Έλεγχος φορτίων πτερυγίων ανεμογεννήτριας με συνδιασμένη χρήση ρυθμιζόμενου βήματος και μεταπτερυγίων βασισμένων σε μετρήσεις ανέμου μέσω ανεμόμετρου πλήμνης - Σπυρόπουλος, Νίκος (Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών. Τομέας Ρευστών. Εργαστήριο Αεροδυναμικής, 2017)
Τα τελευταία χρόνια, οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας αναπτύσσονται ραγδαία. Ειδικά η Αιολική Ενέργεια σημειώνει τη 2η μεγαλύτερη ταχύτητα ανάπτυξης σε σχέση με τις υπόλοιπες μορφές παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Έχοντας σαν στόχο τη μείωση του κόστους παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από ανεμογεννήτριες, γίνονται μελέτες για την ανακάλυψη καινούριων μεθόδων ελέγχου, οι οποίοι σαν στόχο έχουν να μειώσουν τα φορτία που υφίστανται οι ανεμογεννήτριες κατά τη λειτουργία τους, ούτως ώστε να αυξηθεί ο χρόνος ζωής τους. Ένας τρόπος για να επιτευχθεί αυτό είναι η μείωση των εναλλασσόμενων φορτίων στα πτερύγια, τα οποία οφείλονται σε πληθώρα αιτιών, όπως η ανομοιομορφία του ανάντη πεδίου ανέμου και η οποία με τη σειρά της προκαλείται από την τύρβη στον άνεμο, η συνεκτικότητα του αέρα στην κατακόρυφη και οριζόντια κατεύθυνση, η λειτουργία με άνεμο σε απόκλιση τόσο στην οριζόντια, όσο και στην κατακόρυφη κατεύθυνση, η κλίση του άξονα, οι ριπές (απότομες αλλαγές) του ανέμου, η επίδραση του πύργου στην ταχύτητα που βλέπουν τα πτερύγια, η βαρύτητα και άλλα. Οι δύο κύριες μέθοδοι για τη μείωση των εναλλασσόμενων φορτίων στα πτερύγια των ανεμογεννητριών είναι ο παθητικός και ο ενεργητικός έλεγχος. Ο παθητικός έλεγχος στοχεύει στην ακύρωση των ανομοιομορφιών του ανάντη πεδίου ανέμου, αποκλειστικά μέσω της αεροελαστικής απόκρισης των πτερυγίων του δρομέα. Τέτοιες μέθοδοι είναι η παραδοσιακή ρύθμιση στροφών, οι πιο καινοτόμες μέθοδοι οι οποίες ακόμα ερευνώνται, όπως η σύζευξη εφελκυσμού-ροπής και η σύζευξη κάμψης-στρέψης και στις δύο κατευθύνσεις. Από την άλλη μεριά, η κεντρική ιδέα του ενεργητικού ελέγχου έγκειται στη ρύθμιση των κύριων αεροδυναμικών παραμέτρων των πτερυγίων (αλλαγή της γωνίας πρόσπτωσης ή του συντελεστή άνωσης) με βάση πληροφορίες που λαμβάνονται από κατάλληλους αισθητήρες (επιμηκυνσιόμετρα, επιταχυνσιόμετρα, σωλήνες Pitot, LIDAR, ανεμόμετρα πλήμνης κ.τ.λ.). Η πιο συχνά χρησιμοποιούμενη μέθοδος ενεργητικού ελέγχου είναι ο Εξατομικευμένος Έλεγχος Βήματος (Individual Pitch Control – IPC), ο οποίος χρησιμοποιεί του επενεργητές βήματος για να αλλάξει τη γωνία πρόσπτωσης του πτερυγίου. Τα τελευταία χρόνια, μελετάται υ υποβοήθηση του Εξατομικευμένου Ελέγχου Βήματος από τον Εξατομικευμένο Έλεγχο γωνίας Μεταπτερυγίων Καμπυλότητας (Individual Flap Control – IFC). Σε αυτήν την προσέγγιση, μικρές αεροδυναμικές επιφάνειες που ονομάζονται Μεταπτερύγια Καμπυλότητας στη Γραμμή Εκφυγής ( Trailing Edge Flaps – TEFs) κατανέμονται σε συγκεκριμένες θέσεις κατά το εκπέτασμα του πτερυγίου. Ένας επενεργητής είναι υπεύθυνος για την αλλαγή της γωνίας των Μεταπτερυγίων Καμπυλότητας στη Γραμμή Εκφυγής, η οποία με τη σειρά της μετατοπίζει την καμπύλη του συντελεστή άνωσης και άρα επιφέρει αλλαγή στην τρέχουσα τιμή του. Με αυτόν τον τρόπο, τα φορτία των πτερυγίων ελέγχονται δυναμικά. Τέτοιες μέθοδοι είναι γνωστές στη βιβλιογραφία σαν Ευφυής Δρομέας Ελέγχου (Smart Rotor Control). Μέχρι στιγμής, ο συμβατικός Εξατομικευμένος Έλεγχος γωνίας Μεταπτερυγίων Καμπυλότητας υλοποιείται με τη χρήση επενεργητών, οι οποίοι κινούν τα Μεταπτερύγια Καμπυλότητας στη Γραμμή Εκφυγής και σε συνδυασμό με κατάλληλους αισθητήρες και ελεγκτές, παρέχει ένα είδος ελέγχου με ανάδραση των φορτίων των πτερυγίων. Παρ’ όλα αυτά, το όφελος που ενδεχομένως θα προκύψει από τη χρήση αισθητήρων μέτρησης του ανάντη πεδίου του ανέμου (Lidar, ανεμόμετρα πλήμνης κ.τ.λ.) δεν έχει εξακριβωθεί πλήρως, κάτι το οποίο μελετάται στην παρούσα διπλωματική εργασία. Συγκεκριμένα, το κύριο θέμα αυτής της διπλωματικής είναι η σύκγριση μεταξύ ενός συμβατικού Εξατομικευμένου Ελέγχου Βήματος (IPC) σε συνδυασμό με Εξατομικευμένο Έλεγχος γωνίας Μεταπτερυγίων Καμπυλότητας (IFC), το οποίο από εδώ και στο εξής θα αναγράφεται ως Εξατομικευμένος Έλεγχος Βήματος και γωνίας Μεταπτερυγίων Καμπυλότητας (IPFC), και ενός καινοτόμου τέτοιου είδους ελέγχου, ο οποίος ωστόσο θα εκμεταλλεύεται την ικανότητα του ανεμόμετρου πλήμνης να παρέχει πληροφορίες για το ανάντη πεδίο ανέμου και το οποίο στο εξής θα αναφέρεται ως «Εξατομικευμένος Έλεγχος Βήματος και γωνίας Μεταπτερυγίων Καμπυλότητας με τη χρήση Ανεμόμετρου Πλήμνης» (IPFCS). Η σύγκριση των δύο μεθόδων θα βασιστεί σε δύο τομείς: στη δυνατότητα μείωσης των εναλλασσόμενων φορτίων, και συγκεκριμένα της καμπτικής ροπής πτερύγισης στη ρίζα των πτερυγίων, και στην επιβάρυνση των επενεργητών της γωνίας βήματος που επιφέρει η κάθε μέθοδος.