Thiết kế Tối ưu Hóa Nhiệt cho Tủ Điều Khiển của Máy Biến áp Đặt trên Bệ trong Turbin Gió ven Biển

Quá trình chuyển đổi năng lượng toàn cầu thúc đẩy năng lượng gió ngoài khơi, tuy nhiên môi trường biển phức tạp thách thức độ tin cậy của tua-bin. Việc tản nhiệt của tủ điều khiển biến áp lắp đặt trên đế (PMTCCs) rất quan trọng—nhiệt không được tản gây hư hỏng các thành phần. Tối ưu hóa tản nhiệt PMTCC cải thiện hiệu suất tua-bin, nhưng nghiên cứu chủ yếu tập trung vào các trang trại gió trên bờ, bỏ qua các trang trại gió ngoài khơi. Do đó, thiết kế PMTCC cho điều kiện ngoài khơi để tăng cường an toàn.

1 Tối ưu hóa tản nhiệt PMTCC
1.1 Thêm thiết bị tản nhiệt

Đối với PMTCC ngoài khơi, thêm/tối ưu hóa thiết bị tản nhiệt kín hoàn toàn để chống lại hơi muối/ẩm ướt. Được lắp đặt bên cạnh biến áp, kết nối thông qua giao diện đặc biệt, chúng tạo thành các vòng làm mát hiệu quả. Dòng khí trong thiết bị: xem Hình 1.

Do tính chất cụ thể của khí hậu ven biển ở các trang trại gió ngoài khơi, như dao động nhiệt độ lớn, độ ẩm cao và ăn mòn do hơi muối, yêu cầu về hiệu suất tản nhiệt của tủ điều khiển biến áp trở nên nghiêm ngặt hơn. Để đạt được tối ưu hóa chính xác thiết kế tản nhiệt, nghiên cứu này sáng tạo kết hợp ANSYS với MATLAB, sử dụng thuật toán di truyền để tối ưu hóa các tham số chiều rộng của tản nhiệt.

Vì hạn chế của ngôn ngữ lập trình tham số tích hợp sẵn trong ANSYS trong việc tích hợp trực tiếp các thuật toán tối ưu hóa, MATLAB được sử dụng làm trung gian. Qua phát triển giao diện phát triển thứ cấp của ANSYS, một kết nối liền mạch giữa ANSYS và MATLAB được thực hiện. Giả sử tổng diện tích của tản nhiệt là 0,36 m², và mối quan hệ giữa chiều rộng sau a_z và chiều rộng mép bên a_c của tản nhiệt được định nghĩa là:

Qua các tính toán và mô phỏng chi tiết, chiều rộng sau tối ưu của tản nhiệt được xác định là 0,235 m, với chiều rộng của hai tản nhiệt bên được điều chỉnh tương ứng thành 1,532 m. Việc tối ưu hóa này không chỉ duy trì tổng diện tích của tản nhiệt mà còn tăng cường hiệu suất tản nhiệt của nó.

1.2 Công nghệ làm mát bằng không khí ép buộc

Làm mát bằng không khí ép buộc sử dụng quạt để tăng tốc độ lưu thông không khí, mở rộng sự khác biệt nhiệt độ thông qua đối lưu không khí để tăng cường tản nhiệt. Nó kiểm soát nhiệt độ tủ an toàn nhưng gặp phải ma sát và mất mát cục bộ trong ống dẫn. Các tối ưu hóa bao gồm mở rộng chiều rộng ống từ 100 đến 120 mm và giảm đường kính thủy lực, giảm thiểu mất năng lượng và cải thiện hiệu suất. Dầu làm mát được trả lại bình thông qua ống dưới đáy, tạo thành một vòng kín cho làm mát kép. Xem Hình 2 cho lưu thông.

Để tối ưu hóa tản nhiệt, chế độ làm mát dầu tự nhiên không khí ép buộc (ONAF) được chọn. Quạt thúc đẩy dòng khí để làm mát không khí chảy từ dưới lên, hiệu quả phủ khắp bề mặt của bộ tản nhiệt.

