Schwung-Energiespeicher-System mit supraleitenden Magnetlagern

Abstract

Schwungrad-Energiespeicher-Systeme (SES) sind in der Lage, zeitlich begrenzt anfallende Überschussenergie aufzunehmen, über einen gewissen Zeitraum zu speichern und im Bedarfsfall, ebenfalls wieder zeitlich begrenzt, abzugeben. Das in dieser Arbeit entwickelte System basiert auf einem neuartigen, passivmagnetischem Konzept zur Lagerung eines Rotors unter Verwendung von schmelztexturierten Hochtemperatursupraleitern (HTS). Die Pinning-Eigenschaften der 1986 von Bednorz und Müller entdeckten harten Typ II- Supraleiter ermöglichen eine technische Realisierung von Magnetlagern ohne aktiv-elektromagnetische Regelung. Die beiden herausragenden Eigenschaften, sehr geringe Reibungsverluste und die Möglichkeit des Betriebs im Hochvakuum, favorisieren supraleitende Magnetlager für den Einsatz in Schwungenergiespeichern. Darüberhinaus bieten diese Magnetlager eine erhöhte Sicherheit aufgrund ihres absolut passiven Charakters, was im Vergleich zu aktiven Magnetlagern einen besonderen Vorteil darstellt. Das Hauptaugenmerk bei der vorliegenden Entwicklung lag darauf, die Verluste während der Speicherzeit auf einen Minimum zu reduzieren. Dadurch wird der Energiewirkungsgrad gegenüber herkömmlichen Ausführungen deutlich verbessert. Ausgehend von der Entwicklung und Untersuchung der elektrischen Antriebsmaschine wurde ein Gesamtsystem entwickelt, welches die gesamtheitliche Bewertung einer neuartigen Technik ermöglicht und wichtige Erkenntnisse im Hinblick auf den praktischen Einsatz bringt.

This dissertation describes an integrated high speed flywheel system, which is especially designed for long-term stationary energy storage. The developments in the past show that a particularly critical component in this respect is the bearing. An alternative against conventional and active, i.e. electronically controlled magnetic bearings, are completely passive magnetic bearings employing High Temperature Superconductor (HTS). The discovery of the HTS by Bednorz and Müller in 1986 brought about great excitement in this field of superconductivity. The use of melt-textured HTS and permanent magnet configurations leads to absolutely passive devices, which can provide stable levitation of a flywheel rotor in horizontal and vertical direction and additional safety margins in comparison to active controlled magnetic bearings. The special characteristics, contactfree operation with nearly no friction and the possibility to use this type of bearing at ultra-high vacuum, favour it for applications in flywheel systems. The main objective of the presented development is to reduce the losses in the standby mode improving the overall performance particularly for long-term storage. Based on the experiences with the development and test of a homopolar synchronous machine, which transform the electrical energy to mechanical energy and back, the characterization and the development of different superconducting magnetic bearings and the complete flywheel system are described in this thesis.