Globální přechod na obnovitelné zdroje energie podporuje vývoj větrných elektráren v otevřeném moři, ale složité mořské prostředí představuje výzvu pro spolehlivost turbín. Odvod tepla z řídicích skříní transformátorů s nástavcem (PMTCCs) je klíčový – neodvedené teplo může poškodit komponenty. Optimalizace odvodu tepla z PMTCCs zlepšuje efektivitu turbín, ale výzkum se často zaměřuje na pevninské větrné farmy, což vedlo k opomenutí offshore lokalit. Proto je třeba navrhnout PMTCCs pro offshore podmínky, aby byla zajištěna bezpečnost.
1 Optimalizace odvodu tepla z PMTCC
1.1 Přidání zařízení pro odvod tepla
Pro PMTCCs v otevřeném moři je třeba přidat/optimizovat plně uzavřená zařízení pro odvod tepla, která odolávají solnému prachu a vlhkosti. Tyto zařízení jsou umístěny vedle transformátorů a spojeny speciálními rozhraními, čímž vytvářejí efektivní chladicí smyčky. Proudění vzduchu uvnitř těchto zařízení viz obr. 1.
Z důvodu specifických podmínek mořského klimatu v otevřených větrných farma, jako jsou velké fluktuace teploty, vysoká vlhkost a korozivní účinky solného prachu, jsou kladené na výkon odvodu tepla z řídicích skříní transformátorů vyšší požadavky. Aby bylo dosaženo přesné optimalizace návrhu chladiče, tato studie inovativně kombinuje ANSYS s MATLABem, kde se využívají genetické algoritmy k optimalizaci šířkových parametrů chladičů.
Vzhledem k omezením vestavěného parametrického programovacího jazyka ANSYS při přímém integrování optimalizačních algoritmů, byl použit MATLAB jako intermediární nástroj. Rozvojem sekundárního rozhraní ANSYS bylo realizováno hladké spojení mezi ANSYS a MATLABem. Předpokládá se, že celková plocha chladiče je 0,36 m2, a vztah mezi šířkou zadní strany az a šířkou boční hrany ac chladiče je definován jako:
Díky detailním výpočtům a simulacím byla optimální šířka zadní strany chladiče určena na 0,235 m, s šířkami dvou bočních chladičů upravenými na 1,532 m. Tato optimalizace nejen zachovává celkovou plochu chladiče, ale také zlepšuje jeho výkon při odvodu tepla.
1.2 Technologie přinucovaného chlazení vzduchem
Přinucované chlazení vzduchem využívá větráků k urychlení cirkulace vzduchu, což zvětšuje rozdíly teplot pomocí konvekce vzduchu a zlepšuje odvod tepla. Tento postup umožňuje bezpečnou kontrolu teploty skříně, ale čelí tření a lokálním ztrátám v potrubí. Optimalizace zahrnují rozšíření šířky potrubí z 100 na 120 mm a snížení hydraulického průměru, což minimalizuje energetické ztráty a zvyšuje efektivitu. Chladný olej se vrací do nádrže přes potrubí v dolní části, což vytváří uzavřenou smyčku pro dvojité chlazení. Pro cirkulaci viz obr. 2.
Pro optimalizaci odvodu tepla byl zvolen režim chlazení Olej Přirozený Vzduch Přinucený (ONAF). Větráky generují proud vzduchu, který chladící vzduch vedou ze spodku ke shora, efektivně pokrývají celou plochu chladiče.
