AN EVALUATION OF THE POSSIBILITY OF USING HIGH-TEMPERATURE SUPERCONDUCTING ELECTRIC MACHINES AS PART OF ALTERNATIVE ENERGY IN AGRICULTURE

ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ СВЕРХПРОВОДНИКОВЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН В АЛЬТЕРНАТИВНОЙ ЭНЕРГЕТИКЕ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА

Обзорная статья

Попова М.В.^1, *, Переверзев А.А.²

¹ ORCID: 0000-0003-4666-5529;

² ORCID: 0000-0001-5865-9527;

^{1, 2} Российский государственный аграрный заочный университет, Балашиха, Россия

* Корреспондирующий автор (A-040506[at]yandex.ru)

Аннотация

На сегодняшний день рост сельскохозяйственной промышленности напрямую связан с повышением потребляемой электроэнергии и электрификацией технологических процессов. Многие из аграрных хозяйств находятся на значительном расстоянии от системы централизованного электроснабжения. Подключение таких объектов к крупным электрическим сетям является экономически нецелесообразным, а их электроснабжение осуществляется от автономных топливных электростанций [6]. На сегодняшний день по всему миру ведутся разработки ветрогенераторов с использованием высокотемпературных сверхпроводниковых обмоток, которые имеют ряд преимуществ по сравнению с традиционными ветрогенераторами. Явление сверхпроводимости, начавшее свое промышленное применение в сфере энергетики во второй половине 90х годов прошлого столетия, позволило при достижении проводником определенной критической температуры уменьшить электрическое сопротивление до нуля. Использование низкотемпературной сверхпроводимости основывается на прекращении теплового движения атомов вещества и образовании связанных пар электронов, другими словами, куперовских квазичастиц. Провод, выполненный из сверхпроводящих материалов позволяет проводить тот же ток, что и медный кабель, используя в 10 раз меньшее поперечное сечение, поэтому провод, изготовленный из высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП), при использовании позволяет создавать гораздо более сильные магнитные поля, что находит применение при создании электродвигателей большей мощности и при этом более компактных габаритов. Также отсутствие резистивного нагрева в рабочем режиме является одним из важных преимуществ ВТСП проводников в сравнении с медным проводом, а значит при понижении температуры сверхпроводника ниже своей температуры перехода, нужна незначительная мощность охлаждения [1], [10].

Ключевые слова: ветрогенератор, электроэнергетика, электрические машины, высокотемпературный сверхпроводниковый генератор, высокотемпературная сверхпроводимость, устойчивость к перегрузкам, возобновляемые источники энергии.

AN EVALUATION OF THE POSSIBILITY OF USING HIGH-TEMPERATURE SUPERCONDUCTING ELECTRIC MACHINES AS PART OF ALTERNATIVE ENERGY IN AGRICULTURE

Review article

Popova M.V.^1, *, Pereverzev A.A.²

¹ ORCID: 0000-0003-4666-5529;

² ORCID: 0000-0001-5865-9527;

^{1, 2} Russian State Agrarian Correspondence University, Balashikha, Russia

* Corresponding author (A-040506[at]yandex.ru)

Abstract

Today, the growth of the agricultural industry is directly related to the increase in electricity consumption and the electrification of technological processes. Many of the agricultural farms are located at a considerable distance from the centralized power supply system. Connecting such facilities to large electric networks is economically impractical, and their power supply is carried out from autonomous fuel power plants [6]. Currently, wind generators are being developed around the world using high-temperature superconducting windings, which have a number of advantages compared to traditional wind-powered generators. The phenomenon of superconductivity, which began its industrial application in the energy sector in the second half of the 90s of the last century, made it possible to reduce the electrical resistance to zero when a conductor reaches a certain critical temperature. The use of low-temperature superconductivity is based on the termination of the thermal motion of the atoms of matter and the formation of bound pairs of electrons, in other words, Cooper quasiparticles. A wire made of superconducting materials allows for conducting the same current as a copper cable, using a cross-section that is 10 times smaller, therefore a wire made of high-temperature superconductors (HTS), when used, allows for creating much stronger magnetic fields, which is used to create electric motors of greater power and at the same time more compact dimensions. Also, the absence of resistive heating in the operating mode is one of the important advantages of HTSC conductors in comparison with copper wire, which means that when the temperature of the superconductor decreases below its transition temperature, an insignificant cooling power is needed [1], [10].

