DE1539825B2

DE1539825B2 - Verfahren und Vorrichtung zur Freisetzung gespeicherter elektrischer Energie

Info

Publication number: DE1539825B2
Application number: DE1539825A
Authority: DE
Inventors: Gerard Paris Prost; Jean Clamart Sole
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1965-11-09
Filing date: 1966-10-24
Publication date: 1973-12-13
Also published as: DE1539825A1; ES333185A1; FR1464731A; GB1090529A; BR6684383D0; NL6615641A; BE688006A; SE315335B; CH464347A; IL26689A; US3479569A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Freisetzung elektrischer Energie, die in einem in sich geschlossenen Stromkreis aus einem supraleitenden Leiter gespeichert ist, wobei der Stromkreis zu einem bestimmten Zeitpunkt geöffnet wird, und auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Die Speicherung und Freisetzung elektrischer Energie kann in bekannter Weise mit Hilfe von Kondensatorbatterien erfolgen, die durch eine Speisespannungsquelle aufgeladen werden und die gespeicherte Energie in Form eines Entladestromes wieder abgeben. Ein wesentlicher Nachteil dieser Lösung besteht in der

ίο verhältnismäßig kleinen Energiemenge, die sich in einer Volumeinheit des Kondensators speichern läßt, ferner in der verhältnismäßig kurzen Speicherzeit, die sich aus den unvermeidlichen Leckstromverlusten in den Kondensatoren ergibt. Nachteilig ist weiterhin der ziemlich schlechte Wirkungsgrad, mit dem die Energie bei der Entladung der Kondensatoren wieder abgegeben wird. Ungünstig sind schließlich die im Entladestromkreis auftretenden Schwingungen.

Aus der französischen Patentschrift 1 337 251 ist es bekannt, elektrische Energie in einem supraleitenden Stromkreis zu speichern. Bei diesem Verfahren wird die in einer supraleitenden Spule gespeicherte Energie an einen äußeren Verbraucher abgegeben, der im Moment des Öffnens des die supraleitende Spule aufweisenden geschlossenen Stromkreis an die supraleitende Spule angeschlossen wird. Eine derartige Freisetzung von Energie hat sich aber als nur schwer durchführbar erwiesen. Im Übergangsbetrieb dieser bekannten Anordnung besteht vom Öffnen des supraleitenden Stromkreises ab die Gefahr, daß dieser seine supraleitenden Eigenschaften verliert. Die Schwankungen des Induktionsflusses in der supraleitenden Spule rufen nämlich eine größere Anzahl von örtlich begrenzten Übergängen vom normalleitenden in den supraleitenden Zustand wegen Überschreitung des die Supraleitung aufhebenden kritischen Magnetfelds hervor. Daraus ergibt sich, daß die supraleitende Spule zum normalleitenden Zustand zurückkehrt und einen großen Teil der Energie an den umgebenden Kryostaten anstatt an den Verbraucher abgibt. Dieses bekannte Verfahren ist also für die Freisetzung von Energie

wegen schnellerer Übergänge der oben beschriebenen Art kaum brauchbar.

Aus der französischen Patentschrift 1 363 496 ist eine supraleitende elektrische Spule zur dauernden Erzeugung eines starken Magnetfelds bekannt. Die Spule dient zur Magnetfelderzeugung. Daher ist die Abgabe der von ihr gespeicherten elektrischen Energie durch Störung ihres supraleitenden Zustands höchst unerwünscht.

Mit Hilfe dieser Anordnung soll bei einem unbeabsichtigen Übergang vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand verhindert werden, daß die gespeicherte große elektromagnetische Energie in unkontrollierter Weise, d. h. zu schnell, freigesetzt wird, so daß die Freisetzungsleistung die Spule selbst zerstört und auch deren Umgebung gefährdet.

Ausgehend von dem aus der französischen Patentschrift 1 337 251 bekannten Verfahren ist es Aufgabe der Erfindung, bei der Freisetzung der gespeicherten Energie in den Nutzstromkreis jeden Energieverlust im supraleitenden Stromkreis und in zur Stabilisierung dienenden Elementen möglichst zu vermeiden, so daß sich ein hoher Wirkungsgrad ergibt und sich die Energiefreisetzung schnell vollzieht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Nutzstromkreis mit einer den supraleitfähigen Leiter auf einem Teil seiner Länge bedecken-

