Синхронный сверхпроводниковый ветрогенератор
Владельцы патента RU 2761864:
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт химии силикатов им. И.В. Гребенщикова Российской академии наук (ИХС РАН) (RU)
Изобретение относится к электротехнике, а именно к новым типам синхронных электрических ветрогенераторов на основе высокотемпературных сверхпроводниковых материалов для ветроэнергетики. Технический результат заключается в снижении потерь в сердечнике ротора за счет уменьшения коэффициента рассеяния полюсов и повышения индукции в зазоре. Синхронный сверхпроводниковый ветрогенератор содержит сверхпроводниковый ротор с массивным сердечником, имеющий криогенно-охлаждаемую катушечную обмотку, и статор, имеющий катушки обмотки статора, магнитно связанные с катушечной обмоткой сверхпроводникового ротора. Ротор выполнен явнополюсным. Каждая катушка ротора помещена в отдельный криостат. Криостаты конструктивно размещены на торцевых поверхностях полюсных наконечников ротора и приближены к расточке статора на величину воздушного зазора ветрогенератора. При установке множества криостатов модульной конструкции уменьшается тепловой поток, поступающий в криостат, увеличивается магнитный поток в воздушном зазоре, что приводит к уменьшению коэффициента рассеяния магнитного потока полюса и повышению индукции в воздушном зазоре. 2 ил.
Изобретение относится к электроэнергетике, а именно к новым типам синхронных электрических ветрогенераторов на основе высокотемпературных сверхпроводниковых материалов.
Из существующего уровня техники известно, что мощная ветроэнергетика прошла большой путь и предлагает для наземного исполнения ветроагрегаты единичной мощностью 4 МВт, а для оффшорного исполнения мощностью 8 МВт. Высокоскоростные (от 1200 до 1800 мин-1) генераторы, оснащенные большими, тяжелыми и ненадежными многоступенчатыми редукторами, вытесняются с рынка ветрогенераторами с одноступенчатым редуктором (1:4) и ветрогенераторами прямого привода с частотой вращения 9-12 мин-1. Однако такие генераторы имеют большую массу и объем, для них возникают проблемы доставки к месту установки и выполнения монтажных и ремонтных работ. Эти проблемы усиливаются по мере увеличения уровня мощности.
Ветровые платформы становятся более экономически привлекательными, если единичная мощность ветроагрегата может быть доведена до 5-20 МВт, однако без применения сверхпроводниковых материалов большая масса ветрогенератора становится ограничивающим фактором. Сверхпроводящая технология может снизить вес мощных генераторов на 50%, тем самым частично решив связанные с весом транспортные, монтажные и конструктивные проблемы.
В настоящее время, исходя из существующего состояния технологии производства и цены сверхпроводников, перспективы на ближайшее внедрение имеет синхронный безредукторный сверхпроводниковый ветрогенератор мощностью 10 МВт топологии «ферромагнитный статор с классической распределенной медной обмоткой - ферромагнитный ротор с обмоткой возбуждения из ВТСП материалов второго поколения (MgB2, Bi-2223 или YBCO)», при диаметре статора 7.0-9.0 м с числом полюсов 32-40.
Традиционные конструкции сверхпроводниковых турбогенераторов с расположением ротора целиком в криогенной зоне, например, патент SU 1445502 «Ротор электрической машины со сверхпроводниковой обмоткой возбуждения»; патент RU 45874 «Ротор криогенного турбогенератора»; патент SU 1304702 «Электрическая машина с криогенным охлаждением»; патент RU 2418352 «Сборка передачи крутящего момента для сверхпроводящих вращающихся машин», мало пригодны для мощных сверхпроводниковых ветрогенераторов из-за проблем транспортировки и установки генератора как единого целого большой массы и объема. Необходимы сверхпроводящие генераторы с прямым приводом и новой топологией, преодолевающей недостатки традиционной.