Keywords: wind generator, electric power industry, electric machines, high-temperature superconducting generator, high-temperature superconductivity, overload resistance, renewable energy sources.

Введение

Во второй половине 1990х годов в электроэнергетике начало активно использоваться свойство высокотемпературной сверхпроводимости. Это дало возможность применять силовые кабели, электрические машины, токоограничивающие устройства, выполненные из высокотемпературных сверхпроводниковых материалов, а также сверхпроводниковые индуктивные накопители, которые дали возможность хранить накопленную энергию неограниченно во времени. Использование сверхпроводящих материалов позволило повысить эффективность передачи и распределения электроэнергии и значительно уменьшить габариты. Поэтому трансформаторы, изготовленные из сверхпроводящих материалов, имеют меньший вес и габариты по сравнению с трансформаторами такой же мощности, изготовленными из традиционных материалов. Помимо этого, трансформаторные устройства, выполненные из сверхпроводящих материалов, могут ограничивать ток при перегрузках и не требуют применения минерального масла, что делает их более дружественными к окружающей среде и пожаробезопасными [11]. Сверхпроводящие токоограничители менее инерционны с точки зрения временных характеристик, также применение ограничителя тока со сверхпроводниковым индуктивным накопителем позволяет энергосистеме работать стабильно. Кабели из сверхпроводящих материалов, проложенные под землей, имеют токонесущую способность в 2-5 раз выше этого показателя у маслонаполненного кабеля. А их компактность значительно облегчает их прокладку в городских условиях. Было установлено, что при использовании сверхпроводящих кабелей электромагнитное неблагоприятное воздействие на окружающую среду заметно снижалось, поскольку такие кабели позволяют передавать большие мощности при более низком напряжении [2]. Это воздействие зависит от величины напряженности объекта энергетики. Чем крупнее объект, тем выше напряженность и влияние на окружающую среду электромагнитного загрязнения [5].

Основная часть

Высокотемпературные сверхпроводящие материалы были открыты в 1986 году, это значительно расширило возможности практического применения явления сверхпроводимости для создания современных технических разработок, что способствовало значительному росту эффективности в различных отраслях народного хозяйства. На сегодняшний день свойство сверхпроводимости нашло широкое применение в сфере энергоснабжения и энергосбережения [4]. По всему миру активно ведутся научные разработки в применении автономных ветроэнергетических установок для объектов сельскохозяйственного назначения, в том числе и в России, так как именно Россия имеет огромный нереализованный ветроэнергетический потенциал, составляющий по результатам исследований четверть общего потенциала всех разновидностей возобновляемой энергетики. В сельском хозяйстве наиболее перспективно использовать автономные ветряные электрические станции [6]. На сегодняшний день активно ведутся разработки по модернизации и повышению качества, а также энергосбережения, при использовании этого огромного возобновляемого потенциала путем внедрения сверхпроводящих материалов [8], [9]. Так, европейские компании Zenergy Power и Converteam в сфере ветроэнергетики совместно разработали генератор из высокотемпературных сверхпроводниковых материалов первого поколения, мощность которого 8 МВт, имеющий прямой привод от ветряной турбины. Синхронные генераторы при высоком крутящем моменте, использующие прямой привод, обладают низкой частотой вращения (~11 оборотов в минуту). Ветряная энергоустановка, имеющая мощность от 10 до 12 МВт, является исполинским сооружением с диаметром ротора 200 м, смонтированным на башне высотой 250 метров. Монтировать генератор массой в несколько тонн весьма сложная задача, поэтому использование генераторов, изготовленных из высокотемпературных сверхпроводников, значительно упрощает решение этой инженерно-технической задачи и удешевляет конструкцию ветроэнергетических установок большой мощности. Значительных успехов при конструировании генератора со сверхпроводящими ротором и статором добилась компания Kalsi Green Power Systems (Princeton, USA). В качестве сверхпроводящего материала второго поколения был предложен MgB₂ с рабочей температурой обмоток 15–20° К. Вес генератора составляет около 50 тонн, в отличие от других проектов, которые использовали ВТСП для изготовления только ротора, а статор реализовывался в традиционном исполнении, что придает конструкции достаточно большой вес и габарит. Институт Сверхпроводников и материалов электронной техники австралийского университета Вулонгонга разработал ветрогенератор, масса которого на 40% меньше массы ветрогенератора, выполненного из традиционных материалов. Отсутствие редуктора позволяет снизить расходы на эксплуатационные затраты и использование MgB₂ значительно снижает массу и сокращает стоимость ветряной установки. Использование ВТСП также решает вопрос повышения мощности ветрогенератора для наибольшей энергоэффективности при сохранении его массы и габаритов [7].

