Design and optimization of diffuser-augmented wind turbines

Abstract

The concept of diffuser-augmented or shrouded wind turbines represents an attractive and highly versatile energy solution that has the potential to achieve power performance coefficients exceeding the Betz limit, and thus to improve the economic feasibility of renewable energy production under poor wind conditions, such as those prevailing within the urban environment. In that regard, shrouded wind turbines could eventually enable significant opportunities for more geographic dispersion of wind technology applications, growth in distributed energy deployments, and further expansion of renewable energy utilization on a global scale, contributing to the so-called energy transition. However, the achievement of widely adopted implementations and the consolidation of this promising technological application in the renewable energy market call for highly efficient and economically sustainable designs. Against this background, the present doctoral dissertation aims towards the development and validation of effective computational tools and numerical methodologies for, but not restricted to, the aerodynamic analysis, performance prediction, and design optimization of shrouded wind turbines.

Οι ανεμογεννήτριες υποβοηθούμενες από διαχύτη (diffuser-augmented ή shrouded wind turbines) αντιπροσωπεύουν μια ευρεία κατηγορία εξαιρετικά ευέλικτων συστημάτων συγκομιδής αιολικής ενέργειας, τα οποία παρέχουν τη δυνατότητα επίτευξης συντελεστών ισχύος που υπερβαίνουν το θεωρητικό όριο του Betz, και συνεπώς μπορούν να συμβάλλουν στην οικονομική βιωσιμότητα της παραγωγής ανανεώσιμης ενέργειας σε περιοχές που χαρακτηρίζονται από χαμηλό αιολικό δυναμικό, όπως το αστικό περιβάλλον. Επομένως, η ευρύτερη υιοθέτηση και εγκατάσταση ανεμογεννητριών υποβοηθούμενων από διαχύτη θα μπορούσε τελικά να οδηγήσει σε μεγαλύτερη γεωγραφική διασπορά των εφαρμογών αιολικής ενέργειας, εδραίωση των συστημάτων διανεμημένης παραγωγής ισχύος, και περαιτέρω χρήση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας σε παγκόσμια κλίμακα, συμβάλλοντας έτσι σε μια ταχύτερη ενεργειακή μετάβαση. Ωστόσο, η επίτευξη ευρέως αποδεκτών προϊόντων και η εδραίωση αυτής της τεχνολογικής εφαρμογής στην παγκόσμια αγορά ανανεώσιμων πηγών ενέργειας απαιτούν εξαιρετικά αποδοτικές και οικονομικά βιώσιμες σχεδιάσεις. Σε αυτό το πλαίσιο, η παρούσα διδακτορική διατριβή στοχεύει στην ανάπτυξη και επικύρωση αποτελεσματικών υπολογιστικών εργαλείων και αριθμητικών μεθοδολογιών, για την αεροδυναμική ανάλυση και τη βελτιστοποίηση ανεμογεννητριών υποβοηθούμενων από διαχύτη.