La simulazione multifisica guida la tecnologia delle città intelligenti

Le moderne centraline elettriche (o pilastri di alimentazione, come sono conosciute al di fuori degli Stati Uniti) sono montate in strada e controllano la fornitura elettrica alle abitazioni all'interno di un quartiere. Poiché i residenti danno sempre più priorità all’estetica e continuano ad attribuire un alto valore alla vita urbana, c’è bisogno di centraline elettriche meno vistose.

Ma a quanto pare, c'è una ragione valida dietro le dimensioni ingombranti degli alimentatori. Le dimensioni del design tradizionale contengono l'hardware necessario per ridurre l'elevata potenza della linea elettrica a lunga distanza a una potenza adatta alla distribuzione alle case e alle aziende. Il nobile obiettivo di ridurre le dimensioni delle scatole di alimentazione comporta l'ulteriore sfida di convogliare l'energia su un'area considerevolmente inferiore considerando la resistenza e le forze di Lorentz, un'impresa non insignificante.

Ishant Jain, ricercatore principale in ricerca e sviluppo presso Raychem RPG, ha applicato i suoi anni di esperienza nella simulazione alla sfida di creare una scatola elettrica pronta per la città intelligente e attenta allo spazio. Insieme al suo team di Raychem, ha utilizzato la simulazione multifisica per affrontare le sfide ingegneristiche che hanno accompagnato la creazione di questo progetto radicalmente nuovo.

Grazie a questo articolo ti viene in mente quella invadente scatola di metallo vicino al tuo marciapiede. Ma come funziona esattamente un power box?

L'involucro di una scatola di alimentazione fornisce protezione a un sistema di distribuzione elettrica. Il suo scopo è quello di distribuire la corrente di una linea di alimentazione a bassa tensione, adatta al trasporto elettrico su brevi distanze, nelle abitazioni e nelle aziende. Le centraline elettriche vengono utilizzate sia per ridurre le perdite fisiche di elettricità sia per distribuire e contabilizzare in modo più preciso l'utilizzo di tale elettricità.

"È molto vantaggioso che le centraline occupino meno spazio", ha affermato Jain. "Potremmo creare un'unità modulare con tutte le capacità del modello originale adattate alle esigenze delle città del 21° secolo."

Jain e il suo team hanno subito notato che molti aspetti della progettazione di un alimentatore classico dovevano essere migliorati. Questi aggiornamenti includevano una riduzione dei costi e delle perdite elettriche dovute a collegamenti inferiori agli standard, nonché miglioramenti in termini di sicurezza, dimensioni, facilità di installazione, funzionalità ed estetica.

Jain e il suo team erano anche motivati ​​a creare una scatola elettrica futuristica che sarebbe stata prontamente adottata dalle città intelligenti. Questa nuova scatola di alimentazione includerebbe funzionalità intelligenti per consentire il monitoraggio online del consumo di energia, nonché per monitorare lo stato del sistema e dei singoli fusibili.

La sfida immediata nell'adattare la geometria di un sistema di distribuzione elettrica a un involucro radicalmente piccolo è la necessità di mitigare le forze elettromagnetiche concorrenti derivanti dal cambiamento nel progetto.

A causa della natura dinamica della fisica e della complessità della geometria, la necessità di una simulazione multifisica per garantire la stabilità del progetto è stata immediatamente evidente agli ingegneri.

Per realizzare una riduzione così drastica delle dimensioni della scatola di alimentazione, gli ingegneri dovevano creare un sistema di sbarre collettrici che distribuisse la stessa quantità di potenza pur rientrando in una geometria più piccola (Figura 1).

Jain e il suo team hanno creato una simulazione 2D per garantire che il loro progetto fosse adatto a ridurre l'impatto cumulativo delle forze elettromagnetiche. L'allineamento a 120° dei pannelli serve a bilanciare le forze che agiscono sulle sbarre.

"La simulazione ci ha dato fiducia che il progetto avrebbe funzionato", ha spiegato Jain, "potremmo dire che le forze elettromotrici sarebbero bilanciate dall'allineamento a 120°."

Un'altra considerazione importante è la solidità strutturale complessiva della scatola di alimentazione. Per questo, Jain e il suo team hanno sviluppato una simulazione strutturale della scatola di alimentazione che consentirebbe loro di valutarne la durabilità. Da uno studio temporale di venti fino a 103 m/s che soffiano contro la struttura, è stato stabilito che la scatola di alimentazione era strutturalmente sana (Figura 2). Gli ingegneri hanno anche aumentato lentamente il carico limite finché la sollecitazione indotta non ha raggiunto un valore critico e hanno stabilito che il progetto è sicuro fino a una velocità del vento di 570 m/s.