Сверхпроводниковые индуктивные накопители энергии (СПИН)

1. Для автономного подвижного состава

Назначение
Использование СПИН на автономном подвижном составе (тепловозы, дизель-поезда и т.п.) позволяет: снизить расход топлива и установленную мощность дизель-генераторного агрегата (или иного первичного теплового двигателя), повысить экологичность за счет организации работы дизель-генератора в неизменном и наиболее экономичном (с точки зрения потребления топлива) режиме – номинальном и обеспечить рекуперацию энергии торможения для последующего ее использования в тяговых режимах.

Разработка
Разработана конструкция и рассчитаны основные технические характеристики СПИН для тепловозов.

Основные технические характеристики СПИН различной энергоемкости

Параметр

Ед. изм.

Тип тепловоза

Маневровый

Магистральный,
в габаритах

одной секции

8-осного вагона

Энергоемкость, МДж

100

200

50

410

1000

Масса полная (СПИН в сборе)

т

28,8

48,9

16,6

108,0

103,0

Габариты криостата:
-внешний диаметр
-длина

м

1,6
9,2

1,6
9,0

1,6
3,5

1,6
15,4

2,9х2,9
8,3

Материал сверхпроводника

-

Nb-Ti

Nb-Ti

Nb-Ti

Nb-Ti

Nb3Sn

Максимальная индукция
магнитного поля

Тл

4,9

7,0

7,0

7,0

7,3

Ток

кА

1,0

3,0

3,0

3,0

7,0

Суммарная мощность
криогенных потерь

Вт

35,5

50

18,5

75

288,7

Запас хладагента (жидкого гелия)

л

100

120

65

200

160

Конструкция СПИН энергоемкостью 100 МДж (Ф-образный вариант)

план

поперечное сечение

Разработана оригинальная схема силового преобразователя для встраивания СПИН в электрическую передачу мощности автономного локомотива.

Экспериментальные исследования:
Проведены испытания физической модели энергосиловой установки маневрового тепловоза со СПИН (в сотрудничестве со специалистами РНЦ «Курчатовский институт»).
Экспериментальны исследования подтвердили работоспособность и эффективность предложенных технических решений конструкций и алгоритмов функционирования.

Эффективность:
Использование бортового СПИН позволяет получить годовую экономию топлива: 30—35% — для маневрового тепловоза и 8—12% - для магистрального тепловоза; уменьшить установленную мощность дизель-генератора маневрового тепловоза и дизель-поезда по сравнению с базовой моделью в 2...3 раза.

2. Для систем электроснабжения тяговых и нетяговых потребителей

Назначение

  • в системе тягового электроснабжения (на тяговых подстанциях — ТП): стабилизация напряжения на нагрузке (в контактной сети); стабилизация мощности (тока), потребляемой из системы внешнего электроснабжения; обеспечение рекуперации электроэнергии от электроподвижного состава через контактную сеть в СПИН;
  • в системах электроснабжения нетяговых потребителей (центры управления перевозками, вычислительные центры, терминалы, логистические центры) — повышение качества электроэнергии за счет обеспечения бесперебойности питания и фильтрации помех питающей сети.

г


Магнитная система СПИН на 30 МДж тороидальной конструкции с равномерным распределением энергии в объёме: а) форма магнитной системы СПИН; б) форма и в) разрез одного сектора магнитной системы; г) фото изготовленного сектора экспериментальный образца СПИН

Достоинства: отсутствие полей рассеяния, транспортабельность в железнодорожных габаритах, секционирование обмотки, косвенный способ охлаждения обмотки, возможность аварийного сброса энергии без использования балластных сопротивлений.

Разработаны оригинальные схемы силовых преобразователей для связи СПИН с системой тягового электроснабжения.

Разработка:
Разработана конструкция и рассчитаны основные технические характеристики СПИН для систем энергоснабжения тяговых и нетяговых потребителей.

Технические характеристики перспективных СПИН

Параметр

Размерность

Значение

Система электроснабжения

-

тяговая

нетяговая

Тип обмотки

Тороид с распределенной обмоткой

Энергоемкость

кВт*ч (МДж)

1000 (3600)

27,7 (100)

Максимальная мощность

МВт

300

8,3

Число секторов тороида

штук

48

12

Внешний диаметр обмотки
(при номинальном поле 5 Тл)

м

6

2,1

Высота обмотки

м

6

1,2

Диаметр криостата

м

7,5

2,6

Высота криостата

м

10

2,6

«Холодная» масса обмотки

т

250

4,3

Экспериментальные исследования:
В сотрудничестве со специалистами РНЦ «Курчатовский институт» и ФГУП ГНЦ РФ «ТРИНИТИ» по заданию ОАО «РЖД» изготовлен и испытан экспериментальный образец СПИН энергоёмкостью 1,5 МДж (0,42 кВт*ч) на постоянный ток до 10 кА при напряжении до 5 кВ.

Экспериментальные исследования подтвердили работоспособность и эффективность предложенных технических решений.

Эффективность:
Экономический эффект от применения СПИН достигается за счет: уменьшения затрат на покупку электроэнергии; снижения ущерба от перерывов электроснабжения и некачественного электроснабжения.

Научно-исследовательский и испытательный центр «Криотрансэнерго»
Руководитель - Носков В.Н.
nvn_nis@sci.rgups.ru, centrkte@rgups.ru