Hoe kunnen optimalisatietechnieken het ontwerp van golfenergieconverters fundamenteel verbeteren?

De optimalisatie van geometrie bij golfenergieconverters (WECs) vormt een complex maar essentieel onderdeel van hun ontwikkeling. Binnen dit veld speelt de keuze van de juiste algoritmen en doelstellingen een centrale rol, waarbij zowel enkelvoudige als meervoudige optimalisatiedoelen strategisch worden afgestemd op specifieke apparaattype en werkingsprincipes. Patronen in algoritmeselectie wijzen op duidelijke voorkeuren: genetische algoritmen (GA) en Particle Swarm Optimization (PSO) domineren bijvoorbeeld in het maximaliseren van Annual Energy Production (AEP) en Capture Width Ratio (CWR), dankzij hun robuustheid in het doorzoeken van grote en niet-lineaire ontwerpruimtes. Anderzijds worden bij structurele doelstellingen zoals krachten (F) en vermogensstabiliteit (P) vaker gradiënt-gebaseerde methoden toegepast vanwege hun precisie in het hanteren van fysieke beperkingen.

In multi-objectieve optimalisatie is de algoritmische voorkeur verschoven naar technieken als NSGA-II, die in staat zijn om Pareto-optimale oplossingen te genereren met voldoende diversiteit. Dit is vooral van belang in een context waar meerdere, vaak conflicterende doelstellingen – zoals het balanceren van energieproductie en structurele integriteit – gelijktijdig moeten worden geoptimaliseerd. Dit verschil in methodologische aanpak tussen enkelvoudige en meervoudige optimalisatie benadrukt de noodzaak van contextuele algoritmeselectie in het ontwerpproces van WEC’s.

Praktijkvoorbeelden van geoptimaliseerde geometrieën laten zien hoe theorie wordt vertaald naar tastbare prestatieverbeteringen. Een studie van Guo et al. naar een puntabsorber op een locatie met gemiddelde golfenergie wees uit dat de oorspronkelijke configuratie onvoldoende heave-respons bood bij piekgolven. Via stapsgewijze aanpassingen aan diepgang en diameter werd een 22% hogere energieopbrengst gerealiseerd. Belangrijker nog, de aangepaste geometrie zorgde voor meer stabiliteit tijdens zware golfcondities – een cruciaal aspect voor overlevingskansen in reële omgevingen.

Een andere studie, uitgevoerd door Manawadu et al., onderzocht 395 variaties van boeidimensies en golfomstandigheden met behulp van Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH). Hieruit bleek dat nauwkeurige afstemming van onderwatervolume en diepgang resulteerde in 25% meer energieopname, wat de waarde van frequentie-afstemming op wisselende zeetoestanden bevestigde.

Arrosyid et al. gingen verder met het optimaliseren van een multi-cilinderpuntabsorber door het combineren van genetische algoritmen, neurale netwerken en multi-criteria besluitvorming. Hierbij werd specifiek ingezet op het balanceren van CWR en lage kosten. Het resultaat was een stijging van 30% in totaal vermogen, waarbij ook de schaalbaarheid voor grotere golfenergiesystemen werd aangetoond. De mogelijkheid om destructieve interferentie te minimaliseren en tegelijkertijd coöperatieve energieopname te bevorderen, maakt dergelijke ontwerpen bijzonder aantrekkelijk.

Wat hierbij cruciaal is om te begrijpen, is dat optimalisatie niet louter een technisch hulpmiddel is, maar een methodologisch raamwerk dat toelaat om ontwerpbeslissingen expliciet te onderbouwen op basis van de beoogde operationele context van het apparaat. Het succes van een WEC hangt niet alleen af van het maximaliseren van energieopbrengst, maar van het verfijnd afstemmen van ontwerp, omgeving en technologische beperkingen in een coherent en veerkrachtig geheel.

Wat zijn de nieuwste benaderingen voor het optimaliseren van golfenergieconversie en het ontwerp van golfenergieomzetters?

Het onderzoeksveld van golfenergie is in de afgelopen jaren exponentieel gegroeid, wat heeft geleid tot een breed scala aan innovaties in de technologie van golfenergieomzetters (WEC). Deze technologieën zijn ontworpen om de enorme kracht van oceaangolven te benutten en om te zetten in hernieuwbare energie. Verschillende benaderingen, zowel numeriek als experimenteel, zijn toegepast om de efficiëntie van WEC-systemen te verbeteren. De geometrie van deze systemen speelt hierbij een cruciale rol, evenals de optimalisatie van de mate van vrijheid (degrees of freedom, DOF) van de verschillende onderdelen van de systemen.

