Conception optimale thermique pour les armoires de commande des transformateurs enterrés dans les éoliennes offshore

La transition énergétique mondiale stimule l'énergie éolienne offshore, mais les environnements marins complexes posent des défis à la fiabilité des turbines. La dissipation de chaleur des armoires de commande de transformateurs encastrés (PMTCC) est cruciale - la chaleur non dissipée endommage les composants. L'optimisation de la dissipation de chaleur des PMTCC améliore l'efficacité des turbines, mais la recherche se concentre principalement sur les parcs éoliens terrestres, négligeant ceux offshore. Ainsi, il est nécessaire de concevoir des PMTCC pour les conditions offshore afin d'améliorer la sécurité.

1 Optimisation de la dissipation de chaleur des PMTCC
1.1 Ajout de dispositifs de dissipation de chaleur

Pour les PMTCC offshore, ajoutez/optimisez des dispositifs de dissipation de chaleur entièrement étanches pour résister au sel et à l'humidité. Installés à côté des transformateurs et connectés via des interfaces spéciales, ils forment des boucles de refroidissement efficaces. Le flux d'air dans les dispositifs : voir Fig. 1.

En raison des particularités du climat maritime dans les parcs éoliens offshore, tels que de grandes fluctuations de température, une forte humidité et la corrosion par le sel, des exigences plus strictes sont imposées aux performances de dissipation de chaleur des armoires de commande de transformateurs. Pour réaliser une optimisation précise de la conception des radiateurs, cette étude combine innovamment ANSYS avec MATLAB, utilisant des algorithmes génétiques pour optimiser les paramètres de largeur des radiateurs.

En raison des limitations du langage de programmation paramétrique intégré d'ANSYS pour l'intégration directe des algorithmes d'optimisation, MATLAB est adopté comme intermédiaire. Grâce au développement d'une interface de développement secondaire ANSYS, une connexion transparente entre ANSYS et MATLAB est réalisée. On suppose que la surface totale du radiateur est de 0,36 m², et la relation entre la largeur arrière a_z et la largeur latérale a_c du radiateur est définie comme suit :

Grâce à des calculs et des simulations détaillés, la largeur arrière optimale du radiateur est déterminée à 0,235 m, avec les largeurs des deux radiateurs latéraux ajustées à 1,532 m en conséquence. Cette optimisation maintient non seulement la surface totale du radiateur, mais améliore également ses performances de dissipation de chaleur.

1.2 Technologie de refroidissement forcé par air

Le refroidissement forcé par air utilise des ventilateurs pour accélérer la circulation de l'air, augmentant les différences de température par convection de l'air pour améliorer la dissipation de chaleur. Il contrôle la température de l'armoire en toute sécurité, mais fait face à des pertes de friction et locales dans les conduits. Les optimisations incluent l'élargissement de la largeur des conduits de 100 à 120 mm et la réduction du diamètre hydraulique, minimisant la perte d'énergie et améliorant l'efficacité. L'huile refroidie retourne au réservoir par les tuyaux inférieurs, formant une boucle fermée pour un double refroidissement. Voir la Figure 2 pour la circulation.

Pour optimiser la dissipation de chaleur, un mode de refroidissement ONAF (Oil Natural Air Forced) est sélectionné. Les ventilateurs entraînent le flux d'air pour faire circuler l'air de refroidissement du bas vers le haut, couvrant efficacement toute la surface du radiateur.

1.3 Optimisation des entrées et sorties dans la chambre du transformateur principal

Sur la base de la perte de puissance de l'armoire de commande du transformateur et de la différence de température attendue entre l'entrée et la sortie, le débit d'air requis est calculé en utilisant la thermodynamique. La formule pour le débit d'air V est :

Dans la formule :

• Q est la dissipation de chaleur par unité de temps ;

• ρ est la densité de l'air ;

• b est la capacité calorifique spécifique ;

• ΔT est la différence de température entre l'entrée et la sortie.

Compte tenu du potentiel de baisse de l'efficacité de la ventilation, le débit d'air mesuré est fixé à 1,6V. La formule pour calculer la surface d'entrée effective A est :

Où v représente la vitesse de l'air à l'entrée et à la sortie. Après avoir clarifié la perte de puissance de l'armoire de commande du transformateur et déterminé la différence de température attendue entre l'entrée et la sortie, le débit d'air V est calculé en utilisant les principes thermodynamiques. Enfin, les dimensions spécifiques de l'entrée et de la sortie sont conçues en fonction du débit d'air V :

• Entrée : largeur de 0,200 m et hauteur de 0,330 m ;

• Sortie : largeur de 0,250 m et hauteur de 0,264 m.

L'analyse de la corrélation entre la perte de pression à l'entrée et la surface d'ouverture révèle qu'une augmentation de la surface d'ouverture peut réduire efficacement la perte de pression du gaz, améliorant ainsi l'efficacité de la dissipation de chaleur. Dans le respect de la force structurelle de l'armoire de commande, la surface d'ouverture à l'entrée est fixée à 0,066 m². Pour améliorer la surface de ventilation effective, une méthode combinant grilles et couvercles à lamelles est adoptée pour augmenter les passages de ventilation tout en empêchant l'intrusion de poussière et de pluie. Dans la partie inférieure de la chambre du transformateur principal, une fenêtre d'entrée d'air supplémentaire est installée à environ 40 cm au-dessus du sol pour élargir davantage la surface d'entrée.

