Electromechanical design of locally manufactured small wind turbines
Authors: Λατούφης-Δημητρακαράκος Κωνσταντίνος 
Published: January 2025

Οι ανοιχτές τεχνολογίες ανανεώσιμων πηγών ενέργειας για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας σε μικρή κλίμακα, μπορούν να δημιουργήσουν ένα ευνοϊκό πλαίσιο για την ηλεκτροδότηση αγροτικών και απομακρυσμένων κοινοτήτων, όπου η επέκταση του ηλεκτρικού δικτύου μπορεί να είναι περιορισμένη ή αναξιόπιστη. Οι τοπικά κατασκευασμένες μικρές ανεμογεννήτριες (ΤΚΜΑ) είναι μια διαδεδομένη τεχνολογία με τέτοια δυναμική. Η παρούσα διατριβή ερευνά τις ΤΚΜΑ χρησιμοποιώντας μια διεπιστημονική προσέγγιση, ακολουθώντας τόσο τεχνολογικές όσο και κοινωνιολογικές οπτικές, ενώ υιοθετεί τη Συμμετοχική Έρευνα Δράσης (Participatory Action Research) για την απ’ ευθείας σύνδεση με την παγκόσμια κοινότητα και τα δίκτυα των ΤΚΜΑ. Αυτή η προσέγγιση αποσκοπεί στην κατανόηση των δυναμικών και των αναγκών των χρηστών και των επαγγελματιών μέσα σε αυτές τις κοινότητες, και προωθεί έναν από τους κύριους στόχους της διατριβής, να αναπτυχθούν χρήσιμα εργαλεία για τις ανοιχτές τεχνολογίες ανανεώσιμων πηγών ενέργειας σε τοπικό επίπεδο. Εξετάζοντας την τέχνη της τοπική κατασκευής μικρών ανεμογεννητριών, η διατριβή αρχικά εξετάζει πώς οι χρήστες διαμορφώνουν την τεχνολογία μέσω της “Αυτοσχέδιας Μηχανικής” (Makeshift Engineering) - ενός όρου που δημιουργήθηκε για να περιγράψει την καινοτόμο και χειροποίητη προσέγγιση στην κατασκευή μικρών ανεμογεννητριών, χρησιμοποιώντας τοπικά διαθέσιμα υλικά, εργαλεία και τεχνικές. Η ιστορική εξέλιξη του φαινομένου εντοπίζεται αρχικά στη δεκαετία του 1970 στο κίνημα των εναλλακτικών τεχνολογιών στο Ηνωμένο Βασίλειο, και φτάνει έως σήμερα στα σύγχρονα παγκόσμια δίκτυα διαδικτυακού σχεδιασμού και τοπικής κατασκευής μικρών ανεμογεννητριών. Η Αυτοσχέδια Μηχανική, δίνει έμφαση στην ανάμιξη της χειροτεχνίας και της μηχανικής, με τρόπους που επιτρέπουν στους τοπικούς κατασκευαστές να προσαρμόζουν την τεχνολογία σε συγκεκριμένες τοπικές συνθήκες και ανάγκες. Τα τεχνικά χαρακτηριστικά των ΤΚΜΑ εξετάζονται λεπτομερώς, ξεκινώντας με τον σχεδιασμό και τις επιδόσεις αεροτομών σε εφαρμογές μικρών ανεμογεννητριών. Διεξάγονται μετρήσεις αεροτομών σε αεροδυναμική σήραγγα για χαμηλούς αριθμούς Reynolds και τα αποτελέσματα χρησιμοποιούνται για τη βαθμονόμηση διαφόρων εργαλείων προσομοίωσης που έχουν αναπτυχθεί για την πρόβλεψη των συντελεστών άνωσης και αντίστασης αεροτομών, όπως το XFOIL και το MapFlow, ένας επιλύτης υπολογιστικής ρευστοδυναμικής εξισώσεων Navier-Stokes. Προτείνεται μια τεχνική εξαναγκασμένης μετάβασης του οριακού στρώματος για την ενίσχυση της απόδοσής τους, ενώ τα αποτελέσματα συγκρίνονται με βιβλιοθήκη αεροτομών σχεδιασμένων ειδικά για εφαρμογές μικρών ανεμογεννητριών, που έχουν δοκιμαστεί εκτενώς σε αεροδυναμικές σήραγγες. Αναπτύσσονται σχεδιαστικές προδιαγραφές αεροτομών για συστήματα αιολικής ενέργειας μικρής κλίμακας, σε απευθείας σύνδεση με συσσωρευτές και με τη χρήση ΤΚΜΑ, ενώ προτείνεται μια νέα βελτιστοποιημένη γεωμετρία αεροτομής ειδικά προσαρμοσμένης για εφαρμογές ΤΚΜΑ.