Suprajohtavuuden hyödyntäminen tuulivoimalan generaattoreissa
Ekman, Jaakko (2021)
2021
Tieto- ja sähkötekniikan kandidaattiohjelma - Bachelor's Programme in Computing and Electrical Engineering
Informaatioteknologian ja viestinnän tiedekunta - Faculty of Information Technology and Communication Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2021-01-11
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202101181449
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202101181449
Tiivistelmä
Työn tarkoituksena on tutkia suprajohtavuuden hyödyntämistä tuulivoimalan generaattoreissa. Työ jakautuu kolmeen osaan. Ensimmäisessä osassa käydään läpi suprajohtavuuden ja tuulivoiman teoriaa. Toisessa osassa käydään läpi, kuinka suprajohteita voidaan hyödyntää tuulivoimaloissa ja mitä erityisvaatimuksia sille voidaan asettaa. Kolmannessa osassa tarkastellaan Tanskaan rakennettua tuulivoimalaa, jossa on hyödynnetty suprajohteita.
Suprajohtavuuden ilmiöllä tarkoitetaan aineen resistiivisyyden katoamista sen lämpötilan laskiessa kriittisen lämpötilan alapuolelle. Ilmiö on tunnettu jo pitkään ja uusia suprajohteita löydetään jatkuvasti. Suprajohteet voidaan jakaa I- ja II-lajin suprajohteisiin, joista vain II-lajin suprajohteet soveltuvat energiatekniikan käyttöön. Kaupalliset suprajohteet jaetaan niiden kriittisen lämpötilan mukaan LTS- ja HTS-johtimiin. Näistä HTS-johtimet soveltuvat parhaiten energiatekniikan käyttöön niiden suhteellisen korkean kriittisen lämpötilan takia. Suprajohteita voidaan jäähdyttää uppojäähdyttämällä, kaasujäähdyttämällä tai mekaanisella jäähdytyksellä.
Tuulivoiman kysyntä kasvaa maailmalla jatkuvasti. Tuulivoimaloita suunnitellessa tulee kiinnittää erityistä huomiota niiden sijoituspaikkaan ja sen tuuliolosuhteisiin. Tuulivoimalat voivat olla muuttuva- tai vakionopeuksisia. Niiden generaattorit ovat yleensä vaihtosähkögeneraattoreita.
Generaattorit ovat joko tahtigeneraattoreita tai epätahtigeneraattoreita.
Suprajohteita voidaan hyödyntää tuulivoimalan generaattoreissa useimmilla eritavoilla. Generaattoreista voidaan tehdä joko täysin suprajohtavia tai vain osittain. Suprajohtavilla generaattoreilla tuulivoimaloiden nimellistehoa kasvattaa ja niiden pienentää niiden nasellin kokoa. Suprajohtavat generaattorit tarvitsevat toimiakseen jäähdytyksen sekä ohjauslaitteistoa. Suprajohtavat generaattorit ovat materiaalikustannuksiltaan kilpailukykyisiä perinteisten generaattorien kanssa.
Tanskassa tehdyssä EcoSwing-projektissa valmistettiin onnistuneesti 3,6 MW suprajohteita hyödyntävä suoravetoinen tuulivoimala. Tuulivoimalan roottori oli tehty suprajohtavaksi. Roottorin jäähdytys toteutettiin mekaanisella jäähdytyksellä. Generaattoria testattiin laboratoriossa ja sen jälkeen se asennettiin tuulivoimalaan. Generaattori läpäisi testit pääosin onnistuneesti ja se oli kytkettynä sähköverkkoon 650 h ajan tuottaen 600 MWh sähköenergiaa.
Työn lopputuloksena todettiin suprajohteiden hyödyntämisen olevan teknisesti mahdollista tuulivoimalan generaattoreissa. Tulevaisuudessa suprajohtavien generaattorien potentiaali on
merkittävä energiantuotannossa.
Suprajohtavuuden ilmiöllä tarkoitetaan aineen resistiivisyyden katoamista sen lämpötilan laskiessa kriittisen lämpötilan alapuolelle. Ilmiö on tunnettu jo pitkään ja uusia suprajohteita löydetään jatkuvasti. Suprajohteet voidaan jakaa I- ja II-lajin suprajohteisiin, joista vain II-lajin suprajohteet soveltuvat energiatekniikan käyttöön. Kaupalliset suprajohteet jaetaan niiden kriittisen lämpötilan mukaan LTS- ja HTS-johtimiin. Näistä HTS-johtimet soveltuvat parhaiten energiatekniikan käyttöön niiden suhteellisen korkean kriittisen lämpötilan takia. Suprajohteita voidaan jäähdyttää uppojäähdyttämällä, kaasujäähdyttämällä tai mekaanisella jäähdytyksellä.
Tuulivoiman kysyntä kasvaa maailmalla jatkuvasti. Tuulivoimaloita suunnitellessa tulee kiinnittää erityistä huomiota niiden sijoituspaikkaan ja sen tuuliolosuhteisiin. Tuulivoimalat voivat olla muuttuva- tai vakionopeuksisia. Niiden generaattorit ovat yleensä vaihtosähkögeneraattoreita.
Generaattorit ovat joko tahtigeneraattoreita tai epätahtigeneraattoreita.
Suprajohteita voidaan hyödyntää tuulivoimalan generaattoreissa useimmilla eritavoilla. Generaattoreista voidaan tehdä joko täysin suprajohtavia tai vain osittain. Suprajohtavilla generaattoreilla tuulivoimaloiden nimellistehoa kasvattaa ja niiden pienentää niiden nasellin kokoa. Suprajohtavat generaattorit tarvitsevat toimiakseen jäähdytyksen sekä ohjauslaitteistoa. Suprajohtavat generaattorit ovat materiaalikustannuksiltaan kilpailukykyisiä perinteisten generaattorien kanssa.
Tanskassa tehdyssä EcoSwing-projektissa valmistettiin onnistuneesti 3,6 MW suprajohteita hyödyntävä suoravetoinen tuulivoimala. Tuulivoimalan roottori oli tehty suprajohtavaksi. Roottorin jäähdytys toteutettiin mekaanisella jäähdytyksellä. Generaattoria testattiin laboratoriossa ja sen jälkeen se asennettiin tuulivoimalaan. Generaattori läpäisi testit pääosin onnistuneesti ja se oli kytkettynä sähköverkkoon 650 h ajan tuottaen 600 MWh sähköenergiaa.
Työn lopputuloksena todettiin suprajohteiden hyödyntämisen olevan teknisesti mahdollista tuulivoimalan generaattoreissa. Tulevaisuudessa suprajohtavien generaattorien potentiaali on
merkittävä energiantuotannossa.
Kokoelmat
- Kandidaatintutkielmat [9897]