Modeling, hardware-in-the-loop simulations and control design for a vertical axis wind turbine with high solidity
Yüksek katılıklı bir dikey eksenli rüzgar türbini için modelleme, döngüde donanım simülasyonları ve kontrol tasarımı
- Tez No: 444571
- Danışmanlar: PROF. DR. SERHAT YEŞİLYURT, DOÇ. DR. AHMET ONAT
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Enerji, Mekatronik Mühendisliği, Energy, Mechatronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2016
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Sabancı Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 162
Özet
Dikey eksenli rüzgar türbinleri tüm-yönlü ve basit tasarımlarından dolayı yüzey rüzgarları gibi hızlı yön değiştiren, fırtınalı ve türbülanslı rüzgarlarda avantajlıdırlar. Dolayısıyla, küçük-ölçekli bir dikey eksenli rüzgar türbini hem kentsel alanlarda, mesela bir binanın tepesinde, hem de taşınabilir bir jeneratör olarak kullanılabileceği bütünleşik şebeke sistemlerinden uzak kırsal alanlarda elverişlidir. Bu tezde, küçük ölçekli, üç düz kanatlı ve yüksek katılıklı dikey eksenli rüzgar türbini, elektromekanik ve güç elektroniği bileşenleri ve kontrolörden oluşan sistemin genel performansının değerlendirilmesinde kullanılacak bir yöntem sunulmaktadır. Bu yaklaşımın öne çıkan özellikleri geçerli bir hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) modeli ve bir döngüde donanım simülasyonu (DDS) kullanılmasıdır. Zamana bağlı, iki boyutlu HAD modeli eylemsizliğe ve jeneratör yüküne bağlı olarak türbinin rotor dinamikleriyle bağlaştırılmıştır. DDS düzeneği bir elektrik motoru, bir dişli kutusu, bir doğrultucu ve bir programlanabilir elektronik yükten oluşmaktadır. Bu sistemde, elektrik motoru dikey eksenli rüzgar türbininin rotoruna benzetilmektedir. DDS elektromekanik enerji dönüşümünün genel performansa etkisini incelemek ve kontrol algoritmalarını gerçek zamanlı olarak denemek için kullanılmaktadır. Türbinin değişken hızlı kontrolü için, maksimum güç noktası izleyici ve model öngörülü kontrol algoritmaları ile model öngörülü kontrolü taklit edecek basit bir kontrol tasarlanmış ve test edilmiştir. Elde edilen sonuçlara göre, rotor dinamiğiyle bağlaşık HAD modeli rotorun atalet etkileri ve geribeslemeli kontrol de dahil olmak üzere dikey eksenli rüzgar türbininin gerçekçi geçici performansının değerlendirilmesinde etkili bir araçtır; elektromekanik enerji dönüşümünün dikey eksenli rüzgar türbini sisteminin güç karakteristikleri ve verimliliği üzerinde önemli bir etkisi vardır; model öngörülü kontrol ve model öngörülü kontrolü taklit eden kontrol algoritmaları enerji üretimindeki gelecek kazançlar için anlık olarak maksimum güçten saplamalara izin vererek enerji çıkışı açısından maksimum güç noktası izleyicilerinden daha iyi performans göstermektedirler; ve tüm kontrolörler basamak rüzgar, rüzgar hamlesi ve gerçek rüzgar koşullarında başarılı şekilde çalışmaktadırlar.
Özet (Çeviri)
Vertical axis wind turbines (VAWTs) are advantageous in gusty, turbulent winds with rapidly changing direction such as surface winds by the virtue of their omnidirectional and simple design. Thus, a small-scale VAWT is favorable in urban areas, e.g., on top of a building, as well as in rural areas away from integrated grid systems where it can be used as a portable generator. In this thesis, a methodology is presented for the assessment of overall performance for a small-scale VAWT system that consists of a three-straight-bladed rotor with high solidity, electromechanical and power electronics components and controller. Salient features of this approach include a validated computational fluid dynamics (CFD) model and a hardware-inthe- loop (HIL) simulation. The time-dependent, two-dimensional CFD model is coupled with the dynamics of the rotor subject to inertia and generator load. The HIL test-bed consists of an electrical motor, a gearbox, a generator, a rectifier and a programmable electronic load. In this setup, the electrical motor emulates the VAWT rotor. The HIL simulation is used to study the impact of electromechanical energy conversion on the overall performance and to evaluate control algorithms in real-time. For variable-speed control of the turbine, maximum power point tracking (MPPT) and model predictive control (MPC) algorithms and a simple MPC-mimicking control are designed and tested. According to results, the coupled CFD model is an effective tool in evaluation of the realistic transient behavior of the VAWT including the inertial effects of the rotor and the feedback control; the electromechanical energy conversion has a profound effect on the power characteristics and the efficiency of the VAWT system; the MPC and MPC-mimicking control algorithms outperform the MPPT algorithms in terms of energy output by allowing deviations from the maximum power instantaneously for future gains in energy generation; and all of the controllers perform satisfactorily under step wind, wind gust and real wind conditions
Benzer Tezler
- A model based flight control system design approach for micro aerial vehicles using integrated flight testing and hil simulations
Küçük boyutlu insansız hava araçları üzerinde sistem tanılama, uçuş kontrol sistem tasarımı ve donanım ile benzetim uygulamaları
BURAK YÜKSEK
Doktora
İngilizce
2019
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÖKHAN İNALHAN
- Hardware in the loop system development for modeling and control of multirotor vehicles
Multi rotorlu hava araçlarının modellenmesi ve kontrolü için donanım çevrimli benzetim sistemi tasarımı
MUHSİN HANÇER
Yüksek Lisans
İngilizce
2017
Havacılık Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. İSMAİL BAYEZİT
- Design of an intelligent boost pressure controller for a series sequential turbocharged diesel engine
Seri bağlı aşırı doldurma sistemine sahip dizel motorlar için akıllı manifold basıncı kontrolcüsü tasarımı
MUSTAFA ENGİN EMEKLİ
Doktora
İngilizce
2015
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BİLİN AKSUN GÜVENÇ
- İki ayaklı yürüyen robot için kontrol sistemi geliştirilmesi
Control system development for bipedal walking robot
NUMAN MERT TAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2012
Mekatronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ZEKİ YAĞIZ BAYRAKTAROĞLU
- Deep reinforcement learning approach in control of Stewart platform- simulation and control
Stewart platformunun kontrolünde derin pekistirmeli öğrenme yaklaşımıc- simülasyon ve kontrol
HADI YADAVARI
Doktora
İngilizce
2023
Mekatronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SERHAT İKİZOĞLU
DR. ÖĞR. ÜYESİ VAHİT BARIŞ TAVAKOL