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

На повестке дня – СПИНы: НТСП или ВТСП?

2005, Tом 2, выпуск 1
Тематика: Зарубежные фирмы и их разработки

Энергетическая проблема становится все более острой и включает самые разные аспекты: новые источники энергии, резервное хранение энергии, стабильность линий электропередач, обслуживание электроэнергией критических производств, экологические аспекты. Развитые страны инвестируют в разработку новых источников энергии (водород, термоядерные реакторы) и новых энергетических систем все более крупные суммы. Формируется международное партнерство по исследованиям в области водородной энергетики, включающее уже 15 стран [1]. В ближайшие дни должен решиться вопрос о месте строительства самого крупного термоядерного реактора - прообраза термоядерной электростанции, создаваемого по международному проекту ITER. Термоядерная плазма в этом реакторе будет удерживаться гигантскими сверхпроводящими магнитами. Сверхпроводники могут раскрыть свой потенциал и при разработке других, не менее важ-ных для энергетики компонентов энергосистем – линий электропередач, накопителей электроэнергии, токоограничителей, трансформаторов, генераторов.

В США при университете штата Флорида создан Центр перспективных энергетических систем (CAPS - Center for Advanced Power Systems) для проведения исследований в области энергетики и обучения студентов соответствующим специальностям [2]. Центр CAPS возник на основе Национальной лаборатории сильных магнитных полей (National High Magnetic Field Laboratory, NFHML). В настоящее время в

г. Талахасси (шт. Флорида) строятся здания для вы-полнения новой программы по созданию и испытанию сверхпроводящих устройств. Этот комплекс зданий будет иметь офисы, помещения для исследовательской и учебной работы, а также вместительное здание, связанное с подстанцией местной электрической компании.

Значительное место в работе Центра будет отведено прикладной сверхпроводимости - исследование свойств сверхпроводящих материалов, разработка и испытание сверхпроводящих энергетических устройств (сверхпроводящих кабелей, трансформаторов, электрических машин и накопителей электроэнергии). Толчком к развитию сверхпроводящей энергетики послужило создание современных систем микрокриогенных охладителей, которые не используют жидких хладагентов и просты в обслуживании.

Ближайшая цель CAPS – создание и испытание сверхпроводящих индуктивных накопителей энергии (СПИН, анг. - SMES). СПИН емкостью 100 МДж создает компания BWX Technologies, а затем он будет включен в испытательную сеть CAPS. Обмотка СПИНa изготовлена из заключенного в оболочку многожильного сверхпроводящего кабеля на основе сплава NbTi. Компания BWX Technologies занималась разработкой СПИНов в течение последних 8 лет при финансовой поддержке DoE (Министерство энергетики США), привлекая результаты исследований, проводимых в EPRI (Electric Power Research Instititute). СПИН предназначен для создания резервных мощностей и стабилизации условий передачи электроэнергии.

Важно, что в CAPS имеется возможность продемонстрировать работу сверхпроводящего накопителя непосредственно в действующей энергосистеме, повышая ее устойчивость и увеличивая количество передаваемой энергии.

В CAPS в дополнение к уже готовому испытательному стенду планируют построить целую сверхпроводящую подстанцию, где, в частности, будут установлены трансформаторы с обмотками из ВТСП кабелей.

Chubu Electric Power Co. и Toshiba Corp. (обе – Япония) разрабатывают СПИН мощностью 5000 кВт, способный в течении одной секунды поддерживать напряжение в сети в случае его снижения и являющийся крупнейшим в мире [3]. Отличительная особенность этой системы - способность компенсировать снижение напряжения на всех единицах технологического оборудования завода одновременно, что невозможно достичь с помощью обычных источников бесперебойного питания (например, электронных преобразователей с аккумулятором). Время реакции на снижение напряжения составляет 0,5 периода. Собственно магнитная система изготовлена из проводника NbTi резерфордовского типа. Надежность и простота технического обслуживания системы обеспечиваются тем, что и обмотка, и токовводы имеют отдельные рефрижераторы. Испытания, проведенные на заводе компании Sharp Corp., показали соответствие параметров собственно магнитной системы расчетным и ее способность компенсировать быстрое снижение напряжения в сети. Chubu Electric Power Co. и Toshiba Corp. приступили к созданию системы на 10000 кВт.

