Termalna optimizacija dizajna za kontrolne kabineti pad-mountanih transformatora u školskim vetroelektranim turbinama

Globalna energetska tranzicija potiče razvoj morskih vetrenih elektrana, ali složeni morski uslovi predstavljaju izazov za pouzdanost turbin. Toplota koja se ispušta iz kontrolnih škadi (PMTCCs) je kritična - neispuštena toplota dovodi do oštećenja komponenti. Optimizacija ispuštanja topline iz PMTCC poboljšava efikasnost turbine, ali istraživanja su uglavnom fokusirana na kopnenim vetrenim farmama, zanemarujući morske. Stoga, dizajnirati PMTCC za morske uslove kako bi se povezala sigurnost.

1 Optimizacija ispuštanja topline iz PMTCC
1.1 Dodavanje uređaja za ispuštanje topline

Za morske PMTCC, dodati/optimizovati potpuno zatvorene uređaje za ispuštanje topline kako bi se odolela solanoj magli i vlazi. Instalirani pored transformatora, povezani putem specijalnih sučelja, formiraju efikasne hladne petlje. Strujanje zraka u uređajima: videti Sliku 1.

Zbog specifičnosti pomorskog klima na morskim vetrenim farmama, poput velikih fluktuacija temperature, visokih vlažnosti i korozije solanom maglom, postavljeni su strožiji zahtevi za performanse ispuštanja topline kontrolnih škadi. Da bi se postigla precizna optimizacija dizajna tople prepreke, ovo istraživanje inovativno kombinuje ANSYS i MATLAB, koristeći genetske algoritme za optimizaciju parametara širine toplih prepreka.

Zbog ograničenja ugrađenog parametarskog programskog jezika ANSYS-a u direktnoj integraciji optimizacionih algoritama, koristi se MATLAB kao posrednik. Razvijanjem sekundarnog razvojnog sučelja ANSYS-a ostvarena je bezzahtevna veza između ANSYS-a i MATLAB-a. Pretpostavlja se da je ukupna površina tople prepreke 0,36 m², a odnos širine zadnjeg dela a_z i širine bočnog dela a_c tople prepreke definisan je kao:

Kroz detaljne izračune i simulacije, određena je optimalna širina zadnjeg dela tople prepreke na 0,235 m, dok su širine dve bočne tople prepreke prilagođene na 1,532 m. Ova optimizacija ne samo što održava ukupnu površinu tople prepreke, već i poboljšava njene performanse ispuštanja topline.

1.2 Tehnologija prisilnog hlađenja zrakom

Prisilno hlađenje zrakom koristi ventilatore za ubrzavanje cirkulacije zraka, proširujući temperaturne razlike putem konvekcije zraka kako bi se poboljšalo ispuštanje topline. Kontroluje temperaturu škadi bezbedno, ali se suočava sa trenjevima i lokalnim gubitcima u cevovodima. Optimizacije uključuju proširivanje širine cevovoda sa 100 na 120 mm i smanjenje hidrauličkog prečnika, minimiziranje gubitka energije i poboljšanje efikasnosti. Hladilo se vraća u rezervoar kroz cevi na dnu, formirajući zatvorenu petlju za dualno hlađenje. Videti Sliku 2 za cirkulaciju.

Da bi se optimiziralo ispuštanje topline, izabrana je metoda hlađenja prirodnim zrakom sa prisilnim strujanjem (ONAF). Ventilatori pokreću strujanje zraka tako da hladni zrak teče od dna ka vrhu, efektivno prekrivajući celu površinu hladila.

1.3 Optimizacija ulaza i izlaza u glavnoj komori transformatora

Na osnovu gubitaka snage kontrolne škadi transformatora i očekivane temperaturne razlike između ulaza i izlaza, izračunata je potrebna protoka zraka koristeći termodinamiku. Formula za protok zraka V je:

U formuli:

• Q je toplota ispuštena po jedinici vremena;

• ρ je gustoća zraka;

• b je specifična toplotna kapacitet;

• ΔT je temperaturna razlika između ulaza i izlaza.

Zbog mogućeg opadanja efikasnosti ventilacije, merena brzina strujanja zraka je postavljena na 1,6V. Formula za izračunavanje efektivne površine ulaza A je:

Gdje v predstavlja brzinu zraka na oba ulaza i izlaza. Nakon utvrđivanja gubitaka snage kontrolne škadi transformatora i određivanja očekivane temperaturne razlike između ulaza i izlaza, potrebna količina zraka V se izračunava koristeći principi termodinamike. Konačno, specifične dimenzije ulaza i izlaza dizajniraju se na osnovu 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 gubitaka pritiska na ulazu i otvorene površine pokazuje da povećanje otvorene površine može efektivno smanjiti gubitke pritiska plina, time unapređujući efikasnost ispuštanja topline. Na pretpostavci da se održava strukturna čvrstoća kontrolne škadi, otvorena površina ulaza je postavljena na 0,066 m². Da bi se unapredio efektivni prostor ventilacije, koristi se metoda kombinovanja rešetaka i louvera kako bi se povećali ventilacioni kanali dok se sprečava ulazak prašine i kiše. U donjem delu glavne komore transformatora instalirana je dodatna prozorčica za ulaz zraka približno 40 cm iznad tla kako bi se dalje proširio prostor za ulaz zraka.

