Генераторы переменного тока на сверхпроводниках

2006, Tом 3, выпуск 1

Тематика: НТСП устройства

Применение сверхпроводников (СП) позволяет создать синхронные генераторы переменного тока, обладающие высокой эффективностью и мощностью при относительно небольших размерах и массе. Действительно, КПД СП генераторов может превышать 99%, при этом потери, типичные для обычных генераторов, сокращаются минимум в два раза. Примерно во столько же раз уменьшаются габариты и вес машины. Удивительно, что такого сокращения в эффективности, размерах и массе удаётся достичь даже несмотря на необходимость исполь-зования криосистемы для охлаждения сверхпроводника! Дополнительными преимуществами СП генераторов являются повышенная стабильность работы при использовании в электрических сетях и большая долговечность. Срок службы обычных генераторов ограничен 30-40 годами из-за старения изоляции обмоток под действием высокой температуры. Этот неблагоприятный фактор полностью отсутствует у криогенных СП устройств.

Два основных преимущества СП генераторов, компактность и высокая эффективность, диктуют области их первоочередного применения.

Компактные генераторы электрической энергии с базированием на мобильной платформе (самолёте, судне, поезде или автомобиле) нужны прежде всего военным [1]. От наличия мобильных генераторов мощностью в десятки и сотни МВт зависит создание электромагнитного (микроволнового) оружия, тактических лазеров и систем электромагнитного запуска. Интересно, что сама по себе высокая эффективность здесь главным преимуществом не является. Гораздо важнее то, что в СП генераторах лишь небольшая часть энергии выделяется в виде тепла, которое для обеспечения теплового баланса надо отводить от системы. Конечно же, для мобильных СП генераторов можно найти и мирное применение – например, в качестве резервных источников энергии в аэропортах, больничных центрах, на критических производствах. Серьёзные шансы на применение таких машин есть и в судо-строительной промышленности, как в военной, так и в гражданской.

Создание мощных (>100 МВт) стационарных СП генераторов с высоким КПД (>99%) имеет большое значение для традиционной электроэнергетики. Действительно, по оценке Министерства энергетики США (DoE - Department of Energy), повышение эффективности преобразования энергии на 0,5% позволит экономить до 200 тыс. долл. в год на каждый генератор мощностью 100 МВт [2].

Начавшаяся около 40 лет назад история создания СП генераторов зеркально отражает непростые пути развития технологии СП проводов. Широкое распространение (коммерциализация) силовых СП устройств возможно лишь при условии, что характеристики провода отвечают крайне жёстким требованиям [3]. В таблице приведены параметры ВТСП проводов, однако, за исключением рабочей температуры и стоимости, эти параметры справедливы и для НТСП. Заметим, что стоимость НТСП Nb-Ti составляет около 2 долл./кАм, а цена Nb3Sn – от 4 до 10 долл./кАм, в зависимости от количества жил в кабеле (данные приведены на 1997 год по [3]). В силу целого ряда причин, в разработках НТСП генераторов использовали почти исключительно провод из Nb-Ti.

(а) плотность тока для отдельных сверхпроводящих жил

(б) ток для отдельного провода; кабель, содержащий много проводов, должен нести ток около 10 кА

(в) для кабеля

(г) – цена 100 долл./кАм допустима только в чрезвычайных ситуациях

Рис. 1. Схемы классического (вверху) и полностью сверхпроводникового (внизу) СП генераторов.

СП генераторы делят обычно на два класса (рис. 1). Первый класс составляют классические, или гибридные, СП генераторы. В них сверхпроводник применяют только в возбуждающей обмотке (как правило, ротора), а для другой обмотки используют резистивный материал, как в обычном генераторе. На разработке этого варианта General Electric строит свою долгосрочную стратегию, предлагая заменить в существующих генераторах обычные роторы на сверхпроводящие. В такой конструкции сверхпроводник несёт только постоянный ток, так что потери практически равны нулю. К недостаткам гибридной схемы относят необходимость термоизоляции возбуждающей обмотки от «тёплой» части генератора. Этого достигают с использованием вакуумного барьера по типу сосуда Дьюара. Существенное внимание также уделяют электромагнитному экранированию СП обмотки с целью снизить вклад вихревых токов.

Второй тип составляют полностью сверхпроводниковые генераторы, в которых обе обмотки выполнены из сверхпроводника. В данном случае, естественно, охлаждают весь агрегат. При использовании этой конструкции появляются дополнительные требования к сверхпроводнику, составляющему обмотку статора, так как потери на переменном токе могут быть очень существенными. Одна из первых неудач в этой области – полностью сверхпроводниковый генератор на 50 кВт, изготовленный и протестированный в 1967 году ф. Dynatech – обнаружила принципиальные ограничения, связанные с использованием сверхпроводника на переменном токе. Эти ограничения были полностью сняты в 1983 году в результате разработки проводников с жилами субмикронного диаметра, имеющими малые потери на токах промышленной частоты. Потенциально полностью сверхпроводниковый тип генераторов обладает повышенной мощностью при меньших размерах и массе. В настоящее время фактически разрабатывают оба типа генераторов.

