Dependability modelling and environmental-based maintenance planning for renewable energy systems

Abstract

Offshore renewable energy systems are increasingly deployed to support decarbonization goals, yet their operation in harsh marine environments creates persistent challenges for reliability, maintainability and cost-effective asset management. In offshore settings, environmental stressors (e.g., wind-speed variability, wave impacts, corrosion and access constraints) increase failure rates and can delay interventions because maintenance is feasible only within safe “weather windows”, thereby amplifying downtime and energy losses. These conditions expose limitations of conventional dependability approaches that assume stationary conditions or apply fixed-interval maintenance policies developed for onshore assets and they are further compounded by limited publicly available offshore failure data that forces practitioners to rely on imperfect proxies. This thesis develops an integrated stochastic modelling and maintenance-planning framework that explicitly couples environmental variability, component degradation and maintenance decision-making for renewable energy systems, with emphasis on offshore and hybrid platforms. The methodological core combines Markov modelling, using Homogeneous Continuous-Time Markov Chains (HCTMC) as a foundation and advancing to Cyclic Non-Homogeneous Markov Chains (Cyclic NHMC) to represent periodic and seasonally varying transition dynamics, with multi-state system performance evaluation via the Universal Generating Function (UGF) technique. The Cyclic NHMC formulation is leveraged to encode predictable seasonal patterns (e.g., winter/spring/summer/autumn regimes) through period-specific transition structures, enabling a realistic representation of non-stationary offshore conditions and their impact on failure and maintenance/repair activities and energy conversion performance.Building on these models, the thesis proposes and evaluates adaptive maintenance concepts that integrate environmental and operational constraints into scheduling decisions. These include Maintenance Wind Speed Window-Based Opportunistic Maintenance (MWSW-Based OM) for offshore wind turbine rotor blades, targeting low-wind periods that naturally reduce production opportunity cost and Seasonal Energy Demand-Based Maintenance (SEDBM), which adjusts preventive maintenance (PM) intensity in anticipation of seasonal demand and stressor severity to improve resilience during critical periods. The framework is demonstrated across multiple engineering systems, spanning wind energy assets (from wind farm dependability with minimal repair assumptions to offshore rotor blade maintenance modelling), hybrid wind-wave power generation configurations, wind-powered reverse osmosis (RO) desalination systems and broader offshore hybrid renewable energy systems (HRES) integrating wind turbines, wave energy converters and solar photovoltaics. Real-world meteorological inputs and seasonally varying parameters are incorporated to ground the analysis in realistic operating conditions, and the resulting numerical investigations illustrate how environment-aware modelling and maintenance alignment can enhance dependability measures (e.g., availability and energy-related measures) while supporting more economically efficient maintenance planning for offshore renewable infrastructures. A novel MWSW-Based OM strategy is formalized within an HCTMC framework that explicitly integrates wind speed class dynamics into maintenance state transitions for offshore rotor blades. Rather than scheduling interventions at fixed intervals, the model continuously monitors the evolution of wind conditions and triggers maintenance actions during naturally occurring low-wind windows, when the turbine is environmentally constrained from producing power. This direct coupling of environmental state information with operational and maintenance decisions transforms classical opportunistic maintenance into a proactive, wind-aware scheduling mechanism. A multi-state model for a hybrid wind-wave power generation system is developed using HCTMC, jointly embedding wind turbine and wave energy converter operational dynamics within a unified stochastic framework. The model captures how the natural complementarity between wind and wave resources stabilizes system output under both regular and intense offshore weather scenarios, reflecting the harsh intermittency regimes characteristic of offshore environments. Extending beyond homogeneous modelling, a Cyclic NHMC is applied to a multi-technology offshore hybrid platform. By structuring season-specific transitions that repeat annually, the framework embeds environmental periodicity directly into the system’s operational and degradation dynamics. Complementing this modelling advancement, a SEDBM strategy is introduced, which aligns maintenance intensity with the interplay between anticipated seasonal energy demand and prevailing environmental stressor severity. By intensifying maintenance before high-stress, high-demand periods, SEDBM dynamically adapts the system’s health management posture to the environmental cycle itself, offering a practically deployable alternative.

