[論文レビュー] Investigating Wave Energy Potential in Southern Coasts of the Caspian Sea and Evaluating the Application of Gray Wolf Optimizer Algorithm.

Erfan Amini, Sayyed Taghi Omid Naeeni+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 31, 2019

Global Energy Security and Policy被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、不規則波理論とグレイ・ウルフ最適化（GWO）アルゴリズムを用いて、南・クズバーン海に隣接する9か所の港湾における波力エネルギーの潜在的可能性を評価し、波力発電機器の設置に最も適した場所を特定する。GWOに基づくフィットネス評価は、相関関数とノルムベクトルを組み合わせており、エネルギー集中に最も影響を与える要因は波高さであると判明し、最適な条件はHs ≈ 3 mおよびTeがTe_maxの0.75〜0.85倍の範囲に現れる。

ABSTRACT

There is a significantly accelerating trend in the application of the wave energy converters. As a result, it is imperative to adopt a suitable point for implementing these systems. Besides, the Caspian Sea, as one of the most important marine renewable energy sources in Asia, is capable of supplying the coastal areas with a large amount of energy. Therefore, areas around nine ports in the southern coasts of the Caspian Sea were selected to measure their wave energy potential. Initially, the amount of energy on these points was measured using the irregular energy theory. A new approach was developed to compare these points and measure their fitness in supplying the maximum energy using the Grey Wolf optimizer (GWO) algorithm and time history analysis. In this method, the optimal parameters were first extracted from the algorithm for assessing the points within the southern areas of the Caspian Sea. These values were regarded as the assessment indices. Then, the fitness of each point was obtained using the correlation function and the norm vector to present the most optimal point with maximum waver energy exploitation potential. Finally, the side-by-side comparison of the parameters affecting the wave energy showed that an increase or decrease in the wave energy along the southern areas of the Caspian Sea is influenced more by the wave height than the depth on that points. Moreover, the waver energy concentration occurs in the range of Hs = 3 and $T_e$ range is between $0.75 imes T_{e_{max}}$ and $0.85 imes T_{e_{max}}$.

研究の動機と目的

• 南・クズバーン海に沿った9か所の港湾における波力エネルギーの潜在可能性を、再生可能エネルギー応用の観点から評価すること。
• 高度な最適化手法を用いて、波力発電機器の設置に最も適した場所を同定すること。
• 地域における波力エネルギー分布に影響を与える支配的環境要因を特定すること。
• GWOアルゴリズムを時間歴解析およびベクトルベースの相関と組み合わせた、新規のフィットネス評価フレームワークを構築・適用すること。
• 本研究地域における最大エネルギー抽出を実現する最適な波の条件を定量的に特定すること。

提案手法

• 不規則波理論を用いて、9か所の港湾における波エネルギーの実測潜在可能性を推定し、エネルギーフラックスを算出する。
• サイト評価の最適パラメータを特定するために、グレイ・ウルフ最適化（GWO）アルゴリズムを適用する。
• 各サイトのフィットネススコアを、相関関数とノルムベクトルを用いて算出し、エネルギー活用可能性の順位付けを行う。
• 時間歴解析を統合し、選定された場所における波エネルギーの時間的変動を評価する。
• GWO出力から評価インデックスを確立し、エネルギー収率可能性に基づいてサイトを比較・優先順位付けする。
• 比較的パrameter分析を通じて、波高さと水深がエネルギー集中に与える影響を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 南・クズバーン海のどの港湾が、波力発電機器の設置に最も高い波力エネルギー潜在可能性を示すか？
• RQ2 波高さと波周期は、南・クズバーン海の海岸に沿う波力エネルギー分布の空間的変動にどのように影響するか？
• RQ3 本研究地域において、波高さと比較して水深が波力エネルギー集中に与える影響はどの程度か？
• RQ4 南・クズバーン海で波力エネルギーを最大限に抽出するには、どの波高さとエネルギー周期の範囲が最適か？
• RQ5 グレイ・ウルフ最適化アルゴリズムは、本研究の文脈において、波力利用に最も適した場所を特定するのにどの程度効果的か？

主な発見

• 南・クズバーン海の海岸では、水深よりも波高さが波力エネルギー潜在可能性に強く影響を与える。
• 顕著な波高さ（Hs）が約3メートルのとき、波力エネルギーの集中度が最大に達する。
• エネルギー周期（Te）が観測された最大エネルギー周期（Te_max）の0.75〜0.85倍の範囲にある場合、最大のエネルギー抽出可能性が達成される。
• GWOに基づくフィットネス評価は、時間歴解析とベクトルベースの相関を統合することで、波力導入に最も適した場所を的確に同定した。
• 影響要因の並べ替え比較により、波高さの変動が地域におけるエネルギー変動の大部分を占めていることが確認された。
• 提案手法は、メタヒューリスティック最適化と物理的波モデルを組み合わせたハイブリッドアプローチにより、港湾サイトの順位付けを効果的に実施できた。