Sur la base du principe de l'aspiration d'air par le bas et de l'expulsion d'air par le haut, la disposition de l'entrée et de la sortie est optimisée. L'entrée est placée dans la partie inférieure de la chambre du transformateur principal, et la sortie est située dans la partie supérieure, formant une convection naturelle. Cela permet à l'air chaud de monter en douceur et d'être évacué par la sortie, tandis que l'air froid entre par l'entrée, créant une circulation d'air efficace pour améliorer l'efficacité de la dissipation de chaleur.

1.4 Optimisation de la structure de l'armoire de commande

Pour répondre aux défis uniques liés au sel, à l'humidité et aux substances corrosives dans les parcs éoliens offshore, des matériaux anticorrosion haute performance et des technologies de scellement avancées sont utilisés pour améliorer la protection globale de l'armoire de commande.

Conception de dissipation de chaleur améliorée :

• Fenêtres de ventilation optimisées : Pour résoudre le problème de dissipation de chaleur insuffisante dû à un nombre insuffisant de fenêtres d'évacuation, des ouvertures supplémentaires sont stratégiquement placées en haut et sur les côtés. Des calculs déterminent la taille et la quantité optimales pour maximiser le flux d'air tout en maintenant l'intégrité structurelle :

• 80 ouvertures en haut (1,0 m × 0,2 m chacune) ;

• 20 ouvertures sur les côtés (2,0 m × 0,15 m chacune).

Optimisation de l'entrée des câbles et du flux d'air :

• Ouvertures rectangulaires : Des ports d'entrée de câbles rectangulaires sont usinés dans le profilé de la base du cadre, rationalisant l'installation des câbles et améliorant les chemins de flux d'air.

• Plaque de fond coulissante : Une plaque de fond coulissante facilite le routage des câbles vers les bornes tout en maintenant un scellement efficace, assurant la protection des composants internes.

Ces optimisations aboutissent à un agencement structuré et bien segmenté des câbles qui améliore à la fois la gestion thermique et la fiabilité du système.

2 Vérification expérimentale
2.1 Mise en place de l'expérience

Pour valider la faisabilité de la conception de dissipation de chaleur, une plateforme expérimentale a été construite pour simuler de manière complète l'environnement des parcs éoliens offshore. Deux ventilateurs ont été utilisés pour reproduire les vitesses et directions du vent offshore. L'équipement expérimental est répertorié dans le Tableau 1.

Pour simuler l'environnement des parcs éoliens offshore, lors de l'utilisation de ventilateurs pour imiter la vitesse et la direction du vent, il faut prêter attention à l'uniformité de la vitesse du vent et à la diversité des directions. L'uniformité de la vitesse du vent est cruciale pour une évaluation précise des performances de dissipation de chaleur de l'armoire de commande, et la diversité des directions peut simuler de manière plus complète les changements de direction du vent offshore. Ainsi, pendant l'expérience, les ventilateurs doivent être contrôlés de manière précise pour s'assurer que la vitesse et la direction du vent correspondent aux caractéristiques réelles des parcs éoliens offshore.

2.2 Résultats et analyse de l'expérience

Après l'optimisation de la dissipation de chaleur de l'armoire de commande de transformateur en boîte pour les parcs éoliens offshore, l'efficacité de la dissipation de chaleur des différentes parties de l'armoire de commande avant et après l'optimisation a été enregistrée, comme indiqué dans le Tableau 2.

2.3 Résultats et discussion

Sur la base des données expérimentales du Tableau 2, l'efficacité de la dissipation de chaleur de l'armoire de commande de transformateur en boîte pour les parcs éoliens offshore montre des améliorations significatives après l'optimisation :

• Améliorations des régions clés :

• Fenêtre de ventilation supérieure : L'efficacité est passée de 772 W·℃⁻¹ à 1 498 W·℃⁻¹;

• Fenêtre de ventilation latérale : L'efficacité est passée de 735 W·℃⁻¹ à 1 346 W·℃⁻¹;

• Zone d'entrée des câbles : L'efficacité est passée de 892 W·℃⁻¹ à 1 683 W·℃⁻¹.
  Ces résultats valident l'efficacité du système d'air froid forcé et de la conception optimisée des entrées et sorties.

• Amélioration maximale du radiateur :
  L'efficacité du radiateur interne a connu la plus grande amélioration, passant de 980 W·℃⁻¹ à 1 975 W·℃⁻¹, démontrant le rôle crucial des paramètres de fin optimisés et de la structure de l'armoire dans l'amélioration des performances thermiques.

3 Conclusion

Cette étude a analysé l'impact de l'environnement hostile des parcs éoliens offshore sur la dissipation de chaleur des armoires de commande. Guidée par les principes de transfert de chaleur, une solution d'optimisation ciblée a été proposée et validée expérimentalement. La conception optimisée n'améliore pas seulement l'efficacité de la dissipation de chaleur et réduit les températures internes, mais renforce également la résistance à la corrosion et prolonge la durée de vie. Ces mesures fournissent un soutien technique robuste pour l'exploitation durable des parcs éoliens offshore.