Thermische Optimierungsdesign für Schaltschränke von Blocktransformatorstationen in Offshore-Windkraftanlagen

Die globale Energiewende fördert die Offshore-Windenergie, doch komplexe Meeresumgebungen stellen die Zuverlässigkeit der Turbinen auf die Probe. Die Wärmeabfuhr von Bodentransformator-Schaltanlagen (PMTCCs) ist entscheidend—unerledigte Wärme führt zu Komponentenschäden. Die Optimierung der Wärmeabfuhr von PMTCCs verbessert die Turbineneffizienz, aber die Forschung konzentriert sich hauptsächlich auf Onshore-Windparks und vernachlässigt Offshore-Anlagen. Daher sollten PMTCCs für Offshore-Bedingungen entworfen werden, um die Sicherheit zu erhöhen.

1 Optimierung der Wärmeabfuhr von PMTCCs
1.1 Hinzufügen von Wärmeabführvorrichtungen

Für Offshore-PMTCCs sollten vollständig abgedichtete Wärmeabführvorrichtungen hinzugefügt oder optimiert werden, um Salznebel und Feuchtigkeit zu widerstehen. Neben den Transformator installiert und über spezielle Schnittstellen verbunden, bilden sie effiziente Kühlkreisläufe. Luftströmung in den Vorrichtungen: siehe Abbildung 1.

Aufgrund der Besonderheiten des maritimen Klimas in Offshore-Windparks, wie großen Temperaturschwankungen, hoher Luftfeuchtigkeit und Salznebelkorrosion, werden höhere Anforderungen an die Wärmeabführung von Transformatorsteuerkästen gestellt. Um eine präzise Optimierung des Kühlkörperdesigns zu erreichen, kombiniert diese Studie innovativ ANSYS mit MATLAB und nutzt genetische Algorithmen, um die Breitenparameter der Kühlkörper zu optimieren.

Wegen der Einschränkungen der integrierten parametrischen Programmiersprache von ANSYS bei der direkten Integration von Optimierungsalgorithmen wird MATLAB als Vermittler verwendet. Durch die Entwicklung einer Sekundärentwicklungsschnittstelle für ANSYS wird eine nahtlose Verbindung zwischen ANSYS und MATLAB hergestellt. Es wird angenommen, dass die Gesamtfläche des Kühlkörpers 0,36 m² beträgt, und das Verhältnis zwischen der Rückseitebreite a_z und der Seitenkantenbreite a_c des Kühlkörpers definiert ist als:

Durch detaillierte Berechnungen und Simulationen wurde die optimale Rückseitebreite des Kühlkörpers auf 0,235 m bestimmt, wobei die Breiten der beiden seitlichen Kühlkörper entsprechend auf 1,532 m angepasst wurden. Diese Optimierung erhält die Gesamtfläche des Kühlkörpers und verbessert gleichzeitig seine Wärmeabführleistung.

1.2 Gezwungene Luftkühltechnik

Gezwungene Luftkühlung verwendet Lüfter, um die Luftzirkulation zu beschleunigen, und erweitert die Temperaturunterschiede durch Luftkonvektion, um die Wärmeabfuhr zu verbessern. Sie kontrolliert die Gehäusetemperatur sicher, steht jedoch vor Reibungs- und lokalen Verlusten in Rohren. Optimierungen beinhalten die Erweiterung der Rohrweite von 100 auf 120 mm und die Reduzierung des hydraulischen Durchmessers, um Energieverluste zu minimieren und die Effizienz zu verbessern. Abgekühltes Öl kehrt über untere Rohre zum Tank zurück, was einen geschlossenen Kreislauf für die Doppelkühlung bildet. Siehe Abbildung 2 für die Zirkulation.

Zur Optimierung der Wärmeabfuhr wird ein Öl-Natur-Luft-Gezwungen (ONAF)-Kühlmittel ausgewählt. Lüfter treiben Luftströmungen an, um die Kühlungsluft von unten nach oben zu leiten, wodurch die gesamte Oberfläche des Kühlkörpers effektiv abgedeckt wird.

