Ελαχιστοποίηση μάζας πτερυγίου Α/Γ 10 MW με χρήση μεθόδων παθητικού ελέγχου φορτίων

Νικολάου, Γεωργία; Nikolaou, Georgia

dc.contributor.author	Νικολάου, Γεωργία
dc.contributor.author	Nikolaou, Georgia
dc.date.accessioned	2021-07-29T10:18:40Z
dc.date.available	2021-07-29T10:18:40Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/53742
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.21440
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	μάζα πτερυγίου	el
dc.subject	blade mass	en
dc.subject	βελτιστοποίηση	el
dc.subject	optimization	en
dc.subject	ανεμογεννήτρια	el
dc.subject	wind turbine	en
dc.subject	παθητικός έλεγχος	el
dc.subject	passive control	en
dc.subject	αεροδυναμικά φορτία	el
dc.subject	aerodynamic loads	en
dc.title	Ελαχιστοποίηση μάζας πτερυγίου Α/Γ 10 MW με χρήση μεθόδων παθητικού ελέγχου φορτίων	el
dc.title	Minimization of 10 MW wind turbine blade mass using passive load control methods	en
dc.contributor.department	Τομέας Ρευστών	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Βελτιστοποίηση	el
heal.classification	Αεροελαστικότητα	el
heal.classification	Αιολική Ενέργεια	el
heal.classification	Optimization	en
heal.classification	Aeroelasticity	en
heal.classification	Wind Energy	en
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2021-03-05
heal.abstract	Στις μέρες μας, η αιολική ενέργεια έχει φτάσει σε υψηλό βαθμό τεχνολογικής ωρίμανσης, ωστόσο, υπάρχει ακόμα περιθώριο βελτίωσης όσον αφορά το σταθμισμένο κόστος ενέργειας (Levelized Cost of Energy – LCOE). Το μεγαλύτερο μέρος της επένδυσης ενός αιολικού πάρκου αντιπροσωπεύει το κόστος των ανεμογεννητριών, σημαντικό μερίδιο του οποίου αποτελεί το κόστος των πτερυγίων. Επομένως, ένας αποτελεσματικός τρόπος μείωσης του LCOE είναι η μείωση της ποσότητας των υλικών που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή των πτερυγίων. Στην παρούσα Διπλωματική Εργασία, για να επιτευχθεί ο τελικός στόχος μείωσης του LCOE, επιδιώκεται η μείωση της μάζας των πτερυγίων μέσω βελτιωμένου σχεδιασμού τους, στον οποίο ενσωματώνονται στρατηγικές παθητικού ελέγχου φορτίων. Οι στρατηγικές αυτές βασίζονται στην δομική σύζευξη κάμψης-στρέψης (Bend Twist Coupling – BTC), η οποία περιορίζει τα αναπτυσσόμενα αεροδυναμικά φορτία λόγω της μείωσης που επιφέρει στη γωνία πρόσπτωσης του ανέμου. Το BTC επιτυγχάνεται είτε μέσω των ιδιοτήτων του υλικού, με μεταβολή του προσανατολισμού των ινών του σύνθετου υλικού στα καπάκια (spar caps) του πτερυγίου, είτε μέσω γεωμετρίας, εισάγοντας κυρτότητα (sweep) στον ελαστικό άξονα του πτερυγίου. Για κάθε μία από τις δύο παραπάνω μεθόδους, προτείνεται τελικά μια βέλτιστη διαμόρφωση ως προς τη μείωση της μάζας. Ως σημείο εκκίνησης για την εφαρμογή των διαφόρων τροποποιήσεων στο σχεδιασμό του πτερυγίου, χρησιμοποιήθηκε η Α/Γ αναφοράς DTU 10 MW RWT που σχεδιάστηκε στο Πολυτεχνείο της Δανίας (DTU). Κατά την εφαρμογή των μεθόδων παθητικού ελέγχου φορτίων μεταβάλλονται κάποιες παράμετροι σχεδιασμού που τροποποιούν το πτερύγιο αναφοράς. Αυτές οι παράμετροι αποτελούν τις μεταβλητές ως προς τις οποίες πραγματοποιείται η εκάστοτε βελτιστοποίηση, μέσω του αλγορίθμου COBYLA. Ο αλγόριθμος αξιολογεί τις μεταβλητές βάσει μιας αντικειμενικής συνάρτησης που εξετάζει πως μεταβάλλονται οι τιμές του κριτηρίου αστοχίας Tsai – Wu κατά μήκος του τροποποιημένου πτερυγίου συγκριτικά με το πτερύγιο αναφοράς. Για τις αεροελαστικές προσομοιώσεις χρονικού πεδίου του δυναμικού συστήματος χρησιμοποιήθηκε ο κώδικας hGAST, ο οποίος έχει αναπτυχθεί στο Ε.Μ.Π. Κατά την αρχική διερεύνηση του αεροελαστικού προβλήματος στην ανεμογεννήτρια αναφοράς, έγινε προσομοίωση της περίπτωσης κανονικής λειτουργίας με ακραίες συνθήκες τυρβώδους ανέμου (DLC1.3). Βάσει του κριτηρίου αστοχίας Tsai – Wu, προκύπτει ότι η δυσμενέστερη περίπτωση φόρτισης του δρομέα εμφανίζεται στην ταχύτητα ανέμου των 13 m/s. Έτσι, μόνο αυτή η περίπτωση προσομοιώνεται εντός του πλαισίου βελτιστοποίησης για ένα διάστημα 25 δευτερολέπτων, προκειμένου να περιοριστεί το υπολογιστικό κόστος. Η πρώτη μέθοδος παθητικού ελέγχου που εξετάζεται είναι η εισαγωγή γωνίας προσανατολισμού στις ίνες των στρώσεων του μονοδιευθυντικού υλικού των spar caps. Το βέλτιστο πτερύγιο επιμερίστηκε σε 3 τμήματα κατά το μήκος του, σε κάθε ένα από τα οποία εισάγεται μια σταθερή γωνία. Η μέγιστη μείωση μάζας που επετεύχθη ήταν λίγο μεγαλύτερη του 7%. Η δεύτερη μέθοδος παθητικού