Erneuerbare Energie, auch als grüne oder saubere Energie bekannt, wird aus natürlichen Prozessen gewonnen, die sich über kurze Zeiträume regenerieren und nicht erschöpft werden können. Die am häufigsten verwendeten erneuerbaren Energiequellen sind Biomasse, Geothermie, Wasserkraft, Sonne und Wind. Im Wesentlichen führt die Erzeugung sauberer Energie nicht zur Entstehung von Umweltverschuldung. Darüber hinaus verschmutzen die bei der Erzeugung dieser Energie verwendeten Technologien weniger oder gar nicht, während sie auch keine Ressourcen verbrauchen, die nicht einfach erneuert werden können.
Welche Rolle spielt erneuerbare Energie in den USA?
Bis Mitte des 19. Jahrhunderts war Holz die wichtigste Energiequelle, die den gesamten US-Bedarf für Heizen, Kochen und Licht abdeckt. Nach der industriellen Revolution ist die Umstellung neuer Herstellungsverfahren mit neuen Energiequellen verbunden. Erstens waren die fossilen Kohlen lange Zeit die Hauptenergieversorgung. Später und nach der Entdeckung von Erdöl und Natur hat sich die Karte der verbrauchten Energieressourcen Gas erneut geändert. In jüngerer Zeit haben Nuklear-, Wasserkraft- und erneuerbare Energien mehr Platz in der US-Energiewende gewonnen. Abbildung 1 zeigt die Entwicklung des Energieverbrauchs nach Hauptquellen in den USA von 1700 bis heute [1].
Abbildung 3 - Entwicklung des Energieverbrauchs in den USA
Aus Abbildung 2 geht hervor, dass erneuerbare Energien etwa 11 Billionen britische Wärmeeinheiten (Btu) produzieren, was 11% des gesamten US-amerikanischen Energiebedarfs entspricht. Etwa 57% des US-amerikanischen Verbrauchs erneuerbarer Energien entfiel auf den Stromsektor, und etwa 17% der US-amerikanischen Stromerzeugung stammten aus erneuerbaren Energiequellen [1].
Erneuerbare Energien spielen eine wichtige Rolle bei der Reduzierung der Treibhausgasemissionen. Der Einsatz erneuerbarer Energien kann den Einsatz fossiler Brennstoffe reduzieren, die die Hauptquelle für die Kohlendioxidemissionen in den USA darstellen.
Die Nutzung erneuerbarer Energien hat sich von 2000 bis 2017 dank der Ermutigung von Bund und Ländern mehr als verdoppelt. Die US Energy Information Administration geht davon aus, dass der Verbrauch erneuerbarer Energien in den USA bis 2050 weiter steigen wird.
Abbildung 2 - US-Energieverbrauch nach Energiequelle
Die Windenergie macht mehr als ein Viertel der gesamten erneuerbaren Energien aus (siehe Abbildung oben). Der Wind ist eine saubere, kostenlose und leicht verfügbare erneuerbare Energiequelle. Weltweit erfassen Windturbinen jeden Tag die Windenergie und wandeln sie in Strom um. Diese Quelle der Energieerzeugung spielt eine immer wichtigere Rolle bei der Stromversorgung unserer Welt. Diese Windkraftanlagen verwenden verschiedene Arten elektrischer Generatoren, wie beispielsweise Dreiphasen-Axialflussmaschinen.
Entwurf und Simulation eines PM-Axialflussgenerators für Windkraftanlagen mit EMS und SOLIDWORKS Motion
Permanentmagnet (PM) -Maschinen haben in vielen Anwendungen und Bereichen andere Arten von elektrischen Maschinen ersetzt. Hohe Energiedichte, hohe Zuverlässigkeit der PM-Werkstoffe, hohe Korrosionsbeständigkeit und Entmagnetisierung sind die Hauptvorteile der zunehmenden Entwicklung von PM-Generatoren. Die neuen PM-Materialien reagieren weniger empfindlich auf Temperaturschwankungen. Design und Entwicklung von Windkraftanlagen stellen folgende Hauptanforderungen:
- Einfacher Aufbau
- Leicht
- Hohe Ausgangsleistung
- Generierung mit variabler Geschwindigkeit
- Kostengünstig
Die moderne Leistungselektronik, die sich durch einen höheren Wirkungsgrad, geringere Verluste und einen geringeren Temperaturanstieg, weniger komplizierten Betrieb und geringere Kosten auszeichnet, bietet die Möglichkeit, die Ausgangsspannung und Frequenz des Generators an die Systemanforderungen anzupassen. Verschiedene PM-Maschinen werden verwendet, um Windenergie wie PM-Synchronmaschine, PM-Axialflussgenerator usw. umzuwandeln.
