風力タービンの落雷

この例のプロジェクトファイルを要求するには、ここをクリックします。

この例では、単純な風力タービン発電機のナセル内に作成されたフィールドが異なる打撃位置に与える影響を示すことによって、照明ストライキ解析の1つの領域を示します。この例は、紙で実行された作業に従います。

Amentani ・山本和彦「風力発電ナセルにおける過渡磁場の研究」 2010アジア太平洋電磁両立性国際シンポジウム、北京、中国、4月2010。

この場合、風力タービンは、損失のある地面に埋め込まれた基部に取り付けられた、単純で完全に伝導する塔によって表される。タワーの高さは60メートルであり、タービン刃はそれぞれ40メートルの長さである。ナセルは、金属ワイヤーフレームを覆うガラス繊維材料で構成されています。風力タービンの形状を図1に示し、垂直方向が Z で、ナセルの長軸が Y であるとします。100 x 100 x 230m の合計寸法を持つ立方体の 0.5 m グリッドにタービンを保持するために、FDTD グリッドスペースが作成されます。

落雷を表すために、立ち上がり時間1µ秒のステップ波形が電流源として500オーム抵抗と並列に適用されます。波形はユーザ定義のソースとして作成され、XFdtd にインポートされる。現在のソースは、FDTD シミュレーション空間の外側の境界まで延びる長いワイヤに接続されています。現在のソースは、最も一般的な落雷の位置を表す2つの場所 (プロペラブレードの上部とナセルの後部) にある風力タービンに取り付けられています。図2では、現在のソースがナセルの背面にある明るい赤色で強調表示され、長いワイヤがその上の外側境界まで延びています。この実習では、ソースの振幅を調整して、1をタービンに流す電流を与えます。

落雷の影響は、ナセル内のいくつかの試料位置で磁場を監視することによって測らます。図3に4つのサンプルポイントを示します (ブレードの接続点を中心に、タワーの中央付近、ナセルの背面)。さらに、過渡磁界の2つの平面は、時間内にいくつかのインスタンスで保存されます。

図1

損失地盤上の風力発電塔の三次元 CAD 図。タワーは40メートルの長さの各ブレードと高さ60メートルです。縦軸は Z であり、ナセルの長軸は Y である。

図2

この場合、ナセルの背面に落雷が加わると、現在のソース位置が明るい赤色で表示されます。

図3

内部サンプルポイントは、ナセルのジオメトリに関連して表示されます。ポイントの3つはナセルの中の前部からの背部に一直線にある。

シミュレーションは、波形の初期立ち上がりとフィールドの作成を示すために、合計3µ秒間実行されます。図4は、ソースおよび風力タービンに流れる電流を示しています。図5では、上部ブレードのストライクの場合、X、Y、Z 方向の磁界がナセルの中央にプロットされています。図6では、ナセル後部の落雷に対して、磁場が同じ位置にプロットされています。見ることができるように、値は、ブレード上のストライキのために有意に高いです。ブレードストライクのより高いフィールド強度は、図7とナセルの打たれた外縁から離れたポイント 0.5 m が比較される図8と比較することによってさらに実証されます。図7では、ブレードストライクのためにブレードの近くにポイントがプロットされ、0.18 の周囲にピークがあるフィールドレベルが示されています。図8は、ナセルの後部に近い地点での磁界を、後部のストライクの間に示し、ピークレベルは約0.035 です。フィギュア図9及び図10は、各ストライク点について同時に時間内の過渡磁場の断面ビューを示す。図9では、ナセルケースを通るブレードからタワーまでの電流経路を取り巻くフィールドは、図10に示すリアストライクよりもナセル内部の方が強い。このように、元の論文の著者が到達した結論は、誘発フィールドを減少させるためにナセルの前面を取り巻く遮蔽を増加させることでした。テストとして、ブレードに最も近いナセルの端に PEC シートを配置し、シミュレーションを再実行します。図11では、電界強度が、個々の構成要素ではなく大きさとしてプロットされ、シールドを加えることによって減少していることがわかる。

図4

落雷源として印加される入力電流の波形をプロットします。

図5

ここでは、ナセル内の X、Y、Z 方向の磁界を、ブレード先端ストライクポイントの塔の上にある中心サンプルポイントに示します。これらのフィールドは、リアストライクで生成されたものよりも高い振幅を示します。

図6

ナセル内の X、Y、Z 方向の磁界は、その塔の上に配置されていますが、その中央のサンプルポイントにある場合には、その位置にあります。これらのフィールドは、リアストライクで生成されたものよりも低い振幅を示します。

図7

ナセル前面の 0.5 m に位置する磁界は、ブレード先端のストライクのために示されています。

図8

ナセル背面の 0.5 m に位置する磁界は、ナセル後部のストライクとして示されています。

図9

ナセルの断面には、翼端のストライクのために、平面の時間領域磁場が示されています。

図10

ナセルの断面には、ナセル後部のストライクのために、平面の時間領域磁場が示されています。

図11

ブレード先端ストライクの元のケースに対するナセルの中央のセンサーポイント b の磁界強度 (マグニチュード) と、ブレードに最も近いナセル端の上に PEC プレートが追加されたシールドケースの比較を示します。シールドは、ナセル内の磁場を期待どおりに減少させますが、ナセルの側面にシールドを追加すると、内部のフィールドを大幅に削減する必要があります。