Please use this identifier to cite or link to this item:
Title: Συμπεριφορά του εξοπλισμού ανεμογεννήτριας σε πλήγμα κεραυνού
Other Titles: Behavior of wind turbine equipment in lightning strike
Authors: Κούτρας, Κωνσταντίνος
Keywords: Κεραυνοί
Keywords (translated): Lightning
Wind turbines
Abstract: Η αιολική ενέργεια είναι μια ανανεώσιμη, «καθαρή» μορφή ενέργειας, που δε μολύνει το περιβάλλον και είναι ανεξάντλητη. Οι ανεμογεννήτριες βρίσκονται συνήθως σε τοποθεσίες με μεγάλο υψόμετρο καθώς και σε επίπεδη ύπαιθρο, κάτι που δικαιολογεί τον υψηλό αριθμό κεραυνικών πληγμάτων, τα οποία προκαλούν πολλά προβλήματα στις εγκαταστάσεις. Ο κεραυνός αποτελεί ένα ατμοσφαιρικό ηλεκτρικό φαινόμενο το οποίο θα μπορούσε να ορισθεί ως μια μορφή ηλεκτρικής διάσπασης, χαρακτηριζόμενης από υψηλό ρεύμα, που συμβαίνει σε πολύ μεγάλα διάκενα. Για την καλύτερη κατανόηση του φαινομένου αυτού, αρχικά περιγράφηκε η ηλεκτρική κατάσταση της γης και η ηλεκτρική συμπεριφορά των νεφών καθώς και οι επιπτώσεις των πληγμάτων των κεραυνών. Αυτά αφορούν στην ανθρώπινη ζωή και στις κατασκευές, στις οποίες διακρίνονται σε θερμικές, μηχανικές και ηλεκτρικές επιπτώσεις. Σκοπός της παρούσας διατριβής είναι η προσομοίωση ενός κεραυνικού πλήγματος στην επιφάνεια μιας ανεμογεννήτριας και η επίδρασή του σε πολλά άλλα κρίσιμα σημεία αυτής με τη χρήση του προγράμματος COMSOL προκειμένου να γίνει αντιληπτός ο κίνδυνος στον οποίο εκτίθενται και η σχεδίαση ενός κατάλληλου συστήματος αντικεραυνικής προστασίας των εξαρτημάτων που την αποτελούν. Στο 1ο κεφάλαιο, παρουσιάζεται ο τρόπος πρόκλησης των κεραυνικών πληγμάτων κατά τη διάρκεια των εκκενώσεων . Αναφέρονται ακόμη μεγέθη σχετιζόμενα με κεραυνούς, τα είδη των κεραυνών και γίνεται εκτενής αναφορά στο ρεύμα του κεραυνού, τους διαθέσιμους τρόπους προσδιορισμού του, την κοινά αποδεκτή διπλοεκθετική κυματομορφή που το αναπαριστά και τις παραμέτρους του κεραυνού που σχετίζονται με αυτό. Στο 2ο κεφάλαιο, παρουσιάζεται η δομή και τα χαρακτηριστικά λειτουργίας των ανεμογεννητριών. Η ανεμογεννήτρια αποτελείται από τρία βασικά μέρη, κάθε ένα από τα οποία αποτελούνται από άλλα επιμέρους δομικά στοιχεία. Τα τρία βασικά δομικά μέρη μιας ανεμογεννήτριας είναι η νασέλλα, ο πύργος και η βάση. Παρουσιάζεται ακόμα το περιβάλλον στο οποίο λειτουργούν οι ανεμογεννήτριες, οι επιπτώσεις ενός κεραυνικού πλήγματος σε αυτές και καταδεικνύεται η σημασία αντικεραυνικής προστασίας των ανεμογεννητριών στο σύγχρονο ενεργειακό τοπίο. Τέλος, παρουσιάζονται τα ισχύοντα πρότυπα και μέθοδοι αντικεραυνικής προστασίας ανεμογεννητριών. Στο 3ο κεφάλαιο, παρουσιάζεται η διαδικασία σχεδίασης του μοντέλου της ανεμογεννήτριας και του ορισμού των φυσικών και μαθηματικών μοντέλων στο περιβάλλον του προγράμματος για την προσομοίωση του κεραυνικού πλήγματος. Παρουσιάζονται όλα τα βήματα που ακολουθήθηκαν προκειμένου να λάβουμε ορθά αποτελέσματα. Στο 4ο κεφάλαιο, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης. Τα αποτελέσματα είναι είτε σε μορφή γραφικών παραστάσεων διαφόρων μεγεθών συναρτήσει του χρόνου, είτε σε 3D πάνω στη γεωμετρία της ανεμογεννήτριας σε προκαθορισμένες χρονικές στιγμές. Τα μεγέθη που θα απεικονιστούν με τους δύο προαναφερθέντες τρόπους είναι: Η πυκνότητα ρεύματος και η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου στο σύνολο του μοντέλου καθώς και σε επιλεγμένα σημεία αυτού ιδιαίτερου ενδιαφέροντος για την εξαγωγή του κατάλληλου προτεινόμενου ΣΑΠ στα δύο σημεία που κινδυνεύουν περισσότερο από κεραυνικά πλήγματα, τα οποία είναι η κορυφή των πτερυγίων και το πίσω μέρος της νασέλλας. Τέλος, στο 5ο κεφάλαιο εξάγονται τα συμπεράσματα από τις προσομοιώσεις και παρουσιάζονται πίνακες ομαδοποιημένων στοιχείων για εύκολη αναφορά και σύγκριση των τιμών.