1.3 Optimierung der Ein- und Auslässe im Haupttransformatorraum

Basierend auf dem Leistungsverlust des Transformatorsteuerkastens und dem erwarteten Temperaturunterschied zwischen Ein- und Ausgang wird der erforderliche Luftstrom mit Hilfe der Thermodynamik berechnet. Die Formel für den Luftstrom V lautet:

In der Formel:

• Q ist die Wärmeabfuhr pro Zeiteinheit;

• ρ ist die Luftdichte;

• b ist die spezifische Wärmekapazität;

• ΔT ist der Temperaturunterschied zwischen Ein- und Ausgang.

Angesichts des potenziellen Rückgangs der Lüftungseffizienz wird der gemessene Luftstrom auf 1,6V eingestellt. Die Formel zur Berechnung der effektiven Eintrittsfläche A lautet:

Dabei repräsentiert v die Luftgeschwindigkeit sowohl am Ein- als auch am Ausgang. Nach Klärung des Leistungsverlusts des Transformatorsteuerkastens und Festlegung des erwarteten Temperaturunterschieds zwischen Ein- und Ausgang wird der erforderliche Luftstrom V mit thermodynamischen Prinzipien berechnet. Schließlich werden die spezifischen Maße des Ein- und Ausgangs basierend auf dem Luftstrom V entworfen:

• Einlass: Breite von 0,200 m und Höhe von 0,330 m;

• Auslass: Breite von 0,250 m und Höhe von 0,264 m.

Die Analyse der Korrelation zwischen Druckverlust am Einlass und Öffnungsfläche zeigt, dass eine Erhöhung der Öffnungsfläche den Gasdruckverlust effektiv reduzieren kann, wodurch die Wärmeabführleistung verbessert wird. Unter der Voraussetzung, die strukturelle Stärke des Steuerkastens zu gewährleisten, wird die Öffnungsfläche des Einlasses auf 0,066 m² festgelegt. Um die effektive Lüftungsfläche zu erhöhen, wird eine Methode kombiniert, die Gitter und Jalousiekappen verwendet, um zusätzliche Lüftungspfade zu schaffen und gleichzeitig den Einstaub und Regen zu verhindern. Im unteren Teil des Haupttransformatorraums wird ein zusätzlicher Luftzulauffenster etwa 40 cm über dem Boden installiert, um die Eintrittsfläche weiter zu erweitern.

Basierend auf dem Prinzip der Bodenluftzufuhr und oberen Luftabfuhr wird die Anordnung von Ein- und Ausläufen optimiert. Der Einlass befindet sich im unteren Teil des Haupttransformatorraums, und der Auslass befindet sich im oberen Teil, was eine natürliche Konvektion bildet. Dies ermöglicht es, dass warme Luft glatt aufsteigt und durch den Auslass abgegeben wird, während kalte Luft durch den Einlass eingebracht wird, was eine effektive Luftzirkulation schafft, um die Wärmeabführleistung zu verbessern.

1.4 Optimierung der Steuerkastenstruktur

Um die einzigartigen Herausforderungen durch Salz, Feuchtigkeit und korrodierende Stoffe in Offshore-Windparks zu bewältigen, werden hochwertige korrosionsbeständige Materialien und fortschrittliche Abdichtungstechnologien eingesetzt, um den Gesamtschutz des Steuerkastens zu erhöhen.

Verbessertes Wärmeabführdesign:

• Optimierte Lüftungsfenster: Um unzureichende Wärmeabführung durch unzureichende Abluftfenster zu beheben, werden zusätzliche Ventile strategisch auf der Ober- und Seitenfläche platziert. Berechnungen bestimmen optimale Größe und Menge, um die Luftzirkulation zu maximieren, während die Strukturintegrität erhalten bleibt:

• 80 oberflächenmontierte Ventile (jeweils 1,0 m × 0,2 m);

• 20 seitlich montierte Ventile (jeweils 2,0 m × 0,15 m).

