СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ АККУМУЛЯТОР СИЛОВОЙ
SUPERCONDUCTIVE POWER ACCUMULATOR

Изобретение относится к областям энергетики и транспорта и описывает устройство, обеспечивающее хранение и использование потребителем электроэнергии. Преимущественными потребителями энергии сверхпроводящего аккумулятора силового (далее - СПАС) предполагаются тяговые установки ж/д транспорта (электропоезда) и электротяговые установки на водном транспорте (суда с электрической тягой).
Применение СПАС на ж/д и водном транспорте
- позволяет использовать электровозы на неэлектрофицированных ж/д ветках;
- уменьшает потери режиме разгона ТЭД (тяговых электродвигателей) в вагонных парах;
- снизит частоту использования или приведет к полному отказу от реостатного тормоза, оставив его только в аварийном режиме;
- существенно снизит потери в электросетях, поскольку электроэнергия запасается непосредственно на борту транспорта. В современных воздушных линиях электропередачи теряется до 10% передаваемой энергии и еще больше потери энергии на преобразование тока (Гинзбург В.Л., Андрюшин Е.А. Сверхпроводимость. Альфа-М., гл. 4, 2006 г.);
- уменьшит пиковые колебания в сети, поскольку может передавать, при необходимости, электроэнергию СПАС в сеть, снижая нагрузку в сети по длине дистанции пути между тяговыми подстанциями;
- улучшает экологические характеристики транспорта, поскольку не имеет отходов (выхлопов в атмосферу).
В качестве прототипов изобретения взяты устройства перераспределения (передачи) электроэнергии: сверхпроводящий трансформатор и сверхпроводящий индукционный накопитель, действие которых основано на использовании сверхпроводников.
Известен ряд промышленных объектов и проектов, в которых реализовано управление электроэнергией с помощью сверхпроводников.
1. Сверхпроводящий трансформатор (Зенкевич В.Б., Сычев В.В. Магнитные системы на сверхпроводниках, М., 1972; Кремлев М.Г., Сверхпроводящие магниты, «Успехи физических наук», 1967, т.93, v.4) обеспечивает токи до 20000 ампер при расходе охладителя (гелий, азот) в 0,3-2 литра в час. Основным признаком этого прототипа является накопление энергии в виде магнитного поля соленоида (первичной обмотки). Это устройство, однако, предназначено для преобразования и передачи (раздачи) энергии потребителю, его невозможно использовать в качестве аккумулятора.
2. Сверхпроводящий индукционный накопитель, разработанный компанией «CryoMagnet» (РФ, г.Москва), в котором реализован механизм раздачи энергии сверхпроводящего соленоида потребителям - основной признак этого прототипа. Однако, запасаемая накопителем энергия составляет 0,5 мегаджоуля, что заведомо недостаточно для электротяговых установок, имеющих мощности в сотни киловатт.
Предлагаемый силовой сверхпроводящий аккумулятор электроэнергии сочетает в себе высокую мощность сверхпроводящего трансформатора и необходимую динамичность распределения энергии индукционного накопителя. Основной идеей является кассетная конструкция накопительного сверхпроводящего соленоида СПАС.
Накопительный сверхпроводящий соленоид (1) состоит из N одинаковых отсеков, в каждом из которых расположена первичная накопительная обмотка (7, 8). Каждая первичная накопительная обмотка состоит из двух соосных сверхпроводящих соленоидов: основного (7) и согласующего (8), образующих вместе с системой управления (6) «триггер магнитного потока». Это означает, что суммарный магнитный поток пары соленоидов каждой первичной накопительной обмотки (7, 8) имеет два устойчивых значения. Одно устойчивое состояние «триггера» соответствует параллельному соединению магнитных потоков соленоидов. Другое - последовательному их соединению.
