Προκαταρκτικός σχεδιασμός μηχανής εκμετάλευσης κυματικής ενέργειας. - Κατσιδονιωτάκη, Ειρήνη (Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών, 2016)
Η ενέργεια που προέρχεται από τον θαλάσσιο κυματισμό (κυματική ενέργεια) μπορεί να έχει αξιοσημείωτη συνεισφορά στην συνολική παραγωγή ενέργειας από Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ) σε διεθνές επίπεδο. Έχουν αναπτυχθεί διάφορες τεχνολογίες εκμετάλλευσης κυματικού δυναμικού μία εξ' αυτών είναι η Ταλαντευόμενη Στήλη Ύδατος - Oscillating Water Column (OWC). Στη συσκευή αυτή η μετατροπή κυματικής ενέργειας σε ηλεκτρική γίνεται συνήθως μέσω της μηχανής Wells. Στη παρούσα διπλωματική εργασία γίνεται ο προκαταρκτικός σχεδιασμός στης στροβιλομηχανής Wells για ένα δεδομένο σημείο λειτουργίας (παροχή και πίεση αέρα). Αφού ολοκληρωθεί ο σχεδιασμός ακολουθεί η υπολογιστική επίλυση της ροής του αέρα που διέρχεται από τη μηχανή με τη βοήθεια του εμπορικού πακέτου υπολογιστικής ρευστοδυναμικής Ansys Fluent. Στο Κεφάλαιο 1 γίνεται μία σύντομη ιστορική αναδρομή και παρουσίαση των τεχνολογιών εκμετάλλευσης κυματικής ενέργειας με έμφαση στις OWC συσκευές και στις μηχανές Wells. Επίσης παρατίθενται παραδείγματα από πραγματικά έργα εκμετάλλευσης κυματικής ενέργειας που έχουν υλοποιηθεί. Στη συνέχεια, στο Κεφάλαιο 2 συγκεντρώνονται συνοπτικά τα μεγέθη που περιγράφουν το κύμα, η μαθηματική θεωρία περιγραφής του κύματος (θεωρία Airy) καθώς και ο υπολογισμός της διαθέσιμης ενέργειας που μπορεί να αποδώσει. Στο Κεφάλαιο 3 παρουσιάζεται το μαθηματικό υπόβαθρο που περιγράφει τη ροή των ρευστών. Γίνεται αναφορά στις εξισώσεις Navier- Stokes και στις αριθμητικές μεθόδους επίλυσής τους. Επίσης γίνεται αναφορά στην διακριτοποίηση του χωρίου (meshing) και στη σπουδαιότητα του σωστού πλέγματος στα αποτελέσματα της υπολογιστικής επίλυσης. Στο Κεφάλαιο 4 αναλύεται εκτενέστερα η λειτουργία των OWC συσκευών καθώς και των μηχανών Wells. Περιγράφεται η αρχή λειτουργίας ενώ παράλληλα διατυπώνονται οι εξισώσεις που χαρακτηρίζουν τη λειτουργία τους καθώς και οι παράγοντες που την επηρεάζουν. Στο Κεφάλαιο 5 αναπτύσσεται η μεθοδολογία σχεδιασμού της μηχανής Wells για συγκεκριμένη εφαρμογή με βάση δεδομένα που διέθεσε η σχολή Ναυπηγών Μηχανικών του ΕΜΠ. Αρχικά σχεδιάστηκαν κάποιες γεωμετρίες οι οποίες δεν πληρούσαν τις απαιτήσεις σχεδιασμού. Μετά από αναθεώρηση της μεθοδολογίας σχεδίασης ήταν δυνατή η εύρεση της κατάλληλης γεωμετρίας μηχανής Wells ώστε να λειτουργεί στο σημείο σχεδιασμού που ορίζεται. Παράλληλα μελέτη της επίδρασης των γεωμετρικών παραμέτρων στην απόδοση της μηχανής. Συγκεκριμένα μελετάται η επίδραση της γεωμετρικής παραμέτρου solidity και hub to tip ratio (Κεφάλαιο 6). Λαμβάνονται αρκετές περιπτώσεις όπου σε καθεμιά οι τιμές των παραμέτρων αυτών μεταβάλλονται. Από τα διαγράμματα λειτουργίας της κάθε γεωμετρίας καθώς και από την ανάλυση του πεδίου ροής ήταν δυνατό να κατανοηθεί η συμπεριφορά της μηχανής σε διάφορες συνθήκες όταν αλλάζει η γεωμετρία. Τέλος, η παράμετρος Tip clearance ή αλλιώς το διάκενο μεταξύ του ακροπτερυγίου και του κελύφους, αποτελεί σημαντική σχεδιαστική παράμετρο. Στο Κεφάλαιο 7 αναλύεται εκτενώς η επίδρασή του. Τα αποτελέσματα της υπολογιστικής επίλυσης, εκτός της δυνατότητας που παρέχεται να απεικονίζονται σε μορφή διαγραμμάτων, υπάρχει η δυνατότητα της οπτικοποίησης των αποτελεσμάτων. Οι εικόνες κατανομής μεγεθών (ταχύτητας, πίεσης) ή η δυνατότητα απεικόνισης των ροϊκών γραμμών αποτελούν χρήσιμο εργαλείο για την κατανόηση της λειτουργίας της μηχανής Wells. Συμπερασματικά, οι OWC συσκευές και οι μηχανές Wells μπορούν να συνεισφέρουν στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από ΑΠΕ με ικανοποιητικό βαθμός απόδοσης αλλά και η αποδιδόμενης ισχύος. Για την επίτευξη του βέλτιστου αποτελέσματος η συγκεκριμένη μηχανή λειτουργεί μαζί με άλλες συσκευές παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας όπως είναι τα υπεράκτια αιολικά πάρκα.