Design of a modular, axial-flux direct drive permanent magnet generator for wind turbines
Rüzgar türbinleri için modüler, eksenel akılı doğrudan sürüşlü kalıcı mıknatıslı bir generatör tasarımı
- Tez No: 489461
- Danışmanlar: YRD. DOÇ. DR. OZAN KEYSAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2018
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 176
Özet
Rüzgar enerjisi teknolojisi, yenilenebilir enerji uygulamaları açısından daha önemli hale gelmektedir. Teorik olarak maksimum rüzgar enerjisi kullanımı bilinmektedir (Betz tarafından bu oran %59 olarak belirlenmiştir) ve türbin kanadı üretimindeki bozukluklar gerçek enerjiyi kullanılabilir enerjinin altına düşürmektedir.Bu nedenle, generatör topolojilerinden maksimum enerji üretimi beklenmektedir. Rüzgar türbini hata istatistiklerine göre, olayların çoğu dişli kutusu arızalarından kaynaklanmaktadır. Mekanik ve ısıl kayıplar da yine aktarma organı kayıplarından kaynaklanmaktadır. Bu tez çalışmasında, eksenel akılı kalıcı mıknatıslı doğrudan sürüşlü (AFPM DD) topoloji yüksek enerji üretimi, modüler yapısı sayesindeki düşük bakım periyotları ve eksenel uzunluk avantajları yüzünden araştırılmıştır. Önerilen generatör 12 rpm'de 5MW çıkış gücüne sahiptir. Hava çekirdekli generatörde, harici stator eksenel akı konsepti kullanılacaktır. Tasarımın analitik parametrelerini belirlenmesinde, genetik algoritma (GA) optimizasyonu kullanılmıştır. Bu tezde, daha gerçekçi bir tasarım elde edebilmek için, maliyet bazlı optimizasyon 9 farklı rüzgar hızı koşulu altında gerçekleştirilmiştir. Rüzgar hızı bilgisi, Çanakkale/Türkiye'de bulunan örnek bir rüzgar santralinin (WPP) gerçek saha bazlı ölçüm değerlerinden alınmıştır. Algoritma önerilen AFPM generatör tasarım parametreleri hesaplamalarını ticari bir 5MW kalıcı mıknatıslı senkron generatörün (PMSG) yukarıda bahsedilen rüzgar koşulları altındaki güç üretim referansını baz alarak hesaplamıştır. Buna ek olarak, algoritma ayrıca rüzgar hızı istatistiklerini ve ilgili üretim gelirlerini göz önünde bulundurmuştur. Analitik tasarım yönteminin geçerliliğini doğrulamak için ilk başta örnek bir 50 kW AFPM tasarımı SEA (Sonlu Eleman Analizi) kullanılarak benzetilmiş daha sonra hava aralığı manyetik akı yoğunluğu ve endüklenen emf gibi kritik parametreler analitik sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Tasarlanan generatörün karşılaştırma sonuçları önerilen analitik tasarım yöntemini desteklemektedir. Tasarlanan 5MW/12 rpm modüler generatörün detaylı elektromanyetik ve mekanik yönleri ve benzetim sonuçları sunulmuş ve SEA kullanılarak doğrulanmıştır. Önerilen tasarımda, kalıcı mıknatısların (PM) toplam maliyet içindeki katkısı en fazla iken PM kütlesinin toplam kütle için en az baskın bileşen olduğu gözlemlenmiştir. Seçilen doğrudan sürüş konseptinden kaynaklı yüksek çapına rağmen önerilen generatörün diğer MW seviyesindeki rakiplerine göre eksenel uzunluk avantajı vardır. Modüler tasarım konseptiyle; kurulum maliyetleri, kurulum ve bakım için gerekli vinç maliyetleri, taşıma maliyetleri ve devre dışı kalma maliyetleri düşürülebilir.“Güvenilirlik”,“Modülerlik”ve“Arıza-toleransı”nın artan önemi hesaba katıldığında, önerilen modüler AFPM generatör sisteminin karada ve denizdeki MW seviyesindeki rüzgar enerjisi kazanım teknolojilerine önemli katkı yapması beklenmektedir.
