Στοχαστική διερεύνηση και προσομοίωση των ανεμογενών κυματισμών για παραγωγή ενέργειας: Εφαρμογές για αξιοποίηση

Τις τελευταίες τρεις δεκαετίες, το επιστημονικό ενδιαφέρον προσανατολίζεται έντονα στην αξιοποίηση των ωκεανών για παραγωγή ενέργειας, ιδιαίτερα μέσω των κυμάτων, εξετάζοντας τόσο το φαινόμενο, όσο και τις τεχνολογίες που δύναται να εφαρμοστούν. Οι κυματισμοί αποτελούν τον κύριο παράγοντα σχεδιασμού παράκτιων και υπεράκτιων τεχνικών έργων, έχουν πιθανοτική δομή και ακολουθούν συγκεκριμένους πιθανολογικούς νόμους κατανομής, με αποτέλεσμα συχνά να επιλέγεται η χρήση στοχαστικών-ντετερμινιστικών μοντέλων και όχι καθαρά ντετερμινιστικών για τη μελέτη τους. Η παρούσα εργασία σκοπεύει στη μοντελοποίηση του φαινομένου, με τη βοήθεια των στοχαστικών μεθόδων, στην εξήγηση της συμπεριφοράς του και στη δυνατότητα πρόβλεψής του. Για τις ανάγκες της ανάλυσης, εξετάζονται ωκεανογραφικά δεδομένα από 24 πλωτούς σημαντήρες, διασκορπισμένους, τόσο στο Βόρειο, όσο και στο Νότιο Ημισφαίριο της Γης, οι οποίοι καταγράφουν το σημαντικό ύψος κύματος και τη μέση περίοδο. Αρχικά, μελετάται η περιοδικότητα που διέπει το φαινόμενο και προκύπτει ότι είναι κυρίως μονή (εποχική), σε αντίθεση με το γενεσιουργό αίτιο των ανεμογενών κυματισμών που είναι ο άνεμος, ο οποίος έχει διπλή (ενδοημερήσια και εποχική) περιοδικότητα. Ως εκ τούτου, κατασκευάζεται ένα ντετερμινιστικό μοντέλο περιοδικότητας, το οποίο περιγράφει τις μηνιαίες μέσες τιμές και τις μηνιαίες τυπικές αποκλίσεις κάθε μεταβλητής, ενώ για την ασυμμετρία λαμβάνεται μία σταθερή τιμή. Παράλληλα, υπολογίζονται τα στατιστικά χαρακτηριστικά των υπό εξέταση μεταβλητών, μέσω προσαρμογής γνωστών περιθώριων κατανομών, όπου παρατηρείται βέλτιστη η τριπαραμετρική κατανομή PBF (Pareto-Burr-Feller ή γνωστή και ως Singh-Maddala) και συνεπώς υπολογίζονται οι μηνιαίες και μέσες παράμετροι, ενώ το μεγαλύτερο μέρος της ανάλυσης, για εποπτικούς λόγους, εφαρμόζεται στον σταθμό με τα περισσότερα διαθέσιμα δεδομένα. Για τη μελέτη του αμιγώς στοχαστικού μέρους του φαινομένου, απαιτείται η εκτέλεση της διαδικασίας της ομογενοποίησης, με την οποία αφαιρείται από την περιθώρια δομή η περιοδικότητα πριν την παραγωγή των συνθετικών χρονοσειρών (στοχαστική σύνθεση). Στη συνέχεια, απαραίτητη είναι η μελέτη της δομής εξάρτησης του φαινομένου, μέσω της δυναμικής Hurst-Kolmogorov (HK). Στο στάδιο αυτό, γίνεται χρήση του κλιμακογράμματος, ενός στοχαστικού εργαλείου για την εκτίμηση της μακροπρόθεσμης εμμονής, προσαρμόζοντας τρία πιθανά σχήματα ανελίξεων στο μέσο 2 | Σ ε λ ί δ α κλιμακόγραμμα των σταθμών, λαμβάνοντας υπόψη την μεροληψία, με βέλτιστο αποτέλεσμα το μοντέλο Generalized Hurst-Kolmogorov (GHK). Η στοχαστική σύνθεση του μοντέλου GHK επιλέγεται να εκτελεστεί με το σχήμα του συμμετρικού κυλιόμενου μέσου (Symmetric Moving Average). Οι παράμετροι που προέκυψαν από το μοντέλο GHK μαζί με τις τέσσερις πρώτες στατιστικές ροπές που υπολογίστηκαν μέσω των παραμέτρων από την προσαρμογή της πιθανοτικής κατανομής PBF, αποτελούν τα δεδομένα εισόδου του μοντέλου SMA_GHK, με το οποίο εκτελείται η παραγωγή των συνθετικών χρονοσειρών κάθε μεταβλητής. Ωστόσο, οι εξαγόμενες χρονοσειρές δεν εμπεριέχουν την περιοδικότητα που είχε αφαιρεθεί από την περιθώρια δομή. Έτσι, εκτελείται η διαδικασία της αντίστροφης ομογενοποίησης, με τη βοήθεια τώρα του μοντέλου περιοδικότητας που έχει κατασκευαστεί νωρίτερα, ώστε να ολοκληρωθεί η παραγωγή των συνθετικών χρονοσειρών και να οριστεί πλήρως το προτεινόμενο μοντέλο. Τέλος, γίνονται οι απαραίτητοι έλεγχοι, με σκοπό την επιβεβαίωση της διατήρησης, τόσο της πιθανοτικής συμπεριφοράς, όσο και της δομής εξάρτησης (στοχαστική συμπεριφορά) και συσχέτισης. Τελευταίο στάδιο, αποτελεί ο υπολογισμός του ενεργειακού δυναμικού μέσω των συνθετικών χρονοσειρών του σημαντικού ύψους και της μέσης περιόδου, αλλά και μέσω των αντίστοιχων παρατηρημένων χρονοσειρών, με σκοπό την εκτίμηση της δύναμης του μοντέλου και την αξιοπιστία εφαρμογής του, για βραχυπρόθεσμη ή μακροπρόθεσμη πρόβλεψη έχοντας, είτε μεγάλες, είτε μικρές σε μήκος χρονοσειρές. Τα συμπεράσματα αυτά, εξάγονται με τη βοήθεια δύο εφαρμογών, μία για σταθμό ανοιχτά της ΝΑ Αυστραλίας (μεγάλο πλήθος διαθέσιμων δεδομένων) και μία για σημείο στο Αιγαίο, βόρεια της Αστυπάλαιας, όπου τα διαθέσιμα δεδομένα είναι λίγα και έχουν προκύψει ύστερα από προσομοίωση.