Βελτιστοποίηση σχεδιασμού συστημάτων υπεραγώγιμης μαγνητικής αποθήκευσης ενέργειας

Abstract

This dissertation deals with the optimization of the design of Superconducting Magnetic Energy Storage (SMES) systems. SMES systems are one of the two methods of storing electrical energy without requiring its conversion into another form, instead storing it as a magnetic field generated around a superconducting magnet. A SMES system consists of a cryogenic cooling system, a superconducting magnet, and power electronics for its operation. To ensure optimal performance, the design of each subsystem must be carried out with consideration of its impact on the rest of the system. The first chapter serves as an introduction to the main subject of this study. It begins with an overview of the phenomenon of superconductivity and its fundamental characteristics. The chapter then discusses the essential concepts and operation of cooling systems at very low temperatures, which are necessary for superconductivity to manifest. The third section provides information on superconducting materials and their unique properties, followed by an overview of the fabrication of superconducting tapes and wires with practical applications. Additionally, superconducting coils and magnets—critical components of SMES systems—are examined. The chapter concludes by defining the study’s objectives, its contribution to the field, and the methodology followed. The second chapter presents a systematic literature review on the thermal and electromagnetic optimization of SMES systems and superconducting solenoid coils. Initially, electromagnetic optimization techniques are presented, which am at reducing conductor length, increasing stored energy, and refining secondary aspects. The selected literature is organized chronologically, discussed, and compared. Additionally, it is categorized into tables summarizing the type of optimization, the applied technique, the study’s contribution, and the type of material used. Existing research gaps and optimization techniques for SMES coil design are also discussed. The second section of the chapter analyzes cooling methods for SMES systems that utilize cryocoolers. This section focuses on recent high-temperature superconducting materials and presents the cooling techniques used to maintain coil temperatures, in conjunction with other critical parameters such as coil geometry, magnet operating temperature, thermal shield temperature, and cryocooler cooling power. Furthermore, the total volume of each magnet is calculated. A qualitative comparative evaluation of previous studies is conducted based on eight assessment criteria, and the reviewed literature is classified into three tables. The third chapter introduces a finite-element-based methodology designed to address the challenge of designing superconducting magnets made from superconducting tapes with their actual geometry in an axisymmetric 2.5D system. To achieve this, matrices with virtual dimensions are used as finite elements of a computational grid, allowing calculations between them. These matrices are generated by defining points on a plane. This method provides a solution to a well-known challenge in the literature: meshing the extremely thin layers of superconducting tape. Additionally, auxiliary matrices with specific cell dimensions are introduced to serve as computational grids for the solution space. The chapter aims to develop and optimize this methodology so that it can be integrated into optimization algorithms for improving superconducting magnet designs, which were previously modeled using simplified, non-realistic models. The fourth chapter presents a methodology for designing SMES systems, incorporating supply, thermal, electromagnetic, and manufacturing parameters that can be adjusted during the design process. Initially, these parameters are defined and categorized to avoid redundancies. Each parameter’s significance and interactions with others are explained, and their interdependencies are illustrated in figures. This chapter highlights the importance of a holistic approach to SMES system design, considering the complexity and interrelations of critical parameters. In the fifth chapter, the methodologies from the previous two chapters are applied to the design and construction of a laboratory-scale SMES system at the Power and Energy Systems Laboratory of the University of Western Macedonia. The available equipment is presented, along with an optimization methodology based on the previous chapter. The coil dimensions are determined using both the methodology from Chapter 3 and analytical equations, considering the available length of the high-temperature YBCO superconductor. The coil’s position within the cryostat is then selected. An experiment is conducted to measure the cooling curve of the cryocooler head without thermal load. Using the experimental results and finite-element methods, an approximation of the cryocooler’s cooling power as a function of temperature is obtained. The system is constructed, followed by another experiment measuring the cooling curve with the attached load, providing insight into the device’s behavior under specific thermal loads. The chapter concludes with the development of power electronics for system control and electrical testing. In the sixth chapter, the magnet’s size is increased in a simulated environment, and a study is presented on a hybrid SMES-battery system. This study aims to demonstrate SMES’s capability to supply short-term loads without relying on battery storage, thereby extending battery lifespan. The dissertation concludes with the presentation of findings in the seventh and final chapter.