Στη συνέχεια εξετάζονται ο σχεδιασμός και η απόδοση δρομέων ΤΚΜΑ, με τη χρήση ειδικών πειραματικών διατάξεων που αναπτύχθηκαν στα πλαίσια της διατριβής, για τη μέτρηση απόδοσης δρομέων και καμπύλης ισχύος μικρών ανεμογεννητριών. Αναπτύσσονται διάφορες μεθοδολογίες προσομοίωσης, όπως η θεωρία στοιχείων πτερύγωσης - δίσκου ορμής και υπολογιστικής ρευστοδυναμικής, και συγκρίνονται με πειραματικά αποτελέσματα και βαθμονομούνται με βάση αυτά. Στη συνέχεια διερευνάται πειραματικά η επίδραση χειροποίητων ξύλινων πτερυγίων στην απόδοση δρομέων μικρών ανεμογεννητριών, ενώ μελετάται για πρώτη φορά η επίδραση διαφορετικών αεροτομών, που χρησιμοποιούνται στην τοπική κατασκευή, στην απόδοση χειροποίητων ξύλινων δρομέων. Τρισδιάστατα εκτυπωμένοι δρομείς μελετώνται πειραματικά ως προς την αεροδυναμική τους απόδοση, και συγκρίνονται με αντίστοιχους ξύλινους χειροποίητους δρομείς, παρέχοντας νέες γνώσεις για εναλλακτικές τεχνικές τοπικής κατασκευής. Η απόδοση ενός διαδεδομένου εμπορικά κατασκευασμένου δρομέα συγκρίνεται στην αεροδυναμική σήραγγα με ένα αντίστοιχο τοπικά κατασκευασμένο, προσφέροντας νέα γνώση για την αποτελεσματικότητα των χειροποίητων ξύλινων δρομέων. Διερευνώνται οι επιπτώσεις της απευθυγράμμισης της γωνίας περιστροφής yaw, εξ αιτίας του μηχανισμού αναδίπλωσης της ουράς furling που χρησιμοποιείται στις ΤΚΜΑ, παρέχοντας γνώσεις για την επίδραση στην απόδοση του δρομέα και στις επιδόσεις παραγωγής ισχύος της μικρής ανεμογεννήτριας. Στη συνέχεια αναπτύσσονται καινοτόμες τεχνικές βέλτιστου σχεδιασμού δρομέων μικρών ανεμογεννητριών, βασισμένες σε μια συλλογή αεροτομών ειδικά σχεδιασμένων για εφαρμογές χαμηλών αριθμών Reynolds. Συγκεκριμένα, προτείνονται αεροτομές και βέλτιστες γεωμετρίες πτερυγίων για διάφορα μεγέθη δρομέων, ενώ τα πτερύγια που χρησιμοποιούνται στις ΤΚΜΑ κατατάσσονται τελικά ανάμεσα σε αυτά με τις καλύτερες επιδόσεις. Διερευνάται ο σχεδιασμός γεννητριών για μικρές ανεμογεννήτριες, και ειδικότερα για ΤΚΜΑ, με έμφαση στη χρήση γεννητριών αξονική ροής μονίμων μαγνητών, λόγω της δυνατότητας κατασκευής τους με τη χρήση απλών τεχνικών. Παρουσιάζονται οι πειραματικές διατάξεις και τα εργαλεία προσομοίωσης που αναπτύχθηκαν στα πλαίσια της διατριβής, που συμπεριλαμβάνουν μία διάταξη πειραματικών δοκιμών γεννητριών αξονική ροής και μία μεθοδολογία προσομοίωσης, ονομαζόμενη OpenAFPM, βασισμένη στην επίλυση μαγνητοστατικών προβλημάτων με τη χρήση πεπερασμένων στοιχείων. Πραγματοποιείται μια εκτενής σύγκριση μεταξύ προσομοιώσεων και πειραματικών αποτελεσμάτων για την επαλήθευση και τη βαθμονόμηση των εργαλείων προσομοίωσης. Μελετάται ο σχεδιασμός γεννητριών αξονικής ροής για ΤΚΜΑ με στόχο την ανάπτυξη κατευθυντήριων γραμμών σχεδιασμού για τέτοιες εφαρμογές. Διερευνάται ο θερμικός και ο δομικός σχεδιασμός γεννητριών αξονικής ροής, με στόχο την ενίσχυση της απαγωγής θερμότητας και τη μείωση της μάζας της γεννήτριας, με ταυτόχρονη ανάπτυξη νέων σχεδίων για το δίσκο του δρομέα μαγνητών. Διερευνάται πειραματικά η μείωση του ακουστικού θορύβου των γεννητριών αξονικής ροής που χρησιμοποιούνται στις ΤΚΜΑ, συνδέοντας τον ακουστικό θόρυβο με τις αρμονικές ρεύματος που εισάγονται από την τριφασική μη ελεγχόμενη ανορθωτική γέφυρα. Οι εκπομπές ακουστικού θορύβου των ΤΚΜΑ μετρώνται στο πεδίο για πρώτη φορά, ενώ προτείνονται νέες διατάξεις παθητικών φίλτρων για τη μείωση του ακουστικού θορύβου και η απόδοσή τους αξιολογείται σε πειραματικές δοκιμές. Αναπτύσσονται