DE69218430T2

DE69218430T2 - Energiespeichervorrichtung

Info

Publication number: DE69218430T2
Application number: DE69218430T
Authority: DE
Inventors: Peter Hanley; Ian Mcdougall
Original assignee: Oxford Instruments UK Ltd
Current assignee: Oxford Instruments UK Ltd
Priority date: 1991-06-19
Filing date: 1992-06-18
Publication date: 1997-10-23
Anticipated expiration: 2012-06-19
Also published as: GB9113223D0; WO1992022914A1; EP0590019A1; US5525949A; JP3324753B2; EP0590019B1; DE69218430D1; JPH06508479A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Energiespeichervorrichtung.
Es ist ausreichend bekannt, eine Energiespeichervorrichtung in der Form einer elektrischen Spule vorzusehen, wie dies zum Beispiel in der JP-A-52-90293 beschrieben ist. Typischerweise sind solche Speichervorrichtungen aus einem supraleitenden Draht hergestellt, um so die Speicherkapazität zu maximieren. Allerdings müssen, um eine große Speicherkapazität zu erreichen, große Vorrichtungen mit den zugeordneten Problemen einer Herstellung und Wartung und den Kosten aufgebaut werden. Ein anderes Beispiel ist in der US-A-4920095 beschrieben.
Es ist ausreichend bekannt, daß es möglich ist, einen großen Magneten aus einer Anzahl kleinerer Elemente zu synthetisieren. In dieser Hinsicht ist eine schachbrettartige Struktur aus keramischen Fliesen in der WO-A-89103581 beschrieben. Diese Struktur ist nicht zur Verwendung als eine Energiespeichervorrichtung geeignet, zum Beispiel aufgrund des Erfordernisses, plattenähnliche Geometrien zu verwenden, und da solche Fliesen dazu tendieren würden, die Induktanz durch Einstellen des Strompfads innerhalb einer Fliese zu minimieren, um so das Winden der Stromschleife durch magnetischen Fluß zu mininieren.
Die JP-A-63-277437 beschreibt die Verwendung von supraleitenden Vielfach-Ringen, die durch supraleitende Leiter in einer ringförmigen Anordnung verbunden sind. Dies ermöglicht eine Energieübertragung zwischen Ringen, sollte die Supraleitfähigkeit eines Rings zerstört werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung weist eine Energiespeichervorrichtung ein Feld aus elektrischen Spulen auf, die aus supraleitendem Material gebildet sind, wobei die Achsen der Spulen voneinander beabstandet und um eine gemeinsame Achse herum angeordnet sind, gekennzeichnet dadurch, daß die Spulen mit einer elektrischen Energieversorgung-derart verbunden sind, daß Arbeitsströme durch die Spulen in derselben Richtung in Bezug auf die gemeinsame Achse fließen, und wobei das supraleitende Material bei relativ hohen Temperaturen supraleitend ist.
Man hat herausgefunden, daß es möglich ist, eine praktische Energiespeichervorrichtung aufzubauen, unter Verwendung von bei relativ hoher Temperatur supraleitenden Materialien, und höhere Energiedichten zu erreichen, als es mit einer herkömmlichen einzelnen Spule derselben Dimensionen möglich ist, mit dem weiteren, überraschenden Vorteil, daß die Beanspruchungen, die in dem Feld hervorgerufen werden, geringer sind als in einer einzelnen Spule.