В патенте US 2016/0380516 предложена модульная конструкции с множеством криостатов, каждый из которых охлаждает только одну полюсную катушку. В патенте рассматриваются различные варианты связи между криостатами с помощью криоканалов, сверхпроводниковых кабелей и проводников. Отдельный криостат для сверхпроводниковой катушки имеет меньшую поверхность охлаждения и, следовательно, меньше утечки тепла, чем при использовании традиционного большого криостата. Использование волновой обмотки статора позволяет генератору продолжать функционировать даже в случае отказа катушки ротора, что является значительным преимуществом, которое невозможно при использовании традиционных сверхпроводниковых генераторов, модульная конструкция решает проблемы, возникающие при транспортировке, установке и ремонте очень больших сверхпроводниковых генераторов. Вместе с тем, основной недостаток при расположении сверхпроводниковой катушки в отдельном криостате заключается в том, что увеличивается расстояние от катушки полюса до поверхности расточки статора, увеличивается коэффициент рассеяния полюсов и уменьшается индукция в зазоре.
В европейском патенте ЕР 2521252 предложен электрический ветрогенератор с прямым приводом со сверхпроводниковыми катушками, расположенными на роторном узле и имеющий систему охлаждения, содержащую компрессор, подводящий канал, линии передачи и холодные головки криокулера для охлаждения сверхпроводниковых катушек. Криостат, расположен на внешней поверхности ярма ротора и содержит множество центральных отверстий, приспособленных для размещения выступающих ферромагнитных полюсов ротора. Недостатком предложенной конструкции расположения катушек возбуждения в воздушном зазоре («air gap winding») является необходимость значительного увеличения величины воздушного зазора генератора, что приведет к увеличению магнитных потоков рассеяния, снижению величины индукции в зазоре и ухудшению технических показателей ветрогенератора.
Известна сверхпроводящая электромагнитная машина по патенту РФ №2298276, содержащая ротор с массивным сердечником, имеющий криогенно-охлаждаемую катушечную обмотку сверхпроводящего ротора; статор, коаксиальный с ротором и имеющий катушки обмотки статора, магнитно связанные с катушечной обмоткой сверхпроводящего ротора, причем катушки обмотки статора расположены вокруг ротора и статор имеет охлаждающие проходы, отходящие наружу от внутренней периферии статора, причем внутренняя периферия отделена от ротора кольцевым зазором ротора, в которой зазор ротора имеет суживающуюся ширину по длине зазора; причем ротор охлаждается криогенной охлаждающей текучей средой, и система вентиляции статора подает охлаждающий газ в кольцевой зазор ротора и проходы статора.
Данное техническое решение, как наиболее близкое к заявленному по техническому существу и достигаемому результату, принято в качестве его прототипа
Основной недостаток прототипа состоит в том, что для синхронного сверхпроводникового ветрогенератора ротор должен быть явнополюсным для возможности установки множества криостатов, заключающих каждый в себе одну сверхпроводниковую катушку, что позволяет уменьшить тепловой поток, поступающий в криостат, увеличить магнитный поток в воздушном зазоре и снизить коэффициент рассеяния полюсов.
Задачей заявляемого изобретения является улучшение технических показателей сверхпроводникового синхронного ветрогенератора за счет снижения потерь в сердечнике ротора за счет уменьшения коэффициента рассеяния полюсов и повышения индукции в зазоре.
Сущность заявленного технического решения выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточной для решения указанной заявителем технической проблемы и получения обеспечиваемого изобретением технического результата.
Согласно изобретению синхронный сверхпроводниковый ветрогенератор, содержащий сверхпроводникового ротор с массивным сердечником, имеющий криогенно-охлаждаемую катушечную обмотку и статор, имеющий катушки обмотки статора, магнитно связанные с катушечной обмоткой сверхпроводникового ротора, отличающийся тем, что ротор выполнен явнополюсным, каждая катушка ротора помещена в отдельный криостат, при этом криостаты конструктивно размещены на торцевых поверхностях полюсных наконечников ротора и приближены к расточке статора на величину воздушного зазора ветрогенератора.
Заявленная совокупность существенных признаков обеспечивает достижение технического результата, который заключается в том, что при заявленной установке множества криостатов модульной конструкции уменьшается тепловой поток, поступающий в криостат, увеличивается магнитный поток в воздушном зазоре и снижается коэффициент рассеяния полюсов. В системе криохлаждения заявленного ветрогенератора могут использоваться обычные, достаточно надежные готовые криохладители.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показано известное расположение криостатов относительно полюсного наконечника ротора, на фиг. 2 - предлагаемое расположение криостатов относительно полюсного наконечника ротора.
