Κατασκευη μικρής ανεμογεννήτριας στο ΕΜΠ

Μια πολύ ενδιαφέρων κατασκευή μια μικρής Aνεμογεννήτριας που κατασκευάστηκε εξολοκλήρου από φοιτητές του ΕΜΠ. Στο άρθρο παρουσιάζονται βασικά στοιχειά για την λειτουργία της ανεμογεννήτριας, τις εφαρμογές της, τα πλεονεκτήματα αλλά και τα μειονεκτήματα και φυσικά στοιχειά για την κατασκευή της.

 Το κείμενο υπογραφουν οι κ.Κ. ΛΑΤΟΥΦΗΣ, κ.Π. ΚΟΤΣΑΜΠΟΠΟΥΛΟΣ, κ.Κ. ΠΑΝΤΖΙΡΗΣ, κ.Ν. ΧΑΤΖΗΑΡΓΥΡΙΟΥ. με στοιχειά επικοινωνίας στο latoufis@power.ece.ntua.gr. Πηγή άρθρου ΕΛΕΤΕΑΝ.

Οι μικρές ανεμογεννήτριες μπορούν να χρησιμοποιηθούν είτε σε αυτόνομες εγκαταστάσεις είτε για τη σύνδεση στο δίκτυο χαμηλής τάσης σε μία λογική ανάλογη με τα φωτοβολταϊκά με το πλεονέκτημα του χαμηλότερου κόστους. 

Μία μικρή ανεμογεννήτρια ονομαστικής ισχύος 850W που διαθέτει σύγχρονη γεννήτρια μονίμων μαγνητών κατασκευά στηκε εξολοκλήρου από φοιτητές του ΕΜΠ, με βάση τα σχέδια του Hugh Piggott (www.scoraigwind.com), σύμφωνα με τις αρχές σχεδιασμού της ενδιάμεσης τεχνολογίας.

 Με την ολοκλήρωσή της τοποθετήθηκε στην οροφή των παλιών κτιρίων ηλεκτρολόγων του Ε.Μ.Π και συνδέθηκε με το μικροδίκτυο του εργαστηρίου Συστημάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας (εικόνα 1).

Η επίβλεψη της διαδικασίας έγινε από τον καθηγητή ΕΜΠ και αναπληρωτή διευθύνοντα σύμβουλο της ΔΕΗ Ν. Χατζηαργυρίου.

Τα βασικά πλεονεκτήματα της συγκεκριμένης ανεμογεννήτριας είναι η υψηλή απόδοση της γεννήτριας της, λόγω της απουσίας σιδήρου στον στάτη, η απουσία κιβωτίου ταχυτήτων χάρη στον μεγάλο αριθμό πόλων της γεννήτριας, η μηδενική ροπή ευθυγράμμισης λόγω της απουσίας αυλάκων, που επιτρέπει την εκκίνησή της σε χαμηλότερους ανέμους και η δυνατότητα ιδιοκατασκευής της χρησιμοποιώντας απλά υλικά.

Το βασικό σχέδιο της ανεμογεννήτριας έχει κατασκευαστεί σε πολλές χώρες, έχει αποτελέσει τη βάση εμπορικού προϊόντος και έχει κατασκευαστεί σε σχολεία και πανεπιστημιακά ιδρύματα.

Σχεδιασμός βασισμένος στην ενδιάμεση τεχνολογία

Η ενδιάμεση τεχνολογία, είναι ένας τρόπος αντίληψης της τεχνολογίας ως μία ενεργή συνιστώσα στην καθημερινή διαμόρφωση των κοινωνικών σχέσεων. Εμπεριέχει την αντίληψη πως οι ανθρώπινες κοινωνίες χρειάζεται να έχουν την δυνατότητα να αποφασίζουν για το μέλλον τους, και πως η ενδιάμεση τεχνολογία μπορεί να τις ενδυναμώσει προς αυτή την κατεύθυνση. Η μικρή ανεμογεννήτρια (Α/Γ)

κατασκευάστηκε στα πλαίσια εφαρμογών ενδιάμεσης τεχνολογίας, κυρίως απευθυνόμενες σε αγροτικές περιοχές του αναπτυσσόμενου κόσμου, προσπαθώντας να ικανοποιεί συγκεκριμένα κριτήρια.

