1 Suprajohtava generaattori tuulivoimalassa, Seminaaripäivä, Pori
2 Tuulivoiman kehitysnäkymät Tuuliturbiinien koot kasvavat. Vuoden 2005 puolivälissä suurin turbiinihalkaisija oli 126 m ja voimalan teho 5 MW.
3 Tuulivoiman markkinat Globaalisti asennettu lisäkapasiteetti oli 15 GW vuonna 2006 ja 20 GW vuonna 2007 Vuoteen 2020 mennessä globaalit markkinat 7 10-kertaistuvat vuoteen 2006 verrattuna Tuulivoimasta tulee globaalisti merkittävin yksittäinen uuden sähkön tuotantomuoto vuosimarkkinoiden ollessa 100 200 mrd Euroopassa asennettua kapasiteettia vuoden 2007 lopussa oli 57 GW (kasvua edellisvuodesta 17 %), eli 61 % maailmanlaajuisesta määrästä Ennuste: EU 15 -maissa v. 2010 75 GW, Euroopassa v. 2020 180 GW (21 % sähköntuotannosta), josta 70 GW merellä Tuulivoima monelle EU-maalle pääasiallinen uusiutuvan sähköntuotannon lisäysmahdollisuus Suomessa n. 122 MW v. 2007 lopussa, lisäystä 36 MW (42 %) v. 2006 86 MW, eli 0,2 % sähkön tuotannosta, lisäystä 4 MW vuodesta 2005 2008: + 20 90 MW, pitkällä aikajänteellä > 1300 MW Tavoitteena tuottaa 31% uusiutuvasta energiasta v. 2010 (aiempi tavoite 500 MW:n kapasiteettista on poistettu) Teknis-taloudellinen potentiaali maakuntakaavojen alueilla v. 2020 ~2 GW, tehokkain edistämiskeinoin ~3 GW
4 Globaali tuulivoimakapasiteetin kasvu
Merituulivoimaloiden kapasiteetin kasvuennuste Euroopassa 5
6 Trendit tuulivoimaloiden kehityksessä Vaihteiden koot kasvavat vääntömomentin kasvaessa Vaihteistot maksavat enemmän Vikaherkkyys kasvaa Suuret PM-suoravetogeneraattorit maksavat paljon Merellä kustannus tornia kohti on vakio Isommassa voimalassa tuotettu sähkö on aina halvempaa => kaikki haluavat ostaa mahdollisimman suuritehoisen voimalaitoksen
7 Massan pieneneminen
8 YBCO:n ominaisuudet vuonna 2012 Geometria: 0,095 mm 4 tai 12 mm Kuparistabiloitu Liitosresistanssi: 40 50 nωcm 2 Ominaisuus Yksikköpituus J c @ 77 K, omakenttä J c, käämi @ 77 K, 1,5 T J c, käämi @ 77 K, 3 T Hinta 2007 740 m 1 ka/mm 2 NA 30 A/mm 2 $65/m @ 4 mm 2012 3 km 2 ka/mm 2 300 A/mm 2 100 A/mm 2 $10/m @ 12 mm
9 YBCO-generaattori Suoravetoinen(?) tahtikone Radiaalivuokone, koska suurien aksiaalivuokoneiden laakerointia ei ole vielä ratkaistu Rautasydäminen ja uritettu roottori, staattorilla ilmavälikäämitys => suprajohdekäämit käytännössä nollakentässä Teho: 8 MW Ilmavälivuontiheys: 1,6 T Ulkohalkaisija: ~4,5 m Suprajohdetarve: ~120 km, kun J c, käämi on 150 A/mm 2 Hinta: <1 M, kun J c, käämi on 150 A/mm 2 8 MW:n PM-generaattori + vaihteisto maksaisivat vähintään 1,3 M PM-generaattorin aktiiviosat painaisivat ~60 t, kun SC-generaattori olisi huomattavasti kevyempi, kunhan J c, käämi on vähintään 150 A/mm 2
10 YBCO-generaattorin mallinnus Aktiivimassaa ja suprajohteen menekkiä arvioidaan rautapiirimallilla Rautapiirimalli on hyvin karkea: BIL-voimat Vakiomagneettikenttä Staattorikäämitys pelkkä virtapeite Vaadittava magnetomotorinen voima suprajohteesta Saadaan laadullisia tuloksia eri tekijöiden vaikutuksesta koneen massaan ja hintaan Saadaan tietoa suuruusluokista Näitä tuloksia voidaan verrata arvioon kestomagneettigeneraattorin ominaisuuksista
11 YBCO-generaattori
12 Mallinnustuloksia
13 Mallinnustuloksia
14 Mallinnustuloksia
15 Tutkimustarve Ilmavälivuontiheys 1,6 T Voimat samaa luokkaa kuin konventionaalisissa => helpompi mallintaa, toimivuudesta voidaan olla varmempia Ilmavälivuontiheys 2,4 T Roottorissakin ilmavälikäämitys => alhaisempi paino => mutta J c heikompi hajakentän vuoksi Suuret voimat tuottavat ongelmia mm. tuentaan => tarkempi mallinnus Mikä materiaali kestäisi roottorin tukirakenteena, mutta olisi kevyempi kuin rauta? Jollei vuoden 2012 ominaisuuksilla järkevää, YBCO:n kehitystarpeen selvittäminen Kryostaatti: rakenne, materiaalit, paksuus Jäähdytys: riittääkö LN 2?, staattorin jäähdytys Häviöiden mallintaminen Häiriötilanteiden ja niistä selviytymisen mallintaminen Luotettavuusanalyysi Investointi- ja käyttökustannusvertailu parin teholuokan SC- ja PMtuulivoimalan välillä