Η ανθρωπότητα αντιμετωπίζει σήμερα μια κρίσιμη ενεργειακή μετάβαση, υποκινούμενη από τις επιτακτικές ανάγκες αντιμετώπισης της κλιματική αλλαγής, της περιβαλλοντικής υποβάθμισης και της εξάντλησης των αποθεμάτων ορυκτών καυσίμων. Η καύση ορυκτών καυσίμων παραμένει η κύρια πηγή εκπομπών αερίων θερμοκηπίου, κυρίως διοξειδίου του άνθρακα, ενισχύοντας το αίτημα για αξιόπιστες εναλλακτικές λύσεις. Παράλληλα, η σπανιότητα πόρων, οι διακυμάνσεις στις τιμές πετρελαίου και οι γεωπολιτικές εντάσεις καθιστούν την ενεργειακή ασφάλεια ζήτημα υψίστης ασφαλείας. Σε αυτό το πλαίσιο, μια σειρά διεθνών συμφωνιών και κανονισμών έχουν θεσπιστεί για την ενθάρρυνση τεχνολογιών, με έμφαση στις Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ). Η Ευρωπαϊκή Ένωση έχει αναδειχθεί σε παγκόσμιο πρωτοπόρο στον τομέα αυτό, προωθώντας την εκτεταμένη ενσωμάτωση καθαρής ενέργειας στα ενεργειακά της συστήματα, με στόχους που συνδυάζουν ενισχυμένη ασφάλεια εφοδιασμού, αυξημένη ανταγωνιστικότητα και διασφάλιση περιβαλλοντικής βιωσιμότητας. Μεταξύ των διαφόρων ανανεώσιμων πηγών, η αιολική ενέργεια και ιδίως η υπεράκτια αιολική, αναδεικνύεται ως εξαιρετικά υποσχόμενη. Τα υπεράκτια αιολικά πάρκα εκμεταλλεύονται υψηλότερες και πιο σταθερές ταχύτητες ανέμου σε σύγκριση με χερσαίες εγκαταστάσεις, παρέχοντας στρατηγικά πλεονεκτήματα όπως μεγαλύτερη διαθεσιμότητα πόρων και μικρότερες χωρικές συγκρούσεις με ανθρώπινες δραστηριότητες. Ωστόσο, η λειτουργία σε θαλάσσια περιβάλλοντα εισάγει ένα εξαιρετικά απαιτητικό σύνολο λειτουργικών πολυπλοκοτήτων: σφοδρές διακυμάνσεις ταχύτητας ανέμου, κρούσεις κυμάτων, διαβρωτική δράση αλμυρού νερού και αυξημένες δυσκολίες πρόσβασης για τη διενέργεια εργασιών συντήρησης. Αυτές οι ακραίες περιβαλλοντικές συνθήκες μεταμορφώνουν τις τυπικές προκλήσεις αξιοπιστίας σε πολύπλοκα, πολυπαραγοντικά προβλήματα που απαιτούν προσαρμοστικές και όχι στατικές λύσεις. Ένα πρόσθετο πρόβλημα που επιδεινώνει την κατάσταση είναι η έλλειψη ολοκληρωμένων, δημοσίως διαθέσιμων δεδομένων βλαβών για υπεράκτια συστήματα ΑΠΕ. Οι τρέχουσες εκτιμήσεις αξιοπιστίας αναγκάζονται συχνά να βασίζονται σε προσεγγιστικά δεδομένα βλαβών και υποβαθμίσεων από χερσαίες εγκαταστάσεις, τα οποία δεν καταγράφουν επαρκώς τους μοναδικούς παράγοντες καταπόνησης του θαλάσσιου περιβάλλοντος. Αυτή η έλλειψη δεδομένων καθιστά αναγκαία την ανάπτυξη ισχυρών στοχαστικών μοντέλων που να μπορούν να μοντελοποιήσουν την λειτουργία και την συμπεριφορά βλαβών υπό συγκεκριμένα υπεράκτια καιρικά σενάρια. Ταυτόχρονα, τα Υβριδικά Συστήματα Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (ΥΣΑΠΕ), που συνδυάζουν πολλαπλές πηγές, αιολική, κυματική, ηλιακή, αποτελούν μια ελκυστική λύση στο πρόβλημα της διακοπτόμενης λειτουργίας (intermittency) που χαρακτηρίζει τις τεχνολογίες που παράγουν ενέργεια από μια πηγή. Αξιοποιώντας τη φυσική συμπληρωματικότητα των πόρων (π.