DE2920355C2

DE2920355C2 - Anordnung zum Speichern elektrischer Energie mit einer supraleitenden Spule

Info

Publication number: DE2920355C2
Application number: DE2920355A
Authority: DE
Inventors: Roger Prof. Ibaraki Boom; Masayoshi Prof. Tsuchiura Ibaraki Masuda
Original assignee: NATIONAL LABORATORY FOR HIGH ENERGY PHYSICS OOHOMACHI IBARAKI JP
Current assignee: NATIONAL LABORATORY FOR HIGH ENERGY PHYSICS OOHOMACHI IBARAKI JP
Priority date: 1978-05-29
Filing date: 1979-05-19
Publication date: 1991-06-27
Anticipated expiration: 1999-05-20
Also published as: FR2427722A1; JPS54154989A; FR2427722B1; DE2920355A1; GB2021881B; GB2021881A

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Speichern elektrischer Energie gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Die bekannte Anordnung, von de- die Erfindung ausgeht (vgl. die Literaturstelle CRYOGENICS. November 1977, Seiten 607 bis 612), besteht im Grundsatz aus einer supraleitenden Spule, einem ac-dc-Konverter und verschiedenen Schaltern. Der aus dem Stromnetz, insbesondere dem Wechselstromnetz kommende, gleichgerichtete Strom wird der supraleitenden Spule als Ladungsstrom zugeführt bis ein Maximalwert erreicht ist. Zu diesem Zeitpunkt wird das System insgesamt von dem Stromnetz getrennt und der Speicherstrom fließt dauernd in dem geschlossenen Kreis. Die Zeitkonstante dieses geschlossenen Kreises liegt bei etwa 10" s. Zwar wird der Speicherstrom über diese große Zeitkonstante geschwächt, man kann das aber ohne weiteres als permanent bezeichnen. Die Gesamtenergie ist innerhalb der Spule räumlich gespeichert und kann an das Stromnetz über den Konverter zurückgegeben werden, sobald das Stromnetz zusätzliche Leistung fordert. Eine solche supraleitende Anordnung entspricht funktionsmäßig etwa bekannten Wasser-Pumpespeicherwerken, die allerdings mit sehr geringen Wirkungsgraden von weniger als 65% arbeiten.

Ein Problem bei der bekannten Anordnung zum Speichern elektrischer Energie besteht darin, daß eine »Rückgabe« von Energie bzw. Leistung an das Stromnetz nicht immer beliebig möglich ist. Die Rückgabe von elektrischer Leistung an das Stromnetz kann nur bei entsprechenden Widerstandsverhältnissen erfolgen, also eben nur dann, wenn das Stromnetz wegen hoher Belastung außerordentlich niederohmig wird.

Unter bestimmten Umständen kann die Notwendigkeit auftreten, den in der supraleitenden Spule bzw. im Speicherkreis gespeicherten Strom schnellstmöglich abzuleiten, um ein Verdampfen des kostbaren flüssigen Heliums im Niedrigsttemperaturbehälter zu verhindern. Diese Notwendigkeit tritt schon auf, wenn sich die supraleitende Spule lediglich lokal erwärmt, beispielsweise indem die Stromdichte und die magnetische F'lußdichte bestimmte Werte überschreitet. Die supraleitende Spule wird dann blitzartig den supraleitenden Zustand verlassen, Joule'sche Wärme entsteht, explosionsartiges Verdampfen des flüssigen Heliums ist die Folge.

Um den voranstehend erläuterten Effekt zu verhindern, ist bei der bekannten Anordnung zum Speichern elektrischer Energie parallel zu der supraleitenden Spule und parallel zu dem Speicherstromschalter ein im Notfall einschaltbarer Schutzwiderstand geschaltet. Tritt ein zuvor erläuterter Notfall auf und ist eine Rückgabe der in der supraleitenden Spuie gespeicherten Energie an das Stromnetz in diesem Augenblick nicht möglich, so wird der Schutzwiderstand schnell eingeschaltet und der gespeicherte Strom wird über diesen

to Schutzwiderstand geführt. Dieser Schutzwiderstand befindet sich außerhalb des Nicdrigsttetnperaturbehälters, so daß die an ihm entstehende Joule'sche Wärme keine Probleme aufwirft.

Ist auch die sicherheitstechnische Seite mit der voran-

IS stehend erläuterten bekannten Lösung geklärt, so ist es doch höchst unbefriedigend, daß im Notfall die gesamte in der supraleitenden Spule gespeicherte Energie vernichtet werden muß.

