Rüzgar türbinleri için karşılaştırmalı kalıcı mıknatıslı senkron generatör tasarımı ve analizi

Abstract

Fosil yakıtlı kaynakların sınırlı olması ve yakın bir zamanda tükeneceği gerçeği tüm dünyanın yenilenebilir enerji kaynaklarına olan ilgisini arttırmaktadır. Türkiye enerji üretiminin yaklaşık %60'ını fosil kaynaklı yakıtlardan karşılamaktadır. Ülkemizdeki mevcut oranın daha da düşürülebilmesi için hidroelektrik, rüzgâr, güneş, jeotermal, biyokütle, dalga ve akıntı gibi yenilenebilir enerji kaynaklarının ekonomiye kazandırılması ve enerji kaynak çeşitliliğinin artırılması gerekmektedir. Aynı zamanda rüzgâr enerjisi, hidroelektrik enerjiden sonra ikinci sırada yer alan en yaygın yenilenebilir enerji kaynağıdır. Rüzgâr enerjisi santrali kurulumu sektöründe yerli şirketlerin yer almasına rağmen mevcut işletmelerde kullanılan rüzgâr türbinlerinin çoğu yabancı firmalardan ithal edilmektedir. Dolayısıyla rüzgâr enerjinin yaygınlaştırılmasının yanı sıra yerli ve yüksek verimli rüzgâr türbin sistemlerinin üretimine ihtiyaç duyulmaktadır. Aksi takdirde rüzgâr enerjisi sektöründe dışa bağımlılık devam edecektir. Bu tez çalışmasında rüzgâr türbin uygulamaları için konsantre ve dağıtılmış sargılı iki farklı 20 kW anma güçlü doğrudan tahrikli kalıcı mıknatıslı senkron generatör tasarımı ve analizi gerçekleştirilmiştir. Dolayısıyla oluk kutup kombinasyonunun ve sarım tipinin generatör çıkış performansına olan etkileri incelenmiştir. KMSG'ün matematiksel modellemesinden istifade edilerek MATLAB GUI ara yüz bileşeninde analitik tasarım simülasyon programı hazırlanmıştır. Bu programda elde edilen sonuçlar sonlu elemanlar analizi sonuçlarıyla da karşılaştırılmıştır. Tasarımda kullanılan analiz programları ANSYS'in RMXprt, Maxwell 2D ve Simplorer bileşenleridir. Yapılan her iki tasarım karşılaştırıldığında konsantre sargılı KMSG'ün düşük vuruntu momentine, düşük toplam harmonik bozuluma ve yüksek verime sahip olduğu elde edilmiştir.Anahtar Kelimeler: Rüzgâr türbini, doğrudan tahrikli KMSG, konsantre ve dağıtılmış sargı, tasarım ve analiz programı, sonlu elemanlar yöntemi.

The limited availability of fossil-fueled resources and the fact that they will soon be consumed will increase the interest of the whole world to renewable energy sources. Approximately 60% of Turkey's energy production supplies from fossil fuels. Renewable energy sources such as hydroelectric, wind, solar, geothermal, biomass, wave and stream must be earned an economy and energy resource diversity must be increased in order to further reduce the current rate in our country. At the same time, wind energy is the second most common renewable energy source after hydraulic energy. Despite the presence of domestic companies in the wind energy plant installation sector, most of the wind turbines used in the existing plant are imported from foreign companies. Therefore, in addition to the expansion of wind energy, there is a need for the production of domestic and high efficiency wind turbine systems. Otherwise, external dependency will continue in the wind energy sector. In this thesis, two different 20 kW rated direct-drive permanent magnet synchronous generator designs and analyzes were carried out for concentrated and distributed windings for wind turbine applications. Therefore, the effects of the slot pole combination and the winding type on the generator output performance have been investigated. An analytical design simulation program was prepared in the MATLAB GUI interface component by using the mathematical modeling of PMSG. The results obtained in this program are also compared with the results of the finite element analysis. The analysis programs used in the design are RMxprt, Maxwell 2D and Simplorer components of ANSYS. Compared with the two designs, the concentrated winding PMSG was found to have low cogging torque, low total harmonic distribution and higher efficiency.Keywords: Wind turbine, direct-drive PMSG, concentrated and distributed winding, design and analysis program, analysis of finite element methods.