Development and test of a technology wind generator demonstrator with no insulation field coils applying high temperature superconductors
Creators: name: Schreiner, Fabian
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2022
Subjects: High temperature superconductor
Superconducting generator
Superconducting magnets
Wind generator

description: Der steigende Bedarf an günstigen, erneuerbaren Energiequellen verursacht eine anhaltende Entwicklung hin zu Windkraftanlagen höherer Leistungsklassen. Generatoren dieser Leistungsklassen sind meist besonders schwer und weisen erhöhte Anforderungen bezüglich des Bauraums auf. Supraleitende Materialien mit ihrer hohen Stromtragfähigkeit und nicht vorhandenen Gleichstromverlusten, zeigen das Potential einer erhöhten Leistungsdichte von elektrischen Maschinen hinsichtlich Gewicht und Volumen. Diese Arbeit stellt deshalb die Entwicklung und den Test eines Generator-Technologiedemonstrators mit Felderregerspulen, bestehend aus Hochtemperatur-Supraleitern, vor. Für eine verbesserte elektrische und thermische Stabilität sind die supraleitenden Spulen als nicht-isolierte Spulen ausgeführt und verfügen deshalb über keine elektrische Isolation zwischen den Spulenwindungen. Die grundsätzlichen Ausführungsformen supraleitender elektrischer Maschinen im Hinblick auf den Einsatz in Windkraftanlagen werden vorgestellt. Dabei werden insbesondere die Ausführung ferromagnetischer Komponenten, die Verwendung der supraleitenden Materialien im stationären und rotierenden Teil der Maschine als auch das kryogene Kühlsystem behandelt. Auf Grundlage dieser Vorüberlegungen wird das Design eines partiell supraleitenden Synchrongenerators mit stationären, supraleitenden Felderregerspulen und einer normalleitenden, rotierenden Drehstromwicklung gewählt. Das Statoreisen ist dabei als vom kryogenen System entkoppeltes warmes Eisen realisiert und sowohl Statoreisen als auch Rotoreisen sind als Luftspaltwicklungen ausgeführt und weisen keine ausgeprägten ferromagnetischen Nuten auf. Die Kühlung der supraleitenden Spulen und Subkomponenten erfolgt mittels eines direkten, leitungsgekühlten kryogenen Kühlsystems im Stator der Maschine. Basierend auf der gewählten Ausführungsform der elektrischen Maschine wird ein detailliertes elektromagnetisches, thermisches und mechanisches Design eines Generator-Technologiedemonstrators erarbeitet. Hierbei wird nicht nur die Wechselwirkung der genannten physikalischen Domänen untereinander, sondern auch die grundsätzliche praktische Umsetzbarkeit berücksichtigt. Im Rahmen dieser Arbeit kommen Hochtemperatur-Supraleiter von zwei verschiedenen Herstellern zum Einsatz, die beide hinsichtlich der Verwendung in den supraleitenden Spulen des Generators vorcharakterisiert werden. Insgesamt werden 14 supraleitende Generatorspulen hergestellt und erfolgreich bezüglich ihrer supraleitenden Eigenschaften und dem aufgrund der fehlenden Windungsisolation besonderen dynamischen Verhaltens in Flüssigstickstoff bei 77 K getestet. Zusätzlich wird in einem speziellen labortechnischen Aufbau die leitungsgekühlte Anbindung von zwei Spulen für Temperaturen unterhalb von 77 K untersucht. Zwölf Felderregerspulen werden zu einem sechspoligen Spulensystem mit sich ausbildenden, alternierenden magnetischen Polen zusammengefügt. Das Spulensystem, die Komponenten des kryogenen Kühlsystems, das Statoreisen sowie die mechanischen Stützstrukturen werden im Vakuumraum des Kryostaten installiert. In der kryogenen Umgebung im Stator des Generator Technologiedemonstrators wird das Spulensystem auf die angestrebte Betriebstemperatur von 30 K gekühlt und erfolgreich mit einem Nennstrom von 450 A betrieben.