Έλεγχος φορτίων πτερυγίων ανεμογεννήτριας με συνδιασμένη χρήση ρυθμιζόμενου βήματος και μεταπτερυγίων βασισμένων σε μετρήσεις ανέμου μέσω ανεμόμετρου πλήμνης

Σπυρόπουλος, Νίκος; Spyropoulos, Nikos

dc.contributor.author	Σπυρόπουλος, Νίκος	el
dc.contributor.author	Spyropoulos, Nikos	en
dc.date.accessioned	2018-02-15T10:59:30Z
dc.date.available	2018-02-15T10:59:30Z
dc.date.issued	2018-02-15
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/46509
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.14804
dc.rights	Default License
dc.subject	Έλεγχος	el
dc.subject	Φορτία	el
dc.subject	Πτερύγια	el
dc.subject	Ανεμογεννήτρια	el
dc.subject	Ανεμόμετρο πλήμνης	el
dc.subject	Control	en
dc.subject	Loads	el
dc.subject	Blades	el
dc.subject	Wind Turbine	el
dc.subject	Spinner anemometer	el
dc.title	Έλεγχος φορτίων πτερυγίων ανεμογεννήτριας με συνδιασμένη χρήση ρυθμιζόμενου βήματος και μεταπτερυγίων βασισμένων σε μετρήσεις ανέμου μέσω ανεμόμετρου πλήμνης	el
heal.type	bachelorThesis
heal.generalDescription	Ενεργητικός έλεγχος φορτίων στα πτερύγια ανεμογεννήτριας με συνδιασμένη χρήση ρυθμιζόμενου βήματος και γωνίας μεταπτερυγίων μέσω μετρήσεων ανέμου από ανεμόμετρο πλήμνης	el
heal.classification	Αιολική ενέργεια	el
heal.classification	Αεροελαστικότητα	el
heal.classification	Ενεργητικός έλεγχος	el
heal.classificationURI	http://data.seab.gr/concepts/dfb7b54ed53ee78909582bc19a526e02370e90ec
heal.language	el
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2017-11-03
heal.abstract	Τα τελευταία χρόνια, οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας αναπτύσσονται ραγδαία. Ειδικά η Αιολική Ενέργεια σημειώνει τη 2η μεγαλύτερη ταχύτητα ανάπτυξης σε σχέση με τις υπόλοιπες μορφές παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Έχοντας σαν στόχο τη μείωση του κόστους παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από ανεμογεννήτριες, γίνονται μελέτες για την ανακάλυψη καινούριων μεθόδων ελέγχου, οι οποίοι σαν στόχο έχουν να μειώσουν τα φορτία που υφίστανται οι ανεμογεννήτριες κατά τη λειτουργία τους, ούτως ώστε να αυξηθεί ο χρόνος ζωής τους. Ένας τρόπος για να επιτευχθεί αυτό είναι η μείωση των εναλλασσόμενων φορτίων στα πτερύγια, τα οποία οφείλονται σε πληθώρα αιτιών, όπως η ανομοιομορφία του ανάντη πεδίου ανέμου και η οποία με τη σειρά της προκαλείται από την τύρβη στον άνεμο, η συνεκτικότητα του αέρα στην κατακόρυφη και οριζόντια κατεύθυνση, η λειτουργία με άνεμο σε απόκλιση τόσο στην οριζόντια, όσο και στην κατακόρυφη κατεύθυνση, η κλίση του άξονα, οι ριπές (απότομες αλλαγές) του ανέμου, η επίδραση του πύργου στην ταχύτητα που βλέπουν τα πτερύγια, η βαρύτητα και άλλα. Οι δύο κύριες μέθοδοι για τη μείωση των εναλλασσόμενων φορτίων στα πτερύγια των ανεμογεννητριών είναι ο παθητικός και ο ενεργητικός έλεγχος. Ο παθητικός έλεγχος στοχεύει στην ακύρωση των ανομοιομορφιών του ανάντη πεδίου ανέμου, αποκλειστικά μέσω της αεροελαστικής απόκρισης των πτερυγίων του δρομέα. Τέτοιες μέθοδοι είναι η παραδοσιακή ρύθμιση στροφών, οι πιο καινοτόμες μέθοδοι οι οποίες ακόμα ερευνώνται, όπως η σύζευξη εφελκυσμού-ροπής και η σύζευξη κάμψης-στρέψης και στις δύο κατευθύνσεις. Από την άλλη μεριά, η κεντρική ιδέα του ενεργητικού ελέγχου έγκειται στη ρύθμιση των κύριων αεροδυναμικών παραμέτρων των πτερυγίων (αλλαγή της γωνίας πρόσπτωσης ή του συντελεστή άνωσης) με βάση πληροφορίες που λαμβάνονται από κατάλληλους αισθητήρες (επιμηκυνσιόμετρα, επιταχυνσιόμετρα, σωλήνες Pitot, LIDAR, ανεμόμετρα πλήμνης κ.τ.