Disseny d'optimització tèrmica per a quadres de control de transformadors encastrats en aerogeneradors offshore

La transició energètica global impulsa l'energia eòlica offshore, encara que els entorns marins complexos repte la fiabilitat de les turbinas. La dissipació de calor dels quadres de control dels transformadors en caixa (PMTCCs) és crítica—la calor no dissipada provoca danys als components. Optimitzar la dissipació de calor dels PMTCC millora l'eficiència de les turbinas, però la recerca es centra principalment en parcs eòlics terrestres, ignorant els offshore. Així, dissenyar PMTCCs per a condicions offshore per augmentar la seguretat.

1 Optimització de la Dissipació de Calor dels PMTCC
1.1 Afegir Dispositius de Dissipació de Calor

Per als PMTCC offshore, afegir/optimitzar dispositius de dissipació de calor totalment tancats per resistir el sprai salí i l'humitat. Instal·lats al costat dels transformadors, connectats a través d'interfícies especials, formen bucles de refredament eficients. El flux d'aire en els dispositius: vegeu Figura 1.

Degut a les especificitats del clima marítim en els parcs eòlics offshore, com les fluctuacions de temperatura, l'alta humitat i la corrosió per sprai salí, es posen requisits més estrictes sobre el rendiment de dissipació de calor dels quadres de control dels transformadors. Per aconseguir una optimització precisa del disseny del radiador, aquest estudi combina innovadament ANSYS amb MATLAB, utilitzant algoritmes genètics per optimitzar els paràmetres d'amplada dels radiadors.

Atès els límits del llenguatge de programació paramètric integrat d'ANSYS per a la integració directa d'algoritmes d'optimització, s'adopta MATLAB com a intermediari. A través del desenvolupament d'una interfície de desenvolupament secundària d'ANSYS, es realitza una connexió fluida entre ANSYS i MATLAB. Es suposa que l'àrea total del radiador és de 0,36 m², i la relació entre l'amplada posterior a_z i l'amplada del costat a_c del radiador es defineix com:

A través de càlculs detallats i simulacions, s'estableix que l'amplada posterior òptima del radiador és de 0,235 m, amb les amplades dels dos radiadors laterals ajustades a 1,532 m en conseqüència. Aquesta optimització no només manté l'àrea total del radiador, sinó que també millora el seu rendiment de dissipació de calor.

1.2 Tecnologia de Refredament Forçat d'Aire

El refredament forçat d'aire utilitza ventiladors per accelerar la circulació d'aire, expandint les diferències de temperatura mitjançant la convecció d'aire per millorar la dissipació de calor. Controla la temperatura del quadre de manera segura, però es troba amb pèrdues per fricció/localitzades en els conductes. Les optimitzacions inclouen expandir l'amplada del conducte de 100 a 120 mm i reduir el diàmetre hidràulic, minimitzant la pèrdua d'energia i millorant l'eficiència. L'oli refrescat torna al dipòsit a través de les tuberies inferiors, formant un circuit tancat per un doble refredament. Vegeu la Figura 2 per a la circulació.

Per optimitzar la dissipació de calor, s'escull un mode de refredament d'oli natural d'aire forçat (ONAF). Els ventiladors propulsen el flux d'aire per fer que l'aire de refredament flueixi des de baix a dalt, cobrint efectivament tota la superfície del radiador.

1.3 Optimització de l'Entrada i Sortida en la Cambra Principal del Transformador

Basant-se en la pèrdua de potència del quadre de control del transformador i la diferència de temperatura esperada entre l'entrada i la sortida, es calcula el flux d'aire necessari utilitzant principis termodinàmics. La fórmula per al flux d'aire V és:

En la fórmula:

• Q és la dissipació de calor per unitat de temps;

• ρ és la densitat de l'aire;

• b és la capacitat calorífica específica;

• ΔT és la diferència de temperatura entre l'entrada i la sortida.

Dona't compte de la possible disminució de l'eficiència de ventilació, la velocitat de flux d'aire mesurada s'estableix a 1,6V. La fórmula per calcular l'àrea efectiva d'entrada A és:

On v representa la velocitat de l'aire tant a l'entrada com a la sortida. Després de clarificar la pèrdua de potència del quadre de control del transformador i determinar la diferència de temperatura esperada entre l'entrada i la sortida, es calcula el flux d'aire necessari V utilitzant principis termodinàmics. Finalment, es dissenyen les dimensions específiques de l'entrada i la sortida basant-se en el flux d'aire V:

• Entrada: amplada de 0,200 m i alçada de 0,330 m;

• Sortida: amplada de 0,250 m i alçada de 0,264 m.

