Βελτιστοποίηση, προσομοίωση και κατασκευή μικρής ανεμογεννήτριας για εφαρμογές χαμηλού κόστους και μελέτη της AC και DC σύνδεσης

Abstract

Αντικείμενο της παρούσας εργασίας είναι η μελέτη, βελτιστοποίηση, προσομοίωση και κατασκευή μιας μικρής γεννήτριας αξονικής ροής μονίμων μαγνητών χωρίς πυρήνα για αιολικές εφαρμογές σε σύνδεση στο δίκτυο.

Γίνεται μια εισαγωγή στην έννοια της ενδιάμεσης τεχνολογίας ενώ ταυτόχρονα παρουσιάζονται οι βασικές αεροδυναμικές γνώσεις που χρειάζονται για τα πτερύγια και τον προσανατολισμό της Α/Γ. Επιπλέον γίνεται βιβλιογραφική έρευνα σε σχέση με τις γεννήτριες αξονικής ροής και παρουσιάζονται οι βασικές τοπολογίες, ενώ αναλύονται και βασικά θεωρητικά θέματα που θα βοηθήσουν στη διαστασιολόγηση.

Παρουσιάζεται η πλήρης διαδικασία της διαστασιολόγησης για μια γεννήτρια 3 kW που περιλαμβάνει την εύρεση των ονομαστικών συνθηκών λειτουργίας αλλά και όλων των διαστάσεων της γεννήτριας. Βρίσκονται αναλυτικά οι διαστάσεις των πηνίων και των μαγνητών όπως επίσης και το συνολικό βάρος και κόστος της γεννήτριας.

Με βάση την παραπάνω προσέγγιση ακολουθεί βελτιστοποίηση της σχεδίασης. Ο λόγος του πλάτους του μαγνήτη προς το πλάτος του πολικού βήματος καθώς και ο λόγος εσωτερικής προς εξωτερική ακτίνα βελτιστοποιούνται προκειμένου να επιτευχθεί το ελάχιστο κόστος. Επιπλέον εξετάζονται οι παράγοντες της συχνότητας και του πάχους του μαγνήτη.

Η βελτιστοποιημένη διάταξη προσομοιώνεται και κατασκευάζεται. Στη συνέχεια η γεννήτρια μετράται και τα πειραματικά αποτελέσματα συγκρίνονται με αυτά της προσομοίωσης.

Εξετάζεται η DC σύνδεση ανεμογεννήτριας ανάλογης κατασκευής. Αρχικά προσομοιώνεται η απευθείας σύνδεση γεννήτριας 850 W σε συσσωρευτές, ενώ στη συνέχεια προστίθεται εν σειρά αυτεπαγωγή για τη βελτίωση της ενεργειακής απόδοσης. Οι διατάξεις μετρώνται στο εργαστήριο και τα αποτελέσματα συγκρίνονται με αυτά της προσομοίωσης.

Τέλος εξάγονται συμπεράσματα και κατατίθενται βελτιωτικές προτάσεις.

Subject of the present work is the study, optimization, simulation and construction of a small axial flux core less generator with permanent magnets for grid connected wind energy applications.

An introduction is made on the principles of appropriate technology applications while also presenting the basic concepts of aerodynamics and turbine orientation, that will be used.

The complete sizing process of a 3kW generator is presented, including the determination of the nominal operating conditions and the total set of dimensions of the generator. The dimensions of the coils and of the magnets are determined, as well as the total weight and cost of the generator.

According to the previous approach the design is optimized. The pole arce to pole pitch ratio and the ratio of the internal to the external diameter are optimized for lowest cost. Further more the factors of frequency and magnet thickness are examined.

The optimized design is simulated and constructed. The generator is tested in the laboratory and the resulting measurements are compared to the simulation results.

Further on, the DC coupling of a similar wind turbine is examined. Initially, the direct coupling of an 850W small wind turbine with batteries is simulated, and in continuation a series inductance is added for the improvement of the annual energy yield. The above arrangements are tested and measured in the laboratory and the results are compared with those of the simulation.

Finally, conclusions are drawn and proposals for improvements and further work are presented.