Табл. 1 Основные параметры СПИНа, разрабатываемого компанией BWX Technologies

Эти же компании (Chubu Electric Power и Toshiba) совместно приступили к оценке возможности и раз-работке ВТСП СПИНа на основе проводников

Bi-2212 (6 многоволоконных композитов, скрученных вокруг никелевого центрального несущего элемента) с запасаемой энергией порядка МДж для компенсации мгновенных снижений напряжения [4]. Разработанный специально для этой системы ВТСП проводник отличается высокими характеристиками в полях от 10 Тл и выше, что позволяет существенно уменьшить размеры магнитной системы, и за счет этого увеличить толщину изоляции. Магнитная система сделана по принципу "галетной" обмотки, в первом варианте, состоящей из 4, а во втором из 11 одиночных обмоток. Нагрузка, на которой СПИН должен предотвращать снижение напряжения – это либо сопротивление 125 кВт, либо двигатель 50 кВт.

Так как проводники Bi-2212 сохраняют сверхпроводящие свойства при более высоких температурах в сравнение с НТСП материалами, то это позволяет увеличить толщину изоляции и использовать вместо традиционных систем охлаждения микрокриогенные охладители (криокулеры).

Табл. 2 Основные параметры обмоток для ВТСП СПИНа (Chubu+Toshiba)

Табл. 3. Основные электрические параметры схемы с модельной обмоткой в качестве ВТСП СПИНа (Chubu+Toshiba)

Результаты испытаний системы с энергией 90 кДж, являющейся прототипом системы 1 МДж, показали соответствие напряжений номинальным значениям, а критический ток также оказался близок к номинальному значению. Испытания проводили в реальной схеме преобразователя с искусственным отключением питания и компенсацией снижения напряжения нагрузки. Все элементы схемы работали нормально. Испытания подтвердили возможность создания полномасштабной ВТСП системы.

Большая группа японских компаний (Kyusyu Electric Power, Chubu Electric Power, Hitachi, Toshiba), ряд университетов и институтов (University of Tokyo, Waseda University, Central Research Institute of Electric Power Industry) и исследовательский центр (International Superconductivity Technology Center) продолжают разработки СПИНов для нужд электроэнергетики а рамках специальной государственной программы [5]. В 1991-98 г.г. эта группа изготовила СПИН из низкотемпературных сверхпроводников мощностью 20 МВт и запасенной энергией 100 кВтч (то есть 360 МДж). В новом проекте создается два варианта конструкции для разных целей: первый предназначен для обеспечения устойчивой работы энергосистемы (его основные заданные параметры – мощность 100 МВт, запасенная энергия 15 кВтч), а второй - для компенсации флуктуаций нагрузки и стабилизации частоты в сети (мощность 100 МВт, запасенная энергия 500 кВтч). Обмотки магнитных систем и того, и другого варианта изготовлены из сверхпроводящего кабеля на основе сплава NbTi известной конструкции CIC (cable-in-conduit) размером 19,2 x 19,2 мм с внутренним каналом для прокачки жидкого гелия. Эта группа разработчиков также изучала возможность создания конструкции ВСТП магнита уменьшенных габаритов и высоким полем с оптимизированной стоимостью. Исследуется многообмоточная магнитная система из трех модулей, содержащих по 4 обмотки, помещенных каждый в отдельный криостат. Для уменьшения полей рассеяния обмотки располагали таким образом, чтобы создаваемые ими магнитные моменты были направлены в противоположные стороны. Для проверки работоспособности конструкции изготовлены и испытаны модельные обмотки. Для первой магнитной системы изготовлена только одна модельная обмотка, а для второй – 4. Полномасштабные системы пока не изготовлены. На испытаниях первой магнитной системы был достигнут максимальный ток 9,6 кА (5,66 Тл), а для второй - 10 кА (4,8 Тл).

Теоретически изучена возможность создания обмоток СПИНа из висмутовых ВТСП проводников (Bi-2212 и Bi-2223) для работы при температурах в пределах от 10 до 50 К. ВТСП проводник Bi-2212 из-за низких критических токов крайне затруднительно использовать при 50 К, однако, при 10 К и, тем более, при 4,2 К он может конкурировать с низкотемпературным сверхпроводником за счет больших величин критических токов при этих температурах. Проводник Bi-2223 вполне работоспособен при 50 К, однако в отличие от Bi-2212, он обладает сложной зависимостью критической плотности тока от ориентации магнитного поля, что определяет сложную конфигурацию обмоток.

В настоящее время эта группа компаний работает над созданием полномасштабных многообмоточных систем СПИНа.

Н.Балашов

  1. http://www.usea.org/DOE%20Hydrogen%20Roadmap.pdf
  2. IEEE Trans.Appl. Superconductivity, 2003, 13, No. 2
  3. http://www.chem.t.u-tokyo.ac.jp/appchem/labs/kitazawa/SUPERCOM/contents-e.html
  4. IEEE Trans.Appl.Supercond. 2004, 14, 770
  5. IEEE Trans.Appl.Supercond. 2004, 14, 693
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.