Θερμική Βελτιστοποίηση Σχεδιασμού για Τεχνίτες Ελέγχου Περιβαλλόμενων Μετατροπέα σε Παράκτιους Ανεμογεννήτριες

Η παγκόσμια ενεργειακή μετάβαση ενισχύει την ανέμινη ενέργεια στον άνοιξτο ωκεανό, όμως οι πολύπλοκες θαλάσσιες συνθήκες προκαλούν προκλήσεις για την αξιοπιστία των ανεμογεννητών. Η αποθέρμανση των φωλιών ελεγκτήρων μετασχηματιστών (PMTCCs) είναι κρίσιμη - η μη αποθέρμανση προκαλεί βλάβη στα συστατικά. Η βελτίωση της αποθέρμανσης των PMTCCs βελτιώνει την απόδοση των ανεμογεννητών, αλλά η έρευνα εστιάζει κυρίως σε εγκαταστάσεις σε ηπειρωτικό έδαφος, παραβλέποντας τις θαλάσσιες. Συνεπώς, απαιτείται να σχεδιαστούν PMTCCs για θαλάσσιες συνθήκες για την ενίσχυση της ασφάλειας.

1 Βελτίωση της αποθέρμανσης των PMTCC
1.1 Προσθήκη συσκευών αποθέρμανσης

Για τους θαλάσσιους PMTCCs, προσθέτουμε/βελτιώνουμε πλήρως ξεδιαφανείς συσκευές αποθέρμανσης για να αντιμετωπίσουν την άλειψη αλάτων/υγρασία. Εγκαταστάσεις δίπλα στους μετασχηματιστές, συνδεδεμένες μέσω ειδικών διεπαφών, σχηματίζουν αποτελεσματικές κύκλωσεις ψύξης. Ροή αέρα στις συσκευές: δείτε Σχήμα 1.

Λόγω των ιδιαιτεροτήτων του θαλάσσιου κλίματος στις θαλάσσιες εγκαταστάσεις ανεμογεννητών, όπως οι μεγάλες διακυμάνσεις θερμοκρασίας, η υψηλή υγρασία και η οξείδωση από την άλειψη αλάτων, τίθενται πιο αυστηρές απαιτήσεις για την αποθέρμανση των φωλιών ελεγκτήρων μετασχηματιστών. Για την επίτευξη ακριβούς βελτιστοποίησης του σχεδιασμού των αντικαταθερμάντων, αυτή η μελέτη συνδυάζει εννοιακά το ANSYS με το MATLAB, εκμεταλλευόμενη γενετικούς αλγόριθμους για τη βελτιστοποίηση των παραμέτρων πλάτους των αντικαταθερμάντων.

Λόγω των περιορισμών της εγγενούς παραμετρικής γλώσσας προγραμματισμού του ANSYS στην άμεση ενσωμάτωση των αλγορίθμων βελτιστοποίησης, χρησιμοποιείται το MATLAB ως μεσαίο. Μέσω της ανάπτυξης μιας δευτερεύουσας διεπαφής ANSYS, επιτυγχάνεται μια άνεμποδο σύνδεση μεταξύ ANSYS και MATLAB. Υποθέτεται ότι η συνολική επιφάνεια του αντικαταθέρμαντος είναι 0,36 m², και η σχέση μεταξύ του πλάτους της πίσω πλευράς a_z και του πλάτους της πλευρικής άκρης a_c του αντικαταθέρμαντος ορίζεται ως:

Μέσω λεπτομερών υπολογισμών και προσομοιώσεων, καθορίζεται ότι το βέλτιστο πλάτος της πίσω πλευράς του αντικαταθέρμαντος είναι 0,235 m, με το πλάτος των δύο πλευρικών αντικαταθέρμαντων να προσαρμόζεται σε 1,532 m. Αυτή η βελτιστοποίηση διατηρεί τη συνολική επιφάνεια του αντικαταθέρμαντος και επίσης ενισχύει την απόδοση αποθέρμανσής του.