В первых гибридных машинах, созданных к началу 70-х, сверхпроводники использовали только в неподвижной возбуждающей обмотке, в то время как вращающуюся обмотку изготавливали из металли-ческого провода. Мощность этих экспериментальных машин, изготовленных в СССР, США, ФРГ и Японии составляла от 8 до 30 кВт.

Рис. 2. СП генератор КТГ-20 на 20 МВт, СССР, начало 80-х [4].

Уникальный опыт разработки СП генераторов был накоплен в СССР. Исследования в этом направлении начались в 60-х во ВНИИЭлектромаш (Ленинград). Первая электрическая машина со сверхпроводниками была спроектирована в 1963 г. и мощность её составляла всего несколько ватт, а уже в 1980-1992 гг. первый в мире СП генератор (КТГ-20) мощностью 20 МВт (рис. 2) прошел испытания в системе Ленэнерго.

В начале 80-х был создан СП генератор на 20 МВт и в США (General Electric).

Охлаждаемый гелием сверхпроводящий ротор был разработан в начале 70-х ф. Westinghouse по заказу ВВС США и успешно испытан при вращении со скоростью 12 тыс. оборотов в минуту.

Параллельно велись работы по созданию гибридных СП генераторов со сверхпроводниковым ротором и медным статором, увенчавшиеся созданием машины мощностью 2 МВт в США. Именно этот дизайн (сверхпроводниковый ротор - резистивный статор) и получил наибольшее распространение в дальнейшем.

Эти достижения открыли путь к созданию машин большего размера, и уже к середине 70-х СП генераторы мощностью порядка 1 ГВт считались принципиально реализуемой задачей.

Наверное, важно хотя бы перечислить проблемы, которые решали учёные и инженеры того времени: охлаждение жидким гелием вращающегося ротора генератора; герметизация системы высоковакуумной теплоизоляции; обеспечение механической прочности обмоток; юстировка и балансировка ротора; подавление вибраций работающей машины. Нельзя сказать, что искомые решения всегда были просты. Например, охлаждение ротора генератора КТГ-20

(СССР) проводили в три этапа, длилась эта процедура 75 часов. Существенную проблему представляла механическая фиксация сверхпроводящей обмотки. Из-за очень низкой теплоёмкости материала при температуре жидкого гелия опасный нагрев и переход сверхпроводника в нормальное состояние может быть вызван просто трением неожиданно сдвинувшегося со своего места провода! И так далее…

В планах разработчиков стояло создание генераторов большей мощности до 1 ГВт. К концу 80-х специалисты компании General Electric разработали концепцию машины мощностью 300 МВт. Генератор такой же мощности был разработан и изготовлен в СССР (КТГ-300), но затем в 1985 г. в связи с началом перестройки работы были прекращены.

Открытие ВТСП оказало большое и неоднозначное влияние на развитие этой области. На новые сверхпроводники возложили большие (заметим, более чем обоснованные) надежды и многие работы по созданию машин на НТСП были сокращены или приостановлены. Высокий темп исследований остался только в Японии, благодаря чему на сегодняшний день именно японцы являются лидерами в деле создания НТСП генераторов. Многолетний проект Super-GM стартовал в 1987-м году и финансировался NEDO, Министерством внешней торговли и промышленности (MITI) и крупными японскими фирмами (Hitachi, Mitsubishi, Toshiba). Над проектом работал коллектив из 250 человек, а объём финансирования превысил 250 млн. долл. В 2000г. проект увенчался созданием НТСП генератора с рекордной выходной мощностью в 70 МВт (рис. 3), который испытывали в непрерывном режиме в течении 1500 часов (что также является рекордом).

Успех Super-GM вдохновил японцев на разработку НТСП генераторов мощностью 200 МВт и более. По оценкам менеджеров проекта, только в Японии объём продаж таких генераторов может составить 440 млн. долл. ежегодно (20-30 генераторов на 200-600 МВт и 2 генератора по 1 ГВт). Основным преимуществом новых машин считают их стабильность и эффективность при работе в сети, например, максимальная пропускная способность системы возрастает на 30%, КПД возрастает на 0.5-1%, при этом размеры и вес уменьшаются в два раза.

