基于晴天太阳辐射模型的电力户外机柜热估算与仿真

2015-04-24俞春林童星星

综合智慧能源 2015年9期

俞春林，童星星

(南京国电南自电网分公司，南京 210003)

0 引言

目前，我国智能电网建设进一步深化，国家电网要求的“一次设备智能化”进程中要求将光电互感器、变压器、电抗器、断路器及高压开关等宿主设备智能化，包括合并单元、智能终端、保护及测控装置等设备在内的智能组件需安装于宿主设备旁，承担与宿主设备相关的测量、控制和监测等功能。这就要求设计一种能为上述智能组件提供可靠运行环境的新型智能户外机柜。

设计新型户外机柜时，除了要考虑规定功能、防护等级等要求外，还要考虑热设计需求。在户外环境中，机柜不仅要导出内部设备散发的热量，同时还要有效隔阻太阳辐射。影响机柜的辐射主要来自于太阳直射辐射、大气长波辐射、地面发射辐射及长波辐射。夏季，安装在低纬度地区的户外机柜的太阳辐射得热量主要来自于太阳直射辐射，占95%以上，故在估算过程中可忽略其他辐射方式的影响。国内外已有不少太阳辐射理论模型的研究，提出了晴天太阳辐射模型、半正弦模型、时间序列逐时模型等。结合国内外研究现状，本文以晴天太阳辐射模型为基础开展相关估算。

1 建立数学模型估算机柜辐射得热量

模拟外形规格为2 000 mm×800 mm×800 mm的机柜在户外接受阳光照射，通过计算预估出在特定纬度γ条件下，1年当中机柜表面接受太阳辐照强度的最大值。

1.1 各种角度计算［1］

(1)太阳赤纬角δ。地球赤道平面与太阳和地球中心的连线之间的夹角，其计算公式为

式中:n为积日，日期在年内的顺序号，例如1月1日其积日为1，平年12月31日的积日为365，闰年则为366。

(2)太阳时角ω。对于特定纬度γ的观测点，ω反映了从日出到日落时分太阳的天顶角在1 d中的变化。24小时变化360°，每小时15°。

(3)太阳高度角α。对于地球上的某个地点，太阳高度角是指太阳光的入射方向和地平面之间的夹角，其计算公式为

(4)太阳方位角φ。太阳方位角即太阳所在的方位，指太阳光线在地平面上的投影与当地子午线的夹角，其计算公式为

(5)柜面太阳方位角ε。其计算公式为

本例模拟最严酷的太阳辐射情况，设柜面朝南，λ=0。

(6)太阳入射角i。太阳入射角是太阳直射光线与壁面法线之间和夹角，其计算公式为

式中:θ为入射光线与柜面的夹角;h为入射光线在水平面的投影与柜面的夹角。

1.2 晴天太阳辐射模型［2］

通过建立太阳辐射的数学模型，推导出太阳辐射计算公式。

大气层外的太阳辐射为

式中:太阳常数Gsc=1367 W/m2。

大气层外切平面上瞬时太阳辐射为

晴朗天气太阳直射透过比为

式中:Gcb为地面太阳辐照度，a0=r0a*0;a1=r1a*1;k=rkk*。r0，r1，rk为修正因子，根据气候类型由经验确定，

式中:h1为海拔高度，km。

根据式(8)可得出Gcb=τbG0，并计算矢量Gcb放置在地面坐标系中东方、南方及上方3个方向到达机柜表面的分量值，

式中:Gx，Gy，Gz分别为东方、南方及上方3个方向到达机柜表面的分量值。

以外形尺寸为2 000 mm×800 mm×600 mm的某户外机柜为例，其在日照情况下接受太阳辐射的情况如图1所示。

图1 户外柜机

根据上述公式可以得出方程组

式中:h为柜体高度;l为柜体长度;d为柜体宽度。

柜体受到的总辐射P与积日n、太阳时角ω及所处纬度γ这3个变量相关，假设已知测量日期及地理位置，即可简化得出P与ω之间的函数表达式。

1.3 实例估算

8月1日，晴，在南京某地户外机柜所受总辐射P与太阳时角ω关系如图2所示。

图2 总辐射与太阳时角关系曲线

可以看出，当ω=0.55 rad，即14:00左右时，P=1163.6 W为最大值，将 ω，n，γ 代入式(13)、式(14)、式(15)可得出机柜接受日照的3个面上的辐照度分别为 Gx=187.8 W/m2，Gy=304.7 W/m2，Gz=586.8 W/m2。

