Rüzgâr türbinlerinde kullanılacak radyal akılı sürekli mıknatıslı senkron generatörün benzetimi ve veriminin iyileştirilmesi
Simulation and efficiency improvement of a radial flux permanent magnet synchronous generator for wind turbines
Yazar: BURAK ARINCI
Danışman: PROF. DR. KAMURAN NUR BEKİROĞLU
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Makinaları ve Güç Elektroniği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Makine tasarımı = Machine design ; Rüzgar enerjisi = Wind energy ; Rüzgar türbinleri = Wind turbines ; Sonlu elemanlar yöntemi = Finite element method ; Sürekli mıknatıslı senkron motorlar = Permanent magnet synchronous motors

Özet:
Günümüzde fosil yakıtların giderek artan tüketimine bağlı olarak yenilenebilir enerji sistemlerinin değeri daha da öne çıkmaktadır. Böylelikle güneş, biyokütle, rüzgâr gibi önemli yenilenebilir enerji teknolojileri her gün gelişmekte ve üzerine çalışmalar yapılmaktadır. Yenilenebilir enerji sistemleri içerisinde dinamik bir kaynak olan rüzgâr enerjisi, çok önemli bir yer tutmaktadır. Ülkemizde ve dünyada her geçen gün rüzgâr enerjisinin önemi artarken, buna bağlı olarak birçok yenilik ve teknoloji eklenmekte, var olan sistemler gelişip, değişmektedir. Rüzgâr enerjisinden elektrik enerjisi elde edebilmek için rüzgâr türbinlerinde kullanılan generatörlerden faydalanılmaktadır. Bu generatörlerden, sürekli mıknatıslı senkron generatörün (SMSG) benzetimi ve veriminin iyileştirilmesi üzerine, tez çalışmamızda incelemeler yapılmıştır. SMSG, dişli kutusunu barındırmaması ve ekstra bir uyartıma ihtiyaç duymaması sebebiyle büyük avantaj sağlamaktadır. Bu durum dolayısıyla, sargı ve dişli arızalarının azlığından, açık deniz rüzgâr türbinlerinde daha çok tercih edilmektedir. Çalışmamızda, 20 kW gücünde ve 128 d/d, iç rotorlu, yüzey mıknatıslı rüzgâr türbininin benzetimi, alınan referans generatörün ANSYS Maxwell Programı'nda "Sonlu Elemanlar Yöntemi" (SEY) ile simülasyon çalışması yapılarak veriminin iyileştirilmesi hedeflenmiştir. Kullanılan manyetik malzemenin çeşidi, mıknatıs kalınlığı, stator oluk yapıları, hava aralığının genişliği, kutup yayının kutup adımına oranı ve makine paket boyu değiştirilip; diğer parametreler sırasıyla sabit tutulduğunda, makine verimine ve vuruntu momentine etkileri incelenmiş, ardından bilgisayar programında çıkan sonuçlar karşılaştırılmıştır. Referans generatörün verimi, yapılan benzetimler sonucunda, temelde, hava aralığının azaltılması, mıknatıs malzemenin çeşidi ve stator oluk parametrelerinin değiştirilmesine bağlı olarak %92,452'den %93,1954'e çıkarılmıştır. Vuruntu momentinin ise yaklaşık 6,97 Nm'den, revizyonlar neticesinde 0,30 Nm'ye çekildiği gözlenmiştir.

Abstract:
Today, the value of renewable energy systems comes to the fore even more due to the increasing consumption of fossil fuels. Thus, important renewable energy technologies such as solar, biomass and wind are developing and studies are being carried out every day. Wind energy, which is a dynamic resource in renewable energy systems, has a very important place. While the importance of wind energy is increasing day by day in our country and in the world, many innovations and technologies are added accordingly, and existing systems are developing and changing. In order to obtain electrical energy from wind energy, generators used in wind turbines are used. In our thesis study, the simulation of Permanent Magnet Synchronous Generator (SMSG) and the improvement of efficiency, these generators with different characteristics were examined. SMSG provides a great advantage as it does not contain the gearbox and does not need any extra stimulation. Due to this situation, winding and gear failures are less, it is more preferred in offshore wind turbines. In our study, it is aimed to simulate a 20 kW power and 128 rpm internal rotor, surface magnet wind turbine, and to improve the efficiency of the reference generator by performing a simulation study with the "Finite Element Method" (FEM) in ANSYS Maxwell Program. The type of magnetic material, the thickness of the magnet, the stator slot structures, the width of the air gap, the ratio of the pole arc to the pole pitch and the machine package length are changed; When other parameters are kept constant, their effects on machine efficiency and the cogging torque are examined, and then the results obtained in the computer program are compared. As a result of the simulations, the efficiency of the reference generator was increased from 92.452% to 93.1954%, depending on the reduction of the air gap, the type of magnet material and the change of the stator slot parameters. It was observed that the cogging torque was reduced from approximately 6.97 Nm to 0.30 Nm as a result of the revisions.