ارتقای تولید توان مبدل موج ستون نوسانی آب از طریق بهینه‌سازی ابعاد هندسی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشیار دانشکده علوم و فنون نوین، دانشگاه تهران، تهران، ایران.

2 دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی انرژیهای تجدید پذیر، دانشکده علوم و فنون نوین، دانشگاه تهران، تهران، ایران.

چکیده

در حال حاضر روشهای متنوعی برای استحصال انرژی و تولید برق از انرژی امواج وجود دارد که یکی از ساده‌ترین و کاربردی‌ترین روش‌ها استفاده از ستون نوسانی آب (OWC) می‌باشد. ستون نوسانی آب مطالعه ما بر روی OWC دارای محفظه با دیوار جلویی است که جهت گیری آن در مقابل جهت جریان بوده است.در این پژوهش یک مطالعه عددی دو بعدی در مورد بهینه‌سازی هندسی یک مبدل انرژی امواج اقیانوسی (WEC) به انرژی الکتریکی ارائه می‌شود که عامل اصلی آن OWC است. برای انجام این کار، پارامتر هندسی طول محفظه OWC بهینه می‌شد، درحالی‌که پارامترهای دیگر (نسبت ارتفاع به طول) ، ثابت نگه داشته شد.در این مطالعه یک موج منظم با ابعاد در مقیاس آزمایشگاهی درنظرگرفته شد. جهت تعیین پارامتر بهینه مبدل انرژی بر اساس پارامترهای محیطی (عمق آب، پریود موج و ارتفاع)، ابتدا با به‌کارگیری الگوریتم فراابتکاریPSO و کدنویسی در نرم‌افزارMATLAB اقدام به ایجاد الگوریتمی برای بررسی و ارائه بهینه‌ترین محفظه برای امواج با پارامترهای متنوع و در اعماق مختلف کردیم. نتایج حاصل از این پژوهش بیانگر پاسخ های بسیار مناسب الگوریتم PSO پیشنهاد شده، جهت تعیین پارامتر محفظه بهینه کارگذاری مبدل انرژی نوسانگر امواج در مقایسه با سایر الگوریتم ها بوده است علاوه بر این، بر اساس طراحی ابعاد صفحه مبدل و مطالعه موردی انجام شده، ضریب عملکرد مبدل طراحی شده در حالت بهینه بدست آمده برابر با 54% است، که افزایش آن در مقایسه با پیشینه تحقیقات، خود تاییدی بر نتایج حاصله از تعیین حالت بهینه توسط الگوریتم ارائه شده بوده است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


  1. شهسواری زاده، افسانه.، ظهیری، جواد.، و جعفری، احمد. (1398). بررسی اثر زبانه انتهایی بر کارایی ستون نوسانی آب جهت استحصال انرژی موج. تحقیقات آب و خاک ایران، 50(8)، 1937-1949. https://dx.doi.org/10.22059/ijswr.2019.273724.668094

    نائینی، سید تقی امید.، و امینی، عرفان. (1399). تعیین موقعیت بهینه کارگذاری مبدل نوسانگر انرژی امواج از نوع نوسانگر دورانی (مطالعه موردی: بندر نوشهر). صنعت حمل و نقل دریایی، 6(1)، 37-25. https://doi.org/10.30474/JMTI.2020.110562

    Alamian, R., Shafaghat, R., Miri, S. J., Yazdanshenas, N., & Shakeri, M. (2014). Evaluation of technologies for harvesting wave energy in Caspian Sea. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 32, 468–476. https://doi.org/10.1016/j.rser.2014.01.036

    Ashlin, S. J., Sannasiraj, S. A., & Sundar, V. (2018). Performance of an array of oscillating water column devices integrated with an offshore detached breakwater. Ocean Engineering, 163, 518–532.               https://doi.org/10.1016/j.oceaneng.2018.05.043

