Aerodynamic design, analysis and optimisation of wind turbine operation

Wind has been used by man since ancient times and it is a reliable source of renewable energy. The efficient wind utilisation requires the design and optimisation of wind machines. The purpose of this thesis is the development of a method for the wind turbine blades design and optimisation, the analysis of wind turbines operation using Computational Fluid Dynamics and the optimisation study of wind turbines operating in the urban landscape and building integrated wind turbines.In this direction, a Genetic Algorithms based aerodynamic optimisation method of wind turbine blades which utilises Bézier curves was developed. The results of the optimisation led to the development of airfoils with optimal aerodynamic characteristics for specific operating conditions.The modeling of wind turbine operation using Computational Fluid Dynamics and turbulence models was also studied. For this purpose the simulation of a well known NASA aerodynamics experiment was carried out. The computational analysis results were compared with the experimental results and found in excellent agreement.A novel modification of conventional wind turbines is their integration into a shroud. Thereby the power output of a given turbine significantly increases. This modification is recommended for small wind turbines that operate in the urban landscape where wind conditions are not optimal. In this work the inclusion of both horizontal and vertical axis wind turbines into shrouds were studied. The results obtained from the simulation with Computational Fluid Dynamics showed good agreement with corresponding results of other researchers. The power output of a shrouded wind turbine increases proportionally to the air flow through the shell and may even be more than doubled with proper shroud formation.Ο άνεμος αξιοποιήθηκε από τον άνθρωπο από τα αρχαία χρόνια και αποτελεί μια αξιόπιστη ανανεώσιμη πηγή ενέργειας. Η αποδοτική του αξιοποίηση απαιτεί τον σχεδιασμό και βελτιστοποίηση των αιολικών μηχανών. Σκοπός της παρούσας διατριβής είναι η ανάπτυξη μεθόδου σχεδίασης και βελτιστοποίησης πτερυγίων ανεμογεννητριών, η ανάλυση της λειτουργίας ανεμογεννητριών με χρήση Υπολογιστικής Ρευστοδυναμικής και η μελέτη βελτιστοποίησης της λειτουργίας ανεμογεννητριών ενταγμένων στο αστικό τοπίο και ανεμογεννητριών ενταγμένων στο κτίριο.Σε αυτή την κατεύθυνση αναπτύχθηκε μια μέθοδος για την αεροδυναμική βελτιστοποίηση των πτερυγίων ανεμογεννητριών η οποία βασίζεται στη παραμετροποίηση της γεωμετρίας των χρησιμοποιούμενων αεροτομών με καμπύλες Bézier και τη βελτιστοποίησή τους με χρήση Γενετικών Αλγορίθμων. Τα αποτελέσματα της βελτιστοποίησης οδήγησαν στην ανάπτυξη αεροτομών με βέλτιστα αεροδυναμικά χαρακτηριστικά για συγκεκριμένες λειτουργικές συνθήκες.Επίσης, μελετήθηκε η μοντελοποίηση της λειτουργίας ανεμογεννητριών με χρήση Υπολογιστικής Ρευστοδυναμικής και μοντέλων τύρβης. Για αυτόν τον σκοπό πραγματοποιήθηκε προσομοίωση ενός γνωστού πειράματος αεροδυναμικής που έλαβε χώρα σε αεροσήραγγα της NASA. Τα αποτελέσματα της υπολογιστικής ανάλυσης συγκρίθηκαν με τα αποτελέσματα της πειραματικής μελέτης και βρέθηκε εξαιρετική συμφωνία.Μια καινοτόμος τροποποίηση των συμβατικών ανεμογεννητριών είναι η ένταξή τους σε ένα κέλυφος. Με αυτόν τον τρόπο αυξάνεται σημαντικά η παραγόμενη ισχύς δεδομένης ανεμογεννήτριας. Η τροποποίηση αυτή συνίσταται για μικρές ανεμογεννήτριες οι οποίες λειτουργούν στο αστικό τοπίο όπου οι ανεμολογικές συνθήκες δεν είναι οι βέλτιστες. Στο πλαίσιο αυτής της διατριβής μελετήθηκε η ένταξη εντός κελύφους τόσο ανεμογεννήτριας οριζόντιου άξονα όσο και ανεμογεννήτριας καθέτου άξονα. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν από την προσομοίωση με Υπολογιστική Ρευστοδυναμική έδειξαν καλή συμφωνία με αντίστοιχα αποτελέσματα άλλων ερευνητών. Η παραγόμενη ισχύς μιας ανεμογεννήτριας με κέλυφος αυξάνεται αναλογικά με την παροχή αέρα μέσω του κελύφους και μπορεί ακόμη και να υπερδιπλασιαστεί με κατάλληλη μορφοποίηση του κελύφους

Design, Energy, Environmental and Cost Analysis of an Integrated Collector Storage Solar Water Heater Based on Multi-Criteria Methodology

The paper presents a design and operation analysis of an Integrated Collector Storage (ICS) solar water heater, which consists of an asymmetric Compound Parabolic Concentrating (CPC) reflector trough, while the water tank comprises two concentric cylinders. The annulus between these vessels is partially depressurized and contains a small amount of water in the bottom of the outer vessel which dominantly contributes to the heat transfer from the outer to the inner cylinder. A multi-criteria optimization algorithm is applied to re-evaluate the design specifications of the parabolic surface, thus modifying the design of the entire ICS system and predict the necessary number of units for achieving the highest possible effectiveness with minimized fabrication costs and environmental impacts. The environmental footprint of the device is assessed through Life Cycle Assessment (LCA). The produced thermal energy in conjunction with the environmental and economic results are evaluated as a function of different configuration parameters regarding the water storage conditions, the solar radiation and the total pressure inside the annulus. The ultimate aim of the evaluation process is to offer new perspectives on the design principles of environmentally friendly and cost-effective devices with improved thermal performance

Design, energy, environmental and cost analysis of an integrated collector storage solar water heater based on multi-criteria methodology

Summarization: The paper presents a design and operation analysis of an Integrated Collector Storage (ICS) solar water heater, which consists of an asymmetric Compound Parabolic Concentrating (CPC) reflector trough, while the water tank comprises two concentric cylinders. The annulus between these vessels is partially depressurized and contains a small amount of water in the bottom of the outer vessel which dominantly contributes to the heat transfer from the outer to the inner cylinder. A multi-criteria optimization algorithm is applied to re-evaluate the design specifications of the parabolic surface, thus modifying the design of the entire ICS system and predict the necessary number of units for achieving the highest possible effectiveness with minimized fabrication costs and environmental impacts. The environmental footprint of the device is assessed through Life Cycle Assessment (LCA). The produced thermal energy in conjunction with the environmental and economic results are evaluated as a function of different configuration parameters regarding the water storage conditions, the solar radiation and the total pressure inside the annulus. The ultimate aim of the evaluation process is to offer new perspectives on the design principles of environmentally friendly and cost-effective devices with improved thermal performance.Presented on: Energie