Υπολογιστική μελέτη ανεμογεννήτριας οριζόντιου άξονα με τη μέθοδο στοιχείου- πτερυγίου (ΒΕΜ) με σκοπό τη βελτιστοποίηση του σχεδιασμού της

Abstract

Το παρόν πόνημα αποτελεί την διπλωματική εργασία του φοιτητή Αποστολόπουλου Νικόλαου. Εκπονήθηκε στο πλαίσιο των υποχρεώσεων που απορρέουν από τις σπουδές του στο τμήμα Μηχανολόγων του Ανώτατου Τεχνολογικού Ιδρύματος Δυτικής Ελλάδος. Σκοπός της Διπλωματικής αυτής εργασίας είναι να αναλύσει τα αεροδυναμικά χαρακτηριστικά των ανεμογεννητριών οριζοντίου άξονα, πιο συγκεκριμένα η ανάλυση των δυνάμεων που δημιουργούνται λόγω της ροής του ανέμου διαμέσου του ρότορα της ανεμογεννήτριας και ανάλυση των φορτίων που προκύπτουν. Η εργασία στηρίζεται σε βασικές αρχές τόσο της Φυσικής όσο και της Τεχνολογίας που αφορούν στην εκμετάλλευση της Αιολικής Ενέργειας και χωρίζεται σε επτά κεφάλαια. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια γενική εισαγωγή στην εκμετάλλευση της αιολικής ενέργειας και στις ανεμογεννήτριες, καθώς επίσης και μια σύντομη ιστορική ανασκόπηση με τα πιο βασικά επιτεύγματα. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι βασικές αρχές της αεροδυναμικής. Συγκεκριμένα, όσον αφορά τις αεροτομές, δίνονται τα βασικά γεωμετρικά χαρακτηριστικά της αεροτομής και σχολιάζεται η τυποποίησή τους. Στη συνέχεια σχολιάζονται οι αεροτομές που θα χρησιμοποιηθούν στα πλαίσια της συγκεκριμένης εργασίας, η NACA 0012, η NACA 632-615 και η S809. Στο τρίτο κεφάλαιο αναλύεται το προφίλ του συστήματος στροβίλων που δημιουργείται κατά την κίνηση των πτερυγίων, καθώς και ο τρόπος με τον οποίο επηρεάζουν οι στρόβιλοι αυτοί τη ροή και τις πτέρυγες της ανεμογεννήτριας. Το τέταρτο κεφάλαιο αναλύει τις θεωρίες υπολογισμού των ανεμογεννητριών, οι οποίες είναι η θεωρία του δίσκου δράσης, η θεωρία του βέλτιστου δίσκου δράσης για ανεμογεννήτριες οριζοντίου άξονα (Glauert), η θεωρία αξονικής ορμής (Rankine-Froude Theory), η γενική θεωρία ορμής με περιστρεφόμενο απόρρευμα, η θεωρία στοιχείου – πτερυγίου και η μέθοδος των πλαισίων. Στο πέμπτο κεφάλαιο παρουσιάζεται ο αλγόριθμος που χρησιμοποιήθηκε για το σχεδιασμό της ανεμογεννήτριας οριζοντίου άξονα και στο έκτο κεφάλαιο τα αποτελέσματα που προέκυψαν από την επίλυση στο Matlab. Μελετήθηκαν δίπτερες και τρίπτερες ανεμογεννήτριες, με πτερύγια από αεροτομές NACA 0012, S809 και NACA 632-615 για ταχύτητες ανέμου 8 m/s, 9m/s και 10m/s. Στο έβδομο και τελευταίο κεφάλαιο παρουσιάζονται αναλυτικά τα συμπεράσματα. Συμπερασματικά, προέκυψε πως την καλύτερη απόδοση την έχει η αεροτομή S809, τόσο σε διπτέρυγη όσο και σε τριπτέρυγη ανεμογεννήτρια και πως οι ανεμογεννήτριες που ο ρότορας τους αποτελείται από τρία πτερύγια έχουν μεγαλύτερο συντελεστή ισχύος.