Die Verwendung eines Felds aus elektrischen Spulen ermöglicht, daß diese Spulen relativ leicht bei relativ hoher Temperatur aus supraleitendem Material hergestellt werden können, da nur kurze Längen des Leiters benötigt werden. Vorzugsweise sind die Spulen klein, die Radien bis zu etwa 10 cm besitzen. Ein besonderer Vorteil kleiner Spulen ist derjenige, daß es weniger wahrscheinlich ist, daß sie eine Beschädigung aufgrund einer thermischen Dehnung erleiden, die sich gewöhnlich "aufaddieren" und lokale Diskontinuitäten bewirken. In Bezug auf ein sprödes Material ist dies besonders wichtig, da eine Spur mit einem großen Durchmesser eine größere Wahrscheinlichkeit einer Erzeugung eines lokalen Fehlers besitzt. Weitere Vorteile umfassen Vereinfachungen der Aufnahme der elektromagnetischen Kräfte; die Fähigkeit, individuelle Spulen in verschiedenen Serien-/parallelen Anordnungen zu verbinden, was die Möglichkeit einer Flexibilität und Anpassung an unterschiedliche Lasterfordernisse und einer individuellen Steuerung zuläßt; und Ermöglichung unterschiedlicher Typen von Quench-Schutztechniken, die entwickelt werden können, was zuvor nicht für große, bei relativ hoher Temperatur supraleitende, Vorrichtungen erreicht worden ist.
Mit "relativ hoher Temperatur" bezieht man sich auf supraleitende Materialien, die nicht auf Temperaturen von flüssigem Helium gekühlt werden müssen. Typischerweise sind solche Materialien mindestens bei Temperaturen von flüssigem Stickstoff (77K) supraleitend. Beispiele sind bestimmte Keramiken und Oxide, zum Beispiel wie dies in der EP-A-0298461 offenbart ist.
Gemäß einem Beispiel sind die Spulen in einem hexagonalen Feld angeordnet und typischerweise ist auch eine zentrale Spule vorgesehen.
Einige Beispiele von Energiespeichervorrichtungen gemäß der Erfindung werden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden, in denen:-
Figur 1 zeigt eine schematische, perspektivische Ansicht eines Beispiels;
Figur 2 stellt die Variation in der Feldstärke in der radialen Richtung des Beispiels, das in Figur 1 gezeigt ist, dar;
Figur 3 stellt die Variation in dem Peak-Feid und dem zentralen Feld in Verbindung mit einer mathematischen Analyse basierend auf Stromringen dar; und
Figur 4 stellt die Art und Weise dar, in der sich das Peak-Feld um den Umfang einer Spule an der Kante des Felds variiert.
Die Energiespeichervorrichtung, die in Figur 1 dargestellt ist, weist ein Feld aus sechs äußeren, kleinen elektrischen Spulen 1-6 auf, die aus supraleitendem HTC-Draht hergestellt sind. Die Spulen 1-6 sind um eine kleine, zentrale Spule 7 eines ähnlichen Typs herum befestigt, wobei alle Spulen mit einer Formungseinrichtung 8, schematisch dargestellt in Figur 1, untergebracht sind. Jede Spule 1-7 ist aus 1000 amp-Windungen gebildet, besitzt einen äußeren Radius von 10 cm, einen inneren Radius von 9 cm und eine Länge von 2 cm. Jede ist parallel zu einer Zuführung an der rückwärtigen Ebene (nicht dargestellt) verbunden, die eine nützliche Redundanz in dem Fall eines Ausfallens einer der Spulen liefert. Figur 1 stellt in einer vergrößerten Form die Variation einer magnetischen Feldstärke um die Spulen 5, 7 dar. Figur 2 stellt die Variation in der Feldstärke in einer radialen Richtung von der Mitte der Spule 7 durch die Spule 5 dar.
Um die Erfindung zu untersuchen, hat man auf einem Computer ein hexogonales Feld aus Stromringen im Modell, und Felder und den Fluß und folglich die Induktanz erzeugt. Für dieses Modell hat man angenommen, daß die angenehmste Form einer elementaren Spule kreisförmig ist und daß diese in einem dicht gepackten, hexagonalen, planaren Feld angeordnet sind. Man hat das System mit einem Feld aus Ringen mit Radius r aufgebaut, die von deren nahesten Nachbarn durch die "Gitterkonstante a" entfernt sind, so daß gilt, a ≥ 2r. Ein solches System besitzt eine sechsfach gefaltete Symmetrie und das Modell erlaubt, daß benachbarte Spulen mit zunehmendem Abstand in Gruppen von sechs hinzugefügt werden. Um das Verhalten nahe der Kanten des Systems zu simulieren, können Nachbarn aüf einen Sektor von typischerweise 180º eingeschränkt werden.
