شماره ركورد
30264
پديد آورنده
حسين عيوض اوغلي
عنوان
بهبود عملكرد مبدل انرژي سرج موج نوسانگر با در نظر گرفتن شرايط تغيير اقليم
مقطع تحصيلي
دكتري تخصصي (PhD)
رشته تحصيلي
مهندسي عمران- مهندسي سواحل، بنادر و سازههاي دريايي
سال تحصيل
1395
تاريخ دفاع
1402/8/27
استاد راهنما
عباس يگانه-بختياري - ناصر شابختي
استاد مشاور
سروش ابوالفتحي
دانشكده
مهندسي عمران
چكيده
نياز روزافزون جهان به انرژي، محدوديت منابع سوختهاي فسيلي و تشديد اثرات تغيير اقليم توجهات بسياري را به سمت تأمين انرژي از منابع تجديدپذير سوق داده است. امواج اقيانوسي يكي از منابع اميدوار كننده انرژيهاي تجديدپذير است. تجهيزات بسياري براي استحصال انرژي از اين منابع توسعه داده شدهاند كه مبدل سرج موج نوسانگر (OWSC) به عنوان كارآمدترين اين سيستمها شناخته ميشود. از اثرات مهم تغييرات اقليمي، تغيير در بارگذاريهاي جوي و الگوهاي بادها و همچنين تغيير تراز سطح آب است كه اين عوامل سبب تغيير در مشخصات امواج ميشود و تغيير در مشخصات و انرژي امواج، چه بهصورت كيفي و چه بهصورت كمي، روي عملكرد و كارآيي مبدلهاي امواج تأثير مستقيم دارد. بنابراين، پيشبيني شرايط محيطي براي سالهاي آينده جهت ايجاد منبع پايدار انرژي از امواج اجتنابناپذير خواهد بود. در تحقيق حاضر ابتدا به پيشبيني شرايط پارامترهاي اقليمي در سالهاي 2030 تا 2040 پرداخته شده است. براي ريزمقياسنمايي سرعت باد نتايج مدل جهاني اقليم و توسعه مدل پيشبيني امواج، از درخت تصميم M5p به عنوان يكي از ابزار قدرتمند يادگيري ماشين استفاده گرديد. نتايج مدلهاي توسعه يافته نشان داد كه M5p توانايي بالايي در پيشبيني سرعت باد براساس خروجيهاي مدل جهاني و ارتفاع شاخص امواج با ورودي گرفتن سرعت باد داشته است. در توسعه مدل ريزمقياسنمايي سه نوع مدل سالانه، فصلي و ماهانه ايجاد شد كه در توسعه هر كدام سناريوهاي مختلف جداسازي داده ورودي جهت آموزش و آزمون مدل درخت تصميم نيز مورد بررسي قرار گرفت. نتايج نشان داد كه براي دوره كنترل، مدل ماهانه عملكرد بهتري داشته و سناريوي جداسازي 30/70 به عملكرد بهتري از مدلها منجر شده است. پيشبيني مدلهاي توسعه يافته بر مبناي سه سناريوي RCP2.6، RCP4.5 و RCP8.5 حاكي از اين بود كه براي سالهاي 2030 تا 2040 ميانگين ماهانه سرعت باد در منطقه مورد مطالعه كه ناحيه مياني اقيانوس اطلس شمالي است، نزديك به هم خواهد بود و البته نوسانات آنها افزايش خواهد يافت كه بيشترين نوسان نيز مربوط به سناريوي RCP8.5 ميباشد. همچنين مقايسه نتايج پيشبيني حاكي از يك روند كاهشي 7 تا 8 درصدي در ميانگين سرعت باد نسبت به دوره تاريخي است. براي توسعه و ارزيابي مدل پيشبيني موج، سناريوها و تكنيكهاي مختلفي (تغيير رابطه ضريب درگ و كاليبره رابطه در فرمولبندي CEM، محدوديت داده در دسترس و توانايي پيشبيني) استفاده شد. نتايج حاكي از آن بود كه مدل M5p نسبت به CEM اصلاح شده بسيار توانمندتر عمل كرده و ميانگين خطاي پيشبيني آن در دامنه محاسباتي نزديك به صفر است و خطاي RMSE نيز نسبت به CEM بهبود 30 درصدي را داشته است. نتايج پيشبيني ميانگين ماهانه ارتفاع امواج براي سالهاي 2030 تا 2040 نشان داد كه بجز ماههاي مارس و ژوئيه كه روند افزايشي ناچيزي داشته، در بقيه ماههاي سال، مقادير ميانگينگيري شده روي كل دامنه مطالعاتي، روند كاهشي است و كاهش حدود 10 درصدي براي مقدار ميانگين سالانه ارتفاع شاخص امواج پيشبيني شده است. اين در حالي است كه ناحيه نزديك ساحل و محل در نظر گرفته شده براي نصب مبدل كه محل نصب كنوني اويستر است، در فصول بهار و زمستان امواج بزرگتري را تجربه خواهد كرد. براي توسعه مدل عددي مبدل موج از اپنفوم به عنوان يك مدل توانمند بر پايه CFD استفاده شد كه با در اختيار داشتن كتابخانههاي مش متحرك و مرزهاي توليد و جذب امواج، نتايج دقيقي از دادههاي آزمايشگاهي استفاده شده براي صحتسنجي بازتوليد كرده است. تحقيق حاضر با بررسي عملكرد نه هندسه مختلف در كنار هندسه مبنا، نشان داد كه تغييرات سطح مقطع پدل مبدل در نزديكي بستر دريا تأثير محسوسي بر عملكرد مبدل نداشته، اين در حالي است كه تغييرات سطح مقطع در نزديكي تراز سطح آب و نحوه توزيع افزايش و كاهش سطح اثرات قابل توجهي در عملكرد OWSC دارد كه در ارتباط با پروفايل سرعت افقي ذرات در راستاي عمق آب است. نتايج حاكي از آن بود كه افزايش سطح مقطع در نزديكي تراز سطح آب و به سمت ساحل موجب تشكيل يك بسته هواي حبس شده در سمت ساحل به هنگام بازگشت مبدل به سمت دريا و در نزديكي بالاترين تراز خود ميشود كه روي پاسخ چرخش و سرعت زاويهاي مبدل اثرگذار بوده است. با مقايسه عملكرد مبدلهاي پيشنهادي، OWSC-07 با داشتن بالاترين ضريب عملكردي و صافي بالاتر توان استحصالي، به عنوان مبدل برتر انتخاب و تحت شرايط دريايي مد نظر به صورت كاملتر مورد ارزيابي قرار گرفت. نتايج ارزيابي اثرات تغيير اقليم حاكي از آن بود كه بالاترين عملكرد OWSC-07 در پريود موج 4/2 ثانيه، ارتفاع 2/7 سانتيمتر بوده است كه در عمق آب 12 متري در مقياس واقعي نصب شده است و تغييرات ناشي از تغيير اقليم بر ضريب عملكرد آن اثر منفي خواهد داشت. همچنين با وجود افزايش جذب انرژي با افزايش ارتفاع موج، ضريب عملكردي روند كاهشي را تجربه ميكند.