Kabelzuführung und Luftzirkulationsoptimierung:

• Rechteckige Einlässe: Rechteckige Kabelzuführungen werden in den Kanalstahl der Rahmenbasis gefräst, um die Kabelinstallation zu vereinfachen und die Luftzirkulationswege zu verbessern.

• Schiebeplatte: Eine schiebbare Bodenplatte erleichtert die Kabelverlegung zu den Enden, während sie eine effektive Abdichtung gewährleistet und die internen Komponenten schützt.

Diese Optimierungen resultieren in einer strukturierten, gut getrennten Kabelanordnung, die sowohl die thermische Verwaltung als auch die Systemzuverlässigkeit verbessert.

2 Experimentelle Überprüfung
2.1 Experimentelle Aufbau

Um die Machbarkeit des Wärmeabführdesigns zu validieren, wurde eine experimentelle Plattform erstellt, um die Umgebung des Offshore-Windparks umfassend zu simulieren. Zwei Lüfter wurden verwendet, um Windgeschwindigkeiten und -richtungen im Offshore-Bereich nachzubilden. Die experimentelle Ausrüstung ist in Tabelle 1 aufgelistet.

Um die Umgebung des Offshore-Windparks zu simulieren, sollte bei der Nutzung von Lüftern zur Nachbildung von Windgeschwindigkeiten und -richtungen auf die Windgeschwindigkeitsgleichmäßigkeit und Richtungsvielfalt geachtet werden. Gleichmäßige Windgeschwindigkeit ist entscheidend für eine genaue Bewertung der Wärmeabführleistung des Steuerkastens, und vielfältige Windrichtungen können die Offshore-Windrichtungsänderungen umfassender simulieren. Daher müssen während des Experiments die Lüfter präzise gesteuert werden, um sicherzustellen, dass Windgeschwindigkeit und -richtung den tatsächlichen Eigenschaften des Offshore-Windparks entsprechen.

2.2 Experimentelle Ergebnisse und Analyse

Nach der Optimierung der Wärmeabführung des Offshore-Windpark-Windturbinen-Boden-Transformator-Steuerkastens wurde die Wärmeabführleistung verschiedener Teile des Steuerkastens vor und nach der Optimierung aufgezeichnet, wie in Tabelle 2 dargestellt.

2.3 Ergebnisse und Diskussion

Basierend auf den experimentellen Daten in Tabelle 2 zeigen die Wärmeabführleistung des Offshore-Windturbine-Boden-Transformator-Steuerkastens nach der Optimierung signifikante Verbesserungen:

• Verbesserungen in Schlüsselbereichen:

• Oberes Lüftungsfenster: Die Effizienz stieg von 772 W·℃⁻¹ auf 1.498 W·℃⁻¹;

• Seitliches Lüftungsfenster: Die Effizienz verbesserte sich von 735 W·℃⁻¹ auf 1.346 W·℃⁻¹;

• Kabeleintrittsbereich: Die Effizienz stieg von 892 W·℃⁻¹ auf 1.683 W·℃⁻¹.
  Diese Ergebnisse bestätigen die Effektivität des gezwungenen Kälte-Luftsystems und des optimierten Ein- und Auslaßdesigns.

• Maximale Verbesserung im Kühlkörper:
  Die interne Kühlkörperformanz verbesserte sich am meisten—von 980 W·℃⁻¹ auf 1.975 W·℃⁻¹—was die kritische Rolle der optimierten Finnenparameter und der Kastenstruktur bei der Verbesserung der thermischen Leistung demonstriert.

3 Fazit

Diese Studie analysierte den Einfluss der harten Umgebung des Offshore-Windparks auf die Wärmeabführung des Steuerkastens. Basierend auf den Prinzipien der Wärmeübertragung wurde ein zielgerichtetes Optimierungsschema vorgeschlagen und experimentell validiert. Das optimierte Design verbessert nicht nur die Wärmeabführleistung und reduziert die internen Temperaturen, sondern erhöht auch die Korrosionsbeständigkeit und verlängert die Lebensdauer. Diese Maßnahmen bieten robuste technische Unterstützung für den nachhaltigen Betrieb von Offshore-Windparks.