Termalna optimizacija dizajna za kontrolne okvire namotničkih transformatora u pomorskim vjetroelektranicama

Globalna prelaznost na obnovljive izvore energije potiče razvoj morskih vjetroelektrana, ali složeni morski uvjeti izazivaju izazove za pouzdanost turbine. Otpornost kontrolnih oksa (PMTCCs) na toplinu je ključna - neotklonjena toplina dovodi do oštećenja komponenata. Optimizacija otporne na toplinu PMTCC poboljšava učinkovitost turbine, ali istraživanja se uglavnom fokusiraju na suhoputne vjetroelektrane, zanemarujući morske. Stoga, dizajnirati PMTCC za morske uvjete kako bi se unaprijedila sigurnost.

1. Optimizacija otporne na toplinu PMTCC
1.1 Dodavanje/optimizacija uređaja za otpornost na toplinu

Za morske PMTCC, dodati/optimizirati potpuno zatvorene uređaje za otpornost na toplinu kako bi se odolelo solanoj mlazi/vlagi. Instalirani pored transformatora, povezani posebnim sučeljima, stvaraju učinkove hlađene petlje. Protok zraka u uređajima: vidjeti Sliku 1.

Zbog specifičnosti pomorskog klimatskog područja u morskim vjetroelektranama, poput velikih fluktuacija temperature, visoke vlažnosti i korozije solanom mlazom, postavljaju se strožiji zahtjevi za performansu hlađenja kontrolnih oksa transformatora. Da bi se postigla precizna optimizacija dizajna hladnjaka, ovo istraživanje inovativno kombinira ANSYS s MATLAB-om, koristeći genetske algoritme za optimizaciju parametara širine hladnjaka.

Zbog ograničenja ugrađenog parametarskog programskog jezika ANSYS-a u direktnoj integraciji optimizacijskih algoritama, MATLAB se koristi kao posrednik. Kroz razvoj sekundarnog razvojnog sučelja ANSYS-a, ostvarena je bezprekidna veza između ANSYS-a i MATLAB-a. Pretpostavlja se da je ukupna površina hladnjaka 0,36 m², a odnos između stražnje širine a_z i širine ruba a_c hladnjaka definiran je kao:

Kroz detaljne izračune i simulacije, određena je optimalna stražnja širina hladnjaka na 0,235 m, a širine dva bočna hladnjaka prilagođene su na 1,532 m. Ova optimizacija ne samo održava ukupnu površinu hladnjaka, nego i poboljšava njegovu performansu hlađenja.

1.2 Tehnologija prisilnog hlađenja zrakom

Prisilno hlađenje zrakom koristi ventilatore za ubrzavanje cirkulacije zraka, proširujući temperaturne razlike putem konvekcije zraka kako bi se poboljšala otpornost na toplinu. Kontrolira temperaturu oksa sigurno, ali suočava se s trenjem i lokalnim gubitcima u cevovodima. Optimizacije uključuju proširenje širine cevovoda sa 100 na 120 mm i smanjenje hidrauličnog promjera, minimizirajući gubitke energije i poboljšavajući učinkovitost. Hladilo se vraća u rezervoar kroz cevove na dnu, formirajući zatvorenu petlju za dvostruko hlađenje. Vidjeti Sliku 2 za cirkulaciju.

Za optimizaciju hlađenja, odabran je način hlađenja prirodnim zrakom i prisilnim zrakom (ONAF). Ventilatori pokreću protok zraka kako bi se hladni zrak protekao s dna prema vrhu, efektivno pokrivajući cijelu površinu hladnjaka.

1.3 Optimizacija ulaza i izlaza u glavnoj komori transformatora

Na temelju gubitka snage kontrolnog oksa transformatora i očekivane razlike temperature između ulaza i izlaza, potrebni protok zraka izračunava se termodynamikom. Formula za protok zraka V je:

U formuli:

• Q je gubitak topline po jedinici vremena;

• ρ je gustoća zraka;

• b je specifična toplotna kapacitet;

• ΔT je razlika temperature između ulaza i izlaza.

Zbog mogućeg opadanja učinkovitosti ventilacije, mereni protok zraka postavljen je na 1,6V. Formula za izračunavanje efektivne površine ulaza A je:

Gdje v predstavlja brzinu zraka na ulazu i izlazu. Nakon utvrđivanja gubitka snage kontrolnog oksa transformatora i određivanja očekivane razlike temperature između ulaza i izlaza, potrebni protok zraka V izračunava se na osnovu termodynamskih principa. Na kraju, specifične dimenzije ulaza i izlaza dizajniraju se na temelju protoka zraka V:

• Ulaz: širina 0,200 m i visina 0,330 m;

• Izlaz: širina 0,250 m i visina 0,264 m.

Analiza korelacije između gubitka tlaka na ulazu i otvorene površine pokazuje da povećanje otvorene površine može efektivno smanjiti gubitak tlaka plinova, time poboljšavajući učinkovitost hlađenja. Na pretpostavci održavanja strukturne čvrstoće kontrolnog oksa, otvorena površina ulaza postavljena je na 0,066 m². Za poboljšanje efektivne površine ventilacije, primijenjen je metod kombiniranja rešetaka i žaluzi kako bi se povećale probojnice za ventilaciju dok se sprječava ulazak prašine i kiše. U donjem dijelu glavne komore transformatora, instalirano je dodatno prozorčić za ulaz zraka oko 40 cm iznad tla kako bi se dalje proširila površina ulaza.