تاريخ ورود اطلاعات
1402/10/02
عنوان به انگليسي
Performance Improvement of Oscillating Wave Surge Converter Considering Climate Change Impacts
تاريخ بهره برداري
11/17/2024 12:00:00 AM
دانشجوي وارد كننده اطلاعات
حسين عيوض اوغلي
چكيده به لاتين
The increasing global demand for energy, limited fossil fuel resources, and intensified effects of climate change have led to a significant focus on renewable energy sources. Ocean waves are one of the promising sources of renewable energy. Various devices have been developed to harness energy from these sources, with the Oscillating Wave Surge Converter (OWSC) recognized as the most efficient system. Climate change, changes in atmospheric loading, wind patterns, and sea level variations have important effects on wave characteristics. These changes directly impact the performance and efficiency of wave converters, both qualitatively and quantitatively. Therefore, predicting environmental conditions for future years is essential when aiming to establish a sustainable wave energy source. In this study, the prediction of climate parameter conditions for the years 2030 to 2040 was initially addressed. The M5p decision tree was used as a powerful machine learning tool to downscale wind speed results from the Global Climate Model (GCM) and develop a wave prediction model. The developed models included annual, seasonal, and monthly models, with different data separation scenarios examined for training and testing the decision tree model. The results showed that the monthly model performed better for the control period, and the 30/70 data separation scenario resulted in improved model performance. The prediction models based on the RCP2.6, RCP4.5, and RCP8.5 scenarios indicated that the monthly average wind speed in the study area, which is the North Atlantic Middle Region, would be similar for the years 2030 to 2040, with increased fluctuations observed, particularly in the RCP8.5 scenario. Furthermore, the comparison of prediction results indicated a 7% to 8% decrease in average wind speed compared to the historical period. For wave prediction model development, various scenarios and techniques were employed, including modifying the drag coefficient relationship and calibrating the CEM formulation, data limitations, and prediction capabilities. The results showed that the M5p model outperformed the modified CEM model, with a near-zero average prediction error and a 30% improvement in RMSE error compared to CEM. The predicted monthly average wave height for the years 2030 to 2040 indicated a slight increasing trend in March and July, while the rest of the months showed a decreasing trend across the entire study domain, with a predicted approximately 10% reduction in annual average wave height. However, it should be noted that the coastal region and the selected installation location for the converter, which is currently Oyster, will experience larger waves during the spring and winter seasons. To develop a numerical model of the wave converter, OpenFOAM was used as a powerful CFD-based model that, using the moving mesh and wave generation and absorption boundary libraries, reproduced accurate results from laboratory experiments used for validation. The present study showed that changes in the seabed surface near the converter had no significant effect on its performance, while changes in the cross-sectional area near the water level and the distribution of increases and decreases in the surface had a considerable impact on the OWSC performance, resulting from the effects of the horizontal velocity profile of particles in the water depth. The results indicated that an increase in the cross-sectional area near the water level and towards the coast leads to the formation of a trapped air package near the coast when the converter returns to the sea, at its highest level. This has an effect on the rotational response and angular velocity of the converter. By comparing the performance of proposed converters, OWSC-07 was selected as the superior converter due to its highest efficiency coefficient and higher net power, and was evaluated more comprehensively under the desired sea conditions. The evaluation results of climate change effects showed that the highest performance of OWSC-07 was at a wave period of 2.4 seconds and a height of 0.27 meters, installed at a water depth of 12 meters on a real scale, and that changes resulting from climate change would have a negative effect on its efficiency coefficient. Additionally, despite increased energy absorption with increased wave height, the efficiency coefficient experiences a decreasing trend.
كليدواژه هاي فارسي
ريزمقياسنمايي , سرعت باد , ارتفاع موج , اپنفوم , درخت تصميم , يادگيري ماشين , مبدل انرژي موج
كليدواژه هاي لاتين
downscaling , wind speed , wave height , OpenFOAM , decision tree , Machine Learning , wave energy converter
Author
Hossein Eivaz Oghli
SuperVisor
Dr. Abbas Yegane Bakhtiyari