χ., η ηλιακή ακτινοβολία φτάνει στο αποκορύφωμά της συχνά σε περιόδους χαμηλής έντασης αέρα, ενώ η κυματική ενέργεια παρέχει πιο σταθερό βασικό φορτίο), τα υβριδικά συστήματα μπορούν να σταθεροποιήσουν σημαντικά την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και να ενισχύσουν τη συνολική αξιοπιστία σε σχέση με αυτόνομες εγκαταστάσεις αιολικής ή ηλιακής ενέργειας. Παρά τη σημαντική πρόοδο στον τομέα της μοντελοποίησης αξιοπιστίας, τα υπάρχοντα πλαίσια παρουσιάζουν θεμελιώδεις περιορισμούς όταν εφαρμόζονται σε υπεράκτια περιβάλλοντα. Τα συμβατικά μοντέλα αξιοπιστίας που βασίζονται στην υπόθεση σταθερών συνθηκών λειτουργίας αποτυγχάνουν να συλλάβουν τη δυναμική αλληλεπίδραση μεταξύ περιβαλλοντικής μεταβλητότητας, υποβάθμισης εξαρτημάτων και περιορισμών πρόσβασης για συντήρηση. Επιπλέον, οι παραδοσιακές στρατηγικές συντήρησης σταθερών χρονοδιαγραμμάτων (Time-Based Maintenance), αποτελεσματικές σε ηπιότερα χερσαία περιβάλλοντα, αποδεικνύονται θεμελιωδώς ανεπαρκείς για υπεράκτιες εφαρμογές, καθώς δεν λαμβάνουν υπόψη τους δυναμικούς περιβαλλοντικούς περιορισμούς που επηρεάζουν άμεσα την υγεία των εξαρτημάτων και τη σκοπιμότητα των εργασιών συντήρησης. Ειδικότερα, τα κύρια ερευνητικά κενά που εντοπίζονται περιλαμβάνουν: •Την έλλειψη ολοκληρωμένων στοχαστικών πλαισίων που να συνδυάζουν ρητά την περιβαλλοντική μεταβλητότητα, την υποβάθμιση εξαρτημάτων και τη λήψη αποφάσεων συντήρησης για υπεράκτια ΥΣΑΠΕ. •Τους περιορισμούς των Ομογενών Μαρκοβιανών Αλυσίδων Συνεχούς Χρόνου (Homogeneous Continuous-Time Markov Chains) ως προς την αδυναμία τους να αναπαραστήσουν τη χρονικά μεταβαλλόμενη, εποχιακή φύση των περιβαλλοντικών συνθηκών. •Την απουσία προσαρμοστικών, περιβαλλοντικά ενσωματωμένων στρατηγικών συντήρησης που να καταλαμβάνουν μια στρατηγική θέση μεταξύ της άκαμπτης χρονικά βασισμένης συντήρησης και της απαιτητικής σε πόρους συντήρησης βασισμένης σε συνθήκες (Condition-Based Maintenance). Η παρούσα διδακτορική διατριβή αντιμετωπίζει αυτά τα κενά μέσω της ανάπτυξης ενός καινοτόμου ολοκληρωμένου πλαισίου, το οποίο συνδυάζει προηγμένη στοχαστική μοντελοποίηση με πρακτικά εφαρμόσιμες στρατηγικές συντήρησης για υπεράκτια συστήματα ΑΠΕ υπό δυναμικές περιβαλλοντικές συνθήκες. Ο κύριος στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η ανάπτυξη ενός ολοκληρωμένου στοχαστικού πλαισίου μοντελοποίησης αξιοπιστίας και σχεδιασμού συντήρησης για συστήματα ΑΠΕ, το οποίο ενσωματώνει την περιβαλλοντική μεταβλητότητα στη λήψη αποφάσεων. Λαμβάνοντας υπόψη τα ερευνητικά