λ.). Η πιο συχνά χρησιμοποιούμενη μέθοδος ενεργητικού ελέγχου είναι ο Εξατομικευμένος Έλεγχος Βήματος (Individual Pitch Control – IPC), ο οποίος χρησιμοποιεί του επενεργητές βήματος για να αλλάξει τη γωνία πρόσπτωσης του πτερυγίου. Τα τελευταία χρόνια, μελετάται υ υποβοήθηση του Εξατομικευμένου Ελέγχου Βήματος από τον Εξατομικευμένο Έλεγχο γωνίας Μεταπτερυγίων Καμπυλότητας (Individual Flap Control – IFC). Σε αυτήν την προσέγγιση, μικρές αεροδυναμικές επιφάνειες που ονομάζονται Μεταπτερύγια Καμπυλότητας στη Γραμμή Εκφυγής ( Trailing Edge Flaps – TEFs) κατανέμονται σε συγκεκριμένες θέσεις κατά το εκπέτασμα του πτερυγίου. Ένας επενεργητής είναι υπεύθυνος για την αλλαγή της γωνίας των Μεταπτερυγίων Καμπυλότητας στη Γραμμή Εκφυγής, η οποία με τη σειρά της μετατοπίζει την καμπύλη του συντελεστή άνωσης και άρα επιφέρει αλλαγή στην τρέχουσα τιμή του. Με αυτόν τον τρόπο, τα φορτία των πτερυγίων ελέγχονται δυναμικά. Τέτοιες μέθοδοι είναι γνωστές στη βιβλιογραφία σαν Ευφυής Δρομέας Ελέγχου (Smart Rotor Control). Μέχρι στιγμής, ο συμβατικός Εξατομικευμένος Έλεγχος γωνίας Μεταπτερυγίων Καμπυλότητας υλοποιείται με τη χρήση επενεργητών, οι οποίοι κινούν τα Μεταπτερύγια Καμπυλότητας στη Γραμμή Εκφυγής και σε συνδυασμό με κατάλληλους αισθητήρες και ελεγκτές, παρέχει ένα είδος ελέγχου με ανάδραση των φορτίων των πτερυγίων. Παρ’ όλα αυτά, το όφελος που ενδεχομένως θα προκύψει από τη χρήση αισθητήρων μέτρησης του ανάντη πεδίου του ανέμου (Lidar, ανεμόμετρα πλήμνης κ.τ.λ.) δεν έχει εξακριβωθεί πλήρως, κάτι το οποίο μελετάται στην παρούσα διπλωματική εργασία. Συγκεκριμένα, το κύριο θέμα αυτής της διπλωματικής είναι η σύκγριση μεταξύ ενός συμβατικού Εξατομικευμένου Ελέγχου Βήματος (IPC) σε συνδυασμό με Εξατομικευμένο Έλεγχος γωνίας Μεταπτερυγίων Καμπυλότητας (IFC), το οποίο από εδώ και στο εξής θα αναγράφεται ως Εξατομικευμένος Έλεγχος Βήματος και γωνίας Μεταπτερυγίων Καμπυλότητας (IPFC), και ενός καινοτόμου τέτοιου είδους ελέγχου, ο οποίος ωστόσο θα εκμεταλλεύεται την ικανότητα του ανεμόμετρου πλήμνης να παρέχει πληροφορίες για το ανάντη πεδίο ανέμου και το οποίο στο εξής θα αναφέρεται ως «Εξατομικευμένος Έλεγχος Βήματος και γωνίας Μεταπτερυγίων Καμπυλότητας με τη χρήση Ανεμόμετρου Πλήμνης» (IPFCS). Η σύγκριση των δύο μεθόδων θα βασιστεί σε δύο τομείς: στη δυνατότητα μείωσης των εναλλασσόμενων φορτίων, και συγκεκριμένα της καμπτικής ροπής πτερύγισης στη ρίζα των πτερυγίων, και στην επιβάρυνση των επενεργητών της γωνίας βήματος που επιφέρει η κάθε μέθοδος.	el
heal.abstract	In recent years, renewable energy technologies are being rapidly developed worldwide. Especially wind energy is now the second fastest-growing source of electricity in the world, with a global installed capacity of 432,883 MW at the end of 2015. With the intention of lowering the cost of energy produced by wind, new control techniques are being investigated with the aim reduce the loads experienced by wind turbines during operation, so that their lifetime increases. A means of doing so is by reducing the fluctuating loads of the blades, which come from a variety of sources such as turbulence in the wind, vertical and horizontal wind shear, yaw misalignment and flow inclination, shaft tilt, wind gusts, tower shadow, gravity effect e.t.c. The main two methods for fluctuating loads reduction are passive and active control. The premier concept of passive load control is based on the counteraction of wind speed changes through passively adapting aeroelastic response of the rotor blades, or other methods like tension-torsion coupling, bending-twist coupling and sweep-twist coupling, which, however, are still under investigation. On the other hand, the main idea of active control lies in regulating the aerodynamic properties