تصميم الأمثل للحرارة لمقصورات التحكم في المحولات المثبتة على قاعدة الأبراج الرياح البحرية

تعزز التحول الطاقي العالمي طاقة الرياح البحرية، ومع ذلك فإن البيئات البحرية المعقدة تشكل تحديًا لموثوقية التوربينات. يعتبر تبديد الحرارة في مربعات التحكم المحولات المثبتة على الأرض (PMTCCs) أمرًا حيويًا - الحرارة غير المبددة تسبب تلف المكونات. يحسن تحسين تبديد الحرارة في PMTCC كفاءة التوربينات، ولكن البحث يركز بشكل أساسي على مزارع الرياح البرية، مما يتجاهل تلك البحرية. لذلك، صمم PMTCCs للظروف البحرية لتعزيز السلامة.

1 تحسين تبديد الحرارة في PMTCC
1.1 إضافة أجهزة تبديد الحرارة

لـ PMTCCs البحرية، أضف/تحسين أجهزة تبديد الحرارة محكمة الإغلاق لمقاومة الرذاذ المالح/الرطوبة. يتم تثبيتها بجانب المحولات، متصلة عبر واجهات خاصة، لتكون حلقات تبريد فعالة. تدفق الهواء في الأجهزة: راجع الشكل 1.

بسبب خصائص المناخ البحري في مزارع الرياح البحرية، مثل التقلبات الكبيرة في درجة الحرارة والرطوبة العالية وتآكل الرذاذ المالح، تفرض متطلبات أكثر صرامة على أداء تبديد الحرارة لمربعات التحكم المحولات. لتحقيق التحسين الدقيق لتصميم المبرد، يجمع هذا البحث بشكل مبتكر بين ANSYS وMATLAB، مستفيدًا من الخوارزميات الجينية لتحسين معلمات عرض المبردات.

بسبب قيود لغة البرمجة المعلمية المدمجة في ANSYS في دمج الخوارزميات الأمثل مباشرة، تم استخدام MATLAB كوساط. من خلال تطوير واجهة تطوير ثانوية لـ ANSYS، تم تحقيق اتصال سلس بين ANSYS وMATLAB. يُفترض أن المساحة الكلية للمبرد هي 0.36 م²، ويتم تعريف العلاقة بين عرض الظهر a_z وعرض الحافة الجانبية a_c للمبرد على النحو التالي:

من خلال الحسابات والمحاكاة التفصيلية، تم تحديد العرض الأمثل للظهر للمبرد ليكون 0.235 م، مع تعديل عرضي للمبردين الجانبيين إلى 1.532 م. هذا التحسين لا يحافظ فقط على المساحة الكلية للمبرد بل يعزز أيضًا أداء تبديد الحرارة.

1.2 تقنية التبريد بالهواء القسري

يستخدم التبريد بالهواء القسري المراوح لتسريع دوران الهواء، مما يوسع الفروق الحرارية عبر الحمل الحراري للهواء لتعزيز تبديد الحرارة. يتحكم في درجة حرارة الخزان بأمان ولكنه يواجه خسائر احتكاكية/محليّة في الأنابيب. تشمل التحسينات توسيع عرض الأنابيب من 100 إلى 120 مم وتقليل القطر الهيدروليكي، مما يقلل من فقدان الطاقة ويعزز الكفاءة. يعود النفط المبرد إلى الخزان عبر الأنابيب السفلية، مما يشكل حلقة مغلقة للتبريد المزدوج. راجع الشكل 2 للدوران.

لتحسين تبديد الحرارة، تم اختيار وضع التبريد بالهواء الطبيعي القسري (ONAF). تعمل المراوح على دفع تدفق الهواء لجعل الهواء المبرد يتدفق من الأسفل إلى الأعلى، مما يغطي فعالًا سطح المبرد بأكمله.