κενά που εντοπίστηκαν στη βιβλιογραφική ανασκόπηση και στοχεύοντας στην αντιμετώπιση τους, η παρούσα διατριβή αναπτύχθηκε για την ενίσχυση της αξιοπιστίας και απόδοσης συστημάτων ΑΠΕ υπό δυναμικές περιβαλλοντικές συνθήκες. Οι επιμέρους ερευνητικοί στόχοι διαρθρώνονται ως εξής: Α. Αξιολόγηση και Βελτιστοποίηση Μέτρων Αξιοπιστίας: Ποσοτικός προσδιορισμός και βελτιστοποίηση βασικών δεικτών αξιοπιστίας και απόδοσης σε διάφορες διαμορφώσεις Υπεράκτιων υβριδικών συστημάτων ΑΠΕ. Αυτό περιλαμβάνει υβριδικά συστήματα παραγωγής ισχύος από ανεμογεννήτριες (ΑΓ) και κυματικά συστήματα (ΚΣ), στρατηγικές συντήρησης για πτερύγια ΑΓ, υπεράκτια συστήματα αφαλάτωσης που συνδυάζουν ΑΓ με μονάδες Αντίστροφης Ώσμωσης (ΑΩ), καθώς και σύνθετα ΥΣΑΠΕ που ενσωματώνουν ΑΓ, ΚΣ και φωτοβολταϊκά (ΦΒ). Β. Εφαρμογή Μοντέλων Αλυσίδων Markov: Εφαρμογή Μαρκοβιανών μοντέλων, τόσο Ομογενών Μαρκοβιανών Αλυσίδων Συνεχούς Χρόνου, όσο και Κυκλικών Μη-Ομογενών Αλυσίδων Markov (Cyclic Non-Homogeneous Markov Chains), ικανών να αποτυπώσουν με ακρίβεια τη στοχαστική φύση της περιβαλλοντικής μεταβλητότητας, της υποβάθμισης εξαρτημάτων και των διεργασιών συντήρησης. Γ. Ανάπτυξη και Ανάλυση Προσαρμοστικών Στρατηγικών Συντήρησης: Ανάλυση παραδοσιακών στρατηγικών Προγραμματισμένης Προληπτικής Συντήρησης και ανάπτυξη καινοτόμων προσαρμοστικών στρατηγικών συντήρησης, με σκοπό τη βελτιστοποίηση της αξιοπιστίας του συστήματος και του λειτουργικού κόστους. Ο κεντρικός μεθοδολογικός πυλώνας της έρευνας είναι η εφαρμογή της θεωρίας Μαρκοβιανών αλυσίδων. Αρχικά, χρησιμοποιούνται Ομογενείς Μαρκοβιανές Αλυσίδες Συνεχούς Χρόνου, με σταθερές μεταβάσεις υποβάθμισης, συντήρησης και περιβαλλοντικών συνθηκών, για την αξιολόγηση μέτρων αξιοπιστίας. Στη συνέχεια η Universal Generating Function (UGF) χρησιμοποιείται ως μαθηματικό εργαλείο για την απλοποίηση της υπολογιστικής πολυπλοκότητας των συστημάτων πολλαπλών καταστάσεων και την αξιολόγηση των μέτρων απόδοσης τους. Η τεχνική UGF επιτρέπει τον προσδιορισμό της πλήρους κατανομής απόδοσης ενός συστήματος μέσω μιας γρήγορης αλγεβρικής μεθόδου βασισμένης στην κατανομή απόδοσης των υποσυστημάτων. Καθώς η έρευνα επεκτάθηκε σε σύνθετα υβριδικά συστήματα (ΑΓ, ΚΣ, ΦΒ) η υπόθεση σταθερών ρυθμών μετάβασης αποδείχθηκε ανεπαρκής λόγω έντονης εποχιακής μεταβλητότητας, οδηγώντας στη μετάβαση σε Κυκλικές Μη-Ομογενείς Μαρκοβιανές Αλυσίδες. Η δομική και περιβαλλοντική πολυπλοκότητα αυτών των υβριδικών συστημάτων εισήγαγε έντονη εποχιακή μεταβλητότητα στις υποβαθμίσεις και στην εφικτότητα συντήρησης, μεταβλητότητα που δεν μπορεί να αποτυπωθεί στο πλαίσιο ενός ομογενούς μοντέλου. Αυτή η αυξανόμενη πολυπλοκότητα και η ανάγκη αναπαράστασης του περιοδικού χαρακτήρα τόσο των περιβαλλοντικών παραγόντων όσο και της συστημικής συμπεριφοράς οδήγησε στη μετάβαση από τις Ομογενείς Μαρκοβιανές Αλυσίδες Συνεχούς Χρόνου στις Κυκλικές Μη-Ομογενείς Μαρκοβιανές Αλυσίδες.