گذار جهانی انرژی توان بادی دریایی را افزایش میدهد، اما محیطهای دریایی پیچیده چالشهایی برای قابلیت اطمینان توربینها ایجاد میکنند. خنکسازی کنترلکنندههای ترانسفورماتور (PMTCCs) بسیار مهم است—حرارت غیرخنثی شده باعث آسیب به قطعات میشود. بهینهسازی خنکسازی PMTCCs کارایی توربینها را افزایش میدهد، اما تحقیقات عمدتاً روی مزارع بادی ساحلی تمرکز دارد و مزارع بادی دریایی را نادیده میگیرد. بنابراین، طراحی PMTCCs برای شرایط دریایی برای افزایش امنیت ضروری است.
1 بهینهسازی خنکسازی PMTCC
1.1 افزودن دستگاههای خنکسازی
برای PMTCCs دریایی، دستگاههای خنکسازی کاملاً بسته را اضافه/بهینه کنید تا مقاومت به نمک و رطوبت داشته باشند. این دستگاهها کنار ترانسفورماتورها نصب شده و از طریق رابطهای خاص متصل میشوند و حلقههای خنکسازی مؤثر را تشکیل میدهند. جریان هوا در دستگاهها: شکل 1 را ببینید.
به دلیل ویژگیهای خاص اقلیم دریایی در مزارع بادی دریایی، مانند نوسانات بزرگ دما، رطوبت بالا و فرسودگی نمک، الزامات بسیار سختگیرانهای بر عملکرد خنکسازی کنترلکنندههای ترانسفورماتور تحمیل میشود. برای بهینهسازی دقیق طراحی رادیاتور، این مطالعه به طور نوآورانه ANSYS را با MATLAB ترکیب میکند و از الگوریتمهای ژنتیکی برای بهینهسازی پارامترهای عرض رادیاتور استفاده میکند.
به دلیل محدودیتهای زبان برنامهنویسی پارامتریک داخلی ANSYS در ادغام مستقیم الگوریتمهای بهینهسازی، MATLAB به عنوان واسط میانی انتخاب شده است. با توسعه رابط توسعه ثانویه ANSYS، اتصال بیدرنگ بین ANSYS و MATLAB تحقق یافته است. فرض میشود که مساحت کل رادیاتور 0.36 متر مربع است و رابطه بین عرض پشت az و عرض لبه جانبی ac رادیاتور به صورت زیر تعریف شده است:
با محاسبات و شبیهسازیهای دقیق، عرض بهینه پشت رادیاتور به 0.235 متر تعیین شده و عرضهای دو رادیاتور جانبی به 1.532 متر تنظیم شدهاند. این بهینهسازی نه تنها مساحت کل رادیاتور را حفظ میکند بلکه عملکرد خنکسازی آن را نیز افزایش میدهد.
1.2 فناوری خنکسازی هوا اجباری
خنکسازی هوا اجباری از فنها برای تسریع در چرخش هوا استفاده میکند و با گسترش تفاوت دما از طریق همرفت هوا، خنکسازی را افزایش میدهد. این روش دمای کابین را به صورت ایمن کنترل میکند اما با تلفات اصطکاکی و محلی در لولهها مواجه است. بهینهسازیها شامل گسترش عرض لوله از 100 به 120 میلیمتر و کاهش قطر هیدرولیکی، کاهش تلفات انرژی و افزایش کارایی میشود. روغن خنک شده از طریق لولههای پایین به مخزن بازمیگردد و حلقهای بسته برای خنکسازی دوگانه تشکیل میدهد. جریان را در شکل 2 ببینید.
برای بهینهسازی خنکسازی، حالت خنکسازی هوا اجباری طبیعی (ONAF) انتخاب شده است. فنها جریان هوا را تحریک میکنند تا هوای خنک از پایین به بالا حرکت کند و به طور موثر کل سطح رادیاتور را پوشش دهد.
