Αεροδυναμική σχεδίαση και ανάλυση ανεμογεννήτριας καθέτου άξονα με χρήση κέλυφους

Abstract

Η παραγωγή ενέργειας με τη χρήση μικρών ανεμογεννητριών εξαρτάται από πολλούς παράγοντες. Τέτοιοι παράγοντες είναι η διεύθυνση του ανέμου, η ένταση της τύρβης και η επίδραση της ύπαρξης γειτονικών κτιρίων στα χαρακτηριστικά της ροής του ανέμου. Όλα αυτά μπορεί να έχουν δυσμενείς συνέπειες στην παραγωγή ενέργειας από την ανεμογεννήτρια. Μία μέθοδος που έχει αναπτυχθεί για την αύξηση της απόδοσης μιας μικρής ανεμογεννήτριας και για να ξεπεραστεί το θεωρητικό όριο του Betz, είναι η εγκατάσταση κελύφους με τη μορφή συγκλίνοντος-αποκλίνοντος ακροφυσίου γύρω από την ανεμογεννήτρια. Πολλές έρευνες έχουν γίνει γύρω από τη μελέτη της επίδρασης ενός κελύφους σε ανεμογεννήτριες οριζόντιου άξονα. Παρ’ όλα αυτά, είναι πολύ λίγες οι έρευνες σχετικά με την επίδραση ενός κελύφους σε ανεμογεννήτριες κάθετου άξονα. Σε αυτή την εργασία, παρουσιάζεται η υπολογιστική και πειραματική μελέτη μιας ανεμογεννήτριας κάθετου άξονα (με και χωρίς κέλυφος). Αρχικά, σχεδιάστηκε μία τρίπτερη ανεμογεννήτρια Darrieus τύπου-Η, ύψους 2m και ακτίνας 1.045m. Τα τρία πτερύγια κατασκευάστηκαν με μορφή αεροτομής NACA 0015. Η ταχύτητα ανέμου ορίζεται στα 10m/s, ενώ η περιστροφική ταχύτητα του ρότορα κυμαίνεται από 286 έως 621 rpm και από 70 έως 143 rpm την ανεμογεννήτρια χωρίς και με κέλυφος, αντίστοιχα. Το κέλυφος που σχεδιάστηκε για αυτή την εφαρμογή έχει συνολικό μήκος 7.012m, είναι ορθογωνικής διατομής σε όλο το μήκος του, έχει διαστάσεις εισόδου και εξόδου του αέρα ίσες με 2.2x3.255m2, και τα οριζόντια τοιχώματά του έχουν επίπεδο σχήμα, ενώ τα κάθετα τοιχώματα έχουν καμπύλη διαμόρφωση. Ο λόγος εμβαδών τόσο για το συγκλίνον όσο και για το αποκλίνον τμήμα είναι ίσος με 1.453. Η πειραματική μελέτη έγινε με τη χρήση αεροσήραγγας που βρίσκεται στο χώρο του Πανεπιστημίου. Επίσης, εκπονήθηκαν προσομοιώσεις τριών διαστάσεων σε λογισμικό CFD για τη μοντελοποίηση της ροής τόσο γύρω από την γυμνή ανεμογεννήτρια, όσο και διαμέσου του κελύφους, αλλά και διαμέσου του συστήματος ανεμογεννήτριας-κελύφους. Το υπολογιστικό κομμάτι αποτελείται από δύο τμήματα με διαφορετικά επίπεδα αναφοράς (ένα σταθερό και ένα περιστρεφόμενο). Κάθε προσομοίωση αφορούσε σε διαφορετική ταχύτητα περιστροφής του ρότορα της ανεμογεννήτριας. Οι προσομοιώσεις έγιναν με τη χρήση του λογισμικού ANSYS CFX. Το μοντέλο τύρβης που χρησιμοποιήθηκε ήταν το μοντέλο Κ-e. Παρουσιάζονται λεπτομερή αποτελέσματα ανάλυσης της ροής, ενώ καταρτίστηκαν διαγράμματα του συντελεστή ισχύος προς το λόγο ταχύτητας ακροπτερυγίου (Cp-λ), για μεταβαλλόμενες τιμές της περιστροφικής ταχύτητας της ανεμογεννήτριας. Τα αποτελέσματα της υπολογιστικής μελέτης παρουσίασαν σύμπλευση με τα αποτελέσματα της πειραματικής διαδικασίας. Τέλος, παρατηρήθηκε σημαντική βελτίωση της συμπεριφοράς της ανεμογεννήτριας.