Multi-level-objective design optimization of permanent magnet synchronous wind generator and solar photovoltaic system for an urban environment application

This Ph.D. thesis illustrates a novel study on the analytical and numerical design optimization of radial-flux permanent magnet synchronous wind generators (PMSGs) for small power generation in an urban area, in which an outer rotor topology with a closed-slot stator is employed. The electromagnetic advantages of a double-layer fractional concentration non-overlapping winding configuration are discussed. The analytical behavior of a PMSG is studied in detail; especially for magnetic flux density distribution, time and space harmonics, flux linkages, back-EMF, cogging torque, torque, output power, efficiency, and iron losses computation. The electromagnetic behavior of PMSGs are evaluated when a number of various Halbach array magnetization topologies are presented to maximize the generator’s performance. In addition, the thermal behavior of the PMSG is improved using an innovative natural air-cooling system for rated speed and higher to decrease the machine’s heat mainly at the stator teeth. The analytical investigation is verified via 2-D and 3-D finite element analysis along with a good experimental agreement. Design optimization of electrical machines plays the deterministic role in performance improvements such as the magnetization pattern, output power, and efficiency maximization, as well as losses and material cost minimization. This dissertation proposes a novel multi-objective design optimization technique using a dual-level response surface methodology (D-RSM) and Booth’s algorithm (coupled to a memetic algorithm known as simulated annealing) to maximize the output power and minimize material cost through sizing optimization. Additionally, the efficiency maximization by D-RSM is investigated while the PMSG and drive system are on duty as the whole. It is shown that a better fit is available when utilizing modern design functions such as mixed-resolution central composite (MR-CCD) and mixed-resolution robust (MR-RD), due to controllable and uncontrollable design treatments, and also a Window-Zoom-in approach. The proposed design optimization was verified by an experimental investigation. Additionally, there are several novel studies on vibro-acoustic design optimization of the PMSGs with considering variable speed analysis and natural frequencies using two techniques to minimize the magnetic noise and vibrations. Photovoltaic system design optimization considered of 3-D modeling of an innovative application-oriented urban environment structure, a smart tree for small power generation. The horizon shading is modeled as a broken line superimposed onto the sun path diagram, which can hold any number of height/azimuth points in this original study. The horizon profile is designed for a specific location on the Barcelona coast in Spain and the meteorological data regarding the location of the project was also considered. Furthermore, the input weather data is observed and stored for the whole year (in 2016). These data include, ambient temperature, module’s temperature (open and closed circuits tests), and shading average rate. A novel Pareto-based 3-D analysis was used to identify complete and partial shading of the photovoltaic system. A significant parameter for a photovoltaic (PV) module operation is the nominal operating cell temperature (NOCT). In this research, a glass/glass module has been referenced to the environment based on IEC61215 via a closed-circuit and a resistive load to ensure the module operates at the maximum power point. The proposed technique in this comparative study attempts to minimize the losses in a certain area with improved output energy without compromising the overall efficiency of the system. A Maximum Power Point Track (MPPT) controller is enhanced by utilizing an advanced perturb & observe (P&O) algorithm to maintain the PV operating point at its maximum output under different temperatures and insolation. The most cost-effective design of the PV module is achieved via optimizing installation parameters such as tilt angle, pitch, and shading to improve the energy yield. The variation of un-replicated factorials using a Window-Zoom-in approach is examined to determine the parameter settings and to check the suitability of the design. An experimental investigation was carried out to verify the 3-D shading analysis and NOCT technique for an open-circuit and grid-connected PV module.Esta tesis muestra un novedoso estudio referente al diseño optimizado de forma analítica y numérica de un generador síncrono de imanes permanentes (PMSGs) para una aplicación de microgeneración eólica en un entorno urbano, donde se ha escogido una topología de rotor exterior con un estator de ranuras cerradas. Las ventajas electromagnéticas de los arrollamientos fraccionarios de doble capa, con bobinas concentradas se discuten ampliamente en la parte inicial del diseño del mismo, así como las características de distribución