Een van de meest prominente onderzoeken in de golfenergie is gericht op de optimalisatie van de geometrie van WEC's, bijvoorbeeld door gebruik te maken van geavanceerde ontwerpmethoden zoals de constructale ontwerpbenadering, die specifiek gericht is op het verbeteren van de energie-opname van systemen zoals oscillating water columns (OWC). Studies hebben aangetoond dat de integratie van meerdere kamers en specifieke ontwerpen voor de turbine-geometrie de efficiëntie aanzienlijk kan verhogen, wat resulteert in een betere benutting van de golfenergie (de Lima et al., 2024). Deze methoden benadrukken het belang van de interactie tussen hydrodynamische prestaties en de mechanische aspecten van het apparaat.

In de zoektocht naar meer robuuste en efficiënte systemen hebben onderzoekers zich ook gericht op de manier waarop meerdere lichamen en de vrijheidsgraden van WEC's de prestaties beïnvloeden. Bijvoorbeeld, de invloed van het aantal lichamen op de kracht- en beweegbeheersing van de systemen heeft belangrijke implicaties voor het ontwerp en de schaalbaarheid van golfenergieomzetters (Beringer et al., 2024). Onderzoek naar multi-lichaamsystemen heeft aangetoond dat een gedetailleerd begrip van de beweging van elk lichaam in een WEC cruciaal is voor het optimaliseren van de energieproductie, vooral onder variabele golfomstandigheden.

Verder heeft de integratie van machine learning en deep learning-technieken bijgedragen aan de vooruitgang in de voorspelling en optimalisatie van golfenergieconversie. Door machine learning-modellen toe te passen op complexe golfsystemen, kunnen wetenschappers nu nauwkeuriger de dynamiek van verschillende WEC's voorspellen en optimaliseren, wat leidt tot verbeterde ontwerpen die beter presteren in specifieke mariene omgevingen (Shadmani et al., 2023). Deze vooruitgangen bieden enorme voordelen voor de efficiëntie van bestaande en toekomstige WEC-technologieën.

Bij het ontwerpen van golfenergieomzetters wordt ook veel aandacht besteed aan de manufacturability van de systemen. Er zijn significante uitdagingen verbonden aan de massaproductie van WEC's, vooral wat betreft het verkleinen van de kosten en het verbeteren van de duurzaamheid van de gebruikte materialen (Garcia-Teruel & Forehand, 2022). De ontwerpen moeten niet alleen technisch effectief zijn, maar ook praktisch in productie en installatie, wat betekent dat kostenbesparingen en materiaalkeuzes een belangrijke rol spelen bij de implementatie op grotere schaal.

Naast de geometrische en operationele optimalisatie van de systemen is het ook van belang om het ontwerp van het hydraulische power take-off-systeem (PTO) van WEC's te verbeteren. De efficiëntie van de PTO is essentieel voor de conversie van de mechanische energie van de golfbewegingen naar elektrische energie. Dit systeem moet robuust genoeg zijn om de constante belasting en variabiliteit van de golfbewegingen te weerstaan, terwijl het tegelijkertijd efficiënt blijft in het omzetten van energie (Waskito et al., 2024).

Om de effectiviteit van golfenergieomzetters te vergroten, wordt ook gekeken naar de integratie van verschillende technologieën. Het combineren van verschillende typen WEC's, zoals de point absorbers en oscillating water columns, kan leiden tot systemen die beter bestand zijn tegen onregelmatige golven en die tegelijkertijd een hogere energieopbrengst realiseren (Rashidi & Nikseresht, 2024). Dit biedt de mogelijkheid om een breder scala aan maritieme omstandigheden te dekken, wat cruciaal is voor de commercialisering van golfenergie.

Naast de technologische en ontwerpopties moeten ook de milieu- en ecologische impact van WEC's zorgvuldig worden beoordeeld. Er wordt steeds meer aandacht besteed aan de gevolgen die de installatie van WEC's heeft voor mariene ecosystemen, evenals de duurzaamheid van de materialen die worden gebruikt. Het ontwerpen van WEC-systemen die zowel effectief als ecologisch verantwoord zijn, wordt steeds belangrijker voor de toekomst van hernieuwbare energie (Yang et al., 2022).

Samenvattend, de ontwikkelingen op het gebied van golfenergieomzetters hebben een aanzienlijke vooruitgang geboekt in termen van ontwerp, optimalisatie en integratie van geavanceerde technologieën zoals machine learning. De focus ligt niet alleen op de technische prestaties van de systemen, maar ook op de praktische overwegingen zoals productie, kosten en ecologische impact. Het wordt steeds duidelijker dat een holistische benadering van ontwerp en innovatie essentieel is om golfenergie een duurzame en betrouwbare energiebron te maken.

Hoe wordt het gedrag van een WEC- en PTO-systeem gemodelleerd in frequentiedomein?

