Накопители энергии в электрических системах - Сверхпроводниковые индуктивные накопители энергии

Сверхпроводниковые индуктивные накопители энергии (рис. 2.12) являются новым перспективным источником пиковой мощности и им уделяется особое внимание.

Рис. 2.12. Принципиальная схема СПИН:
1 — трехфазная сеть; 2 — трансформатор; 3 — преобразователь; 4 — СП-катушка; 5 — рефрижератор; 6 — защита катушки; 7 — управляющий сигнал ЭЭС; 8 —регулятор; 9 —цепи управления преобразователем; 10 — компенсатор реактивной мощности

Отметим, что СПИН уже нашли широкое применение в качестве импульсных источников энергии.
Благодаря успехам в области сверхпроводимости появилась реальная возможность для применения ОПИН в энергосистемах. Интенсивные разработки в этом направлении ведутся в СССР, США, Японии, Франции и других странах.
Развитие технологии аккумулирования энергии в индукционных катушках тесно связано с развитием сверхпроводимости. В 1957 г. были открыты сверхпроводники второго рода. Тогда же началось производство длинной ленты из Nb3Sn и был изготовлен небольшой соленоид, создающий поле с магнитной индукцией 6 Тл. В 1961 г. был изготовлен малый соленоид с магнитной индукцией 5 Тл, обмотка которого сделана из сплава NbZr. В 1963 г. появилась проволока из NbTi, в этом же году было предложено для аккумулирования энергии использовать сверхпроводниковые (СП) индукционные катушки; при этом были рассмотрены ее тороидальная конструкция и некоторые связанные с этим проблемы. В 1965 г. были изготовлены первые катушки энергоемкостью около 1 МДж, имеющие в основном соленоидальную конструкцию. Успешно были испытаны катушки с обмоткой из ленточных проводников. В этот период началось использование СП-катушек в физике высоких энергий. После создания теории стационарной стабилизации были разработаны многожильные СП-провода. В 1967 г. в материалах Комитета по атомной энергии (Франция) было опубликовано описание различных конструкций индукционных катушек импульсного назначения. В 1968 г. были получены тройные сплавы, такие, как Nb3(Al, Ge), с критической температурой выше 20 К. К 1972 г. они были улучшены и имели критические плотности тока до 104 А/см2 при температуре 14 К во внешнем магнитном поле 12 Тл, что явилось крупным вкладом в развитие электромагнитной техники. В этом же году ввели в эксплуатацию первый большой СП-магнит с железным сердечником, созданный для пузырьковой камеры в Аргоннской национальной лаборатории (США), имеющий внутренний диаметр, равный 4,8 м, энергоемкость — около 80 МДж. В 1969 г. в материалах Международного института рефрижерации (Лондон) М. Ферье дал оценку оптимальной конструкции СП индукционных катушек и представил расчеты рабочих потерь для больших СП-катушек энергетического назначения. Одновременно в тех же материалах японскими специалистами Ф. Ириэ и К. Ямафудзи были опубликованы расчеты гистерезисных потерь для СП-катушек с многослойной обмоткой в режимах заряда и разряда. В 1970 г. промышленностью стали производиться многожильные СП-провода с рабочими токами свыше 103 А в полях около 4 Тл. В 1972 г. в ЦЕРН (Швейцария) была успешно испытана самая крупная СП-катушка энергоемкостью около 800 МДж, с внутренним диаметром 4,72 м и магнитной индукцией в центре 3,6 Тл. В лабораториях ЦЕРН началось применение непосредственного охлаждения композитного сверхпроводника за счет циркуляции жидкого гелия при давлении выше критического в расщепленной катушке диаметром 3 м с железным ярмом, создающей в центре поле 1,8 Тл.
Специалисты Брукхэйвенской национальной лаборатории (США) обосновали предположение, что стоимость СП-катушки может быть существенно уменьшена, если использовать теплый бандаж, включающий в качестве силового элемента скальный грунт. Было предложено располагать СП-катушки глубоко под землей. Специалисты Висконсинского университета (США) Р. В. Бум и X. А. Петерсон доказали, что большие СП-катушки более экономичны, чем малые, что СП-катушки со слабым полем столь же приемлемы в качестве накопителей, как и с сильным полем.
В 1973 г. было/получено соединение Nb3Ge, имеющее критическую температуру 23,3 К; обоснованы возможности применения СП-катушек различной энергоемкости*.

