Lightweight, liquid-cooled, direct-drive generator for highpower wind turbines: motivation, concept, and performance

Thesis: A liquid-cooled, direct-drive, permanent-magnet, synchronous generator with helical, double-layer, non-overlapping windings formed from a copper conductor with a coaxial internal coolant conduit offers an excellent combination of attributes to reliably provide economic wind power for the coming generation of wind turbines with power ratings between 5 and 20MW. A generator based on the liquid-cooled architecture proposed here will be reliable and cost effective. Its smaller size and mass will reduce build, transport, and installation costs. Summary: Converting wind energy into electricity and transmitting it to an electrical power grid to supply consumers is a relatively new and rapidly developing method of electricity generation. In the most recent decade, the increase in wind energy’s share of overall energy production has been remarkable. Thousands of land-based and offshore wind turbines have been commissioned around the globe, and thousands more are being planned. The technologies have evolved rapidly and are continuing to evolve, and wind turbine sizes and power ratings are continually increasing. Many of the newer wind turbine designs feature drivetrains based on Direct-Drive, Permanent-Magnet, Synchronous Generators (DD-PMSGs). Being low-speed high-torque machines, the diameters of air-cooled DD-PMSGs become very large to generate higher levels of power. The largest direct-drive wind turbine generator in operation today, rated just below 8MW, is 12m in diameter and approximately 220 tonne. To generate higher powers, traditional DD-PMSGs would need to become extraordinarily large. A 15MW air-cooled direct-drive generator would be of colossal size and tremendous mass and no longer economically viable. One alternative to increasing diameter is instead to increase torque density. In a permanent magnet machine, this is best done by increasing the linear current density of the stator windings. However, greater linear current density results in more Joule heating, and the additional heat cannot be removed practically using a traditional air-cooling approach. Direct liquid cooling is more effective, and when applied directly to the stator windings, higher linear current densities can be sustained leading to substantial increases in torque density. The higher torque density, in turn, makes possible significant reductions in DD-PMSG size. Over the past five years, a multidisciplinary team of researchers has applied a holistic approach to explore the application of liquid cooling to permanent-magnet wind turbine generator design. The approach has considered wind energy markets and the economics of wind power, system reliability, electromagnetic behaviors and design, thermal design and performance, mechanical architecture and behaviors, and the performance modeling of installed wind turbines. This dissertation is based on seven publications that chronicle the work. The primary outcomes are the proposal of a novel generator architecture, a multidisciplinary set of analyses to predict the behaviors, and experimentation to demonstrate some of the key principles and validate the analyses. The proposed generator concept is a direct-drive, surface-magnet, synchronous generator with fractional-slot, duplex-helical, double-layer, non-overlapping windings formed from a copper conductor with a coaxial internal coolant conduit to accommodate liquid coolant flow. The novel liquid-cooling architecture is referred to as LC DD-PMSG. The first of the seven publications summarized in this dissertation discusses the technological and economic benefits and limitations of DD-PMSGs as applied to wind energy. The second publication addresses the long-term reliability of the proposed LC DD-PMSG design. Publication 3 examines the machine’s electromagnetic design, and Publication 4 introduces an optimization tool developed to quickly define basic machine parameters. The static and harmonic behaviors of the stator and rotor wheel structures are the subject of Publication 5. And finally, Publications 6 and 7 examine steady-state and transient thermal behaviors. There have been a number of ancillary concrete outcomes associated with the work including the following. X Intellectual Property (IP) for direct liquid cooling of stator windings via an embedded coaxial coolant conduit, IP for a lightweight wheel structure for lowspeed, high-torque electrical machinery, and IP for numerous other details of the LC DD-PMSG design X Analytical demonstrations of the equivalent reliability of the LC DD-PMSG; validated electromagnetic, thermal, structural, and dynamic prediction models; and an analytical demonstration of the superior partial load efficiency and annual energy output of an LC DD-PMSG design X A set of LC DD-PMSG design guidelines and an analytical tool to establish optimal geometries quickly and early on X Proposed 8 MW LC DD-PMSG concepts for both inner and outer rotor configurations Furthermore, three technologies introduced could be relevant across a broader spectrum of applications. 1) The cost optimization methodology developed as part of this work could be further improved to produce a simple tool to establish base geometries for various electromagnetic machine types. 2) The layered sheet-steel element construction technology used for the LC DD-PMSG stator and rotor wheel structures has potential for a wide range of applications. And finally, 3) the direct liquid-cooling technology could be beneficial in higher speed electromotive applications such as vehicular electric drives.