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den metallischen Umhüllung, die gegenüber dem schiedlichen Material bestehen und mit der Umhül-Leiter im Normalleitungszustand einen kleinen elektri- lung selbst in Kontakt stehen oder nicht in Kontakt sehen Widerstand aufweist und die mit dem Leiter in stehen und magnetisch gekoppelt sein können. Vorelektrischem Kontakt steht, über Zuleitungen elektrisch zugsweise wird der den supraleitenden Stromkreis verbunden wird und daß der Stromkreis zu dem be- 5 bildende Leiter durch wenigstens einen Leiterdraht stimmten Zeitpunkt mittels eines in einer von der Um- gebildet, dessen Umhüllung aus einer Umwicklung hüllung nicht bedeckten Zone des Leiters angeord- metallischer Drähte besteht,
neten Unterbrechers geöffnet wird. Eine Weiterbildung der Erfindung besteht noch

Im folgenden wird der Ausdruck »Zustand der darin, daß der Leiter aus supraleitfähigen! Material

Supraleitfähigkeit« im Unterschied zum Ausdruck io auf einem Isolierstoffkern zu einer Spulenwicklung

»Normalzustand« verwendet. aufgewickelt ist, wobei die Windungen der Wicklung

Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungs- voneinander isoliert sind.

gemäßen Verfahrens mit einem Stromkreis aus einem In diesem Zusammenhang ist es bereits bekannt Leiter aus supraleitfähigem Material, der auf einem (vgl. französische Patentschrift 1 363 496), einen Leiter Teil seiner Länge eine metallische, normalleitende 15 aus einem supraleitenden Kern und einer nicht supraUmhüllung aufweist, die mit dem Leiter in elektrischem leitenden Umhüllung zu einer Spule aufzuwickeln.
Kontakt steht und gegenüber dem Widerstandswert Schließlich ist es in an sich bekannter Weise (vgl. des Leiters im Normalleitungszustand einen kleinen französische Patentschrift 1 363 496) vorteilhaft, daß elektrischen Widerstand besitzt, mit einem Unter- die Umhüllung mit einem elektrischen Isolierstoff brecher, der in einer von der Umhüllung nicht be- so überzogen ist.

deckten Zone des Leiters angeordnet ist, mit einer In der Zeichnung ist in Form eines schematischen Einrichtung zur Steuerung des Unterbrechers und mit Vertikalschnitts ein Ausführungsbeispiel einer zur Zuleitungen zur Einspeisung eines Stroms in den Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ge-Leiter ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, eigneten Vorrichtung dargestellt,
daß die Zuleitungen mit der Umhüllung des Leiters as Es sei zunächst daran erinnert, daß man supraverbunden sind und an einen äußeren Nutzstromkreis leitende Spulen bereits zur Erzeugung starker Magnetanschließbar sind. felder benutzt, indem man in diesen Speicherspulen

Zur Überführung des Leiterkreises in den Zustand einen Strom ohne Energieverlust fließen läßt. Um

der Supraleitfähigkeit dient ein an sich bekannter diese Spulen vor zerstörenden Wirkungen zu schützen,

kryostatischer Behälter (französische Patentschrift 30 die sich bei einem raschen, zufälligen Übergang einer

1 363 496), der mit verflüssigtem Gas gefüllt ist und lokalen Stelle des Kreises vom supraleitenden Zustand

in den der Leiter eintaucht. in den normalen Zustand ergeben können, versieht

Der im Leiterkreis vorgesehene Unterbrecher, der man diese Spulen mit einer metallischen äußeren Um-

in einer von der Umhüllung nicht bedeckten Zone an- hüllung, die mit dem Kreis im elektrischen Kontakt

geordnet ist, kann einen Heizwiderstand aufweisen, 35 steht und gegebenenfalls in sich kurzgeschlossen ist,

der einen Teil des Leiters umgibt und unter der Wir- so daß der supraleitende Kreis auf diese Weise einen

kung eines Hilfsstromes den Übergang des genannten Shunt aufweist; auf diese Weise ist es möglich, die im

Leiterteils vom supraleitenden Zustand zum Normal- Kreis zuvor gespeicherte Energie wieder abzuziehen

zustand bewirkt. und zu vernichten.