*В 1987 г. была открыта высокотемпературная сверхпроводимость.

В Советском Союзе первые экспериментальные исследования СПИН были осуществлены в 1970 г. в Институте высоких температур (ИВТ) АН СССР. В них небольшой СПИН (Эн=104 Дж) обменивался энергией с Московской городской сетью при помощи трехфазного инвертора со средней мощностью 300 кВт.
С 1963—1965 гг. в СССР, США, Франции, Японии, ФРГ в широких масштабах проводятся работы по созданию СПИН для систем энергообеспечения ускорителей, термоядерных установок и пр. Следует выделить систематические исследования СПИН, проводимые в США с 1972 г. Висконсинским университетом и Лос-Аламосской лабораторией, а также японскими учеными, особенно активизировавшиеся с 1974 г.

Рис. 2.13. Эскиз СПИН энергоемкостью кДж:
1 — регулятор; 2 — преобразователь; 3 — аккумулятор на базе СП-катушки; 4 — рефрижератор; 5 — насос; 6, 7 — соответственно резервуары с жидким, газообразным гелием

Основные этапы этих исследований: в 1975 г. изготовление Лос-Аламосской научной лабораторией экспериментальной модели СПИН энергоемкостью 25 Вт-ч (100 кДж) стоимостью 200 тыс. долл, и проведение экспериментальных исследований на ней. Эскиз модели приведен на рис. 2.13;
в 1982 г. ввод в эксплуатацию первого промышленного образца СПИН на 30 МДж, спроектированного Лос-Аламосской научной лабораторией (LASL) (США) для Бонневильской энергетической компании.
Таблица 2.5

 Затянувшиеся сроки ввода в эксплуатацию этого накопителя свидетельствуют о технических трудностях (первоначально предполагалось испытать этот СПИН в конце 1979 — начале 1980 г.); в 1985 г. сооружение в Японии демонстрационного СПИН энергоемкостью 1 МВт-4 (3600 МДж) стоимостью 30 млн. долл, (данные о выпускаемых в Японии СПИН приведены в табл. 2.5);
в ближайшие годы сооружение в США (штат Висконсин) модельного СПИН энергоемкостью 100 МВт-ч ориентировочной стоимостью 60 млн. долл.
По контракту с LASL Министерством энергетики Отдел энергонакопительных систем и Отдел электроэнергетических систем (США) ассигновали 1 050 000 долл, на строительство и ввод в эксплуатацию СПИН энергоемкостью 30 МДж (8,4 кВт-ч) с преобразователем мощностью 10 МВт. Накопитель используется как буферное устройство для стабилизации работы электрической сети, включающей магистральную ЛЭП большой длины (около 1500 км), являющуюся частью Большой тихоокеанской магистрали, связывающей Южную Калифорнию с Северо-Западом.
Остановимся подробнее на параметрах этого первого в мире опытно-промышленного СПИН:

Для поддержания катушки в сверхпроводящем состоянии необходимо использование специальных охлаждающих систем —рефрижераторов. Их тепловая мощность при температуре 4,5 К не превышает 150 Вт. Ресурс работы СП-катушки — не более 107 циклов. СП-провод рассчитан на работу при 90% от критического тока.
Потери в проводе были рассчитаны с учетом изменения поля во времени в течение цикла заряд — разряд. Потери на гистерезис определялись для плотности тока, равной 2,1-109 А/м2 (при 4 Тл). Потери в проводе (Вт): на гистерезис — 39,4, в соединениях — 8,3, на вихревые токи — 8,4, прочие — 2,6; в конструкции: на вихревые токи — 0,2, механические — 50.