1.3 Tối ưu hóa lỗ vào và lỗ ra trong buồng biến áp chính

Dựa trên công suất tiêu thụ của tủ điều khiển biến áp và sự khác biệt nhiệt độ dự kiến giữa lỗ vào và lỗ ra, lưu lượng không khí cần thiết được tính toán bằng cách sử dụng nguyên lý nhiệt động học. Công thức cho lưu lượng không khí V là:

Trong công thức:

• Q là nhiệt lượng tỏa ra mỗi đơn vị thời gian;

• ρ là mật độ không khí;

• b là nhiệt dung riêng;

• ΔT là sự khác biệt nhiệt độ giữa lỗ vào và lỗ ra.

Do khả năng giảm hiệu quả thông gió, lưu lượng không khí đo được được đặt ở mức 1,6V. Công thức tính diện tích lỗ vào hiệu quả A là:

Trong đó v đại diện cho vận tốc không khí tại cả lỗ vào và lỗ ra. Sau khi làm rõ công suất tiêu thụ của tủ điều khiển biến áp và xác định sự khác biệt nhiệt độ dự kiến giữa lỗ vào và lỗ ra, lưu lượng không khí V cần thiết được tính toán bằng nguyên lý nhiệt động học. Cuối cùng, kích thước cụ thể của lỗ vào và lỗ ra được thiết kế dựa trên lưu lượng không khí V:

• Lỗ vào: chiều rộng 0,200 m và chiều cao 0,330 m;

• Lỗ ra: chiều rộng 0,250 m và chiều cao 0,264 m.

Phân tích mối tương quan giữa tổn thất áp suất lỗ vào và diện tích mở cho thấy việc tăng diện tích mở có thể giảm hiệu quả tổn thất áp suất khí, do đó cải thiện hiệu suất tản nhiệt. Trên cơ sở đảm bảo sức mạnh cấu trúc của tủ điều khiển, diện tích mở lỗ vào được đặt ở mức 0,066 m². Để tăng cường diện tích thông gió hiệu quả, phương pháp kết hợp lưới và nắp cửa sổ louver được áp dụng để tăng các lối thông gió trong khi ngăn chặn sự xâm nhập của bụi và mưa. Ở phần dưới của buồng biến áp chính, một cửa sổ lỗ vào không khí bổ sung được lắp đặt khoảng 40 cm phía trên mặt đất để mở rộng diện tích lỗ vào.

Dựa trên nguyên tắc hút không khí từ dưới và thải không khí từ trên, bố trí lỗ vào và lỗ ra được tối ưu hóa. Lỗ vào được đặt ở phần dưới của buồng biến áp chính, và lỗ ra nằm ở phần trên, tạo thành đối lưu tự nhiên. Điều này cho phép không khí nóng dâng lên mượt mà và được thải ra từ lỗ ra, trong khi không khí lạnh đi vào từ lỗ vào, tạo thành một chu trình không khí hiệu quả để cải thiện hiệu suất tản nhiệt.

1.4 Tối ưu hóa cấu trúc tủ điều khiển

Để giải quyết những thách thức độc đáo của muối, độ ẩm và các chất ăn mòn trong các trang trại gió ngoài khơi, các vật liệu chống ăn mòn hiệu suất cao và công nghệ niêm phong tiên tiến được sử dụng để tăng cường bảo vệ tổng thể của tủ điều khiển.

Thiết kế tản nhiệt được nâng cao:

• Cửa sổ thông gió được tối ưu hóa: Để giải quyết vấn đề tản nhiệt không đủ do thiếu cửa sổ thải, các cửa thông gió bổ sung được bố trí chiến lược trên đỉnh và các bên. Các tính toán xác định kích thước và số lượng tối ưu để tối đa hóa lưu lượng không khí trong khi duy trì sức mạnh cấu trúc:

• 80 cửa thông gió trên đỉnh (1,0 m × 0,2 m mỗi cái);

• 20 cửa thông gió bên hông (2,0 m × 0,15 m mỗi cái).

Tối ưu hóa lỗ vào cáp và luồng không khí:

• Lỗ vào hình chữ nhật: Các lỗ vào cáp hình chữ nhật được gia công vào thép kênh của khung cơ sở, giúp quá trình lắp đặt cáp thuận tiện và cải thiện các đường dẫn luồng không khí.

