[논문 리뷰] Ocean Wave Energy Converters Optimization: A Comprehensive Review on Research Directions

Danial Golbaz, Rojin Asadi외 6명|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 15.

Wave and Wind Energy Systems인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 파력 발전기(WECs)의 최적화 기법에 대한 종합적인 리뷰를 제공하며, 전력 추출(PTO) 시스템, 기하학적 설계, 어레이 레이아웃을 중심으로 다룬다. 메타휴리스틱 알고리즘—특히 생물학적 영감을 받은 방법과 국소 탐색을 조합한 하이브리드 접근 방식—의 성능을 평가하여 레이아웃 최적화에서 뛰어난 수렴성을 입증한다. 同시에 상업적 타당성을 확보하기 위해 PTO 및 기하학적 최적화에서 성능 향상과 비용 간의 균형을 유지할 필요성을 강조한다.

ABSTRACT

Ocean wave energy is one of the latest renewable energy resources, projected to be commercialized and competitive with other energy technologies in the near future. However, wave energy technologies are not fully developed, so various criteria must be optimized to enter the energy market. To optimize the performance of wave energy converters (WECs) components, three challenges are mostly considered: i)Power take-off systems settings (PTO), ii)Geometry parameters of WECs, iii)WECs' layout. As each of them plays a significant role in harnessing the maximum power output, this paper reviews applied optimization techniques in WECs. Furthermore, due to the importance of fidelity and computational cost in numerical methods, we discuss methods to analyze a WEC together with the basics and developments of WECs interactions. Moreover, the most popular optimization methods applied to optimize WEC parameters are categorized, and their key characteristics are briefly discussed. As a result, in terms of convergence rate, a combination of bio-inspired algorithms and local search can outperform the competition in layout optimization. A review of PTO coefficients and the geometry of WECs have emphasized the indispensability of optimizing PTO coefficients and balancing design parameters with cost issues even though it is costly on multi-modal and large-scale problems.

연구 동기 및 목표

• 파력 발전기(WECs)의 전력 추출(PTO) 시스템, 기하학적 설계, 어레이 레이아웃 분야에서 최적화 전략을 체계적으로 검토하기 위해.
• 유체역학적 상호작용과 성능 예측을 모델링하기 위해 BEM, CFD, RANS 등의 다양한 수치적 방법의 효과성을 평가하기 위해.
• 현재 연구에서 CFD 및 다목적 최적화의 부족한 표현을 포함한 격차를 특정하기 위해.
• 메타휴리스틱 알고리즘의 WEC 파arameter 최적화 성능을 평가하고, 향상된 수렴성과 정확도를 확보하기 위해 고급 하이브리드 방법을 제안하기 위해.
• 특히 PTO 및 기하학적 설계에서 성능 최적화와 함께 비용-편익 분석을 통합하는 것이 중요하다는 점을 강조하기 위해.

제안 방법

• 작동 원리 및 유체기계적 변환 시스템에 기반한 WEC 유형의 분류를 통해 일반적인 분류 프레임워크를 수립하기 위해.
• 파랑-구조물 상호작용을 모델링하기 위해 경계요소법(BEM), 스무딩 입자 유체역학(SPH), 대규모 난류 시뮬레이션(LES), 직접 수치 시뮬레이션(DNS) 등 수치적 방법의 검토 및 비교를 위해.
• 유전 알고리즘(GA), 비율 진화(DE), 시뮬레이티드 어닐링(SA) 및 하이브리드 방법(예: HCCA, ANSO)을 포함한 메타휴리스틱 알고리즘에 중점을 둔 최적화 기법 분석을 위해.
• 전역 메타휴리스틱과 결합된 국소 탐색 방법(예: Nelder-Mead)의 적용을 통해 수렴 속도와 해의 정확도를 향상시키기 위해.
• 최적화에서 적합도 함수의 평가를 위해 단일목표(예: 최대 전력 출력) 및 다목적(예: LCOE, 환경 영향) 설정을 포함하기 위해.
• 정규(선형, 화살촉형) 및 임의의 패턴을 사용한 PTO 계수 조정, 기하학적 파arameter 조정, 레이아웃 구성에 대한 연구 결과 통합을 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 WEC 레이아웃 설계에서 가장 높은 수렴 속도와 해의 정확도를 보여주는 최적화 기법은 무엇인가?
• RQ2 특히 댐핑 계수를 포함한 PTO 시스템 파arameter는 파력 발전기에서 최대 전력 흡수에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 기하학적 최적화는 WEC 성능을 얼마나 향상시키며, 제조 및 배치 비용 증가와 어떻게 균형을 이룰 수 있는가?
• RQ4 왜 WEC 분석에서 BEM 대신 CFD를 사용하는 연구가 부족한가? 이는 모델 정밀도와 계산 비용에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 현재 WEC 최적화 연구의 주요 한계는 무엇이며, 비용 및 에너지 출력 기준을 포함한 다목적 최적화는 실용적 적용성을 어떻게 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• 생물학적 영감을 받은 알고리즘(예: GA, DE)과 Nelder-Mead(국소 탐색) 및 적응형 신경-대체 최적화(ANSO)를 조합한 하이브리드 접근 방식이 단독 메타휴리스틱보다 레이아웃 최적화에서 뛰어난 수렴 속도를 보였다.
• 높은 PTO 댐핑 계수는 낮은 파장 주파수에서 전력 출력을 증가시키며, 이는 실험 데이터로도 뒷받침되며 제어 전략 최적화의 큰 잠재력을 시사한다.
• 기하학적 최적화는 특히 최적의 PTO 제어와 조합될 경우 WEC 성능을 크게 향상시키지만, 경제적 타당성을 확보하기 위해 비용 고려가 반드시 수반되어야 한다.
• 메타휴리스틱의 사용 증가에도 불구하고 대부분의 연구는 단일목표 최적화(예: 최대 전력 출력)에 집중되어 있으며, LCOE 및 환경 영향을 포함한 다목적 프레임워크에 대한 관심은 제한적이다.
• CFD 방법의 사용은 WEC 최적화 문헌에서 여전히 미흡하며, BEM이 주로 사용되고 있어 향후 연구에서 더 높은 정밀도의 모델링이 필요하다는 점을 시사한다.
• PTO 시스템을 위한 활성 제어 전략과 GA를 초월한 강력한 메타휴리스틱 알고리즘(예: CMA-ES, HCCA)에 대한 추가 연구가 절실하며, 이는 해 품질 향상과 계산 효율성 향상에 기여할 수 있다.