Окончание. Начало  здесь.

Внедряя сверхпроводники в генераторы ветровых турбин, разработчики обычно ограничиваются обмотками возбуждения, не затрагивая весьма массивных силовых обмоток, где можно было бы получить значительно больший эффект. Почему?

Прежде чем ответить на этот вопрос, напомним, что в последние годы многие производители высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП), в том числе российская компания «СуперОкс», пошли по пути создания металлических лент, покрытых тонкой плёнкой керамики, которая включает сложные оксиды редкоземельных металлов, бария и меди. Все знают, что керамика не гнётся, но тончайшая плёнка из неё получается гибкой — точно так же, как очень тонкая стеклянная нить, из которой изготавливают оптоволокно.

ПЛЮС СТАТОР

В Университете Париж-Сакле идут исследования по проекту EolSupra20, в результате которого должен родиться прототип 20-мегаваттной ветроустановки. Сверхпроводники здесь планируют использовать как в роторе, так и в статоре генератора. «Если вам необходимо создать действительно мощное магнитное поле в роторе, тогда в его обмотке лучше всего использовать сверхпроводник с постоянным током, который работает без тепловыделения, не теряя энергию, — рассказывает доцент университета Лоик Кеваль. — Но статор представляет собой нечто совсем другое. Когда возбуждающее поле ротора пронизывает обмотки статора, в них возникает переменный ток. Это удивительно, но при прохождении переменного тока через сверхпроводники обнаруживаются потери, связанные с появлением кольцевых токов на поверхности материала. А сверхпроводники, особенно высокотемпературные, чаще всего выпускаются в виде ленты, имеющей большую площадь». Джованни Грассо, представитель итальянской компании Columbus Superconductor, производящей сверхпроводящие кабели, подтверждает эти слова: «Создать ленточный ВТСП, пригодный для работы на переменном токе, практически невозможно, но можно сделать низкотемпературный нитевой сверхпроводник на основе борида магния».

Для французского проекта компания Columbus Superconductor вместо ВТСП-ленты производит тончайшие (шириной 10 мкм, см. рис. 1) сверхпроводящие нити из MgB2, имеющие минимальную площадь поверхности. «На такой малой площади кольцевые токи не образуются, — объясняет Грассо. — В одном нашем прототипе используется медно-никелевый гексагональный провод, в который запрессована 91 такая нить. Эти провода упаковываются в плоский резерфордский кабель, но нам нужно ещё научиться производить его с достаточной длиной».

Рис. 1. Нити борида магния внутри поддерживающей медной структуры

В проекте EolSupra20 обмотки генератора нужно будет охлаждать, выдерживая жёсткие требования к криостатам. Ротор доводится до температуры 10 K (при которой сверхпроводник из борида магния способен пропускать максимальный ток) одной группой криостатов, а статор — до 20 K другой группой, поскольку для поддержания более низкой температуры потребовалось бы слишком много энергии. Найти мощные криогенные холодильники исследователи не смогли, поэтому были вынуждены натолкать в генератор 85 маломощных. Используются двухступенчатые криорефрижераторы Sumitomo Heavy Industries RDK-0408S2 в замкнутом газовом цикле Гиффорда — Мак-Магона. Каждый из них при массе 18 кг способен отводить от обмотки лишь несколько ватт тепловой энергии, расходуя в сто раз больше энергии электрической. «На сегодня их эффективность крайне низка», — огорчается Кеваль.

КОВАРНЫЙ КОНКУРЕНТ

Если судить по расчётам приведённой стоимости энергии, то конструкция 20-мегаваттного генератора с обеими сверхпроводящими обмотками примерно на 10% выгоднее традиционной (полученной простым масштабированием). При этом масса генератора уменьшается почти на две трети, что позволяет кардинально сократить вес гондолы и башни. Как мы уже отмечали в первой части статьи (см., щёлкнув здесь), сверхпроводниковые решения пока не сулят преимуществ перед системами с псевдопрямым магнитным приводом (ПМП) — технологией компании Magnomatics, которая позволяет совместить генератор и магнитный редуктор. Надо отметить, что согласно экспертам, работавшим над европейским проектом InnWind, обе технологии находятся на одном этапе развития — проходят лабораторное тестирование.

