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Diseño de Optimización Térmica para Armarios de Control de Transformadores de Pórtico en Aerogeneradores Offshore

Dyson
Dyson
Campo: Normas Eléctricas
China

La transición energética global impulsa la energía eólica offshore, pero los complejos entornos marinos desafían la fiabilidad de los aerogeneradores. La disipación de calor de los armarios de control de transformadores empotrados (PMTCCs) es crítica; el calor no disipado causa daños en los componentes. Optimizar la disipación de calor de los PMTCCs mejora la eficiencia de los aerogeneradores, pero la investigación se centra principalmente en parques eólicos terrestres, descuidando los offshore. Por lo tanto, es necesario diseñar PMTCCs para condiciones offshore para mejorar la seguridad.

1 Optimización de la Disipación de Calor de los PMTCCs
1.1 Añadir Dispositivos de Disipación de Calor

Para los PMTCCs offshore, añadir/optimizar dispositivos de disipación de calor completamente sellados para resistir la sal y la humedad. Instalados junto a los transformadores, conectados a través de interfaces especiales, forman bucles de enfriamiento eficientes. Flujo de aire en los dispositivos: ver Figura 1.

Debido a las especificidades del clima marítimo en los parques eólicos offshore, como las grandes fluctuaciones de temperatura, la alta humedad y la corrosión por sal, se imponen requisitos más estrictos al rendimiento de disipación de calor de los armarios de control de transformadores. Para lograr una optimización precisa del diseño de los disipadores de calor, este estudio combina innovadoramente ANSYS con MATLAB, utilizando algoritmos genéticos para optimizar los parámetros de ancho de los disipadores de calor.

Debido a las limitaciones del lenguaje de programación paramétrico integrado de ANSYS para integrar directamente algoritmos de optimización, se adopta MATLAB como intermediario. A través del desarrollo de una interfaz de desarrollo secundario de ANSYS, se logra una conexión sin problemas entre ANSYS y MATLAB. Se asume que el área total del disipador de calor es de 0.36 m², y se define la relación entre el ancho trasero \(a_z\) y el ancho lateral \(a_c\) del disipador de calor como:

A través de cálculos y simulaciones detallados, se determina que el ancho trasero óptimo del disipador de calor es de 0.235 m, ajustándose los anchos de los dos disipadores laterales a 1.532 m. Esta optimización no solo mantiene el área total del disipador de calor sino que también mejora su rendimiento de disipación de calor.

1.2 Tecnología de Enfriamiento Forzado por Aire

El enfriamiento forzado por aire utiliza ventiladores para acelerar la circulación del aire, expandiendo las diferencias de temperatura mediante la convección del aire para mejorar la disipación de calor. Controla la temperatura del gabinete de manera segura, pero enfrenta pérdidas por fricción y locales en los conductos. Las optimizaciones incluyen expandir el ancho del conducto de 100 a 120 mm y reducir el diámetro hidráulico, minimizando la pérdida de energía y mejorando la eficiencia. El aceite refrigerado vuelve al tanque a través de tuberías inferiores, formando un circuito cerrado para doble enfriamiento. Ver Figura 2 para la circulación.

Para optimizar la disipación de calor, se selecciona el modo de enfriamiento por aire forzado natural (ONAF). Los ventiladores impulsan el flujo de aire para que el aire de enfriamiento fluya desde abajo hacia arriba, cubriendo eficazmente toda la superficie del radiador.

1.3 Optimización de la Entrada y Salida en la Cámara Principal del Transformador

Basándose en la pérdida de potencia del armario de control del transformador y la diferencia de temperatura esperada entre la entrada y la salida, se calcula el flujo de aire necesario utilizando la termodinámica. La fórmula para el flujo de aire \(V\) es:

En la fórmula:

  • Q es la disipación de calor por unidad de tiempo;

  • ρ es la densidad del aire;

  • b es la capacidad calorífica específica;

  • ΔT es la diferencia de temperatura entre la entrada y la salida.

Dado el posible declive en la eficiencia de ventilación, se establece la tasa de flujo de aire medida en 1.6V. La fórmula para calcular el área de entrada efectiva \(A\) es:

Donde \(v\) representa la velocidad del aire tanto en la entrada como en la salida. Después de aclarar la pérdida de potencia del armario de control del transformador y determinar la diferencia de temperatura esperada entre la entrada y la salida, se calcula el flujo de aire necesario \(V\) utilizando principios termodinámicos. Finalmente, se diseñan las dimensiones específicas de la entrada y la salida basadas en el flujo de aire \(V\):

  • Entrada: ancho de 0.200 m y altura de 0.330 m;

  • Salida: ancho de 0.250 m y altura de 0.264 m.

El análisis de la correlación entre la pérdida de presión en la entrada y el área de apertura revela que aumentar el área de apertura puede reducir eficazmente la pérdida de presión del gas, mejorando así la eficiencia de la disipación de calor. Con el fin de asegurar la resistencia estructural del armario de control, el área de apertura de la entrada se establece en 0.066 m². Para mejorar el área de ventilación efectiva, se adopta un método que combina rejillas y cubiertas de lamas para aumentar los pasajes de ventilación mientras se previene la intrusión de polvo y lluvia. En la parte inferior de la cámara principal del transformador, se instala una ventana adicional de entrada de aire aproximadamente 40 cm por encima del suelo para expandir aún más el área de entrada.