    Ashlin, S. J., Sundar, V., & Sannasiraj, S. A. (2016). Effects of bottom profile of an oscillating water column device on its hydrodynamic characteristics. Renewable Energy, 96, 341–353.              http://dx.doi.org/10.1016/j.renene.2016.04.091

    Bai, Q. (2010). Analysis of particle swarm optimization algorithm. Computer and Information Science, 3(1), 180. https://doi.org/10.5539/cis.v3n1p180

    Bouali, B., & Larbi, S. (2013). Contribution to the geometry optimization of an oscillating water column wave energy converter. Energy Procedia, 36, 565–573. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2013.07.065

    Çelik, A., & Altunkaynak, A. (2019). Experimental investigations on the performance of a fixed-oscillating water column type wave energy converter. Energy, 188, 116071.                     https://doi.org/10.1016/j.energy.2019.116071

    Dean, R. G. (1984). Water wave mechanics for engineers and scientists. Adv.Series on Ocean Engineering, 2, 353. https://doi.org/10.1142/1232

    Dizadji, N., & Sajadian, S. E. (2011). Modeling and optimization of the chamber of OWC. Energy, 36(5), 2360–2366. https://doi.org/10.1016/j.energy.2011.01.010

    Fairhurst, J., & Van Niekerk, J. (2016). Modelling, Simulation and Testing of a Submerged Oscillating Water Column. International Journal of Marine Energy. 16. http://dx.doi.org/10.1016/j.ijome.2016.07.005

    Fourie, P. C., & Groenwold, A. A. (2002). The particle swarm optimization algorithm in size and shape optimization. Structural and Multidisciplinary Optimization, 23(4), 259–267.                https://doi.org/10.1007/s00158-002-0188-0

    Hadadpour, A., Jabbari, E., & Kamranzad, B.(2014). Wave energy and hot spots in Anzali port. Energy, 74, 529–536. https://doi.org/10.1016/j.energy.2014.07.018

    Howe, D., & Nader, J.-R. (2017). OWC WEC integrated within a breakwater versus isolated: Experimental and numerical theoretical study. International Journal of Marine Energy, 20, 165–182.             https://doi.org/10.1016/j.oceaneng.2018.10.036

    John Ashlin, S., Sannasiraj, S. A., Sundar, V., Kamath, A., & Bihs, H. (2019). Effects of power take-off damping and model scaling on the hydrodynamic performance of OWC device.(ICOE2018), 807–821. http://dx.doi.org/10.1007/978-981-13-3134-3_60

    Kamath, A., Bihs, H., & Arntsen, Ø. A. (2015). Numerical investigations of the hydrodynamics of an oscillating water column device. Ocean Engineering, 102, 40–50.                 https://doi.org/10.1016/j.oceaneng.2015.04.043

    Kennedy, J., & Eberhart, R. (1995). Particle swarm optimization. Proceedings of ICNN’95-International Conference on Neural Networks, 4, 1942–1948. https://doi.org/10.1109/ICNN.1995.488968

    Lia, Q., Mia, J., Lia, X., Chena, S., , & Zuoa, L. (2014). A self-floating oscillating surge wave energy converter. Energy, 230,120668. https://doi.org/10.1016/j.energy.2021.120668

    McCormick, M. E. (2013). Ocean wave energy conversion. Courier Corporation. published by wiley,c. https://books.google.sc/books?id=wkDDAgAAQBAJ&printsec=copyright#v=onepage&q&f=false

    Morris-Thomas, M. T., Irvin, R. J., & Thiagarajan, K. P. (2007). An investigation into the hydrodynamic efficiency of an oscillating water column. https://doi.org/10.1115/1.2426992

    Naeeni, S., Amini, E. (2020). Numerical Optimization of Positioning and Performance of Oscillating Surge Wave Energy Converter, Case study: Nowshahr, Anzali and Amirabad Ports. Journal of Maritime Transport Industry, 6(1), 25-37. https://doi.org/10.30474/JMTI.2020.110562 [in persian]