Na osnovu principa ulaza zraka sa dna i izlaza zraka sa vrha, optimiziran je raspored ulaza i izlaza. Ulaz je postavljen na donjem delu glavne komore transformatora, a izlaz je smješten na gornjem delu, formirajući prirodnu konvekciju. To omogućava da topli zrak gladko stupa i bude ispušten kroz izlaz, dok hladni zrak ulazi kroz ulaz, stvarajući efektivnu cirkulaciju zraka za poboljšanje efikasnosti ispuštanja topline.

1.4 Optimizacija strukture kontrolne škadi

Da bi se suočili sa jedinstvenim izazovima soli, vlage i korozivnih materija na morskim vetrenim farmama, korišćeni su visoko performantni materijali za zaštitu od korozije i napredne tehnologije zatvaranja kako bi se unapredila ukupna zaštita kontrolne škadi.

Unapređeni dizajn ispuštanja topline:

• Optimizovani prozori za ventilaciju: Da bi se rešio nedostatak ispuštanja topline zbog nedostatka prozora za ventilaciju, dodatni prozori su strategijski postavljeni na vrhu i stranama. Izračuni određuju optimalne dimenzije i količinu kako bi se maksimizirao protok zraka uz održavanje strukturne integriteta:

• 80 prozora na vrhu (1,0 m × 0,2 m svaki);

• 20 prozora na stranama (2,0 m × 0,15 m svaki).

Ulaz kabela i optimizacija protoka zraka:

• Pravougaoni ulazi: Pravougaoni ulazi za kable su obradjeni na kanalu od čelika osnove okvira, pojednostavljajući instalaciju kabela i poboljšavajući puteve protoka zraka.

• Klizići dno: Klizići dno olakšava rutevanje kabela do terminala dok održava efektivnu zatvoru, osiguravajući zaštitu unutrašnjih komponenti.

Ove optimizacije rezultiraju strukturiranim, dobro segregiranim rasporedom kabela koji poboljšava upravljanje toplinom i pouzdanost sistema.

2 Eksperimentalna verifikacija
2.1 Eksperimentalna postavka

Da bi se proverila fezibilnost dizajna ispuštanja topline, izgrađena je eksperimentalna platforma za kompletne simulacije okruženja morske vetrene farme. Dva ventilatora su korišćena da replikiraju brzine i smjerne vetra na moru. Eksperimentalna oprema je navedena u Tabeli 1.

Da bi se simuliralo okruženje morske vetrene farme, kada se ventilatori koriste da imitiraju brzinu i smjer vetra, treba paziti na uniformnost brzine vetra i raznolikost smjerova. Uniformna brzina vetra je ključna za tačnu procenu performansi ispuštanja topline kontrolne škadi, a raznoliki smjerovi vetra mogu komprehensivnije simulirati promene smjera vetra na moru. Stoga, tokom eksperimenta, ventilatori treba da budu precizno kontrolirani kako bi se osiguralo da brzina i smjer vetra odgovaraju karakteristikama stvarne morske vetrene farme.

2.2 Eksperimentalni rezultati i analiza

Nakon optimizacije ispuštanja topline kontrolne škadi transformatora kutije tipa morske vetrene farme, zabeležena je efikasnost ispuštanja topline različitih dijelova kontrolne škadi prije i poslije optimizacije, kao što je prikazano u Tabeli 2.

2.3 Rezultati i diskusija

Na osnovu eksperimentalnih podataka u Tabeli 2, efikasnost ispuštanja topline kontrolne škadi transformatora kutije tipa morske vetrene farme pokazuje značajne poboljšanja nakon optimizacije:

• Poboljšanja ključnih regija:

• Prozor za ventilaciju na vrhu: Efikasnost je povećana sa 772 W·℃⁻¹ na 1,498 W·℃⁻¹;

• Prozor za ventilaciju na stranama: Efikasnost je poboljšana sa 735 W·℃⁻¹ na 1,346 W·℃⁻¹;

• Površina ulaza kabela: Efikasnost je porasla sa 892 W·℃⁻¹ na 1,683 W·℃⁻¹.
  Ovi rezultati potvrđuju efikasnost sistemu prisilnog hladnog zraka i optimiziranog dizajna ulaza/izlaza.

• Najveće poboljšanje u hladilu:
  Efikasnost internog hladila je najznačajnije povećana - sa 980 W·℃⁻¹ na 1,975 W·℃⁻¹ - što pokazuje ključnu ulogu optimiziranih parametara fina i strukture škadi u poboljšanju termalne performanse.

3 Zaključak

Ovo istraživanje analiziralo je uticaj teškog okruženja morske vetrene farme na ispuštanje topline kontrolne škadi. Pod vodstvom principa prenosa toplote, predložen je ciljani plan optimizacije i eksperimentalno je verificiran. Optimizovan dizajn ne samo poboljšava efikasnost ispuštanja topline i smanjuje interne temperature, već i unapređuje otpornost na koroziju i produžava vreme trajanja. Ove mere pružaju robustnu tehničku podršku za održivi rad morskih vetrenih farmi.