Globalna transformacja energetyczna wspiera rozwój morskiej energii wiatrowej, jednak skomplikowane środowisko morskie stanowi wyzwanie dla niezawodności turbin. Rozpraszanie ciepła w szafach kontrolnych transformatorów montowanych na podstawie (PMTCC) jest kluczowe - nierozproszone ciepło powoduje uszkodzenie komponentów. Optymalizacja rozpraszania ciepła w PMTCC poprawia efektywność turbin, ale badania koncentrują się głównie na farmach wiatrowych lądowych, pomijając morskie. Dlatego należy zaprojektować PMTCC dla warunków morskich, aby zwiększyć bezpieczeństwo.
1 Optymalizacja rozpraszania ciepła w PMTCC
1.1 Dodanie urządzeń do rozpraszania ciepła
Dla morskich PMTCC dodaj/optymalizuj całkowicie szczelne urządzenia do rozpraszania ciepła, aby oprzeć się soli i wilgoci. Zainstalowane obok transformatorów, połączone specjalnymi interfejsami, tworzą efektywne pętle chłodzenia. Przepływ powietrza w urządzeniach: patrz Rys. 1.
Ze względu na specyficzność klimatu morskiego na farmach wiatrowych, takich jak duże wahania temperatury, wysoka wilgotność i korozja przez sól, stawiane są bardziej rygorystyczne wymagania dotyczące rozpraszania ciepła w szafach kontrolnych transformatorów. Aby osiągnąć precyzyjną optymalizację projektu grzejników, to badanie innowacyjnie łączy ANSYS z MATLAB, wykorzystując algorytmy genetyczne do optymalizacji parametrów szerokości grzejników.
Z uwagi na ograniczenia wbudowanego języka parametrycznego programowania ANSYS w bezpośrednim integracji algorytmów optymalizacyjnych, MATLAB jest wykorzystywany jako pośrednik. Dzięki opracowaniu interfejsu drugiego poziomu ANSYS, zrealizowano bezszwowe połączenie między ANSYS i MATLAB. Zakładamy, że całkowita powierzchnia grzejnika wynosi 0,36 m², a relacja między szerokością tylną az a szerokością bocznej krawędzi ac grzejnika jest zdefiniowana jako:
Po szczegółowych obliczeniach i symulacjach optymalna szerokość tylna grzejnika została określona na 0,235 m, a szerokości dwóch bocznych grzejników dostosowane do 1,532 m. Ta optymalizacja nie tylko utrzymuje całkowitą powierzchnię grzejnika, ale również wzmacnia jego zdolność do rozpraszania ciepła.
1.2 Technologia zmuszanego chłodzenia powietrza
Zmuszane chłodzenie powietrza używa wentylatorów do przyspieszenia cyrkulacji powietrza, rozszerzając różnice temperatur poprzez konwekcję powietrza, aby zwiększyć rozpraszanie ciepła. Kontroluje temperaturę szafy bezpiecznie, ale napotyka na straty tarcia i lokalne w kanałach. Optymalizacje obejmują poszerzenie szerokości kanału z 100 do 120 mm i zmniejszenie średnicy hydraulicznej, minimalizując straty energii i zwiększając efektywność. Schłodzona olej wraca do zbiornika przez rury u dołu, tworząc zamkniętą pętlę dla podwójnego chłodzenia. Patrz Rys. 2.
Aby zoptymalizować rozpraszanie ciepła, wybrano tryb chłodzenia ONAF (Olej Naturalny, Powietrze Zmuszone). Wentylatory napędzają przepływ powietrza, aby chłodzące powietrze przepływało od dołu do góry, efektywnie pokrywając całą powierzchnię chłodnicy.