Οι εφαρμογές ενδιάμεσης τεχνολογίας, με βάση ο Consortium for Sustainable Village Based Development  έχουν τα ακόλουθα χαρακτηριστικά:

Απαιτούν μικρό αρχικό κεφάλαιο: Η μικρή Α/Γ που κατάσκευάστηκε έχει συνολικό κόστος πρώτων υλών 600 ευρώ, χωρίς να συμπεριλαμβάνεται το κόστος του ιστού.

Δίνουν έμφαση στην χρήση τοπικών πρώτων υλών, έτσι ώστε να μειωθεί το κόστος και τα προβλήματα ανεφοδιασμού.

Τα υλικά της Α/Γ είναι ξύλο, χάλυβας, πολυεστερική ρητίνη, χαλκός και μαγνήτες νεοδυμίου.

Όλα τα υλικά μπορούν να βρεθούν τοπικά εκτός από τους μαγνήτες που έχουν αγοραστεί από το εξωτερικό.

Είναι πιο παραγωγικές από πολλές παραδοσιακές τεχνολογίες, αν και χρειάζονται σχετικά εντατική εργασία κατά την κατασκευή τους: Η Α/Γ που κατασκευάστηκε χρειάστηκε 600 εργατοώρες από ανειδίκευτους φοιτητές για να ολοκληρωθεί, αλλά παράγει ηλεκτρική ενέργεια που μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε πλήθος εφαρμογών.

Είναι αρκετά μικρές σε κλίμακα, έτσι ώστε να είναι οικονομικά προσιτές σε οικογενειακό ή κοινοτικό επίπεδο

Αυτού του τύπου η Α/Γ μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε ένα οικιακό σύστημα ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, είτε σε DC σύστημα για την φόρτιση συσσωρευτών, είτε σε AC σύστημα στα πλαίσια ενός κοινοτικού μικροδικτύου.

Είναι δυνατή η κατανόηση της λειτουργίας τους, ο έλεγχός τους και η συντήρησή τους από τους ανθρώπους που χρησιμοποιούν την τεχνολογία χωρίς εξειδικευμένη εκπαίδευση: Η κατασκευή της Α/Γ έγινε από ομάδα προπτυχιακών φοιτητών του ΕΜΠ, χωρίς εξειδικευμένες μηχανουργικές γνώσεις. Η συγκεκριμένη κατασκευή έχει υλοποιηθεί σε πολλά μέρη του κόσμου με την μορφή ολιγοήμερου πρακτικού και θεωρητικού σεμιναρίου, δίνοντας έτσι την δυνατότητα κατανόησης, ελέγχου και συντήρησης στους χρήστες.

Μπορεί να παραχθεί η τεχνολογία σε μικρές βιοτεχνίες ή εργαστήρια χωριών και κοινοτήτων: Η Α/Γ κατασκευάστηκε σε μικρό μηχανουργείο στην κατασκήνωση «Μελτέμι» στην Ραφήνα, με τον βασικό εξοπλισμό ενός μικρού εργαστηρίου.

Προϋποθέτουν την συλλογική εργασία της κοινότητας για την βελτίωσή των συνθηκών διαβίωσης.

Συνολικά εργάστηκαν πέντε άτομα για την ολοκλήρωση της κατασκευής σε διάστημα τριών μηνών.

Προσφέρουν ευκαιρίες για την συμμετοχή του τοπικού πληθυσμού σε αλλαγές και βελτιώσεις της τεχνολογίας και της διαδικασίας παραγωγής της: Οι φοιτητές που έχουν συμμετάσχει στο εργαστήριο κατασκευής της Α/Γ, έχουν την δυνατότητα να εξοικειωθούν με τις βασικές έννοιες λειτουργίας και σχεδιασμού γεννητριών, αεροδυναμικής και με την χρήση βασικών μηχανουργικών εργαλείων και

τεχνικών κατασκευής. Έτσι, αποκτάται η δυνατότητα τροποποίησης του σχεδιασμού της Α/Γ, όπως και βελτίωσης της διαδικασίας κατασκευής.

Είναι ευέλικτες και μπορούν να προσαρμοστούν σε διαφορετικά μέρη και μεταβαλλόμενες συνθήκες. 