1.2 Τεχνολογία εξαναγκασμένης αεριού ψύξης

Η εξαναγκασμένη αεριού ψύξη χρησιμοποιεί ανεμιστέρες για την επιτάχυνση της ροής αέρα, επεκτείνοντας τις διαφορές θερμοκρασίας μέσω της αεριού σύγκρισης για την ενίσχυση της αποθέρμανσης. Ελέγχει ασφαλώς τη θερμοκρασία της φωλιάς, αλλά αντιμετωπίζει τριβές/τοπικές απώλειες στους διαγωνισμούς. Οι βελτιώσεις περιλαμβάνουν την επέκταση του πλάτους του διαγωνισμού από 100 σε 120 mm και τη μείωση του υδραυλικού διαμέτρου, μειώνοντας την απώλεια ενέργειας και βελτιώνοντας την απόδοση. Το ψυγμένο λάδι επιστρέφει στην δεξαμενή μέσω αγωγών στο κάτω μέρος, σχηματίζοντας μια κλειστή κύκλωση διπλής ψύξης. Δείτε Σχήμα 2 για την κυκλοφορία.

Για τη βελτίωση της αποθέρμανσης, επιλέγεται ο τρόπος ψύξης Oil Natural Air Forced (ONAF). Οι ανεμιστέρες οδηγούν τη ροή αέρα ώστε ο ψυγμένος αέρας να κυκλοφορεί από το κάτω μέρος προς το άνω, καλύπτοντας αποτελεσματικά την ολόκληρη επιφάνεια του αντικαταθέρμαντος.

1.3 Βελτιστοποίηση των εισόδων και εξόδων στην κύρια αίθουσα μετασχηματιστή

Βασιζόμενοι στην απώλεια ισχύος της φωλιάς ελεγκτήρων μετασχηματιστή και την προσδοκώμενη διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ εισόδου και εξόδου, υπολογίζεται η απαιτούμενη ροή αέρα με χρήση θερμοδυναμικών. Η τύπος για τη ροή αέρα V είναι:

Στον τύπο:

• Q είναι η απώλεια θερμότητας ανά μονάδα χρόνου;

• ρ είναι η πυκνότητα του αέρα;

• b είναι η ιδιαίτερη θερμική ικανότητα;

• &ΔT είναι η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ εισόδου και εξόδου.

Λόγω της πιθανής μείωσης της αποδοτικότητας της αεροποίησης, η μετρημένη ροή αέρα ορίζεται σε 1,6V. Ο τύπος για τον υπολογισμό της αποδοτικής εισόδου επιφάνειας A είναι:

Όπου v αντιπροσωπεύει την ταχύτητα του αέρα και στο είσοδο και στον εξόδο. Μετά την επεξήγηση της απώλειας ισχύος της φωλιάς ελεγκτήρων μετασχηματιστή και την προσδοκώμενη διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ εισόδου και εξόδου, η απαιτούμενη ροή αέρα V υπολογίζεται με θερμοδυναμικές αρχές. Τελικά, τα συγκεκριμένα διαστάτητα του εισόδου και εξόδου σχεδιάζονται με βάση την ροή αέρα V:

• Είσοδος: πλάτος 0,200 m και ύψος 0,330 m;

• Έξοδος: πλάτος 0,250 m και ύψος 0,264 m.

Η ανάλυση της σχέσης μεταξύ της απώλειας πίεσης στον είσοδο και της άνοιξης της επιφάνειας αποδείξει ότι η αύξηση της άνοιξης της επιφάνειας μπορεί να μειώσει αποτελεσματικά την απώλεια πίεσης αερίων, ενισχύοντας έτσι την αποδοτικότητα αποθέρμανσης. Με την προϋπόθεση της διασφάλισης της δομικής αντοχής της φωλιάς, η άνοιξη της επιφάνειας εισόδου ορίζεται σε 0,066 m². Για την ενίσχυση της αποδοτικής επιφάνειας αεροποίησης, χρησιμοποιείται μια μέθοδος συνδυασμού πλέγματος και κάλυψης με λουβίδες για την αύξηση των διαδρομών αεροποίησης, προλαμβάνοντας την εισβολή σκόνης και βροχής. Στο κάτω μέρος της κύριας αίθουσας μετασχηματιστή, εγκαταστάται ένα επιπλέον παράθυρο εισόδου αέρα περίπου 40 cm πάνω από το έδαφος για την περαιτέρω επέκταση της εισόδου.

