Ενσωληνομένοι ανεμοστρόβιλοι με υποβοήθηση από υποπίεση στο απόρευμα σώματος εμποδίου
Authors: Θεοδωρόπουλος Νικόλαος 
Published: November 2021

Αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής, είναι η μελέτη, ανάπτυξη και δοκιμή (τόσο υπολογιστικά όσο και πειραματικά) μιας πρωτότυπης γεωμετρίας ενσωληνωμένης ανεμογεννήτριας, με σκοπό την μεγιστοποίηση του συντελεστή ισχύος “CP”. Η όλη προσπάθεια ξεκίνησε με μια λεπτομερή διερεύνηση της ανάλυση του Betz, (που οδηγεί στο συμπέρασμα ότι ο συντελεστής ισχύος δεν μπορεί να υπερβαίνει το 0.592), που αποσκοπούσε στο να πιστοποιήσουμε ότι το όριο αυτό προήλθε μέσα από μια στιβαρή ανάλυση την οποία επιβεβαιώνουν διαθέσιμες πειραματικές μετρήσεις, [2.18]. Αφού αυτό επιβεβαιώθηκε, μελετήθηκε η ενσωληνωμένη ανεμογεννήτρια. Σε πρώτο στάδιο αποδείχθηκε ότι ο συντελεστής ισχύος CP (ουσιαστικά ο βαθμός απόδοσης) σε περίπτωση ιδανικής ροής (στις ενσωληνωμένες ανεμογεννήτριες) αυξάνεται συνεχώς με τον λόγο διάχυσης, μέχρις ότου η ροή γίνει συμπιεστή. Σε συνθήκες, όμως, πραγματικών ρευστών το μέγεθος του συντελεστή ισχύος περιορίζεται από την παρουσία των οριακών στρωμάτων στα τοιχώματα του διαχύτη. Επομένως, για να αυξηθεί ο συντελεστής ισχύος πρέπει να μειωθεί η δράση των οριακών στρωμάτων μέσω εμφύσησης ατμοσφαιρικού αέρα που βρίσκεται σε μεγαλύτερη πίεση ως προς αυτήν του αέρα μέσα στον διαχύτη. Ένας δεύτερος μηχανισμός υποβοήθησης μπορεί να προέλθει από την δημιουργία απορέματος στην έξοδο του διαχύτη που δημιουργεί η παρουσία μιας στεφάνης στο κατάντη άκρο αυτού), [2.16].Στην συνέχεια έγινε επεξεργασία πειραματικών αποτελεσμάτων σε ύδρο-σήραγγα. Στα συγκεκριμένα πειράματα οι «ανεμογεννήτριες» εμβαπτίστηκαν μέσα στο νερό με σκοπό να μελετηθεί η συμπεριφορά αυτών σε παλιρροιακά φαινόμενα. Η σύγκριση μεταξύ των θεωρητικών μοντέλων του Betz και αυτού που ανέπτυξα εγώ και των πειραματικών αποτελεσμάτων που διαθέταμε μας οδήγησε στη πρώτη διεθνώς άμεση πειραματική επιβεβαίωση τόσο του μοντέλου του Betz όσο και του μοντέλου της παρούσας Διατριβής. Τα αποτελέσματα επιβεβαίωσαν την ικανοποιητική εγκυρότητα των δύο μοντέλων για ανεμογεννήτριες οριζοντίου άξονα, ιδίως ως προς το άνω φράγμα του 60%. Θα πρέπει να τονιστεί ότι μέχρι σήμερα η εγκυρότητα αυτή πειραματικά δεν στηριζόταν στην ανάλυση του Bertz αλλά στο γεγονός ότι ο βαθμός απόδοσης των ανεμογεννητριών (δηλαδή ο συντελεστής ισχύος "Cp") σαν συνάρτηση του λόγου ταχυτήτων λ (ταχύτητα περιστροφής των ακροπτερυγίων ως προς την ταχύτητα του ανέμου) δεν υπερέβαινε το όριο των 60% τόσο στη συνήθη διαδικασία σχεδιασμού [με βάση την μέθοδο των πτερυγικών στοιχείων (blade elements)] όσο και σε πειραματικές