Ein durch einen Heizwiderstand gebildeter Unter- 40 Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren spielt dabrecher ist ebenfalls aus der ffanzösischen Patent- gegen die äußere metallische Umhüllung nicht wie bei schrift 1 363 496 bekannt. den bekannten Ausführungen die Rolle eines Schutzin einer anderen Ausführungsform kann der Unter- elementes für den Leiterkreis. Sie dient vielmehr als brecher in vorteilhafter Weise ein mechanischer Unter- Verbindungselement zwischen dem Speicherkreis und brecher sein, dessen voneinander trennbare Kontakte 45 dem Nutzkreis, dem sie praktisch die gesamte Energie-Supraleiter sind. menge zuführt, die vor dem Öffnen des Kreises und

Schließlich kann der Unterbrecher auch eine Ein- vor dem Übergang des Kreises (der durch einen berichtung aufweisen, die ein Magnetfeld erzeugen kann, sonderen Unterbrecher gesteuert wird) gespeichert ist. das größer ist als das kritische Magnetfeld des Leiters Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird der aus supraleitfähigen Material. Dieses kritische Magnet- 50 Leiterkreis, der die Speicherung elektrischer Energie feld ergibt sich aus der Temperatur und der Geometrie ermöglicht, durch eine Selbstinduktionsspule 1 gebildes Unterbrechers und aus der Art seines Materials. det, die auf einem zentralen Kern 2 aus Isoliermaterial Unterbrecher, die ein Magnetfeld erzeugen, das größer eine Wicklung bildet, ferner aus einem Leiterdraht 3 als das kritische Magnetfeld des in einem Leiterkreis aus elektrisch leitendem Material, das bei hinreichend angeordneten, als Unterbrecher wirkenden Supra- 55 niedriger Temperatur supraleitende Eigenschaften beleiters ist, sind an sich bekannt (französische Patent- sitzt. Die voneinander isolierten Windungen des Leiterschrift 1 400 682). drahtes 3 sind mit einer äußeren metallischen Umhül-

Um bei der Freigabe der gespeicherten Energie in lung 4 verbunden, die den Leiterdraht nur auf einem den Nutzkreis einen Energieverlust in der metallischen Teil seiner Länge umgibt und mit ihm im elektrischen äußeren Umhüllung des Leiters zu vermeiden und um 60 Kontakt steht; die Umhüllung wird durch ein Metall eine rasche Entladung mit hohem Wirkungsgrad zu guter Strom- und Wärmeleitfähigkeit gebildet. Vorermöglichen, weist die Umhüllung einen sehr niedri- zugsweise besteht die Umhüllung aus Kupfer oder gen ohmschen Widerstand bei der Betriebstemperatur Aluminium, wodurch ein Schutz des Leiters 3 gewährim kryostatischen Behälter auf. Zu diesem Zweck kann leistet ist und sich andererseits ein hinreichend kleiner die Oberfläche der Umhüllung durch Vergrößerung 65 ohmscher Widerstand ergibt, so daß beim Stromihrer Stärke oder durch Hinzufügen von Leiterdrähten durchgang keine starke Wärmeentwicklung und kein oder leitenden Schichten verstärkt werden, wobei großer Energieverlust auftritt. Die durch Erwärmung letztere aus demselben Material oder aus einem unter- der Umhüllung verlorene Energie ist in jedem Fall

gegenüber der im Leiterdraht 3 gespeicherten Energie vernachlässigt.

Ein guter elektrischer Kontakt zwischen dem Leiterdraht 3 und seiner metallischen Umhüllung 4 wird durch eine geeignete Ausbildung gewährleistet, beispielsweise durch Niederschlag des Umhüllungsmetalls auf dem Leiterdraht oder mittels eines Kabels, dessen Seele aus supraleitendem Material besteht und dessen Umhüllung durch mehrere Metalldrähte geStromkreis des Leiterdrahtes 3 im Zustand der Supraleitfähigkeit zu bewirken, bringt man den Unterbrecher 7 in den Öffnungszustand, indem man die Temperatur des Drahtes 3 im Bereich des Unter-5 brechers 7 über den kritischen Wert anhebt, bei dem der Leiterdraht seine Supraleitfähigkeit verliert. Dann wird progressiv ein Ladestrom Z₀ in der Spule 1 über die Zuleitungen 11 und 12 durch einen Stromgenerator 13 erzeugt. Der progressive Stromanstieg ist erfor-

bildet wird, die auf die Außenseite aufgewickelt sind. io derlich, um zufällige Veränderungen (Schaltvorgänge) Man kann ferner die Umhüllung in Form eines im Leiter kreis zu verhindern, ehe die gesamte zu speidichten Metallbandes ausführen, in das ein oder meh- chernde Energie übertragen ist.
rere supraleitende Drähte eingebettet sind. Für die Während der vom Generator gelieferte Strom z₀

Umhüllung des Leiterdrahtes wählt man zweckmäßig konstant gehalten wird, unterbricht man den Strom ein Metall, das mit Rücksicht auf den Einfluß des 15 im Widerstand 8, so daß der Unterbrecher 7 den

Stromkreis des Leiterdrahtes 3 durch Wiederherstellung der Supraleitfähigkeit im Bereich des Unter

Magnetfeldes der Spule einen sehr kleinen magnetischen Widerstand besitzt.