В режиме разряда СП-катушки будут уменьшаться: ток — с 5 до 4,17 кА, магнитная индукция — с 3,92 до 3,27 Тл, а механические напряжения — на 17—18%. В среднем сечении СП-катушки максимальное механическое напряжение 280 МПа. В ее конструкционных элементах использован материал на основе эпоксидной смолы, усиленный стекловолокном.
Сверхпроводниковая катушка располагается в цилиндрической емкости в среде жидкого гелия. Гелиевая емкость изготовляется из пластика, усиленного стекловолокном, чтобы устранить нагрев вихревыми токами.
В системе охлаждения СПИН использован рефрижератор модели TCF-50 с двумя компрессорами повышенной надежности, пропускная способность которых регулируется в пределах от 30 до 100%. Рефрижератор снабжен турбодетандерами с газовыми подшипниками.
Производительность установки составляет 15Х 10-3 м3/ч. Нагрузка рефрижераторной установки при температуре 4,5 К определяется суммой следующих потерь, Вт:
Потери при изменении тока в проводе                — 59

Механические потери                                                         — 50
Теплопритоки в дьюаре                                                       — 8
Потери в передающей магистрали                                      — 3
Суммарные потери                                                                  — 120

Сверхпроводниковая катушка соединяется с сетью напряжением 230 кВ через 12-пульсный преобразователь, состоящий из двух тиристорных мостов, и трансформатор мощностью 12,75 МВ-А, первичная обмотка которого соединена в треугольник, а две вторичные — в треугольник и звезду. Она потребляет мощность из сети переменного тока, работая в течение одного полуцикла как нагрузка, в течение следующего полуцикла выдает мощность обратно. Преобразователь, как и катушка, рассчитан на ток 5 кА и мощность 12,5 МВт; в его схеме использованы тиристоры, применяемые в сетях постоянного тока.
Хотя в рабочих режимах СП-катушка и ее провод надежно защищены, не исключаются аварийные случаи, требующие быстрого сброса энергии, которая будет рассеиваться на внешнем резисторе сопротивлением 2,0 Ом.

Напряжение на его клеммах равно 10 кВ, время разряда —1,2 с. Цепь аварийного сброса энергии включается в случае чрезмерного испарения хладагента, обусловленного увеличившейся тепловой нагрузкой.
Проведенные расчеты показали, что для СПИН энергоемкостью 30 МДж магнитное поле вне здания, в котором он будет располагаться, равно нескольким гауссам, а на расстоянии 30 м от здания уменьшается до 0,3 Гс. Поэтому зону отчуждения, имеющую ограждение на расстоянии 30 м от данного объекта, считают достаточной. Включение СПИН энергоемкостью 30 МДж в одну из энергосистем США явилось первым опытом использования накопителя малой энергоемкости для нужд энергетики.
По результатам расчетов специалистов Висконсинского университета в США, капиталовложения на СПИН с энергоемкостью 5000 МВт-ч могут быть снижены до 60—100 долл/кВт при КПД всего устройства свыше 95%.
Рассмотрим подробнее основные аспекты разработки энергетических СПИН. Основными величинами, характеризующими катушки СПИН, в общем случае являются: произведение тока I СП-катушки на длину провода I ее обмотки; площадь геометрической поверхности СП-катушки S; общее усилие F, передаваемое от «холодной» части силовой конструкции к «теплой» части.
В расчетах проводов для СП-катушек при определении массы стабилизирующего материала важным параметром является масса проводника

где р — плотность материала проводника; j — плотность тока проводника.
Так как плотность тока определяется конструкцией проводника и не зависит от формы катушки или запасаемой энергии, то количество стабилизирующего материала пропорционально произведению Il, а оно в большинстве случаев почти пропорционально площади поверхности 5, однако при рассмотрении вопросов конструкции стенок дьюаров, выемки грунта, расчетах теплопритоков через теплоизоляцию чаще всего используется величина S.
В конструкциях СП-катушек, использующих в качестве силового элемента бандажа скальный грунт, имеется постоянная механическая, а значит, и тепловая связь «холодного» проводника с «теплым» грунтом. Для компенсации притоков теплоты через упоровые элементы система охлаждения затрачивает мощность Р пропорциональную сумме всех механических усилий F, передаваемых от катушки грунту.
Ориентировочные значения некоторых параметров катушек СПИН при магнитной индукции, равной 6 Тл, рабочей температуре 1,8 К, рабочем токе 157 кА приведены в табл. 2.6.
Таблица 2.6

Работа индуктивных накопителей сопровождается большими сжимающими осевыми и распирающими радиальными механическими усилиями, которые возникают в катушках под действием электромагнитного поля. Поэтому особые требования предъявляются к надежности силовой конструкции (бандажа), противодействующей этим усилиям.
Бандаж, располагающийся в зоне криогенных температур, называется «холодным» и требует большого количества нержавеющей стали, не теряющей упругости при таких температурах. На рис. 2.14 показано поперечное сечение СП-обмотки накопителя в «холодном» бандаже. Если применяется бандаж, располагающийся вне зоны криогенных температур («теплый» бандаж), то возникающие механические усилия передаются ему через специальные упоровые элементы, обладающие высокой прочностью и обеспечивающие минимум теплопритоков. Теплый бандаж позволяет использовать менее дорогие материалы, в частности недорогие марки сталей, но проигрывает в прочности и требует больших затрат на теплоизоляцию. Применение «теплого» бандажа обойдется в 3—4 раза дешевле холодного в случае, если для компенсации возникающих в катушке усилий использовать скальный грунт, разместив ее в подземной выработке. Считается, что для крупных СПИН использование грунта неизбежно. «Теплые» бандажи выгодно применять для СП-катушек с запасаемой энергией 103 МВт-ч и более. У таких катушек отношение площади поверхности к объему должно быть мало, так как стоимость охлаждения пропорциональна площади поверхности, а стоимость силовой конструкции — величине объема.

Рис. 2.14. Поперечное сечение СП-обмотки накопителя в «холодном» бандаже

Экономические расчеты СПИН, как правило, учитывают такой фактор, как снижение стоимости катушки и ее бандажа, обусловленное постепенным удешевлением сверхпроводниковых материалов, а также ростом технологического уровня. Соотношение затрат при постройке СПИН энергоемкостью 104 МВт-ч (Висконсинский проект) следующее:

Обмотка СП-катушки      —45%
Подготовка грунтов и силовая конструкция —30%
Сборка на месте установки               — 12%
Преобразователь                             —8%
Система охлаждения                        —5%
Таким образом, видно, что удешевление обмотки и бандажа дает существенное удешевление всей накопительной системы.
Согласно проектам, в общем случае СП-катушки накопителей энергоемкостью 1000—10 000 МВт-ч представляют собой однослойный соленоид, намотанный композитным СП-проводом с алюминиевой стабилизацией. Катушка охлаждается жидким гелием при температуре 1,8 К. Провод имеет круглое сечение и гофрирование с радиусом искривления около 1 м. Катушки таких накопителей рассчитаны на токи 105—3-105 А при магнитной индукции 2—5 Тл и располагаются в подземных выработках радиусом 100—250 м, высотой 30—75 м. Выработка содержит два или четыре гелиевых дьюара, в которых размещают секции СП-катушки. Провода и стенки дьюаров гофрируются для создания локальных искривлений, уменьшающих радиальные распирающие усилия. Отсутствие гофрирования потребовало бы более сложной и дорогой силовой конструкции.

Рис. 2.16. Конструкция А- образного упора. «Теплый» бандаж:

Рис. 2.15. Разрез композитного Ni3Ti провода для АЭ СПИН: 1 — вакуумная оболочка; 2 — грунт; 3 — упор; 4 — стенка дьюара;  5 — резервуар с жидким гелием; 6 — СП-обмотка
1 — алюминиевая оболочка; 2 — алюминиевая перегородка; 3 — СП-нити; 4 — высокочистый алюминий для стабилизации

Рис. 2.17. Распределение механических усилий в обмотках Висконсинского проекта СПИН
На рис. 2.15, 2.16 и 2.17 показаны соответственно разрез композитного СП-провода; конструкция А-образного упора, предназначенного для передачи усилия от катушки к бандажу; распределение механических усилий в обмотках Висконсинского проекта СПИН. В связи с открытием высокотемпературной сверхпроводимости именно, эти элементы, а также вопросы, связанные с охлаждением, претерпят, по-видимому, наибольшие изменения.
Проект СПИН энергоемкостью 104 МВт-ч предполагает строительство сооружения стоимостью 300 млн. долл. (рис. 2.18). Радиусы верхнего и нижнего соленоидов равны 160 м, их высота—16 м, радиус среднего соленоида— 146 м, высота — 32 м; суммарное число витков обмотки — 2675. Предполагается использование на основе NbTi проводника сечением 2X15 см, стабилизированного алюминием. Он состоит из 6240 СП-нитей диаметром 0,01 см. Обмотки соленоидов располагаются в дьюарах со сверхтекучим гелием.
Охлаждение производится до температуры 1,8 К. Рабочий ток катушки равен 157 кА, магнитная индукция — 5 Тл.

Рис. 2.18. Висконсинский проект СПИН энергоемкостью 104 МВт-ч:
1 — шахты; 2 — криостаты; 3 — рефрижератор; 4 — преобразователь; 5 — защитный магнит; 6 — грунт; 7 — обмотки
Рабочей группой Лос-Аламосской научной лаборатории разработан проект СПИН, запасающего 1,3Х104 МВт-ч энергии и предназначенного для суточного цикла регулирования (рис. 2.19). Параметры данного накопителя:

Сверхпроводниковый индуктивный накопитель энергоемкостью 1,3· 104 МВт-ч при суточном цикле регулирования имеет КПД, равный 89%, рабочую температуру — 1,8 К, провод с ρ=1·10-10 Ом-м при 5 Тл, со стабилизирующей матрицей из алюминия.

Рис. 2.19. Лос-Аламосский проект СПИН энергоемкостью 104 МВт-ч

Ниже приведена его смета затрат (млн. долл.):

Удельная стоимость одного киловатт-часа равна 32,0 долл.
При разработке проекта было рассмотрено несколько типов катушек. Выяснилось, что наиболее экономичной будет катушка СПИН, имеющая соленоидальную конструкцию и отношение высоты к диаметру 1:3. Максимальное значение магнитной индукции 4—5 Тл.
В СССР также разработан проект СПИН для выравнивания графиков нагрузки ЭЭС, имеющий следующие параметры:
Запасаемая энергия               — 1000 (3,6· 1012) МВт-ч (Дж)
Установленная мощность       — 500 МВт
Длительность режима заряда (раз- —2 ч ряда)
Диаметр сверхпроводящей магнитной — 890 м системы

Основные преимущества СПИН перед другими системами:

1. Высокий КПД (до 95—98%) схем преобразования.
2. Компактность, связанная с высокой плотностью запасаемой энергии (до 108 Дж/м3). Удельная энергоемкость увеличивается с ростом абсолютного значения запасаемой энергии, что определяет снижение удельных затрат при увеличении масштаба системы.
3. Отсутствие физических ограничений на значение мощности СПИН, поскольку энергия запасается в них в электромагнитной форме.
4. Широкий диапазон изменения времени рабочего цикла (от 108 до 10_3 с) и высокое быстродействие [переключение режимов заряда — разряда энергии может быть осуществлено за 0,01 с (1/2 периода тока промышленной частоты)]. Исключительно «тонкое» реагирование на изменение графика нагрузки.
5. Незначительное экологическое влияние, упрощающее проблему выбора места расположения.

Перечисленные выше преимущества СПИН позволяют рассматривать его не только в качестве перспективного источника покрытия пиковых суточных нагрузок (с функциями, аналогичными ГАЭС, которые используются в настоящее время), но и как регулирующий элемент, обеспечивающий динамическую и статическую устойчивость ЭЭС, постоянство частоты, увеличение пропускной способности ЛЭП и т. д.
Крупные СПИН кроме перечисленных обладают следующими преимуществами:

1. Могут быть объектами стратегического резервирования электроэнергии благодаря использованию сверхпроводимости.
2. Могут выполнять функции крупных подземных хранилищ жидкого и газообразного гелия.

Таким образом, СПИН является перспективным типом НЭ, пригодным для комплексного использования в ЭЭС.