Permanent magnet synchronous generator design solution for large directdrive wind turbines: Thermal behavior of the LC DD-PMSG

Wind is one of the most compelling forms of indirect solar energy. Available now, the conversion of wind power into electricity is and will continue to be an important element of energy self-sufficiency planning. This paper is one in a series intended to report on the development of a new type of generator for wind energy; a compact, high-power, direct-drive permanent magnet synchronous generator (DD-PMSG) that uses direct liquid cooling (LC) of the stator windings to manage Joule heating losses. The main param-eters of the subject LC DD-PMSG are 8 MW, 3.3 kV, and 11 Hz. The stator winding is cooled directly by deionized water, which flows through the continuous hollow conductor of each stator tooth-coil winding. The design of the machine is to a large degree subordinate to the use of these solid-copper tooth-coils. Both steady-state and timedependent temperature distributions for LC DD-PMSG were examined with calculations based on a lumpedparameter thermal model, which makes it possible to account for uneven heat loss distribution in the stator conductors and the conductor cooling system. Transient calculations reveal the copper winding temperature distribution for an example duty cycle during variable-speed wind turbine operation. The cooling performance of the liquid cooled tooth-coil design was predicted via finite element analysis. An instrumented cooling loop featuring a pair of LC tooth-coils embedded in a lamination stack was built and laboratory tested to verify the analytical model. Predicted and measured results were in agreement, confirming the predicted satisfactory operation of the LC DD-PMSG cooling technology approach as a whole.

Caracterização da composição química e do rendimento dos resíduos industriais do limão Tahiti (Citrus latifolia Tanaka)

A indústria de sucos utiliza apenas de 40% a 50% dos frutos, sendo o restante considerado resíduo industrial. Estes resíduos apresentam-se ricos em alguns componentes como pectina, vitamina C e fibras dietárias que o tornam matéria-prima para a indústria alimentícia, farmacêutica e de rações. Visando o aproveitamento dos resíduos industriais do limão Tahiti para tais fins, caracterizou-se a composição centesimal, os teores de fibras, de pectina e de vitamina C presentes nas frações flavedo, albedo e bagaço do fruto. A partir da avaliação dos dados pelo teste de Scott Knott 5% de probabilidade, observou-se que os teores de cinzas, pectina, proteína, vitamina C e fibra bruta foram diferentes no flavedo, albedo e bagaço. O resíduo industrial do limão Tahiti tem um grande potencial para uso em formulação de rações para animais, dada a sua composição química, assim como poderá ser usado para a extração de fibras, pectina, vitamina C e óleos.

Utilização da taxa de crescimento das plântulas na avaliação do vigor de sementes de soja

O presente trabalho teve por objetivo estabelecer a metodologia da taxa de crescimento das plântulas na avaliação do vigor de sementes de soja. Para tanto, sementes de soja provenientes de dez lotes foram avaliadas por meio dos testes de emergência de plântulas em campo, de germinação (primeira contagem e contagem final), de envelhecimento acelerado, de frio, de tetrazólio (1-3 e 1-5), de condutividade elétrica, de comprimento de plântula, de biomassa seca das plântulas e da taxa de crescimento das plântulas. O delineamento experimental utilizado foi o inteiramente casualizado com quatro repetições. Os resultados foram submetidos à análise de variância e de correlação. As médias foram comparadas por meio do teste de agrupamento de Scott-Knott. A taxa de crescimento das plântulas apresentou correlação significativa (p < 0,01) com todos os testes avaliados e foi considerada satisfatória na avaliação do vigor das sementes de soja.

Avaliação da qualidade física, fisiológica e sanitária de sementes de milho durante o beneficiamento

A pesquisa teve por objetivo avaliar a qualidade física, fisiológica e sanitária de sementes de milho durante as etapas de beneficiamento. Foram utilizadas 16 amostras de um lote de sementes do híbrido D766 safra 2001/2002 , classificado em sementes chatas médias curtas e redondas curtas, de peneiras 20 e 22. As amostras foram obtidas durante as fases do beneficiamento de recepção, pré-limpeza, pós-mesa de gravidade, pós-classificador e pós-ensaque. As sementes foram avaliadas quanto ao teor de água, germinação, primeira contagem da germinação, índice de velocidade de germinação, envelhecimento acelerado, teste de frio, condutividade elétrica, emergência das plântulas em campo, sanidade, através do teste de papel filtro e dano mecânico. Para análise estatística utilizou-se o delineamento inteiramente casualizado, com quatro repetições, e a comparação das médias foi feita usando-se o programa SAEG, teste de comparações múltiplas de Scott-Knott a 5% de probabilidade. Os resultados deste trabalho sugeriram que os danos mecânicos podem ocorrer em cada fase do processamento e são cumulativos e o beneficiamento de sementes de milho pode aprimorar a qualidade de sementes de um lote em termos de germinação, vigor e sanidade.

