Projeto de Otimização Térmica para Quadros de Controle de Transformadores a Posto em Aerogeradores Offshore

A transição energética global impulsiona a energia eólica offshore, mas os ambientes marinhos complexos desafiam a confiabilidade dos aerogeradores. A dissipação de calor dos quadros de controle de transformadores montados em plataforma (PMTCCs) é crítica - o calor não dissipado causa danos aos componentes. Otimizar a dissipação de calor dos PMTCCs melhora a eficiência dos aerogeradores, mas a pesquisa se concentra principalmente em parques eólicos onshore, negligenciando os offshore. Portanto, é necessário projetar PMTCCs para condições offshore para aumentar a segurança.

1 Otimização da Dissipação de Calor dos PMTCCs
1.1 Adicionar Dispositivos de Dissipação de Calor

Para PMTCCs offshore, adicione/otimize dispositivos de dissipação de calor totalmente selados para resistir à névoa salina/umidade. Instalados ao lado dos transformadores e conectados por interfaces especiais, formam loops de resfriamento eficientes. Fluxo de ar nos dispositivos: ver Figura 1.

Devido às especificidades do clima marítimo em parques eólicos offshore, como grandes flutuações de temperatura, alta umidade e corrosão por névoa salina, são impostos requisitos mais rigorosos para o desempenho de dissipação de calor dos quadros de controle de transformadores. Para alcançar uma otimização precisa do design dos dissipadores de calor, este estudo combina inovadoramente ANSYS com MATLAB, utilizando algoritmos genéticos para otimizar os parâmetros de largura dos dissipadores de calor.

Devido às limitações da linguagem de programação paramétrica integrada do ANSYS na integração direta de algoritmos de otimização, o MATLAB é adotado como intermediário. Através do desenvolvimento de uma interface de desenvolvimento secundário do ANSYS, é realizada uma conexão perfeita entre ANSYS e MATLAB. Assume-se que a área total do dissipador de calor é de 0,36 m², e a relação entre a largura traseira a_z e a largura lateral a_c do dissipador de calor é definida como:

Através de cálculos e simulações detalhados, a largura traseira ótima do dissipador de calor foi determinada como 0,235 m, com as larguras dos dois dissipadores laterais ajustadas para 1,532 m, respectivamente. Esta otimização não apenas mantém a área total do dissipador de calor, mas também melhora seu desempenho de dissipação de calor.

1.2 Tecnologia de Resfriamento Forçado de Ar

O resfriamento forçado de ar utiliza ventiladores para acelerar a circulação de ar, expandindo as diferenças de temperatura através da convecção de ar para melhorar a dissipação de calor. Ele controla a temperatura do gabinete de forma segura, mas enfrenta perdas de atrito/local nas dutas. As otimizações incluem ampliar a largura das dutas de 100 para 120 mm e reduzir o diâmetro hidráulico, minimizando a perda de energia e melhorando a eficiência. O óleo resfriado retorna ao tanque através de tubos inferiores, formando um ciclo fechado para duplo resfriamento. Ver Figura 2 para a circulação.

Para otimizar a dissipação de calor, seleciona-se o modo de resfriamento Natural de Óleo e Forçado de Ar (ONAF). Os ventiladores impulsionam o fluxo de ar para fazer o ar de resfriamento fluir de baixo para cima, cobrindo efetivamente toda a superfície do radiador.

1.3 Otimização da Entrada e Saída no Compartimento Principal do Transformador

Com base na perda de potência do quadro de controle do transformador e na diferença de temperatura esperada entre a entrada e a saída, o fluxo de ar necessário é calculado usando termodinâmica. A fórmula para o fluxo de ar V é:

Na fórmula:

• Q é a dissipação de calor por unidade de tempo;

• ρ é a densidade do ar;

• b é a capacidade térmica específica;

• ΔT é a diferença de temperatura entre a entrada e a saída.

Considerando a possível diminuição da eficiência de ventilação, a taxa de fluxo de ar medida é definida como 1,6V. A fórmula para calcular a área de entrada efetiva A é:

Onde v representa a velocidade do ar tanto na entrada quanto na saída. Após esclarecer a perda de potência do quadro de controle do transformador e determinar a diferença de temperatura esperada entre a entrada e a saída, o fluxo de ar necessário V é calculado usando princípios termodinâmicos. Finalmente, as dimensões específicas da entrada e saída são projetadas com base no fluxo de ar V:

• Entrada: largura de 0,200 m e altura de 0,330 m;

• Saída: largura de 0,250 m e altura de 0,264 m.

A análise da correlação entre a perda de pressão de entrada e a área de abertura revela que o aumento da área de abertura pode reduzir efetivamente a perda de pressão de gás, melhorando assim a eficiência de dissipação de calor. No pressuposto de garantir a resistência estrutural do gabinete de controle, a área de abertura de entrada é definida como 0,066 m². Para melhorar a área de ventilação efetiva, adota-se um método que combina grades e coberturas de lâminas para aumentar as passagens de ventilação, enquanto impede a intrusão de poeira e chuva. Na parte inferior do compartimento principal do transformador, instala-se uma janela de entrada de ar adicional aproximadamente 40 cm acima do solo para expandir ainda mais a área de entrada.