Op basis van deze uitdrukkingen kan de lineaire dynamica van een WEC in het frequentiedomein worden uitgedrukt als:

Het is echter belangrijk te beseffen dat bepaalde PTO-configuraties, zoals die met translators of vliegwielen, aanzienlijke inertiële bijdragen leveren, die in de inertiematrix $M$ worden opgenomen. Er zijn ook niet-lineaire effecten, zoals viskeuze wrijving onder nulstroomsnelheid, die tijdens de linearisatie kunnen worden geëlimineerd. Daarom, hoewel lineaire modellen analytische eenvoud en rekenefficiëntie bieden, kunnen ze belangrijke niet-lineaire gedragingen, zoals die in de praktijk van WEC’s, niet volledig vastleggen.

Op basis van de bovenstaande vergelijkingen kan de overdrachtsfunctie van het lineaire systeem worden opgesteld, waarmee het gedrag van de WEC in relatie tot de excitatiekracht wordt beschreven:

In de offshore engineering wordt de respons vaak uitgedrukt in termen van de Respons Amplitude Operator (RAO), die een overdrachtsfunctie tussen de lichaamresponsamplitude en de golfamplitude vaststelt. Nadat de overdrachtsfunctie is afgeleid, kan de dynamica eenvoudig worden verkregen door het oplossen van het systeem van algebraïsche lineaire vergelijkingen. Voor onregelmatige zeeomstandigheden kan de stochastische respons worden uitgedrukt in termen van de vermogensspectrumsdichtheid (PSD) door de responsspectrummatrix:

De gemiddelde kracht die door een lineair PTO-systeem wordt geabsorbeerd in een onregelmatige zeeomstandigheid kan worden berekend in het frequentiedomein als:

Deze impedantie beïnvloedt de dynamische respons van het WEC en speelt een cruciale rol bij het bepalen van de golfreflectie, transmissie en uiteindelijk de energieabsorptiekenmerken van het apparaat. Door het PTO-systeem als impedantie te representeren, kunnen we de invloed van het PTO op de respons van het WEC analyseren en zijn parameters optimaliseren om maximale energieabsorptie te bereiken via een proces dat lijkt op impedantie-afstemming.

De specifieke PTO-mechanismen kunnen variëren, en hun wiskundige modellen zijn essentieel voor het simuleren, analyseren en optimaliseren van de prestaties van deze mechanismen. Voor hydraulische PTO-systemen bijvoorbeeld, worden de drukdynamieken van het hydraulische vloeistof in de cilinders vaak beschreven met continuïteitsvergelijkingen. Directe elektrische PTO’s maken gebruik van de wet van Faraday, terwijl mechanische PTO’s direct gekoppeld zijn aan de dynamische eigenschappen van de mechanische interface.

Het begrijpen van de wiskundige modellering van deze systemen is van cruciaal belang om de energieopbrengst van WEC’s te verbeteren, evenals om te zorgen voor een efficiënte en duurzame werking van deze systemen in offshore-omstandigheden.

Hoe wordt de golfenergie berekend en wat zijn de belangrijkste spectrale parameters?

De spectrale momenten $m_n$ bieden een gedetailleerder inzicht in de kenmerken van de golven en kunnen worden gebruikt om verschillende aspecten van de zeetoestand te kwantificeren. Bijvoorbeeld, het relatief verspreiden van energie over golffrequenties, ook wel de spectrale bandbreedte genoemd, kan worden uitgedrukt door de standaarddeviatie van de periode-variantie die genormaliseerd is door de energieperiode.

Een andere belangrijke spectrale parameter is de directionele resolutie van de golfkracht. Dit is de golfkracht die zich in een bepaalde richting voortplant, en kan worden berekend door een directioneel golfspectrum, dat de variatie van de golfkracht in verschillende richtingen weergeeft, te gebruiken. De richting van maximale directionele golfkracht is van cruciaal belang voor het begrijpen van de invloed van golven die uit verschillende richtingen komen. Het directionele coëfficiënt, gedefinieerd als de verhouding van de maximale directionele golfkracht tot de omnidirectionele golfkracht, geeft een kwantitatieve meting van de richtingseigenschappen van de golven.

Wanneer de zeecondities fluctueren en golven in groepen optreden, spreken we van golfgroepen, waarbij grotere golven de neiging hebben om samen voor te komen. Dit fenomeen is van belang voor de beoordeling van transiënte effecten en wordt vaak gemeten met de gemiddelde looplengte, die het gemiddelde aantal opeenvolgende golven meet die een bepaalde drempel overschrijden, zoals de significante golfhoogte of de gemiddelde golfhoogte.

Een ander belangrijk aspect van golfmodellering is het simuleren van de invloed van verschillende fysische processen, zoals refractie, die golven afbuigen wanneer ze in gebieden met verschillende dieptes komen, en diffractie, waarbij golven energie verspreiden wanneer ze obstakels tegenkomen. Het SWAN-model kan ook golven in ondieper water simuleren, waarbij golven hun hoogte verhogen door de energieconservering. Dit is bijzonder belangrijk voor het bepalen van de golfenergie dicht bij de kustlijn, waar golven vaak hogere energie krijgen.