Компания General Electric, уже много лет работающая над разработкой и производством ветрогенераторов традиционного образца, исследовала на стадии проектирования экономическую обоснованность сверхпроводникового ветрогенератора. Результаты исследования были таковы, что при 95% эффективности, полные потери в установке составят 501 кВт.

 

Рис. 1 – Схема ветрогенератора мощностью 10 МВт (компания General Electric)

Таким образом, был спроектирован ветрогенератор (см. рисунок 1), для изготовления обмоток ротора которого предложен сверхпроводящий материал NbTi длиной 720 км и массой проводника, равной 3840 кг. По предварительным прогнозам произведенная электроэнергия таким генератором будет на 15% выше, чем полученная от традиционных ветроэлектрических установок.

Один из проектов ветрогенераторов «Sea Titan» (см. рисунок 2) выполненный из высокотемпературных сверхпроводящих материалов второго поколения ReBa₂Cu₃O₇ был предложен компанией American Superconductor в 2008 году (Re – редкоземельный элемент).

В качестве охлаждения высокотемпературных сверхпроводящих обмоток ротора, были предложены к использованию криокулеры на цикле Гиффорда-Макмагона. Предполагается, что такой ветрогенератор прослужит не менее 30 лет без проведения капитального ремонта. Для изготовления понадобится ВТСП провод длиной 36 км. Для обмоток статора и ротора ветрогенератора с мощностью 10 МВт, разрабатываемого компанией Kalsi Green Power System, предложен к использованию ВТСП из диборида магния с рабочей температурой 200К.

При этой температуре критический ток для проводника диаметром 0,83 мм составит 465 А. Охлаждение обмоток будет производиться по двухступенчатой схеме криокулеров путём теплообмена с газом, в качестве которого предлагается гелий. Системы охлаждения статора и ротора являются независимыми.

Рис. 2 – Сверхпроводниковый ветрогенератор «Sea Titan»

 

При оценке обобщённых параметров можно утверждать, что ветрогенератор, изготовленный на основе MgB_2, по экономическим и техническим характеристикам является одним из лучших ветрогенераторов среди ВТСП ветрогенераторов с прямым приводом. При этом всего лишь около 4% от общего веса составит вес криогенного оборудования [3].

Рис. 3 – Первый в мире синхронный ветрогенератор мощностью 1 МВ∙А с обмотками из ВТСП второго поколения

 

Таблица 1 – Основные характеристики синхронного ВТСП ветрогенератора

Номинальная мощность, кВ∙А	1000
Номинальное напряжение, В (линейное/фазное)	1195/690
Номинальная частота вращения, мин-1	600
Номинальная частота, Гц	50
Номинальный момент, Н∙м	16000
Номинальный ток статора, А	500
Диаметр расточки, мм2	800
Активная длина, мм	400
Коэффициент мощности	0,99
Коэффициент полезного действия	0,99

 

В России также ведутся исследования в области создания ВТСП электромеханических преобразователей и другого электрооборудования с применением ВТСП. В Московском авиационном институте в 2015 году были закончены работы по проектированию, сборке и испытанию работы всех систем ВТСП генератора с замкнутой системой криогенного обеспечения (см. рисунок 3). В таблице 1 представлены основные характеристики генератора. Разработанный ВТСП генератор, действительно отличается исключительными характеристиками. Основная область применения такого генератора – это ветроэнергетические установки, используемые для автономного питания технологических процессов сельскохозяйственных объектов [4].

