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Este ejemplo demuestra un área del análisis de impactos de iluminación mostrando el impacto de los campos creados dentro de la góndola de un aerogenerador simplificado para diferentes ubicaciones de impacto. El ejemplo sigue el trabajo realizado en el documento:
A. Amentani y K. Yamamoto, "A Study of Transient Magnetic Fields in a Wind Turbine Nacelle", 2010 Asia-Pacific International Symposium on Electromagnetic Compatibility, Pekín, China, abril de 2010.
En este caso, la turbina eólica está representada por una simple torre perfectamente conductora montada sobre una base empotrada en un terreno con pérdidas. La altura de la torre es de 60 metros y las palas de la turbina miden 40 metros cada una. La góndola se compone de un material de fibra de vidrio que recubre un armazón de alambre metálico. La geometría del aerogenerador se muestra en la figura 1, donde la dirección vertical es Z y el eje longitudinal de la góndola es Y. Se crea un espacio de malla FDTD para alojar la turbina en una malla cúbica de 0,5 m que tiene unas dimensiones totales de 100 x 100 x 230 m.
Figura 1: Vista CAD tridimensional de la torre del aerogenerador sobre un terreno con pérdidas. La torre tiene 60 metros de altura y cada pala 40 metros de longitud. El eje vertical es Z y el eje longitudinal de la góndola es Y.
Para representar el impacto de un rayo, se aplica una forma de onda escalonada con un tiempo de subida de 1 µs como fuente de corriente en paralelo con una resistencia de 500 ohmios. La forma de onda se crea como una fuente definida por el usuario y se importa en XFdtd. La fuente de corriente se conecta a un cable largo que se extiende hasta el límite exterior del espacio de simulación FDTD. La fuente de corriente se conecta al aerogenerador en dos puntos que representan los lugares más habituales de impacto de rayos: en la parte superior de la pala de la hélice y en la parte trasera de la góndola. En la figura 2, la fuente de corriente aparece resaltada en rojo brillante en la parte trasera de la góndola, con el cable largo extendiéndose hasta el límite exterior por encima de ella. Para este ejercicio, la amplitud de la fuente se ajusta para dar una corriente de 1 A que fluye hacia la turbina.
Figura 2: La ubicación de la fuente de corriente se muestra en rojo brillante para este caso en el que el rayo se aplica en la parte trasera de la góndola.
El impacto del rayo se mide controlando los campos magnéticos en varios puntos de muestreo dentro de la góndola. En la figura 3 se muestran cuatro puntos de muestreo: simétricamente alrededor del punto de conexión de las palas, cerca del centro sobre la torre y en la parte trasera de la góndola. Además, se guardan dos planos de campos magnéticos transitorios en algunos instantes de tiempo.
Figura 3: Los puntos interiores de la muestra se muestran en relación con la geometría de la góndola. Tres de los puntos se encuentran en una línea que va de delante hacia atrás en el interior de la góndola.
Las simulaciones se realizan durante un tiempo total de 3 µseg para mostrar la subida inicial de la forma de onda y la creación de los campos. La figura 4 muestra la corriente que fluye a través de la fuente y hacia el aerogenerador. En la figura 5, se representan los campos magnéticos en las direcciones X, Y y Z en el centro de la góndola para el caso de un impacto en la pala superior. En la figura 6, se representan los campos magnéticos en el mismo punto para el caso de un rayo en la parte trasera de la góndola. Como puede observarse, los valores son significativamente más elevados en el caso del impacto en la pala. La mayor intensidad de campo para el impacto en la pala queda demostrada al comparar la Figura 7 con la Figura 8, en las que se comparan puntos situados a 0,5 m de los bordes exteriores de la góndola impactados. En la figura 7, se representa un punto cercano a las palas para un impacto de pala y se muestran niveles de campo que alcanzan un pico en torno a 0,18 A/m. La figura 8 muestra el campo magnético en un punto cercano a la parte trasera de la góndola durante un impacto en la parte trasera y los niveles máximos se sitúan en torno a 0,035 A/m. Las figuras 9 y 10 muestran la vista transversal de los campos magnéticos transitorios en el mismo instante de tiempo para cada punto de impacto. En la figura 9, los campos que rodean la trayectoria de la corriente desde el álabe a través de la góndola hasta la torre son más intensos en el interior de la góndola que los del golpe trasero que se muestran en la figura 10. Por ello, la conclusión a la que llegaron los autores del artículo original fue aumentar el blindaje que rodea la parte delantera de la góndola para reducir los campos inducidos. Como prueba, se coloca una lámina de PEC sobre el extremo de la góndola más cercano a las palas y se vuelve a ejecutar la simulación. En la figura 11 puede verse que la intensidad de campo, representada como magnitud y no como componentes individuales, se reduce al añadir el blindaje.
Figura 4: Se representa la forma de onda de la corriente de entrada aplicada como fuente de impacto del rayo.
Figura 5: Se muestran los campos magnéticos en las direcciones X, Y y Z dentro de la góndola en el punto de muestra central situado sobre la torre para un punto de impacto en la punta de la pala. Estos campos muestran amplitudes mayores que los producidos por un golpe trasero.
Figura 6: Se muestran los campos magnéticos en las direcciones X, Y y Z dentro de la góndola en el punto de muestra central situado sobre la torre para un punto de impacto trasero de la góndola. Estos campos muestran amplitudes inferiores a las producidas por un golpe trasero.
Figura 7: Se muestran los campos magnéticos situados 0,5 m dentro de la parte delantera de la góndola para un impacto en la punta de la pala.
Figura 8: Se muestran los campos magnéticos situados 0,5 m dentro de la parte trasera de la góndola para un golpe en la parte trasera de la góndola.
Figura 9: Se muestran los campos magnéticos planos en el dominio del tiempo en la sección transversal de la góndola para un impacto en la punta de la pala.
Figura 10: Los campos magnéticos planos en el dominio del tiempo se muestran en la sección transversal de la góndola para un impacto en la parte trasera de la góndola.
Figura 11: Se muestra una comparación de la intensidad (magnitud) del campo magnético en el punto b del sensor, en el centro de la góndola, para el caso original del golpe en la punta de las palas y para el caso blindado en el que se añade una placa PEC sobre el extremo de la góndola más cercano a las palas. El blindaje reduce los campos magnéticos en el interior de la góndola como era de esperar, pero es probable que sea necesario un blindaje adicional en los laterales de la góndola para reducir significativamente los campos interiores.