Βασιζόμενοι στην αρχή της αεροποίησης από το κάτω μέρος και την εξάγωγη αέρα από το άνω μέρος, το layout των εισόδων και εξόδων βελτιώνεται. Ο είσοδος ορίζεται στο κάτω μέρος της κύριας αίθουσας μετασχηματιστή, ενώ ο εξόδος βρίσκεται στο άνω μέρος, σχηματίζοντας φυσική σύγκριση. Αυτό επιτρέπει στον ζεστό αέρα να ανεβαίνει ομαλά και να εκτοπίζεται από τον εξόδο, ενώ ο κρύος αέρα εισέρχεται από τον είσοδο, δημιουργώντας αποτελεσματική κυκλοφορία αέρα για τη βελτίωση της αποθέρμανσης.

1.4 Βελτιστοποίηση της δομής της φωλιάς ελεγκτή

Για την αντιμετώπιση των μοναδικών προκλήσεων του αλάτι, της υγρασίας και των ερημικών ουσιών στις θαλάσσιες εγκαταστάσεις ανεμογεννητών, χρησιμοποιούνται υψηλότερης απόδοσης αντιοξειδωτικά υλικά και προηγμένες τεχνολογίες σφράγισης για την ενίσχυση της συνολικής προστασίας της φωλιάς ελεγκτή.

Ενισχυμένος σχεδιασμός αποθέρμανσης:

• Βελτιστοποιημένα παράθυρα αεροποίησης: Για την επίλυση της ανεπαρκούς αποθέρμανσης λόγω της ανεπαρκούς αεροποίησης, προστίθενται επιπλέον αναψύξεις στο κάτω και τα πλευρικά μέρη. Οι υπολογισμοί καθορίζουν το βέλτιστο μέγεθος και ποσότητα για την επίτευξη της μέγιστης ροής αέρα, διατηρώντας τη δομική ακεραιότητα:

• 80 αναψύξεις στο κάτω μέρος (1,0 m × 0,2 m καθένα);

• 20 αναψύξεις στα πλευρικά μέρη (2,0 m × 0,15 m καθένα).

Εισόδος καλωδίων και βελτιστοποίηση ροής αέρα:

• Ορθογώνιες είσοδοι: Ορθογώνιες εισόδοι καλωδίων μηχανολογούνται στον χάλυβα της βάσης του πλαισίου, συντομεύοντας την εγκατάσταση καλωδίων και βελτιώνοντας τις διαδρομές αεροποίησης.

• Κινούμενη βάση: Μια κινούμενη βάση επιτρέπει τη διαδρομή καλωδίων σε τερματικά, διατηρώντας αποτελεσματική σφράγιση, εξασφαλίζοντας την προστασία των εσωτερικών συστατικών.

Αυτές οι βελτιώσεις αποδίδουν μια δομημένη, καλά χωρισμένη διάταξη καλωδίων που ενισχύει τη θερμική διαχείριση και την αξιοπιστία του συστήματος.

2 Πειραματική επαλήθευση
2.1 Πειραματική διάρθρωση

Για την επαλήθευση της εφικτότητας του σχεδιασμού αποθέρμανσης, κατασκευάστηκε μια πειραματική πλατφόρμα για την ολοκληρωμένη προσομοίωση του περιβάλλοντος των θαλάσσιων εγκαταστάσεων ανεμογεννητών. Χρησιμοποιήθηκαν δύο ανεμιστέρες για την εξαγωγή των ταχυτήτων και των κατευθύνσεων των ανέμων.