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海上風力発電用パッドマウント変圧器の制御盤キャビネットの熱最適化設計

Dyson
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フィールド: 電気規格
China

世界的エネルギー転換は洋上風力発電を促進していますが、複雑な海洋環境はタービンの信頼性に挑戦を投げかけています。パッドマウント変圧器制御盤(PMTCCs)の熱放出は重要です—放熱されない熱は部品の損傷を引き起こします。PMTCCの熱放出を最適化することでタービンの効率が向上しますが、研究は主に陸上風力発電所に焦点を当てており、洋上風力発電所は無視されています。したがって、安全性を高めるために洋上条件向けにPMTCCを設計する必要があります。

1 PMTCCの熱放出最適化
1.1 熱放出装置の追加

洋上のPMTCCには、塩霧や湿気に対抗するために完全密封された熱放出装置を追加または最適化します。これらの装置は変圧器の横に設置され、特別なインターフェースを介して接続され、効率的な冷却ループを形成します。装置内の空気の流れについては、図1をご覧ください。

洋上風力発電所の海洋気候の特性、例えば大きな温度変動、高湿度、塩霧腐食などにより、変圧器制御盤の熱放出性能にはより厳しい要件が課されます。ヒートシンク設計の正確な最適化を達成するため、本研究ではANSYSとMATLABを革新的に組み合わせ、遺伝的アルゴリズムを使用してヒートシンクの幅パラメータを最適化しました。

ANSYSの組み込みパラメトリックプログラミング言語の最適化アルゴリズムへの直接統合の制限により、MATLABが中間役として採用されました。ANSYS二次開発インターフェースの開発を通じて、ANSYSとMATLABとのシームレスな接続が実現されました。ヒートシンクの総面積が0.36 m²であると仮定し、ヒートシンクの背面幅azと側面幅acとの関係を次のように定義しました:

詳細な計算とシミュレーションを通じて、ヒートシンクの最適な背面幅が0.235 mであり、両側のヒートシンクの幅がそれぞれ1.532 mに調整されることを決定しました。この最適化により、ヒートシンクの総面積を維持しながら、その熱放出性能が向上します。

1.2 強制空冷技術

強制空冷はファンを使用して空気の循環を加速し、空気対流による温度差を拡大して熱放出を高めます。これは安全に制御盤の温度を制御しますが、ダクト内の摩擦や局所損失に直面します。ダクト幅を100 mmから120 mmに拡張し、水力直径を減らすことで、エネルギー損失を最小限に抑え、効率を向上させることができます。冷却された油は底のパイプを通じてタンクに戻り、二重冷却の閉ループを形成します。循環については図2をご覧ください。

熱放出の最適化のために、オイル自然空気強制(ONAF)冷却モードを選択しました。ファンによって空気の流れが生じ、冷却空気が下から上に向かって流れるようにすることで、ラジエーターの全表面を効果的にカバーします。

1.3 主変圧器室の入口と出口の最適化

変圧器制御盤の電力損失と入口と出口の期待される温度差に基づいて、熱力学を使用して必要な空気流量を計算します。空気流量Vの式は次のとおりです:

式において:

  • Qは単位時間あたりの熱放出量です;

  • ρは空気密度です;

  • bは比熱容量です;

  • ΔTは入口と出口の温度差です。

通気効率の低下の可能性を考慮し、測定された空気流量は1.6Vに設定されました。有効入口面積Aの計算式は次のとおりです:

ここでvは入口と出口での空気速度を表します。変圧器制御盤の電力損失を明確にし、入口と出口の期待される温度差を決定した後、熱力学原理を使用して必要な空気流量Vを計算します。最後に、空気流量Vに基づいて入口と出口の具体的な寸法を設計します:

  • 入口:幅0.200 m、高さ0.330 m;

  • 出口:幅0.250 m、高さ0.264 m。

入口圧力損失と開口面積の相関分析により、開口面積を増やすことでガス圧力損失を効果的に減少させ、熱放出効率を改善することが明らかになりました。制御盤の構造強度を確保しつつ、入口の開口面積を0.066 m²に設定しました。効果的な通気面積を増やすために、グリルとルーバーカバーを組み合わせた方法を採用し、通気路を増やしながら塵や雨の侵入を防ぎます。主変圧器室の下部には、地面から約40 cm上の位置に追加の空気入口窓を設置して、入口面積をさらに拡大します。

