Μελέτη των αεροτομών που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή ανεμογεννητριών ισχύος 2MW και υπολογισμός των ροπών αδράνειας διαφόρων πτερυγίων με τη βοήθεια της μεθόδου στοιχείου – πτερυγίου (Blade Element Momentum method – BEM)

• Κύριος συγγραφέας: Κόκκορης, Σωτήριος
• Άλλοι συγγραφείς: Kokkoris, Sotirios
• Γλώσσα: Greek
• Έκδοση: 2020
• Θέματα: Αεροτομές; Ανεμογεννήτριες; Μέθοδος στοιχείου πτερυγίου; Blade element momentum method – BEM; Wind turbines; Airfoils

Η παρούσα μεταπτυχιακή διπλωματική εργασία εκπονήθηκε στο τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Τεχνολογίας Υπολογιστών του Πανεπιστημίου Πατρών, με αντικείμενο την μελέτη των αεροτομών που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή ανεμογεννητριών ισχύος 2MW και στη συνέχεια τον υπολογισμό των ροπών αδράνειας διαφόρων πτερυγίων με τη βοήθεια της μεθόδου στοιχείου – πτερυγίου (Blade Element Momentum method – BEM). Η ανάπτυξη της εργασίας έγινε σε επτά κεφάλαια. Αρχικά έγινε μια εισαγωγή για το πρόβλημα της κλιματικής αλλαγής, που γίνεται πιο έντονο με την πάροδο του χρόνου, και τονίστηκε η αναγκαιότητα της στροφής στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Στο Πρώτο Κεφάλαιο παρουσιάστηκαν οι ανεμογεννήτριες, οι τύποι και τα χαρακτηριστικά μεγέθη τους. Στη συνέχεια ακολούθησε αναλυτική περιγραφή των ανεμογεννητριών οριζοντίου άξονα και των μερών από τα οποία αποτελούνται, δηλαδή του πύργου στήριξης, του στροφείου, του άξονα περιστροφής, του συστήματος μετάδοσης κίνησης, του συστήματος ελέγχου, της ηλεκτρικής γεννήτριας, του συστήματος πέδησης και του συστήματος προσανατολισμού της μηχανής. Στο Δεύτερο Κεφάλαιο συζητήθηκε η βασική αεροδυναμική, εστιάζοντας στις αεροτομές και τα χαρακτηριστικά τους . Παρουσιάστηκε η αεροδυναμική της αεροτομής και ο μηχανισμός δημιουργίας άνωσης τόσο σε ιδεώδη όσο και σε πραγματική ροή, καθώς και η κατανομή της πίεσης γύρω από την αεροτομή. Ακολούθησε η περιγραφή των αεροδυναμικών συντελεστών της αεροτομής, με άλλα λόγια των αδιάστατων συντελεστών άνωσης και αντίστασης. Στο ίδιο κεφάλαιο παρουσιάστηκαν στοιχεία που αφορούν την τυποποίηση των αεροτομών και οι τύποι των αεροτομών που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή πτερυγίων ανεμογεννητριών ισχύος 2ΜW. Το Τρίτο Κεφάλαιο αφορά τις ηλεκτρικές γεννήτριες που χρησιμοποιούνται για τη μετατροπή της μηχανικής ενέργειας του στροφείου της ανεμογεννήτριας σε ηλεκτρική. Αυτές μπορεί να είναι είτε ασύγχρονες επαγωγικές γεννήτριες, όπως είναι οι επαγωγικές γεννήτριες βραχυκυκλωμένου κλωβού (Coupled Squirrel-Cage Induction Generator - SCIG) και οι επαγωγικές γεννήτριες δακτυλιοφόρου δρομέα (Wound Rotor Induction Generator - WRIG), είτε σύγχρονες γεννήτριες όπως οι σύγχρονες γεννήτριες δακτυλιοφόρου δρομέα (Wound Rotor Synchronous Generator - WRSG)και οι σύγχρονες γεννήτριες μόνιμου μαγνήτη (Permanent Magnet Synchronous Generator - PMSG). Οι γεννήτριες που κυριαρχούν τα τελευταία χρόνια στη διεθνή αγορά των ανεμογεννητριών μεγάλης ισχύος και σε ποσοστό μεγαλύτερο του 70%, είναι οι επαγωγικές γεννήτριες διπλής τροφοδοσίας. Το Τέταρτο Κεφάλαιο αφορά την αεροδυναμική των ανεμογεννητριών. Στο συγκεκριμένο Κεφάλαιο αναφέρονται συνοπτικά τα θεωρητικά μοντέλα που έχουν αναπτυχθεί έως και σήμερα για τη μελέτη της αεροδυναμικής συμπεριφοράς των ανεμογεννητριών οριζοντίου άξονα. Στη συνέχεια αναλύεται η Θεωρία Στοιχείου Πτερυγίου (Blade Element Momentum Theory – ΒΕΜ), η οποία χρησιμοποιήθηκε στο πλαίσιο της συγκεκριμένης εργασίας, καθώς και οι διορθωτικοί συντελεστές της, δηλαδή ο συντελεστής απωλειών ακροπτερυγίων του Prandtl (tip-loss factor)και ο συντελεστής διόρθωσης του Glauert. Στο Πέμπτο Κεφάλαιο παρουσιάστηκε ο αλγόριθμος υπολογισμού που βασίζεται στη μέθοδο ΒΕΜ καθώς και ο υπολογιστικός κώδικας που χρησιμοποιήθηκε για τον υπολογισμό των ροπών των πτερυγίων, ανάλογα με την αεροτομή. Παρουσιάστηκαν τα απαραίτητα μεγέθη για τον αλγόριθμο, δηλαδή ο συντελεστής ισχύος, η ταχύτητα ανέμου, οι ταχύτητες της ανεμογεννήτριας, η πυκνότητα του αέρα, ο αριθμός των πτερυγίων του στροφείου, η ισχύς της ανεμογεννήτριας, η ακτίνα του στροφείου, ο αριθμός ταχυστροφίας, η ακτίνα βάσης και η γωνία βήματος του πτερυγίου, το μήκος χορδής της αεροτομής και ο τύπος της αεροτομής, καθώς και τυπικές τιμές τους. Ακολούθησε το διάγραμμα ροής του αλγόριθμου υπολογισμού και ο υπολογιστικός κώδικας σε ΜΑΤLAB. Στο Έκτο Κεφάλαιο παρουσιάζονται τα αποτελέσματα του υπολογιστικού κώδικα για πτερύγια κατασκευασμένα από διάφορες αεροτομές και στο Έβδομο και τελευταίο Κεφάλαιο τα συμπεράσματα που εξήχθησαν από την παρούσα μελέτη.