Известно, что величина магнитного потока в центре кольцевого сверхпроводника определяется величиной транспортного тока в проводнике. И, наоборот, изменение внешнего магнитного поля приводят к изменениям величины транспортного тока в сверхпроводящем кольце. В условиях отбора мощности СПАС внешним потребителем эта зависимость позволяет (путем изменения состояния «триггера магнитного потока») «конструировать закон Ома», для цепи «источник питания - потребитель», где «источник питания» представлен типовым устройством отбора мощности - обязательным элементом СПАС (2), а «потребитель» - тяговый электродвигатель электровоза и/или магистральная сеть. Вариация суммарного магнитного потока «триггера магнитного потока» меняет величину тока отбора (распределения) мощности и, следовательно, напряжение отбора (распределения) мощности. «Триггер магнитного потока» позволяет регулировать выходное напряжение первичной накопительной обмотки в режиме отбора мощности и сглаживать возможные нарушения сверхпроводимости регулировкой суммарного магнитного потока соленоидов (7, 8). Параметры первичной накопительной обмотки выбираются исходя из требования электротягового устройства на напряжение питания, а накопительного сверхпроводящего соленоида в целом - из требования по току. N соединенных параллельно первичных накопительных обмоток, имеющих одинаковое напряжение отбора мощности, определяют общее напряжение отбора (распределения) мощности всего накопительного сверхпроводящего соленоида (1). Это напряжение и есть напряжение питания тяговой электроустановки. В сверхпроводящий контур каждого соленоида (7, 8) включен криовентиль (играющий роль ключа). В результате, каждая первичная накопительная обмотка подключена к общей системе через 2 криовентиля основного (7) и согласующего (8) соленоидов. Все 2N криовентилей входят в состав блока криовентилей (3) и образуют систему формирования тока отбора (распределения) мощности. Максимальный ток отбора (распределения) мощности достигается при всех закрытых вентилях. Если все 2N криовентилей открыты, ток отбора мощности равен нулю. Такая конструкция позволяет легко осуществлять необходимую синхронизацию режимов (уравнивание и т.п.) всех N первичных накопительных обмоток, что повышает кпд установки.
2
3
6
6
2
3
Такой подход к конструкции накопительного сверхпроводящего соленоида (1) позволяет использовать первичные накопительные обмотки (7, 8) в режимах токов и магнитных полей, далеких от критических значений, что упрощает технологию серийного производства СПАС и снижает технические требования к материалам и оборудованию. Более того, относительно малые рабочие плотности токов в соленоидах первичных накопительных обмоток предполагают использование в качестве материала обмоток высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП), например, керамики Y-Ba-Cu-O. ВТСП-провода переходят в сверхпроводящее состояние при температурах выше азотной, но имеют при азотной температуре сравнительно малые критические токи, перекрывающие, однако, все потребности СПАС (до 10 кА/см). Технология высокотемпературной сверхпроводимости (HTS), разработанная кампанией Sumitomo Electric (Япония), применяется в демонстрационной системе силовой сети, запущенной в эксплуатацию в июле 2006 в США (Лонг-Айленд). При напряжении в 138·10 вольт передается мощность в 574·10 ватт на расстояние 600 метров. Легко видеть, что передаваемые токи не превышают нескольких тысяч ампер, что совпадает по порядку величин с рабочими токами тяговых электродвигателей электровозов. Сравним эти величины с максимально достигнутыми. Соединение NbSn, например, выдерживает поле напряженностью до 10 эрстед одновременно с плотностью транспортного тока до 103 А/мм, т.е. общим током в десятки тысяч ампер. Высокотемпературные сверхпроводники экономически выгодны уже сегодня. Килограмм сверхпроводящего материала для ВТСП-провода во много раз дороже килограмма меди. Но, если сравнить стоимость проводов, рассчитанных на равную силу тока, то сверхпроводящий провод окажется дешевле медного.
Таким образом, совокупность технических требований к конструкции СПАС укладывается в рамки технологических достижений настоящего времени (это касается токовводов, ключей-криовентилей, соленоидов, схем управления, охлаждения и т.д.). Следовательно, реализация изобретения в конкретной установке возможна на базе уже имеющихся технологических решений в области криоэнергетики.
Основные технические требования к СПАС (Грищенко А.В., Стрекопытов В.В. Электрические машины и преобразователи подвижного состава. М.: «Академия», 2005 г.):
- энергоэмкость СПАС, Дж
(1,5-2,5)·10<sup>11</sup>
- транспортный ток, А
до 10000
- выходное напряжение, В
до 3000
- выходная мощность, Вт
до 7·10<sup>6</sup>
- время первоначального заряда, час
до 0,5
- период разряда
(при токе потребителя 5000 А), час
до 10.
Основным техническим результатом изобретения является обеспечение электроэнергией тяговых электроустановок на транспорте от бортового источника питания - СПАС.
Другие технические результаты.
1. В режиме разгона транспорта (например, электропоезда) отбор дополнительной мощности из сети (воздушной линии электропередачи) не производится, так как соответствующий вклад обеспечивает СПАС. Это, с одной стороны, уменьшает потери в сети, с другой дает возможность упростить существующие системы управления отбором (распределением) мощности тяговых электродвигателей транспорта.
