Süperiletken rüzgar türbini jeneratörlerinin elektromanyetik termal ve mekanik özelliklerinin incelenmesi
Electromagnetic thermal and mechanical study of superconducting wind turbine generators
Yazar: ABDURRAHMAN ERCİYAS
Danışman: PROF. DR. FEDAİ İNANIR ; DOÇ. DR. ÖNDER YARGI
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı / Fizik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Dönen makineler = Rotating machinery ; Rüzgar türbinleri = Wind turbines ; Sonlu elemanlar yöntemi = Finite element method ; Süper iletkenler = Superconductors ; Yüksek sıcaklık = High temperature

Özet:
Dünya üzerinde elektrik talebi günden güne artarken nükleer atıkların depolanması günümüzde hala sorun teşkil etmekte ve fosil yakıt tüketimine bağlı olarak çevre, küresel olarak ciddi zarar görmektedir. Bu nedenle yenilenebilir enerji kaynaklarından elektrik enerjisi üretimi ulusal ve uluslararası yasalarla teşvik edilmekte ve küresel eğilim bu yönde hız kazanmaktadır. Bu tezin amacı 10 MW gücünde bir rüzgâr türbin jeneratörünün (RTJ) tasarımı için genel bir yol belirlemek ve bu yolu takip ederek uygun tasarımı yapmaktır. Bununla birlikte A-V formülasyonuna dayalı yeni bir yöntem geliştirmek ve bu yöntemle tasarımın elektromanyetik, termal ve mekanik olarak analizini gerçekleştirmektir. Rotor sargıları için Yüksek Sıcaklık Süperiletken (YSS) kaplamalı iletkenler ile yenilikçi bir 10 MW düşük hızlı, doğrudan tahrikli süperiletken jeneratörün temel tasarım parametrelerini belirledik. Simülasyonlarda, jeneratörün süperiletken sargıları bulunan bir kompozit rotoru vardır. Manyetik perdeleme için stator ferromanyetik elektrik çeliğinden yapılmıştır. Rotor çekirdeği ve stator oda sıcaklığındayken süperiletken bobinler 20 K'de çalışmaktadır. Hesaplamalar, sonlu elemanlar yöntemiyle Comsol Multiphyics programı kullanılarak yapılmıştır. Süperiletken jeneratörün elektromanyetik tasarım parametreleri, manyetik akı dağılımları, faz akımı, gerilim ve kayıp dağılımları hesaplanmıştır. Ayrıca süperiletken alan sargısında akım artışı sırasında ortaya çıkan AC kayıpları, süperiletkenin lineer olmayan akım-gerilim ilişkisini kullanan Maxweel denklemlerinin hem H- hem de AV- formülasyonları kullanılarak ayrı ayrı hesaplanmıştır. Süperiletken bobinlerin akım dağılımı ve manyetik alan dağılımı, hacimsel kayıp yoğunluğunun dağılımı ve her bir bobin tabakası kayıplarının karşılaştırılması detaylı olarak incelenmiş ve tartışılmıştır. Son olarak süperiletken sargının termal ve mekanik özellikleri analiz edilmiştir.

Abstract:
While the demand for electricity in the world is increasing day by day, the storage of nuclear waste is still a problem today and the environment is seriously damaged on a global scale due to fossil fuel consumption. For this reason, electricity generation from renewable energy sources is encouraged by national and international laws, and the global trend in this direction is gaining momentum. The aim of this thesis is to present a general approach for the design of a 10MW wind turbine generator (WTG) and to create a suitable design based on it. In addition, studies have been carried out to develop a new analysis method based on the A-V formulation that can be used for electromagnetic, thermal and mechanical analysis. For this purpose, the basic design parameters of an innovative 10MW, low-speed, direct-drive superconducting generator with High Temperature Superconductor (HTSC) coated rotor winding conductors were established. The simulations were run with a composite rotor generator containing superconducting windings. The stator was made of ferromagnetic electrical steel for magnetic shielding. The superconducting coils operated at 20K while the rotor core and stator were at room temperature. Calculations were performed using the finite element method via Comsol Multiphysics software. Electromagnetic design parameters, magnetic flux distributions, phase current, voltage and loss distributions of the superconducting generator were calculated. In addition, the AC losses that occur during the current increase in the superconducting field winding were calculated using both the H- and A-V formulations of Maxweel's equations using the non-linear current-voltage relationship of the superconductor. The current distribution and magnetic field distribution of the superconducting coils, the distribution of the volumetric loss density and the comparison of the losses of each coil layer were examined and discussed in detail. Finally, the thermal and mechanical properties of the superconducting winding were analysed.