Макет курчатовского накопителя
2005, Tом 2, выпуск 1
Тематика: Российские разработки
В свое время Курчатовский институт изготовил макет сверхпроводящего индуктивного накопителя для корейской компании KEPCO (Kansai Electric Power Co.). Мы обратились к руководителю этого проекта проф. В.Е. Кейлину с просьбой прокомментировать разработку.
Теперь кажется, что это было давно, в начале 90-х годов. Корейская энергетическая компания KEPCO обратилась к нам через посредников c просьбой изготовить модель сверхпроводящего индуктивного накопителя своеобразной конфигурации, а именно, нужно было сделать два одинаковых накопителя и преобразователь, который бы позволял перекачи-вать энергию из одного накопителя в другой. Вся запасенная в одном накопителе энергия должна была перекачиваться в другой за 2 сек., и так многократно «туда-сюда». При этом один накопитель выступал как собственно накопитель, а второй – как индуктивная нагрузка, а в обратном цикле они обменивались функциями. Обычно говоря о сверхпроводящих накопителях, имеют в виду в основном сверхпроводящие катушки индуктивности, забывая о том, что нужен довольно сложный и хитроумный преобразователь, который как раз и передает накопленную энергию накопителя в электрическую сеть с самой разной нагрузкой. Чисто индуктивная нагрузка – это самый сложный вариант нагрузки. И вот именно этот вариант нам предлагалось реализовать для корейской фирмы – модель «чисто индуктивный накопитель + второй накопитель, как чисто индуктивная нагрузка».
Такой вариант предъявлял жесткие требования именно к преобразователю. По заданию запасенная энергия в накопителя должна быть относительно малой, всего лишь 0,5 МДж, но она должна была передаваться из одной индуктивности в другую за 2 сек., и затем обратно. Были также сформулированы ограничения на электрические потери. Но все же самым трудным и неспецифическим для нас был именно этот преобразователь. И поэтому, несмотря на заманчивое для тех лет финансирование с корейской стороны, мы, тем не менее, колебались, браться ли за эту задачу.
Мы посетили несколько специализированных институтов, исследуя возможность заказа преобразователя у них. На словах они были готовы взяться за эту задачу. Однако увиденное нами заставило сработать инстинкт самосохранения. В конце концов, мы обратились за помощью к специалистам Института ядерного синтеза нашего многопрофильного Курчатовского центра, которые с успехом справились с этой задачей, разработав и изготовив достаточно сложный преобразователь, возможно, во многом определивший успех всего проекта.
В реальной сети, как правило, мы имеем дело с гибридной нагрузкой (резистивная + индуктивная). Но, наиболее трудный случай, это, как я уже говорил, перекачка энергии из индуктивной в индуктивную нагрузку. Решив эту задачу более 10 лет назад, мы уверены, что с другими видами нагрузки мы теперь, не то чтобы запросто, но точно справимся. Это уже вопрос не принципиальный. Конечно, накопитель для реальной сети – это другая задача, в которой нужны значительно большие энергии, большие напряжения, чем в нашем макете, но схемные решения вряд ли будут более сложными.
Рис. 1. Схема макета сверхпроводящего индуктивного накопителя
Что касается самого накопителя, то главное, к чему мы стремились, это найти простые решения, которые приводили бы к малым потерям при относительно быстрых изменениях магнитного поля (в данном случае 2 Тл/сек) и к достаточно экономичной установке, потому что, как мы знали, у нашего заказчика есть проблемы с жидким гелием.
Мы придерживаемся правила, что заказчик – это король, и потому при разработке старались не отходить от заданных заказчиком параметров. Не с первого раза, но были сделаны две сверхпроводящих катушки с запасенной энергией, заметно превышающей требуемые 0,5 МДж. При большем токе
(2 кА) запасенная энергия достигала 1 МДж. Нам был задан ток 1,5 кА, и при этом токе запасенная энергия составляла как раз 0,5 МДж.
Для накопительной катушки использовали NbTi проводники. В жестких условиях начала 90-х годов в связи с прекращением производства сверхпроводников на Ульбинском металлургическом заводе (отошедшем к Казахстану) мы пришли к естественному решению использовать для токонесущих элементов провода, ранее наработанные для магнитов Ускори-тельно-накопительного комплекса, проектировавшегося в Институте физики высоких энергий (Протвино). Из доступных нам проводов они были наиболее подходящими для наших целей по числу и диаметру волокон, по току и т.д. Начались поиски относительно просто реализуемой в наших условиях конструкции токонесущих элементов с малыми потерями. Перепробовав несколько вариантов, мы остановились на варианте, напоминающем резерфордовский кабель, используемый обычно для ускорительных магнитов, правда, с весьма существенными изменениями.