Η Α/Γ μπορεί να σχεδιαστεί για σύνδεση σε AC ή DC σύστημα και για διαφορετικές τιμές ονομαστικής ισχύος. Επίσης, υπάρχει μια πληθώρα εναλλακτικών υλικών που μπορούν να χρησιμοποιηθούν, όπως πχ. ο κέδρος για την κατασκευή των πτερυγίων, δίνοντας έτσι έμφαση σε τοπικά υλικά που βρίσκονται σε αφθονία.

Μπορούν να χρησιμοποιηθούν στην παραγωγή χωρίς να προκαλούν βλάβες στο περιβάλλον

 Η χρήση και η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από μία ανανεώσιμη πηγή, όπως είναι ο άνεμος, μειώνει την κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας από συμβατικές ρυπογόνες μορφές. Βέβαια, κατά την παραγωγή ορισμένων υλικών που χρησιμοποιούνται στην κατασκευή της Α/Γ, προκαλούνται ρύποι (πχ. στην παραγωγή χάλυβα) και επίσης χρησιμοποιούνται ορισμένα χημικά υλικά και παράγωγα πετρελαίου, όπως η πολυεστερική ρητίνη.

Η κατασκευή της ανεμογεννήτριας.

Για την κατασκευή των πτερυγίων της ανεμογεννήτριας χρησιμοποιήθηκε ξύλο σουηδικού πεύκου το οποίο είναι ελαφρύ, εύκολο στην επεξεργασία, έχει καλή αντοχή και δεν παρουσιάζει προβλήματα κόπωσης, οπότε ενδείκνυται για μικρές κατασκευές που πραγματοποιούνται χωρίς καλούπια.

Χρησιμοποιώντας εργαλεία ξυλουργικής δόθηκε το επιθυμητό αεροδυναμικό σχήμα στα πτερύγια (εικόνα 2).

Στη συνέχεια κατασκευάστηκε από ξύλο μηχανή χειρός για την περιέλιξη των πηνίων, πραγματοποιήθηκαν οι περιελίξεις και η κατάλληλη συνδεσμολογία. Τα πηνία τοποθετήθηκαν σε καλούπι που κατασκευάστηκε από κόντρα πλακέ. Έγινε έγχυση μείγματος πολυεστερικής ρητίνης, καταλύτη και ταλκ ώστε να σχηματοποιηθεί η πλάκα του στάτη, η οποία ενισχύθηκε με φύλλα από υαλονήματα (εικόνα 3).

Ο δρομέας αποτελείται από δύο χαλύβδινους δίσκους περιμετρικά των οποίων είναι τοποθετημένοι μόνιμοι μαγνήτες. Παρακείμενοι μαγνήτες έχουν αντίθετη πολικότητα όπως και αντικριστοί μαγνήτες στους απέναντι δίσκους.  

Για επιπλέον μηχανική αντοχή οι χαλύβδινοι δίσκοι τοποθετήθηκαν σε καλούπια και έγινε έγχυση ρητίνης (εικόνα 4).

Θεωρητικές μελέτες, μετρήσεις και βελτιώσεις.

Το μαγνητικό πεδίο της γεννήτριας προσομοιώθηκε με τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων σε κατάλληλο λογισμικό, καθώς και οι επιδόσεις της γεννήτριας, και πραγματοποιήθηκαν πειραματικές μετρήσεις στο εργαστήριο Ηλεκτρικών Μηχανών του ΕΜΠ.

Παράλληλα, υλοποιήθηκε βελτιωμένη σχεδίαση της γεννήτριας για μελλοντικές εφαρμογές. Προσομοιώθηκε η λειτουργία της ανεμογεννήτριας που κατασκευάστηκε για τη σύνδεση απευθείας σε συσσωρευτές και για τη σύνδεση με μετατροπέα MPPT σε ζυγό DC.

Μετά από διερεύνηση προέκυψε πως με τη σύνδεση αυτεπαγωγής κατάλληλης τιμής αυξάνεται σημαντικά η ετήσια ενεργειακή απόδοση σε σχέση με την απευθείας σύνδεση χωρίς όμως να γίνεται βέλτιστη αξιοποίηση του ανέμου όπως φαίνεται στο σχήμα 1.

Η μέθοδος με τη σύνδεση αυτεπαγωγής είναι απλούστερη, πιο αξιόπιστη και έχει χαμηλότερο κόστος από τη λειτουργία με μετατροπέα MPPT και συμβαδίζει με τη λογική της ενδιάμεσης τεχνολογίας.