Выпуски бюллетеня

ТомНомер
13 1
12 1 2 3 4 5 6
11 1 2 3 4 5 6
10 1 2 3 4 5
9 1 2 3 4 5
8 1 2 3 4 5
7 1
6 1 2 3 4
5 1 2 3 4 5 6
4 1 2 3 4 5 6
3 1 2 3 4 5 6
2 1 2 3 4 5
1 1 2
0 0

Тематический указатель

Проекты сверхпроводниковых ветрогенераторов мощностью 10 МВт

2015, Tом 12, выпуск 4
Тематика: ВТСП устройства

На сегодняшний день, к проблеме экологически чистого получения электроэнергии приковано пристальное внимание ведущих специалистов во всем мире. Эта связано, как с ростом потребления электроэнергии, так и с необходимостью снижения ее стоимости для конечного потребителя. Ветер является чистым, возобновляемым и надежным источником электроэнергии, за последние два десятилетия наблюдается интенсивный рост использования энергии ветра во всем мире. Однако, использование ветрогенераторов ограничивается рядом причин. Первой причиной является низкая скорость и непостоянство силы ветра на суше, поэтому желательна установка ветрогенераторов в прибрежной зоне, что в свою очередь, влечет значительные затраты на создание надежных фундаментов, подключение к энергосистеме и техническое обслуживание. Второй причиной, является необходимость повышения мощности ветрогенератора чтобы добиться наибольшей его эффективности. Отсюда, следует неизбежное увеличение массогабаритных характеристик и стоимости (см. Рис. 1). Именно по этим причинам, возможность использования  сверхпроводника в обмотках ротора и статора является чрезвычайно важной, поскольку способствует увеличению мощности ветрогенератора при сохранении (или даже снижении) его массогабаритных характеристик

Рис. 1. Эволюция ветрогенераторов.

По сравнению с традиционными материалами обмоток электрических машин, сверхпроводники обладают лучшими электрическими, механическими и магнитными характеристиками. В процессе развития технологии производства снижается стоимость сверхпроводящих материалов, они становятся более доступными для индустриального сектора. На сегодняшний день предложено две концепции сверхпроводникового ветрогенератора. В первом случае - лишь обмотки возбуждения ротора являются сверхпроводящими. Во втором случае - сверхпроводниковыми являются и ротор, и статор. Сравним три проекта ветрогенераторов мощностью 10 МВт, использующих как низкотемпературные [1] так и высокотемпературные сверхпроводники [2], включая ветрогенератор на основе диборида магния[3].

1). В 2012 г. компания General Electric [1] представила проект ветрогенератора с прямым приводом мощностью 10 МВт, ротор которого выполнен на основе низкотемпературного сверхпроводника - NbTi. Схема ветрогенератора представлена на Рис. 2. Использование низкотемпературного сверхпроводника обусловлено наличием хорошо отработанной технологии производства данного материала и изготовления обмоток на его основе. Компания General Electric обладает многолетним опытом разработки и производства традиционных ветрогенераторов. В ходе проектирования сверхпроводникового ветрогенератора была оценена его коммерческая жизнеспособность и определены наиболее узкие места в реализации проекта.

Основные параметры ветрогенератора General Electric представлены в Таблице 1. Полные потери в установке будут составлять 501 кВт при эффективности 95%. Отметим, что для создания 36 обмоток ротора предполагается использовать 720 км NbTi проводника общей массой 3840 кг.

Рис. 2. Схема ветрогенератора мощностью 10 МВт, разрабатываемого компанией General Electric.

 

Прогнозируемая стоимость электроэнергии, вырабатываемой сверхпроводниковым ветрогенератором, будет на 13% или 18% ниже, чем у традиционных в зависимости от их типа (см. Рис. 3).

Рис. 3. Стоимость электроэнергии, вырабатываемой обычными и сверхпроводниковыми ветрогенераторами.

Рис. 4. Внешний вид сверхпроводникового ветрогенератора «Sea Titan».

2). В 2008 г компанией American Superconductor (AMSC) были начаты работы по созданию ветрогенератора «Sea Titan» на основе высокотемпературного сверхпроводника второго поколения ReBa2Cu3O7 (Re - редкая земля). Схематический вид ветрогенератора представлен на Рис. 4. Для охлаждения сверхпроводящих обмоток ротора планируется использовать криокулеры на цикле Гиффорда-Макмагона.

Срок службы ветрогенератора без капитального ремонта оценивается в 30 лет. Основные параметры ветрогенератора представлены в Таблице 1. Для его создания потребуется 36 км ВТСП провода.