2. Штатный режим рекуперации энергии (электрическое торможение транспорта, при котором тяговые электродвигатели работают в режиме генератора) пополняется еще одним вариантом - режимом авторекуперации. В этом случае рекуперированная электроэнергия отдается не в сеть, как это происходит обычно, а пополняет энергорезервуар СПАС, увеличивая величину транспортного тока в накопительном сверхпроводящем соленоиде. Отметим, что в таком режиме отсутствуют потери рекуперированной энергии в сети.
Описание СПАС поясняется чертежами,
где на Фиг.1 изображена блок-схема СПАС;
на Фиг.2 схематично изображено продольное сечение накопительного сверхпроводящего соленоида, состоящего из 14 первичных накопительных обмоток (т.е. для случая N=14) и показана схема коммутации 14 основных (7) и 14 согласующих (8) соленоидов первичных накопительных обмоток с токовводами блока криовентилей (3).
Примечание. Современные азотно-гелиевые (азотные для высокотемпературных сверхпроводников) типовые криоустановки имеют мощности в десятки мВт. Задача охлаждения первичных накопительных обмоток СПАС (единицы мВт), следовательно, заведомо решается в рамках существующих криотехнологий, поэтому для упрощения чтения чертежей на фиг.1 и 2 не изображена криогеника системы охлаждения СПАС.
Примечание 2. Схема нумерации токовводов на блоке (3):
0
N - общий токоввод начал обмоток 14 основных соленоидов (7);
1
2
14
N, N,…, N - токовводы концов обмоток 14 основных соленоидов (7);
0
М - общий токоввод начал обмоток 14 согласующих соленоидов (8);
1
2
14
M, М,…, M - токовводы концов обмоток 14 согласующих соленоидов (8).
Накопительный сверхпроводящий соленоид (1) является аккумулирующим элементом СПАС. Аккумулирование электроэнергии происходит за счет возбуждения в сверхпроводящих обмотках соленоида постоянного электрического тока, величина которого не убывает со временем в силу отсутствия активного сопротивления в сверхпроводнике. Запасенная СПАС электроэнергия может быть передана по назначению. Блок отбора (распределения) мощности (2) управляет подключениями потребителей к СПАС: бортовых (электротяга) и внешних (магистральная сеть в режиме рекуперации). Этот же блок подключает СПАС к внешнему источнику питания (станция подзарядки или магистральная ЛЭП) в режиме зарядки. В качестве блока (2) может быть использована типовая существующая система управления, расчитанная на соответствующие электромощности.
Часть выходных электрических параметров мощности (длительность отбора, напряжение, ток), отбираемой потребителем от СПАС, формирует блок криовентилей (3), состоящий из 2N одинаковых криовентилей по числу основных (7) и согласующих (8) соленоидов первичных накопительных обмоток. Каждый криовентиль блока (3), в свою очередь, определяет все электрические параметры 1/2N части общей мощности, отбираемой у соответствующей первичной накопительной обмотки (7, 8).
Типовой блок (4) регулирует ток отбора (распределения) мощности от СПАС. Блок безопасности (5) контролирует достижение максимальных значений электрических параметров соленоида (1) и обеспечивает быструю разрядку на нагрузку-эквивалент как каждой первичной накопительной катушки (7, 8), так и всего накопительного сверхпроводящего соленоида (1) в целом. Нагрузка-эквивалент входит в состав блока безопасности (5) и представляет собой одну из известных конструкций, либо разрядно-дугового, либо шунтирующего типов. Система управления (6) является распределенной. Она состоит из локального блока управления (в том числе, буфера сигналов датчиков, бортового процессора) и охватывающей все блоки СПАС периферийной сети датчиков состояния и терминальных исполнительных устройств.
Основные задачи блока управления и контроля (6).
1. Отслеживать состояние всех блоков СПАС.
2. Проводить тестирование электронных систем блоков с установленным периодом в диапазоне 100-500 мкс.
3. Обеспечивать с помощью терминальных устройств текущее управление режимом работы всех блоков СПАС, в частности, величинами магнитных потоков каждой из N первичных накопительных обмоток (7, 8) соленоида (1) СПАС.
4. Управлять последовательностью и параметрами коммутации потребителей и источников энергии в режимах приема, отбора и распределения электромощностей через блок отбора (распределения) мощности (2).
5. Автоматически переключать СПАС в режим аварийного сброса энергии при необходимости.