Aus der DE-OS 15 89 670 ist es bekannt, zur Speicherung von magnetischer Energie eine supraleitende Spule in einem Niedrigstiemperaiurbchalter anzuordnen, wobei die supraleitende Spule aus zwei in Reihe geschalteten Teilspulen besteht. Bei dieser bekannten Einrichtung kommt es auf die Erzeugung eines gleichmäßigen magnetischen Feldes hoher Intensität an (vgl. insbesondere Patentanspruch 1 der DE-OS !5 89 670 und Seite 4. zweiter Absau der Beschreibung). Da der Blickwinkel dort die Speicherung magnetischer Energie ist. ist nicht beschrieben, wie die supraleitende Spule an ein elektrisches Stromnetz angeschlossen ist und ist insbesondere ein zu der supraleitenden Spule parallel geschalteter Speicherstromschallcr nicht vorgesehen. Auch sind den zweifelsohne vorhandenen supraleitenden Teilspulen irgendwelche anderen elektrischen Bauelemente nicht parallelgeschaltet. Die Reihenschaltung der bekannten supraleitenden Teilspulen hat vielmehr einen ganz anderen Grund, nämlich den Wunsch, eine bestimmte geometrische Anordnung der beiden Teilspulcn zu realisieren.

Aus der Literaturstelle IEEE Transactions on Magnetics. MAG-11, 2, 1975. Seiten 4/5 bis 481 ist eine Anordnung zum Speichern elektrischer Energie bekannt, bei der mehrere supraleitende Spulen in mehreren NiedrigsUemperaturbehältern angeordnet sind. Die hier beschriebenen Spulen sind nämlich in mehreren übereinander angeordneten ringförmigen unterirdischen Tunneln vorgesehen. Jeder der Tunnel stellt einen eigenen Niedrigsttemperaturbehälter dar. Über die weitere Gestaltung dieser Anordnung finden sich in dieser Entgegenhaltung nur wenige Ausführungen.

Unter Berücksichtigung des voranstehend erläuterten Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die bekannte, eingangs erläuterte Anordnung zum Speichern elektrischer Energie so auszugestalten und weiterzubilden, daß auch im Notfall bei lokal ansteigender Temperatur eine möglichst gute Speicherwirkung der supraleitenden Spule erhalten bleibt.

Die voranstehend aufgezeigte Aufgabe wird durch eine Anordnung zum Speichern elektrischer Energie

Μ mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teiles des Patentanspruches 1 gelöst. Dabei ergibt sich aus einer Zusammenschau der Merkmale von Oberbegriff und Kennzeichnungsteil des l'utcntnnspruchcs 1, daß alle Teilspulen vorzugsweise in ein und demselben Nied-

b5 rigstlemperaturbchälter angeordnet sind. Die supraleitenden Tcilspulen der beanspruchten Anordnung bzw. die Parallelschaltungen aus supraleitenden Teilspulcn und jeweiligen Schutzthyristoren sind zwar vorzugswci-

se in Reihe geschaltet, jedoch ist durchaus auch eine Parallelschaltung dieser Teilkreise denkbar. Aus schaltungstechnischen Gründen ist aber eine Reihenschaltung vorzuziehen.

Im Normalfall wird der Speicherstrom über alle supraleitenden Teilspulen und über den Speicherstromschalter im Speicherkreis geführt Dann sind die Schutzthyristoren gesperrt bzw. geöffnet Im Notfall, also bei lokalem Temperaturanstieg einer der Teilspulen werden die Schutzthyristoren der anderen feilspulen durchgeschaltet bzw. geschlossen und ein der jeweiligen noch supraleitenden Teilspule entsprechender Teil-Speicherstrom wird in jeweils einem der Teil-Speicherkreise aufrechterhalten. Nur der in der betroffenen Teilspule gespeicherte Strom bzw. nur die in der betroffenen Teilspule gespeicherte Energie geht verloren, wird also entweder an das Stromnetz abgegeben oder, falls das nicht möglich ist in bekannter Weise extern abgeleitet

Eine bevorzugte Ausführungsform der beanspruchten Anordnung ergibt sich aus dem Patentanspruch 2.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer !ediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung im Vergleich zum Stand der Technik näher cvläutert; es zeigt

F i g. 1 in einem Blockschaltbild den Aufbau einer bekannten, zum Stand der Technik gehörenden Anordnung,

F i g. 2 in F i g. I entsprechender Darstellung den Aufbau einer erfindungsgemäßen Anordnung und

Fig.3 ein Stromflußdiagramm zur Darstellung der Funktionsweise der erfindungsgemäßen Anordnung.