Пока инженеры пытались создать генераторы со сверхпроводящими обмотками возбуждения, цены на магниты из редкоземельных металлов существенно снизились, так что технология ПМП сделала резкий рывок вперёд. Теоретически её можно догнать: если бы лента сверхпроводника на основе MgB2 стоила не четыре, а один доллар за метр, в 20-мегаваттном генераторе можно было бы разместить гораздо больше сверхпроводников, резко сократив потребную массу электротехнической стали. Однако на практике это преимущество можно получить только после десятикратного снижения стоимости криогенного оборудования.

Пока неясно, приведёт ли коммерциализация сверхмощных ветровых турбин к такому повышению спроса на сверхпроводники и криорефрижераторы, которое вызвало бы резкое снижение их цен.

НА ЧАШАХ ВЕСОВ

Помимо стоимости электромагнитов на сверхпроводниках следует учесть особенности их работы. Обычно смотрят на критическую температуру, ниже которой материал переходит в сверхпроводящее состояние. Но помимо неё существует такой важный параметр, как критическая плотность тока. При её превышении сверхпроводимость исчезает. Ещё важна максимальная напряжённость магнитного поля. Добившись четырёхкратного повышения критической плотности тока, можно получить эффект, эквивалентный снижению цены (поскольку в этом случае понадобится вчетверо меньше провода), а заодно понизить мощность системы охлаждения. Более того, благодаря сокращению размеров статорных обмоток можно увеличить их число и, как следствие, снизить обороты вала генератора, упростив трансмиссию. «Как показали исследования в рамках европейского проекта Suprapower, чем лучше сверхпроводящий провод, тем проще все остальные части системы», — отмечает инженер Айкер Марино.

Концепция псевдопрямого привода обещает обеспечить высокую эффективность благодаря малому размеру высокооборотного генератора и отсутствию потерь энергии в механических трансмиссиях. Это важно: потери в шестерёнчатых передачах составляют от 1 до 2% на каждую ступень, а в ветроустановках нередко используются трёхступенчатые мультипликаторы. В системе с ПМП вращающиеся цилиндры не контактируют друг с другом: между ними всегда остаётся воздушный зазор, а смазка требуется только для подшипников.

И хотя маркетологи компании Magnomatics напирают на отсутствие потерь в магнитном редукторе, псевдопрямой магнитный привод обещает ещё одно преимущество: производители мощных ветроустановок смогут экономить на переоснащении производственных цехов под крупногабаритные конструкции и детали. Десятимегаваттный генератор с ПМП имеет диаметр всего шесть метров и весит по крайней мене на сто тонн легче, чем генератор той же мощности со сверхпроводящими обмотками.

НАЧАТЬ С МАЛОГО

В европейском проекте EcoSwing исследуется возможность применить сверхпроводники в ветрогенераторах средней мощности с прямым приводом. Пилотный образец генератора уже испытывается в Дании в составе модифицированной 3,6-мегаваттной установки компании Envision.

Рис. 2. Устройство генератора в проекте EcoSwing

Разработчики применили в роторе ленты ВТСП из оксидов гадолиния, бария и меди, что позволило упростить систему охлаждения. Вместо множества мелких криостатов смонтирован один большой (см. рис. 2). Рядом с генератором находится компрессор криохолодильника. Газ от него поступает в ротор через герметичное вращающееся сочленение.

Проект EcoSwing подтвердил, что с помощью сверхпроводимости можно сократить массу генератора сразу на 40%, почти удвоив плотность мощности. И сегодня некоторые эксперты заявляют, что начальные расчёты эффекта для 20-мегаваттных генераторов были чрезмерно консервативны, а потому требуют пересмотра.

zen.yandex.ru

Экономика СССР 1929-1955 годы. Причины феноменального роста