Устройство преобразования энергии волн готовится к развертыванию в океане в Институте прибрежных исследований, кампус Внешних отмелей Восточно-Каролинского университета. Автор: Эндрю Симмс, NREL
Устройства морской энергии обладают потенциалом для выработки гигантских объемов энергии, если они смогут выдержать суровые условия океана. Для преобразования волновых движений в электричество необходимы инновационные конструкции систем, но море огромно и сложно, а развертывание в этих отдаленных местах обходится дорого.
Созданный Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии (NREL) Министерства энергетики США (DOE), Тихоокеанской северо-западной национальной лабораторией (PNNL) и Сандийскими национальными лабораториями (Sandia), набор инструментов для изучения морской и гидрокинетической среды (MHKiT) может сэкономить время и деньги при оценке прорывных технологий в области морской возобновляемой энергии (MRE) и их производительности в широком диапазоне водных условий.
Как исследователи и разработчики могут преодолеть препятствия и использовать весь потенциал MRE, небольшая часть которого могла бы обеспечить достаточно электроэнергии для питания примерно 22 миллионов домов в США?
Часть решения заключается в измерении волн и океанических течений, а также в производстве электроэнергии с использованием реальных и смоделированных данных. MHKiT предоставляет инструменты проверки данных и стандартизированного анализа, необходимые для принятия обоснованных решений и максимизации потенциальной чистой энергии, вырабатываемой из этого обильного запаса.
Исследования NREL с участием MHKiT и других инструментов помогают максимизировать количество возобновляемой морской энергии, получаемой из океана и других водоемов. Кредит: NREL
Недавние обновления версии MHKiT, созданной для платформы программирования MATLAB (MHKiT-MATLAB), которая широко используется инженерами отрасли и исследователями университетов, позволяют пользователям моделировать экстремальные состояния моря и визуализировать теоретический речной поток и турбулентность.
Параллельные обновления версии MHKiT, созданной для платформы программирования Python (MHKiT-Python), включают дополнительную поддержку многомерных данных, обычно генерируемых такими органами, как Программа информации о прибрежных данных (CDIP) и Национальное управление океанических и атмосферных исследований (NOAA).
«Новая функциональность в MHKiT-MATLAB дает большему количеству разработчиков возможность стандартизировать свои данные измерений, которые не только могут сообщить нам количество энергии и турбулентности, обнаруженных на каждом участке», — сказал разработчик MHKiT-MATLAB и специалист по данным NREL Эндрю Симмс.
«Она также позволяет нам более глубоко изучать условия на участке, что, как мы надеемся, приведет к созданию приливных турбин, которые смогут надежно работать в течение длительного времени в будущем».
Обе версии набора инструментов предоставляют код, необходимый для максимизации потенциала систем MRE. Один набор функций помогает исследователям моделировать суровые океанические условия, такие как необычно сильные и большие волны и зыби. Другие модули позволяют анализировать данные о речных и приливных течениях на основе измерений акустического доплеровского профилометра течения.
Программное обеспечение помогает исследователям анализировать, как новые технологии соотносятся с производительностью питания, качеством питания, механической нагрузкой и спецификациями ресурсов Международной электротехнической комиссии, а также требованиями конкретных морских объектов и условий.
Воспроизводимые примеры кода MHKiT направляют пользователей на каждом этапе, от необработанных измерений до стандартизированного анализа. Бесплатный пакет программного обеспечения с открытым исходным кодом предоставляет пользователям полный доступ к инструментам MHKiT, позволяя разработчикам обрабатывать свои данные стандартизированным образом, получая при этом полное понимание каждого шага анализа и внося обратную связь по ходу дела.
Следуя течению двух основных платформ программирования
Благодаря недавним обновлениям инструментария большое количество исследователей, проектировщиков и разработчиков, работающих в средах на основе MATLAB, теперь могут использовать MHKiT для поддержки большего количества областей их усилий по моделированию и анализу MRE, а также вносить вклад в текущее совершенствование инструмента. Новые функции MHKiT-MATLAB (v0.5.0) обеспечивают поддержку моделирования экстремальных условий океана и создания визуализаций речных турбин с помощью моделирования Delft3D.
Более обширные усовершенствования и дополнения к MHKiT-Python (v0.8.2) предлагают улучшенную идентификацию и анализ значительных волновых событий, включая гребни и пересечения, а также расчеты отдельных высот волн.
Модуль Doppler Oceanography Library для pythoN (DOLfYN) добавляет поддержку альтиметра, лучшую обработку данных, собранных в программном обеспечении Nortek, которое является стандартным для CDIP и NOAA, и более надежную поддержку файлов интерфейса необработанных данных (RDI). Другие обновления дополняют обработку и анализ размерных данных (NetCDF), одновременно оптимизируя общий процесс разработки на основе Python.
Повышение производительности с ростом сотрудничества
«Да, MHKiT — это мощный инструмент со стандартизированным, проверенным кодом, программным обеспечением и данными, которые позволяют контролировать качество анализа», — сказал разработчик NREL MHKiT-MATLAB Крис Иванов. «Но его настоящая сила заключается в постоянном вкладе сообщества, работающего в сотрудничестве. Партнеры по всей стране и по всему миру помогают определять области для будущей функциональности и испытывать модули, исследуя новые сценарии и постоянно развивающиеся конструкции систем».
С момента запуска MHKiT в 2020 году инструментарий был загружен более 29 000 раз, и более 30 соавторов внесли свой вклад в функции и документацию для формирования его функциональности. В последнее время эта расширенная команда сосредоточилась на модульном тестировании, непрерывной интеграции и обзорах кода, чтобы поддерживать программное обеспечение в актуальном состоянии, сохраняя при этом его эффективность и надежность.
Модульное тестирование гарантирует, что каждый компонент набора инструментов функционирует правильно, в то время как непрерывная интеграция автоматически оценивает и интегрирует изменения. Регулярные обзоры кода помогают выявлять и устранять проблемы, улучшая общее качество кода.
Сканирование горизонта для следующей волны
Данные и программные инструменты MHKiT дополняются понятными и исчерпывающими примерами того, как выполнять множество различных задач анализа. В будущих версиях Python и MATLAB разработчики MHKiT планируют расширить и улучшить эти примеры блокнотов, а также создать модули для акустического мониторинга и продолжить совершенствовать общую функциональность и производительность.
«Раньше большинство разработчиков MRE были вынуждены создавать собственные инструменты для обработки и анализа данных», — сказал Симмс. «Теперь MHKiT дает всем фору в анализе данных. Если мы сможем сделать анализ максимально простым и безболезненным, разработчики смогут тратить больше времени на создание более совершенных устройств».
Предоставлено Национальной лабораторией возобновляемой энергии