    Pant, M., Thangaraj, R., & Abraham, A. (2009). Particle swarm optimization: performance tuning and empirical analysis. In Foundations of Computational Intelligence, 3, 101–128.                    https://doi.org/10.1007/978-3-642-01085-9_5

    Patel, S. K., Ram, K., & Ahmed, M. R. (2013). Effect of turbine section orientation on the performance characteristics of an oscillating water column device. Experimental Thermal and Fluid Science, 44, 642–648. http://dx.doi.org/10.1016/j.expthermflusci.2012.09.004

    Raj, D. D., Sundar, V., & Sannasiraj, S. A. (2019). Enhancement of hydrodynamic performance of an Oscillating Water Column with harbour walls. Renewable Energy, 132, 142–156.               https://doi.org/10.1016/j.renene.2018.07.089

    Ram, K., Faizal, M., Rafiuddin Ahmed, M., & Lee, Y.H. (2010). Experimental studies on the flow characteristics in an oscillating water column device. Journal of Mechanical Science and Technology, 24(10), 2043–2050. http://dx.doi.org/10.1007/s12206-010-0621-z

    Rezanejad, K., Bhattacharjee, J., & Soares, C. G. (2013). Stepped sea bottom effects on the efficiency of nearshore oscillating water column device. Ocean Engineering, 70, 25–38.                https://doi.org/10.1016/j.oceaneng.2013.05.029

    Rezanejad, K., Souto-Iglesias, A., & Soares, C. G. (2019). Experimental investigation on the hydrodynamic performance of an L-shaped duct OWC wave energy converter. Ocean Engineering, 173, 388–398. https://doi.org/10.1016/j.oceaneng.2019.01.009

    1. Mohsen, P., Pourfayaz, F., Shirmohamadi, R., Moosavi, S., & Khalilpoor, N. (2021). Potential, Current Status, and Applications of Renewable Energy in Energy Sector of Iran: A Review. Renewable Energy Research and Applications, 2(1), 25-49. https://doi.org/ 10.22044/rera.2020.8841.1008

    Shahsavarizadeh, A., Zahiri, J., & Jafari, A. (2019). Effect of the Back Wall Draft on the Performance of Oscillating Water Column for Wave Energy Extraction. Iranian Journal of Soil and Water Research, 50(8), 1937–1949. https://dx.doi.org/10.22059/ijswr.2019.273724.668094 [In Persian]

    Shi, Y., & Eberhart, R. (1998). A modified particle swarm optimizer. 1998 IEEE International Conference on Evolutionary Computation Proceedings. (Cat. No. 98TH8360), 69–73.              https://doi.org/10.1109/ICEC.1998.699146

    Simonetti, I., Cappietti, L., & Oumeraci, H. (2018). An empirical model as a supporting tool to optimize the main design parameters of a stationary OWC wave energy converter. Applied Energy, 231, 1205–1215. http://dx.doi.org/10.1016/j.apenergy.2018.09.100

    Suroso, A. (2005). Hydraulic model test of wave energy conversion. Jurnal Mekanikal, 19, 84–94. http://eprints.utm.my/id/eprint/8252/1/AriefSuroso2005_Hydraulic_model_test_of_wave_energy.pdf

    Teixeira, P. R. F., Davyt, D. P., Didier, E., & Ramalhais, R. (2013). Numerical simulation of an oscillating water column device using a code based on Navier--Stokes equations. Energy, 61, 513–530. https://doi.org/ 10.1016/j.energy.2013.08.062

    Trelea, I. C. (2003). The particle swarm optimization algorithm: convergence analysis and parameter selection. Information Processing Letters, 85(6), 317–325. https://doi.org/10.1016/S0020-0190(02)00447-7

    Xu, C., & Huang, Z. (2019). 3D CFD simulation of a circular OWC with a nonlinear power-takeoff: Model validation and a discussion on resonant sloshing inside the pneumatic chamber. Ocean Engineering, 176, 184–198. https://doi.org/10.1016/j.oceaneng.2019.02.010