3) В обмотках ротора и статора разрабатываемого компанией Kalsi Green Power System ветрогенератора мощностью 10 МВт планируется использовать сверхпроводник MgB2 [3]. Рабочая температура обмоток будет составлять 20 К. Проводники, выпускаемые компанией Hyper Tech. Research. Inc, имеют диаметры от 0,3 до 2,0 мм. Для провода диаметром 0,83 мм критический ток при 20 К в собственном поле составляет 465 А, стоимость погонного метра такого провода составляет 3$ по ценам 2015 года [4]. Обмотки будут охлаждаться от двухступенчатых криокулеров через теплообменный газ (гелий). Криогенные системы статора и ротора - независимы. Основные характеристики сверхпроводникового генератора на основе диборида магния представлены в Таблице 1, а его схематическое изображение на Рис. 5. Для создания такого ветрогенератора потребуется 42,6 км сверхпроводящего провода на базе MgB2.

Рис. 5. Схема ветрогенератора мощностью 10 МВт на основе MgB2.

Таблица 1. Параметры проектируемых ветрогенераторов мощностью 10 МВт.

Таким образом, из Таблицы 1 хорошо видно, что ветрогенератор на основе MgB2 является наиболее экономически приемлемым решением среди сверхпроводниковых ветрогенераторов с прямым приводом. Низкая рабочая частота позволяет использовать MgB2 провода в обмотках переменного тока статора, а достаточно низкая цена сверхпроводника позволяет создать ветрогенератор мощностью 10 МВт за 3,2 миллиона долларов.

Сопоставление веса проектируемых сверхпроводниковых ветрогенераторов представлено на Рис. 6. Стоит отметить, что оценки веса вала и подшипников не обосновываются. Так как для уменьшения количества сверхпроводника использовалось железное ярмо, то вес ветрогенератора на основе высокотемпературного сверхпроводника больше, чем вес выполненного без железа ветрогенератора на основе низкотемпературного сверхпроводника. Вес криогенного оборудования  в обоих случаях составляет менее 4% от общего веса генераторов.

На Рис. 7 представлено сравнение объема сверхпроводниковых генераторов мощностью 10 МВт. Так как ветрогенератор на основе высокотемпературного сверхпроводника имеет меньшее число полюсов, более низкое магнитное поле и большую длину по оси, то его объем больше, чем аналогичного низкотемпературного ветрогенератора. Однако, криогенная система для низкотемпературного ветрогенератора занимает больше места.

Рис. 6. Сравнение веса ветрогенераторов на основе

низко- и высокотемпературных сверхпроводников.

Рис. 7. Сравнение объемов, занимаемых ветрогенераторами на основе низко- и высокотемпературных сверхпроводников.

Сравнение стоимости ветрогенераторов представлено на Рис. 8. Стоит отметить, что сравнивается только стоимость исходных материалов. Кроме того, рассчитаны расходы по техническому обслуживанию криогенной системы. Отметим, что в стоимости низкотемпературного ветрогенератора, в основном, преобладают расходы на криогенную систему, а в стоимости высокотемпературного все определяет высокая  цена сверхпроводящих

материалов.

Рис. 8. Сравнение стоимости ветрогенераторов на основе низко- и высокотемпературных сверхпроводников в китайских юанях. 1000 CNY = 163,53 $.

Отчетливо видно, что высокая стоимость высокотемпературных сверхпроводников является доминирующим фактором, который не позволяет использовать их в создании сверхпроводниковых ветрогенераторов, в противоположность ниобий-титану и дибориду магния.

 

1. Fair R. et al Superconductivity for large-scale wind turbines Applied Superconductivity Conf. presentation European Superconductivity News Forum no 22 1-29 (2012).

2. Snitchle G., Gamble B., King C. and Winn P. 2011 10 MW class superconductor wind turbine generators IEEE Trans. Appl. Supercond. 21 1089-92 (2011).  

3. Kalsi S. S. 2014 Superconducting wind turbine generators: beyond the 10 MW employing MgB2 winding both on rotor and stator IEEE Trans. Appl. Supercond. 24 47 (2014). 

4. D. Doll et al Development of MgB2 superconductor wire and coils for practical applications at Hyper Tech Research, presented at the 16th US-Japan Workshop Adv. Supercond., Dayton, Oh, USA, Jul. 9-12, 2013.  

5. Sung H. et al Practical Design of a 10 MW Superconducting Wind Power Generator Considering Weight Issue IEEE Trans. Appl. Supercond. 23 5201805 (2013).

6. Terao Y. et al Electromagnetic Design of 10 MW Class Fully Superconducting Wind Turbine Generators IEEE Trans. Appl. Supercond. 22 5201904 (2012).

7. Jing Wan et al Comparison Study of Superconducting Wind Generators with HTS and LTS Field Windings IEEE Trans. Appl. Supercond. 25 5201806 (2015).

П.Н Дегтяренко

Главная | Новости | Бюллетень | Конференции | Поиск публикаций в базе данных | Новое в базе данных
Российские организации | Энциклопедия | Цели сайта | Контакты | Полезные ссылки | Карта сайта | Помощь

© Copyright 2006-2012. Использование материалов сайта возможно только с обязательной ссылкой на сайт.
Свои замечания и пожелания вы можете направлять по адресу perst@isssph.kiae.ru
Техническая поддержка Alexey, дизайн Teodor.