Показанная на рис. 3 структура Nb-Ti-кабеля была разработана для решения одной из самых важных задач в области силовых применений сверхпроводников: снижения потерь на переменном токе. Снижение потерь на переменном токе – важнейший шаг к полностью сверхпроводниковой машине, в кото-рой обмотка не только ротора, но и статора выпол-нена из сверхпроводника. В начале 90-х полностью сверхпроводниковые генераторы малой мощности были продемонстрированы во Франции (18 кВт, GEC ALSTHOM) и в Японии (30 кВт).

Рис. 3. Японский генератор Super-GM мощностью 70 МВт (слева); многожильный Nb-Ti-кабель с пониженными потерями на переменном токе (справа), 1997 год.

Рис. 4. ВТСП генератор на 4 МВт, Siemens+EAS, 2005 г.

Разработки НТСП генераторов создали прочную основу развития ещё более эффективных ВТСП машин. Однако прогресс в этой области критическим образом зависит от наличия ВТСП кабеля с высокими параметрами (см. таблицу).

Первые ВТСП генераторы появились во второй половине 90-х, следуя за развитием технологии проводов на основе BSCCO. Провода первого поколения позволили поднять рабочую температуру с 4 до 20-40 К. К большому сожалению, применение проводов из BSCCO при температурах около 77 К вряд ли возможно из-за быстрого падения критического тока в магнитном поле. Тем не менее, даже такое повышение рабочей температуры позволило существенно снизить опасность перегрева СП провода, так как теплоёмкость ВТСП материала при этих температурах уже существенно выше, чем при температуре жидкого гелия.

Летом 2005-го года в Германии введён в эксплуатацию генератор на ВТСП первого поколения мощностью 4 МВт – результат совместной работы инженеров Siemens и производителей ВТСП провода European Advanced Superconductors GmbH (EAS) (рис. 4) [5]. Менеджеры проекта предполагают использование таких генераторов на морских судах, оборудованных электромоторами.

В 2003 г. General Electric с использованием BSCCO провода (производства American Superconductor) успешно создала прототип ВТСП генератора на 1,5 МВт (рис. 5). В настоящее время General Electric ведёт разработку и изготовление ротора ВТСП ге-нератора мощностью 100 МВт (предполагается, что его можно будет также использовать в уже имеющихся генераторах вместо обычного ротора). Этот проект финансируют Министерство энергетики США и компания General Electric, бюджет на 2002-2006 гг. составляет 26,7 млн. долл. Однако, уже в процессе создания этого обзора стало известно, что выполнение этого проекта досрочно прерывается с марта текущего года [6]. На принятие решения оказали влияние сразу несколько факторов:

- для потребностей рынка лучше подходят генераторы большей мощности (500 МВт);

- провода первого поколения не отвечают многим требованиям, диктуемым высокой мощностью машины (в частности, крайне желательно повышение предельно допустимой деформации с 0.2 до 0.5%);

- стоимость провода и расходы на охлаждение по-прежнему высоки (по словам менеджера проекта Джеймса Фогерти, «пороговая» цена ВТСП провода не должна превышать 15-25 долл./кАм, а рабочая температура быть не ниже 50 К).

Рис. 5. ВТСП генератор мощностью 1,5 МВт, изготовленный с использованием кабеля первого поколения (General Electric, American Superconductor), конструкция ротора, 2003 год.

Так что и в этой области основные надежды разработчиков связаны с ВТСП проводами 2-го поколения. Надо сказать, что ленты на основе YBCO (ВТСП 2-го поколения) с длиной и характеристиками, необходимыми для создания первых прототипов генераторов, появились лишь недавно. Работы по генераторам на ВТСП 2-го поколения ведут компании Long Electromagnetics (с 2004 г., по контракту с ВВС США) и Rockwell в сотрудничестве с IGC SuperPower Inc. (рис. 6). Лидеры в производстве 2G провода обещают скорый прогресс в этой области. SuperPower планирует поставить в 2006 г. 10 км 2G провода в Японию. Эта компания получила в январе 2006 г. 10 млн. контракт от американских военных на развитие 2G-технологии [7]. Их конкуренты American Superconductor уже отгрузили в декабре 2005-го 1 км 2G-ленты первым заказчикам [8] и имеют портфель заказов на 2006 г.

Рис. 6. Обмотки из провода 2-го поколения производства ф. SuperPower (по 6 м провода YBCO в ка-ждой); генератор на 900 Вт, работающий при температуре 81 К (ток в обмотке в магнитном поле – 40 А), 2004 год.