μετρήσεις κατασκευασμένων ανεμογεννητριών. Μέχρι σήμερα κανένας δεν είχε χρησιμοποιήσει τον συντελεστή επαγωγής (induction factor) "α" που εισήγαγε ο Betz σε ανάλυση πειραματικών δεδομένων, [2.16]. Στην παρούσα εργασία έγινε αλλαγή στην επεξεργασία των πειραματικών δεδομένων, η οποία επέτρεψε την άμεση συσχέτιση του συντελεστή ισχύος "CP" (δηλαδή του συντελεστή απόδοσης της ανεμογεννήτριας) συναρτήσει της παραμέτρου "α". Αποτέλεσμα αυτής της διαδικασίας ήταν ο χαρακτηρισμός της μεθόδου του Betz ως ικανοποιητικής. Το γεγονός αυτό οδήγησε στο συμπέρασμα ότι όντως το όριο "CP <0.6" ισχύει για όλες τις ελεύθερες ανεμογεννήτριες, οπότε υπέρβαση αυτού του ορίου θα πρέπει να αναζητηθεί στις «ενσωληνωμένες» διατάξεις. Τέλος, για να αυξηθεί η εμπιστοσύνη στο παραπάνω συμπέρασμα, αναπτύχθηκε μια βελτίωση της ανάλυσης του Betz σε ότι αφορά την ανάπτυξη του απορέματος πίσω από την πτερωτή του στροφείου. Στην περιοχή αυτή ο ροϊκός αγωγός λειτουργεί σαν διαχύτης (diffuser).Η βελτίωση αυτή στηρίχτηκε στο γεγονός ότι το συνεχές άνοιγμα της διατομής του διαχύτη απαιτεί αντίστοιχη δαπάνη ενέργειας εκ μέρους του ρευστού. Όπως αποδείχθηκε από την ικανοποιητική συμφωνία μεταξύ προβλέψεων και πειραματικών αποτελεσμάτων, η γρήγορη μείωση στην απόδοση των ανεμογεννητριών για τιμές της παραμέτρου “α” πέρα από την τιμή της βέλτιστης απόδοσης οφείλεται στον παραπάνω μηχανισμό.Σε δεύτερο στάδιο και με βάσει τα παραπάνω προτάθηκε μια πρωτότυπη διάταξη ενσωληνομένης ανεμογεννήτριας που θα οδηγούσε σε αυξημένο συντελεστή ισχύος, της οποίας σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε σχετικό μοντέλο στο οποίο μετρήθηκε η ροή στην είσοδο. Το κύριο χαρακτηριστικό της πρωτότυπης εγκατάστασης είναι η τοποθέτηση του στροφείου της ανεμογεννήτριας μεταξύ δυο διαχυτών που συνεργάζονται με μια διάταξη έγχυσης ατμοσφαιρικού αέρα στην έξοδο του πρώτου διαχύτη για να αυξηθεί η πίεση της ροής. Στην έξοδο του δεύτερου διαχύτη υπάρχει μια στεφάνη (Bluff body) για την δημιουργία του απορεύματος στην έξοδο του διαχύτη. Η ανάλυση και η μοντελοποίηση της προτεινόμενης γεωμετρίας παρουσιάζεται στο κεφάλαιο 4. Σύμφωνα με την ανάλυση μας η βέλτιστη τιμή για τον συντελεστή ισχύος αναμένεται να φθάσει στα επίπεδα CP = 4 ~ 4.5. Εξαιτίας του ότι δεν μπορούσαν να γίνουν μετρήσεις μέσα στα διάκενα του μοντέλου, η μελέτη της ροής υπολογίστηκε μέσω υπολογιστικής προσομοίωσης (CFD Analysis). Τα αποτελέσματα έδειξαν μια καλή λειτουργία της συσκευής. Μικρές μόνο διορθώσεις χρειάζονται στην γεωμετρία των αγωγών. Για την πλήρη διερεύνηση των χαρακτηριστικών της προτεινόμενης μεθόδου η εργασία περιλαμβάνει τόσο υπολογιστικό όσο και πειραματικό σκέλος.