of the blades (change of angle of attack or lift coefficient curve) based on information that comes from appropriate sensors (strain gauches, accelerometers, Pitot tubes, LIDAR, spinner anemometers etc). The prevailing trend of active control methods is the Individual Pitch Control which utilizes the pitch actuator in order to change the angle of attack of the blade. Recently, there are studies in which IPC method has been augmented with the Individual Flap Control method [1]. In this approach, local aerodynamic surfaces (Trailing Edge Flaps) are distributed along the span of the blade. An actuator moves the Trailing Edge Flap, which brings about change on the lift coefficient and in this way controls the loads dynamically. Such concepts are generally referred to as Smart Rotor Control. As overviewed in [2] , Andersen (see [3]) finds out the potential of flaps to compensate 34% of the fatigue equivalent damage in flapwise loading, while Barlas [4] reports slightly lower values up to 27%. Andersen pays attention to loads in the blade only, while Barlas also results in a reduction potential in the tower fore-aft bending moment and the tower tip deflections. Lackner and van Kuik [5] combined flaps with individual pitch control (IPC), thus expanded the approach to smart rotor control, leading to maximum blade root moment reductions of 22%. Bergami and Poulsen [6] have utilized a linear-quadratic controller leading to a 16% fatigue load reduction of the root bending moment. Castaignet and Wedel-Heinen [7] where the first to to also take into account a limited set of ultimate load cases corresponding to power production conditions in their analysis. Unfortunately, no further specified generic turbine was used, nor were the flap dimensions mentioned in detail. Therefore, no qualitative comparison with the results presented in this paper is possible. A general trend was that extreme 25 loads are reduced as well, but not as efficiently as fatigue loads. Along with numerical simulations, experimental work has been performed at Delft University of Technology, on which the feasibility of the smart rotor concept ([8], [9]) was proven. In the wind tunnel experiments with a scaled rotor, fatigue loads were reduced up to 59%. However, the low turbulence level of the wind tunnel environment has to be kept in mind. Therefore, it could not be reasonable concluded that utility sized turbines share the same load reduction potential. Castaignet [10] has actually been the first one to test a controller on a utility scale smart rotor in a field test. A Vestas V27 was rebuilt with three flaps with a span of 70 cm each on one of the blades, of which a single flap was operational during the experiment. The blade root moment reduction was up to 14% at a 38-minute simulation, which is less than the achieved values in numerical simulations of Barlas [4] or Markou [11]. However, in Table 1.1 is clear that the size of the flap is significantly smaller than in all other efforts. Castaignet [12] also tried a full scale smart rotor experiment, but found significantly lower load reductions. Bæk [13] is the first to approach the load reduction potential in a more global sense, as an effort to evaluate the whole wind turbine with all its components. Bæk performs two types of analyses: Firstly, the stochastic nature of turbulence and its effect on the load reduction was investigated. For this purpose, 100 simulations at 11.0 m/s were performed. The standard deviation of load reduction in the blade root bending moment for 10-minute simulation is up to 3%. The second