Αεροδυναμική Ανάλυση Πλωτών Ανεμοκινητήρων

Abstract

Το θέμα της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη της αεροδυναμικής συμπεριφοράς υπεράκτιων, πλωτών ανεμογεννητριών. Τα συμπεράσματα βασίστηκαν τόσο σε υπολογιστικά, όσο και σε πειραματικά αποτελέσματα. Το υπολογιστικό μέρος της εργασίας περιλαμβάνει την προσομοίωση μιας πλωτής ανεμογεννήτριας των 5 MW, με τον κώδικα GAST (General Aerodynamic and Structural Tool) που έχει αναπτυχθεί στο εργαστήριο Αεροδυναμικής του Εθνικού Μετσοβίου Πολυτεχνείου. Τα αποτελέσματα της πλωτής ανεμογεννήτριας παρουσιάζονται σε σύγκριση με αυτά μιας πακτωμένης στη στεριά, προκειμένου να γίνει εύκολα αντιληπτή η επίδραση της κίνησης του πλωτήρα στην απόδοση της μηχανής και η δυναμική σύζευξη των δυνάμεων του συστήματος. Επιπλέον πραγματοποιήθηκε παραμετρική ανάλυση ως προς την περίοδο του κυματισμού και το ύψος κύματος, ώστε να βρούμε την επίδραση αυτών των δύο χαρακτηριστικών στη μηχανή. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι ενώ η συχνότητα του κύματος επηρεάζει σημαντικά την απόκριση της ανεμογεννήτριας και τις δυνάμεις που ασκούνται σε αυτή, το ύψος κύματος δεν έχει τόσο σημαντική επίπτωση στην απόδοσή της. Κύρια συμβολή αυτής της εργασίας είναι το πείραμα που πραγματοποιήθηκε στην Αεροδυναμική σήραγγα του εργαστηρίου Αεροδυναμικής και αφορούσε στην προσομοίωση μιας πλωτής ανεμογεννήτριας. Για την πειραματική διαδικασία χρησιμοποιήθηκε ένα μοντέλο μικρής ανεμογεννήτριας (AIR BREEZE 200 W) και μια βάση η οποία προσομοιώνει τον πλωτήρα. Η βάση αποτελείται από δυο πλάκες, οι οποίες ενώνονται μεταξύ τους με τρία ελατήρια σε διάταξη ισοπλεύρου τριγώνου. Ένας κινητήρας, ο οποίος ήταν συνδεδεμένος μέσω ενός διωστήρα με τη βάση δίνει κίνηση σε αυτήν προσομοιάζοντας με αυτόν τον τρόπο τον κυματισμό της θάλασσας. Η απόδοση της μηχανής μελετήθηκε για τρεις διαφορετικές ταχύτητες ανέμου, ενώ σε κάθε στάδιο της πειραματικής διαδικασίας υπολογίζονταν οι δυνάμεις και οι ροπές που ασκούνταν στη μηχανή καθώς και η ισχύς που αυτή παρήγαγε. Τα τελικά αποτελέσματα επαλήθευσαν όσα είχαμε υπολογίσει με τον GAST, καθώς η κίνηση του πλωτήρα επηρεάζει σημαντικά την παραγωγή ισχύος και τα φορτία της μηχανής. Τα διαγράμματα δίνονται τόσο στο πεδίο του χρόνου, όσο και στο πεδίο των συχνοτήτων προκειμένου να υπολογίσουμε τις κύριες συχνότητες διέγερσης του συστήματος. Εκτός όμως από το υπολογιστικό και το πειραματικό μέρος, σε αυτήν την εργασία, έγινε και μια ανάλυση του αιολικού δυναμικού των ελληνικών θαλασσών, καθώς και μια μελέτη γύρω από τα νησιά των Κυκλάδων για υπολογισμό του εκμεταλλεύσιμου αιολικού δυναμικού τους. Στο κεφάλαιο αυτό παρέχεται και ένας χάρτης, ο οποίος παρουσιάζει την θαλάσσια έκταση στην οποία μπορούν να εγκατασταθούν υπεράκτια αιολικά πάρκα.

The topic of the current dissertation is the aerodynamic analysis of floating offshore wind turbines. The conclusions are based both on computational and experimental results. The computational part of this assignment consists of the simulation of a conceptual 5 MW floating offshore wind turbine, with the use of the in-house developed code GAST (General Aerodynamic and Structural Tool). The code has been developed in the laboratory of Aerodynamics at the National Technical University of Athens. The diagrams of the floating wind turbine are presented in contrast to those of an onshore, in order to comprehend better the impact of the floaters motion on the response of the machine and the dynamic coupling of the system. Furthermore, a parametric analysis has been carried out with respect to the peak spectral wave period and the significant wave height, through which we studied the influence of these characteristics to the machine. On the one hand, the wave frequency has a significant impact on the response of the wind turbine, while on the other the significant wave height doesn’t seem to affect the machine that much. The most important part of this dissertation is the experiment that took place in the wind tunnel on the laboratory of Aerodynamics and it is about the simulation of a floating wind turbine. For this purpose a small wind turbine was used (AIR BREEZE 200 W) and a base that simulates the floater. The base consists of two metal plates that are connected through three springs. A motor engine that is connected to the base through a con rod moves it sinusoidal, simulating in this way the waves. The response of the wind turbine was examined for three different wind speeds and each time they were measured the force and the torque acted upon it, as well as the power production. The final results verified our initial estimations with GAST, since the floater’s motion affect significantly the power that is produced and the loads on the machine. The diagrams are plotted both in the time and in the frequency domain, in order to find the eigenfrequencies of the system and the main frequencies of excitation. Apart from the above mentioned, in the current dissertation an analysis of the Greek wind potential across the sea has been carried out, as well as a study around the islands of Cyclades. In this chapter a map is provided, which presents the sea area, where offshore wind farms can be installed.