Development and test of a technology wind generator demonstrator with no insulation field coils applying high temperature superconductors

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. ... mehrFür 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.

The increasing demand for low-cost, renewable energy sources is causing a continued trend toward wind turbines with higher power ratings. Generators with these power ratings are usually particularly heavy and have increased requirements in terms of volume. Superconducting materials, with their high current carrying capacity and no direct current losses, show the potential for increased power density per weight and volume of electrical machines. Therefore, this work presents the development and test of a generator technology demonstrator with field coils consisting of high temperature superconductors. ... mehrFor improved electrical and thermal stability, the superconducting coils are designed as no insulation coils and therefore do not use electrical insulation between the coil turns.

The general design approaches of superconducting electrical machines with respect to their use in wind turbines are presented. In particular, the design of ferromagnetic components, the use of superconducting materials in the stationary and rotating parts of the machine, and the cryogenic cooling system are discussed. Based on these preliminary considerations, the design of a partial superconducting synchronous generator with stationary superconducting field coils and a normal conducting rotating three-phase winding is chosen. The stator iron is realized as a warm iron decoupled from the cryogenic system, and both stator iron and rotor iron are designed as air gap windings without distinct ferromagnetic slots. The superconducting coils and sub components are cooled by means of a direct conduction cooled cryogenic cooling system in the stator of the machine.

Based on the chosen design approach of the electrical machine, a detailed electromagnetic, thermal and mechanical design of a generator technology demonstrator is elaborated. Here, not only the interaction of the mentioned physical domains among each other, but also the basic practical feasibility has to be considered.

High-temperature superconductors from two different suppliers are used in this work and both are pre-characterized with respect to their use in the superconducting coils of the generator. A total of 14 superconducting generator coils are manufactured and successfully tested in liquid nitrogen at 77 K regarding the superconducting properties and the special dynamic behavior due to the lack of winding insulation. In addition, the conduction-cooled linkage of two coils for temperatures below 77 K is investigated in a special laboratory setup.

Twelve field coils are assembled into a six-pole coil system with alternating magnetic poles. The coil system, the components of the cryogenic cooling system, the stator iron and the mechanical support structures are installed in the vacuum chamber of the cryostat. In the cryogenic environment in the stator of the generator technology demonstrator, the coil system is cooled to the target operating temperature of 30 K and successfully supplied with a rated current of 450 A.