1.3 Optymalizacja wejść i wyjść w głównym pomieszczeniu transformatora
Na podstawie strat mocy w szafie kontrolnej transformatora i oczekiwanej różnicy temperatur między wejściem a wyjściem, wymagany przepływ powietrza jest obliczany za pomocą termodynamiki. Wzór na przepływ powietrza V jest:
W formule:
Biorąc pod uwagę potencjalny spadek efektywności wentylacji, mierzony przepływ powietrza jest ustawiony na 1,6V. Wzór na obliczanie skutecznej powierzchni wejściowej A jest:
Gdzie v reprezentuje prędkość powietrza zarówno na wejściu, jak i na wyjściu. Po określeniu strat mocy w szafie kontrolnej transformatora i ustaleniu oczekiwanej różnicy temperatur między wejściem a wyjściem, wymagany przepływ powietrza V jest obliczany za pomocą zasad termodynamicznych. Na końcu, konkretne wymiary wejścia i wyjścia są zaprojektowane na podstawie przepływu powietrza V:
Analiza korelacji między stratami ciśnienia na wejściu a powierzchnią otworu wykazała, że zwiększenie powierzchni otworu może skutecznie zmniejszyć straty ciśnienia gazu, co zwiększa efektywność rozpraszania ciepła. Na podstawie zapewnienia strukturalnej wytrzymałości szafy kontrolnej, powierzchnia otworu wejściowego jest ustawiona na 0,066 m². Aby zwiększyć skuteczną powierzchnię wentylacji, stosuje się metodę łączącą kraty i oklapki, aby zwiększyć przejścia wentylacyjne, jednocześnie zapobiegając wtargnięciu pyłu i deszczu. W dolnej części głównego pomieszczenia transformatora dodatkowe okno wentylacyjne jest instalowane około 40 cm nad ziemią, aby dalej rozszerzyć powierzchnię wejściową.
Na podstawie zasady wprowadzania powietrza od dołu i odprowadzania go od góry, układ wejść i wyjść jest optymalizowany. Wejście jest ustawione w dolnej części głównego pomieszczenia transformatora, a wyjście znajduje się w górnej części, tworząc naturalną konwekcję. To pozwala gorącemu powietrzu płynnie wznosić się i być odprowadzane przez wyjście, podczas gdy zimne powietrze wchodzi przez wejście, tworząc efektywną cyrkulację powietrza, która zwiększa efektywność rozpraszania ciepła.
1.4 Optymalizacja struktury szafy kontrolnej
Aby sprostać unikalnym wyzwaniom związanych z solą, wilgocią i substancjami korodującymi na farmach wiatrowych morskich, wykorzystuje się materiały o wysokiej wydajności antykorozyjnej i zaawansowane technologie szczelności, aby zwiększyć ogólną ochronę szafy kontrolnej.
Wzmocniony projekt rozpraszania ciepła:
Wejście kabli i optymalizacja przepływu powietrza:
Te optymalizacje prowadzą do dobrze zorganizowanego i oddzielonego układu kabli, który zwiększa zarządzanie termicznym i niezawodność systemu.
2 Eksperymentalna weryfikacja
2.1 Ustawienie eksperymentu
Aby zweryfikować sprawdzalność projektu rozpraszania ciepła, zbudowano platformę eksperymentalną, aby kompleksowo symulować środowisko farmy wiatrowej morskiej. Dwóch wentylatorów było używanych do replikacji prędkości i kierunku wiatru morskiego. Sprzęt eksperymentalny jest wymieniony w Tabeli 1.
Aby symulować środowisko farmy wiatrowej morskiej, używając wentylatorów do naśladowania prędkości i kierunku wiatru, należy zwrócić uwagę na jednorodność prędkości wiatru i różnorodność kierunków. Jednorodna prędkość wiatru jest kluczowa do dokładnej oceny możliwości rozpraszania ciepła szafy kontrolnej, a różnorodne kierunki mogą bardziej kompleksowo symulować zmiany kierunku wiatru morskiego. Dlatego podczas eksperymentu wentylatory muszą być dokładnie kontrolowane, aby zapewnić, że prędkość i kierunek wiatru odpowiadają rzeczywistym charakterystykom farmy wiatrowej morskiej.
2.2 Wyniki i analiza eksperymentu
Po optymalizacji rozpraszania ciepła w szafie kontrolnej transformatora typu skrzynkowego farmy wiatrowej morskiej, zarejestrowano efektywność rozpraszania ciepła różnych części szafy kontrolnej przed i po optymalizacji, jak pokazano w Tabeli 2.
2.3 Wyniki i dyskusja
Na podstawie danych eksperymentalnych w Tabeli 2, efektywność rozpraszania ciepła w szafie kontrolnej transformatora typu skrzynkowego farmy wiatrowej morskiej wykazała znaczne poprawy po optymalizacji:
3 Podsumowanie
To badanie przeanalizowało wpływ surowego środowiska farmy wiatrowej morskiej na rozpraszanie ciepła w szafie kontrolnej. Kierując się zasadami transferu ciepła, zaproponowano i zweryfikowano eksperymentalnie celowy plan optymalizacji. Zoptymalizowany projekt nie tylko poprawia efektywność rozpraszania ciepła i redukuje temperatury wewnętrzne, ale także zwiększa odporność na korozję i przedłuża żywotność. Te środki zapewniają solidne wsparcie techniczne dla zrównoważonego działania farm wiatrowych morskich.