Havai rüzgar enerji sistemleri için çift modlu enerji dönüşüm ünitesinin çok fizikli analitik tasarımı ve optimizasyonu
Analytical design and multiphysics optimization of a dual mode energy conversion unit for airborne wind energy systems
Yazar: ESRA ÇELİK
Danışman: DOÇ. DR. MUHAMMET GARİP ; DOÇ. DR. KADİR ERKAN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Mekatronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Mekatronik Mühendisliği = Mechatronics Engineering

Özet:
Son yıllarda geleneksel rüzgar türbini teknolojilerinin teknik ve ekonomik sınırlamaları, yüksek irtifa ve havaî rüzgar enerji sistemlerine yönelik önemli araştırmalara yol açmıştır. Bu çalışma, entegre tip havaî rüzgar enerji sistemi için çok modlu çalışan bir elektrik makinesinin tasarımını ve optimizasyonunu kapsamaktadır. Tasarım süreci, çoklu-fiziksel bir yaklaşımla analitik elektromanyetik modelin ve çok amaçlı genetik algoritmaların (MOGA) kullanımını içermektedir.
Analitik elektromanyetik model, sürekli mıknatıs senkron makine (SMSM) için geliştirilmiş ve tasarım sürecinde kullanılmıştır. Güç yoğunluğunu artırmak amacıyla kobalt-demir manyetik malzeme tercih edilmiştir. Makine, 600 V DC gerilim koşullarında optimize edilmiş ve iki boyutlu sonlu elemanlar yöntemi (SEY) ile doğrulanmıştır. Bu optimizasyon sonucunda, makinenin 1.8 kW/kg güç yoğunluğuna ve \%96 verimliliğe ulaştığı belirlenmiştir.
Termal analizler, makinenin hem motor hem de generatör modlarında sargı ve mıknatıs sıcaklıklarının kritik eşiklerin altında kaldığını doğrulamıştır. Ayrıca, mekanik dayanıklılık analizleri, stator yüzeyindeki kayma gerilmesinin belirtilen limitlerin altında olduğunu ve tasarımın mekanik açıdan güvenilir olduğunu göstermiştir.
Bu çalışma, entegre tip havaî rüzgar enerji sistemleri için yüksek performanslı ve güvenilir bir makine tasarımının başarıyla gerçekleştirildiğini ve elde edilen sonuçların tasarımın pratikteki etkinliğini doğruladığını ortaya koymaktadır.

Abstract:
In recent years, the technical and economic limitations of conventional wind turbine technologies have led to significant research efforts focused on high-altitude and airborne wind energy systems. This study encompasses the design and optimization of an electric machine operating in multiple modes for a flying-generator airborne wind energy system. The design process incorporates a multi-physical approach using an analytical electromagnetic model and multi-objective genetic algorithms.
The analytical electromagnetic model has been developed for a Surface-Mounted Permanent Magnet Synchronous Machine (SMPSM) and utilized throughout the design process. Cobalt-iron magnetic material was selected to enhance power density. The machine was optimized under 600 V DC voltage conditions and validated using two-dimensional Finite Element Method (FEM) analysis. As a result of this optimization, the machine achieved a power density of 1.8 kW/kg and an efficiency of 96\%.
Thermal analyses confirmed that the temperatures of the windings and magnets remain below critical thresholds in both motor and generator modes. Additionally, mechanical durability analyses demonstrated that the shear stress on the stator surface is within specified limits, indicating the mechanical reliability of the design.
This study successfully demonstrates the design of a high-performance and reliable machine for airborne wind energy systems with a flying generator, and the results validate the effectiveness of the design in practical applications.