Desempenho de sementes de algodão após o processamento e armazenamento

O trabalho foi realizado com o objetivo de estudar os efeitos do processamento e armazenamento na qualidade de sementes de algodão, cultivar ITA 90-2, produzidas em Campo Verde-MT, nos anos agrícolas de 2001 e 2002. As sementes foram analisadas antes e após cada etapa do processamento e durante o armazenamento. O delineamento experimental foi o inteiramente casualizado, com quatro repetições. Os tratamentos foram constituídos das etapas do processamento: antes e após a colheita mecânica, após 30, 60 e 85 dias de armazenamento em fardo no campo, após descaroçamento mecânico, após deslintamento químico, após beneficiamento em mesa de gravidade e após 15, 30, 60 90 e 120 dias de armazenamento. No ano de 2002 foram apenas 30 dias de armazenamento. As médias foram comparadas pelo teste de Scott-Knott a 5%. Os resultados obtidos permitem concluir que o armazenamento temporário, em fardos no campo, por até 85 dias, não causa perda imediata na qualidade das sementes; o descaroçamento mecânico não tem efeito prejudicial imediato sobre o vigor das sementes e a porcentagem de germinação mantém-se dentro do padrão (70%) para o comércio de sementes por até seis meses após a colheita.

Temperaturas para germinação de sementes de Poecilanthe parviflora Bentham (Fabaceae - Faboideae)

Poecilanthe parviflora (coração-de-negro) é uma planta arbórea com potencial para uso em áreas degradadas e no paisagismo. Este trabalho teve por objetivo avaliar condições de temperatura para condução do teste de germinação para as sementes de P. parviflora. Foram realizados dois experimentos paralelos. No experimento 1 foi utilizado o lote denominado de JABOTICABAL que foi submetido à germinação em diferentes temperaturas constantes (10, 15, 20, 25, 30, 35 e 40 ºC) e alternadas (20-30, 25-35 e 20-35 ºC), totalizando 10 tratamentos. No experimento 2 foram utilizados os lotes denominados de USM, SEMEX e JABOTICABAL que foram submetidos à germinação a 25ºC e a 20-30ºC com fotoperíodo de 12 horas, totalizando seis tratamentos. Em cada experimento, foram utilizadas quatro repetições de 25 sementes por tratamento. A protrusão da raiz primária (> 0,5 cm) foi adotada como critério para considerar a semente germinada. Foram analisados os seguintes parâmetros: porcentagem de germinação e de plântulas normais, índice de velocidade de germinação, comprimento de plântulas, matéria fresca e seca de plântulas. O delineamento estatístico utilizado foi o inteiramente casualizado e as médias foram comparadas pelo teste de Scott-Knott a 5% de probabilidade. Concluiu-se que o teste de germinação pode ser conduzido a 25 e a 25-35 ºC, com fotoperíodo de 12 horas, por 21 dias.

Superação de dormência de sementes de Piptadenia moniliformis Benth

O angico-de-bezerro (Piptadenia moniliformis Benth.) é uma espécie arbórea melífera, de crescimento rápido, característica da caatinga do nordeste brasileiro, onde é muito abundante e com dispersão contígua e irregular. Seus ramos finos, junto com as folhas, servem como alimento para animais. Como suas sementes apresentam dormência por impermeabilidade do tegumento à água, objetivou-se neste trabalho avaliar a eficiência de tratamentos pré-germinativos para superar a dormência de suas sementes visando maximizar e uniformizar o processo de germinação. Foram estudados 28 tratamentos pré-germinativos: imersão em água a 70, 80, 90 ºC e fervente por 1, 2, 3, 4 e 5 minutos e imersão em ácido sulfúrico concentrado por 1, 5, 10, 15, 20, 25 e 30 minutos, além da testemunha. A semeadura foi realizada sobre papel em temperatura alternada de 20-30 ºC, utilizando-se quatro repetições de 25 sementes. Foram avaliadas as porcentagens de germinação das sementes considerando a protrusão da raiz primária, de plântulas normais e de sementes duras e o índice de velocidade de germinação. O delineamento experimental utilizado foi o inteiramente casualizado e as médias comparadas pelo teste de Scott-Knott a 5% de probabilidade. Os tratamentos de imersão em água, independentemente da temperatura e do período de imersão, aumentaram a porcentagem de germinação das sementes, comparativamente ao tratamento controle, mas foram menos eficientes que os tratamentos em ácido sulfúrico nos maiores períodos de imersão. Desta forma, a imersão por 20, 25 e 30 minutos em ácido sulfúrico é recomendada para a superação da dormência de sementes de Piptadenia moniliformis Benth.