В России разработан проект синхронного ВТСП генератора на 200 МВт на напряжение 220 кВ(ВНИИЭлектромаш). Молодые специалисты ИЭЭ РАН Н.Ю.Вандюк, И.В.Волынкин, С.С.Тимофеев получили престижную премию РАО "ЕЭС" и РАН, называемую "Новая генерация" за работу "Разработка высоковольтного синхронного генератора с использованием высокотемпературной сверхпроводимости". Разработка связана с созданием ветроэнергетической установки, расположенной на платформе в океане. Использование ВТСП и других новых материалов в синхронном генераторе позволяет обеспечить уменьшенные массогабаритные характеристики, повышенную надежность, пониженные потери и экологическую безопасность машины, а значит и ветроэнергетической установки в целом. Разрабатывается сверхпроводниковый синхронный генератор мощностью 500 кВт на напряжение 10,5 кВ. Генератор без промежуточного трансформатора соединяется с полупроводниковым тиристорным преобразователем, выпрямляющим генерируемый ток. Криогенное оборудование (криоохладитель по циклу Гиффорда-Макмагона) занимает место трансформатора в опорной башне ветроустановки, там же расположена преобразовательная установка. В цепь «генератор-преобразователь» могут быть включены накопители энергии (в том числе сверхпроводниковые) и сверхпроводниковые ограничители тока. Энергия передается потребителю по кабелю постоянного тока через выпрямительную и инверторную подстанции. Кабель проложен по дну моря и соединяет морскую платформу с потребителем на берегу. Планируется использование ВТСП соединений Bi-2212, Bi-2223, Y123 для обмоток статора и ротора генератора, электротехнической и аморфной сталей для магнитной системы, электрической изоляции, устойчивой к термоциклированию и криогенным температурам. Ротор и статор машины размещены в едином криостате. Высоковольтная обмотка статора выполнена из катушек седлообразной формы.

Авторы разработки провели комплекс теоретических исследований электромагнитных и тепловых процессов в синхронных машинах с редкоземельными постоянными магнитами и ВТСП массивами:

- исследовали распределение электромагнит-ных полей, создаваемых седлообразными и трековыми обмотками;

- провели исследования на макетах и моделях с целью проверки теоретических положений;

- изготовили модельные синхронные машины дискового типа с редкоземельными постоянными магнитами и ВТСП массивами и стенды для их испытаний;

- провели исследования режимов работы изготовленных модельных устройств.

На основе проведенных работ разработана концепция построения высоковольтного синхронного сверхпроводникового генератора для ветроэнергетической установки, расположенной на морской платформе.

Сегодня для создания СП генераторов остаётся много нерешённых задач. Что касается оптимизации параметров кабеля, то первая и главная проблема - потери на переменном токе, которые снижают эффективность генераторов на больших скоростях вращения (в первую очередь это касается машин для военных) и препятствуют созданию полностью сверхпроводникового генератора. Вторая проблема - увеличение транспортных токов. Авторы [1] считают важным достижение порога 400A/мм2 для инженерного критического тока СП обмотки ротора. И хотя такие результаты уже достигнуты (1,5 МA/см2 для покрытия в 2 мкм на никелевой ленте толщиной 70 мкм), реализация их на лентах большой длины представляет трудную задачу. Третья проблема - стабилизация системы при переходе сверхпроводника в нормальное состояние. И, наконец, стоимость ВТСП провода играет всё более существенную роль. Пока American Superconductor установила отпускную цену на 2G-провод своего производства в 100 долл./кАм [8], при том что для широкого применения генераторов она должна быть примерно в 10 раз меньше (см. таблицу). Ключ к решению проблемы, очевидно, кроется в развитии эффективных, надёжных и недорогих методов получения ВТСП проводов 2-го поколения.

Если верить оптимистичным прогнозам, мы стоим на пороге большого будущего силовых СП машин, в том числе и генераторов переменного тока. Например, глава Intermagnetics General Corporation (IGC) Карл Рознер считает, что эксплуатация СП генераторов высокой мощности (~ 1 ГВт) станет реальностью около 2020 года для НТСП, а в 2030 следует ожидать создания генераторов на ВТСП [9]. Вероятно, американские военные получат такие машины несколько раньше. Экономический анализ, опубликованный американскими авторами в 2002-м году, также предсказывает СП генераторам светлое будущее [10].

С.Самойленков

1. P.N.Barnes, M.D.Sumption, G.L.Rhoads, Cryogenics 2005, 45, 670-686.
2. http://www.electricity.doe.gov/documents/generator.pdf
3. R.D.Blaugher, в «Power Applications of Super-conductivity in Japan and Germany», World Technology Evaluation Center Panel Report, 1997 (http://www.wtec.org/loyola/scpa/toc.htm )
4. I.A.Glebov, V.N.Shaktarin, IEEE Trans. Mag-netics, 1983, 19, 541-544
5. пресс-релиз EAS
6. Superconductor Week, 2006, 20/02.
7. пресс-релиз Superpower
8. пресс-релиз AMSC
9. C.H.Rosner, IEEE Trans. Appl. Supercond., 2001, 11, 39-48
10. T.P.Sheahen, B.W.McConnell, J.W.Mulholland, IEEE Trans. Appl. Supercond., 2002, 12, 1784-1789.