analysis step, was the evaluation of power production load cases with a normal and extreme turbulence model for wind speeds from 5.0 to 25.0 m/s. Once more, a 10-minute simulation was performed on each wind speed. The advantage of Bæk ‘s analysis is that more wind turbine components are taken into account. Alongside with the traditionally evaluated flapwise and edgewise blade root moments, the moments at the tower base, shaft torsion, hub moments, and the three moments at the tower top were taken into account as well. The reduction of the damage equivalent flapwise blade root bending moment was up to 15%. Significant reduction of fatigue loads at the hub and the tower top were found as well. Similar to Lackner and van Kuik [14], Bæk also investigates the effect of combining individual pitch control and individual flap control. He finds out that the combined control technique can considerably improve the performance of smart rotors, with hub fatigue load reductions of more than 40%. However, Bæk did not pay much attention to extreme. The most significant extreme load reduction, of up to 30%, is achieved for the tower top tilt moment. So far, the conventional IFC method is being applied via actuators which drive the Trailing Edge Flaps and through the combination of sensors and controllers that provide feedback load control. The controller is based on the decomposition of the blade root out-of-plane moments of the three blades (measured in the rotating reference frame) into yaw and tilt moments in the hub fixed system (expressed in the non-rotating frame) through application of Coleman’s transformation. The hub fixed moments represent the control input variables through which two output cyclic flap angles are defined. Re-modulation of the output cyclic flap angles by means of the inverse Coleman transformation provides the individual flap angles of the three blades. Nevertheless, the benefit of utilizing inflow sensor measurements (LIDAR, spinner anemometers a.s.o.) has not yet been fully explored. This research target is pursued in this thesis. In particular, the main subject of this thesis is the comparison between the conventional IPC & IFC method, notated as IPFC, and a novel IPC & IFC method, which will take advantage of a spinner anemometer’s ability to measure the wind inflow condition (hereinafter referred to as “IPFCS”). The main control idea of the innovative IFC with spinner lies in the inflow measurements, alongside with a look-up table that indicates the movement of the TEFs. The controller uses flap actuators with the aim to remove any deterministic source of load variation on blades, associated with the characteristics of the inflow. Such load variations are concentrated on multiples of the rotational frequency (P multiples) and they are mainly due to i) wind yaw misalignment - within the range that yaw control is not activated ii) vertical and horizontal wind shear and iii) wind inclination. The analysis is performed on the DTU 10MW Reference Wind Turbine and the comparison will be based on two factors: the load reduction potential (the flapping Moment at the root of the blade is taken into account as a representative sample) and the duty cycle on the pitch actuator that each method causes.	en
heal.advisorName	Ριζιώτης, Βασίλης	el
heal.committeeMemberName	Γιαννάκογλου, Κυριάκος	el
heal.committeeMemberName	Βουτσινάς, Σπυρίδων	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών. Τομέας Ρευστών. Εργαστήριο Αεροδυναμικής	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	100 σ.
heal.fullTextAvailability	true