底からの空気取り入れと上からの空気排出の原則に基づいて、入口と出口の配置を最適化しました。入口は主変圧器室の下部に設置され、出口は上部に設置され、自然対流を形成します。これにより、熱い空気が滑らかに上昇し、出口から排出され、冷たい空気が入口から入り、効果的な空気循環が形成され、熱放出効率が向上します。

1.4 制御盤構造の最適化

洋上風力発電所の塩分、湿度、腐食性物質に対する固有の課題に対処するために、高性能な防錆材料と先進的な密封技術を採用し、制御盤全体の保護を強化しました。

強化された熱放出設計:

  • 最適化された通気窓: 排気窓の不足による熱放出不足を解決するために、トップおよびサイドに追加のベンチレータを戦略的に配置しました。計算により、最大の空気流量を確保しつつ構造の整合性を維持する最適なサイズと数を決定しました:

    • 80個のトップマウントベンチレータ(各1.0 m × 0.2 m);

    • 20個のサイドマウントベンチレータ(各2.0 m × 0.15 m)。

ケーブル入口と空気流量の最適化:

  • 長方形の入口: フレームベースのチャンネル鋼に長方形のケーブル入口ポートを加工し、ケーブルのインストールを簡素化し、空気の流れを改善します。

  • スライディングベースプレート: スライディング底部プレートはケーブルの配線を端子まで容易にしつつ、効果的なシーリングを維持し、内部コンポーネントを保護します。

これらの最適化により、構造化された、明確に区画されたケーブルレイアウトが形成され、熱管理とシステムの信頼性が向上します。

2 実験的検証
2.1 実験セットアップ

熱放出設計の実現可能性を検証するために、洋上風力発電所の環境を包括的にシミュレートする実験プラットフォームを構築しました。2つのファンを使用して洋上の風速と風向を再現しました。実験機器は表1にリストされています。

ファンを使用して風速と風向を模倣して洋上風力発電所の環境をシミュレートする際には、風速の一様性と風向きの多様性に注意を払う必要があります。一様な風速は制御盤の熱放出性能を正確に評価する上で重要であり、多様な風向きは洋上の風向きの変化をより包括的にシミュレートすることができます。したがって、実験中にファンを正確に制御して、風速と風向きが実際の洋上風力発電所の特性と一致するようにする必要があります。

2.2 実験結果と分析

洋上風力発電所の風力タービン箱型変圧器制御盤の熱放出を最適化した後、制御盤の異なる部分の熱放出効率を記録しました。表2をご覧ください。

2.3 結果と議論

表2の実験データに基づいて、洋上風力タービンパッドマウント変圧器制御盤の熱放出効率は最適化後に大幅に改善しました:

  • 主要領域の改善:

    • トップベンチレータ:効率が772 W·℃⁻¹から1,498 W·℃⁻¹に増加;

    • サイドベンチレータ:効率が735 W·℃⁻¹から1,346 W·℃⁻¹に改善;

    • ケーブル入口エリア:効率が892 W·℃⁻¹から1,683 W·℃⁻¹に上昇。
      これらの結果は、強制冷風システムと最適化された入口/出口設計の有効性を検証しています。

  • ラジエーターにおける最大の改善:
    内部ラジエーターの効率が最も顕著に向上しました—980 W·℃⁻¹から1,975 W·℃⁻¹—これは最適化されたフィンパラメータとキャビネット構造が熱性能を大幅に向上させる重要な役割を果たしていることを示しています。

3 結論

本研究では、洋上風力発電所の厳しい環境が制御盤の熱放出に与える影響を分析しました。熱伝導原理に基づき、対象となる最適化スキームを提案し、実験的に検証しました。最適化された設計は、熱放出効率を向上させ、内部温度を低下させるとともに、腐食抵抗性を高め、耐用年数を延ばします。これらの措置は、洋上風力発電所の持続可能な運営に強力な技術的支援を提供します。

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