Заключение

Исходя из вышеизложенного, можно сделать следующий вывод: при сравнении механических, электрических и магнитных характеристик электрических машин, изготовленных из сверхпроводящих материалов с электрическими машинами классического исполнения, можно отметить значительное превосходство машин из сверхпроводящих материалов по данным характеристикам. Сами машины становятся доступными по цене, сверхпроводниковые ветрогенераторы обладают значительно меньшими массой, габаритами, большей устойчивостью к перегрузкам, а также вдвое меньшими потерями. За счёт этого ветряные генераторы прямого привода, выполненные из высокотемпературных сверхпроводников, имеют более высокий КПД при значительно меньших габаритах и стоимости по сравнению с классическими генераторами, что делает их незаменимыми для использования в отдаленных хозяйствах аграрной промышленности [3].

Благодарности Авторы выражают благодарность и глубокую признательность своим научным руководителям Копылову Сергею Игоревичу и Шаврову Александру Васильевичу за все наставления, советы и знания, которые Вы передали нам. Глубоко сожалеем, что Вы ушли так рано.	Acknowledgement The authors express their deep gratitude to their supervisors Sergey Igorevich Kopylov and Alexander Vasilyevich Shavrov for all the instructions, advice, knowledge that you have passed on to us. We are deeply sorry that you are gone too soon.
Конфликт интересов Не указан.	Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. МакаренкоН. Высокотемпературные сверхпроводники и эра электросамолетов [Электронный ресурс] / Н. Макаренко // Наука и техника. – 2020. – URL: https://naukatehnika.com/vysokotemperaturnye-sverxprovodniki.html (дата обращения: 21.04.2021).
2. ПокровскийД. В. Применения высокотемпературных сверхпроводников в энергетике [Электронный ресурс] / Д. В. Покровский // ВИНИТИ РАН. – 2020. – URL: https://pue8.ru/elektrotekhnik/624-nekotorye-aspekty-primeneniya-vysokotemperaturnykh-sverkhprovodnikov-v-energetike.html (дата обращения: 21.04.2021).
3. БупежановаА. Б. Применение высокотемпературной сверхпроводимости в ветроэнергетике [Электронный ресурс] / А. Б. Бупежанова, И. В. Захаров, Т. С. Калин // Молодой ученый. – 2016. – № 7 (111). – С. 44-49. – URL: https://moluch.ru/archive/111/27281/ (дата обращения: 14.05.2021).
4. ЗингерМ. А. Ветроэнергетические установки с использованием высокотемпературной сверхпроводимости [Электронный ресурс] / М. А. Зингер, К. В. Клементьева, И. В. Захаров // Молодой ученый. – 2016. – № 14 (118). – С. 142-146. – URL: https://moluch.ru/archive/118/32856/ (дата обращения: 21.04.2021).
5. БубенчиковА. А. Экологическая экспертиза ветроэнергетической установки [Электронный ресурс] / А. А. Бубенчиков, Н. Г. Демидова, Н. Г. Мальков // Молодой ученый. – 2016. – № 28.2 (132.2). – С. 31-35. – URL: https://moluch.ru/archive/132/37006/ (дата обращения: 22.04.2021).
6. ЗакировИ. В. Автономная ветроэлектростанция с комбинированным аккумулированием энергии для сельскохозяйственных объектов : дисс. на соиск. ученой степени канд. тех. наук : 05.20.02 : защищена 09.12.2016 / Закиров Илья Валерьевич. – Зерноград, 2016. – 135 с.
7. ПаршинН. И. Современные регуляторы возбуждения турбогенераторов / Н. И. Паршин, А. А. Переверзев // Ресурсосберегающее энергетическое оборудование и машины для производства сельскохозяйственной продукции: материалы международной заочной научно-практической конференции 23 мая 2018 г., Балашиха / М-во сельского хозяйства Рос. Федерации, Федер. гос. бюджет. образоват. учреждение высш. образования «Российский гос. аграрный заочный ун-т». – Балашиха, 2018. – С. 186-191.