Basándose en el principio de entrada de aire por la parte inferior y salida de aire por la parte superior, se optimiza la disposición de la entrada y la salida. La entrada se coloca en la parte inferior de la cámara principal del transformador, y la salida se sitúa en la parte superior, formando una convección natural. Esto permite que el aire caliente ascienda suavemente y se expulse por la salida, mientras que el aire frío entra por la entrada, creando una circulación de aire efectiva para mejorar la eficiencia de la disipación de calor.

1.4 Optimización de la Estructura del Armario de Control

Para abordar los desafíos únicos de la sal, la humedad y las sustancias corrosivas en los parques eólicos offshore, se utilizan materiales anticorrosivos de alto rendimiento y tecnologías de sellado avanzadas para mejorar la protección general del armario de control.

Diseño Mejorado de Disipación de Calor:

  • Ventanas de Ventilación Optimizadas: Para resolver la insuficiente disipación de calor causada por ventanas de escape insuficientes, se colocan estratégicamente ventilaciones adicionales en la parte superior y lateral. Los cálculos determinan el tamaño y la cantidad óptimos para maximizar el flujo de aire mientras se mantiene la integridad estructural:

    • 80 ventilaciones montadas en la parte superior (1.0 m × 0.2 m cada una);

    • 20 ventilaciones montadas en los laterales (2.0 m × 0.15 m cada una).

Entrada de Cables y Optimización del Flujo de Aire:

  • Puertos de Entrada Rectangulares: Se mecanizan puertos de entrada de cables rectangulares en el acero de canal de la base del marco, simplificando la instalación de cables y mejorando las rutas de flujo de aire.

  • Placa Base Deslizante: Una placa base deslizante facilita el enrutamiento de cables a los terminales mientras se mantiene un sellado efectivo, asegurando que los componentes internos permanezcan protegidos.

Estas optimizaciones resultan en un diseño de cableado estructurado y bien segregado que mejora tanto la gestión térmica como la confiabilidad del sistema.

2 Verificación Experimental
2.1 Configuración Experimental

Para validar la factibilidad del diseño de disipación de calor, se construyó una plataforma experimental para simular de manera integral el entorno de los parques eólicos offshore. Se emplearon dos ventiladores para replicar las velocidades y direcciones del viento offshore. El equipo experimental se lista en la Tabla 1.

Para simular el entorno de los parques eólicos offshore, al usar ventiladores para imitar la velocidad y dirección del viento, se debe prestar atención a la uniformidad de la velocidad del viento y a la diversidad de las direcciones. La uniformidad de la velocidad del viento es crucial para evaluar con precisión el rendimiento de disipación de calor del armario de control, y las diversas direcciones pueden simular de manera más completa los cambios en la dirección del viento offshore. Por lo tanto, durante el experimento, los ventiladores deben ser controlados con precisión para asegurar que la velocidad y dirección del viento coincidan con las características reales de los parques eólicos offshore.

2.2 Resultados y Análisis Experimentales

Después de optimizar la disipación de calor del armario de control del transformador tipo caja de los aerogeneradores offshore, se registró la eficiencia de disipación de calor de diferentes partes del armario de control antes y después de la optimización, como se muestra en la Tabla 2.

2.3 Resultados y Discusión

Basándose en los datos experimentales de la Tabla 2, la eficiencia de disipación de calor del armario de control del transformador tipo caja de los aerogeneradores offshore muestra mejoras significativas después de la optimización:

  • Mejoras en Regiones Clave:

    • Ventana de ventilación superior: La eficiencia aumentó de 772 W·℃⁻¹ a 1,498 W·℃⁻¹;

    • Ventana de ventilación lateral: La eficiencia mejoró de 735 W·℃⁻¹ a 1,346 W·℃⁻¹;

    • Área de entrada de cables: La eficiencia aumentó de 892 W·℃⁻¹ a 1,683 W·℃⁻¹.
      Estos resultados validan la efectividad del sistema de aire frío forzado y el diseño optimizado de la entrada y salida.

  • Máxima Mejora en el Radiador:
    La eficiencia del radiador interno aumentó más significativamente, de 980 W·℃⁻¹ a 1,975 W·℃⁻¹, demostrando el papel crucial de los parámetros de aletas optimizados y la estructura del armario en la mejora del rendimiento térmico.

3 Conclusión

Este estudio analizó el impacto del entorno adverso de los parques eólicos offshore en la disipación de calor del armario de control. Guiado por los principios de transferencia de calor, se propuso y validó experimentalmente un esquema de optimización dirigido. El diseño optimizado no solo mejora la eficiencia de disipación de calor y reduce las temperaturas internas, sino que también mejora la resistencia a la corrosión y prolonga la vida útil. Estas medidas proporcionan un soporte técnico sólido para la operación sostenible de los parques eólicos offshore.

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