καινοτόμες βελτιστοποιήσεις σχεδιασμού γεννητριών αξονικής ροής για ΤΚΜΑ, εστιάζοντας στη χρήση διαφόρων μαγνητικών υλικών, όπως το Νεοδύμιο και ο Φερρίτης, και στον σχεδιασμό γεννητριών υψηλής ισχύος, που δεν καλύπτονται από τα κλασσικά εγχειρίδια κατασκευής ΤΚΜΑ. Για τις εν λόγω βελτιστοποιήσεις, προσδιορίζονται οι βέλτιστες διαστάσεις μαγνητών και προτείνονται "καθολικές" γεωμετρίες μαγνητών για διάφορα εύρη δρομέων ΤΚΜΑ. Η διατριβή ολοκληρώνεται με την ανάλυση συστημάτων μετατροπής αιολικής ενέργειας μικρής κλίμακας, σε περιοχές χαμηλής ταχύτητας ανέμου, που συνήθως σχετίζονται με ΤΚΜΑ. Παρουσιάζονται οι πειραματικές διατάξεις και τα εργαλεία προσομοίωσης που χρησιμοποιήθηκαν, συγκεκριμένα η εγκατάσταση ενός πεδίου δοκιμών μικρών ανεμογεννητριών για τη μέτρηση των επιδόσεων ισχύος ΤΚΜΑ σύμφωνα με το πρότυπο IEC 61400-12-1, και μεθοδολογίες προσομοίωσης, όπως ο συνδυασμός μοντέλων FAST/Simulink για ανεμογεννήτριες με μηχανισμό furling συνδεδεμένες σε μικρά συστήματα μετατροπής αιολικής ενέργειας. Διεξάγεται μια λεπτομερής σύγκριση μεταξύ προσομοιώσεων και πειραματικών αποτελεσμάτων, προς επαλήθευση και βαθμονόμηση, με αποτέλεσμα ένα νέο εργαλείο μοντελοποίησης για την καμπύλη ισχύος ΤΚΜΑ. Επιπλέον, αναπτύσσεται μια καινοτόμος εφαρμογή ανοικτών δεδομένων, το OpenWindLab, που αποτελείται από μια διαδικτυακή βάση δεδομένων που περιλαμβάνει όλες τις δοκιμές που πραγματοποιήθηκαν σε ΤΚΜΑ κατά τη διάρκεια αυτής της διατριβής. Στη συνέχεια συγκρίνονται οι καμπύλες ισχύος 14 εμπορικών και ΤΚΜΑ, όπως μετρήθηκαν από διάφορους επίσημους φορείς δοκιμών μικρών ανεμογεννητριών, με ιδιαίτερη έμφαση στην απόδοση σε χαμηλές ταχύτητες ανέμου. Αυτές με τις καλύτερες επιδόσεις συγκρίνονται ως μέρη υβριδικών συστημάτων μικρής κλίμακας, χρησιμοποιώντας το εργαλείο προσομοίωσης μικροδικτύων HOMER. Στόχος είναι να διερευνηθεί η επίδοση κάθε μικρής ανεμογεννήτριας από την οπτική του συστήματος ηλεκτροδότησης και να αναπτυχθούν έτσι καινοτόμα κριτήρια σχεδιασμού για συστήματα μικρής κλίμακας. Διερευνώνται παθητικές τεχνικές μεγιστοποίησης της απόδοσης του δρομέα ΤΚΜΑ σε απευθείας σύνδεση με συσσωρευτές, όπως η ρύθμιση της αντίστασης του αγωγού μεταφοράς ισχύος από την ανεμογεννήτρια στους συσσωρευτές, και η ρύθμιση του διακένου της γεννήτριας αξονικής ροής. Επίσης, εξετάζονται οι επιπτώσεις της διάβρωσης της ακμής πρόσπτωσης του δρομέα ως προς την παραγωγή ισχύος και τον ακουστικό θόρυβο, με αποτέλεσμα τη δημιουργία προτάσεων για διαδικασίες συντήρησης ΤΚΜΑ. Αναπτύσσονται καινοτόμες βελτιστοποιήσεις σχεδιασμού, που έχουν ως αποτέλεσμα πίνακες βέλτιστων διατομών για τη ρύθμιση της αντίστασης του αγωγού μεταφοράς ισχύος από την ΤΚΜΑ στους συσσωρευτές. Μία από τις βέλτιστες παθητικές διατάξεις συγκρίνεται για πρώτη φορά στο πεδίο με αντίστοιχη που περιλαμβάνει μετατροπέα ανιχνευτή σημείου μέγιστης ισχύος (Maximum Power Point Tracking). Τέλος, πραγματοποιούνται τεχνοοικονομικές βελτιστοποιήσεις για τον προσδιορισμό της βέλτιστης διαμέτρου δρομέα και ύψους πύργου για διάφορες ονομαστικές ισχύς ΤΚΜΑ, σε συστήματα αιολικής ενέργειας μικρής κλίμακας και σε απευθείας σύνδεση με συσσωρευτές, με αποτέλεσμα καινοτόμες προτάσεις σχεδιασμού για την επιλογή της ονομαστικής ταχύτητας ανέμου μικρών ανεμογεννητριών.