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離岸風力發電塔架內變壓器設計

摘要"

由於台灣人口密集度高,因此有許多的能源幾乎都需要仰賴國外的進口,目前全世界的能源供應大多還在使用煤、石油及天然氣等石化燃料,而地球只有一個,這些消耗性能源終會有消耗殆盡的一天,一旦上述能源消耗殆盡之後,短時間內將不太可能會有其他的替代性能源來使用,因此綠色環保能源是未來發展重要的一環。台灣四面環海,台灣海峽更是全球風力最強的離岸風場之一,依照行政院能源局的規劃,已經訂定出在2025年離岸風電發電達5.7GW的容量目標,以每支風機5-10MW發電來計算,台灣海峽將會豎立起約1000支左右的風機,屆時台灣將可有一定的綠色環保能源。

關鍵詞:離岸風力、變壓器設計、有限元素法


本文所研究之變壓器是放置於海上風力發電之塔架內,稱之為離岸風力用變壓器(SWPT),此變壓器在設計的考量上應注意環境、溫度、安裝以及相關維護條件,所帶來的衝擊影響,並且考慮防護及在海上運轉時所遭遇到的問題,並且予以防護設計。

本文

離岸風力發電設備,外觀部分可分為承受風力並且將風能轉化為轉動機械能的風葉、承載整個設備的塔架及底部固定的基座,內部則是有將轉動機械能轉換為電能的發電機,保護傳遞電能時的高低壓盤以及將電能傳回陸上的變壓器。因發電機所產生的電壓不高,若是直接從風機所在位置直接傳送回陸地,會在傳送時消耗大量電能,大大地減少發電效率,因此在電能傳送前,利用變壓器將電壓提高,就能降低傳送時的損耗,並且可同時將電壓提高到與本島電網相同的電壓,將電能傳輸到電網上,再由電網傳送至用電地區(也就是一般住戶用電),因此離岸風力用變壓器(SWPT)可說是風力發電中相當重要的一環,又因其放置位置在風機塔架內,因此變壓器在鐵心、線圈、散熱以及外殼強度上,皆需有特別的考量,其細部說明分別如下:

鐵心

變壓器前端主要是連接一座發電設備,因此鐵心的激磁設計需要考量到發電特性,其中鐵心磁通密度的設計要與所使用的矽鋼片特性做結合,利用矽鋼片的磁化曲線做最佳的磁通密度設計;除此之外鐵心在運轉時所產生的損失會以熱的方式呈現散發出來,因此在設計上需要考慮鐵心的散熱方式,避免熱能累積在鐵心內部。圖1為形成鐵損之因素,而降低鐵損的方式有兩種:一種是採用低損耗之鐵心材質,如冷軋方向性矽鋼片,此類矽鋼片本身厚度薄,加上每片矽鋼片外層皆有良好的絕緣材質因而可以有效地阻絕片與片之間的導通,進而可以降低因電磁流經矽鋼片時,自我感應出電流而造成的渦流損失;另一種方式則是採用較佳的鐵心疊積方式,例如可採用在鐵心腳與上下繼鐵相接處以45度角裁切方式接合或是為了避免讓鐵心搭接處集中,而採用Step-Lap分散式搭接工法來因應,如圖2所示,藉由上述方法,使其磁路在搭接處分散不集中,進而降低局部的磁通密度密集化,藉此使電磁流通能夠較為順暢,進而降低鐵損的損耗。...更多內容,請見《機械新刊》雜誌

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