Hidroelektrik generatör tasarımında optimizasyon teknikleri
Optimization techniques in design of hydroelectric generator
Yazar: İSMAİL TOPALOĞLU
Danışman: PROF. DR. OSMAN GÜRDAL
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Teknik Eğitim Bölümü / Elektrik Eğitimi Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2009
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Enerji = Energy ; Teknik Eğitim = Technical Education

Özet:
Günümüzde sürekli olarak artan elektrik enerjisi talebi, tüm dünyayı gittikçe tükenmekte olan fosil yakıtlara alternatif enerji kaynakları arayışına yöneltmiştir. Yenilenebilir enerji kaynakları olarak adlandırılan bu kaynaklar içinde en fazla tüketileni su gücüdür. Bu nedenle büyük güçlü hidroelektrik santrallerin yanı sıra küçük ölçekli santraller kurularak dünyada mevcut su potansiyelinin elektrik enerjisine dönüştürülmesinde maksimum fayda sağlamak önemlidir. Kurulmuş ve kurulacak olan bu santrallerde enerji çevrimaracı olarak generatörler kullanılmaktadır. Enerji üretiminde kullanılan generatörlerin tasarımı oldukça karmaşık ve deneyim gerektiren bir süreçtir. Optimizasyon bilimde, mühendislikte, ekonomide, yönetimde, endüstride ve diğer alanlarda sıklıkla ve artan bir şekilde kullanılan yeni bir konudur. Son yıllarda geliştirilen optimizasyon teknikleri sayesinde hidrogeneratör tasarımında bu tekniklerin kullanılmasıyla beraber generatörlerden maksimum verim alınması, boyutlarının küçülmesi ve hacim başına kullanılan aktifmateryal kullanımının azalması gibi önemli sonuçlar elde edilmiştir. Türkiye'de ve dünyada hidroelektrik potansiyeli üzerinde durulmuştur. Çalışmanın konusu içerisinde yer alan hidroelektrik santraller hakkında kısaca bilgi verilmiştir. Türkiyede enerji verimliliği ve çalışmanın amacı özetlendikten sonra, literatürözeti ve hidrogeneratör tasarımı üzerinde durulmuş, elektromanyetik tasarım, boyutlandırma ve ısıl tasarım konularında bilgi verilmiştir. Elektrik makinalarının tasarımında kullanılan ve çalışmanın amacını oluşturanhidrogeneratör tasarımında kullanılan optimizasyon teknikleri incelenmiş ve bu teknikler hakkında bilgi verilmiştir. İkinci dereceden hassasiyet analizi içeren geliştirilmiş bir tasarım hassasiyet analizi denklemi sunulmuştur. Özellikle hidrogeneratörün fiziki yapısı, karakteristik değerleri ve çalışma parametreleriüzerinde durulmuştur. Generatör çalışma durumunda ve boşta makine performansını etkileyen geçici ve alt geçici reaktanslar, direnç, verim, faz akımları, hava aralığı akı yoğunlukları ve kullanılan malzeme miktarları gibi büyüklükler simülasyon sonucu olarak elde edilmiştir. Giriş tasarımı yapılan hidrogeneratöre ait optimizasyon parametreleri belirlenip boyut optimizasyonu yoluyla maliyet'i azaltmak ve verimi arttırmak için çalışmalar yapılıp ilk simülasyon sonuçlarıyla karşılaştırılmıştır. İlk tasarımdan elde edilen sonuçlar ve geliştirilen teknikle yapılan sonuçlar sunulmuştur.

Abstract:
Today, continuously increasing electrical energy demand is directed the world to investigate of alternative energy sources instead of fossil fuels. The most consupted one of these that called renewable energy sources is hydro-electrical power. Therefore, it is important to maximum benefit from this potential. Ahydrogenerator is used for energy conversion in power plants that is established and will be set up. It is very complex and need to experiment to design of hydrogenerator. Optimization Theory and Methods is a young subject in applied mathematics, computational mathematics and operations research which haswide applications in science, engineering, business management, military and space technology. Last years, optimization theory and techniques are used for design of hydrogenerator. As a result, decrease machine size, increase efficiency and low cost. Hydro-electrical potential is explained in Turkey and also the world. Hydro-electrical power plants, components, and construction stages are described. Energy efficiency has been discussed in Turkey, after summarized the aim of study. Design of hydrogenerator, electromagnetic design, sizing and thermal design subject are explained in detailed. Each methods in design of electrical machines and hydrogenerator are explained in the investegated optimization techniques. An improved second order sensitivity analysis based on numerical approach equation to shape optimization is presented. Technical information are given about hydrogenerator, particularly, physical structure, characteristic values, curves, and operation parameters of hydrogenerator are analyzed. These values are effects machine performance in generator operating situation, such as transient and sub-transient reactance, effective resistance, voltage regulation, airgap flux density, efficiency etc, are determined by simulation progress. Optimization parameters of hydrogenerator are determined to optimise such as SCR (short circuit ratio) and stator bore diameter. As a result, simulation result and optimisation results are compared. Conclusion information is presented.