Σχεδίαση, βελτιστοποίηση και προσομοίωση μικρών ανεμογεννητριών για εφαρμογές χαμηλού κόστους για σύνδεση στο δίκτυο

Abstract

Αντικείμενο της παρούσας εργασίας είναι η μελέτη, σχεδίαση, βελτιστοποίηση και προσομοίωση μικρών γεννητριών αξονικής ροής μονίμων μαγνητών χωρίς πυρήνα για αιολικές εφαρμογές σε σύνδεση στο δίκτυο. Το εύρος ισχύος που μελετάμε είναι 3 έως 6,5 kW.

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 για το αν αυτές πρέπει να προτιμώνται σε σχέση με τις γεννήτριες ακτινικής ροής για ισχείς της τάξης των 6kW. Ακόμη αναλύονται και βασικά θεωρητικά θέματα που θα βοηθήσουν στη διαστασιολόγηση.

Παρουσιάζεται η διαδικασία της διαστασιολόγησης η οποία θα χρησιμοποιηθεί σε όλο το εύρος της ισχύος από 3 έως 6,5 kW ενώ βρίσκουμε και τις ονομαστικές συνθήκες λειτουργίας των γεννητριών. Επίσης δίνονται οι σχέσεις για τον υπολογισμό των διαστάσεων των πηνίων καθώς και του συνολικού βάρους και κόστους των γεννητριών.

Με βάση την παραπάνω προσέγγιση γίνεται βελτιστοποίηση της σχεδίασης των γεννητριών σε όλο το εύρος της ισχύος. Οι μεταβλητές της βελτιστοποίησης είναι οι διαστάσεις του μαγνήτη (μήκος και πλάτος). Επιπλέον εξετάζονται οι παράγοντες της ονομαστικής συχνότητας και του βαθμού του μαγνήτη. Βασικό κριτήριο της βελτιστοποίησης είναι το ελάχιστο κόστος ενώ χρησιμοποιείται σαν κριτήριο και ο ελάχιστος όγκος.

Οι διαστάσεις του μαγνήτη βελτιστοποιούνται τόσο για κάθε ισχύ ξεχωριστά όσο και συνολικά για όλο το εύρος της ισχύος που μελετάμε καταλήγοντας σε ένα συγκεκριμένο μαγνήτη (καθολικό).

Οι διατάξεις των βέλτιστων γεννητριών προσομοιώνονται και συγκρίνονται τα χαρακτηριστικά τους τόσο μεταξύ των διαφορετικών βελτιστοποιήσεων (κόστους και όγκου) όσο και μεταξύ των διαφορετικών προσεγγίσεων στη βελτιστοποίηση. Επιλέγονται έτσι ο βέλτιστος βαθμός μαγνήτη και η βέλτιστη συχνότητα.

Ακόμα μετράται μια γεννήτρια 3kW και τα πειραματικά αποτελέσματα συγκρίνονται με αυτά της προσομοίωσής της.

Τέλος εξάγονται συμπεράσματα και κατατίθενται βελτιωτικές προτάσεις.

Subject of the present work is the study, optimization, and simulation 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 there are also presented the basic concepts of aerodynamics and turbine orientation, that will be used. A comparison between axial AFPM and RFPM generators of around 6kW power is done.

The complete sizing process of the generators with a range of outcoming power from 3 to 6,5 kW is presented, including the determination of the nominal operating conditions. The equations for calculating the dimensions of the coils, as well as the total weight and cost of the generators are determined.

According to the previous approach the design is optimized for the whole range of power. The variables of the optimization are the dimensions of the magnets (length and width). Furthermore the factors of frequency and magnet grade are examined. Criteria of the optimization is the lowest cost and the lowest volume.

The dimensions of the magnets are optimized for each power separately as well as for the whole range of power resulting in a specific ‘widespread’ magnet.

The optimized generators from all different optimizations and approaches are simulated and their characteristics are compared to each other, resulting in the best magnet grade and frequency to be used.

Furthermore a 3 kW generator is tested in the laboratory and the resulting measurements are compared to the simulation results.

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