Analytical studies of light weight transformers design for space farm

In the last decades, the level of Greenhouse gases has increased enormously, and it has led to a noticeable increase in earth average temperature. This increase in average temperature has caused scientific society to start thinking about this phenomenon and start finding solutions to mitigate this effect. One of the recent collaboration of international society was the Paris climate change consortium in 2017 to raise the concern of all people around the globe and call for a solution to encounter and solve the problem of global warming. ONiiPAC (Open Network for innovative implementation of Paris Agreement on Climate) was a small consortium of 5 universities and 6 companies gathered to collaborate and try to offer some solutions for mitigation of climate change effect. The goal of this consortium is to get funding from European Union by offering some innovative solutions for global warming problem. The outcome of this collaboration was 3 innovative ideas as well as some teams which were created to develop these ideas. One of these 3 ideas is called Space Farm. Space Farm is a solar farm planned to be placed in the stratosphere. One of the biggest factors which hinders the rapid growth of renewable energies is intermittency and unpredictability of these sources of electricity production. The main motive behind the proposal of this idea is to place solar panels at an altitude at which the main reason of intermittency of solar electricity production -meaning clouds-, will not be affecting the energy production. The novelty of this idea introduces several complications to design of a solar farm which requires new ideas and approaches to solve them. The new complications are regarding the aerodynamic, electrical and mechanical aspects of the design of Space farm. Since the Space Farm would be lifted to Stratosphere with a light gas filled platform, weight study of every single component on the Space Farm is critical. The transformer is a single component which will add massive weight to the total platform. The purpose of this thesis is to offer the lightest possible transformer design for Space farm. In the literature study, four cases were studied and compared to each other. These options are conventional transformer, Modular Multilevel Converter, Coreless transformer and finally Solid state transformer. After a comprehensive study and comparison, Solid State Transformer was chosen as the optimal solution for the space farm. This decision is made by considering different parameters such as operating frequency, voltage ratio, efficiency, weight of each option and some other aspects. A series of calculation was done to model transformer and the weight of core and windings – which these two parts have the major contribution to the weight of transformer-. The calculated weight of the transformer was 169 kg which is over 10 times lower than conventional transformer’s weight. This result is increasing the feasibility of Space Farm project and will allow further studies for more components weight reduction in space farm

Negli ultimi decenni, il livello dei gas serra è aumentato enormemente e ha portato a un notevole aumento della temperatura media della terra. Questo aumento della temperature media ha indotto la società scientifica a riflettere su questo fenomeno e a trovare soluzioni per mitigare questo effetto. Una delle recenti collaborazioni della società internazionale è stata il consorzio del cambiamento climatico di Parigi nel 2017 per sollevare la preoccupazione della gente in tutto il mondo e chiedere una soluzione per affrontare e risolvere il problema del riscaldamento globale. ONiiPAC (Open Network for innovative implementation of Paris Agreement on Climate) era un piccolo consorzio di 5 università e 6 aziende riunite per collaborare e cercare di offrire alcune soluzioni per mitigare gli effetti dei cambiamenti climatici. L'obiettivo di questo consorzio è ottenere finanziamenti dall'Unione Europea offrendo alcune soluzioni innovative per il problema del riscaldamento globale. Il risultato di questa collaborazione è stato 3 idee innovative e alcune squadre che sono state create per sviluppare queste idee. Una di queste 3 idee si chiama Space Farm. Space Farm è una fattoria solare progettata per essere collocata nella stratosfera. Uno dei maggiori fattori che ostacola la rapida crescita delle energie rinnovabili è l'intermittenza e l'imprevedibilità di queste fonti di produzione di energia elettrica. Il motivo principale alla base della proposta di questa idea è di collocare un solare ad un'altitudine il cui principale motivo di intermittenza della produzione di energia solare – le nuvole - non influenzerà la produzione di energia. La novità di questa idea introduce numerose complicazioni nella progettazione di una fattoria solare che richiede nuove idee e approcci per risolverli. Le nuove complicazioni riguardano gli aspetti aerodinamici, elettrici e meccanici del progetto di Space F arm. Siccome la Space Farm verrà portata a Stratosphere con una piattaforma a gas leggero, lo studio del peso di ogni singolo componente nella Space Farm è fondamentale. Il trasformatore è un componente singolo che aggiungerà un peso enorme alla piattaforma. Lo scopo di questa tesi è quello di offrire il design di trasformatore più leggero possibile per Space farm. Nella letteratura, quattro casi sono stati studiati e confrontati tra loro. Queste opzioni sono trasformatore convenzionale, convertitore multilivello modulare, trasformatore coreless e infine trasformatore a stato solido. Dopo uno studio completo e un confronto, transformer a stato solido è stato scelto come soluzione ottimale per la fattoria spaziale. Questa decisione viene presa considerando diversi parametri come frequenza operativa, rapporto di tensione, efficienza, peso di ciascuna opzione e alcuni altri aspetti. Una serie di calcoli è stata fatta per modellare il trasformatore e il peso del core e degli avvolgimenti, che queste due parti danno il maggior contributo al peso del trasformatore. Il peso calcolato del trasformatore era di 169 kg, che è oltre 10 volte inferiore al peso del trasformatore convenzionale. Questo risultato sta aumentando la fattibilità del progetto Space Farm e consentirà ulteriori studi per una maggiore riduzione del peso dei componenti nella fattoria spaziale.