• Bảng đáy trượt: Một bảng đáy trượt giúp định tuyến cáp đến các đầu cuối trong khi duy trì niêm phong hiệu quả, đảm bảo các thành phần bên trong được bảo vệ.

Những tối ưu hóa này dẫn đến một bố cục cáp có cấu trúc, phân chia tốt, góp phần tăng cường quản lý nhiệt và độ tin cậy của hệ thống.

2 Kiểm chứng thí nghiệm
2.1 Thiết lập thí nghiệm

Để xác minh tính khả thi của thiết kế tản nhiệt, một nền tảng thí nghiệm đã được xây dựng để mô phỏng toàn diện môi trường trang trại gió ngoài khơi. Hai quạt được sử dụng để tái tạo tốc độ và hướng gió ngoài khơi. Thiết bị thí nghiệm được liệt kê trong Bảng 1.

Để mô phỏng môi trường trang trại gió ngoài khơi, khi sử dụng quạt để mô phỏng tốc độ và hướng gió, cần chú ý đến độ đồng đều của tốc độ gió và sự đa dạng của hướng gió. Tốc độ gió đồng đều là quan trọng để đánh giá chính xác hiệu suất tản nhiệt của tủ điều khiển, và sự đa dạng của hướng gió có thể mô phỏng toàn diện hơn các thay đổi hướng gió ngoài khơi. Do đó, trong quá trình thí nghiệm, quạt cần được kiểm soát chính xác để đảm bảo tốc độ và hướng gió phù hợp với đặc điểm thực tế của trang trại gió ngoài khơi.

2.2 Kết quả và phân tích thí nghiệm

Sau khi tối ưu hóa tản nhiệt cho tủ điều khiển biến áp loại hộp tua-bin ở trang trại gió ngoài khơi, hiệu suất tản nhiệt của các phần khác nhau của tủ điều khiển trước và sau khi tối ưu hóa được ghi lại, như được hiển thị trong Bảng 2.

2.3 Kết quả và thảo luận

Dựa trên dữ liệu thí nghiệm trong Bảng 2, hiệu suất tản nhiệt của tủ điều khiển biến áp loại hộp tua-bin ở trang trại gió ngoài khơi cho thấy sự cải thiện đáng kể sau khi tối ưu hóa:

• Nâng cao khu vực chính:

• Cửa sổ thông gió trên đỉnh: Hiệu suất tăng từ 772 W·℃⁻¹ đến 1.498 W·℃⁻¹;

• Cửa sổ thông gió bên hông: Hiệu suất cải thiện từ 735 W·℃⁻¹ đến 1.346 W·℃⁻¹;

• Khu vực lỗ vào cáp: Hiệu suất tăng từ 892 W·℃⁻¹ đến 1.683 W·℃⁻¹.
  Những kết quả này xác nhận hiệu quả của hệ thống làm mát không khí ép buộc và thiết kế lỗ vào/lỗ ra được tối ưu hóa.

• Cải thiện tối đa ở bộ tản nhiệt:
  Hiệu suất bộ tản nhiệt nội bộ tăng đáng kể nhất—từ 980 W·℃⁻¹ đến 1.975 W·℃⁻¹—đánh dấu vai trò quan trọng của các tham số cánh tản nhiệt và cấu trúc tủ trong việc tăng cường hiệu suất nhiệt.

3 Kết luận

Nghiên cứu này phân tích tác động của môi trường khắc nghiệt ở trang trại gió ngoài khơi đối với tản nhiệt của tủ điều khiển. Hướng dẫn bởi các nguyên lý truyền nhiệt, một phương án tối ưu hóa mục tiêu đã được đề xuất và kiểm chứng thực nghiệm. Thiết kế được tối ưu hóa không chỉ cải thiện hiệu suất tản nhiệt và giảm nhiệt độ nội bộ, mà còn tăng cường khả năng chống ăn mòn và kéo dài tuổi thọ. Những biện pháp này cung cấp hỗ trợ kỹ thuật vững chắc cho hoạt động bền vững của các trang trại gió ngoài khơi.