Mελέτη και σχεδίαση γεννητριών αξονικής ροής με χρήση αλγόριθμων εξελικτικού υπολογισμού για μικρές ανεμογεννήτριες αγροτικών εφαρμογών

Abstract

Στην παρούσα εργασία πραγματεύεται η μελέτη και βελτιστοποίηση μικρών γεννητριών αξονικής ροής μονίμων μαγνητών χωρίς πυρήνα στον στάτη για αιολικές εφαρμογές, σε εύρος ισχύος από 3 έως 6 KW, για την χρησιμοποίηση τους σε αγροτικές περιοχές. Γίνεται μια εισαγωγή στην έννοια της ενδιάμεσης τεχνολογίας και δίνονται κάποιες βασικές πληροφορίες όσον αφορά την μετατροπή της αιολικής ενέργειας σε μηχανική και στην συνέχεια σε ηλεκτρική μέσω της ανεμογεννήτριας. Στην συνέχεια αναφέρονται κάποιες βασικές διαφορές και γίνεται μια σύγκριση μεταξύ των γεννητριών ακτινικής και αξονικής ροής. Επίσης γίνεται βιβλιογραφική αναφορά στα είδη και τις τοπολογίες γεννητριών του συγκεκριμένου είδους καθώς και μια στοιχειώδης ανάλυση της θεωρίας τους. Παρουσιάζεται η πλήρης γενική διαστασιολόγηση αυτών των γεννητριών στην οποία συμπεριλαμβάνεται η εύρεση των ονομαστικών μεγεθών λειτουργίας και των διαστάσεων βασικών στοιχείων αυτών. Βρίσκονται οι διαστάσεις των μαγνητών και των πηνίων καθώς και το συνολικό κόστος, βάρος και όγκος των γεννητριών σε όλες τις ισχύς όπου και θα χρησιμεύσουν στην διαδικασία της βελτιστοποίησης. Βασισμένη στην παραπάνω διαστασιολόγηση ακολουθεί η βελτιστοποίηση με τις μεθόδους Particle Swarm Optimization (PSO) και Homogeneous Particle Swarm Optimization (HPSO) αφού πρώτα έχει γίνει αναλυτική αναφορά στην θεωρία των συγκεκριμένων αλγόριθμων βελτιστοποίησης που χρησιμοποιούνται. Οι μεταβλητές που βελτιστοποιούνται είναι ο λόγος πλάτους μαγνήτη προς πλάτος πολικού βήματος ai και ο λόγος εσωτερικής προς εξωτερική ακτίνα kd με κριτήρια το κόστος, την μάζα, τον όγκο και την απόδοση. Ακόμα χρησιμοποιούνται συνδυασμοί αυτών των κριτηρίων στην περίπτωση βελτιστοποίησης με την μέθοδο HPSO. Παρουσιάζονται τα αποτελέσματα αναλυτικά με πίνακες αποτελεσμάτων και γραφικές παραστάσεις και γίνεται σύγκριση των αποτελεσμάτων με χρήση του μαγνήτη Ν40 και του μαγνήτη Ν45. Στην συνέχεια γίνεται θερμική ανάλυση σύγχρονης γεννήτριας 3 KW όπου αφού γίνει ανάλυση της σχετικής θεωρίας, χρησιμοποιείται το μοντέλο συγκεντρωμένων παραμέτρων και συγκρίνονται τα αποτελέσματα με τις πειραματικές μετρήσεις. Τέλος συζητούνται τα αποτελέσματα και κατατίθενται βελτιωτικές προτάσεις.

Subject of the present work is the study and optimization of small axial flux coreless permanent magnet generators for wind energy rural applications, at a range of nominal power from 3 to 6 KW. An introduction is made on the principles of appropriate technology applications while the basic concepts of energy transformations of the wind generator are presented. A comparison between AFPM and RFPM is conducted and a theoretical analysis is also presented. The complete sizing process of these generators is presented, including the determination of the nominal operating conditions and the total set of dimensions of the generator’s parts. The dimensions of coils and magnets are determined as well as the total cost, weight and volume of the generators which are going to be use in the process of optimization. According to the previous approach the design is optimized with PSO and HPSO methods while analysing the theory of these optimizing algorithms. The pole arce to pole pitch ratio and the ratio of the internal to the external diameter are optimized for lower cost, mass, volume and higher efficiency. Also combinations of these criteria are optimized with the HPSO method. The results of these combinations and a comparison for magnet grades N40 and N45 are presented. Further on, the thermal analysis of a 3 KW is examined. The relevant theory is analysed and the thermal model of lumped parameter is used. The results are compared with the experimental thermal measurements. Finally, conclusions are drawn and proposals for improvements and further work are presented.