In diesem Artikel wird eine 3-Phasen-PM-Axialflussmaschine analysiert. Diese Art von Maschinen kann kern- oder kernlos sein und sie werden aus vielen Gründen verwendet, wie zum Beispiel wegen ihres hohen Wirkungsgrades, ihrer Wirtschaftlichkeit, ihrer kompakten Größe und ihres geringen Gewichts usw. Es wurde in [2] gezeigt, dass die Axialflussmaschinen besser abschneiden Ergebnisse im Vergleich zu Radialflussmaschinen. Es wurde festgestellt, dass der Axialflussgenerator kostengünstiger ist. Darüber hinaus wird der Axialfluss-Permanentmagnetgenerator mit kernlosem Stator als Maschine mit hoher Leistungsdichte für Energieerzeugungssysteme angesehen [3].
Das vorgeschlagene Modell ist in Abbildung 3 dargestellt. Es besteht aus SOLIDWORKS CAD. Der Stator besteht aus 9 verseilten Spulen, die die drei Wicklungsphasen bilden. Jede Phase gruppiert 3 Reihenspulen mit insgesamt 90 Windungen. Es wird in der Mittelebene der Maschine zwischen den beiden Seiten des Rotors (Ober- und Unterseite) eingesetzt. Jede Rotorseite besteht aus 12 Permanentmagneten und einem laminierten Stahlkern. Tabelle 1 zeigt die Eigenschaften des für die Permanentmagnete verwendeten Neodym-Magneten 4212, während 4 die für die Rotorkerne verwendete BH-Kurve von M-19 enthält.
Abbildung 3 - 3D-Modell des simulierten Axialflussgenerators.
Tabelle 1 - PM-Materialeigenschaften | Relative Durchlässigkeit | Remanenz (Tesla) | Koerzitivfeldstärke (A/m) |
| N4212 | 1,205 | 1,35 | 891268 |
4 - BH-Kurve von M-19. SOLIDWORKS Bewegungskopplung
EMS, als Plug-in in SOLIDWORKS, kann elektromagnetische Felder mit der SOLIDWORKS-Bewegungsanalyse koppeln. Diese Kupplung kombiniert sowohl mechanische als auch magnetische Lasten.
Im Falle eines Generators wird das mit SOLIDWORKS motion gekoppelte EMS-Transientenmodul verwendet, um die induzierte Spannung bei jeder Phase zu berechnen. Der Rotor dreht sich mit einer Drehzahl von 1000 U/min.
Die Simulation wird für 0,01s durchgeführt. Abbildung 5 zeigt die SOLIDWORKS Bewegungsstudie.
Abbildung 5 - SOLIDWORKS Bewegungsstudie. EMS vernetzt die simulierte Geometrie mit tetraedrischen Elementen. Die Gesamtzahl der Elemente hängt von den Abmessungen und der Form der Modellgeometrie ab. Mit EMS kann die Maschengröße auf bestimmten Körpern oder Oberflächen gesteuert werden, um die Genauigkeit der Ergebnisse in diesen Zonen zu verbessern. Unten sehen Sie das Netzmodell.
Abbildung 6 - Maschenmodell
Ergebnisse
Momentane magnetische Ergebnisse werden vom EMS Transient-Modul berechnet und generiert. Das Transientenmodul von EMS wird verwendet, um momentane magnetische Größen wie Magnetfluss, Magnetkraft und -drehmoment, Wirbelströme, elektromagnetische Verluste, induzierte Spannungen, Induktivitäts- und Widerstandsmatrizen usw. zu berechnen Ganzes Modell und Vektordiagramm in den Magneten bei 5,5 ms. Das Vektordiagramm zeigt die Magnetisierungsrichtung des PM. Sie sind axial magnetisiert. 9 zeigt das Magnetfelddiagramm bei 10 ms. Die 10 und 11 enthalten jeweils eine Winkelverschiebung und eine Geschwindigkeit des Rotors. Die Rotordrehzahl liegt konstant bei 1000 U/min.
