Modelado y validación de pérdidas AC en imán superconductor de alta temperatura

Abstract

Un sistema SMES (Superconducting Magnetic Energy Storage) es un sistema de almacenamiento de energía en forma de campo magnético. Consta de una bobina superconductora por la que se hace pasar una corriente continua responsable de la creación del campo magnético. La resistividad nula del superconductor hace que la bobina no se descargue una vez puesta en cortocircuito. La fase de prediseño del sistema SMES, donde se determina la geometría del sistema, es un proceso complejo ya que supone un compromiso entre numerosos aspectos. Entre ellos destacan: la energía magnética máxima de almacenaje, las elevadas fuerzas magnéticas que se originan, el peso del sistema o las pérdidas AC generadas durante los transitorios eléctricos. Las pérdidas suponen un factor especialmente importante, ya que influyen en el dimensionamiento del sistema de crio-refrigeración de la bobina, uno de los principales costes del sistema. En esta fase de prediseño es necesaria la realización de numerosas simulaciones con distintas geometrías y transitorios para encontrar la geometría que suponga un compromiso óptimo entre los aspectos anteriores. Nótese que en esta fase no se pretende obtener un resultado extremadamente preciso de las pérdidas, sino un resultado orientativo que permita entender qué geometrías son menos eficientes y por cuáles se debería apostar. Además, interesa utilizar una herramienta de cálculo de pérdidas que permita modificar fácilmente la geometría y que ofrezca rapidez en la generación de resultados. En este proyecto se ha desarrollado un programa para calcular las pérdidas generadas en una bobina superconductora con una geometría arbitraria durante cualquier transitorio eléctrico. Las principales ventajas del programa son: su facilidad para definir cualquier geometría y transitorio, su rapidez en la ejecución y su suficiente precisión en los resultados (validados con COMSOL Multiphysics). Estas características hacen que sea una herramienta ideal para agilizar el proceso de prediseño de un sistema SMES.

A SMES (Superconducting Magnetic Energy Storage) system is an energy storage system in the form of a magnetic field. It consists of a superconducting coil through which a direct current is passed, responsible for creating the magnetic field. The zero resistivity of the superconductor ensures that the coil does not discharge once short-circuited. The pre-design phase of the SMES system, where the system's geometry is determined, is a complex process as it involves a trade-off between numerous factors. These include: the maximum magnetic energy storage, the high magnetic forces generated, the weight of the system, and the AC losses occurring during electrical transients. The losses are especially important as they influence the sizing of the cryocooling system for the coil, one of the main costs of the system. During this pre-design phase, numerous simulations with different geometries and transients are necessary to find the geometry that strikes an optimal balance among the aforementioned factors. Note that this phase does not aim to obtain an extremely precise result of the losses but rather a guiding result that helps understand which geometries are less efficient and which ones should be pursued. Additionally, it is useful to employ a loss calculation tool that allows easy modification of the geometry and offers rapid result generation. In this project, a program has been developed to calculate the losses generated in a superconducting coil with an arbitrary geometry during any electrical transient. The main advantages of the program are: its ease in defining any geometry and transient, its speed in execution, and its sufficient accuracy in results (validated with COMSOL Multiphysics). These features make it an ideal tool to streamline the pre-design process of an SMES system.