В заявленное конструкции синхронного сверхпроводникового ветрогенератора модульные криостата, включают в себя сверхпроводниковую обмотку 1, многослойную изоляцию 2, активный охлаждаемый экран 3, вакуумный сосуд 4. Из-за ограниченного пространства, доступного для криостата, вакуумный сосуд 4 и активный охлаждаемый экран 3 криостата имеют прямоугольную форму, наибольшее расстояние от обмотки возбуждения до наружной оболочки вакуумного сосуда составляет 65 мм. Высота полюсного наконечника при полюсном делении 600-750 мм обычно составляет 50-65 мм. Таким образом, сверхпроводниковая обмотка 1 может быть приближена к расточке статора на 65 мм., при этом криостаты могут быть прикреплены к торцевой поверхности полюсного наконечника ротора.
Заявленное расположение криостата позволяет приблизить криостат к расточке статора, закрепив его частично на боковой поверхности полюсного наконечника ротора. В этом случае коэффициент рассеяния полюса уменьшится, индукция в воздушном зазоре возрастет. Кроме того, появится возможность увеличить ширину полюсного сердечника ротора и снизить значение индукции в нем. Коэффициент рассеяния полюса равен
где Фс - поток рассеяния полюса, пропорциональный проводимости потока рассеяния
которая обычно включает три составляющие, которые определены в литературе по расчету синхронных явнополюсных генераторов, см. Абрамов А.И., Иванов-Смоленский А.В. Проектирование гидрогенераторов и синхронных компенсаторов. Изд-во «Высшая школа», 2001. 387 с., или В.В. Домбровский, А.С. Еремеев, Н.П. Иванов, П.М. Ипатов, М.Я. Каплан, Г.Б. Пинский. Проектирование гидрогенераторов. Часть 1. Электромагнитные и тепловые расчеты. М.-Л.: Изд-во «Энергия», 1964 г. 258 с. Расчеты, выполненные для безредукторного сверхпроводникового синхронного генератора мощностью 10 МВт в диапазоне числа пар полюсов 32-49, показывают, что в предложенной конструкции коэффициент рассеяния уменьшается на 3,5-4,0%, а ширина сердечника полюса увеличивается на 12-17%. При численном моделировании магнитного поля безредукторного сверхпроводникового синхронного генератора мощностью 10 МВт с числом пар полюсов 36 для традиционного и предлагаемого размещения криостата со сверхпроводниковой обмоткой возбуждения получены магнитные потоки и индукции, представленные в таблице 1.
Из таблицы 1 видно, что в заявленном варианте предлагаемом размещении криостата коэффициент рассеяния обмотки возбуждения по сравнению с традиционным уменьшается с 1,15 до 1,07, а магнитный поток в воздушном зазоре возрастает на 4,1%, что, по предварительным расчетам, позволит сэкономить до 750 м сверхпроводника.
Предложенная топология улучшает технические показатели сверхпроводникового синхронного электрического генератора, снижает потери в сердечнике ротора при одновременном повышении эксплуатационной надежности генератора. В качестве элементов системы криостатирования могут использоваться микрокриогенные установки, работающие на основе квазицикла Гиффорда и Мак-Магона.
Возможность промышленного применения заявленного технического решения подтверждается известными и описанными в заявке средствами и методами, с помощью которых возможно осуществление изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения.
Синхронный сверхпроводниковый ветрогенератор, содержащий сверхпроводниковый ротор с массивным сердечником, имеющий криогенно-охлаждаемую катушечную обмотку, и статор, имеющий катушки обмотки статора, магнитно связанные с катушечной обмоткой сверхпроводникового ротора, отличающийся тем, что ротор выполнен явнополюсным, каждая катушка ротора помещена в отдельный криостат, при этом криостаты конструктивно размещены на торцевых поверхностях полюсных наконечников ротора и приближены к расточке статора на величину воздушного зазора ветрогенератора.
