Energy integration in hybrid power and propulsion systems
Authors: Γκουτζαμάνης Βασίλειος 
Published: November 2021

Στη διατριβή αυτή διερευνώνται καινοτόμες τεχνολογικές έννοιες που αποσκοπούν στην ‘συνενσωμάτωση’ υβριδικών συστημάτων παραγωγής ενέργειας και πρόωσης. Η ‘ενεργειακή συνενσωμάτωση’ αναφέρεται σε ένα περίπλοκο σύστημα που σχεδιάζεται και λειτουργεί ενιαία, εκμεταλλευόμενο τις διαφορετικές μορφές ενέργειας, με τις αντίστοιχες υποδομές που τις υποστηρίζουν, καθώς και με τους τομείς όπου αυτές καταναλώνονται (μεταφορές, βιομηχανία, κτίρια). Η προσέγγιση βασίζεται σε μοντέλα πολλαπλής πιστότητας που αναπτύσσονται για την μελέτη της απόδοσης και θερμικής διαχείρισης συστημάτων. Επίσης, γίνεται χρήση επικυρωμένων μοντέλων υπολογιστικής ρευστοδυναμικής, ως μέθοδος εστίασης συγκεκριμένων σημείων (π.χ. εναλλάκτες θερμότητας) του συστήματος παραγωγής ενέργειας και πρόωσης που μελετάται. Η διατριβή θέτει ερευνητικά ερωτήματα σχετικά με τη σκοπιμότητα αυτών των συστημάτων, καθώς και τις προκλήσεις που προκύπτουν από τη φυσική που τα περιγράφει. Στην ενότητα όπου διερευνάται το σύστημα υβριδικής παραγωγής ενέργειας, χρησιμοποιούνται μοντέλα υψηλότερης πιστότητας για τον υπολογισμό της απόδοσης συστημάτων αποθήκευσης θερμικής ενέργειας με υλικά αλλαγής φάσης. Εδώ εξετάζονται δύο διαμορφώσεις με βάση το θερμοκρασιακό επίπεδο και τη στρατηγική λειτουργίας που ακολουθείται. Τρεις τύποι εναλλακτών θερμότητας διερευνώνται με μεγαλύτερη λεπτομέρεια. Πιο συγκεκριμένα, ένας εναλλάκτης τύπου κελύφους – σωλήνα, ένας σπειροειδής εναλλάκτης και τέλος, ένας εναλλάκτης τύπου μακρο-ενθυλάκωσης. Σχετικά με τον τελευταίο τύπο, προτείνεται μια καινοτόμα διαμόρφωση μακρο-ενθυλάκωσης που προσφέρει τη δυνατότητα θερμικής αποθήκευσης και διαχείρισης σε ένα σύστημα ψύξης/θέρμανσης, σχεδιασμένο για συστήματα παραγωγής ενέργειας. Στην ενότητα όπου μελετάται το σύστημα υβριδικής πρόωσης, χρησιμοποιούνται μοντέλα χαμηλότερης πιστότητας για τη διερεύνηση του σχεδιαστικού χώρου ενός υβριδικού – ηλεκτρικού επιβατικού αεροσκάφους. Επιπλέον, δημιουργείται ένα θερμοδυναμικό μοντέλο για την αξιολόγηση των πλεονεκτημάτων χρήσης ρευστών στην ψύξη του αέρα εισόδου του αεριοστροβίλου, κατά την απογείωση. Σημειώνεται ότι ο τύπος υβριδοποίησης βασίζεται στον συνδυασμό σειριακής/παράλληλης υβριδοποίησης με χρήση ενός ηλεκτροκινητήρα στο πίσω μέρος της ατράκτου, για την πρόσδοση ισχύος σε εμφωλιασμένο κινητήρα που βασίζεται σε τεχνολογίες εισρόφησης οριακού στρώματος. Η επόμενη ενότητα περιγράφει τη σχεδίαση ενός συστήματος θερμικής διαχείρισης του αεροσκάφους. Η μελέτη αυτή δείχνει ότι το σύστημα διαχείρισης θερμικής ενέργειας του αεροσκάφους, είναι ένα από τα κρισιμότερα υποσυστήματα που είναι υπεύθυνα για να καταστήσουν ικανή την συνενσωμάτωση μεταξύ των δύο συστημάτων που μελετώνται. Επίσης, στην ενότητα αυτή παρουσιάζεται και η αρχιτεκτονική του συστήματος ψύξης ενώ λαμβάνονται υπόψη τεχνικές λειτουργικού πλεονασμού, προκειμένου να αποτραπούν πιθανά σενάρια βλαβών. Στο σημείο αυτό εξετάζεται και η μετάδοση σφάλματος προκειμένου να διερευνηθεί η επίδραση των σημαντικότερων παραμέτρων του συστήματος διαχείρισης θερμικής ενέργειας, στο συνολικό του σχεδιασμό. Στην τελευταία ενότητα περιγράφεται η μελέτη σκοπιμότητας σχετικά με τα τεχνικά και οικονομικά στοιχεία που πρέπει να ληφθούν υπόψη για τη συνενσωμάτωση των δύο συστημάτων, διαμέσω του συστήματος αποθήκευσης θερμικής ενέργειας. Το βασικότερο αποτέλεσμα της διατριβής είναι ότι καταδεικνύει την αποθήκευση θερμικής ενέργειας κατά τη διάρκεια μιας πτήσης, ως μέθοδος σημαντικής εξοικονόμησης ενέργειας. Επιπρόσθετα, καθορίζονται οι ελάχιστες προδιαγραφές που πρέπει να έχει ένα τέτοιο σύστημα, για να είναι άξιο επένδυσης σε περαιτέρω δραστηριότητες μελέτης και ανάπτυξης.