Μελέτη διαφορετικών μαγνητικών υλικών για τοπικά κατασκευασμένες μικρές ανεμογεννήτριες αξονικής ροής σε εφαρμογές αγροτικής ηλεκτροδότησης

Abstract

Σε αυτή την εργασία μελετώνται γεννήτριες αξονικής ροής μονίμων μαγνητών ως μέρη μικρών ανεμογεννητριών σε αυτόνομα συστήματα. Η πλειοψηφία των γεννητριών αυτών κατασκευάζονται σήμερα με μαγνήτες νεοδυμίου (NdFeB), οι οποίοι, αν και είναι εξαιρετικά ισχυροί μαγνήτες, έχουν συσχετιστεί με διάφορα προβλήματα οικονομικής, κοινωνικής, περιβαλλοντικής και λειτουργικής φύσεως. Για αυτούς τους λόγους, διερευνάται η αλλαγή του μαγνητικού υλικού της γεννήτριας και συγκεκριμένα η δυνατότητα αντικατάστασης των μαγνητών νεοδυμίου με κεραμικούς μαγνήτες (σκληροί φερρίτες).

Στην αρχή της εργασίας γίνεται μία εισαγωγή στις έννοιες της ανοιχτής γνώσης και της ενδιάμεσης τεχνολογίας και στο ρόλο που μπορούν να έχουν οι μικρές ανεμογεννήτριες στην κάλυψη ανθρώπινων αναγκών με σεβασμό στο περιβάλλον.

Αναλύεται θεωρητικά η λειτουργία των γεννητριών αξονικής ροής μονίμων μαγνητών και διερευνάται το θέμα του μαγνητικού υλικού αυτών των γεννητριών. Παρουσιάζονται τα αποτελέσματα από ερωτηματολόγιο που δημιουργήθηκε στα πλαίσια αυτής της εργασίας, σχετικά με τοπικά κατασκευασμένες μικρές ανεμογεννήτριες και βάσει αυτών και της βιβλιογραφικής έρευνας, αποφασίζεται η μελέτη γεννητριών με φερρίτες.

Σχεδιάζονται και προσομοιώνονται γεννήτριες με φερρίτες και γεννήτριες με μαγνήτες νεοδυμίου για τέσσερα μεγέθη ακτίνας πτερυγίων και βελτιστοποιούνται οι διαστάσεις μαγνήτη για καθεμία από αυτές ώστε να βελτιστοποιούνται συγκεκριμένα κριτήρια.

Αφού βρεθούν οι βέλτιστοι μαγνήτες για κάθε γεννήτρια, αναζητάται και ο βέλτιστος καθολικός μαγνήτης (ένας για κάθε μαγνητικό υλικό) που θα μπορεί να χρησιμοποιηθεί ικανοποιητικά για γεννήτριες σε όλο το εύρος ακτίνων φτερωτής που μελετάμε. Για κάθε υλικό, ο καθολικος μαγνήτης συγκρίνεται με τους βέλτιστους μαγνήτες ανά ακτίνα φτερωτής καθώς και με τον πιο διαδεδομένο εμπορικό μαγνήτη της αγοράς.

Τέλος, κατασκευάζεται μία γεννήτρια 850W με φερρίτες -για πτερύγια ακτίνας 1.2m- και οι επιδόσεις της συγκρίνονται πειραματικά με μίας ίδιας ισχύος γεννήτριας με μαγνήτες νεοδυμίου.

In this work axial flux permanent magnet generators are studied as parts of small wind turbines in off-grid systems. The majority of these generators are manufactured today with neodymium magnets (NdFeB), which, although extremely powerful magnets, have been associated with various problems of economic, social, environmental and functional nature. For these reasons, the change of the magnetic material of the generator and, in particular, the possibility of replacing neodymium magnets with ceramic magnets (hard ferrites) is investigated. At the beginning of the work, an introduction to the concepts of open knowledge and intermediate technology is made, as well as to the role that small wind turbines can have in meeting human needs while preserving the environment. The operation of axial flux permanent magnet generators is analyzed in theory and the subject of the material of these generators is investigated. We present the results of a questionnaire on locally manufactured small wind turbines that was created as part of this work and, based on them and literature research, we decide to study generators with ferrites.

Ferrite generators and neodymium generators are designed and simulated for four sizes of blade rotor radius and the magnet dimensions for each of them are optimized according to certain criteria.

Having found the optimal magnets for each generator, we seek the optimal universal magnet (one for each magnetic material) that can be satisfactorily used for generators throughout the range of radii that we study. For each material, the universal magnet is compared with the optimal magnets per rotor radius and with the most common commercial magnet in the market.

Finally, a 850W ferrite generator -designed to operate with a 2.4m diameter rotor- is manufactured, and its performance is compared in the lab with the performance of an equivalent power typical generator with neodymium magnets.