Abbildung 7 - Streifenplot der magnetischen Flussdichte bei 55 ms
Abbildung 8 - Vektordiagramm der magnetischen Flussdichte bei 55 ms
Abbildung 9 - Magnetfeldintensitätsdiagramm bei 10 ms
Abbildung 10 - Winkelverschiebung 
Abbildung 11 - Winkelverschiebung
Fig. 12 zeigt die induzierte Spannung bei jeder Phase gegen die Zeit. Das berechnete Signal hat eine sinusförmige Form. Die induzierten Spannungsverläufe haben einen Maximalwert von 37V. Die Signalfrequenz wird anhand der Zeitdauer einer Phase berechnet. Die aus 12 extrahierte Zeitdauer beträgt 0,008333 s, was zu einer Frequenz von 120 Hz führt. Die induzierten Spannungen des untersuchten Axialflussgenerators sind ein sinusförmiges Signal mit folgenden Eigenschaften: Amplitude=37 V, Frequenz=120 Hz. Abbildung 13 zeigt die Ergebnisse der Flusskopplung in Abhängigkeit vom Rotorwinkel. Es hat die gleiche Form der induzierten Spannungen. Der Widerstand jeder Phase beträgt 0,45 Ohm. Es ist zeitlich konstant, da die Spulen verseilt sind (Wirbelströme werden vernachlässigt) und der verwendete Stahl keine elektrische Leitfähigkeit aufweist. Die statische Induktivität beträgt 0,146 H. Die dynamische Induktivität jeder Phase ist in Abbildung 14 dargestellt.
Abbildung 12 - Induzierte Spannungen
Abbildung 13 - Flussgestänge im Verhältnis zum Rotorwinkel
Abbildung 14 - Dynamische Induktivitäten
Abbildung 15 zeigt eine Animation der magnetischen Flussdichte über der Zeit.
Abbildung 15 - Animation der magnetischen Flussdichte über der Zeit
Fazit
Die Entwicklung und Verbesserung sauberer Energiequellen schreitet aufgrund der hohen Nachfrage zu schnell voran. Es ist ein Hauptakteur, der dazu beiträgt, die globale Erwärmung zu verringern. Unter diesen Energiequellen wird Wind zur Erzeugung elektrischer Energie verwendet. Onshore- und Offshore-Windparks werden installiert, um Windenergie zu sammeln und in Elektrizität umzuwandeln. Diese Windenergieanlagen können aufgrund ihrer Vorteile wie geringen Kosten und müheloser Konstruktion mit einem Axialflussgenerator ausgestattet werden. EMS hat eine hohe Fähigkeit gezeigt, diese Art von elektrischen Maschinen zu analysieren und zu untersuchen. Die Kopplung mit SOLIDWORKS motion ermöglichte es, elektromagnetische und mechanische Eingaben zu vereinen, um vollständige Ergebnisse wie induzierte Spannungen, dynamische Induktivität und Widerstand, Geschwindigkeit, Verschiebung usw. zu erzielen. Dies hilft, effiziente Maschinen in kürzerer Zeit zu konstruieren und Prototypen zu erstellen.
Verweise
[1]: https://www.eia.gov/energyexplained/?page=renewable_home
[2]: Pop AA, Jurca F, Oprea C, Chirca M, Breban S, Radulescu, MM. Axial-flux vs. radial-flux permanent-magnet synchronous generators for micro-wind turbine application. In: 15th European conference power electronics and applications; 2014; p. 1–10.
[3]: Caricchi, F. Crescimbini, O. Honorati, G. Lo Bianco, E. Santini.Performance of coreless- winding axial-flux permanent-magnet generator with power output at 400 Hz, 3000 r/min. IEEE Trans Ind Appl, 34 (1988), pp. 1263-1269
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