Die auf diese Weise gebildete Spule 1 wird in ein Volumen 5 von verflüssigtem Gas eingetaucht, insbe-

brechers 7 schließt. Auf diese Weise wird der Strom L

grenzt die im Stromkreis gespeicherte Energie W = —-

LiI aufrechterhalten. In diesem Ausdruck bezeichnet L die Selbstinduktivität des Kreises, d. h. der Spule 1 und des im Widerstand 8 liegenden Teiles des Stromkreises, dessen Selbstinduktivität auf Grund der Kon

sgefangen«. Man verringert dann allmählich den Wert sondere in flüssiges Helium, das in einem kryostati- so des vom Generator 13 gelieferten Stromes und trennt sehen Behälter 6 vorhanden ist. Der Leiterdraht 3 ist den Generator ab.

mittels eines Unterbrechers 7 in sich geschlossen. Sofern man die Spule 1 und den Unterbrecher 7 im

Dieser Unterbrecher 7 ist in derjenigen Zone des Zustand der Supraleitfähigkeit hält, kann man unbe-Leiterkreises angeordnet, in der keine äußere Umhüllung des Leiters vorhanden ist. Beim betrachteten 25
Ausführungsbeispiel wird der Unterbrecher durch eine
einfache Wicklung 8 eines Heizwiderstandes gebildet,
die einen Teil des Leiterdrahtes 3 umgibt und deren
Anschlüsse 9 und 10 außerhalb des Behälters 6 mit

einer nicht dargestellten Spannungsquelle verbunden 30 struktion sehr klein ist.
sind. Beim Stromdurchgang durch diesen Wider- Um schließlich die auf diese Weise gespeicherte

stand 8 wird Wärme entwickelt, die die Temperatur Energie wieder freizusetzen, verbindet man die Zudes Leiterdrahtes 3 im Bereich des Unterbrechers 7 leitungen 11 und 12 mit einem (nicht dargestellten) erhöht. Hierdurch verliert der Leiterdraht 3, der im Nutzkreis, der an derselben Stelle wie der zuvor verHinblick auf sein Material und die Temperatur, der 35 wendete Generator 13 angeordnet sein kann. Man er im flüssigen Helium ausgesetzt ist, supraleitende bringt dann mit Hilfe des Heizwiderstandes 8 erneut Eigenschaften besitzt, örtlich diese Supraleitfähigkeit den Unterbrecher 7 vom Zustand der Supraleitfähiginfolge des Stromdurchganges durch den Widerstand 8. keit in den Normalzustand, so daß der ohmsche Sobald der Stromdurchgang durch den Widerstand 8 Widerstand des Unterbrechers 7 stark ansteigt und unterbrochen wird, nimmt der Leiterdraht 3 auch in 40 der Strom i₀, der zunächst durch den geschlossenen diesem Bereich wieder seinen supraleitenden Zustand Unterbrecher 7 floß, nun über die elektrisch mit dem an. Der Widerstand 8 bildet daher einen Unterbrecher 7 Leiterdraht 3 verbundene Umhüllung 4 in den äußeren für den Stromkreis des Leiterdrahtes 3. Nutzkreis fließt. Die im Leiterdraht 3 im Zustand der

Die Enden der metallischen äußeren Umhüllung 4 Supraleitfähigkeit enthaltene Energie wird gleichzeitig sind mit Zuleitungen 11 und 12 verbunden, die aus 45 durch magnetische Kopplung und durch elektrischen dem Behälter 6 herausführen und mit Geräten ver- Kontakt auf die Umhüllung 4 übertragen und gelangt bunden sein können, die für die Durchführung des dann über die Zuleitungen 11 und 12 in den Nutzkreis. Verfahrens erf01 derlich sind. Die Enden der Zuleitun- Der Energieverlust im Unterbrecher 7 bei dieser gen 11 und 12 können vorzugsweise beispielsweise Energieübertragung ist wegen des hohen Widerdurch Festspannen an den Enden der Umhüllung 50 Standes, den dieser Unterbrecher verglichen mit den längs einer verhältnismäßig großen Fläche befestigt ihm parallelgeschalteten Impedanzen darstellt, ziemlich sein (die Größe der Fläche muß der erheblichen klein. Im Normalzustand ist der Widerstand des Unter-Stromdichte Rechnung tragen, die sich durch den brechers im Bereich der ohne Umhüllung ausgeführten nach außen geführten Nutzstrom ergibt). In dem be- Zone des Leiterdrahtes 3 maximal, so daß der durch sonderen Fall, in dem die Umhüllung durch Metall- 55 den Unterbrecher 7 fließende Strom praktisch verdrahte gebildet wird, die um den Leiterdraht gewickelt nachlässigbar gegenüber dem durch die Umhüllung werden, kann man eine direkte Verbindung mit den und die Anschlüsse 11 und 12 in den äußeren Nutz-Anschlüssen 11 und 12 vorsehen. Die Umhüllung 4 kreis fließenden Strom ist.