Com base no princípio de entrada de ar inferior e saída superior, a disposição da entrada e saída é otimizada. A entrada é definida na parte inferior do compartimento principal do transformador, e a saída está localizada na parte superior, formando convecção natural. Isso permite que o ar quente suba suavemente e seja descarregado pela saída, enquanto o ar frio entra pela entrada, criando uma circulação de ar efetiva para melhorar a eficiência de dissipação de calor.

1.4 Otimização da Estrutura do Gabinete de Controle

Para enfrentar os desafios únicos de sal, umidade e substâncias corrosivas em parques eólicos offshore, são empregados materiais anticorrosivos de alto desempenho e tecnologias avançadas de vedação para melhorar a proteção geral do gabinete de controle.

Design de Dissipação de Calor Melhorado:

• Janelas de Ventilação Otimizadas: Para resolver a insuficiência de dissipação de calor causada por janelas de exaustão inadequadas, adicionam-se ventilações estratégicas no topo e nos lados. Cálculos determinam o tamanho e a quantidade ótimos para maximizar o fluxo de ar, mantendo a integridade estrutural:

• 80 ventilações montadas no topo (1,0 m x 0,2 m cada);

• 20 ventilações montadas lateralmente (2,0 m x 0,15 m cada).

Entrada de Cabos e Otimização do Fluxo de Ar:

• Portas de Entrada Retangulares: Portas retangulares de entrada de cabos são usinadas na chapa de aço do fundo da base, facilitando a instalação de cabos e melhorando as vias de fluxo de ar.

• Placa de Base Deslizante: Uma placa de base deslizante facilita a roteirização de cabos para terminais, mantendo o vedamento efetivo e protegendo os componentes internos.

Essas otimizações resultam em um layout de cabos estruturado e bem segregado, que melhora tanto a gestão térmica quanto a confiabilidade do sistema.

2 Verificação Experimental
2.1 Configuração Experimental

Para validar a viabilidade do design de dissipação de calor, construiu-se uma plataforma experimental para simular de forma abrangente o ambiente do parque eólico offshore. Dois ventiladores foram utilizados para replicar as velocidades e direções do vento offshore. O equipamento experimental está listado na Tabela 1.

Para simular o ambiente do parque eólico offshore, ao usar ventiladores para imitar a velocidade e direção do vento, deve-se prestar atenção à uniformidade da velocidade do vento e à diversidade da direção. A uniformidade da velocidade do vento é crucial para a avaliação precisa do desempenho de dissipação de calor do gabinete de controle, e a diversidade de direções do vento pode simular de forma mais abrangente as mudanças de direção do vento offshore. Assim, durante o experimento, os ventiladores precisam ser controlados com precisão para garantir que a velocidade e a direção do vento correspondam às características reais do parque eólico offshore.

2.2 Resultados e Análise do Experimento

Após a otimização da dissipação de calor do gabinete de controle do transformador tipo caixa de aerogerador offshore, a eficiência de dissipação de calor de diferentes partes do gabinete de controle antes e depois da otimização foi registrada, conforme mostrado na Tabela 2.

2.3 Resultados e Discussão

Com base nos dados experimentais da Tabela 2, a eficiência de dissipação de calor do gabinete de controle do transformador montado em plataforma de aerogerador offshore mostra melhorias significativas após a otimização:

• Melhorias em Regiões Chave:

• Janela de ventilação superior: Eficiência aumentou de 772 W·℃⁻¹ para 1.498 W·℃⁻¹;

• Janela de ventilação lateral: Eficiência melhorou de 735 W·℃⁻¹ para 1.346 W·℃⁻¹;

• Área de entrada de cabos: Eficiência aumentou de 892 W·℃⁻¹ para 1.683 W·℃⁻¹.
  Estes resultados validam a eficácia do sistema de ar forçado e do design de entrada/saída otimizado.

• Maior Melhoria no Radiador:
  A eficiência do radiador interno aumentou mais significativamente - de 980 W·℃⁻¹ para 1.975 W·℃⁻¹ - demonstrando o papel crucial dos parâmetros de aleta otimizados e da estrutura do gabinete na melhoria do desempenho térmico.

3 Conclusão

Este estudo analisou o impacto do ambiente severo do parque eólico offshore na dissipação de calor do gabinete de controle. Guiado pelos princípios de transferência de calor, propôs-se um esquema de otimização direcionado e validado experimentalmente. O design otimizado não apenas melhora a eficiência de dissipação de calor e reduz as temperaturas internas, mas também aumenta a resistência à corrosão e prolonga a vida útil. Essas medidas fornecem suporte técnico robusto para a operação sustentável dos parques eólicos offshore.