Αντικείμενο της παρούσας μεταπτυχιακής εργασίας αποτελεί η βελτίωση των μέχρι στιγμής διαθέσιμων τρόπων αριθμητικής προσομοίωσης  της αλληλεπίδρασης ανωδομής - θεμελίωσης σε πυλώνες ανεμογεννητριών.

Ο σχεδιασμός ανεμογεννητριών αποτελεί εκ φύσεως ένα πολυσχιδές πρόβλημα πολιτικού μηχανικού εξαιτίας της δυναμικότητας των φορτίσεων ως προς το είδος, το μέγεθος και τη θέση εφαρμογής, αλλά και εξαιτίας των απαιτήσεων της κατασκευής σε αποτελεσματικότητα, οικονομία και αντοχή στον χρόνο.

Για τον λόγο αυτό, η προσομοίωση και ανάλυση των φορέων των ανεμογεννητριών με συμβατικές μεθόδους και προγράμματα δεν κρίνεται επαρκής. Αντιθέτως, νέα εξειδικευμένα υπολογιστικά εργαλεία αναπτύχθηκαν τα τελευταία έτη και συνεχίζουν ακόμα να εξελίσσονται, για την προσομοίωση της συζευγμένης δυναμικής απόκρισης ανεμογεννητριών. Τα εργαλεία αυτά αποτελούνται κατά κανόνα από επιμέρους αεροδυναμικά και υδροδυναμικά μοντέλα, καθώς και μοντέλα δομοστατικής δυναμικής και δυναμικής των συστημάτων ελέγχου και ηλεκτρικών συστημάτων. Για να καταστεί δυνατή η καθολική, μη-γραμμική ανάλυση του φορέα, υπάρχει συνήθως ένας ενιαίος κώδικας, ο οποίος καλεί και συνδυάζει τις επιμέρους υπορουτίνες στο πεδίο του χρόνου.

Κρίσιμο σημείο στην προσπάθεια για λεπτομερέστερη και ρεαλιστικότερη προσομοίωση των φορέων των ανεμογεννητριών αποτελεί η αλληλεπίδραση της ανωδομής τους με τη θεμελίωση και το υποκείμενο έδαφος έδρασης. Η σημαντικότητα του παράγοντα αυτού είναι γνωστή και αναγνωρισμένη σε όλες τις κατασκευές πολιτικού μηχανικού, γίνεται όμως ιδιαιτέρως αντιληπτή στην περίπτωση των ανεμογεννητριών εξαιτίας του ισοστατικού (ή με λίγους βαθμούς υπερστατικότητας) φορέα των.

Παρόλη τη βαρύτητα που φαίνεται να κατέχει ο παράγοντας της αλληλεπίδρασης εδάφους - κατασκευής όμως, τα περισσότερα σύγχρονα εργαλεία αριθμητικής προσομοίωσης υστερούν στον συγκεκριμένο τομέα. Η συνήθης πρακτική είναι να θεωρείται ο πυλώνας της ανεμογεννήτριας πακτωμένος στη βάση του, συνθήκη που μπορεί να απέχει κατά πολύ από την πραγματικότητα.

 Η παραπάνω αδυναμία των προγραμμάτων προσομοίωσης οφείλεται κυρίως στον υπολογιστικό κόπο που απαιτεί η ελευθερία επιλογής των ελευθεριών κίνησης της βάσης του πυλώνα από τον εκάστοτε χρήστη. Η κατάλληλη τροποποίηση των μητρώων των υπορουτίνων, αλλά και η κατάλληλη σύζευξη μεταξύ τους, αποτελεί μεν εφικτό στόχο, αλλά απαιτητικό κατά τη δόμηση του αλγορίθμου του κώδικα. Συνεπώς, η εξέλιξη αυτή προβλέπεται να συμπεριληφθεί εν καιρώ στις δυνατότητες των διαθέσιμων υπολογιστικών εργαλείων, όχι όμως στο προσεχές μέλλον.