kann im übrigen vorteilhaft mit einem elektrischen Bei einer Spule, die durch vier parallelgeschaltete

Isoliermittel bedeckt werden, um Kurzschlüsse zwi- 60 Kabel gebildet wird, die ihrerseits aus je sieben parallelschen den einzelnen Windungen der Spule 1 zu ver- geschalteten Drähten bestehen, wobei die Spule einen

Innendurchmesser von 17 cm, einen Außendurchmesser von 19,7 cm, eine Länge von 4 cm und eine Selbstinduktivität von 2,3 mH besitzt, kann man eine Lade-65 Stromstärke von 1400 A zulassen und in 14 ms 95 % der gespeicherten Energie, d. h. 2250 Joule, freisetzen. Die Dichte der in einer solchen Spule gespeicherten Energie beträgt 7 Joule/cm³.

hindern. Wird als Material der Umhüllung Aluminium gewählt, so wird das Isoliermittel zweckmäßig durch Aluminiumoxyd gebildet, das durch leichte Oxydation der Umhüllungsoberfläche erzeugt wird.

Mit der vorstehend beschriebenen Vorrichtung wird das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt: Um zunächst die Speicherung elektrischer Energie im

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Freisetzung elektrischer Energie, die in einem in sich geschlossenen Stromkreis aus einem supraleitenden Leiter gespeichert ist, wobei der Stromkreis zu einem bestimmten Zeitpunkt geöffnet wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Nutzstromkreis mit einer den supraleitfähigen Leiter auf einem Teil seiner Länge bedeckenden metallischen Umhüllung, die gegenüber dem Leiter im Normalleitungszustand einen kleinen elektrischen Widerstand aufweist und die mit dem Leiter in elektrischem Kontakt steht, über Zuleitungen elektrisch verbunden wird und daß der Stromkreis zu dem bestimmten Zeitpunkt mittels eines in einer von der Umhüllung nicht bedeckten Zone des Leiters angeordneten Unterbrechers geöffnet wird.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem Stromkreis aus einem Leiter aus supraleitfähigem Material, der auf einem Teil seiner Länge eine metallische, normalleitende Umhüllung aufweist, die mit dem Leiter in elektrischem Kontakt steht und gegenüber dem Widerstandswert des Leiters im Normalleitungszustand einen kleinen elektrischen Widerstand besitzt, mit einem Unterbrecher, der in einer von der Umhüllung nicht bedeckten Zone des Leiters angeordnet ist, mit einer Einrichtung zur Steuerung des Unterbrechers und mit Zuleitungen zur Einspeisung eines Stroms in den Leiter, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitungen (11, 12) mit der Umhüllung (4) des Leiters (3) verbunden sind und an einen äußeren Nutzstromkreis anschließbar sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand der metallischen Umhüllung (4) durch Hinzufügung von Leiterdrähten verringert ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter (3) aus supraleitfähigem Material auf einem Isolierstoffkern (2) zu einer Spulenwicklung (1) aufgewickelt ist, wobei die Windungen der Wicklung voneinander isoliert sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dei den supraleitenden Stromkreis bildende Leiter durch wenigstens einen Leiterdraht gebildet wird, dessen Umhüllung aus einer Umwicklung metallischer Drähte besteht.

6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung mit einem elektrischen Isolierstoff überzogen ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Unterbrecher (7) ein mechanischer Unterbrecher ist, dessen voneinander trennbare Kontakte Supraleiter sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Unterbrecher (7) eine Einrichtung aufweist, die ein Magnetfeld erzeugen kann, das größer ist als das kritische Magnetfeld des Leiters aus supraleitfähigem Material.

9. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Unterbrecher (7) einen Heizwiderstand (8) aufweist.