8. ЗакабунинА. В. Асинхронные многоскоростные полюсопереключаемые генераторы в автономных ветроэнергетических установках средней полосы России / А. В. Закабунин // Вестник Российского государственного аграрного заочного университета. – 2015. – № 19 (24). – С. 45-49.
9. МамедовФ. А. Использование асинхронных многоскоростных полюсопереключаемых генераторов в автономных ветроэнергетических установках / Ф. А. Мамедов, А. В. Закабунин, А. Е. Гуреев А.Е. и др. // Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве:  материалы VI международной научно-технической конференции 13-14 мая 2008 г., Москва / Федеральное агентство научных организаций, Федер. гос. бюджет. научное учреждение «Всероссийский научно-исслед. институт электрификации сельского хозяйства». – М., 2008. – Т. 4. – С. 338-340.
10. ЗакабунинА. В. Совершенствование управления режимами работы асинхронных полюсопереключаемых двигателей сельскохозяйственных механизмов : дисс. на соиск. ученой степени канд. тех. наук : 05.20.02 : защищена 11.09.2002 / Закабунин Александр Викторович. – Москва, 2002. – 160 с.
11. ПоповаМ. В. Перспективы использования токоограничивающего устройства с применением сверхпроводниковых материалов / М. В. Попова, А. А. Переверзев // General question of world sience: материалы международной научно-практической конференции 30 марта 2021 г. – Брюссель, 2021.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Makarenko N. Vysokotemperaturnye sverhprovodniki i jera jelektrosamoletov [High-temperature superconductors and an era of electric aircraft] [Electronic resource] / N. Makarenko // Nauka i tehnika. – 2020. – URL: https://naukatehnika.com/vysokotemperaturnye-sverxprovodniki.html (accessed: 21.04.2021). [in Russian]
2. Pokrovskij D. V. Primenenija vysokotemperaturnyh sverhprovodnikov v jenergetike [Applications of high-temperature superconductors in power engineering] [Electronic resource] / D. V. Pokrovskij // VINITI RAN. – 2020. – URL: https://pue8.ru/elektrotekhnik/624-nekotorye-aspekty-primeneniya-vysokotemperaturnykh-sverkhprovodnikov-v-energetike.html (accessed: 21.04.2021). [in Russian]
3. Bupezhanova A. B. Primenenie vysokotemperaturnoj sverhprovodimosti v vetrojenergetike [Application of high-temperature superconductivity in wind industry] [Electronic resource] / A. B. Bupezhanova, I. V. Zaharov, T. S. Kalin // Molodoj uchenyj. – 2016. – № 7 (111). – P. 44-49. – URL: https://moluch.ru/archive/111/27281/ (accessed: 14.05.2021). [in Russian]
4. Zinger M. A. Vetrojenergeticheskie ustanovki s ispol'zovaniem vysokotemperaturnoj sverhprovodimosti [Wind power plants using high-temperature superconductivity] [Electronic resource] / M. A. Zinger, K. V. Klement'eva, I. V. Zaharov // Molodoj uchenyj. – 2016. – № 14 (118). – P. 142-146. – URL: https://moluch.ru/archive/118/32856/ (accessed: 21.04.2021). [in Russian]
5. Bubenchikov A. A. Jekologicheskaja jekspertiza vetrojenergeticheskoj ustanovki [Environmental due diligence of a wind power plant] [Electronic resource] / A. A. Bubenchikov, N. G. Demidova, N. G. Mal'kov // Molodoj uchenyj. – 2016. – № 28.2 (132.2). – P. 31-35. – URL: https://moluch.ru/archive/132/37006/ (accessed: 22.04.2021). [in Russian]
