This thesis deals with the development and numerical modeling of Fiber Reinforced Polymer (FRP) wind turbine towers and luminaires. More specifically, this project is designed to capitalize on the technologies developed at the University of Manitoba to design FRP composite structures for use in remote communities where the costs of transportation and erection make the use of steel towers prohibitive. The work presented includes the analysis of a 50 m tall 750 kW wind turbine tower according to International Electrotechnical Commission (IEC) and Canadian Standard Association (CSA) standards using Glass Fiber Reinforced Polymer (GFRP), Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP) and conventional steel. Standard luminaires, 6 m and 12 m, were also designed according to American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO) standards for highway luminaires. The results showed that FRP can be effectively used as an alternative material for wind turbine towers and luminaires. Fiber Reinforced Polymer (FRP) composite wind turbine towers and luminaires studied in this project are lighter than similar structures fabricated using steel. Furthermore, these structures also meet the structural performance requirements set by AASHTO, IEC and CSA standards. / October 2016

Σκοπός είναι η διερεύνηση της τεχνολογίας των χερσαίων (onshore) ανεμογεννητριών και συγκεκριμένα των πυλώνων των ανεμογεννητριών. Αν εξετάσουμε το αιολικό δυναμικό στις χερσαίες περιοχές της Ευρώπης, παρατηρούμε αμέσως τις τεράστιες δυνατότητες ανάπτυξης ανεμογεννητριών. Παρατηρούμε επίσης την πλεονεκτική θέση της χώρας μας που εμφανίζεται να διαθέτει στο Αιγαίο πέλαγος μια από τις πλουσιότερες, σε αιολικό δυναμικό, περιοχές της Ευρώπης. Για να έχουμε όμως μεγαλύτερη απόδοση στην ισχύ μιας ανεμογεννήτριας πρέπει να αυξήσουμε το ύψος της έτσι ώστε να εκμεταλλευτούμε τις υψηλότερες ταχύτητες ανέμου σε μεγαλύτερα ύψη. Αυτό με την σειρά του θα επιφέρει πιο μεγάλα φορτία και επομένως μεγαλύτερες καταπονήσεις (εντατικά μεγέθη) στην βάση του πυλώνα καθώς η ανεμογεννήτρια προσομοιώνεται με σύστημα προβόλου. Ως συνέπεια τούτου θα πρέπει να αυξήσουμε την αντοχή του πυλώνα είτε αυξάνοντας το πάχος του υλικού της διατομής (αποφεύγεται – απαιτούνται μεγάλα πάχη συνεπώς μεγάλα κόστη), είτε αυξάνοντας τη διάμετρο της διατομής (αποφεύγεται – περιορισμένο πλάτος οδικού δικτύου που αποτρέπει την μεταφορά τμημάτων του πυλώνα της ανεμογεννήτριας με μεγάλες διατομές), είτε αυξάνοντας την αντοχή του υλικού της διατομής (αντικείμενο διατριβής). Στην παρούσα διατριβή γίνεται μελέτη βελτιστοποίησης σχεδιασμού των πυλώνων των ανεμογεννητριών με σύμμικτη διατομή χάλυβα-σκυροδέματος η οποία οδηγεί σε σχετικά μικρά πάχη διατομών, μικρής διαμέτρου, μεγάλης επιθυμητής αντοχής και μειωμένου κόστους υλικά. Αρχικά γίνεται η ανάλυση διατομής με στόχο την βελτιστοποίηση - ελαχιστοποίηση του κόστους για δεδομένη αντίσταση και στη συνέχεια η ανάλυση επαναλαμβάνεται για την βελτιστοποίηση του κόστους για δεδομένη δυσκαμψία. Στη συνέχεια με τη βοήθεια του σχεδιαστικού αναλυτικού προγράμματος ANSYS θα γίνει η σχεδίαση του πυλώνα της ανεμογεννήτριας όπου θα εφαρμοστούν τα προβλεπόμενα φορτία. Κατόπιν αυτού του σχεδιασμού διεξάγουμε πείραμα στο εργαστήριο όπου προσομοιώνουμε την ανεμογεννήτρια ώστε να συγκρίνουμε τα πειραματικά αποτελέσματα με την αναλυτική διαδικασία στο πρόγραμμα ANSYS. Γίνεται παράθεση και σχολιασμός των αποτελεσμάτων ώστε να προκύψουν τα συμπεράσματά μας και τελικώς γίνονται προτάσεις για περαιτέρω έρευνα όσον αφορά τα υλικά της διατομής των πυλώνων καθώς και την καλύτερη αξιοποίηση της αιολικής ενέργειας. / The aim is to investigate the technology of land (onshore) wind turbines and specifically for the pillars of wind turbines. If we investigate the wind potential in inland areas of Europe, we see immediately the enormous growth potential of wind turbines. We also observe the vantage point of our country that appears to have the Aegean Sea, one of the richest in wind potential areas of Europe. In order to increase the power of a wind turbine we must increase its height so as to take advantage of higher wind speeds at higher altitudes. This leads to higher loads and thus higher stresses (section forces) at the base of the tower as the wind turbine system is simulated with the cantilever system. As a consequence we should increase the strength of the pillar by increasing the thickness of the section material (to be avoided - large thicknesses therefore high costs required) or by increasing the diameter of the cross section (to be avoided - narrow road network that prevents transfer of the turbine pillar parts with large cross-sections), or by increasing the strength of the section’s material (subject of thesis). This thesis deal with the Design Optimization of Composite Cross Section Steel – Concrete Wind Turbine Towers which leads to relatively low thickness cross-sections, with small diameters, desirable high strength and reduced cost of materials. Initially we conduct sectional analysis in order to optimize - minimize the cost for a given resistance, and then the analysis is repeated for cost optimization for a given stiffness. Then we develop equations which correlate the moment, the stiffness and the cost of the wind turbine tower with the thicknesses of the materials (steel – concrete) which the cross section is composed of. Consequently we plot the equations that give the materials’ dimensions ranges when both the moment and stiffness is modified. Also we can understand how all this procedure affects the whole cost of the cross section. Then we conduct analysis and design of the wind turbine pillar with the analytical program ANSYS according to the design loads. Afterwards, lab-scale tests are conducted in order to model the wind turbine behavior. The experimental results are compared to the analytical observations. Finally we display and comment the results of that research so as to draw conclusions regarding the pillar design and the efficient wind energy utilization and present suggestions to future research.