2019 Fiscal Year Annual Research Report
長距離交流送電用高温超電導ケーブルの設計指針・開発基盤の確立
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19H02120
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
津田 理 東北大学, 工学研究科, 教授 (10267411)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
宮城 大輔 千葉大学, 大学院工学研究院, 教授 (10346413)
長崎 陽 東北大学, 工学研究科, 助教 (60823747)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 超電導ケーブル / 洋上風力 / 高温超電導 / 交流損失 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
今年度は、Y系三相同一軸高温超電導ケーブルの交流損失特性を明確にし、長距離化に適したケーブル構成について検討した。まず、T法の薄板近似モデルを用いた有限要素法に基づく電磁界解析方法について検討し、三相同一軸高温超電導ケーブルの交流損失を精度よく計算できることを示した。そして、超電導ケーブル内の交流損失特性を評価し、冷媒による冷却特性を考慮した数値解析により、ケーブルの長距離化に適したケーブル構成について検討した。その結果、Y系三相同一軸ケーブルの交流損失は，Bi系三相同一軸ケーブルの10分の1以下に低減可能であること、送電容量が同じ場合は、電流負荷率が大きくなるにつれて交流損失が増加するため，交流損失低減には電流負荷率を小さくする、すなわち、ケーブル外径を大きくしてケーブルに使用する超電導線数を多くすることが有効であることがわかった。しかし、ケーブル外径を大きくするとケーブル表面からの熱侵入が大きくなる。また、ケーブル外部からの熱侵入は、ケーブル内の交流損失よりも大きいため、送電可能距離の改善には、ケーブル外径を小さくして、ケーブル外部からの熱侵入を抑制する方が有効であると考えられる。しかし、ケーブル外径が小さくなると冷媒の圧力損失が大きくなるため、送電可能距離の改善には、冷媒の圧力損失の制約を受けるまでケーブル外径を小さくし、電流負荷率を大きくすることが有効であると考えられる。
また、V相とW相の超電導線材を密巻きにせず、U相と同じ超電導本数とすることにより、送電可能距離は1割程度短くなるもの、線材使用量を3割程度削減できることがわかった。さらに、導体と外側冷媒流路間に低熱伝導層を挿入することにより、ケーブル内の冷媒温度分布が調整可能となり、送電可能距離を大幅に改善できることを見出した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
今年度は、（１）液体窒素流路における圧力低減抑制化技術開発と（２）ケーブル内部における低損失化技術開発を実施する予定にしていたが、（１）においては、これまでに開発してきた数値解析コードを用いて、さまざまなケーブルパラメータに対して繰り返し計算を行い、その結果を比較することにより、液体窒素の圧力損失と送電可能距離との関係を明確にすることに成功した。また、（２）においては、これまでは、三相同一軸高温超電導ケーブルの交流損失を精度よく評価することは困難であったが、ケーブル内の超電導線の配置に着目した数値解析モデルを開発し、さまざまなケーブルパラメータに対して精度よく交流損失を評価することに成功した。また、超電導ケーブルの長距離化には、（１）の液体窒素冷媒の圧力損失、ケーブル内で発生する交流損失、ケーブル外部からの熱侵入のバランスが重要となるが、（１）と（２）の成果により、上記３要因の関係を明確にでき、ケーブルの長距離化に適したケーブル構成方法を明確にすることに成功している。
以上のように、今年度は、数値解析による検討が主体であったため、計画していた内容を、ほぼ計画通りに実施することができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
初年度は、ケーブル内の液体窒素の温度変化に着目し、これまで超電導ケーブルの長距離化において検討されてこなかった「低熱伝導層の挿入」により、液体窒素の温度分布を調整可能とし、これまで不可能であった距離の送電が可能となることを明確にした。この結果を踏まえ、令和２年度は、短尺の三相同軸型超電導モデルケーブルシステムを設計・製作し、三相同軸型超電導ケーブルの内部流路の外側に低熱伝導層を挿入した場合としない場合に対して、ケーブル内の温度分布を測定し、同測定結果を比較することにより、低熱伝導層の挿入がケーブル内の温度分布に及ぼす影響について検討する。なお、本モデルケーブルシステムを用いた実験では、可能であれば、低熱伝導層の挿入位置や低熱伝導層の厚さの異なる場合についてもケーブル内温度分布を測定し、ケーブル内温度分布制御に適した低熱伝導層の位置や厚さについて検討する。そして、本実験で得られたケーブル内温度分布の測定結果を、初年度に実施した数値解析結果と比較することにより、作成した数値解析コードの妥当性を検証する。また、同数値解析コードを用いて、異なる運転条件下において、ケーブルの長距離化や高安定化に 適した低熱伝導層の挿入方法について検討する。
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