Potencial fisiológico em sementes de cultivares de feijão crioulo (Phaseolus vulgaris L.)

O trabalho foi realizado com o objetivo de caracterizar genótipos crioulos quanto ao potencial fisiológico das sementes. As sementes foram obtidas na safra 2007/2008, com 26 genótipos, no município de Lages - SC. Para analisar a qualidade das sementes, determinou-se o porcentual de germinação inicial e após o envelhecimento acelerado, massa de 100 sementes, condutividade elétrica, comprimento da raiz primária e emergência a campo. Os genótipos foram separados em classes com base no teste Scott-Knott e os genótipos crioulos também foram comparados com a testemunha (cultivares comerciais) pelo teste de Dunnett, os quais permitiram, com base em todos os parâmetros avaliados, indicar os genótipos BAFs 36, 55, 75, 102 como os de elevado potencial fisiológico. Particularmente nas condições de emergência a campo, a maioria dos genótipos apresenta ampla adaptação ambiental, com exceção dos BAFs 4, 7, 23. Pelo estudo de correlação, observou-se uma associação positiva entre o porcentual de germinação inicial com o comprimento de raiz primária e negativa com a massa de 100 sementes. Esta associação foi devido ao genótipo, o que permite indicar que os genótipos com menor massa de 100 sementes foram os mais vigorosos.

Tratamentos pré-germinativos e temperaturas para a germinação de sementes de Apeiba tibourbou Aubl.

A Apeiba tibourbou Aubl. é uma espécie arbórea pertencente à família Tiliaceae, conhecida popularmente como pau-de-jangada, sendo utilizada como planta ornamental, na medicina popular e na fabricação de pequenas embarcações. Objetivou-se nesse trabalho avaliar o efeito de diferentes tratamentos pré-germinativos e de temperaturas na germinação de sementes de A. tibourbou. As sementes foram submetidas aos seguintes tratamentos: testemunha - sementes intactas (T1); escarificação mecânica com lixa d'água nº 80, por 5 minutos (T2); escarificação mecânica com lixa d'água nº 80, por 5 minutos, seguida de embebição em água à temperatura ambiente por 12 e 24 h (T3 e T4, respectivamente); imersão em água na temperatura de 100 °C por 15 minutos (T5) e imersão em ácido sulfúrico por 1, 5, 10, 15 e 20 minutos (T5, T6, T7, T8, T9 e T10, respectivamente) e colocadas para germinar nas temperaturas de 25, 30, 35 e 20-30 °C. Utilizou-se o delineamento inteiramente ao acaso, com quatro repetições, sendo os tratamentos distribuídos em esquema fatorial 10 x 4 e as médias comparadas pelo teste de Scott - Knott, a 5% de probabilidade. As características avaliadas foram: porcentagem de germinação, primeira contagem de germinação, índice de velocidade de germinação e comprimento de plântulas. Os tratamentos que envolveram a imersão em ácido sulfúrico não superaram a dormência de sementes de A. tibourbou. Para germinação das sementes de A. tibourbou recomenda-se a escarificação com lixa d'água nº 80 por 5 minutos e a temperatura de 30 °C.

Effect of storage period on isoflavone content and physiological quality of conventional and transgenic soybean seeds

The objective in this research was to evaluate the isoflavone content and the physiological quality of seed from conventional and transgenic soybean cultivars before and after 180 days of storage. Twenty one soybean cultivars: CD 202, CD 206, CD 208, CD 213RR, CD 214RR, CD 215, CD 216, CD 217, CD 218, CD 221, BRS 184, BRS 185, BRS 214, BRS 244RR, BRS 245RR, BRS 246RR, BRS 255, BRS 257, BRS 258, BRS 261 and BRS 262, grown in the 2005/2006 crop season, were assayed. The seeds were packed in Kraft paper bags and stored at room temperature under laboratory conditions. Seeds were evaluated with respect to their germination and vigor (first germination count, accelerated aging and tetrazolium test) and their total isoflavone contents and respective aglycon forms (daidzein, genistein and glycitein),glycosides (daidzine, genistine and glycitine) and malonyl conjugates. A completely randomized block design with six replications with the treatments set out within a subplot scheme (21 cultivars x 2 storage periods) was used. The F-test was used to compare means between storage periods and the Scott-Knott test to compare cultivars for each storage period, both with a 95% probability. It was concluded that isoflavone contents differ between cultivars and show a distinct behavior throughout storage.

