Stockage d`énergie sous forme magnétique avec une

Stockage d’énergie
sous forme magnétique
avec une bobine supraconductrice
à haute température critique
Philippe VANDERBEMDEN
Department of Electrical Engineering and Computer Science
S.U.P.R.A.T.E.C.S. research group
Sart-Tilman, Bât B28
Tel : +32 4366 2670
[email protected]
Remerciements : projet financé par la DGTRE
Valorisation de l’Etude des
SUpraconducteurs en
Vue du stockage d’Energie
(VESUVE)
Marcel AUSLOOS, Rudi CLOOTS, André GENON,
+
Jean-François FAGNARD, David CRATE
Brice MATTIVI, Jean-François JAMOYE,
Vincent MISSON, Samuel DENIS,
David MARGUILLIER, Raymond VANDERLINDEN
+
Thierry JOB, Pascal HARMELING,
Philippe LAURENT, Isabel MOLENBERG, Sébastien RAHIER
Plan de l’exposé
l
l
l
Position du problème
Conception et réalisation du système
Conclusions
Plan de l’exposé
l
l
l
Position du problème
Conception et réalisation du système
RésultatsStockage
obtenus d’énergie
sous forme magnétique
avec une bobine supraconductrice
à haute température critique
Superconducting Magnetic
Energy Storage (SMES)
Charge
Stockage
Décharge
æ B2 ö
1 2
E = L I = ò çç ÷÷ dV
2
è 2µ ø
Superconducting Magnetic
Energy Storage (SMES)
Charge
Stockage
Décharge
æ B2 ö
1 2
E = L I = ò çç ÷÷ dV
2
è 2µ ø
Superconducting Magnetic
Energy Storage (SMES)
Charge
Stockage
Décharge
æ B2 ö
1 2
E = L I = ò çç ÷÷ dV
2
è 2µ ø
Avantages du stockage magnétique
l
l
l
l
charge et décharge très rapides
longue durée de vie
pas d’électrolyte liquide corrosif
état de charge vérifiable très facilement
(via le courant dans la bobine)
Applications ?
spatiales
terrestres
U.P.S.
Uninterreptible
Power
Supply
SMES
« basse température »
Ex :
Supraconducteurs
þ
LTS : basse température critique
- Hélium liquide (4 K)
- Cryogénie complexe et coûteuse
þ
HTS : « haute » température critique
- Cryogénérateurs (20 - 40 K)
- Azote liquide (77 K)
Principes de base pour
le transfert de puissance
Interrupteur supraconducteur
Interrupteur électronique
chauffage
V
Q
V
ou
champ
magnétique
fil
supraconducteur
signal
de
commande
composant
d'électronique de puissance
Donc ...
l
l
l
Utilisation de supraconducteurs
« haute température »
Utilisation d’un cryogénérateur
(pas de remplissage de fluide cryogénique)
Utilisation d’interrupteurs électroniques
pour l’injection et le retrait de puissance
Plan de l’exposé
l
l
l
l
Position du problème
Conception et réalisation du système
Résultats obtenus
Bobine
Conclusions
supraconductrice
Enceinte cryogénique
Amenées de courant
Électronique injection / retrait de puissance
Plan de l’exposé
l
l
Position du problème
Conception et réalisation du système
Bobine
supraconductrice
Enceinte cryogénique
Amenées de courant
Électronique injection / retrait de puissance
Bobine supraconductrice
Supraconducteur à haute Tc (BSCCO)
Bi-2223
Matrice d ’Ag
0.5 mm
Ruban multifilamentaire
de Bi2Sr2Ca2Cu3O10
Support de la bobine
flasques
prises de
potentiel
bobine
flasque
bobine
amenées
de courant
disque central
Support de la bobine
Flasque
isolation
Support de la bobine
Mise en place des capteurs
Pt100
Prises de potentiel
Sondes de Hall
au centre et au bord
interne de la bobine
Caractérisation de la bobine (1/3)
Tc = 102 K
Caractérisation de la bobine (2/3)
Ic = 80 A
V0
(1µV/cm)
Caractérisation de la bobine (3/3)
Ic > 100 A
pour T < 30 K
Plan de l’exposé
l
l
Position du problème
Conception et réalisation du système
Bobine
supraconductrice
Enceinte cryogénique
Amenées de courant
Électronique injection / retrait de puissance
Enceinte cryogénique
1
4
2
3
1) Premier étage de la
tête froide
2) Deuxième étage de
la tête froide
3) Plateau supérieur de
la chambre
expérimentale
4) Tube d’insertion des
amenées de courant de
la bobine
Enceinte cryogénique
1
4
2
3
1) Premier étage de la
tête froide
2) Deuxième étage de
la tête froide
3) Plateau supérieur de
la chambre
expérimentale
4) Tube d’insertion des
amenées de courant de
la bobine
Régulation du cryostat à vide
Température minimale à vide = 11.7 K
Régulation du cryostat à vide
Valeurs des paramètres
de régulation [P, I] pour
différentes températures
Mise en place
de la bobine dans le cryostat
Plan de l’exposé
l
l
Position du problème
Conception et réalisation du système
Bobine
supraconductrice
Enceinte cryogénique
Amenées de courant
Électronique injection / retrait de puissance
Amenées de courant
300 K
T2
T1
1er étage
2ème étage (bobine)
Si section des amenées de courant ↑ …
… alors ...
