Suprajohtava generaattorikisko Olkiluodon ydinvoimalaan p. 1/15 Suprajohtava generaattorikisko Olkiluodon ydinvoimalaan Lauri Rostila lauri.rostila@tut.fi TTY/Sähkömagnetiikka
Suprajohtava generaattorikisko Olkiluodon ydinvoimalaan p. 2/15 HTS-Kaapeliprojekteja Lukuisia HTS-kaapeliprojekteja 90-luvun lopulta alkaen Ensimmäiset kaapelit toteutettiin vismuttipohjaisilla BSCCO-johtimilla SouthWire Company rakensi BSCCO-kaapelin teollisuusverkkoonsa Kööpenhaminassa 50,000 kotitaloutta sai sähkönsä HTS-kaapelin kautta
Suprajohtava generaattorikisko Olkiluodon ydinvoimalaan p. 3/15 YBCO-Johtimet Copper Silver YBCO Buffer layer Substrate Kuva 1: YBCO nauhan rakenne
Suprajohtava generaattorikisko Olkiluodon ydinvoimalaan p. 4/15 Generaattorikisko Pituus 41 m Nimellisjännite 24 kv, operointijännite 20 kv Nimellisvirta 32 ka Normaali käyttötilanne: 860 MW, 140 MVar Virta normaalikäytössä 25 ka Ohmiset häviöt 400 kw Jäähdytysjärjestelmän ottama teho 96 kw
Suprajohtava generaattorikisko Olkiluodon ydinvoimalaan p. 5/15 Generaattorikisko 1 0.5 y [m] 0 0.5 1800 mm 1 3 2 1 0 1 2 3 x [m] Kuva 2: Generaattorikiskon poikkileikkaus
Suprajohtava generaattorikisko Olkiluodon ydinvoimalaan p. 6/15 Ehdotettu YBCO-kisko Tarvitaan huikeasti (45 ka) kriittistä virtaa Yksi vaihejohdin koostuu yhdestä tai useammasta sylinterin muotoisesta YBCO-johdinkerroksesta Yksikerrosmallin halkasija on 530 mm, johon vaaditaan 416 kappaletta 108 A:n nauhoja Kompakti järjestelmä, joka mahtuu 200 mm typpisiirtolinjaan vaatii 520 nauhaa
Suprajohtava generaattorikisko Olkiluodon ydinvoimalaan p. 7/15 Ehdotettu YBCO-kisko 0.1 5 x 10 3 0.05 y [m] 0 0.05 0 0.1 0.1 0 0.1 x [m] 5 0.065 0.07 0.075 x [m] Kuva 3: Kompaktin YBCO-kiskon poikkileikkaus
Suprajohtava generaattorikisko Olkiluodon ydinvoimalaan p. 8/15 Häviöt YBCO-kiskossa Terminointihäviöt Kryostaatin lämpövuoto Suprajohteen AC-häviöt
Suprajohtava generaattorikisko Olkiluodon ydinvoimalaan p. 9/15 AC-Häviöt Määritettiin monikerroskaapelille olettaen sylinterimäinen suprajohdealue P = µ 0Ic 2fl [(2 ih)ih + 2(1 ih) log(1 ih)] (W), 2πh2 (1) missä (2) h = 1 (r i /r o ) 2 Nykyisen järjestelmän kokonaishäviöille oletettiin neliöllinen virtariippuvuus
Suprajohtava generaattorikisko Olkiluodon ydinvoimalaan p. 10/15 AC-Häviöt 800 Total losses [kw] 700 600 500 400 300 200 100 Present link 1 mm YBCO layer distance 0.5 mm YBCO layer distance 0.25 mm YBCO layer distance 0 0 5 10 15 20 25 30 Transport current [ka] Kuva 4: Kokonaishäviöt
Suprajohtava generaattorikisko Olkiluodon ydinvoimalaan p. 11/15 AC-häviöiden redusointi YBCO-kerrosten välejä pienentämällä YBCO-kerrosten kiertokulmien säätäminen Kriittisen virran nostaminen lämpötilaa säätämällä Käyttämällä parempia nauhoja
Suprajohtava generaattorikisko Olkiluodon ydinvoimalaan p. 12/15 Taloudellinen analyysi Nauhaa kompaktiin YBCO linkkiin tarvittaisiin 64 km Metri johdinta maksoi syksyllä 27em:ä kohti Näin ollen johdinkustannukset ovat yhteensä 1.74 Me Muiksi laitteistokustannuksiksi arvioitiin 200,000e Johdinkustannusten arvellaan laskevan huomattavasti
Suprajohtava generaattorikisko Olkiluodon ydinvoimalaan p. 13/15 Taloudellinen analyysi Return on investment [%] 40 35 30 25 20 15 10 5 1 euro m 1 5 euro m 1 10 euro m 1 20 euro m 1 30 euro m 1 0 50 100 150 200 250 300 Losses [kw] Kuva 5: Sijoitetun pääoman tuotto
Suprajohtava generaattorikisko Olkiluodon ydinvoimalaan p. 14/15 Yhteenveto YBCO-kisko on kannattava pienistä AC-häviöistä johtuen Tarvitaan linkin yksityiskohtainen suunnittelu: Päätös lopullisesta nauhakonfiguraatiosta Terminointien suunnittelu Kryostaatin suunnittelu, mikäli valitaan yksikerrosmalli Jäähdytysjärjestelmän ja typpikierron suunnittelu
Suprajohtava generaattorikisko Olkiluodon ydinvoimalaan p. 15/15 Yhteenveto AC-häviöiden tarkka mallinnus Stabiilisuusanalyysi Transienttitilanteen seurausten analysointi Linkki on helpommin toteutettavissa pienemmän teholuokan generaattorille