[논문 리뷰] Heliostat blocking and shadowing efficiency in the video-game era

Alberto Venegas Ramos, F. Ramos|arXiv (Cornell University)|2014. 02. 07.

solar cell performance optimization참고 문헌 4인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 비디오 게임 컴퓨터 그래픽스에서 유래한 2차원 다각형 클리핑 기법을 활용하여 탑재된 탑재기의 차단 및 음영 효율을 계산하는 새로운 고성능 알고리즘을 제안한다. 방법은 태양 및 수신기의 시점에서 주어진 탑재기의 평면에 모든 탑재기의 3차원 영상을 투영하고, 그림자를 포함한 영역을 Greiner-Hormann 알고리즘을 사용한 클리핑 연산으로 처리함으로써, 표준 하드웨어에서 1000대 탑재기 시설에서도 1초 이내에 계산을 완료하며, 기하학적 가정 없이 높은 정확도를 확보한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 반복적으로 차단 및 음영 손실을 평가해야 하는 대규모 태양열 발전소 최적화에서 발생하는 계산 병목 현상을 해결하기 위해.
• 최적화에 적합하지 않은 너무 느린 전통적인 레이 트레이싱 및 테셀레이션 방법의 한계를 극복하기 위해.
• 기존 분석 공식에서 정확도를 해칠 수 있는 기하학적 가정(예: 평행한 탑재기)을 제거하기 위해.
• 임의의 탑재기 위치, 방향, 크기 및 비평탄한 지형에 대해 작동하는 일반 목적의, 가정이 없는 방법을 개발하기 위해.
• 설계 배치 최적화 과정에서 차단 및 음영 효율을 실시간 또는 근접 실시간으로 평가할 수 있도록 하기 위해.

제안 방법

• 태양 및 수신기의 시점에서 주어진 탑재기의 평면에 모든 탑재기의 3차원 영상을 투영한다.
• 각 투영된 탑재기를 주어진 탑재기의 좌표계 내 2차원 다각형으로 표현한다.
• Greiner-Hormann 2차원 다각형 클리핑 알고리즘을 적용하여 가시(차단되지 않은/음영이 없는) 영역을 계산한다.
• 클리핑 연산 중 정점의 삽입 및 삭제를 효율적으로 처리하기 위해 연결 리스트를 다각형 표현에 사용한다.
• 차단 효율은 차단되지 않은 영역의 면적을 총 탑재기 면적에 나누어 계산하고, 태양의 시점에서의 음영 효율도 동일하게 계산한다.
• 다중 탑재기의 중첩 기여를 다각형 클리핑 과정을 통해 자연스럽게 처리한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비디오 게임 산업에서 최적화된 2차원 다각형 클리핑 알고리즘이 태양열 발전소의 탑재기 차단 및 음영 계산에 대해 정확하고 빠르게 활용될 수 있는가?
• RQ2 이 클리핑 기반 방법은 기존의 레이 트레이싱 또는 테셀레이션 기반 접근법과 비교해 성능 면에서 속도와 정확도 측면에서 어떻게 다른가?
• RQ3 이 알고리즘은 비평행, 크기가 다른, 비평탄한 지형 레이아웃을 포함한 임의의 탑재기 구성에 대해 어느 정도 잘 처리할 수 있는가?
• RQ4 실제로 기울어진 설계를 가진 탑재기를 평평한 평면으로 모델링했을 때, 이 알고리즘이 여전히 높은 정확도를 유지하는가?
• RQ5 수천 번의 효율 평가가 필요한 최적화 워크플로우에 이 방법을 효율적으로 통합할 수 있는가?

주요 결과

• 표준 랩탑에서 1000대 탑재기 시설의 모든 탑재기의 차단 및 음영 효율을 1초 이내에 계산하며, 하루 동안 다양한 시간대에서 평균 실행 시간은 523ms이다.
• 계산 시간이 태양 위치나 시간대에 따라 변하지 않으며, 다양한 조건에서도 안정적임을 보여주어 강건성을 입증한다.
• 기하학적 가정 없이도 높은 정확도를 확보하며, 다중 탑재기의 중첩 기여를 정확히 모델링한다.
• 성능에 영향을 주지 않고도 임의의 탑재기 방향, 위치, 크기 및 비평탄한 지형을 처리할 수 있다.
• 클리핑 연산 중 데이터 이동을 최소화하기 위해 다각형 표현에 연결 리스트를 사용함으로써 성능 향상이著명하다.
• 빠른 속도, 높은 정확도 및 일반성 덕분에 최적화 파ipeliin에 통합하기에 적합하다.