Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Thermal Analysis of a Sea Wave Generator
KTH, School of Electrical Engineering (EES), Electric Power and Energy Systems.
2017 (English)Independent thesis Advanced level (degree of Master (Two Years)), 20 credits / 30 HE creditsStudent thesis
Abstract [en]

Wave power has been increasing the interest of many researchers looking for alternative sustainable energy sources since the reserves have proved to be capable of satisfying a considerable percentage of the world´s energy demands. This option has not been adopted as a sustainable source since there are some challenges in the process of designing a low cost device that converts the kinetic energy of the waves into electric energy and that could still be efficient enough to be competitive against other options. A new proposal from Anders Hagnestål looks like a very promising way of moving forward in this field. The structure of this newly proposed generator includes neodymium magnets that at temperatures over 60°C might suffer irreversible demagnetization, compromising the normal functioning of the machine. Because of the electrical losses in iron components, overheating is a possibility that must be studied. The aim of this study is to find the temperature distribution of the components that are subject to changing magnetic fields (where the losses will occur). This will be done for a variety of cases regarding environmental and working conditions with the purpose of determining if the generator will need a cooling technique to avoid damage to the magnets. The studied structure consists of a stator and a translator conformed by iron, FR4, glass fiber and, of course, the magnets. The task at hand was carried out first through a one-dimensional analytical model, then through a two-dimensional analytical model and finally by means of simulations on Comsol Multiphysics (Computer-Aided-Engineering software). All of the aforementioned methods implicate assumptions that deviate from reality, but are still useful for the task at hand. Results from the 1D calculation turned out to be unreliable due to the numerous approximations but helped to prove and understand the effect of each of the environmental conditions on the temperature distribution. On the other hand, the 2D calculations and the simulations had a very good agreement which provides some reliability. Furthermore, said results showed that the components might even reach temperatures as high as 380°C under certain conditions. As this number is clearly over the safe limit of the magnets, it was concluded that cooling techniques are needed to ensure the safety of the generator. After some discussion with Hagnestål, cooling methods were proposed. In addition to this, the seemingly most appropriate option was pointed out with the intention of achieving a low-enough temperature and keeping the costs as low as possible. This alternative was a combination of modifying geometric parameters (which would ultimately reduce heat generation) and inducing a low velocity air flow.

Abstract [sv]

Vågkraft är en hittills outnyttjad förnybar energikälla som i framtiden kan tillgodose i storleksordningen 10 % av världens energibehov, om de tekniska utmaningarna kan lösas så att vågkraft kan levereras till konkurrenskraftiga priser. Därmed finns också ett starkt intresse från både akademi och näringsliv att lösa dessa utmaningar. Anders Hagnestål håller på att utveckla en ny linjär generatortyp som enligt beräkningar slår alla befintliga lösningar för effektomvandling för vågkraft med bred marginal. Maskinen har dock komplex geometri, och det är svårt att beräkna dess prestanda. Maskinen innehåller neodymmagneter, vilka kan avmagnetiseras om de blir för varma där 60°C kan ses som en gräns då magneterna börjar påverkas. Om magneterna avmagnetiseras blir maskinen svagare. Eftersom magneterna upphettas av virvelströmmar i magneterna och förluster i omgivande elektroplåt, är det av intresse att göra en termisk analys av maskinen vilket är syftet med detta examensarbete. Målet är att beräkna temperaturutbredningen i maskinens olika delar vid olika driftsfall, och se om man behöver tillföra extern kylning av maskinen för att skydda magneterna. Maskinen består av en translator som omsluter den inre statorn där magneterna är lokaliserade, vilka är byggda av fiberkompositer, elektroplåt, rostfritt stål och neodymmagneter. Beräkningar gjordes först med en endimensionell analytisk modell, därefter med en tvådimensionell analytisk modell och slutligen med numeriska beräkningar i 2D med det kommersiella finita elementmetodberäkningsprogrammet Comsol Multiphysics. Samtliga dessa modeller har avvikelser från det verkliga fallet, men är ändå användbara och ger en fingervisning om hur den termiska situationen för maskinen kan se ut. 1D-beräkningarna visade sig innehålla lite för grova approximationer för att ge pålitliga resultat, men gav en del intuitiv insikt om problemet. Den analytiska 2D-beräkningen stämde bra överens med Comsol-beräkningen, vilket indikerar att beräkningarna är korrekta. Resultaten visade på mycket höga temperaturer i vissa driftsfall utan kylsystem, 380 °C, vilket är en indikator på att antingen någon form av kylning förmodligen behövs, i.a.f. i en del driftsfall, eller att värmeförlusterna i den delen av generatorn behöver minskas genom t.ex. att pollängden ökas. En kombination av luftflöden med låg hastighet och förändrad geometri har föreslagits i examensarbetet för att minska temperaturen.

Place, publisher, year, edition, pages
2017. , p. 56
Series
TRITA-EE, ISSN 1653-5146 ; 2017:056
Keywords [en]
sea wave power generator, magnet overheating, demagnetization, heat transfer, conjugate heat transfer, thermal resistance, Comsol Multiphysics, cooling technique
National Category
Electrical Engineering, Electronic Engineering, Information Engineering
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-209197OAI: oai:DiVA.org:kth-209197DiVA, id: diva2:1110795
Supervisors
Examiners
Available from: 2017-06-16 Created: 2017-06-16 Last updated: 2017-06-16Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(2945 kB)38 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 2945 kBChecksum SHA-512
23f95fd3e3d06eb4bb26da898d468029a04c5151d06dbf1b4f92f5977efa7d16be08b45615259ab41e228113726865b1fc1c79e90ecb7effac8a60c4ba46f2b7
Type fulltextMimetype application/pdf

By organisation
Electric Power and Energy Systems
Electrical Engineering, Electronic Engineering, Information Engineering

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 38 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

urn-nbn

Altmetric score

urn-nbn
Total: 85 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf