НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ОТЧЕТ Лаборатория "Сверхпроводящие энергетические системы" Код (шифр) научной темы «FSWU-2022-0013» по теме: ПРОЕКТИРОВАНИЕ И РЕАЛИЗАЦИЯ УСТРОЙСТВ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА (заключительный, этап 3)

Отчет 230 с., 1 ч., 122 рис., 5 табл., 83 источника, 3 прил. ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ СВЕРХПРОВОДНИК, СВЕРХПРОВОДЯЩИЕ КОМПОЗИТЫ, КРИТИЧЕСКИЙ ТОК, НАМАГНИЧЕННОСТЬ, ПИННИНГ, ИНДУКТИВНЫЙ НАКОПИТЕЛЬ ЭНЕРГИИ, КИНЕТИЧЕСКИЙ НАКОПИТЕЛЬ ЭНЕРГИИ, СВЕРХПРОВОДНИКОВЫЙ ГЕНЕРАТОР, МАГНИТНАЯ МУФТА, ИМПУЛЬСЫ ТОКА, ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ В ходе реализации третьего этапа проекта были проведены работы по проектированию и реализации устройств энергетического комплекса, включающего два типа сверхпроводниковых накопителей энергии (кинетический и индуктивный), а также генератора на основе сверхпроводящих композитных лент. Работы данного этапа можно разделить на несколько групп: разработка комплексных моделей устройств, разработка концептуальных проектов устройств, разработка и реализация электронных систем и элементов управления устройствами комплекса. Первая группа работ включала в себя работы по расширению моделей для элементов энергетических установок для решения задачи проектирования устройств. В рамках выполнения данного этапа были разработаны численные модели на основе метода конечных элементов в программном пакете COMSOL Multiphysics и выполнены расчеты магнитных, электродинамических и тепловых характеристик для двух конфигураций сверхпроводящего генератора – радиальной и аксиальной. Получены зависимости индуцированного напряжения на ВТСП обмотках от времени при различных частотах вращения ротора генератора. Были рассчитаны, как плотности мощностей потерь в сверхпроводящих обмотках, так и интегральные потери во всей сверхпроводящей системе статора. Разработанные численные модели, основанные на термо-связанной A-V формулировке нестационарных уравнений Максвелла, демонстрируют высокий потенциал для проектирования и анализа свойств сверхпроводящих генераторов. Представленные подходы позволяют учитывать сложные электромагнитные, тепловые и динамические процессы в системе ВТСП генераторов различных конфигураций, что делает их применение незаменимым инструментом для оптимизации конструкции генераторов, снижения потерь и повышения их энергоэффективности. В результате анализа данных было показано, что аксиальная конструкция ВТСП генератора для реализации устройства небольшого размера будет иметь меньшие потери. В то же время радиальные конструкции генераторов обладают большей компактностью, в них проще организовать систему охлаждения сверхпроводника, и сама конструкция оказывается более пригодной для масштабирования. Выполнена разработка модели и проведены расчеты сверхпроводящего кинетического накопителя энергии (КНЭ). Получены численные модели КНЭ на основе комбинированной A-T-H формулировки нестационарных уравнений Максвелла и результаты численного анализа магнитных, тепловых и механических характеристик устройства. Разработанные на предыдущем этапе исследований численные модели роторных систем были значительно усовершенствованы путем дополнительной адаптации конечно-элементной сетки, интеграции механики твердых тел, а также расширения функционала модулей термодинамического анализа. В рамках численного моделирования ротор кинетического накопителя энергии включает вал с маховиком и ВТСП обмотками, а статор – сборки постоянных магнитов. Согласно результатам моделирования для реализации кинетического накопителя энергии малого масштаба рекомендуется использование сборок кольцевых постоянных магнитов в комбинации с магнитопроводом. При этом с учетом необходимости практической реализации системы охлаждения блока опорного подшипника, низкий прирост левитационных сил (~8% для вертикальной силы левитации и ~3% для радиальной левитационной силы) в системе делает неэффективным использование опорного подшипника (ОП) при разработке лабораторного прототипа КНЭ, но может оказаться релевантным при создании крупномасштабного устройства. Для увеличения энергоемкости накопителя возможно применение сверхпроводящих обмоток в конструкции статора, что позволяет достичь величины накопленной энергии ~ 680 кДж в базовой геометрии устройства при температуре кипения жидкого гелия (4,2 К). Однако ввиду высокой энергоэффективности, простоты и надежности систем на основе постоянных магнитов, способ реализации КНЭ на основе кольцевых ПМ является более предпочтительным. Использование сборки Халбаха из секторальных магнитов приводит к лучшим энергетическим (на ~9%) и механическим (на ~19%) характеристикам КНЭ в сравнении со случаем использования сборки Халбаха из кубических ПМ. Это обусловлено лучшими показателями по величине и однородности магнитного поля для секториальных магнитов. Использование же сборок из со- и встречно-ориентированных ПМ приводят к снижению нагрузочной способности накопителя энергии на 41% и 22% соответственно в сравнении со случаем использования сборки Халбаха. Разработанные и усовершенствованные численные модели на основе термо-связанной A-T-H формулировки, представляют собой мощный инструмент для изучения сложных физических процессов в роторных ВТСП системах. Полученные в рамках моделирования результаты подтвердили, что КНЭ на основе ленточных ВТСП композитов способны эффективно работать при высоких нагрузках, сохраняя минимальные потери энергии и стабильность работы. Эти результаты создают основу для разработки промышленных систем хранения энергии с использованием современных сверхпроводниковых технологий. В рамках выполнения проекта разработаны численные модели сверхпроводникового индуктивного накопителя энергии (СПИН) на основе комбинированной A-T-H формулировки нестационарных уравнений Максвелла и проведены расчеты сверхпроводящего индуктивного накопителя энергии. Моделирование выполнено для двух видов индуктивных ВТСП накопителей энергии: СПИН на основе ВТСП катушек галетного типа и СПИН на основе катушек из сверхпроводящего CORC кабеля. Установлено, что масштабирование СПИН на основе катушек солитонного типа (панкейков и дабл-панкейков) ограничено количеством ВТСП слоев в обмотках и требует организации сложной системы охлаждения при больших объемах ВТСП материала. В связи с этим их использование рекомендуется для реализации накопителя энергии небольшой емкости, имеющего высокий потенциал для применения в локальных и мобильных энергетических системах благодаря своей компактности, простоте и высокой плотности энергии. Величина запасенной энергии СПИН на основе 20 галетных ВТСП катушек радиуса 15 см с 50 витками в каждой обмотке составила ~30 кДж при температуре 20 К. В то же время энергоемкость СПИН на основе катушки в форме соленоида из CORC кабеля в зависимости от размеров может достигать десятков МДж. При этом система охлаждения может быть реализована как с использованием погружных криостатов, так и с использованием прокачки хладагента через трубку кабеля или комбинацией двух подходов. Модельные расчёты были сосредоточены на выборе оптимальной схемы охлаждения ВТСП кабеля и исследовании потерь в системе соленоида при циклической токовой нагрузке. Проведен анализ влияния геометрии намотки ленты в кабеле на потери в накопителе энергии. Для реализации крупномасштабного СПИН на основе CORC-кабелей рекомендуется использовать полное погружение катушки в жидкий хладагент с целью минимизации потерь, либо оптимизировать скорость прокачки хладагента, увеличив диаметр каналов. Геометрия катушки должна учитывать взаимное влияние витков и обеспечивать эффективный теплоотвод, а скорость изменения тока следует адаптировать к рабочей температуре для снижения тепловыделения и связанных с ним потерь. Вторая часть работ была посвящена разработке концептуальных проектов устройств. Был разработан проект сверхпроводящего генератора энергии. В конструкции генератора были использованы несколько сверхпроводящих элементов. Генератор имеет статор на основе ВТСП-магнитов захваченного потока, ротор на основе ВТСП рейстрек-обмоток, а также включает в себя такие элементы, как ВТСП-подшипники на основе обмоток ВТСП-лент и муфту на основе обмоток ВТСП-лент. В рамках решения задачи были также рассмотрены различные подходы для организации охлаждения ВТСП-генератора. Показано, что эффективными на данный момент являются электрогенераторы с прямым приводом, а использование сверхпроводников вместо постоянных магнитов позволят достигать больших значений магнитного поля, увеличивая крутящий момент при меньших габаритах, что позволяет создавать ветрогенераторы с более высоким КПД при меньших габаритах и стоимости по сравнению с традиционными генераторами. Проведены экспериментальные исследования нагрузочных характеристик сверхпроводящей муфты как элемента генератора. Показано, что сверхпроводящие муфты на основе незамкнутых обмоток ВТСП-лент могут быть эффективно использованы в качестве альтернативы муфтам на постоянных магнитах. Проведено сравнение характеристик 10-ти и 20-ти витковых ВТСП обмоток муфт и исследования влияния температуры на максимальный момент сцепления муфты, которые показали, что с понижением температуры с точки кипения жидкого азота до 40 К можно добиться улучшения сцепления в 2 раза. Магнитные муфты также являются необходимыми и при проектировании кинетического накопителя энергии. В рамках решения задач данного этапа была проведена разработка концептуального проекта КНЭ с использованием сверхпроводниковых подшипников и муфт. Разработана концептуальная модель кинетического накопителя энергии с вертикальной осью вращения. Данная модель может применяться накопления энергии в небольших энергетических сетях и транспортных средствах. Удержание маховика осуществляется двумя сверхпроводящими магнитными подшипниками в вакуумном объёме, что позволяет устранить контактное механическое воздействие, характерное для классического подшипника. Накопление и съём энергии осуществляется за счёт сверхпроводящей магнитной муфты, которая позволяет производить более мягкое сцепление, чем магнитные муфты на постоянных магнитах. Охлаждение подшипников осуществляется газообразным гелием до температуры 65 К, а муфты жидким азотом – до температуры 77,4 К. Принципиально иной является конструкция и подход к проектированию устройства в случае индуктивного накопителя энергии. В данном случае отсутствуют вращающиеся части, что с одной стороны значительно облегчает реализацию конструкции, с другой стороны возникают дополнительные сложности со стабилизацией температуры при организации захолаживания большого объема материала. Для выбора способа охлаждения был проведен анализ существующих решений. Были рассмотрены варианты охлаждения с помощью жидких хладагентов и безжидкостные системы на основе криокулеров. Для реализации проекта была выбрана безжидкостная система. Были проведены исследования энергетических потерь в элементе СПИН, показавшие, что CORC кабель подходит для использования в качестве запасающего элемента СПИН, т.к. имеет высокий КПД во время ввода-вывода энергии и в процессе эксплуатации. На основании данных исследований предыдущих этапов, результатов расчета параметров и размеров соленоида СПИН методом конечных элементов, данных открытых источников по теме конструкций систем охлаждения СПИН был разработан концептуальный проект маломасштабного индуктивного накопителя энергии (менее 1 МДж). В основе накопителя лежит сверхпроводящий соленоид, состоящий из 20 галет с намоткой ВТСП ленты шиирной 4 мм в 50 слоев. Величина запасенной энергии СПИН ~30 кДж при температуре 20 К и примерно 57 кДж при температуре 4К. Полученные результаты исследований и концептуальный проект СПИН могут быть использованы для разработки на их основе прототипа маломасштабного индуктивного накопителя энергии. В третью часть работы входили задачи по анализу электронных систем управления устройствами энергетического комплекса, а также проектировка и реализация специфических электронных систем. Реализованы блоки управления двумя типами накопителей: сверхпроводящим кинетическим накопителем и сверхпроводящим индуктивным накопителем энергии. Каждый блок состоит из модулей, которые предназначены для управления соответствующими элементами накопителей: сверхпроводящая муфта, насосы для системы охлаждения, сверхпроводящий ключ, асинхронный двигатель, термоконтроллеры, источники тока, переключатели, измерители токовых характеристик. Таким образом, была реализована модульная система управления комплексом устройств. Каждый из модулей имеет независимое управление и может быть подключен индивидуально, что упрощает создание, тестирование, а также масштабирование такой системы. Проведен общий анализ работы энергетического комплекса устройств с использованием сверхпроводниковых технологий. КНЭ обладают высокой энергоемкостью, долговечностью и надежностью, но их использование ограничено сложностью конструкции, требовательностью к условиям эксплуатации и ограничениями по скорости зарядки и разрядки. Такие системы лучше всего подходят для стационарных установок, работающих с крупными возобновляемыми источниками энергии или в инфраструктурных проектах, где требуется длительное хранение больших объемов энергии. Комплекс на основе СПИН обладает высокой энергоемкостью, быстрым временем реакции и высокой эффективностью. Ограничения связаны с механическими напряжениями, критическими параметрами сверхпроводника и сложностью криогенной системы. Такие комплексы особенно эффективны для стабилизации энергосетей, импульсных приложений и работы с возобновляемыми источниками энергии, даже при их малой мощности. Таким образом, основная часть ограничений практического применения КНЭ в СП-комплексах связана исключительно с механическими свойствами конструкционных материалов, а эффективность применения СПИН в СП-комплексах связана по большей мере со свойствами самих сверхпроводников. При выполнении данного этапа было опубликовано 7 научных статей, из них 1 (Q1), 3 (Q2). На стадии рецензирования 2 статьи, из них 1 (Q2). Поданы 3 заявки на регистрацию программы для ЭВМ, регистрационные номера карт РИД: 625011201370-8, 625011201372-2, 625011301958-7. Всего за время выполнения проекта было получено 6 РИД, из них 2 - изобретения.