Design of a superconducting DC wind generator

The trend towards larger power ratings of wind turbines asks for innovations in power generation, which requires lower weight and cost, smaller size, higher efficiency and reliability. Due to high current-carrying capability and no DC losses of superconductors, a superconducting wind generator can have a superior power to weight/volume ratio with high efficiency. The work in the book mainly focuses on the feasibility study and design of a superconducting DC wind generator

Design of a superconducting DC wind generator

Offshore wind energy has received a lot of interest as one important renewable energy source. One promising way to reduce the Levelized Cost of Electricity (LCOE) of offshore wind energy is by developing large wind farms and turbines with large ratings. The average wind turbine size has reached 4.2 MW in 2015 and turbine sizes of 6-8 MW have already been seen in the wind market. Even larger turbine sizes are managing to pave their way from studies to market. The trend towards larger ratings and more offshore installations asks for innovations in power generation, which requires lower weight and cost, smaller size, higher efficiency and reliability. Due to the high current-carrying capability and no DC losses of the superconductors, superior power to weight/volume ratio with high efficiency of a superconducting generator can be achived. Moreover, direct current (DC) transmission has been put forward for the offshore wind farms mainly due to the overall economic benefit, as they are located far away from the land. Hence, this thesis introduces a DC generation and transmission scheme which consists of superconducting DC wind generators and superconducting DC cables as a possible technical solution. This enables a highly efficient and compact generator and in addition a new and also very efficient generator connection scheme at DC. The work presented in the thesis focuses on the feasibility study and design of a superconducting DC wind generator. In part, an optimisation method will be developed by taking superconducting tape length (cost), mass, volume, and efficiency into a simplified objective function. All necessary analytical equations will be derived to connect the electromagnetic design and mechanical design with properties of the superconducting tapes and iron materials. To increase the design accuracy, analytical equations to calculate flux density distribution in the superconducting DC generator will be verified by finite element analysis. Not only the active parts but also inactive structural materials will be included in the mass calculation. Based on the design method, the design of a 10 kW superconducting DC generator demonstrator will be described. The losses of the demonstrator and its commutation, torque and efficiency at different wind speeds will be addressed. As first steps towards the demonstrator, properties of key components, superconducting tapes, iron materials and a superconducting coil, will be tested and characterized. Moreover, a preliminary test of a superconducting coil at 77 K will be completed. In order to identify the potientials that a large scale superconducting DC wind generator could offer, a 10 MW superconducting DC generator will be designed and a comparison with conventional synchronous generators will be made. Additionally, this work will also discuss the savings of HTS tapes by optimizing outer rotor diameter, pole pair number, and superconducting coil height, which contribute to a more competitive alternative to conventional generators

Development and test of a technology wind generator demonstrator with no insulation field coils applying high temperature superconductors