Na osnovu principa unosa zraka s dna i ispisa zraka s vrha, optimiziran je raspored ulaza i izlaza. Ulaz postavljen je u donjem dijelu glavne komore transformatora, a izlaz smješten je u gornjem dijelu, formirajući prirodnu konvekciju. To omogućuje da topli zrak gladko raste i ispisuje se kroz izlaz, dok hladni zrak ulazi kroz ulaz, stvarajući učinkovitu cirkulaciju zraka kako bi se poboljšala učinkovitost hlađenja.

1.4 Optimizacija strukture kontrolnog oksa

Da bi se suočili s posebnim izazovima soli, vlage i korozijskih materija u morskim vjetroelektranama, upotrebljavaju se visoko performantni materijali odoljni koroziji i napredne tehnologije zatvaranja kako bi se poboljšala ukupna zaštita kontrolnog oksa.

Unaprijeđeni dizajn hlađenja:

• Optimizirani prozorčići za ventilaciju: Da bi se riješila nedostatna otpornost na toplinu uzrokovana nedostatkom prozorčića za ventilaciju, dodatni prozorčići strategijski su postavljeni na vrhu i stranama. Izračuni određuju optimalne dimenzije i količinu kako bi se maksimalizirao protok zraka dok se održava strukturna integritet:

• 80 prozorčića na vrhu (1,0 m x 0,2 m svaki);

• 20 prozorčića na stranama (2,0 m x 0,15 m svaki).

Ulaz kabela i optimizacija protoka zraka:

• Pravokutni ulazi: Pravokutni ulazi za kable obradeni su u kanalnoj čeliku ramenske baze, pojednostavljajući instalaciju kabela i poboljšavajući puteve protoka zraka.

• Klizni dno: Klizni dno olakšava provođenje kabela do terminala dok se održava učinkovito zatvaranje, osiguravajući zaštitu unutarnjih komponenti.

Ove optimizacije rezultiraju strukturiranim, dobro razdvojenim rasporedom kabela koji poboljšava upravljanje toplinom i pouzdanost sustava.

2 Eksperimentalna verifikacija
2.1 Eksperimentalna postavka

Da bi se potvrdila mogućnost realizacije dizajna hlađenja, izgrađena je eksperimentalna platforma za kompjeltnu simulaciju okruženja morskog vjetroelektrana. Dva ventilatora su korištena za replikaciju brzine i smjera morskog vjetra. Eksperimentalna oprema navedena je u Tablici 1.

Da bi se simuliralo okruženje morskog vjetroelektrana, kada se ventilatori koriste za ponovljivanje brzine i smjera vjetra, treba paziti na uniformnost brzine vjetra i raznolikost smjerova. Uniformna brzina vjetra je ključna za točnu procjenu performanse hlađenja kontrolnog oksa, a raznoliki smjerovi vjetra mogu više kompleksno simulirati promjene smjera morskog vjetra. Stoga, tijekom eksperimenta, ventilatori moraju biti precizno kontrolirani kako bi se brzina i smjer vjetra podudarali s karakteristikama stvarnog morskog vjetroelektrana.

2.2 Eksperimentalni rezultati i analiza

Nakon optimizacije hlađenja kontrolnog oksa transformatora morskog vjetroelektrana, snimljena je učinkovitost hlađenja različitih dijelova kontrolnog oksa prije i nakon optimizacije, kao što je prikazano u Tablici 2.

2.3 Rezultati i rasprava

Na temelju eksperimentalnih podataka u Tablici 2, učinkovitost hlađenja kontrolnog oksa transformatora morskog vjetroelektrana pokazuje značajne poboljšanja nakon optimizacije:

• Poboljšanja ključnih regija:

• Prozorčić za ventilaciju na vrhu: učinkovitost povećana s 772 W·℃⁻¹ na 1.498 W·℃⁻¹;

• Prozorčić za ventilaciju na strani: učinkovitost poboljšana s 735 W·℃⁻¹ na 1.346 W·℃⁻¹;

• Područje ulaza kabela: učinkovitost povećana s 892 W·℃⁻¹ na 1.683 W·℃⁻¹.
  Ovi rezultati potvrđuju učinkovitost sustava prisilnog hlađenja hladnim zrakom i optimiziranog dizajna ulaza/izlaza.

• Najveće poboljšanje radijatora:
  Učinkovitost internog radijatora najznačajnije je povećana - s 980 W·℃⁻¹ na 1.975 W·℃⁻¹ - što pokazuje ključnu ulogu optimiziranih parametara lamela i strukture oksa u poboljšanju toplinske performanse.

3 Zaključak

Ovo istraživanje analiziralo je utjecaj teškog okruženja morskog vjetroelektrana na otpornost kontrolnog oksa na toplinu. Vodeći se principima prenosa topline, predložena je ciljana optimizacijska shema koja je eksperimentalno validirana. Optimizirani dizajn ne samo poboljšava učinkovitost hlađenja i smanjuje interne temperature, nego i poboljšava odoljivost na koroziju i produžuje vremensku trajnost. Ove mjere pružaju robustnu tehničku podršku za održivu operaciju morskih vjetroelektrana.