Η παρούσα διατριβή πραγματεύεται τη βελτιστοποίηση της σχεδίασης των συστημάτων υπεραγώγιμης αποθήκευσης ενέργειας (Superconducting Magnetic Energy Storage - SMES). Τα συστήματα SMES αποτελούν μία από τις δύο μεθόδους αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας χωρίς να απαιτείται μετατροπή της μορφής της, αποθηκεύοντας την σε μορφή μαγνητικού πεδίου σχηματισμένο γύρω από έναν υπεραγώγιμο μαγνήτη. Ένα σύστημα SMES αποτελείται από ένα κρυογονικό σύστημα ψύξης, έναν υπεραγώγιμο μαγνήτη και διατάξεις ηλεκτρονικών ισχύος για τη λειτουργία του. Προκειμένου ένα σύστημα να λειτουργεί βέλτιστα, η σχεδίαση των επιμέρους εξαρτημάτων του γίνεται συνυπολογίζοντας τις επιπτώσεις της σχεδίασης ενός τμήματος, στα υπόλοιπα. Το πρώτο κεφάλαιο της παρούσας διατριβής αποτελεί την εισαγωγή στο κύριο αντικείμενο της μελέτης. Αρχικά, παρουσιάζεται το φαινόμενο της υπεραγωγιμότητας και τα βασικά χαρακτηριστικά του. Στη συνέχεια, αναλύονται οι βασικές έννοιες και η λειτουργία των συστημάτων ψύξης σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες, τα οποία είναι απαραίτητα για την εκδήλωση του φαινομένου. Η τρίτη ενότητα του κεφαλαίου περιλαμβάνει πληροφορίες για τα υπεραγώγιμα υλικά και τις μοναδικές ιδιότητές τους, ενώ ακολουθεί αναφορά στην κατασκευή υπεραγώγιμων ταινιών και καλωδίων με πρακτική χρησιμότητα. Επιπλέον, εξετάζονται τα υπεραγώγιμα πηνία και οι μαγνήτες που αποτελούν κρίσιμα στοιχεία για τα συστήματα υπεραγώγιμης αποθήκευσης ενέργειας. Το κεφάλαιο ολοκληρώνεται με την περιγραφή του σκοπού της μελέτης, τη συμβολή της στην επιστήμη και τη μεθοδολογία που ακολουθήθηκε κατά την εκπόνησή της. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζεται μια συστηματική ανασκόπηση της βιβλιογραφίας για την θερμική και ηλεκτρομαγνητική βελτιστοποίηση συστημάτων SMES και υπεραγώγιμων σωληνοειδών πηνίων. Αρχικά παρουσιάζονται οι τεχνικές για την ηλεκτρομαγνητική βελτιστοποίηση, δηλαδή, για τη μείωση του μήκους του αγωγού, την αύξηση της αποθηκευμένης ενέργειας και τη βελτιστοποίηση δευτερευουσών πτυχών. Η επιλεγμένη βιβλιογραφία παρουσιάζεται χρονολογικά, συζητείται και συγκρίνεται. Επίσης, κατηγοριοποιείται σε πίνακες που παρουσιάζουν τον τύπο βελτιστοποίησης, τη χρησιμοποιούμενη τεχνική, τη συμβολή της εργασίας και το είδος του υλικού που χρησιμοποιήθηκε. Συζητούνται τα υπάρχοντα βιβλιογραφικά κενά και οι τεχνικές βελτιστοποίησης που εφαρμόζονται για το σχεδιασμό πηνίων SMES. Στην δεύτερη ενότητα του κεφαλαίου αναλύονται οι μέθοδοι ψύξης συστημάτων SMES που χρησιμοποιούν κρυοψύκτες. Η ενότητα επικεντρώνεται στα πρόσφατα υπεραγώγιμα υλικά υψηλής θερμοκρασίας και παρουσιάζει τις μεθόδους ψύξης που χρησιμοποιούνται για την ψύξη του πηνίου σε συνδυασμό με άλλα σημαντικά χαρακτηριστικά, όπως η γεωμετρία του πηνίου, η θερμοκρασία λειτουργίας του μαγνήτη, η θερμοκρασία θερμικής ασπίδας και η ισχύς ψύξης των κρυοψυκτών, ενώ υπολογίζεται και ο συνολικός όγκος του κάθε μαγνήτη. Επιπροσθέτως, παρουσιάζεται μια ποιοτική συγκριτική αξιολόγηση των αναλύσεων που έχουν γίνει στη βιβλιογραφία, με οκτώ κριτήρια αξιολόγησης, και η αναφερόμενη βιβλιογραφία κατηγοριοποιείται και παρουσιάζεται σε τρεις πίνακες. Στο τρίτο κεφάλαιο, παρουσιάζεται μία μεθοδολογία με βάση τα πεπερασμένα στοιχεία, σχεδιασμένη για την αντιμετώπιση της πρόκλησης του σχεδιασμού μαγνητών κατασκευασμένων από υπεραγώγιμες ταινίες, χρησιμοποιώντας την πραγματική τους γεωμετρία εντός ενός αξονοσυμμετρικού συστήματος δυόμιση