A transición enerxética global impulsa a enerxía eólica offshore, aínda que os entornos marítimos complexos desafían a fiabilidade dos aerxeneradores. A dissipación de calor das caixas de control de transformadores empotrados (PMTCCs) é crítica—o calor non dissipado causa danos nos compoñentes. Optimizar a dissipación de calor das PMTCCs mellora a eficiencia dos aerxeneradores, pero a investigación centrase principalmente nas granxas eólicas en terra, ignorando as offshore. Polo tanto, deseñar PMTCCs para condicións offshore para mellorar a seguridade.
1 Optimización da dissipación de calor das PMTCC
1.1 Adición de dispositivos de dissipación de calor
Para as PMTCCs offshore, adicione/optimice dispositivos de dissipación de calor totalmente selados para resistir a salpicadura de sal e humidade. Instalados ao lado dos transformadores, conectados mediante interfaces especiais, forman bucles de refrixeración eficientes. O fluxo de aire nos dispositivos: ver Fig. 1.
Debido ás especificidades do clima marítimo nas granxas eólicas offshore, como as grandes fluctuacións de temperatura, alta humidade e corrosión por salpicadura de sal, se imponen requisitos máis estritos no rendemento de dissipación de calor das caixas de control de transformadores. Para lograr unha optimización precisa do deseño do disipador de calor, este estudo combina innovadoramente ANSYS con MATLAB, aproveitando algoritmos xenéticos para optimizar os parámetros de anchura dos disipadores de calor.
Devido ás limitacións da linguaxe de programación paramétrica incorporada en ANSYS para integrar directamente algoritmos de optimización, adoptouse MATLAB como intermediario. A través do desenvolvemento dunha interface de desenvolvemento secundario de ANSYS, realizouse unha conexión sin interrupcións entre ANSYS e MATLAB. Supónse que a área total do disipador de calor é 0.36 m², e a relación entre a anchura traseira az e a anchura lateral ac do disipador de calor está definida como:
A través de cálculos e simulacións detallados, determinouse que a anchura traseira óptima do disipador de calor é 0.235 m, coas anchuras dos dous disipadores de calor laterais axustadas a 1.532 m en consecuencia. Esta optimización non só mantén a área total do disipador de calor, senón que tamén melhora o seu rendemento de dissipación de calor.
1.2 Tecnoloxía de refrigeración forzada de aire
A refrigeración forzada de aire usa ventiladores para acelerar a circulación de aire, expandindo diferenzas de temperatura mediante convección de aire para mellorar a dissipación de calor. Controla a temperatura da caixa de forma segura, pero enfrenta perdas por fricción/local nas conductas. As optimizacións inclúen expandir a anchura da conducta de 100 a 120 mm e reducir o diámetro hidráulico, minimizando a perda de enerxía e mellorando a eficiencia. O aceite refrixerado retorna ao tanque a través de tubos na parte inferior, formando un ciclo cerrado para dúas refrixeracións. Ver Figura 2 para a circulación.
Para optimizar a dissipación de calor, seleccionouse un modo de refrixeración natural de aceite forzado de aire (ONAF). Os ventiladores impulsan o fluxo de aire para que o aire de refrixeración fluya desde a parte inferior ata a superior, cubrindo efectivamente toda a superficie do radiador.
1.3 Optimización das entradas e saídas na cámara principal do transformador
Basándose na perda de potencia da caixa de control do transformador e na diferenza de temperatura esperada entre a entrada e a saída, calcula-se o fluxo de aire necesario usando termodinámica. A fórmula para o fluxo de aire V é:
Na fórmula:
Dado o posible declive na eficiencia de ventilación, a taxa de fluxo de aire medida establecese en 1.6V. A fórmula para calcular a área de entrada efectiva A é:
Onde v representa a velocidade do aire tanto na entrada como na saída. Despois de esclarecer a perda de potencia da caixa de control do transformador e determinar a diferenza de temperatura esperada entre a entrada e a saída, calcula-se o fluxo de aire necesario V usando principios termodinámicos. Finalmente, deseñanse as dimensións específicas da entrada e saída baseándose no fluxo de aire V:
O análise da correlación entre a perda de presión na entrada e a área de abertura revela que aumentar a área de abertura pode reducir eficazmente a perda de presión de gas, mellorando así a eficiencia de dissipación de calor. No precepto de asegurar a forza estrutural da caixa de control, a área de abertura da entrada establecese en 0.066 m². Para mellorar a área de ventilación efectiva, adoptouse un método combinado de xreillas e coberturas de lamas para aumentar as pasaxes de ventilación mentres se prevén a intrusión de polvo e chuvia. Na parte inferior da cámara principal do transformador, instálase unha ventá de entrada de aire adicional aproximadamente a 40 cm sobre o solo para expandir a área de entrada.
Baseado no principio de entrada de aire inferior e saída de aire superior, optimízanse a disposición da entrada e saída. A entrada estabelecese na parte inferior da cámara principal do transformador, e a saída localízase na parte superior, formando convección natural. Isto permite que o aire quente ascienda suavemente e se descargue polo orificio de saída, mentres que o aire frío entra polo orificio de entrada, creando unha circulación de aire efectiva para mellorar a eficiencia de dissipación de calor.
1.4 Optimización da estrutura da caixa de control
Para abordar os desafíos únicos da sal, humidade e substancias corrosivas nas granxas eólicas offshore, empreganse materiais anticorrosión de alto rendemento e tecnoloxías de selado avanzadas para mellorar a protección xeral da caixa de control.
Deseño de dissipación de calor mellorado:
Entrada de cables e optimización do fluxo de aire:
Estas optimizacións resultan nunha disposición de cables estruturada e ben segregada que mellora a xestión térmica e a fiabilidade do sistema.
2 Verificación experimental
2.1 Configuración experimental
Para validar a viabilidade do deseño de dissipación de calor, construíuse unha plataforma experimental para simular comprehensivamente o entorno da granxa eólica offshore. Empregáronse dous ventiladores para replicar as velocidades e direccións do vento offshore. O equipo experimental está listado na Táboa 1.
Para simular o entorno da granxa eólica offshore, ao usar ventiladores para imitar a velocidade e dirección do vento, debe prestarse atención á uniformidade da velocidade do vento e á diversidade da dirección. A uniformidade da velocidade do vento é crucial para avaliar correctamente o rendemento de dissipación de calor da caixa de control, e a diversidade das direccións do vento pode simular de forma máis comprehensiva os cambios de dirección do vento offshore. Así, durante o experimento, os ventiladores deben controlarse precisamente para asegurar que a velocidade e a dirección do vento coincidan coas características reais da granxa eólica offshore.
2.2 Resultados e análise experimental
Despois de optimizar a dissipación de calor da caixa de control do transformador tipo caja da granxa eólica offshore, rexistráronse a eficiencia de dissipación de calor de diferentes partes da caixa de control antes e despois da optimización, como se mostra na Táboa 2.
2.3 Resultados e discusión
Baseado nos datos experimentais da Táboa 2, a eficiencia de dissipación de calor da caixa de control do transformador empotrado do aerxenerador offshore mostra melloras significativas despois da optimización:
3 Conclusión
Este estudo analizou o impacto do entorno adverso da granxa eólica offshore na dissipación de calor da caixa de control. Guiado por principios de transferencia de calor, propuxo e validou experimentalmente un esquema de optimización específico. O deseño optimizado non só mellora a eficiencia de dissipación de calor e reduce as temperaturas internas, senón que tamén aumenta a resistencia á corrosión e prolonga a vida útil. Estas medidas proporcionan un soporte técnico robusto para a operación sostenible das granxas eólicas offshore.