Применение высокотемпературной сверхпроводимости в ветроэнергетике



По своему географическому положению Республика Казахстан находится в ветровом поясе северного полушария и исключительно богата ветровыми ресурсами.

Согласно «Программе развития энергетики до 2030 года» в Республике Казахстан должны быть построены семь ветряных электростанций общей мощностью 520 МВт с годовой выработкой электроэнергии около 1,8–2 млрд кВт/ч. Инвестиции в строительство ветряных электростанций составят порядка 500 млн долларов [1].

Ветроэнергетика — это отрасль энергетики, специализирующаяся на преобразовании кинетической энергии воздушных масс в атмосфере в электрическую энергию. Преобразование осуществляется таким агрегатом, как ветрогенератор. Ветроэнергетика относится к возобновляемым видам энергии, т. к. энергия ветра является следствием деятельности солнца.

Несмотря на то, что Республика Казахстан обеспечена собственными запасами традиционных топливно-энергетических ресурсов, развитие возобновляемых источников энергии является крайне важным стратегическим направлением будущей энергетики.

В условиях высокого потребления энергии в Республике Казахстан и вовлеченности в глобальные процессы динамичного развития возобновляемых источников энергии, сфера ветроэнергетики становится крайне актуальной.

Открытие в конце 1986 года нового класса высокотемпературных сверхпроводящих материалов существенно расширяет возможности практического использования сверхпроводимости для создания новой техники и оказывает революционное воздействие на эффективность отраслей народного хозяйства.

В настоящее время в мировой практике уже нашли широкое применение высокотемпературные сверхпроводящие (ВТСП) кабельные линии, силовые трансформаторы, двигатели и генераторы, индуктивные накопители энергии, различного рода электротехнологическое и медицинское оборудование.

Во всем мире активно развиваются ВТСП генераторы для ветряных электростанций.

Европейские компании Zenergy Power и Converteam (бывшая ALSTOM Power Conversion) заключили соглашение о совместной разработке, производстве и рыночном продвижении ВТСП генераторов мощностью 8 МВт с прямым приводом от ветряной турбины для нужд ветроэнергетики. Генератор был изготовлен ВТСП провода первого поколения. По оценкам Zenergy Power, стоимость ветрогенератора за счет использования ВТСП может быть снижена с 3 до 1,6 млн. долл. Снижение массогабаритных показателей (диаметр ВТСП генератора — 3 м при массе 120 тонн, а диаметр традиционного генератора — 9 м при массе 450 тонн) позволит удешевить 8 МВТ ветроэнергетическую установку в целом с 6,7 до 3,2 млн. долл. [2].

Компании American Superconductor (AMSC) и TECO-Westinghouse Motor Company (TWMC) объявили об объединении усилий в области разработки ВТСП генераторов большой мощности для ветряных электростанций. AMSC и TWMC получили государственное финансирование в рамках NIST’s Advanced Technology Program, что позволило добавить еще 3,4 млн. USD к первоначально потраченным на НИОКР 6,8 млн. USD. Создание ВТСП синхронных генераторов мощностью 10 МВт потребует проведения целого ряда НИР и НИОКР, направленных как на создание новых ВТСП проводов, так и на разработку технологии намотки из них. Работы будут проходить в тесном сотрудничестве с NIST. В AMSC разрабатывает генератор на базе ВТСП проводов второго поколения. Отличительной особенностью синхронных генераторов с прямым приводом является низкая частота вращения (~ 11 оборотов в минуту) при высоком крутящем моменте. Оба генератора рассчитаны на напряжение в 6 кВ.

Ветряная энергетическая установка мощностью 10–12 МВт представляет собой циклопическое сооружение: ротор диаметром ~200 м смонтирован на башне высотой 250 метров. Наличие значительной массы на вершине башни приведет к росту стоимости металлоконструкций и негативно скажется на ветроустойчивости. Следует отметить также, что монтаж генератора массой в несколько сотен тонн на высоте более 200 метров является сложной инженерной задачей. Сравнительно легкие ВТСП генераторы способны значительно упростить и удешевить конструкцию ветроэнергетических установок большой мощности [3].

Компания Kalsi Green Power Systems (Princeton, USA) предлагает конструкцию ветрогенератора со сверхпроводящими ротором и статором (Рис. 1). В конструкции предполагается использовать MgB₂ проводники 2-го поколения, рабочая температура обмоток будет на уровне 15–20 К. Полный вес генератора составит около 50 тонн, что выгодно отличает его от большинства проектов на основе ВТСП, в которых из сверхпроводника выполнен лишь ротор, а статор имеет традиционное исполнение и поэтому весьма массивен [4].