διαστάσεων. Για να επιτευχθεί αυτό, χρησιμοποιούνται πίνακες των οποίων τα κελιά έχουν διαστάσεις πλάτους και ύψους, λειτουργώντας με αυτό τον τρόπο ως πεπερασμένα στοιχεία ενός πλέγματος, μεταξύ των οποίων μπορούν να γίνουν υπολογισμοί. Οι πίνακες δημιουργούνται μέσω της τοποθέτησης ενός σημείου στο επίπεδο. Η μέθοδος αυτή προσφέρει λύση σε ένα γνωστό πρόβλημα της βιβλιογραφίας το όποιο είναι η πλεγματοποίηση των πολύ λεπτών στρωμάτων της υπεραγώγιμης ταινίας. Επιπλέον, στο ίδιο επίπεδο τοποθετούνται συμπληρωματικοί πίνακες με ορισμένες διαστάσεις κελιών, τα οποία χρησιμεύουν ως πλέγματα για τον χώρο λύσης. Στόχος του κεφαλαίου είναι η δημιουργία και βελτιστοποίηση της μεθοδολογίας ώστε αυτή να μπορεί να ενταχθεί σε αλγορίθμους βελτιστοποίησης για τη βελτίωση των σχεδίων των υπεραγώγιμων μαγνητών, οι οποίοι μέχρι τώρα σχεδιάζονταν σε προβλήματα βελτιστοποίησης με τη χρήση συμπαγών, μη ρεαλιστικών μοντέλων. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζεται μία ολοκληρωμένη μεθοδολογία για τη σχεδίαση συστημάτων SMES, η οποία συμπεριλαμβάνει προμηθευτικές, θερμικές, ηλεκτρομαγνητικές και κατασκευαστικές παραμέτρους που μπορούν να μεταβληθούν κατά τη σχεδίαση του συστήματος. Αρχικά οι παράμετροι ορίζονται και κατηγοριοποιούνται με κατάλληλο τρόπο, ώστε να μην υπάρχουν πλεονάζουσες. Για κάθε μία από αυτές, επεξηγείται η σημαντικότητά της και ο τρόπος αλληλεπίδρασής της με τις υπόλοιπες παραμέτρους. Έπειτα, η αλληλεπίδραση των παραμέτρων απεικονίζεται συνολικά σε ένα σχήμα. Tο τέταρτο κεφάλαιο αναδεικνύει τη σημασία μιας ολιστικής προσέγγισης στη σχεδίαση συστημάτων SMES, λαμβάνοντας υπόψη την πολυπλοκότητα και τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των κρίσιμων παραμέτρων. Στο πέμπτο κεφάλαιο η μεθοδολογία των προηγουμένων δύο κεφαλαίων εφαρμόζεται στη σχεδίαση και κατασκευή ενός εργαστηριακού συστήματος SMES στο Εργαστήριο Συστημάτων Ισχύος και Ενέργειας του Πανεπιστημίου Δυτικής Μακεδονίας. Αρχικά, παρουσιάζεται ο διαθέσιμος εξοπλισμός και η μεθοδολογία που χρησιμοποιείται για τη βελτιστοποίησή του, η οποία βασίζεται στο προηγούμενο κεφάλαιο. Επιλέγονται οι διαστάσεις του πηνίου χρησιμοποιώντας τη μεθοδολογία του τρίτου κεφαλαίου αλλά και αναλυτικές εξισώσεις, με βάση το διαθέσιμο μήκος του υπεραγωγού YBCO υψηλής θερμοκρασίας. Στη συνέχεια επιλέγεται η θέση του πηνίου εντός του κρυοστάτη. Ακολουθεί ένα πείραμα για τη μέτρηση της καμπύλης ψύξης της κρυοκεφαλής χωρίς θερμικό φορτίο, και χρησιμοποιώντας τα αποτελέσματα του πειράματος και χρησιμοποιώντας τη μεθοδολογία πεπερασμένων στοιχείων, λαμβάνεται μια προσέγγιση της ψυκτικής ισχύος του κρυοψύκτη συναρτήσει της θερμοκρασίας. Το σύστημα κατασκευάζεται και διεξάγεται νέο πείραμα για τη μέτρηση της καμπύλης ψύξης με το φορτίο προσαρτημένο. Έτσι, για το συγκεκριμένο θερμικό φορτίο είναι γνωστή η συμπεριφορά της συσκευής. Στο τέλος του κεφαλαίου, κατασκευάζονται διατάξεις ηλεκτρονικών ισχύος για τον έλεγχο του συστήματος και τις ηλεκτρικές δοκιμές του. Στο έκτο κεφάλαιο το μέγεθος του μαγνήτη αυξάνεται σε προσομοιωμένο περιβάλλον και παρουσιάζεται μια μελέτη ενός υβριδικού συστήματος SMES και μπαταριών. Η μελέτη έχει ως σκοπό να επιδείξει την ικανότητα του SMES να τροφοδοτεί φορτία για σύντομο χρονικό διάστημα, χωρίς να χρησιμοποιείται το σύστημα αποθήκευσης με μπαταρίες, αυξάνοντας με αυτό τον τρόπο τη διάρκεια ζωής τους. Η εργασία ολοκληρώνεται μέσω της παρουσίασης των συμπερασμάτων, στο έβδομο τελευταίο κεφάλαιο.