1.3 تحسين مدخل ومخرج الغرفة الرئيسية للمحول

بناءً على فقد الطاقة لمربع التحكم المحول والمدى المتوقع للفرق في درجات الحرارة بين المدخل والمخرج، يتم حساب تدفق الهواء المطلوب باستخدام الديناميكا الحرارية. الصيغة لتدفق الهواء V هي:

في الصيغة:

• Q هو تبديد الحرارة لكل وحدة زمنية؛

• ρ هو كثافة الهواء؛

• b هو السعة الحرارية النوعية؛

• ΔT هو الفرق في درجة الحرارة بين المدخل والمخرج.

نظرًا للانخفاض المحتمل في كفاءة التهوية، يتم ضبط معدل تدفق الهواء المقاس إلى 1.6V. الصيغة لحساب مساحة المدخل الفعالة A هي:

حيث v يمثل سرعة الهواء في المدخل والمخرج. بعد توضيح فقد الطاقة لمربع التحكم المحول وتحديد الفرق المتوقع في درجات الحرارة بين المدخل والمخرج، يتم حساب تدفق الهواء المطلوب V باستخدام مبادئ الديناميكا الحرارية. وأخيرًا، يتم تصميم الأبعاد المحددة للمدخل والمخرج بناءً على تدفق الهواء V:

• المدخل: عرض 0.200 م وارتفاع 0.330 م؛

• المخرج: عرض 0.250 م وارتفاع 0.264 م.

تحليل العلاقة بين فقد الضغط في المدخل ومنطقة الفتح يكشف أن زيادة منطقة الفتح يمكن أن تقلل بشكل فعال من فقدان ضغط الغاز، وبالتالي تحسين كفاءة تبديد الحرارة. وعلى افتراض ضمان قوة الهيكل لمربع التحكم، يتم ضبط منطقة الفتح للمدخل عند 0.066 م². لتعزيز المنطقة الفعالة للتهوية، يتم استخدام طريقة الجمع بين الشبكات والأغطية المائلة لزيادة ممرات التهوية بينما يمنع دخول الغبار والمطر. يتم تثبيت نافذة هواء إضافية في الجزء السفلي من الغرفة الرئيسية للمحول على ارتفاع حوالي 40 سم فوق الأرض لتوسيع منطقة المدخل بشكل أكبر.

بناءً على مبدأ استنشاق الهواء من الأسفل وإخراجه من الأعلى، يتم تحسين تخطيط المدخل والمخرج. يتم وضع المدخل في الجزء السفلي من الغرفة الرئيسية للمحول، والمخرج في الجزء العلوي، مما يشكل تدفقًا طبيعيًا. يسمح هذا للهواء الساخن بالصعود بسلاسة ويتم إخراجه من المخرج، بينما يدخل الهواء البارد من المدخل، مما يخلق تدفقًا فعالًا للهواء لتحسين كفاءة تبديد الحرارة.

1.4 تحسين هيكل مربع التحكم

لمواجهة التحديات الفريدة للملح والرطوبة والمواد المسببة للتآكل في مزارع الرياح البحرية، يتم استخدام مواد مقاومة للتآكل عالية الأداء والتكنولوجيا المتقدمة للختم لتعزيز الحماية العامة لمربع التحكم.

تصميم تبديد حراري محسن:

• نوافذ تهوية محسنة: لحل مشكلة تبديد الحرارة غير الكافي بسبب عدم كفاية النوافذ المخرجة، يتم وضع فتحات إضافية بشكل استراتيجي في الأعلى والجانبين. يتم حساب الحجم والكمية المثلى لتعظيم تدفق الهواء مع الحفاظ على سلامة الهيكل:

• 80 فتحة في الأعلى (1.0 م × 0.2 م كل منها)؛

• 20 فتحة جانبية (2.0 م × 0.15 م كل منها).