1.3 Optimalizace vstupu a výstupu v hlavní komoře transformátoru
Na základě ztrát výkonu řídicí skříně transformátoru a očekávaného rozdílu teplot mezi vstupem a výstupem se vypočítá požadovaný objemový tok vzduchu pomocí termodynamiky. Formule pro objemový tok V je:
Ve formuli:
Vzhledem k možnému poklesu efektivity ventilace byla naměřená rychlost toku vzduchu nastavena na 1,6V. Formule pro výpočet efektivní plochy vstupu A je:
Kde v reprezentuje rychlost vzduchu jak u vstupu, tak u výstupu. Po zjasnění ztrát výkonu řídicí skříně transformátoru a stanovení očekávaného rozdílu teplot mezi vstupem a výstupem se požadovaný objemový tok V vypočítá pomocí termodynamických principů. Nakonec jsou konkrétní rozměry vstupu a výstupu navrženy na základě objemového toku V:
Analýza korelace mezi ztrátou tlaku na vstupu a plochou otevření ukazuje, že zvětšení plochy otevření efektivně snižuje ztrátu tlaku plynu, což zlepšuje efektivitu odvodu tepla. Na základě zajištění strukturální pevnosti řídicí skříně je plocha otevření vstupu nastavena na 0,066 m2. K zvýšení efektivní plochy ventilace je použit způsob kombinující mřížky a žaluziové poklopy, což zvyšuje cesty pro ventilaci, zatímco brání proniknutí prachu a deště. V dolní části hlavní komory transformátoru je instalováno dodatečné okno pro vstup vzduchu přibližně 40 cm nad zemí, což dále rozšiřuje plochu vstupu.
Na základě principu vstupu vzduchu zespoda a výstupu vzduchu zevšechně je uspořádání vstupu a výstupu optimalizováno. Vstup je umístěn v dolní části hlavní komory transformátoru, a výstup se nachází v horní části, což vytváří přirozenou konvekci. To umožňuje, aby horký vzduch hladce stoupal a byl veden ven z výstupu, zatímco chladný vzduch vstupuje zespoda, což vytváří efektivní cirkulaci vzduchu a zlepšuje odvod tepla.
1.4 Optimalizace struktury řídicí skříně
Pro řešení specifických výzev spojených s solí, vlhkostí a korozi v otevřených větrných farmách jsou použity vysokovýkonné materiály proti korozi a pokročilé technologie utěsnění, aby byla zvýšena celková ochrana řídicí skříně.
Zlepšení návrhu odvodu tepla:
Vstupy pro kabely a optimalizace proudění vzduchu:
Tyto optimalizace vedly k strukturovanému a dobře oddělenému rozložení kabelů, což zlepšilo jak termické řízení, tak spolehlivost systému.
2 Experimentální ověření
2.1 Experimentální zařízení
Pro ověření proveditelnosti návrhu odvodu tepla byla postavena experimentální platforma, která komplexně simuluje prostředí v otevřené větrné farmě. Dva větráky byly použity k replikaci rychlosti a směru větru v otevřeném moři. Seznam experimentálního vybavení je uveden v tabulce 1.
Pro simulaci prostředí v otevřené větrné farmě, kdy se větráky používají k napodobení rychlosti a směru větru, je třeba dbát na rovnoměrnost rychlosti větru a diverzitu směrů. Rovnoměrná rychlost větru je klíčová pro přesné hodnocení výkonu odvodu tepla řídicí skříně, a diverzní směry větru mohou komplexněji simulovat změny směru větru v otevřené větrné farmě. Během experimentu je tedy třeba přesně kontrolovat větráky, aby odpovídaly skutečným charakteristikám větru v otevřené větrné farmě.
2.2 Experimentální výsledky a analýza
Po optimalizaci odvodu tepla řídicí skříně transformátoru s nástavcem v otevřené větrné farmě byl zaznamenán výkon odvodu tepla různých částí řídicí skříně před a po optimalizaci, jak je uvedeno v tabulce 2.
2.3 Výsledky a diskuse
Na základě experimentálních dat v tabulce 2 ukazuje výkon odvodu tepla řídicí skříně transformátoru s nástavcem v otevřené větrné farmě výrazné zlepšení po optimalizaci:
3 Závěr
Tato studie analyzovala dopad krutého prostředí v otevřené větrné farmě na odvod tepla z řídicí skříně. Podle principů přenosu tepla byl navržen a experimentálně ověřen cílený optimalizační plán. Optimalizovaný návrh nejen zlepšil efektivitu odvodu tepla a snížil vnitřní teploty, ale také zvýšil odolnost proti korozi a prodloužil životnost. Tyto opatření poskytují robustní technickou podporu pro udržitelnou operaci v otevřených větrných farmách.