В институте Сверхпроводников и материалов электронной техники австралийского университета Вулонгонга разработан проект ветрогенератора, имеющего на 40 % меньшую массу по сравнению с традиционным исполнением. Отказ от редуктора и использование сверхпроводящих обмоток из диборида магния, позволит не только уменьшить массу, но и сократить стоимость ветроустановки с 15 до 3–5 млн. долларов. Отсутствие массивного и ненадежного редуктора также снизит и эксплуатационные расходы.

Рис. 1. Проект 10 МВт ветрогенератора на основе MgB₂

Одной из причин ограничения использования ветрогенераторов, является необходимость повышения их мощности, для того, чтобы добиться наибольшей его эффективности. Отсюда, следует неизбежное увеличение массогабаритных характеристик и стоимости (Рис. 2). 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.

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 [5] так и высокотемпературные сверхпроводники [6], включая ветрогенератор на основе диборида магния [7].

Рис. 2. Эволюция ветрогенераторов

В 2012 г. компания General Electric [5] представила проект ветрогенератора с прямым приводом мощностью 10 МВт, ротор которого выполнен на основе низкотемпературного сверхпроводника — NbTi. Схема ветрогенератора представлена на рис. 3. 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 Табл. 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. 3. Схема ветрогенератора мощностью 10 МВт (компания General Electric)

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

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.

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

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 Табл. 1. Для его создания потребуется 36 км ВТСП провода.

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. 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 Табл. 1, а его схематическое изображение на рис. 5. Для создания такого ветрогенератора потребуется 42,6 км сверхпроводящего провода на базе MgB₂.

Таким образом, из табл. 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.

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

Таблица 1

Параметры проектируемых ветрогенераторов мощностью 10 МВт

Параметр	General Electric (NbTi)	AMSC (BTCП)	Kalsi (MgB2)
Расчетная мощность, МВт	10	10	10
Частота вращения, об/мин	10	10	10
Рабочее напряжение, В	3300	690	4500
Рабочий ток, А	1750	-	1360
Рабочая температура, К	4	30	15
Масса, т	143	150	52,5
Диаметр генератора, м	4	4,5–5,0	5
Диаметр турбины, м	160	190	-
Стоимость, $	4963000	-	3168000

При сопоставлении веса проектируемых сверхпроводниковых ветрогенераторов 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. 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 объем аналогичного низкотемпературного ветрогенератора. Однако, криогенная система для низкотемпературного ветрогенератора занимает больше места.

Основываясь на приведенном материале можно сделать следующие выводы:

1. По сравнению с традиционными материалами обмоток электрических машин, сверхпроводящие материалы обладают лучшими электрическими, механическими и магнитными характеристиками.
2. В процессе развития технологии производства снижается стоимость сверхпроводящих материалов, они становятся более доступными для индустриального сектора.
3. Ветряные ВТСП генераторы по сравнению с традиционными отличаются существенно меньшими массогабаритными характеристиками, высокой устойчивостью к перегрузкам, а также вдвое меньшими потерями.
4. Ветряные ВТСП генераторы прямого привода будут обладать более высоким КПД при меньших габаритах и стоимости по сравнению с традиционными генераторами.
5. За счет замены медных обмоток ротора на ВТСП и модификации статора, масса генератора может быть сокращена до 120 т, что в три раза меньше чем для обычных генераторов подобного класса.

Литература:

1. Программа развития электроэнергетики до 2030 года. Постановление Правительства Республики Казахстан от 09.04.1999 года N 384. [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://kegoc.kz›up_files/prog_razvitia.doc. — Загл. с экрана.
2. Сверхпроводники для электроэнергетики. Информационный бюллетень. — 2007. — Том 4, выпуск 2. с.6–7.
3. Сверхпроводники для электроэнергетики. Информационный бюллетень. — 2008. — Том 5, выпуск 1. с.6–7.
4. S. S. Kalsi, IEEE Transactions Applied Superconductivity 24, 5201907 (2014).
5. Fair R. et al Superconductivity for large-scale wind turbines Applied Superconductivity Conf. presentation Europe-an Superconductivity News Forum no 22 1–29 (2012).
6. 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).
7. 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).