Bei der in F i g. 1 dargestellten bekannten Anordnung wird über eine Leitung a in einen Transformator b Wechselstrom aus einem Stromnetz eingespeist Zusammen mit dem Transformator b sind Thyristoren b zu einem Thyristor-Konverter TC zusammengefaßt. Weiter ist dagestellt ein Niedrigsttemperaturbehalter Tmit flüssigem Helium oder einem anderem Kühlmaterial, eine in den Niedrigsttemperaturbehalter Tangeordnete supraleitende Spule d, ein in dem Niedrigsttemperaturbehalter T gleichfalls angeordneter Speicherstromschaiter e — ebenfalls supraleitend — und schließlich ein außerhalb des Niedrigsttemperaturbehälters T angeordneter Schutzwiderstand f. Der Widerstandswert des Schi'tzwidentandes /"ist ausreichend höher als der Innenwiderstand der supraleitenden Spule c/in supraleitendem Zustand und sehr viel niedriger als deren Innenwiderstand in normalleitendem Zustand. Vor- und Nachteile dieser bekannten Anordnung sind einleitend in der Beschreibung erläutert worden, so daß sich hier Wiederholungen erübrigen.

Die in Fig. 2 dargestellte erfindungsgemäße Anordnung zum Speichern elektrischer Energie weist eine Leitung 1 auf, mk der ein Thyristor-Konverter TCan ein Stromnetz, hier ein Wechselstromnetz, angeschlossen ist. Der Thyristor-Konverter TC besteht aus einem Transformator 2 und zwei Thyristoren 3 und arbeitet als Gleichrichter und als Inverter.

Der Thyristor-Konverter TCist mit einer supraleiter den Spule SM verbunden, die in einem Niedrigsttemperaturbehalter Tangeordnet ist, der flüssiges Helium enthält. Die supraleitende Spule SM besteht aus drei in Reihe geschalteten supraleitenden Teilspulen 4, 4', 4", die also gemeinsam in dem Niedrigsttemperaturbehäl- b5 ter rangeordnet sind.

leder der feilspuler. 4,4', 4" der supraleitenden Spule SM ist ein eigener Schutzthyristor 5, 5', 5" parallelgeschaltet. Jeweils eine Teilspule 4, 4', 4" bildet also mit dem zugehörigen Schutzthyristor 5, 5', 5" einen Teil-Speicherkreis. Bei eingeschalteten Schutzthyristoref! 5, 5', 5" sind die Teil-Speicherkreise jeweils in sich geschlossen.

Parallel zu der supraleitenden Spule SM ist ein Speicherstromschalter geschaltet, der als Bypassthyristor 6 ausgeführt ist. Bei durchgeschaltetem Bypassthyristor 6 und gesperrten Schutzthyristoren 5, 5', 5" bilden der Bypassthyristor 6 und die supraleitende Spule SM gemeinsam den geschlossenen Speicherkreis zur Speicherung elektrischer Energie.

Zum Speichern elektrischer Energie in der supraleitenden Spule SM arbeitet der Thyristor-Konverter TC zunächst als Gleichrichter, um den aus dem Stromnetz entnommenen Wechselstrom in Gleichstrom umzuwandeln. Dazu werden die supraleitenden Teilspulen 4, 4', 4" gewissermaßen aufgeladen, bis ein maximal zulässiger Strompegel erreicht ist. Während dieser Zeit bleiben die S:hutzthyristoren 5,5', 5" und der Bypassthyristor 6 abgeschaltet.

Nach beendeter Aufladung wird der Bypassthyristor 6 durchgeschaltet. Dann fließt innerhalb des durch die supraleitende Spule SM und den Bypassthyristor 6 gebildeten Stromkreises der erwünschte Speicherstrom, die elektrische Energie wird also im Speicherstrom gespeichert.

Tritt nun ein Notfall auf, der dazu führt, daß beispielsweise die supraleitende Teilspule 4' in den normalleitenden Zustand übergeht, so werden sofort die Schutzthyristoren 5 und 5" der supraleitenden Teilspulen 4 und 4" durchgeschaltet. Während der Schutzthyristor 5' abgeschaltet bleibt, fließen nun Teil-Speicherströme über die Schutzthyristoren 5 und 5". Dies in in F i g. 3 in durchgezogener Linie dargestellt Diese Teil-Speicherströme fließen also in den in sich geschlossenen Stromkreisen 4, 5 und 4", 5". Diese Teile der gespeicherten Energie bleiben also trotz Ausfallens der Teilspule 4' gespeichert.