6. Zakirov I. V. Avtonomnaja vetrojelektrostancija s kombinirovannym akkumulirovaniem jenergii dlja sel'skohozjajstvennyh ob’ektov [Autonomous wind farm with combined energy storage for agricultural facilities] : dissertation for the degree of PhD in Engineering : 05.20.02 : defense of the thesis 09.12.2016 / Zakirov Il'ja Valer'evich. – Zernograd, 2016. – 135 p. [in Russian]
7. Parshin N. I. Sovremennye reguljatory vozbuzhdenija turbogeneratorov [Modern regulators of turbine generators excitation] / N. I. Parshin, A. A. Pereverzev // Resursosberegajushhee jenergeticheskoe oborudovanie i mashiny dlja proizvodstva sel'skohozjajstvennoj produkcii: materialy mezhdunarodnoj zaochnoj nauchno-prakticheskoj konferencii 23 maja 2018 g. [Resource-saving energy equipment and machines for the production of agricultural products: Materials of the international correspondence scientific and practical conference], Balashiha / M-vo sel'skogo hozjajstva Ros. Federacii, Feder. gos. bjudzhet. obrazovat. uchrezhdenie vyssh. obrazovanija «Rossijskij gos. agrarnyj zaochnyj un-t» [Ministry of Agriculture of the Russian Federation, Federal State-Funded Educational Institution of Higher Education “Russian State Agrarian Correspondence University”]. – Balashiha, 2018. – pp. 186-191. [in Russian]
8. Zakabunin A. V. Asinhronnye mnogoskorostnye poljusoperekljuchaemye generatory v avtonomnyh vetrojenergeticheskih ustanovkah srednej polosy Rossii [Asynchronous multi-speed pole-switched generators in autonomous wind power plants in central Russia] / A. V. Zakabunin // Vestnik Rossijskogo gosudarstvennogo agrarnogo zaochnogo universiteta [Bulletin of the Russian State Agrarian Correspondence University]. – 2015. – № 19 (24). – P. 45-49. [in Russian]
9. Mamedov F. A. Ispol'zovanie asinhronnyh mnogoskorostnyh poljusoperekljuchaemyh generatorov v avtonomnyh vetrojenergeticheskih ustanovkah [The use of asynchronous multi-speed pole-switched generators in autonomous wind power plants] / F. A. Mamedov, A. V. Zakabunin, A. E. Gureev A.E.et al // Jenergoobespechenie i jenergosberezhenie v sel'skom hozjajstve: materialy VI mezhdunarodnoj nauchno-tehnicheskoj konferencii 13-14 maja 2008 g. [Energy supply and energy saving in agriculture: Materials of the VI international scientific and technical conference 13-14 May 2008], Moskva / Federal'noe agentstvo nauchnyh organizacij, Feder. gos. bjudzhet. nauchnoe uchrezhdenie «Vserossijskij nauchno-issled. institut jelektrifikacii sel'skogo hozjajstva» [Federal Agency for Scientific Organizations, Federal State Budgetary Institution of Science “All-Russian Research Institute for the Electrification of Agriculture”]. – Moscow, 2008. – V. 4. – pp. 338-340. [in Russian]
10. Zakabunin A. V. Sovershenstvovanie upravlenija rezhimami raboty asinhronnyh poljusoperekljuchaemyh dvigatelej sel'skohozjajstvennyh mehanizmov [Improving the control of operating modes of asynchronous pole-switched motors of agricultural machinery] : dissertation for the degree of PhD in Engineering : 05.20.02 : defense of the thesis 11.09.2002 / Zakabunin Aleksandr Viktorovich. – M., 2002. – 160 p. [in Russian]
11. Popova M. V. Perspektivy ispol'zovanija tokoogranichivajushhego ustrojstva s primeneniem sverhprovodnikovyh materialov [Perspectives for the use of a current-limiting device using superconducting materials] / M. V. Popova, A. A. Pereverzev // General question of world sience: materialy XIII mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii 30 marta 2021 g. [General question of world sience: Materials of the XIII international scientific and practical conference 30th of March 2021]. – Brjussel', 2021. [in Russian]