成果報告書詳細
管理番号20150000000709
タイトル平成25年度-平成26年度成果報告書 風力等自然エネルギー技術研究開発 風力発電高度実用化研究開発 10MW超級風車の調査研究 (発電機)
公開日2015/12/4
報告書年度2015 - 2016
委託先名国立研究開発法人産業技術総合研究所 古河電気工業株式会社 株式会社前川製作所
プロジェクト番号P13010
部署名新エネルギー部
和文要約10 MW 超級風車用の発電機について、超電導技術の応用により、低コスト・高信頼性で小型・軽量・高効率なダイレクトドライブ同期発電機を実現できる可能性がある。回転子に鉄心利用超電導コイルを用いた発電機について、3つのキーコンポーネント(超電導コイルモジュール、高信頼性ターボブレイトン冷凍機、極低温冷媒給排装置)の研究開発を行うとともに、ナセル全体の概念設計を行って、従来型発電機に対する超電導発電機の優位性を示した。超電導コイルモジュールの研究開発に関しては、10MW級の鉄心利用超電導発電機を設計し、電磁力解析を行った。設計した発電機全体(48極)の内1極分を試作し、侵入熱測定と通電試験を行うことで、設計の妥当性と10 MW超級風力発電機に用いる超電導コイルの実現可能性を確認した。また、電圧リップルを低減した超電導発電機の電気設計を行い、発電機特性解析と超電導コイルが受ける電磁力や変動磁界の解析を行った。同一の超電導コイルを用いた15 MW機と20 MW機についても電気設計を行い、発電機を大型にする方が単位出力当りの重量、外直径、線材長の面で有利であることを確認した。超電導コイルで問題となるクエンチ現象(急激な常電導転移)に関して、小型の超電導コイルを試作し、共巻法を用いたクエンチ検出方式により、クエンチ検出電圧を高精度に検出できた。クエンチ保護について検討を行い、安定化銅の厚さ、コイルの耐電圧と電流減衰時定数の値、クエンチ検出感度の設定、コイルの励磁方式などの要素を適切に選ぶ必要性を示した。高信頼性冷凍機の研究開発に関しては、まず全体のシステム設計を行い、バランス計算結果を元に冷凍機の概念設計を行って、発電機ナセル内のスペースに冷凍機を設置可能であることを確認した。ビルトインモータを採用した高速回転機の検討を行い、2段圧縮機、膨張機一体型圧縮機の2種類について設計、製作を行った。また、圧縮機・膨張機の回転試験を行い、シャフト単体試験の結果、機械としての健全性を確認した。設計条件のモータ出力が得られれば、設計条件での運転が可能との知見を得て、ブレイトン冷凍機のターボ圧縮機・膨張機の開発の見通しを得た。関連して、ターボ圧縮機・膨張機用超高速モータドライブ技術の研究開発を行った。高速モータドライブに適するインバータとして、2レベルおよび3レベルPWMインバータ、PAMインバータについて解析を行い、損失や高調波、トルクリプルの観点からは、フィルタなしでは3レベルPWMインバータがよく、フィルタ追加時はPAMインバータが適するという結果を得た。超電導発電機等の超電導回転機の冷却は、冷凍機を回転系に設置できないため、静止系より回転系へ冷媒を供給せざるを得ず、超電導回転機実用化のボトルネックとなっている。回転側に配置される内蔵型冷媒循環ポンプと回転・静止型熱交換器から構成され、高圧極低温冷媒の回転シール問題を回避できる極低温冷媒給排装置の研究開発を行った。循環ポンプの設計・試作を行い、原理検証を済ませた後、要求仕様の冷媒循環量を達成するための改良を行ったが、モジュールコイル1個分を冷却するのに必要な冷媒循環量と言う目標値は達成できなかった。その原因はスラスト力の不足であることが明確になり、この課題に対処することにより、10 MW超電導発電機用循環ポンプが実現出来ることを示した。回転・静止型熱交換器に関しては、設計条件を明確にするとともに、小型モデルでの性能試験等の知見から10 MW超電導発電機用熱交換器の設計手法を確立して、その実現可能性を示した。
英文要約It may be possible to build low-cost, highly reliable, compact and light-weight direct-drive synchronous superconducting wind turbine generators (SC-WTGs) with over 10 MW capacity. This study has focused on three key components necessary for the fabrication of an iron-cored SC-WTG: (1) superconducting coil module, (2) highly reliable Brayton cryocooler and (3) cryogenic gas transfer coupling. We have also made a general design of the whole nacelle and realized the advantages of SC-WTGs over conventional generators.
As for the R&D of the superconducting coil module, an iron-cored 10 MW SC-WTG has been designed, and the electromagnetic force was analyzed. One of the 48-pole coil modules was produced for demonstration, which includes an iron core. Cooling and electrical transport tests to measure heat in-leaks and generated magnetic fields were successfully performed, which has demonstrated the validity of the design and verified the feasibility of the superconducting coil. Then, 10MW SC-WTGs with reduced ripple voltages and 15, 20MW SC-WTGs including the same superconducting coil for the 10MW generator were designed and analyzed. Also, the co-winding method to detect coil quench was considered. In the experiment using small superconducting coils, the coil quench caused by local heating was detected with a high precision voltage.As for the R&D of highly reliable refrigerator, we first designed the refrigerator and confirmed that the refrigerator can be installed in a nacelle. We examined the high-speed rotary machine that employs a built-in motor, and designed and manufactured two type models of the two-stage compressor and expander-integrated compressor. A rotation test confirmed the soundness as a machine, and we got a hopeful prospect for the turbo compressor-expander. To study an inverter system suitable for ultra-high-speed motor drive, we analyzed the following three types of inverter configurations: two-level PWM inverters, three-level PWM inverters, and PAM inverters. The three-level PWM inverter would be the best in case of filterless circuits, and the PAM inverter would be the best in case of the circuits with a filter added.As for the R&D of cryogenic gas transfer coupling, we have proposed a method of supplying a coolant by circulation pumps built in the rotor and by rotational-stationary heat exchangers to separate the refrigerant of the stationary system and the rotational one. A circulating pump with cooling power for one coil module was designed and built. After confirming its validity we tried to improve the mass flow to attain a predetermined target, but it couldn't be achieved due to insufficient thrust forces in the magnetic bearing. A circulating pump for 10 MW superconducting generator will be established by solving this problem. Based on the design conditions of a heat exchanger for 10 MW superconducting generator and the knowledge obtained by a small mode test, design technique of the heat exchanger has been established.
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