گذار جهانی به انرژیهای تجدیدپذیر باعث افزایش قدرت بادی دریایی شده است، اما محیطهای دریایی پیچیده چالشهایی برای قابلیت اطمینان توربینها ایجاد میکنند. خنکسازی کابینهای کنترل ترانسفورماتورهای پد-مونتاژ (PMTCCs) حیاتی است - حرارت غیرقابل تبدیل باعث آسیب به قطعات میشود. بهینهسازی خنکسازی PMTCCs باعث افزایش کارایی توربینها میشود، 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.
۱ بهینهسازی خنکسازی PMTCC
۱.۱ افزودن دستگاههای خنکسازی
برای PMTCCهای دریایی، دستگاههای خنکسازی کاملاً مسدود شده را اضافه/بهینه کنید تا مقاومت در برابر اسپری نمک/رطوبت داشته باشند. این دستگاهها کنار ترانسفورماتور نصب شده و از طریق رابطهای ویژه به آن متصل میشوند و حلقههای خنکسازی مؤثری را تشکیل میدهند. جریان هوا در دستگاهها: شکل ۱ را ببینید.
به دلیل ویژگیهای خاص آب و هوای دریایی در مزارع بادی دریایی، مانند نوسانات دما، رطوبت بالا و فرسایش اسپری نمک، نیازهای سختگیرانهتری برای عملکرد خنکسازی کابینهای کنترل ترانسفورماتور وجود دارد. برای بهینهسازی دقیق طراحی رادیاتور، این مطالعه به طور نوآورانه ANSYS را با MATLAB ترکیب میکند و از الگوریتمهای ژنتیک برای بهینهسازی پارامترهای عرض رادیاتور استفاده میکند.
به دلیل محدودیتهای زبان برنامهنویسی پارامتریک داخلی ANSYS در ادغام مستقیم الگوریتمهای بهینهسازی، MATLAB به عنوان واسطه انتخاب شده است. از طریq توسعه رابط ثانویه ANSYS، اتصال بیوقفه بین ANSYS و MATLAB فراهم شده است. فرض شده است که مساحت کل رادیاتور ۰.۳۶ متر مربع است و رابطه بین عرض پشت az و عرض لبههای جانبی ac رادیاتور به صورت زیر تعریف شده است:
از طریق محاسبات و شبیهسازیهای دقیق، عرض بهینه پشت رادیاتور به ۰.۲۳۵ متر تعیین شده و عرض دو رادیاتور جانبی به ۱.۵۳۲ متر تنظیم شده است. این بهینهسازی نه تنها مساحت کل رادیاتور را حفظ میکند بلکه عملکرد خنکسازی آن را نیز افزایش میدهد.
۱.۲ فناوری خنکسازی هوا اجباری
خنکسازی هوا اجباری از طریق موتورهای بادگیر برای شتاب دادن به گردش هوا استفاده میکند، تفاوت دما را از طریق همرفت هوا گسترش میدهد و خنکسازی را افزایش میدهد. این روش دمای کابین را به صورت ایمن کنترل میکند اما با افتهای اصطکاکی/محلي در لولهها مواجه است. بهینهسازیها شامل گسترش عرض لوله از ۱۰۰ به ۱۲۰ میلیمتر و کاهش قطر هیدرولیکی است، که افت انرژی را کاهش میدهد و کارایی را افزایش میدهد. روغن خنک شده از طریق لولههای پایین به مخزن بازمیگردد و حلقه بستهای برای خنکسازی دوگانه تشکیل میدهد. جریان را در شکل ۲ مشاهده کنید.
برای بهینهسازی خنکسازی، حالت خنکسازی هوا اجباری با روغن طبیعی (ONAF) انتخاب شده است. موتورهای بادگیر جریان هوا را از پایین به بالا هدایت میکنند و به طور موثر تمام سطح رادیاتور را پوشش میدهند.