2 户外机柜热传递的数学物理模型［3］

任何热量的传递只能通过传导、对流及辐射3种方式进行。在实际的热传递过程中，这3种方式往往不是单独进行的。热传导是固体传递热量的主要方式，在气体和液体中，热传导往往与对流同时进行。对流是液体和气体热传递的主要方式，气体的对流比液体更加明显。热辐射是指相互不接触的物体通过电磁波传递能量的过程。

TDC05型户外机柜采用强制对流的方式来解决散热问题。在设计前期应对柜内热量进行分析计算，根据计算结果预选风机类型及所需数量，然后建立相应模型，利用仿真软件进行模拟验证，确保整个系统满足预期设计目标。户外机柜内部热源主要来源于两方面:太阳辐射产生的经由双层不锈钢及中间空气夹层传导至机柜内部的热量，柜内设备的功耗辐射至柜内空间的热量。

假设夏季炎热晴天气温为39℃，柜内环境温度控制目标tf=45℃，实测柜外层不锈钢板表面温度tw=85℃，夹层空气处于静止状态，不考虑其对流换热对热量传递的影响，则由日照侧传导至柜内壁的热流密度计算公式为

式中:不锈钢壁厚δ1=δ3=0.002 m;夹层空隙δ2=0.020 m;304型不锈钢导热率 λ1=16.200 W/m;在65℃条件下静止空气的导热率λ2=0.028 W/m。

同理，由柜内壁传导至日荫侧外壁的热流密度为

综上所述，太阳辐射产生的经由双层不锈钢及中间空气夹层传导至机柜内部的热量Q1=qin(hd+hl+dl)-qout(hd+hl+dl)=156.076 W，柜内设备功耗Q2=120W，得出总热量

根据上述计算结果选择散热方式，由于换热器的换热效率通常小于100 W/m2，而本设计的柜侧可安装换热器的面积不大于1.5 m2，故远达不到需要的换热需求。同时空调的使用也存在安装空间有限、必须定期保养、不便于维修等弊端，因此该户外机柜采用了简单、高效的强制通风方式。

3 户外机柜散热用风机的选型［4］

设定进风口的空气温度等于户外环境的大气温度，即tw=39℃，出风口的温度等于柜内环境预设目标温度tf=45℃，柜内环境空气的定性温度tk=(tw+tf)÷2=43(℃)，查得在43℃条件下空气密度 ρ=1.125 kg/m3，比热容 Cp=1.005 kJ/(kg·K)，则散热需求的冷却风量

根据一般经验，冷却风扇运行效率η=0.65，整个散热系统所需的冷却风量qVs=qV÷η=0.062 6 m3/s。设计使用2个并联风扇来对机柜内部进行冷却，则每个风扇的最佳工作点的风量应不小于0.0312 m3/s。通过缜密筛选，TDC05型户外机柜的散热风扇拟定为12038AC型，其额定电压为220V，额定电流为0.14 A。

4 仿真分析及验证

通过计算得出了户外机柜正常运行时的工况参数，并选择了合理的风机型号，结合强制对流的换热准则，利用Ansys公司的ICEPAK软件对整个系统进行仿真，以验证前期的设计方案是否能满足预设目标。

建立模型:不锈钢双层柜体，尺寸为2000 mm×800mm×600mm，隔热层间隙为20mm。顶部安装2台内部型风扇，底部两侧开设进风口，尺寸为500 mm×150 mm，开孔率75%，顶部开设出风口，尺寸为700 mm×60 mm，开孔率75%，将上述估算的Gx，Gy，Gz分别加载至机柜各外表面的热流密度。仿真后收敛曲线如图3所示。