L'anàlisi de la correlació entre la pèrdua de pressió a l'entrada i l'àrea d'obertura revela que augmentar l'àrea d'obertura pot reduir eficientment la pèrdua de pressió de gas, millorant així l'eficiència de dissipació de calor. Amb el propòsit de garantir la força estructural del quadre de control, l'àrea d'obertura a l'entrada s'estableix a 0,066 m². Per augmentar l'àrea efectiva de ventilació, es fa servir un mètode que combina grilles i cobertures de persianes per augmentar els passadisos de ventilació mentre evita l'intrusió de pols i pluja. En la part inferior de la cambra principal del transformador, s'instal·la una finestra addicional d'entrada d'aire aproximadament a 40 cm sobre el terra per expandir encara més l'àrea d'entrada.

Basant-se en el principi de l'entrada d'aire per la part inferior i la sortida d'aire per la part superior, es optimitza la disposició de l'entrada i la sortida. L'entrada es situa en la part inferior de la cambra principal del transformador, i la sortida es localitza a la part superior, formant convecció natural. Això permet que l'aire calent ascienda suavement i es descarregui a través de la sortida, mentre que l'aire fred entra a través de l'entrada, creant una circulació d'aire efectiva per millorar l'eficiència de dissipació de calor.

1.4 Optimització de l'Estructura del Quadre de Control

Per abordar els reptes únics del sal, l'humitat i les substàncies corrosives en els parcs eòlics offshore, es fan servir materials anticorrosius de alt rendiment i tecnologies avançades de sellat per millorar la protecció general del quadre de control.

Disseny de Dissipació de Calor Millorat:

• Ventanes de Ventilació Optimitzades: Per resoldre la dissipació de calor insuficient causada per finestres d'exhaustió insuficients, s'afegeixen vents estratègicament a la part superior i lateral. Els càlculs determinen la mida i quantitat òptimes per maximitzar el flux d'aire mentre es manté la integritat estructural:

• 80 vents a la part superior (1,0 m × 0,2 m cadascun);

• 20 vents laterals (2,0 m × 0,15 m cadascun).

Entrada de Cables i Optimització del Flux d'Aire:

• Entrades Rectangulars: S'elaboren ports d'entrada rectangulars per cables en l'acer de canal de la base de la trama, simplificant la instal·lació dels cables i millorant els camins de flux d'aire.

• Placa Inferior Deslizable: Una placa inferior deslizable facilita la conducció dels cables cap als terminals mentre es manté un sel·lat efectiu, assegurant que els components interns restin protegits.

Aquestes optimitzacions resulten en un disseny de cables estructurat i ben segregat que millora tant la gestió tèrmica com la fiabilitat del sistema.

2 Verificació Experimental
2.1 Configuració Experimental

Per validar la viabilitat del disseny de dissipació de calor, es va construir una plataforma experimental per simular de manera integral l'entorn del parc eòlic offshore. Es van utilitzar dos ventiladors per replicar les velocitats i direccions del vent offshore. L'equipament experimental es llista a la Taula 1.

Per simular l'entorn del parc eòlic offshore, quan s'utilitzen ventiladors per imitar la velocitat i direcció del vent, s'ha de prestar atenció a la uniformitat de la velocitat del vent i a la diversitat de direccions. La uniformitat de la velocitat del vent és crucial per a una avaluació precisa del rendiment de dissipació de calor del quadre de control, i les diverses direccions del vent poden simular de manera més completa els canvis de direcció del vent offshore. Així, durant l'experiment, els ventiladors han de ser controlats amb precisió per assegurar que la velocitat i la direcció del vent coincideixin amb les característiques reals del parc eòlic offshore.

2.2 Resultats Experimentals i Anàlisi

Després d'optimitzar la dissipació de calor del quadre de control del transformador en caixa del parc eòlic offshore, es va registrar l'eficiència de dissipació de calor de diferents parts del quadre de control abans i després de l'optimització, tal com es mostra a la Taula 2.

2.3 Resultats i Discussió

Basant-se en les dades experimentals de la Taula 2, l'eficiència de dissipació de calor del quadre de control del transformador en caixa del parc eòlic offshore mostra milloraments significatius després de l'optimització:

• Milloraments en Regions Clau:

• Ventana de ventilació superior: L'eficiència va augmentar de 772 W·℃⁻¹ a 1.498 W·℃⁻¹;

• Ventana de ventilació lateral: L'eficiència va millorar de 735 W·℃⁻¹ a 1.346 W·℃⁻¹;

• Àrea d'entrada de cables: L'eficiència va augmentar de 892 W·℃⁻¹ a 1.683 W·℃⁻¹.
  Aquests resultats validen l'eficàcia del sistema d'aire fred forçat i el disseny optimitzat de l'entrada i la sortida.

• Millorament Màxim en el Radiador Intern:
  L'eficiència del radiador intern va augmentar de manera més significativa, de 980 W·℃⁻¹ a 1.975 W·℃⁻¹, demostrant el paper crític dels paràmetres optimitzats de les ales i l'estructura del quadre en millorar el rendiment tèrmic.

3 Conclusió

Aquest estudi ha analitzat l'impacte de l'entorn advers del parc eòlic offshore en la dissipació de calor del quadre de control. Guiat per els principis de transferència de calor, s'ha proposat i validat experimentalment un esquema d'optimització orientat. El disseny optimitzat no només millo