Το γεγονός αυτό προκαλεί αβεβαιότητα για την ακρίβεια και την ασφάλεια του σχεδιασμού ανεμογεννητριών σε μία περίοδο έντονης κατασκευαστικής δραστηριότητας στον τομέα, αλλά και επιτακτικής κοινωνικής ανάγκης για στροφή στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, όπως η αιολική. Στην πράξη, μάλιστα, πολλοί μελετητές οδηγούνται στην υπερδιαστασιολόγηση ανεμογεννητριών και σε αντιοικονομικούς σχεδιασμούς, λόγω της αβεβαιότητας που επικρατεί ως προς την επιρροή των συνθηκών έδρασης.

Ως άμεση απόρροια των παραπάνω, στα πλαίσια της παρούσας εργασίας, μελετάται η επιρροή της αλληλεπίδρασης ανωδομής – θεμελίωσης, τόσο στα εντατικά μεγέθη που αναπτύσσονται στους πυλώνες ανεμογεννητριών, όσο και στις προκαλούμενες μετατοπίσεις  της κεφαλής τους. Η εκτίμηση της εν λόγω επιρροής πραγματοποιείται με ευριστικές μεθόδους που βασίζονται σε κανόνες της στατικής των κατασκευών και πραγματοποιούνται εκτός του αλγοριθμικού περιβάλλοντος του ειδικού προγράμματος ανάλυσης ανεμογεννητριών που χρησιμοποιήθηκε. Το πρόγραμμα αυτό αποτελεί το λογισμικό FAST του εργαστηρίου National Renewable Energy Laboratory (NREL), το οποίο χρηματοδοτείται από το Υπουργείο Ενέργειας των Ηνωμένων Πολιτειών Αμερικής.

Πιο συγκεκριμένα, υπολογίζεται η επιρροή της παραπάνω παραμέτρου στους λόγους εκμετάλλευσης και στους ελέγχους αστοχίας ανεμογεννητριών τύπου NREL 5 MW, ώστε να καταστεί αντιληπτό αν τίθεται ζήτημα ασφαλείας στην μέχρι στιγμής αποδεκτή προσομοίωση τους. Πέραν των ελέγχων αντοχής, ενδιαφέρον παρουσιάζει επίσης ο έλεγχος της επιρροής της αλληλεπίδρασης εδάφους – θεμελείωσης και στους ελέγχους κόπωσης της κατασκευής μέσα στο φάσμα ταχυτήτων ανέμου που μελετώνται. Σημειώνεται ότι ο τύπος ανεμογεννητριών που επιλέχθηκε να μελετηθεί αποτελεί τον πλέον διαδεδομένο σε διεθνές επίπεδο τύπο ανεμογεννητριών οριζόντιου άξονα και συναντάται στις περισσότερες συναφείς μελέτες φέροντας τον τίτλο του «τύπου αναφοράς».

Επιπλέον, επειδή η ρεαλιστικότητα του τρόπου προσομοίωσης των συνθηκών στήριξης μίας ανεμογεννήτριας αποτελεί συνάρτηση πολλών μεταβλητών, πραγματοποιούνται παραμετρικές επιλύσεις ως προς τις σημαντικότερες εξ αυτών. Αξίζει να σημειωθεί ότι, στην κατεύθυνση της γενίκευσης των συμπερασμάτων του πονήματος, κρίθηκε σκόπιμη η μεγαλύτερη δυνατή διεύρυνση του εύρους των τιμών των παραμέτρων της μελέτης, ώστε να ανεξαρτητοποιηθεί το αποτέλεσμα από τα εκάστοτε δεδομένα και συνθήκες. Οι παράμετροι που διαφοροποιήθηκαν στις αναλύσεις είναι οι ακόλουθοι:

 -          Είδος ανεμογεννήτριας: χερσαία / θαλάσσια σταθερής βάσης πυθμένα

-          Θεμελίωση ανεμογεννήτριας: ρηχή θεμελίωση (βαρύτητας με σύστημα anchor cage), βαθιά θεμελίωση (μονοπάσσαλη), χωροδικτύωμα (τρίποδας)

Ειδικότερα, η εργασία αποτελείται από τρία μέρη. Στο πρώτο μέρος γίνεται μία σύντομη θεωρητική αναφορά στον τομέα της αιολικής ενέργειας, καθώς και στα είδη των ανεμογεννητριών της μελέτης, αλλά και των φορτίσεων που αυτές δέχονται βάσει των ευρέως αποδεκτών κανονιστικών πλαισίων (Κεφ. 1-3). Στο δεύτερο μέρος  πραγματοποιούνται οι αναλύσεις, ο σχεδιασμός και η παράθεση των παραμετρικών επιλύσεων της μελέτης (Κεφ. 4 – 8). Τέλος, στο τρίτο μέρος συγκρίνονται και αξιολογούνται τα αποτελέσματα του δεύτερου μέρους, ενώ εξάγονται και τα συμπεράσματα της μεταπτυχιακής εργασίας.

