014

solar cell performance optimization参考文献 4被引用数 13

ひとこと要約

この論文は、ビデオゲームのコンピュータグラフィックス分野で開発された2次元ポリゴンクリッピング技術を活用することで、太陽タワープラントにおけるヘリオスタットの遮蔽および影の効率を、新規で非常に効率的なアルゴリズムで計算することを提案している。この手法は、太陽および受光器の視点から、被検体ヘリオスタットの平面にすべてのヘリオスタットの三次元像を投影し、Greiner-Hormannアルゴリズムを用いたクリッピング操作として問題を扱う。これにより、標準のハードウェア上でも1000台のヘリオスタットを備えたプラントにおいて、1秒未塔の計算時間を達成し、高い精度を維持するとともに、幾何的仮定を一切行わない。

ABSTRACT

Blocking and shadowing is one of the key effects in designing and evaluating a thermal central receiver solar tower plant. Therefore it is convenient to develop efficient algorithms to compute the area of an heliostat blocked or shadowed by the rest of the field. In this paper we explore the possibility of using very efficient clipping algorithms developed for the video game and imaging industry to compute the blocking and shadowing efficiency of a solar thermal plant layout. We propose an algorithm valid for arbitrary position, orientation and size of the heliostats. This algorithm turns out to be very accurate, free of assumptions and fast. We show the feasibility of the use of this algorithm to the optimization of a solar plant by studying a couple of examples in detail.

研究の動機と目的

• 遮蔽および影の損失を繰り返し評価する必要がある大規模な太陽熱発電プラントの最適化において、計算のボトル neck を解消すること。
• 最適化に不適切なほど遅い従来のレイトラーシング法やテッセレーション法の限界を克服すること。
• 既存の解析的式で精度を損なう要因となる幾何的仮定（例：平行なヘリオスタット）を排除すること。
• 任意のヘリオスタットの位置、姿勢、サイズ、非平坦な地形に対応できる一般化された、仮定のない手法を開発すること。
• プラントレイアウト最適化の過程で、リアルタイムまたはニアリアルタイムでの遮蔽および影の効率評価を可能にすること。

提案手法

• 太陽および受光器の視点から、被検体ヘリオスタットの平面に、すべてのヘリオスタットの三次元像を投影する。
• 各投影されたヘリオスタットを、被検体ヘリオスタットの座標系内での2次元ポリゴンとして表現する。
• Greiner-Hormann 2次元ポリゴンクリッピングアルゴリズムを適用し、可視（遮蔽されていない／影が当たっていない）領域を計算する。
• クリッピング操作中に頂点の挿入・削除を効率的に行うために、ポリゴンをリンクリストで表現する。
• 遮蔽効率を、遮蔽されていない領域の面積とヘリオスタット総面積の比として計算し、太陽の視点からも同様に影の効率を計算する。
• 複数のヘリオスタットによる重複寄与を、ポリゴンクリッピング処理そのものによって自然に扱える。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ビデオゲーム産業で最適化された2次元ポリゴンクリッピングアルゴリズムは、太陽発電プラントにおけるヘリオスタットの遮蔽および影の計算を、正確かつ高速に行うために効果的に再利用可能か？
• RQ2 このクリッピングベースの手法は、従来のレイトラーシング法やテッセレーションベースの手法と比較して、速度および精度の面でどの程度優れているか？
• RQ3 このアルゴリズムは、非平行、異なるサイズ、非平坦な地形を有する任意のヘリオスタット配置に対し、どの程度の対応が可能か？
• RQ4 実際の斜め設置のヘリオスタットを平面モデルとして扱う場合でも、このアルゴリズムは高い精度を維持できるか？
• RQ5 数千回の効率評価を要する最適化ワークフローに、この手法を効率的に統合できるか？

主な発見

• このアルゴリズムは、標準のラップトップ上で1000台のヘリオスタットを備えた太陽発電プラントの遮蔽および影の効率を1秒未塔で計算でき、1日中の異なる時間帯で平均523 msの実行時間である。
• 計算時間は太陽の位置や時刻に依存せず安定しており、さまざまな条件下でも堅牢性を示している。
• 幾何的仮定を一切行わず、複数のヘリオスタットによる重複寄与を正確にモデル化することで、高い精度を達成している。
• 任意のヘリオスタットの姿勢、位置、サイズ、非平坦な地形に対しても、性能に影響を及ぼさない。
• ポリゴン表現にリンクリストを用いることで、クリッピング操作中のデータ移動を最小限に抑え、性能が著しく向上した。
• 高速性、正確性、汎用性の観点から、最適化パイプラインへの統合に適している。