Avaliacao numerica do resfriamento direto como solucao para controle termico de geradores eletricos para turbinas eolicas offshore

Abstract

A tarefa de descarbonizar a estrutura da econômica global envolve a transição da produção da energia por meios mais limpos. Nesse cenário, o setor de energia eólica offshore se destaca como um dos principais responsáveis ??por essa transformação. O ambiente marítimo oferece diversas vantagens que permitem o desenvolvimento de projetos de turbinas eólicas de grande porte. No entanto, o maior porte de geradores elétricos, constituintes dessas turbinas, resulta em maiores perdas térmicas e aumento da temperatura interna nas máquinas, podendo acarretar na diminuição da vida útil do isolamento elétrico, desmagnetização dos ímãs permanentes e falhas por estresse térmico. Dessa forma, esse trabalho tem como objetivo propor um sistema de resfriamento direto por bombeamento de água para um gerador síncrono de ímãs permanentes com tecnologia direct-drive (DD-PMSG) de 10 MW. Esse sistema conta com a disposição de serpentinas com três números diferentes de passes e celebrava vazões mássicas, a fim de comparação. A avaliação é realizada por experimentações numéricas em regime permanente no software Ansys Fluent, onde os termos fontes da emissão da energia (perdas nos diferentes domínios do gerador) foram obtidos por modelos analíticos da literatura. Os resultados evidenciam que o sistema padrão é eficaz para a remoção da carga térmica indesejada. Mesmo diante das perdas manifestadas de cerca de 870 kW, o campo de temperatura foi mantido abaixo dos limites térmicos. Observe que o aumento da vazão em temperaturas mais baixas no gerador, embora tenha promovido maior perda de carga ao sistema de bombeamento. Além disso, os números de passes menores das serpentinas de refrigeração de refrigeração são mais aceitos. A eficiência global do sistema reduzida acima de 89% em todos os casos observados, conferindo à estratégia de resfriamento adotada uma abordagem viável para aplicação em geradores de grande porte.

Abstract: The task of decarbonizing the global economy involves transitioning to cleaner energy production methods. In this scenario, the offshore wind energy sector emerges as one of the key drivers for this transformation. The marine environment offers several advantages that enable the development of large-scale wind turbine projects. However, larger electrical generators used in these turbines result in higher thermal losses and increased internal temperatures, which can lead to reduced insulation lifespan, demagnetization of permanent magnets, and thermal stress failures. Therefore, the objective of this work is to propose a direct water pumping cooling system for a 10 MW directdrive permanent magnet synchronous generator (DD-PMSG). This system includes coils with three different numbers of passes and varied mass flow rates. The evaluation is conducted through numerical experiments in steady-state using Ansys Fluent software, where the source terms of the energy equation (losses in different domains of the generator) were obtained from analytical models in the literature. The results demonstrate the effectiveness of the proposed system in mitigating unwanted thermal loads. Even in the presence of thermal losses of approximately 870 kW, the temperature field remained below the thermal limits. It was observed that increasing the flow rate resulted in lower temperatures in the generator, although it led to a higher pressure drop in the pumping system. Furthermore, fewer passes in the cooling coils proved to be more advantageous. The overall system efficiency remained above 89% in all studied cases, confirming the viability of the adopted cooling strategy for large-scale generator applications.