Als ein Beispiel wurden Stromringe, jeder mit 10&sup5; Ampère-Windungen und mit einem Durchmesser von 52,6 mm, getrennt mit 60 mm zwischen den Mitten, in dem Modell verwendet. Figur 3 stellt nun dar, wie das zentrale Feld und das Peak-Feid bei einem Radius von 50 mm abnimmt, wenn die Zahl der Nachbarn, die in der Berechnung verwendet wird, erhöht wird. Offensichtlich besitzt eine Spule einer geeigneten Länge ein weniger extremens Verhältnis der Mitte zum Peak-Feid, allerdings dient das Ringmodell dazu, diesen Punkt zu erläutern.
An der Kante des Felds wird der Effekt der Nachbarn weniger und Figur 4 stellt die Art und Weise dar, wie sich das Peak-Feld um den Umfang einer Spule an der Kante des Felds variiert.
Um zu der Induktanz zu kommen, wurde der Fluß durch die elementaren Spulen durch numerische Integration berechnet. Um die Singularität an dem Radius des Rings zu vermeiden, wurde die Integration nur auf 95% des Radius ausgedeht.
Unter Annehmen des Stroms mit 100 A und der Zahl der Windungen mit 1000 beträgt die Induktanz der allgemeinen, elementaren Spule 37,6 µH und an der Kante der Spule 119,5 µH.
Der Flächenbereich, der durch die "Ein heitszelle" belegt ist, beträgt 0,866 a² = 1,25 x 10&supmin;²m². 100 solcher Elemente würden 1,25 m² eines Flächen bereichs mit einem Radius von 0,63 m belegen. Das Feld würde aus 28 Kanten-Spulen und 72 inneren Spulen bestehen, was eine Gesamtinduktanz von 6 mH ergibt.
Die Ringbeanspruchung in dem Leiter beträgt, unter der Annahme einer Stromdichte von 100 A/mm², 4,2 x 10&sup7; N/m², was insgesamt ohne zusätzliches Trägermaterial akzeptierbar ist.
Zum Vergleich wurden dieselben Berechnungen an einem einzelnen Ring mit 10&sup5; Ampère-Windungen und einem Radius vom 0,63 m durchgeführt. Dieser besaß ein viel niedrigeres Peak- und zentrales Feld (0,75T und 0,2T) und eine Induktanz von 2,4 mH. Bei derselben Stromdichte beträgt die Ringbeanspruchung 4,7 10&sup7;N/m².
Die Implikation hiervon ist diejenige, daß es mit einem Feld kleiner Spulen möglich ist, eine höhere Energiedichte zu erreichen (ein größeres Volumen eines Raums ist nahe zu den Windungen), während Beanspruchungen auf einem akzeptierbar niedrigen Niveau gehalten werden. Eine solche Technik ermöglicht deshalb eine hohe Feldleistung eines HTSC, so daß es für einen Energiespeicher verwertet werden kann. Die Kosten hierfür sind jedoch um so größer, je größer die Menge des Leiters ist, die benötigt wird. Allerdings kann dieser Nachteil dadurch verlagert werden, daß die Leiter einfacher herzustellen sind, einfacher zu schützen sind und sich selbst stützend sind.

Claims

1. Energiespeichervorrichtung, die ein Feld (8) aus elektrischen Spulen (1-7), die aus supraleitendem Material gebildet sind, aufweist, wobei die Achsen der Spulen voneinander beabstandet und um eine gemeinsame Achse herum angeordnet sind, gekennzeichnet dadurch, daß die Spulen (1-7) mit einer elektrischen Energieversorgung derart verbunden sind, daß Arbeitsströme durch die Spulen in derselben Richtung in Bezug auf die gemeinsame Achse fließen, und wobei das supraleitende Material bei relativ hohen Temperaturen supraleitend ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Spulen in einem hexagonalen Feld angeordnetsind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei eine zentrale Spule vorgesehen ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Spulen Radien geringer als oder gleich zu 10 cm besitzen.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Spulen parallel zu der Energieversorgung verbunden sind.