Abstract (translated): Wind energy is a renewable, ‘pure’ form of energy that does not pollute the environment and is inexhaustible. Wind turbines are usually located in high altitude locations as well as in flat outdoors, which justifies the high number of lightning strikes that cause many problems in the facility. The thunderbolt is an atmospheric electrical phenomenon that could be defined as a form of electrical disruption characterized by high current which occurs in very large gaps. To better understand this phenomenon, we firstly described the electrical state of the earth and the electrical behavior of the clouds as well as the effects of the lightning strikes. These relate to human life and construction, which are distinguished by thermal, mechanical and electrical effects. The purpose of this thesis is to simulate a lightning strike on the surface of a wind turbine and its effect on many other critical points using the COMSOL program in order to understand the danger to which it is exposed and the necessity for a design of a suitable lightning protection system by its components. In Chapter 1, there is presented how to cause lightning strikes during discharges. There are still light-related sizes, lightning patterns, and an extensive reference to lightning current, available modes of determination, the commonly accepted duplex waveform that represents it, and the lightning parameters associated with it. In Chapter 2, the structure and the operating characteristics of wind turbines are presented. The wind turbine consists of three main parts, each of which consists of other individual components. The three main components of a wind turbine are the nacelle, the tower and the base. The environment in which wind turbines operate, the impact of a lightning strike on them, and the importance of lightning protection of wind turbines in the modern energy landscape are shown. Finally, we present the current standards and methods of lightning protection of wind turbines. In Chapter 3, we present the process of designing the wind turbine model and the definition of physical and mathematical models in the simulated lightning simulation program environment. We present all the steps taken to get the right results. In Chapter 4, the results of the simulation are presented. The results are either in the form of graphs of different sizes versus time, or 3D on the geometry of the wind turbine at predetermined times. The magnitudes to be depicted in the two above-mentioned ways are: The current density and the intensity of the electric field in the whole model as well as selected points of this particular interest in extracting the appropriate proposed lightning protection system at the two points most at risk from lightning strikes, which are the top of the blades and the back of the nacelle. Finally, chapter 5 draws out the conclusions from the simulations and presents grouped data tables for easy reference and price comparison.
Appears in Collections:Τμήμα Ηλεκτρολ. Μηχαν. και Τεχνολ. Υπολογιστών (ΜΔΕ)

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
Koutras(ele).pdf3.87 MBAdobe PDFView/Open

This item is licensed under a Creative Commons License Creative Commons