Der steigende Bedarf an günstigen, erneuerbaren Energiequellen verursacht eine anhaltende Entwicklung hin zu Windkraftanlagen höherer Leistungsklassen. Generatoren dieser Leistungsklassen sind meist besonders schwer und weisen erhöhte Anforderungen bezüglich des Bauraums auf. Supraleitende Materialien mit ihrer hohen Stromtragfähigkeit und nicht vorhandenen Gleichstromverlusten, zeigen das Potential einer erhöhten Leistungsdichte von elektrischen Maschinen hinsichtlich Gewicht und Volumen. Diese Arbeit stellt deshalb die Entwicklung und den Test eines Generator-Technologiedemonstrators mit Felderregerspulen, bestehend aus Hochtemperatur-Supraleitern, vor. Für eine verbesserte elektrische und thermische Stabilität sind die supraleitenden Spulen als nicht-isolierte Spulen ausgeführt und verfügen deshalb über keine elektrische Isolation zwischen den Spulenwindungen. Die grundsätzlichen Ausführungsformen supraleitender elektrischer Maschinen im Hinblick auf den Einsatz in Windkraftanlagen werden vorgestellt. Dabei werden insbesondere die Ausführung ferromagnetischer Komponenten, die Verwendung der supraleitenden Materialien im stationären und rotierenden Teil der Maschine als auch das kryogene Kühlsystem behandelt. Auf Grundlage dieser Vorüberlegungen wird das Design eines partiell supraleitenden Synchrongenerators mit stationären, supraleitenden Felderregerspulen und einer normalleitenden, rotierenden Drehstromwicklung gewählt. Das Statoreisen ist dabei als vom kryogenen System entkoppeltes warmes Eisen realisiert und sowohl Statoreisen als auch Rotoreisen sind als Luftspaltwicklungen ausgeführt und weisen keine ausgeprägten ferromagnetischen Nuten auf. Die Kühlung der supraleitenden Spulen und Subkomponenten erfolgt mittels eines direkten, leitungsgekühlten kryogenen Kühlsystems im Stator der Maschine. Basierend auf der gewählten Ausführungsform der elektrischen Maschine wird ein detailliertes elektromagnetisches, thermisches und mechanisches Design eines Generator-Technologiedemonstrators erarbeitet. Hierbei wird nicht nur die Wechselwirkung der genannten physikalischen Domänen untereinander, sondern auch die grundsätzliche praktische Umsetzbarkeit berücksichtigt. Im Rahmen dieser Arbeit kommen Hochtemperatur-Supraleiter von zwei verschiedenen Herstellern zum Einsatz, die beide hinsichtlich der Verwendung in den supraleitenden Spulen des Generators vorcharakterisiert werden. Insgesamt werden 14 supraleitende Generatorspulen hergestellt und erfolgreich bezüglich ihrer supraleitenden Eigenschaften und dem aufgrund der fehlenden Windungsisolation besonderen dynamischen Verhaltens in Flüssigstickstoff bei 77 K getestet. Zusätzlich wird in einem speziellen labortechnischen Aufbau die leitungsgekühlte Anbindung von zwei Spulen für Temperaturen unterhalb von 77 K untersucht. Zwölf Felderregerspulen werden zu einem sechspoligen Spulensystem mit sich ausbildenden, alternierenden magnetischen Polen zusammengefügt. Das Spulensystem, die Komponenten des kryogenen Kühlsystems, das Statoreisen sowie die mechanischen Stützstrukturen werden im Vakuumraum des Kryostaten installiert. In der kryogenen Umgebung im Stator des Generator Technologiedemonstrators wird das Spulensystem auf die angestrebte Betriebstemperatur von 30 K gekühlt und erfolgreich mit einem Nennstrom von 450 A betrieben

Fabrication of a scaled MgB2 racetrack demonstrator pole for a 10 MW direct drive wind turbine generator

Field windings made of MgB2 wires or tapes are considered for their potential to reduce volume, weight and cost of large offshore wind turbine generators. To gain experience of how to use this relatively new material in full-scale generators, tests of different winding methodologies and techniques are needed. In this paper, we describe in detail the steps used to wind a racetrack coil with a length of 1 m and a width of 0.5 m out of 4.5 km of MgB2 superconducting tape. The width corresponds to a full-scale pole of a 10 MW generator, whereas the length of the straight section is shorter than the corresponding full-scale pole. The coil was built up of 10 double pancake coils. Each double pancake coil was wet-wound using a semi-automatic winding process, where Stycast 2850 was applied directly to the MgB2 tape without any other dedicated electrical insulation. The strengths and weaknesses of the winding process are discussed and compared to the dry-winding method.acceptedVersio

Fabrication of a scaled MgB2 racetrack demonstrator pole for a 10 MW direct drive wind turbine generator

Field windings made of MgB2 wires or tapes are considered for their potential to reduce volume, weight and cost of large offshore wind turbine generators. To gain experience of how to use this relatively new material in full-scale generators, tests of different winding methodologies and techniques are needed. In this paper, we describe in detail the steps used to wind a racetrack coil with a length of 1 m and a width of 0.5 m out of 4.5 km of MgB2 superconducting tape. The width corresponds to a full-scale pole of a 10 MW generator, whereas the length of the straight section is shorter than the corresponding full-scale pole. The coil was built up of 10 double pancake coils. Each double pancake coil was wet-wound using a semi-automatic winding process, where Stycast 2850 was applied directly to the MgB2 tape without any other dedicated electrical insulation. The strengths and weaknesses of the winding process are discussed and compared to the dry-winding method.acceptedVersio