Αεροδυναμική σχεδίαση, ανάλυση και βελτιστοποίηση λειτουργίας ανεμογεννητριών

Abstract

Ο άνεμος αξιοποιήθηκε από τον άνθρωπο από τα αρχαία χρόνια και αποτελεί μια αξιόπιστη ανανεώσιμη πηγή ενέργειας. Η αποδοτική του αξιοποίηση απαιτεί τον σχεδιασμό και βελτιστοποίηση των αιολικών μηχανών. Σκοπός της παρούσας διατριβής είναι η ανάπτυξη μεθόδου σχεδίασης και βελτιστοποίησης πτερυγίων ανεμογεννητριών, η ανάλυση της λειτουργίας ανεμογεννητριών με χρήση Υπολογιστικής Ρευστοδυναμικής και η μελέτη βελτιστοποίησης της λειτουργίας ανεμογεννητριών ενταγμένων στο αστικό τοπίο και ανεμογεννητριών ενταγμένων στο κτίριο. Σε αυτή την κατεύθυνση αναπτύχθηκε μια μέθοδος για την αεροδυναμική βελτιστοποίηση των πτερυγίων ανεμογεννητριών η οποία βασίζεται στη παραμετροποίηση της γεωμετρίας των χρησιμοποιούμενων αεροτομών με καμπύλες Bézier και τη βελτιστοποίησή τους με χρήση Γενετικών Αλγορίθμων. Τα αποτελέσματα της βελτιστοποίησης οδήγησαν στην ανάπτυξη αεροτομών με βέλτιστα αεροδυναμικά χαρακτηριστικά για συγκεκριμένες λειτουργικές συνθήκες. Επίσης, μελετήθηκε η μοντελοποίηση της λειτουργίας ανεμογεννητριών με χρήση Υπολογιστικής Ρευστοδυναμικής και μοντέλων τύρβης. Για αυτόν τον σκοπό πραγματοποιήθηκε προσομοίωση ενός γνωστού πειράματος αεροδυναμικής που έλαβε χώρα σε αεροσήραγγα της NASA. Τα αποτελέσματα της υπολογιστικής ανάλυσης συγκρίθηκαν με τα αποτελέσματα της πειραματικής μελέτης και βρέθηκε εξαιρετική συμφωνία. Μια καινοτόμος τροποποίηση των συμβατικών ανεμογεννητριών είναι η ένταξή τους σε ένα κέλυφος. Με αυτόν τον τρόπο αυξάνεται σημαντικά η παραγόμενη ισχύς δεδομένης ανεμογεννήτριας. Η τροποποίηση αυτή συνίσταται για μικρές ανεμογεννήτριες οι οποίες λειτουργούν στο αστικό τοπίο όπου οι ανεμολογικές συνθήκες δεν είναι οι βέλτιστες. Στο πλαίσιο αυτής της διατριβής μελετήθηκε η ένταξη εντός κελύφους τόσο ανεμογεννήτριας οριζόντιου άξονα όσο και ανεμογεννήτριας καθέτου άξονα. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν από την προσομοίωση με Υπολογιστική Ρευστοδυναμική έδειξαν καλή συμφωνία με αντίστοιχα αποτελέσματα άλλων ερευνητών. Η παραγόμενη ισχύς μιας ανεμογεννήτριας με κέλυφος αυξάνεται αναλογικά με την παροχή αέρα μέσω του κελύφους και μπορεί ακόμη και να υπερδιπλασιαστεί με κατάλληλη μορφοποίηση του κελύφους.