Stockage d énergie sous forme magnétique avec une bobine supraconductrice à haute température critique

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Fabien Nolet
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1 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 : Philippe.Vanderbemden@ulg.ac.be

Department of Electrical Engineering and Computer Sc

2 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

David CRATE Brice MATTIVI, Jean-François JAMOYE, Vincent MISSON, Samuel DENIS, David MARGUILLIER,

3 Plan de l exposé Position du problème Conception et réalisation du système Conclusions

4 Plan de l exposé Position du problème Conception et réalisation du système Résultats Stockage obtenusd énergie sous forme magnétique avec une bobine supraconductrice à haute température critique

obtenusd énergie sous forme magnétique avec une

5 Superconducting Magnetic Energy Storage (SMES) Charge Stockage Décharge E B = L I = dv 2 2µ

6 Superconducting Magnetic Energy Storage (SMES) Charge Stockage Décharge E B = L I = dv 2 2µ

7 Superconducting Magnetic Energy Storage (SMES) Charge Stockage Décharge E B = L I = dv 2 2µ

8 Avantages du stockage magnétique 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)

9 Applications? spatiales terrestres U.P.S. Uninterreptible Power Supply Ex : SMES «basse température»

10 Supraconducteurs LTS : basse température critique - Hélium liquide (4 K) - Cryogénie complexe et coûteuse HTS : «haute» température critique - Cryogénérateurs (20-40 K) - Azote liquide (77 K)

11 Principes de base pour le transfert de puissance Interrupteur supraconducteur Interrupteur électronique chauffage V ou Q champ magnétique V signal de commande fil supraconducteur composant d'électronique de puissance

électronique chauffage V ou Q champ magnétique V

12 Donc... 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

remplissage de fluide cryogénique) Utilisation d

13 Plan de l exposé Position du problème Conception et réalisation du système Résultats obtenus Bobine supraconductrice Conclusions Enceinte cryogénique Amenées de courant Électronique injection / retrait de puissance

supraconductrice Conclusions Enceinte cryogénique

14 Plan de l exposé Position du problème Conception et réalisation du système Bobine supraconductrice Enceinte cryogénique Amenées de courant Électronique injection / retrait de puissance

15 Bobine supraconductrice Supraconducteur à haute T c (BSCCO) Bi-2223 Matrice d Ag 0.5 mm Ruban multifilamentaire de Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 10

16 Support de la bobine flasques bobine prises de potentiel flasque bobine amenées de courant disque central

17 Support de la bobine Flasque isolation

18 Support de la bobine Mise en place des capteurs Pt100 Sondes de Hall au centre et au bord interne de la bobine Prises de potentiel

19 Caractérisation de la bobine (1/3) T c = 102 K

20 Caractérisation de la bobine (2/3) I c = 80 A V 0 (1µV/cm)

21 Caractérisation de la bobine (3/3) I c > 100 A pour T < 30 K

22 Plan de l exposé Position du problème Conception et réalisation du système Bobine supraconductrice Enceinte cryogénique Amenées de courant Électronique injection / retrait de puissance

23 Enceinte cryogénique ) 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

24 Enceinte cryogénique ) 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

25 Régulation du cryostat à vide Température minimale à vide = 11.7 K

26 Régulation du cryostat à vide Valeurs des paramètres de régulation [P, I] pour différentes températures

27 Mise en place de la bobine dans le cryostat

28 Plan de l exposé Position du problème Conception et réalisation du système Bobine supraconductrice Enceinte cryogénique Amenées de courant Électronique injection / retrait de puissance

29 Amenées de courant 300 K T 1 T 2 1 er étage 2 ème étage (bobine) Si section des amenées de courant alors... effet Joule MAIS pertes par conduction

30 Amenées de courant 300 K Compromis! simulations numériques D1 = 8 mm, D2 = 8 mm I (A) - Q1 (W) - Q2 (W) T1 (K) T2 (K) T 1 T 2 Temperature (K) T1 Profil de température type le long de l amenée de courant T L (mm)

31 Réalisation des amenées de courant Passage étanche (epoxy + loctite) Ecran thermique - Espaceurs Bloc de cuivre pour ancrage thermique Disque en saphir ρ et κ

32 Réalisation des amenées de courant Passage étanche (epoxy + loctite) Ecran thermique - Espaceurs Bloc de cuivre pour ancrage thermique Disque en saphir ρ et κ

33 Echauffement au cours du temps R < 1.37 mω pour I = 100 A

34 Plan de l exposé Position du problème Conception et réalisation du système Bobine supraconductrice Enceinte cryogénique Amenées de courant Électronique injection / retrait de puissance

35 Configuration «pont complet» I P I R 1 V P V R «SP» (Solar Panels) Appl. spatiales «BUS» (Users)

36 Modes de fonctionnement du pont I P I R I P I R V P bobine V R V P bobine V R Etat de charge Etat persistant I P I R I P I R V P bobine V R V P bobine V R Etat persistant Etat de décharge

37 Configuration «pont complet» Carte de contrôle de l injection/retrait de puissance Pont de transistors

38 Tests à T = 77 K 35 DAY NIGHT DAY 30 Voltage (V) Sun regulated current Eclipse decreasing current regulated V BUS Sun increasing current V SP 5 V BUS V SH (*10) Time (s)

39 Tests à T = 17 K T= 17.2 K, I[bobine] = 10 A JOUR JOUR NUIT NUIT

40 Plan de l exposé Position du problème Conception et réalisation du système Conclusions

41 Conclusions 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).

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