Entwicklung von supraleitenden Generatoren hoher Leistung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Mit der rasanten Entwicklung der Hochtemperatur-Supraleiter (HTS) der zweiten Generation und der zunehmenden Verfügbarkeit dieses Materials durch verschiedene Hersteller aus aller Welt ist der Einsatz in energietechnischen Anwendungen immer mehr in den Fokus gerückt. Die hohe Stromtragfähigkeit und die nicht vorhandenen elektrischen Verluste im Gleichstrombetrieb ermöglichen energietechnische Betriebsgeräte mit höheren Leistungsdichten und besseren Wirkungsgraden im Vergleich zu konventionellen Geräten. In Bezug auf Niedertemperatur-Supraleiter erlauben die HTS Bänder der zweiten Generation zudem eine wirtschaftlichere Betriebstemperatur, die weit über der Temperatur von flüssigem Helium liegt. Aufgrund des kontinuierlichen Anstiegs der weltweit installierten Windkraftleistung besteht eine treibende Nachfrage nach Windturbinengeneratoren mit höherer Leistung und Zuverlässigkeit bei gleichzeitiger Reduzierung der Kosten und des Volumen-Gewichts- Verhältnisses solcher Maschinen. Die Weiterentwicklung zu höheren Leistungen, insbesondere im Offshore-Bereich, bedeutet eine Reduzierung der Stromgestehungskosten und damit eine wirtschaftlichere Erzeugung von Windenergie. Während moderne Windturbinen mit Getriebe- und Direktantrieb nur schwer zu skalieren sind, können supraleitende Maschinen eine Leistung von über 10 MW erreichen und dabei die Abmessungen des gesamten Windturbinensystems klein halten. Im Rahmen dieses Projektes werden mögliche supraleitende Generatortopologien für den Einsatz in 10 MW Windkraftgeneratoren evaluiert und eine detaillierte Betrachtung des neuartigen Doppel-Stator-Fluss-Modulation Generators (DSFMG) und des elektrisch erregten Synchrongenerators (EESG) werden vorgenommen. Als Ergebnis wird ein umfassendes 10 MW Model des DSFMG erarbeitet. Die beiden Generatormodelle werden darüber hinaus auf ihr Verhalten bei einem durch einen netzseitigen Fehler verursachten Kurzschlussstrom untersucht. Es zeigt sich, dass durch die besondere Bauform des DSFMG die auftretenden Kurzschlussströme und die dabei auftretenden Drehmomentspitzen deutlich reduziert werden können. Weiterhin werden HTS Bänder der zweiten Generation und erstmalig ferromagnetische Materialien unter kryogenen Bedingungen getestet. Darüber hinaus werden eine Reihe von supraleitenden Spulen entworfen und konstruiert, die besser als erste Demonstrationsspulen die Anforderungen von Spulen in realen Generatoranwendungen hinsichtlich Bauform und Größe erfüllen. Dabei wird eine neuartige Wickelmethode angewendet, die vollständig auf eine elektrische Isolation zwischen den einzelnen Spulenwindungen verzichtet und es somit ermöglicht äußerst robuste supraleitende Spulen zu erhalten. Die Spulen werden erfolgreich auf ihre supraleitenden Eigenschaften getestet. Außerdem, werden die Spulen sowohl messtechnisch als auch mithilfe eines eigens entwickelten Simulationsmodels hinsichtlich ihrer verbesserten Stabilität als auch des durch die neuartige Wickelmethode veränderten dynamischen Verhaltens untersucht.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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”Design of a Superconducting DC Demonstrator for Wind Generators,” in IEEE Transactions on Energy Conversion, vol. 33, 2018
Y. Liu, et al.
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“A Novel Dual-Stator HTS Linear Vernier Generator for Direct Drive Marine Wave Energy Conversion,” in IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol. 29, no. 5, 2019
Y. Zhou, et al.
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“A Novel HTS Wind Generator Having Permanent Magnets Between the Rotor Pole-Tips,” in IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol. 29, no. 5, 2019
Y. Cheng, et al.
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“Comparison of 2D simulation models to estimate the critical current of a coated superconducting coil”, in Supercond. Sci. Technol. 32, 2019
Y. Liu, et al.
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“A Novel Modular Stator Fractional Pole-Pair Permanent Magnet Vernier Machine with Low Torque Ripple for Servo Applications,” in IEEE Transactions on Magnetics, 2020
R. Li, et al.
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“Design and Optimization of an HTS Claw-Pole Machine,” in IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol. 30, no. 4, 2020
Y. Zhang, et al.
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“Development of no-insulation racetrack coils wound with second generation high temperature superconductor tapes for a stator system for wind generators”, in IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol. 30, 2020
F. Schreiner et al.
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„Comparison of Electromagnetic Performance of 10-MW HTS Double-Stator Flux Modulation Generators With Different Topologies”, in IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol. 30, 2020
Y. Cheng et al.
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„Fluorescent thermal imaging of a quench in insulated and non-insulatedREBCO-wound pancake coils following a heater pulse at 77 K”, in Supercond. Sci. Technol. 33, 2020
R. Gyuráki et al.
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“Study of contact resistivity of a no-insulation superconducting coil”, in Supercond. Sci. Technol. 34, 2021
Y. Liu, et al.