effet Joule ↓
MAIS
pertes par conduction ↑
Amenées de courant
T2
T1
300 K
T e m p e ra ture (K )
310
300
Compromis !
→ simulations
numériques
Profil de
température type
le long de
l ’amenée de
courant
290
280
270
260
250
240
230
220
210
200
190
180
170
D1 = 8 mm, D2 = 8 mm
160
150
I (A)
0
10
20
50
75
100
120
- Q1 (W)
4.70
4.72
4.77
5.20
5.50
6.30
7.00
- Q2 (W)
0.645
0.655
0.675
0.810
1.175
1.530
1.950
T1 (K)
72
72
72
74
77
82
87
T2 (K)
15
15
15
17.5
18
19
22
140
130
120
110
100
90
80
T2
70
60
50
T1
40
30
20
10
0
50
100
150
200
250
300
350
400
L (m m )
Réalisation des amenées de courant
Passage étanche
(epoxy + loctite)
Ecran thermique
- Espaceurs
Bloc de cuivre
pour ancrage
thermique
Disque en saphir
ρ ää et κ ää
Réalisation des amenées de courant
Passage étanche
(epoxy + loctite)
Ecran thermique
- Espaceurs
Bloc de cuivre
pour ancrage
thermique
Disque en saphir
ρ ää et κ ää
Echauffement au cours du temps
R < 1.37 mΩ
Ω
pour I = 100 A
Plan de l’exposé
l
l
Position du problème
Conception et réalisation du système
Bobine
supraconductrice
Enceinte cryogénique
Amenées de courant
Électronique injection / retrait de puissance
Configuration « pont complet »
IP
VP
IR
1
2
« SP »
(Solar Panels)
3
VR
4
Appl. spatiales
« BUS »
(Users)
Modes de fonctionnement du pont
IP
VP
IR
IP
VR
bobine
VP
VP
Etat persistant
IR
bobine
Etat persistant
VR
bobine
Etat de charge
IP
IR
IP
VR
VP
IR
bobine
Etat de décharge
VR
Configuration « pont complet »
Carte de contrôle de
l’injection/retrait de
puissance
Pont de
transistors
Tests à T = 77 K
35
DAY
NIGHT
DAY
Voltage (V)
30
25
20
Sun
regulated current
Eclipse
decreasing current
regulated VBUS
15
10
5
0
0.00
Sun
increasing
current
VSP
VBUS
VSH(*10)
0.02
0.04
0.06
Time (s)
0.08
0.10
Tests à T = 17 K
T= 17.2 K, I[bobine] = 10 A
JOUR
JOUR
NUIT
NUIT
Plan de l’exposé
l
l
l
Position du problème
Conception et réalisation du système
Conclusions
Conclusions
l
l
l
Réalisation d’une bobine supracondutrice
« haute Tc » destinée au stockage d’énergie
magnétique
Réalisation du système cryogénique
+ amenées de courant
Insertion dans circuit en pont à 80 kHz stabilisation efficace de la tension 30 V (UPS).