Özet (Çeviri)
Wind energy technology is becoming more important issue in terms of renewable energy applications. Theoretical maximum of wind energy utilization is known (which is predetermined by Betz as 59%) and generally imperfections in blade manufacture reduce the actual energy yield of the turbine less than the useable energy. Therefore, maximum energy yield from generator topology is desired. According to fault statistics of wind turbines, most of the cases are related to gear-box failures. Mechanical losses and heat losses are again result from these gear-box drive train systems. In this thesis, axial flux permanent magnet direct drive (AFPM DD) topology is investigated because of its high energy yield, lower maintenance periods due to its modular direct-drive concept and axial length advantages. Proposed generator has an electrical output power of 5 MW at 12 rpm. Outer stator axial flux concept will be used in the air-cored generator. Genetic Algorithm (GA) Optimization is used in determining analytical parameters of the design. In this thesis, cost based optimization procedure is carried under 9 different wind speed conditions in order to get a more realistic design. Wind speed data are taken from real field based measurement values of a sample wind power plant (WPP) located in Çanakkale, Turkey. The algorithm calculated the design parameters of the proposed AFPM generator based on a power generation reference of a commercial 5 MW Permanent Magnet Synchronous Generator (PMSG) wind turbine under aforementioned wind conditions. In addition, the algorithm also considers the wind speed time probabilistic and related generation incomes.In order to verify the validity of analytical design method, first a sample 50 kW AFPM design is simulated by using FEA (Finite Element Analysis) and then critical parameters such as air gap flux density, and induced emf values are compared with the analytical results. Comparison of the results of the designed generator supported the proposed analytical design method. Detailed electromagnetic and mechanical aspects of the designed 5MW/12 rpm modular generator and its simulation results are presented and verified by using FEA comparison. It is observed that in the proposed design, PMs contribute most in the total cost while PM mass is the least dominant component in total mass. Proposed generator has axial length advantage over other MW level generator counterparts although it suffers from a large diameter due to the selected direct-drive concept. Installation costs, crane costs for maintenance and installation, transportation costs and downtime costs can be reduced with modular design concept. When increasing importance of“reliability”,“modularity”and“fault-tolerance”taken into account, it is expected that the proposed modular AFPM generator system will contribute significantly in the MW level wind energy harvesting technologies both in onshore and offshore.
Benzer Tezler
- Sincap kafesli asenkron makinenin rotor alan yönlendirmeli kontrolü
Rotor field-orientation control of a squirrel cage induction machine
SAFFET ALTAY
Yüksek Lisans
Türkçe
1995
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF.DR. M. EMİN TACER
- Design of a modular orthopedic implant
Modüler ortopedik implant tasarımı
ONUR MERT ERKAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2015
Makine MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ERGİN TÖNÜK
- Bir güç aktarım şaftını kombine yüklemeler altında test edebilecek modüler test düzeneği tasarımı
Design of modular test rig to test a power transmission shaft under combined loads
MEHMET OĞUZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Makine MühendisliğiGazi ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MEHMET FATİH AYCAN
- A Development of computer programs on the analysis and computer aided design of space trusses for practical engineering usage
Başlık çevirisi yok
ULUĞ CAM
Yüksek Lisans
İngilizce
1994
İnşaat MühendisliğiDokuz Eylül Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
MEHMET ERŞEN ÜLKÜDAŞ
- Özel bir piston ve kilit mekanizmasına sahip yüksek başlangıç ivmeli göğüs kompresyon cihazının tasarımı, simülasyonu ve üretimi
Design, simulation, and fabrication of a high initial acceleration automatic chest compression device with a special piston and locking mechanism
AHMET KAĞIZMAN
Doktora
Türkçe
2024
Biyomühendislikİstanbul Teknik ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. VOLKAN SEZER