1.3 بهینهسازی ورودی و خروجی در اتاق ترانسفورماتور اصلی
بر اساس تلفات انرژی کنترلکننده ترانسفورماتور و تفاوت دمای مورد انتظار بین ورودی و خروجی، جریان هوا با استفاده از اصول ترمودینامیک محاسبه میشود. فرمول جریان هوا V به صورت زیر است:
در فرمول:
با توجه به احتمال کاهش کارایی تهویه، نرخ جریان هوا اندازهگیری شده به 1.6V تنظیم شده است. فرمول محاسبه مساحت مؤثر ورودی A به صورت زیر است:
که در آن v سرعت هوا در هر دو ورودی و خروجی را نشان میدهد. پس از مشخص کردن تلفات انرژی کنترلکننده ترانسفورماتور و تعیین تفاوت دمای مورد انتظار بین ورودی و خروجی، جریان هوا V با استفاده از اصول ترمودینامیک محاسبه میشود. در نهایت، ابعاد خاص ورودی و خروجی بر اساس جریان هوا V طراحی میشود:
تحلیل همبستگی بین تلفات فشار ورودی و مساحت بازشدن نشان میدهد که افزایش مساحت بازشدن میتواند به طور موثر تلفات فشار گاز را کاهش دهد و بنابراین کارایی خنکسازی را افزایش دهد. با توجه به حفظ قدرت ساختاری کابین کنترل، مساحت بازشدن ورودی به 0.066 متر مربع تنظیم شده است. برای افزایش مساحت مؤثر تهویه، روشی ترکیبی از گریلها و پوششهای لووری استفاده شده است تا مسیرهای تهویه را افزایش دهد و همزمان ورود گرد و باران را جلوگیری کند. در بخش پایین اتاق ترانسفورماتور اصلی، یک پنجره ورودی هوا اضافه شده است که حدود 40 سانتیمتر بالاتر از زمین قرار دارد تا مساحت ورودی را بیشتر کند.
بر اساس اصل ورود هوا از پایین و خروج از بالا، طراحی ورودی و خروجی بهینه شده است. ورودی در بخش پایین اتاق ترانسفورماتور اصلی قرار دارد و خروجی در بخش بالایی قرار گرفته تا همرفت طبیعی را تشکیل دهد. این امر اجازه میدهد که هوا گرم به صورت هموار از خروجی خارج شود و هوا سرد از ورودی وارد شود و یک چرخه هوا مؤثر را برای بهبود کارایی خنکسازی ایجاد کند.
1.4 بهینهسازی ساختار کابین کنترل
برای مقابله با چالشهای منحصر به فرد نمک، رطوبت و مواد فرساینده در مزارع بادی دریایی، مواد ضدفرساد با عملکرد بالا و فناوریهای بستهبندی پیشرفته استفاده شدهاند تا محافظت کلی کابین کنترل را افزایش دهند.
طراحی خنکسازی بهبود یافته:
ورود کابل و بهینهسازی جریان هوا:
این بهینهسازیها به یک طرح کابلبندی ساختاری و جدا شده منجر میشود که هم مدیریت حرارتی و هم قابلیت اطمینان سیستم را افزایش میدهد.
2 تأیید آزمایشی
2.1 تنظیم آزمایش
برای تأیید امکانپذیری طراحی خنکسازی، یک پلتفرم آزمایشی ساخته شد تا به طور جامع محیط مزرعه بادی دریایی را شبیهسازی کند. دو فن برای تقلید سرعت و جهت باد دریایی استفاده شد. تجهیزات آزمایشی در جدول 1 آورده شدهاند.
برای شبیهسازی محیط مزرعه بادی دریایی، هنگام استفاده از فنها برای تقلید سرعت و جهت باد، باید به یکنواختی سرعت باد و تنوع جهت باد توجه شود. یکنواختی سرعت باد برای ارزیابی دقیق عملکرد خنکسازی کابین کنترل حیاتی است و تنوع جهت باد میتواند به طور جامعتر تغییرات جهت باد دریایی را شبیهسازی کند. بنابراین، در طول آزمایش، فنها باید به طور دقیق کنترل شوند تا سرعت و جهت باد با ویژگیهای واقعی مزرعه بادی دریایی مطابقت داشته باشد.
2.2 نتایج و تحلیل آزمایشی
بعد از بهینهسازی خنکسازی کابین کنترل ترانسفورماتور نوع جعبهای مزرعه بادی دریایی، کارایی خنکسازی بخشهای مختلف کابین کنترل قبل و بعد از بهینهسازی ثبت شد، مانند جدول 2.
2.3 نتایج و بحث
بر اساس دادههای آزمایشی در جدول 2، کارایی خنکسازی کابین کنترل ترانسفورماتور نوع جعبهای مزرعه بادی دریایی پس از بهینهسازی به طور قابل توجهی بهبود یافته است:
3 نتیجهگیری
این مطالعه تأثیر محیط سخت مزرعه بادی دریایی بر خنکسازی کابین کنترل را تحلیل کرد. با هدایت از اصول انتقال حرارت، یک طرح بهینهسازی هدفمند پیشنهاد شد و آزمایشی تأیید شد. طراحی بهینه شده نه تنها کارایی خنکسازی را افزایش میدهد و دمای داخلی را کاهش میدهد، بلکه مقاومت در برابر فرسودگی را نیز افزایش میدهد و عمر مفید را افزایش میدهد. این اقدامات پشتیبانی فنی قوی برای عملیات پایدار مزارع بادی دریایی ارائه میدهند.