В окончательной версии токонесущий элемент представлял собой сердечник из не очень чистой (для уменьшения вихревых потерь) меди (отношение удельного сопротивления при комнатной температуре к остаточному порядка 20). На круглый медный сердечник навивали NbTi провода, причем для уменьшения кооперативных потерь и для увеличения механической жесткости их навивали вперемежку (через один) с проводами из нержавеющей стали. Затем скрутка формировалась до прямоугольного сечения. Изготовление таких элементов взял на себя ВНИИКП (В.Сытников) и, как всегда, оказавшись на высоте, изготовил для нас несколько вариантов таких элементов. Такая конструкция токонесущего элемента оказалась очень удачной находкой и, если в будущем нам придется заниматься подобными делами, то, я думаю, что основа, от которой отталкиваться для изготовления токонесущего элемента, у нас уже есть. Забегая вперед, скажу, что на испытаниях и у нас, и в Корее условия не позволяли точно измерять электрические потери, но, по оценкам, заметных кооперативных потерь не было. Суммарные потери в этом токонесущем элементе с 20% точностью соответствовали потерям в одиночных проводах
Была также решена не очень простая проблема одновременного хорошего охлаждения проводников и хорошей электрической изоляции между витками и слоями. Были специально разработаны стеклопла-стиковые ткани, проницаемые для жидкого гелия и в то же время обеспечивающие надежную электрическую изоляцию.
Каждый накопитель был сделан в виде одиночной катушки диаметром около полуметра и помещен в металлический криостат, в стенках которого потери также были сведены до минимума. Было изготовлено два «интеллигентных» и в то же время очень прочных криостата, которые успешно работали и у нас, и в Корее.
Все элементы накопителя были разработаны и изготовлены в Курчатовском институте.
Рис. 2. Результат испытаний - обмен энергией между сверхпроводящими катушками за 2 сек.
После испытаний накопитель был отправлен в Ко-рею, где мы участвовали в проведении испытаний, сами подвергаясь испытаниям жаркой погодой (ко-нец июня – начало июля) в городе Чангвонг (на юге Кореи). Испытания проводили в Корейском элек-тротехническом институте, в лаборатории, зани-мавшейся сверхпроводимостью. Для заказчиков это была новая работа, в области сверхпроводящих устройств они были тогда еще совсем «зеленые». Работа с этим накопителем стала для них хорошей школой, так что мы им еще дали, надеюсь, основа-тельное образование. Я даже думаю, что вся эта работа была затеяна корейцами в немалой степени с тренировочно-учебными целями. Я должен сказать, что они этим воспользовались в полной мере, судя по успешным публикациям сотрудников этого ко-рейского института, выходящим из года в год. Вид-но, что, в частности, и благодаря сотрудничеству с нами, корейские ученые заметно выросли, делают крупные амбициозные проекты по использованию сверхпроводимости в электроэнергетике.
Есть ли у них сейчас проекты накопителя, близкого к промышленному?
Не очень слежу за литературой, но думаю, что есть.
Как Вы относитесь к перспективе ВТСП
накопителя?
Если говорить о перспективах ВТСП 1-го поколения, то сделать из них накопитель при температурах, близким к азотным, абсолютно нереально, потому что они не могут работать в высоких магнитных полях. Если говорить о 2-ом поколении ВТСП проводов, то необходимы основательные технико-экономические оценки, учитывающие стоимость материалов. НТСП относительно недороги, широко доступны и потенциал НТСП далеко не исчерпан.
ВТСП накопитель пока, к сожалению, не просматривается. А что касается НТСП, то можно говорить о возможности реализовать их с самыми разными запасенными энергиями для различных применений. Но, как мне кажется, для случая очень больших энергий встает вопрос о транспортабельности. Вряд ли можно делать накопитель на месте его будущей установки.
Я видел один из самых крупных - 100 МДж накопитель (диаметром метра 3), и его судьба, на мой взгляд, довольно печальна. Прошлой осенью он стоял в CAPS (Center of Advanced Power Systems), в шт. Флорида в недоделанном виде. Он слишком велик и дорогостоящ, чтобы на нем отрабатывать какие-либо технические решения, связанные с магнитной или преобразовательной технологией, и в тоже время не имеет конкретного применения. Тогда он стоял без криостата и покрывался пылью. Мне кажется, что нашим энергетикам при выборе этапов развития накопителей нужно как следует подумать. Накопитель небольшого масштаба можно было бы использовать для отработки тех же магнитов, преобразователей. Большой накопитель нужно делать для конкретных задач, которые оправдывали бы соответствующие немалые затраты.
Насколько перспективны передвижные накопители, например, для установки их в удаленных мало-доступных районах для задач уничтожения накопленных токсичных материалов?
Я слышал о таких идеях, но они мне представляются мало перспективными. Накопитель при относительно малой запасенной энергии в короткие времена может очень быстро передавать большие мощности. Именно в этом его главное достоинство. А по плотности запасаемой энергии он не сравним, например, с аккумуляторной батареей или тем более с установками типа “дизель-генератор”. Здесь накопитель им уступает. Совсем другой случай, когда, например, на атомной электростанции в качестве аварийного источника энергии стоит “дизель-генератор”. При перебое с электроэнергией для его запуска, я думаю, потребуются десятки секунд, что катастрофично. Так вот на эти времена как раз и нужен накопитель, который включается практически мгновенно. Интересно также применение сверхпроводящих накопителей на электровозах для рекуперации энергии (выдача ее при подъеме и накопление при спуске). Использовать накопитель разумных размеров и стоимости для долговременной выдачи энергии реально, но вряд ли целесообразно экономически.