Hidrocondicionamento de sementes de cebola

O objetivo nesse trabalho avaliar o desempenho fisiológico de sementes de cebola após hidrocondicionamento e tratamento com fungicida e recobrimento com polímero. Foram utilizadas sementes de cebola, cv. Bola Precoce, fornecidas pela Hortec, submetidas ao hidrocondicionamento fisiológico em amostras de 5,0 g de sementes embebidas em água destilada entre duas folhas de papel Germitest, com 2,5 vezes o peso seco do papel, durante 24 horas a 25 ºC. Após o hidrocondicionamento efetuou-se a secagem das sementes em estufa com circulação de ar forçado à ±35 ºC por 20 horas, até atingirem a umidade inicial de 7%. Logo após as sementes foram tratadas com o fungicida Captan® na dose de 2 g.kg-1 e recobertas com o polímero Colorseed-Rigran® na dose de 50 mL.kg-1. Os tratamentos foram: 1-testemunha; 2-sementes + fungicida; 3-sementes + polímero; 4-sementes + fungicida + polímero; 5-semente hidrocondicionada; 6-semente hidrocondicionada + fungicida; 7- semente hidrocondicionada + polímero; 8-semente hidrocondicionada + fungicida + polímero. O delineamento experimental foi inteiramente casualizado, com 4 repetições e as médias foram comparadas pelo teste de Scott-Knott no nível de 5% de significância. Pelos resultados verificou-se que o hidrocondicionamento das sementes de cebola favorece a velocidade de emergência e a porcentagem de plântulas emergidas. Sementes hidrocondicionadas originam plântulas maiores e com maior acúmulo de biomassa. O uso de polímero afeta negativamente o vigor das sementes de cebola.

Teste de raios X para avaliação do potencial fisiológico de sementes de ipê-roxo

Em espécies multiplicadas comercialmente via semeadura indireta, como várias essências florestais, a utilização de sementes de alto potencial fisiológico é imprescindível para garantir o desenvolvimento e estabelecimento adequado das plantas no campo. Assim, diversas técnicas têm sido utilizadas para avaliar a integridade das sementes e, dentre elas, o teste de raios X. O objetivo no trabalho foi avaliar o potencial fisiológico das sementes de ipê roxo (Tabebuia heptaphylla), após separação por cor e tamanho, por meio dos testes de raios X e de germinação. As sementes foram classificadas pela cor, utilizando carta de cor de Munsell, e tamanho, utilizando peneira de crivos oblongos, obtendo-se materiais das frações amarelo-claro maiores, amarelo-claro menores, amarelo-escuras maiores, amarelo-escuras menores, mistura de amarelo-claro maiores, amarelo-claro menores e amarelo-escuro maiores e testemunha (sem classificação). Em seguida, as sementes das diferentes frações, foram submetidas a avaliações da integridade física e viabilidade, por meio de teste de raios X e de germinação, respectivamente. Adotou-se delineamento experimental inteiramente casualizado, com seis tratamentos e cinco repetições, comparando-se as médias pelo teste de Scott-Knott (p < 0,05). O teste de raios X é eficiente na avaliação da morfologia interna de sementes de ipê-roxo e sua relação com o potencial fisiológico. A coloração e o tamanho das sementes de ipê-roxo influenciam o potencial fisiológico das mesmas.

La interpretación como evento cognitivo expresado en razonamientos abductivos

En esas páginas propongo una definición de la acción de interpretar según la cual esta actividad produce una forma específica de eventos denominados interpretaciones que preforman la actividad cognitiva de interpretar. Además, sostengo que en algunos casos la actividad de interpretar consiste en un proceso encaminado a la búsqueda de premisas plausibles para la formación de hipótesis explicativas consistentes por lo que la lógica de la interpretación puede ampliar el estudio de la llamada reproducción o generación de hipótesis.