Παθητικό σύστημα pitch control.

Abstract

Το θέμα της παρούσας πτυχιακής εργασίας είναι ο σχεδιασμός και τη μελέτη ενός συστήματος παθητικού ελέγχου της γωνίας σφήνωσης (passive pitch control) των φτερών μια μικρής ανεμογεννήτριας. Ο συγκεκριμένος μηχανισμός βασίζεται στη λογική του ρυθμιστή του Watt και με τη χρήση κατάλληλα προσαρμοσμένων μαζών πάνω στους άξονες των φτερών, μεταβάλει το pitch των φτερών ανάλογα με τη μεταβολή της γωνιακής ταχύτητας ολόκληρου του συστήματος φτερά-πλήμνη. Σκοπός της εργασίας είναι ο σχεδιασμός και η εξομοίωση του μοντέλου στις τρεις διαστάσεις μέσω του λογισμικού SolidWorks 2012. Τα δεδομένα, προκειμένου να σχεδιαστεί ο μηχανισμός, προέκυψαν έπειτα από ακριβή διαδικασία διαστασιολόγησης αξιοποιώντας τη σύγχρονη μηχανή αξονικής ροής που σχεδιάστηκε στα πλαίσια της διπλωματικής εργασίας της Μαρίας Μητροπούλου, από το τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών του Πολυτεχνείου Πάτρας, το φτερό που σχεδιάστηκε από τον Tibault Goldoni στα πλαίσια της πρακτικής του άσκησης στο Εργαστήριο Αιολικής Ενέργειας του ΤΕΙ Κρήτης, την περίοδο Μάρτης- Μάης 2014 και βιβλιογραφία σχετικά με τον ρυθμιστή του Watt και τις παραλλαγές του, καθώς ο συγκεκριμένος μηχανισμός αποτελεί μια από αυτές. Κατά την ολοκλήρωση της σχεδίασης υπάρχουν έτοιμα τα σχέδια του κάθε εξαρτήματος του μηχανισμού, οι διαστάσεις τους, τα υλικά κατασκευής τους, η μάζα τους. Ο μηχανισμός πέρασε από αρκετές εικονικές δοκιμές στα πλαίσια των δυνατοτήτων που παρέχει το συγκεκριμένο πρόγραμμα ώστε να βρεθεί η βέλτιστη σχέση διαστάσεων και μάζας των εξαρτημάτων για να συνεργάζονται με τον καλύτερο δυνατό τρόπο για ένα λειτουργικό αποτέλεσμα. Η συγκεκριμένη σύγχρονη γεννήτρια αξονικής ροής είναι ισχύος 1kW για ταχύτητα περιστροφής 39,27 rad/s. Το ζητούμενο λοιπόν να επιτευχθεί η ονομαστική ταχύτητα περιστροφής για το μεγαλύτερο δυνατό φάσμα ταχύτητας ανέμου. Το φτερό που χρησιμοποιήθηκε για να συνεργαστεί με το μηχανισμό, έχει σαν υλικό κατασκευής τον πολυεστέρα, έχει συνολικό μήκος 1571,40mm και μέγιστο πλάτος 181,16mm. Το κομμάτι της άρθρωσης στήριξης του φτερού στην πλήμνη της ανεμογεννήτριας σχεδιάστηκε και δοκιμάστηκε εικονικά από τον γράφοντα σε συνεργασία με τον Δημήτρη Γαλάτα, τελειόφοιτο σπουδαστή του Τμήματος Μηχανολόγων Μηχανικών, στα πλαίσια της πρακτικής του άσκησης στο Εργαστήριο Αιολικής Ενέργειας του ΤΕΙ Κρήτης, την περίοδο Μάρτης- Αύγουστος 2014.

Small wind turbines are an area of utilization of wind energy which in recent years are gaining ground and their optimization in performance and cost is an issue of crucial importance for their further development. More specifically, in this thesis we dealt with the pitch control of wind turbine. We decided to deal with a system of passive control. The pitch control is the rotation of the blade around its longitudinal axis, to achieve the desired angle of breach along the length of the blade in order to implement the requirements of engine power. The pitch control for any wind turbine, is crucial in order for its performance to be the highest possible. The typical pitch control applications are passive and active. In active applications the wind speed and the angular speed of the rotor are continuously measured and processed by a computer, which in its turn orders the stepping motor to rotate its blade accordingly. In passive applications, weights are oftenly used, which rotate along with the rotor, and due to the centrifuge they shift, causing the blades to rotate. In this specific thesis we chose to address a passive pitch control, mostly because of the intrest such an application presents, from a mechanical point of view, ,its manufacturing costs and the ease of installation by people without specific knowledge. In this application, as seen in the pictures below, the blades are not vertical to the rotation axis but their bases form an isosceles triangle. Within the support center of the wings, there are two support joints for the bases of each wing. At the edge of the wing base we have a Spherical Plain Bearing, in order to maintain stable the blade and its joint, which receives the highest load of the blade due to centrifuge. About 15 cm inward of the edge of the base of the wing there is a cylindrical roller bearing which allows the rotation of the wing around its axis. In between of the two joints, there is a weight embedded, as seen in the pictures below. As the rotational speed of the rotor increases and having that the axis of rotation is vertical to the radius of the circular disk rotor, the weight, due to the effect of the centrifuge tends to depart from the center of rotation. Due to its shape and because it is embedded in the axis-base of the blade, it rotates around the axis- base thus rotating the wing. As we can seen , the weight has adjusted a gear at its edge allowing it to move on the middle disk system, which also has in its center a rotor rotation axis, synchronizing the movements of the three weights and hence the pitch of the three blades. A third disc with a center the rotor axis of rotation is locate, as seen, between which there is a spring to restore the system to its original state when the rotor speed is reduced.