Ενσωληνομένοι ανεμοστρόβιλοι με υποβοήθηση από υποπίεση στο απόρευμα σώματος εμποδίου

Abstract

The subject of the current thesis is the design, the development, and testing (computational and experimental) of a prototype geometry of a ducted wind turbine, in order to maximize the power coefficient, “CP”. The main features of this installation is that the wind turbine is placed within two diffusers while an air injection area is located at the outlet of the first diffuser.The Ducted Wind Turbines have been proposed as mechanisms to enhance the power of wind turbines beyond the constraints imposed by the Betz criterion. According to this criterion, the power factor of the installation cannot exceed the value of 0.592. The main reason is that in order to develop the wake, the flow must consume power. Initially, a one-dimensional model was developed, the results of which showed that the efficiency could be higher than the Betz limit (above the value of 1 if the reference area is that of the turbine rotor), although the viscous loss mechanisms tend to reduce it, [2.18].This analysis was extended to investigate whether the momentum of the air downstream the rotor is assisted by entrainment of air entering from the outside atmosphere, since the static pressure of the main current is below the atmospheric. The results of the model were compared with similar results from some initial experiments conducted in the context of the present dissertation. In these experiments a braking propeller was used which essentially acts as a wind turbine. The comparison shows that the theoretical model that was developed is in agreement with the experimental data. In addition, it has been found that the reduction in the wind turbine efficiency at high loads is mainly due to the fact that the flow through duct is strangled and the flow is dramatically reduced. Then a comparison of the theoretical results with some experimental results obtained from experiments made in hydro-tunnels has been made. In these experiments the wind turbines were immersed in water in order to study the tidal phenomena. In fact, the comparison of the results using the Betz theory with these experimental results was the first direct experimental confirmation of both the Betz model and the model of the present dissertation. The results confirmed the predictability of both models, especially with respect to the upper limit of 60%.In addition, it should be noted that the experimental data have been the ratio of the power coefficient "Cp" to the rotation speed of the wind turbine shaft. To date, the induction factor "a" has not been used again in experimental data, [2.16]. In this work the replacement of the experimental data with the power coefficient of the wind turbine "Cp" as a function of the induction factor "a" took place. After this process it is concluded that the theoretical approach of Betz works quite well up to about the maximum reported efficiency of "Cp", but when it exceeds this limit, the theory of Betz does not work. Therefore, the need of a more complex model is needed in order to estimate how the wake should behave.The results of the theoretical analysis proposed in this dissertation showed that they are very similar to the experimental data. Modeling needs further improvement, though. The general conclusion is that the overall degree of efficiency is still valid. It is of course less than the value 0.592 given by Betz, thus Betz's general view according to which there is a limit beyond which the flow should be reversed does not apply. The flow is still going forward but due to the effects of viscous flow in the stream, we have problems in the degree of efficiency which is slowly reduced and tends to reach zero.Geometry of a ducted wind turbine was then developed, which could potentially give the best efficiency factor "Cp". The analysis and modeling of the proposed geometry is presented in Chapter 4. According to our analysis, the optimal efficiency is Cp = 0.4 ~ 0.45. Therefore, we proceeded to the design taking that into consideration. The results show that such geometry could deliver power equivalent to that of about 10 conventional rotor cross section wind turbines, equal to that of the model.The current work includes both computational and experimental methods in an attempt to fully investigate the characteristics of the proposed method.

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.