Suprajohtavuuden hyödyntäminen tuulivoimageneraattorissa
Rukajärvi, Jari (2016)
Rukajärvi, Jari
2016
Sähkötekniikan koulutusohjelma
Tieto- ja sähkötekniikan tiedekunta - Faculty of Computing and Electrical Engineering
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2016-06-08
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201605194009
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201605194009
Tiivistelmä
Maailmanlaajuinen tuulivoimakapasiteetti on ollut kiihtyvässä kasvussa 2000-luvulla ja varsinkin offshore-sektorilla voimaloiden yksikkötehoja pyritään kasvattamaan entisestään. Nykyään suurimmat tuulivoimalat ovat nimellisteholtaan noin 8 MW ja tavoitteena on rakentaa yli 10 MW tuulivoimaloita.
Monet suurimmista voimaloista hyödyntävät kestomagneettitahtigeneraattoreita. Kestomagneettien korkea hinta ja suuritehoisten generaattorien massa ja dimensiot vaikeuttavat voimaloiden yksikkötehojen kasvattamista. Suprajohteiden käytöllä generaattorin käämityksissä on mahdollista parantaa suuritehoisten generaattorien tehotiheyttä sekä massaa että tilavuutta kohden, mikä voi osaltaan mahdollistaa 10 MW suuruusluokan tuulivoimalan rakentamisen.
Suprajohteiden resistiivisyys häviää alhaisessa materiaalille ominaisessa kriittisessä lämpötilassa. Kun lämpötilan lisäksi suprajohteeseen kohdistuva magneettikenttä ja suprajohteessa vallitseva virrantiheys ovat kriittisiä arvoja pienempiä, voidaan suprajohteella kuljettaa tasavirtaa häviöttömästi. Kaupallisia suprajohteita on kuusi kappaletta, joista työssä toteutetussa suunnittelussa on tarkasteltu MgB_2-suprajohteiden käyttöä. Kyseinen materiaali vaikuttaa kaupallisista suprajohteista parhaalta teknistaloudelliselta kompromissilta generaattorikäyttöön. MgB_2:n tyypillinen käyttölämpötila on noin 20 K, mikä saadaan aikaan mekaanisilla kryojäähdyttimillä.
Tuulivoimageneraattorikäytössä suprajohdemateriaalia voidaan käyttää kahdella tapaa. Yksinkertaisempi ratkaisu on hyödyntää suprajohteita roottorin kenttäkäämityksissä ja valmistaa staattorin työkäämit konventionaalisista kuparijohteista (osittain suprajohtava konsepti). Maksimaalisen tehotiheyden saavuttamiseksi suprajohteita voidaan hyödyntää lisäksi staattorin työkäämeissä (täysin suprajohtava konsepti), mutta tästä aiheutuvat suprajohteiden vaihtovirtahäviöt vaikeuttavat suunnittelua. Pelkillä suprajohtavilla työkäämeilläkin tehotiheys saadaan kestomagneettigeneraattoreita paremmaksi. Työssä toteutetussa suunnittelussa on keskitytty kyseiseen osittain suprajohtavaan konseptiin.
Saavutettavista eduista huolimatta esteitä suuren teholuokan prototyyppigeneraattorin rakentamiselle on vielä useita. Teknisestä näkökulmasta varsinkin pyörivään roottorirakenteeseen yhdistettävä jäähdytysjärjestelmä on haasteellinen ja vaatii lisäkehitystä. Taloudellisesta näkökulmasta suprajohteiden hinta on vielä korkea. Vaikka esitetty MgB_2-materiaali on halvempaa kuin niin sanotut korkean lämpötilan suprajohdemateriaalit, suuri osa generaattorin hinnasta muodostuu tarvittavasta suprajohdemateriaalista.
Monet suurimmista voimaloista hyödyntävät kestomagneettitahtigeneraattoreita. Kestomagneettien korkea hinta ja suuritehoisten generaattorien massa ja dimensiot vaikeuttavat voimaloiden yksikkötehojen kasvattamista. Suprajohteiden käytöllä generaattorin käämityksissä on mahdollista parantaa suuritehoisten generaattorien tehotiheyttä sekä massaa että tilavuutta kohden, mikä voi osaltaan mahdollistaa 10 MW suuruusluokan tuulivoimalan rakentamisen.
Suprajohteiden resistiivisyys häviää alhaisessa materiaalille ominaisessa kriittisessä lämpötilassa. Kun lämpötilan lisäksi suprajohteeseen kohdistuva magneettikenttä ja suprajohteessa vallitseva virrantiheys ovat kriittisiä arvoja pienempiä, voidaan suprajohteella kuljettaa tasavirtaa häviöttömästi. Kaupallisia suprajohteita on kuusi kappaletta, joista työssä toteutetussa suunnittelussa on tarkasteltu MgB_2-suprajohteiden käyttöä. Kyseinen materiaali vaikuttaa kaupallisista suprajohteista parhaalta teknistaloudelliselta kompromissilta generaattorikäyttöön. MgB_2:n tyypillinen käyttölämpötila on noin 20 K, mikä saadaan aikaan mekaanisilla kryojäähdyttimillä.
Tuulivoimageneraattorikäytössä suprajohdemateriaalia voidaan käyttää kahdella tapaa. Yksinkertaisempi ratkaisu on hyödyntää suprajohteita roottorin kenttäkäämityksissä ja valmistaa staattorin työkäämit konventionaalisista kuparijohteista (osittain suprajohtava konsepti). Maksimaalisen tehotiheyden saavuttamiseksi suprajohteita voidaan hyödyntää lisäksi staattorin työkäämeissä (täysin suprajohtava konsepti), mutta tästä aiheutuvat suprajohteiden vaihtovirtahäviöt vaikeuttavat suunnittelua. Pelkillä suprajohtavilla työkäämeilläkin tehotiheys saadaan kestomagneettigeneraattoreita paremmaksi. Työssä toteutetussa suunnittelussa on keskitytty kyseiseen osittain suprajohtavaan konseptiin.
Saavutettavista eduista huolimatta esteitä suuren teholuokan prototyyppigeneraattorin rakentamiselle on vielä useita. Teknisestä näkökulmasta varsinkin pyörivään roottorirakenteeseen yhdistettävä jäähdytysjärjestelmä on haasteellinen ja vaatii lisäkehitystä. Taloudellisesta näkökulmasta suprajohteiden hinta on vielä korkea. Vaikka esitetty MgB_2-materiaali on halvempaa kuin niin sanotut korkean lämpötilan suprajohdemateriaalit, suuri osa generaattorin hinnasta muodostuu tarvittavasta suprajohdemateriaalista.