مدخل الكابلات وتحسين تدفق الهواء:

• مدخلات مستطيلة: يتم تشكيل مداخل كابلات مستطيلة في قاعدة الإطار من الفولاذ المجوف، مما يسهل تركيب الكابلات ويحسن مسارات تدفق الهواء.

• لوحة قاعدة منزلقة: تساعد اللوحة المنزلقة في قاعدة الكابلات على توجيه الكابلات إلى المحطات مع الحفاظ على الختم الفعال، مما يضمن حماية المكونات الداخلية.

هذه التحسينات تؤدي إلى تخطيط كابلات منظم ومجزأ يعزز إدارة الحرارة وموثوقية النظام.

2 التحقق التجريبي
2.1 إعداد التجربة

للتثبت من جدوى تصميم تبديد الحرارة، تم بناء منصة تجريبية لمحاكاة شاملة للبيئة في مزرعة الرياح البحرية. تم استخدام مروحتين لتكرار سرعات الرياح وأتجاهاتها البحرية. يتم سرد المعدات التجريبية في الجدول 1.

للمحاكاة البيئة في مزرعة الرياح البحرية، عند استخدام المراوح لتكرار سرعات الرياح وأتجاهاتها، يجب الانتباه إلى توحيد سرعة الرياح واختلاف الأتجاه. تعتبر سرعة الرياح الموحدة مهمة لتقييم دقيق لأداء تبديد الحرارة لمربع التحكم، وأتجاهات الرياح المتعددة يمكنها محاكاة تغيرات الرياح البحرية بشكل أكثر شمولية. لذا، خلال التجربة، يجب التحكم بدقة في المراوح لضمان تطابق سرعة وأتجاه الرياح مع خصائص مزرعة الرياح البحرية الفعلية.

2.2 النتائج والتحليل التجريبي

بعد تحسين تبديد الحرارة لمربع التحكم المحولات المثبتة على الأرض في مزرعة الرياح البحرية، تم تسجيل كفاءة تبديد الحرارة لأجزاء مختلفة من مربع التحكم قبل وبعد التحسين، كما هو موضح في الجدول 2.

2.3 النتائج والمناقشة

بناءً على البيانات التجريبية في الجدول 2، تظهر كفاءة تبديد الحرارة لمربع التحكم المحولات المثبتة على الأرض في مزرعة الرياح البحرية تحسينات كبيرة بعد التحسين:

• تحسينات في المناطق الرئيسية:

• نافذة التهوية العلوية: زادت الكفاءة من 772 واط·درجة مئوية-1 إلى 1,498 واط·درجة مئوية-1؛

• نافذة التهوية الجانبية: تحسنت الكفاءة من 735 واط·درجة مئوية-1 إلى 1,346 واط·درجة مئوية-1؛

• منطقة مدخل الكابلات: ارتفعت الكفاءة من 892 واط·درجة مئوية-1 إلى 1,683 واط·درجة مئوية-1.
  تؤكد هذه النتائج فعالية نظام الهواء البارد القسري وتصميم مدخل ومخرج محسن.

• أكبر تحسين في المبرد:
  زادت كفاءة المبرد الداخلي بشكل كبير - من 980 واط·درجة مئوية-1 إلى 1,975 واط·درجة مئوية-1 - مما يدل على الدور الحاسم لتحسين معلمات الأجنحة وهيكل الخزان في تعزيز الأداء الحراري.

3 الخاتمة

حلل هذا البحث تأثير البيئة القاسية لمزرعة الرياح البحرية على تبديد الحرارة لمربع التحكم. تم اقتراح وتحقق من صحة برنامج تحسين مستهدف بموجب مبادئ نقل الحرارة تجريبيًا. لا يحسن التصميم المحسن كفاءة تبديد الحرارة ويخفض درجات الحرارة الداخلية فحسب، بل يعزز أيضًا مقاومة التآكل ويمد عمر الخدمة. توفر هذه الإجراءات دعمًا تقنيًا قويًا للتشغيل المستدام لمزارع الرياح البحرية.