Η διατριβή αναπτύσσει και αναλύει τρεις κύριες κατηγορίες στρατηγικών συντήρησης: Προγραμματισμένη Προληπτική Συντήρηση (Scheduled Preventive Maintenance), η στρατηγική αυτή περιλαμβάνει τον προγραμματισμό εργασιών προληπτικής συντήρησης σε τακτά, προκαθορισμένα διαστήματα, ανεξάρτητα από τις περιβαλλοντικές συνθήκες. Ευκαιριακή Συντήρηση Βασισμένη σε Βέλτιστα Χρονικά Διαστήματα Ταχύτητας Ανέμου (Maintenance Wind Speed Window-Based Opportunistic Maintenance), η στρατηγική αυτή αξιοποιεί την διάλειψη λειτουργίας της ΑΓ. Η συντήρηση προγραμματίζεται στρατηγικά κατά τις περιόδους χαμηλής ταχύτητας ανέμου, όταν η ΑΓ βρίσκεται φυσικά σε αδράνεια και δεν παράγει ισχύ. Αυτό ελαχιστοποιεί τη διακοπή της παραγωγής ενέργειας και βελτιστοποιεί τη συνολική διαθεσιμότητα. Συντήρηση Βασισμένη στην Εποχιακή Ζήτηση Ενέργειας (Seasonal Energy Demand-Based Maintenance), η συντήρηση αυτή προσαρμόζει δυναμικά την προληπτική συντήρηση με σκοπό την καλύτερη Διαχείριση Υγείας Συστήματος βάσει των αναμενόμενων εποχιακών ζητήσεων σε ενέργεια και των περιβαλλοντικών παραγόντων καταπόνησης. Αποσκοπεί στην βελτιστοποίηση των εργασιών συντήρησης, οδηγώντας σε βελτιωμένη αξιοπιστία συστήματος, ειδικά κατά τις περιόδους αιχμής ζήτησης. Η διδακτορική διατριβή οργανώνεται σε έξι κεφάλαια, εκ των οποίων το καθένα συνεισφέρει σε συγκεκριμένες πτυχές του ολοκληρωμένου ερευνητικού πλαισίου. Το Κεφάλαιο 1 θέτει το ευρύτερο πλαίσιο και το κίνητρο της έρευνας. Ξεκινά από την παγκόσμια ανάγκη στροφής στις ΑΠΕ ως απάντηση στην κλιματική αλλαγή και την εξάντληση των ορυκτών καυσίμων και εστιάζει στα χερσαία και υπεράκτια συστήματα ως πλέον υποσχόμενη κατεύθυνση, αναδεικνύοντας παράλληλα τις ιδιαίτερες προκλήσεις που συνεπάγεται η θαλάσσια λειτουργία, αυξημένα ποσοστά αστοχιών, εξάρτηση της συντήρησης από τα βέλτιστα καιρικά χρονικά διαστήματα και ανεπάρκεια των παραδοσιακών χρονικά ανεξάρτητων (time-independent) μεθοδολογιών. Στη συνέχεια διατυπώνει σαφώς τον γενικό ερευνητικό στόχο και τους ειδικούς επιμέρους στόχους (αξιολόγηση μέτρων αξιοπιστίας, εφαρμογή Μαρκοβιανών μοντέλων και ανάπτυξη προσαρμοστικών στρατηγικών συντήρησης) και παρουσιάζει τη μεθοδολογία που ακολουθεί η διδακτορική διατριβή. Το Κεφάλαιο 2 παρέχει κριτική ανασκόπηση της βιβλιογραφίας σχετικά με τα χερσαία και υπεράκτια αιολικά συστήματα, υβριδικές πλατφόρμες ΑΠΕ και μεθοδολογίες σχεδιασμού συντήρησης. Η ανάλυση καλύπτει τεχνολογικές εξελίξεις σε χερσαία αιολικά πάρκα, υπεράκτιες ΑΓ, προκλήσεις διακοπτόμενης