SupraGenSys - design, optimization and evaluation of energy-efficient, superconducting generator systems. Sub-project: Siemens AG. Final report
Description
In view of the development of a wind turbine with fully superconducting HTS generator, various generator concepts were investigated in detail for a wide variety of parameters. The development of superconducting AC windings for the stator was new territory. The calculation of the AC losses in the superconducting HTS stator played an important role. The results from analytical calculations for various generator concepts were used to verify numerical calculations by the partner KIT. In this way, validated results could be made available for further use at the partner Fraunhofer IEE, which in turn found their way into the design tool for wind turbine generators. The challenge was to optimize generator design to reduce AC losses at low temperatures in order to enable economical operation. The influence of harmonics on the AC losses in the HTS conductor of the stator was also investigated in more detail. A simplified formula for AC losses caused by harmonics was derived, which is now used at Fraunhofer IEE to find optimized combinations of machine and converter designs. Investigations of the AC losses for operating temperatures below 65 K down to 30 K showed greatly reduced AC losses. This significantly expanded the possible design space for optimizing fully superconducting HTS machines for wind turbines and led to a new concept (basic draft 2) finally. Analytical assessments of the economic viability of cooling converters and semiconductors at cryogenic temperatures had shown that this originally envisaged approach is not promising. So, this route could be classified as not promising relatively early in the project through a qualified basic analysis. The joint project could only be carried out through close, interdisciplinary cooperation between experts with superconductor and cryogenic expertise, component development, machine design and system integration. Despite the close interlinking of the partners, independent reports on the sub-projects were created. The overall result of the joint project, in which many contributions from the various partners have been incorporated, is presented in detail in the report by the project coordinator (Fraunhofer Institute for Energy Economics and Energy System Technology IEE).
Abstract (German)
Im Hinblick auf die Entwicklung einer Windkraftanlage (WEA) mit vollsupraleitendem HTS-Generator wurden verschiedene Generatorkonzepte f#Latin Small Letter U With Diaeresis#r verschiedenste Parameter detailliert untersucht. Neuland war die Entwicklung supraleitender AC-Wicklungen f#Latin Small Letter U With Diaeresis#r den Stator. Eine wesentliche Rolle spielte dabei die Berechnung der AC-Verluste im supraleitenden HTS-Stator. Die Ergebnisse aus analytischen Berechnungen f#Latin Small Letter U With Diaeresis#r verschiedenste Generatorkonzepte dienten zur Verifikation von numerischen Berechnungen des Partners KIT. So konnten validierte Ergebnisse f#Latin Small Letter U With Diaeresis#r die weitere Verwendung beim Partner Fraunhofer IEE bereitgestellt werden, die wiederum Eingang in das Auslegungstool f#Latin Small Letter U With Diaeresis#r Windkraftanlagengeneratoren fanden. Herausfordernd war die Optimierung des Generatordesigns zur Reduktion der AC-Verluste bei tiefen Temperaturen, um einen wirtschaftlichen Betrieb zu erm#Latin Small Letter O With Diaeresis#glichen. Auch der Einfluss von Oberwellen auf die AC-Verluste im HTS-Leiter des Stators wurde n#Latin Small Letter A With Diaeresis#her untersucht. Es wurde eine vereinfachte Formel f#Latin Small Letter U With Diaeresis#r durch Oberwellen verursachte AC-Verluste abgeleitet, die nun bei Fraunhofer IEE dazu dient, optimierte Kombinationen aus Maschinen- und Umrichter-Designs zu finden. Untersuchungen der AC-Verluste f#Latin Small Letter U With Diaeresis#r Betriebstemperaturen unter 65 K bis zu 30 K zeigten stark verringerte AC-Verluste. Damit wurde der m#Latin Small Letter O With Diaeresis#gliche Designraum zur Optimierung vollsupraleitender HTS-Maschine f#Latin Small Letter U With Diaeresis#r WEA nochmals deutlich erweitert und f#Latin Small Letter U With Diaeresis#hrte schlie#Latin Small Letter Sharp S#lich zu einem neuen Konzept (Basisentwurf 2). Analytische Absch#Latin Small Letter A With Diaeresis#tzungen zur wirtschaftlichen Sinnhaftigkeit der K#Latin Small Letter U With Diaeresis#hlung von Umrichtern und Halbleitern bei kryogenen Temperaturen hatten gezeigt, dass dieser urspr#Latin Small Letter U With Diaeresis#nglich angedachte Weg nicht erfolgversprechend ist. So konnte bereits relativ fr#Latin Small Letter U With Diaeresis#hzeitig im Projekt diese Route durch eine qualifizierte Grundlagenbetrachtung als nicht erfolgversprechend eingeordnet werden. Das Verbundvorhaben war nur durch eine enge, interdisziplin#Latin Small Letter A With Diaeresis#re Zusammenarbeit von Experten mit Supraleiter- und Kryoexpertise, Komponentenentwicklung, Maschinendesign und Systemintegration durchzuf#Latin Small Letter U With Diaeresis#hren. Trotz der engen Verzahnung der Partner wurden unabh#Latin Small Letter A With Diaeresis#ngige Berichte zu den Teilvorhaben erstellt. Das Gesamtergebnis des Verbundvorhabens, in das viele Beitr#Latin Small Letter A With Diaeresis#ge der verschiedenen Partner eingeflossen sind, wird im Bericht des Projektkoordinators (Fraunhofer-Institut f#Latin Small Letter U With Diaeresis#r Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik IEE) ausf#Latin Small Letter U With Diaeresis#hrlich dargestellt.Additional details
Additional titles
- Original title (German)
- SupraGenSys - Entwurf, Optimierung und Bewertung von energieeffizienten, supraleitenden Generatorsystemen. Teilvorhaben: Siemens AG. Abschlussbericht
Publishing Information
- Imprint Pagination
- 61 p.
INIS
- Country of Publication
- Germany
- Country of Input or Organization
- Germany
- Subject category
- S42: ENGINEERING; S75: CONDENSED MATTER PHYSICS, SUPERCONDUCTIVITY AND SUPERFLUIDITY;
- Resource subtype / Literary indicator
- Non-conventional Literature
- Descriptors DEI
- AC LOSSES; ENERGY SYSTEMS; OPTIMIZATION; SEMICONDUCTOR MATERIALS; STATORS; SUPERCONDUCTING GENERATORS; SUPERCONDUCTORS; TEMPERATURE RANGE 0065-0273 K; WIND TURBINES
- Descriptors DEC
- ELECTRIC GENERATORS; ELECTRICAL EQUIPMENT; ENERGY LOSSES; EQUIPMENT; LOSSES; MACHINERY; MATERIALS; ROTATING GENERATORS; SUPERCONDUCTING DEVICES; TEMPERATURE RANGE; TURBINES; TURBOMACHINERY
Optional Information
- Contract/Grant/Project number
- Foerderkennzeichen BMWK 03EE3010B
- Funding organization
- Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK), Bonn (Germany)