Αναλυτικότερα, στα έντεκα επιμέρους κεφάλαια περιλαμβάνονται τα εξής:

Κεφάλαιο 1ο: Σύντομη αναφορά στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας με έμφαση στην παραγωγή αιολικής ενέργειας, στην εξέλιξη και την κατηγοριοποίηση των ανεμογεννητριών και της θεμελίωσής τους.

Κεφάλαιο 2ο: Περιγραφή του είδους και των χαρακτηριστικών των ανεμογεννητριών μελέτης.

Κεφάλαιο 3ο: Περιγραφή των φορτίσεων ανεμογεννητριών βάσει των ισχυόντων κανονιστικών πλαισίων.

Κεφάλαιο 4ο: Ανάλυση της ανωδομής ανεμογεννητριών με το πρόγραμμα αριθμητικής αεροελαστικής μοντελοποίησης FAST. Πραγματοποιείται αναλυτική περιγραφή των λειτουργιών, των παραμέτρων και του τρόπου μοντελοποίησης εντός του προγράμματος.

Κεφάλαιο 5ο: Περιγραφή της διαδικασίας σχεδιασμού της ανωδομής των ανεμογεννητριών και των ελέγχων έναντι λυγισμού και κοπώσεως.

Κεφάλαιο 6ο: Περιγραφή της ευριστικής μεθόδου εισαγωγής της αλληλεπίδρασης ανωδομής-θεμελίωσης στην ανάλυση των ανεμογεννητριών. Αναλύεται η πορεία συλλογισμού της μεθόδου, καθώς και τα επιμέρους εργαλεία που χρησιμοποιεί, όπως η αρχή των δυνατών έργων και απλοποιημένα προσομοιώματα πεπερασμένων στοιχείων στο πρόγραμμα SAP2000.

Κεφάλαιο 7ο: Παρουσίαση της εφαρμογής όλων των παραπάνω σε μία σειρά παραμετρικών αναλύσεων ως προς το είδος της ανεμογεννήτριας μελέτης. Η παρούσα μεταπτυχιακή εργασία ασχολείται με χερσαίες και θαλάσσιες ανεμογεννήτριες σταθερής βάσης πυθμένα.

Κεφάλαιο 8ο: Παρουσίαση της εφαρμογής όλων των παραπάνω σε μία σειρά παραμετρικών αναλύσεων ως προς τον τρόπο θεμελίωσης της ανεμογεννήτριας μελέτης. Η παρούσα εργασία ασχολείται με ανεμογεννήτριες ρηχής θεμελίωσης (βαρύτητας με σύστημα anchor cage), βαθιάς θεμελίωσης (μονοπάσσαλης) και θεμελίωσης τύπου πυραμοειδούς χωροδικτυώματος (τρίποδας).

Κεφάλαιο 9ο: Έπεται ξεχωριστό κεφάλαιο που περιλαμβάνει την σύγκριση των επιμέρους αναλύσεων, καθώς και την αξιολόγηση των αποτελεσμάτων τους και συγκεντρώνει τα συμπεράσματα της μελέτης.

Με τον τρόπο αυτόν, η παρούσα μελέτη φιλοδοξεί να αποτελέσει γνώμονα της αλλοιωμένης συμπεριφοράς που επιφέρει η ελλιπής προσομοίωση της αλληλεπίδρασης εδάφους-κατασκευής στην περίπτωση των ανεμογεννητριών, αλλά και σημείο αφετηρίας για τους μηχανικούς εκείνους που θα ασχοληθούν με τον σχεδιασμό τους μέχρις, ότου πιο ολοκληρωμένα λογισμικά και εργαλεία ανάλυσης καταστούν προσιτά.