۱.۳ بهینهسازی ورودی و خروجی در اتاق ترانسفورماتور اصلی
بر اساس تلفات انرژی کابین کنترل ترانسفورماتور و اختلاف دمای مورد انتظار بین ورودی و خروجی، جریان هوا با استفاده از اصول ترمودینامیکی محاسبه میشود. فرمول جریان هوا V به صورت زیر است:
در این فرمول:
با توجه به احتمال کاهش کارایی تهویه، نرخ جریان هوا به ۱.۶V تنظیم شده است. فرمول محاسبه مساحت ورودی مؤثر A به صورت زیر است:
که در آن v سرعت هوا در ورودی و خروجی را نشان میدهد. پس از مشخص کردن تلفات انرژی کابین کنترل ترانسفورماتور و تعیین اختلاف دمای مورد انتظار بین ورودی و خروجی، جریان هوا V با استفاده از اصول ترمودینامیکی محاسبه میشود. در نهایت، ابعاد خاص ورودی و خروجی بر اساس جریان هوا V طراحی میشوند:
تحلیل همبستگی بین افت فشار ورودی و مساحت باز شده نشان میدهد که افزایش مساحت باز شده میتواند افت فشار گاز را به طور مؤثر کاهش دهد و در نتیجه کارایی خنکسازی را افزایش دهد. با توجه به حفظ قدرت ساختاری کابین کنترل، مساحت باز شده ورودی به ۰.۰۶۶ متر مربع تنظیم شده است. برای افزایش مساحت تهویه مؤثر، روشی ترکیبی از گریلها و پوششهای لوزی شکل استفاده شده است که مسیرهای تهویه را گسترش میدهد و ورود گرد و باران را جلوگیری میکند. در قسمت پایین اتاق ترانسفورماتور اصلی، یک پنجره ورودی هوا اضافی در حدود ۴۰ سانتیمتر بالای زمین نصب شده است تا مساحت ورودی را بیشتر کند.
بر اساس اصل ورود هوا از پایین و خروج از بالا، طرح ورودی و خروجی بهینه شده است. ورودی در قسمت پایین اتاق ترانسفورماتور اصلی و خروجی در قسمت بالایی قرار گرفته و همرفت طبیعی را تشکیل میدهند. این امر اجازه میدهد تا هوا گرم به طور صاف از خروجی خارج شود و هوا سرد از ورودی وارد شود و گردش هوا مؤثری را برای بهبود کارایی خنکسازی ایجاد کند.
۱.۴ بهینهسازی ساختار کابین کنترل
برای مقابله با چالشهای منحصر به فرد نمک، رطوبت و مواد فرسایشی در مزارع بادی دریایی، مواد ضد فرسایش با عملکرد بالا و فناوریهای مهر و موم پیشرفته برای افزایش محافظت کلی کابین کنترل استفاده شده است.
طراحی خنکسازی بهبود یافته:
ورود کابل و بهینهسازی جریان هوا:
این بهینهسازیها منجر به یک طرح کابلی ساختاری و جدا شده میشود که مدیریت حرارتی و قابلیت اطمینان سیستم را افزایش میدهد.
۲ تأیید آزمایشی
۲.۱ راهاندازی آزمایش
برای تأیید امکانپذیری طراحی خنکسازی، یک پلتفرم آزمایشی ساخته شده است تا به طور کامل محیط مزرعه بادی دریایی را شبیهسازی کند. دو موتور بادگیر برای تقلید سرعت و جهت باد دریایی استفاده شدهاند. تجهیزات آزمایشی در جدول ۱ فهرست شدهاند.
برای شبیهسازی محیط مزرعه بادی دریایی، هنگام استفاده از موتورهای بادگیر 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 مهم است و تنوع جهت باد میتواند تغییرات جهت باد دریایی را به طور کاملتری شبیهسازی کند. بنابراین، در طول آزمایش، موتورهای بادگیر باید به طور دقیق کنترل شوند تا سرعت و جهت باد با ویژگیهای واقعی مزرعه بادی دریایی همخوانی داشته باشند.
۲.۲ نتایج آزمایشی و تحلیل
پس از بهینهسازی خنکسازی کابین کنترل ترانسفورماتور نوع جعبهای مزرعه بادی دریایی، کارایی خنکسازی بخشهای مختلف کابین کنترل قبل و بعد از بهینهسازی ثبت شده است، مانند جدول ۲.
۲.۳ نتایج و بحث
بر اساس دادههای آزمایشی در جدول ۲، کارایی خنکسازی کابین کنترل ترانسفورماتور جعبهای مزرعه بادی دریایی پس از بهینهسازی به طور قابل توجهی بهبود یافته است:
۳ نتیجهگیری
این مطالعه تأثیر محیط سخت مزرعه بادی دریایی بر خنکسازی کابین کنترل را تحلیل کرده و با الهام از اصول انتقال حرارت، یک طرح بهینهسازی هدفمند پیشنهاد و توسط آزمایش تأیید شده است. طراحی بهینه شده نه تنها کارایی خنکسازی را افزایش میدهد و دمای داخلی را کاهش میدهد، بلکه مقاومت در برابر فرسایش را نیز افزایش میدهد و عمر مفید را افزایش میدهد. این اقدامات پشتیبانی فنی قوی برای عملیات پایدار مزارع بادی دریایی فراهم میکنند.