ελέγχου που μελετήθηκε ήταν η πρόσδοση κυρτότητας στον ελαστικό άξονα του πτερυγίου με κατεύθυνση αντίθετη της περιστροφής του (backward sweep). Το βέλτιστο πτερύγιο χρησιμοποιεί μια απλή εξίσωση εκθετικής μορφής για την περιγραφή της κατανομής κυρτότητας κατά το μήκος του. Η μέγιστη μείωση μάζας που επετεύχθη σε αυτό πλησιάζει το 13%. Όσον αφορά τα φορτία που αναπτύσσονται στις ανεμογεννήτριες με τις βελτιστοποιημένες διαμορφώσεις πτερύγωσης, σε γενικές γραμμές, διατηρούνται στα ίδια επίπεδα με αυτά της ανεμογεννήτριας αναφοράς. Επιπλέον οι ελάχιστες τιμές του κριτηρίου αστοχίας Tsai – Wu παραμένουν εντός ορίων σε όλο το εύρος ταχυτήτων ανέμου στο οποίο λειτουργεί η Α/Γ.	el
heal.abstract	Nowadays, wind energy has reached a high level of technological development, however, there is still room for improvement in terms of the levelized cost of energy (LCOE). The cost of wind turbines, a significant share of which is the cost of the blades, represents the largest part of the investment in a wind farm. Therefore, reducing the amount of materials used for the construction of the blades is an effective way to reduce the LCOE. In the present thesis, the decrease of the blade mass is sought through an improved design, which incorporates passive load control strategies in order to achieve the final goal of reducing the LCOE. These strategies are based on the structural bending-torsion coupling (BTC), which limits the developing aerodynamic loads by reducing the angle of attack of the wind. BTC is based either on the material properties by introducing an orientation angle to the fibers of the composite material of the spar caps, or on the geometry by introducing a sweep into the elastic axis of the blade. For each one of the methods mentioned above, an optimal configuration, in terms of mass reduction, is proposed. As a starting point for the application of the various modifications to the blade design, the DTU 10 MW Reference Wind Turbine, designed by the Technical University of Denmark (DTU), was used. When applying passive load control methods, some design parameters that modify the reference blade are taken into consideration. These parameters represent the variables of the optimization processes performed by the COBYLA algorithm. The algorithm assesses the design variables on the basis of an objective function that examines the Tsai – Wu failure criterion values along the modified blade in comparison with the reference blade. The hGAST code, developed by the National Technical University of Athens (NTUA), was used for the aeroelastic time domain simulations of the dynamic system. During the initial examination of the aeroelastic problem, a case of normal operation with extreme turbulent wind conditions (DLC1.3) was simulated for the reference wind turbine. Based on the Tsai – Wu failure criterion, it appears that the worst case of rotor charging occurs at a wind speed of 13 m/s. Thus, this case is simulated within the optimization framework for a short period of 25 seconds, in order to minimize the computational cost. The first passive load control method which was examined, was the introduction of an orientation angle to the fibers of the unidirectional material of spar caps. The optimum blade was divided into 3 sections along its span, in each of which a constant angle value is inserted. The maximum mass reduction achieved was slightly greater than 7%. The second passive load control method which was studied, was the introduction of sweep into the elastic axis of the blade in an opposite direction to its rotation (backward sweep). The optimum blade uses a simple exponential equation to describe the distribution of sweep along its radius. The maximum mass reduction rate was almost 13%. Regarding the loads developed in the wind turbines fitted with the optimized blade configurations, they are generally maintained at the same levels as those of the reference wind turbine. Furthermore, the minimum values of the Tsai – Wu failure criterion remain above the acceptable limit throughout the wind speed range in which the wind turbine operates.	en
heal.advisorName	Ριζιώτης, Βασίλειος
heal.committeeMemberName	Γιαννάκογλου, Κυριάκος
heal.committeeMemberName	Βουτσινάς, Σπυρίδων
heal.academicPublisher	Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	71
heal.fullTextAvailability	false