Entwicklung von supraleitenden Generatoren hoher Leistung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Mathias Noe
• Fachliche Zuordnung: Elektrische Energiesysteme, Power Management, Leistungselektronik, elektrische Maschinen und Antriebe
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 392069063

Die große Nachfrage nach sauberer Energie hat in den vergangenen 10 Jahren zu einem schnellen, anhaltenden Wachstum des Windenergiemarkes und aufgrund der beträchtlichen Raumressourcen und relativ hohen Stabilität zu einem Ausbau insbesondere der Offshore-Windenergie geführt. Die Offshore-Windindustrie rückt zunehmend in den Blickpunkt und es zeigt sich ein klarer Trend hin zu direkt angetriebenen Großwindkraftanlagen mit Leistungen von mehr als 10 MW mit dem Ziel die Kosten pro MW über den gesamten Lebenszyklus zu verringern. Da sich der sehr hohe Drehmomentbedarf direkt angetriebener Großwindkraftanlagen erheblich auf Gewicht und Volumen der Generatoren auswirkt, bedarf es dringend der Entwicklung elektrischer Maschinen mit hoher Drehmomentdichte. Supraleitende Maschinen bieten den Vorteil höherer Drehmomentdichten und besserer Wirkungsgrade und gelten als eine der besten Lösungen für Großwindkraftanlagen.Um die für Offshore-Großwindkraftanlagen geeignetste Struktur zu finden, wird in diesem Projekt eine umfassende Topologiestudie unter Einbeziehung von AC- und DC-Generatoren, rotierenden Anker- und Feldwicklungen, Transformatorkernen und Luftspulen, und vollständig supraleitenden oder hybriden Maschinen durchgeführt. Für supraleitende Spulen bzw. Materialien bieten Großwindkraftanlagen spezielle, schwierige Gegebenheiten, z.B. hohe magnetische Kräfte und starke Magnetfelder sowohl unter Normalbedinungen als auch bei Störzuständen. Deshalb steht u.a. die Untersuchung von Materialeigenschaften unter diesen Bedingungen im Fokus des Projekts. Zur Erleichterung der Analyse der Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit des Materials (Eisen und HTS) in komplexen Feldumgebungen wird ein analytisches Mehrfeldmodell des Materials erstellt. Materialforschung und Konstruktion finden parallel statt. Das gesamte Verfahren zur Bemessung der elektromagnetischen, mechanischen, thermischen und kältetechnischen Strukturen wird beschrieben und eine mehrdimensionale Optimierung, einschließlich der Maximierung der Drehmomentdichte und Minimierung des Verbrauchs der supraleitenden Maschine, durchgeführt. Einige Eigenschaften der elektrischen Ports, z.B. eine hohe elektromotorische Kraft und eine kleinere Reaktanz der supraleitenden Generatoren, können zudem einen sehr hohen Fehlerstrom verursachen und so eine große Herausforderung für die supraleitenden Spulen, den Generator und den Umrichter sein. Die physikalischen Größen und Merkmale der Ports, wie Strom, Spannung, Drehmoment und elektromagnetisches Spannungsfeld, werden sorgfältig analysiert und die Untersuchung von Verfahren zur Entwicklung hochzuverlässiger Konstruktionen und Hilfsschütze für HTS-Spulen und Generatoren beschrieben. Im Rahmen des Projekts sollen entscheidende Neuerungen für die Anwendung supraleitender Generatoren zur Erzeugung von Elektrizität durch Windenergie entwickelt werden. Eine erfolgreiche Umsetzung birgt erhebliche technologische, umweltrelevante und gesellschaftliche Vorteile.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: China
• Partnerorganisation: National Natural Science Foundation of China
• Kooperationspartner: Dr. Dawei Li; Professor Dr. Ronghai Qu
• Mitverantwortlich: Professor Dr.-Ing. Martin Doppelbauer