de la inducción, los armónicos espaciales y temporales, la fem generada, el par de cogging así como las características de salida (par, potencia generada, la eficiencia y la distribución y cálculo de las pérdidas en el hierro que son analizadas detalladamente) Posteriormente se evalúan diferentes configuraciones de estructuras de imanes con magnetización Halbach con el fin de maximizar las prestaciones del generador. Adicionalmente se analiza la distribución de temperaturas y su mejora mediante el uso de un novedoso diseño mediante el uso de ventilación natural para velocidades próximas a la nominal y superiores con el fin de disminuir la temperatura de la máquina, principalmente en el diente estatórico. El cálculo analítico se completa mediante simulaciones 2D y 3D utilizando el método de los elementos finitos así como mediante diversas experiencias que validan los modelos y aproximaciones realizadas. Posteriormente se desarrollan algoritmos de optimización aplicados a variables tales como el tipo de magnetización, la potencia de salida, la eficiencia así como la minimización de las pérdidas y el coste de los materiales empleados. En la tesis se proponen un nuevo diseño optimizado basado en una metodología multinivel usando la metodología de superficie de respuesta (D-RSM) y un algoritmo de Booth (maximizando la potencia de salida y minimizando el coste de material empleado) Adicionalmente se investiga la maximización de la eficiencia del generador trabajando conjuntamente con el circuito de salida acoplado. El algoritmo utilizado queda validado mediante la experimentación desarrollada conjuntamente con el mismo. Adicionalmente, se han realizado diversos estudios vibroacústicos trabajando a velocidad variable usando dos técnicas diferentes para reducir el ruido generado y las vibraciones producidas. Posteriormente se considera un sistema fotovoltaico orientado a aplicaciones urbanas que hemos llamado “Smart tree for small power generation” y que consiste en un poste con un generador eólico en la parte superior juntamente con uno o más paneles fotovoltaicos. Este sistema se ha modelado usando metodologías en 3D. Se ha considerado el efecto de las sombras proyectadas por los diversos elementos usando datos meteorológicos y de irradiación solar de la propia ciudad de Barcelona. Usando una metodología basada en un análisis 3D y Pareto se consigue identificar completamente el sistema fotovoltaico; para este sistema se considera la temperatura de la célula fotovoltaica y la carga conectada con el fin de generar un algoritmo de control que permita obtener el punto de trabajo de máxima potencia (MPPT) comprobándose posteriormente el funcionamiento del algoritmo para diversas situaciones de funcionamiento del sistemaLa tesis desenvolupa un nou estudi per al disseny optimitzat, analític i numèric, d’un generador síncron d’imants permanents (PMSGs) per a una aplicació de microgeneració eòlica en aplicacions urbanes, on s’ha escollit una configuració amb rotor exterior i estator amb ranures tancades. Es discuteixen de forma extensa els avantatges electromagnètics dels bobinats fraccionaris de doble capa així com les característiques resultats vers la distribució de les induccions, els harmònics espacials i temporals, la fem generada, el parell de cogging i les característiques de sortida (parell, potencia, eficiència i pèrdues) Tanmateix s’afegeix l’estudi de diferents estructures Halbach per als imants permanents a fi i efecte de maximitzar les característiques del generador. Tot seguit s’analitza la distribució de temperatures i la seva reducció mitjançant la utilització d’una nova metodologia basada en la ventilació natural. Els càlculs analítics es complementen mitjançant anàlisi en 2 i 3 dimensions utilitzant elements finits i diverses experiències que validen els models i aproximacions emprades. Una vegada fixada la geometria inicial es desenvolupen algoritmes d’optimització per a diverses variables (tipus de magnetització dels imants, potencia de sortida, eficiència, minimització de pèrdues i cost dels materials) La tesi planteja una optimització multinivell emprant la metodologia de superfície de resposta i un algoritme de Booth; a més, es realitza la optimització considerant el circuit de sortida. L’algoritme resta validat per la experimentació realitzada. Finalment, s’han considerat diversos estudis vibroacústic treballant a velocitat variable, emprant dues tècniques diferents per a reduir el soroll i les vibracions desenvolupades. Per a finalitzar l’estudi es considera un sistema format per una turbina eòlica instal·lada sobre un pal de llum autònom, els panells fotovoltaics corresponents i el sistema de càrrega. Per a modelitzar l’efecte de l’ombrejat s’ha emprat un model en 3D i les dades del temps i d’irradiació solar de la ciutat de Barcelona. El model s’ha identificat completament i s’ha generat un algoritme de control que considera, a més, l’efecte de la temperatura de la cèl·lula fotovoltaica y la càrrega connectada al sistema per tal d’aconseguir el seguiment del punt de màxima potenci