λειτουργίας λόγω ταχύτητας αέρα, ολοκλήρωση υβριδικών συστημάτων και σύγχρονες προσεγγίσεις μοντελοποίησης για αξιολόγηση απόδοσης και αξιοπιστίας. Η ανασκόπηση καταλήγει με τον εντοπισμό βασικών ερευνητικών κενών, ιδίως όσον αφορά τον σχεδιασμό συντήρησης με βάσει τις περιβαλλοντικές συνθήκες και την προσαρμοστική μοντελοποίηση αξιοπιστίας. To Κεφάλαιο 3 αναπτύσσει μοντέλα αξιοπιστίας και συντήρησης για αιολικά ενεργειακά συστήματα, καλύπτοντας δύο βασικές ενότητες: 1) Μοντελοποίηση Χερσαίου Αιολικού Πάρκου και 2) Μοντελοποίηση Πτερυγίων Υπεράκτιας Ανεμογεννήτριας υπό Ευκαιριακή Συντήρηση. Στην πρώτη ενότητα, διατυπώνεται ένα Ομογενές Μαρκοβιανό Μοντέλο Συνεχούς Χρόνου για ένα αιολικό πάρκο αποτελούμενο από N ΑΓ με k διακριτές κατηγορίες έντασης ανέμου και εφαρμογή της ελάχιστης στρατηγικές επισκευής (minimal repair). Η UGF αξιοποιείται για την αξιολόγηση δεικτών απόδοσης, όπως ο Δείκτης Ικανοποίησης Ζήτησης (Demand Satisfaction Index), η Αναμενόμενη Παραγωγή Ενέργειας (Expected Energy Produced) και η Αναμενόμενη Μη-Παρεχόμενη Ενέργεια (Expected Energy Not Supplied). Στην δεύτερη ενότητα, διατυπώνεται ένα αναλυτικό Ομογενές Μαρκοβιανό Μοντέλο Συνεχούς Χρόνου για την υποβάθμιση των πτερυγίων υπεράκτιας ΑΓ (Siemens SG 2.1-114, ονομαστική ισχύς 2,1 MW) υπό διαλειπόμενα καθεστώτα αέρα. Η ταχύτητα ανέμου κατηγοριοποιείται σε πέντε διακριτές κλάσεις (Still Air, Gentle Wind, Steady Wind, Brisk Wind, High Gust) και διατυπώνεται η νέα στρατηγική συντήρησης (Maintenance Wind Speed Window-Based Opportunistic Maintenance) για τον εντοπισμό βέλτιστων χρονικών παραθύρων συντήρησης κατά τις περιόδους χαμηλής ταχύτητας ανέμου. Το Κεφάλαιο 4 επεκτείνει το αναλυτικό πλαίσιο σε σύνθετα υπεράκτια υβριδικά περιβάλλοντα, παρουσιάζοντας τρεις βασικές ενότητες: 1) Σύστημα Αφαλάτωσης Τροφοδοτούμενο από ΑΓ, 2) Υβριδικό Σύστημα Παραγωγής Ισχύος Ανέμου-Κύματος, 3) Υπεράκτιο Υβριδικό Σύστημα Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας. Η πρώτη ενότητα αναφέρεται στην μοντελοποίηση της αξιοπιστίας ενός υπεράκτιου συστήματος αφαλάτωσης που συνδυάζει ΑΓ με μονάδα αντίστροφης ώσμωσης. Η ΑΓ μοντελοποιείται με τέσσερα επίπεδα λειτουργικών καταστάσεων, ενώ υπολογίζεται η διαθεσιμότητα των δύο συστημάτων ΑΓ και μονάδα αντίστροφης ώσμωσης, ο Ετήσιος Αναμενόμενος Μη-Παρεχόμενος Όγκος γλυκού νερού (Expected Water Not Supplied) για διάφορα σενάρια ζήτησης. Η δεύτερη ενότητα αφορά την μοντελοποίηση της αλληλεξάρτησης μεταξύ ΑΓ και ΚΣ σε υβριδική διάταξη, με ανάλυση της επίδρασης των διακυμάνσεων ταχύτητας ανέμου, τόσο υπό κανονικές όσο και υπό έντονες καιρικές συνθήκες, στις παραμέτρους αξιοπιστίας του συστήματος. Τέλος, γίνεται αξιολόγηση της αξιοπιστίας και απόδοσης με χρήση δεδομένων από το νησί των Οινουσσών (Ελλάδα). Στην Τρίτη ενότητα αναπτύσσεται ένα στοχαστικό μοντέλο πολλαπλών καταστάσεων για Υβριδικά Συστήματα Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας που ενσωματώνει ΑΓ, ΚΣ και ΦΒ, αξιοποιώντας τις Κυκλικές Μη-Ομογενείς Μαρκοβιανές Αλυσίδες για την αναπαράσταση εποχιακών και περιοδικών μεταβολών των περιβαλλοντικών συνθηκών. Στη συνέχεια εφαρμόζεται μια καινοτόμα στρατηγική συντήρησης για τη δυναμική βελτιστοποίηση της προληπτικής συντήρησης ανά εποχή. Το Κεφάλαιο 5 εστιάζει στα αριθμητικά αποτελέσματα της διδακτορικής διατριβής, εφαρμόζοντας μοντέλα που αναπτύχθηκαν στα Κεφάλαια 3 και 4, σε πραγματικά μετεωρολογικά και λειτουργικά δεδομένα. Παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των μοντέλων και αναδεικνύεται η συνεισφορά τους αναφορικά με (α) την αξιολόγηση της αξιοπιστίας χερσαίου αιολικού πάρκου υπό ελάχιστη επισκευή, αναδεικνύοντας ότι η επέκταση πέραν ενός κρίσιμου αριθμού ανεμογεννητριών δεν βελτιώνει τον Δείκτη Ικανοποίησης Ζήτησης, (β) την ανάπτυξη νέας στρατηγικής συντήρησης Maintenance Wind Speed Window-Based Opportunistic Maintenance και σύγκριση με την Scheduled Preventive Maintenance για τα πτερύγια υπεράκτιας ανεμογεννήτριας, αποδεικνύοντας την υπεροχή της ευκαιριακής στρατηγικής μέσα από την μείωση της αναμενόμενης απώλειας φορτίου, (γ) την ανάπτυξη ενός Ομογενείς Μαρκοβιανές Αλυσίδες Συνεχούς Χρόνου για την διερεύνηση του συστήματος ανεμογεννήτρια-μονάδα αφαλάτωσης για πολλαπλά σενάρια ζήτησης, (δ) την αξιολόγηση του υβριδικού συστήματος ανεμογεννήτριας-κυματικού συστήματος και τέλος την εφαρμογή Κυκλικής Μη-Ομογενής Μαρκοβιανής Αλυσίδας στο υπεράκτιο υβριδικό σύστημα ανεμογεννήτριας-κυματικού συστήματος-φωτοβολταϊκών, όπου η εποχιακή στρατηγική συντήρησης επιτυγχάνει βελτίωση αξιοπιστίας κατά τις εποχές της κρίσιμης ενεργειακής ζήτησης. Το Κεφάλαιο 6 συνοψίζει τη συνολική ερευνητική συνεισφορά και χαράσσει τις μελλοντικές κατευθύνσεις. Το βασικό συμπέρασμα είναι ότι η περιβαλλοντική μεταβλητότητα δεν είναι εξωτερική διαταραχή αλλά δομική παράμετρος που πρέπει να ενσωματώνεται ρητά στη μοντελοποίηση αξιοπιστίας και τη λήψη αποφάσεων συντήρησης. Η μετάβαση από Ομογενείς Μαρκοβιανές Αλυσίδες Συνεχούς Χρόνου σε Κυκλικές Μη-Ομογενείς Μαρκοβιανές Αλυσίδες, η εισαγωγή της Ευκαιριακής Συντήρησης Βασισμένη σε Βέλτιστα Χρονικά Διαστήματα Ταχύτητας Ανέμου και της Συντήρησης Βασισμένη στην Εποχιακή Ζήτηση Ενέργειας, καθώς και η εφαρμογή σε πέντε διαφορετικά μηχανολογικά συστήματα, τεκμηριώνουν ένα ολοκληρωμένο πλαίσιο που γεφυρώνει το χάσμα μεταξύ θεωρητικής μοντελοποίησης και πρακτικής εφαρμογής στην υπεράκτια ενεργειακή βιομηχανία.