Durch Funktion des Thyristor-Konverters 7"CaIs Inverter kann die Energie der Teilspule 4' über die Teilspulen 4 und 4" und die Schutzthyristoren 5 und 5" gemäß der gestrichelten Linie in F i g. 3 in die Leitung 1 abgegeben werden, falls das Stromnetz aufnahmebereit ist. Ansonsten muß eine anderweitige Vernichtung des entsprechenden Teilstromes erfolgen.

Im Notfall Hießt also der Teilstrom der Teilspule 4' entsprechend der gestrichelten Linie in Fig.3 auch über die Schutzthyristoren 5 und 5", und zwar entgegen dem darin an sich fließenden Speicherstrom. Dadurch wird der Stromfhfß in diesen Teil-Speicherkreisen herabgesetzt. Der Strom in den Teil-Speicherkreisen kann wegen Begrenzung des Thyristor-Konverters TC jedo(.n -.nicht unter den durch die Schutzthyristoren 5, 5" gehaltenen Strom absinken, diese Schutzthyristoren 5, 5" schalten vielmehr rechtzeitig an, sperrer: also, so daß die in den Teil-Speicherkreisen gespeicherte Energie nicht entladen oder abgegeben wird.

Im Ergebnis fvhrt ein Übergang einer Teilspule 4, 4', 4" in den normalleitenden Zustand nicht zu einer Entladung der gesamten supraleitenden Spule SM, sondern nur zu einer anteilsmäßigen Entladung gespeicherter Energie. Der Energieverlust der erläuterten Anordnung ist also erheblich geringer als der Energieverlust im Notfall bei der bekannten Anordnung gemäß Fig. 1. Bei richtiger Bemessung der Teilspulen 4, 4', 4" und der zuvor erläuterten Notfallautomatik ist die in einer Teilspule 4, 4', 4" im Notfall auftretende Spannung so ge-

ring, daß das im Niedrigsttemperaturbehältsr renthaltene Helium nicht verdampft.

Gelangt die Teilspule 4' erneut in den supraleitenden Zustand, gewinnt sie also die Fähigkeit zurück. Energie in Form eines Teil-Speicherstromes zu speichern, so kann sie wieder vom Thyristor-Konverter TC mit Gleichstrom versorgt werden. Erreicht dieser Strom den maximal zulässigen Wert für die Teilspule 4', so sperren die Schutzthyristoren 5,5" augenblicklich. Wird rtun der Bypassthyristor 6 wieder eingeschaltet, fließt wieder der gesamte Speicherstrom.

Bei der zuvor erläuterten Ausführungsform werden die Schutzthyristoren als Schaltelemente benutzt, sie können aber auch als Konverter benutzt werden. Beispielsweise kann die in einer der Teilspulen gespcichcr- is te elektrische Energie durch Verwendung eines den entsprechenden Schutzthyristor enthaltenden Thyristor-Konverters abgeleitet werden.

Wegen der Aufteilung der supraleitenden Spule der beanspruchten Anordnung in mehrere einzelne Tcilspulen, die jeweils über Schutzthyristoren zu Tcil-Spcicherkreisen schließbar sind, geht im Notfall immer nur der Anteil von gespeicherter Energie verloren, der der betroffenen supraleitenden Teilspule entspricht. Dadurch wird also im Notfall nicht nur erheblich weniger Energie verbraucht, sondern auch der Verbrauch an flüssigem Helium oder anderem Kühlmittel ist gegenüber dem Stand der Technik erheblich reduziert. Auch ist die Maximalspannung des Thyristor-Konverters antcilsmäßig geringer. jo

Hierzu I Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Anordnung zum Speichern elektrischer Energie mit einer vorzugsweise über einen Thyristor-Konverter an ein Stromnetz angeschlossenen und in einem Niedrigsttemperaturbehälter angeordneten, supraleitenden Spule und einem zu der supraleitenden Spule parallelgeschalteten Speicherstromschalter, dadurch gekennzeichnet, daß die supraleitende Spule (SM) aus mehreren, vorzugsweise in Reihe geschalteten supraleitenden Teilspulen (4, 4', 4") besteht und daß jeder der Teilspulen (4, 4', 4") ein eigener Schutzthyristor (5, 5', 5") parallelgesrhaltet ist

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicherstromschalter als Bypassthyristor (6) ausgeführt isL