系統安定化用超伝導エネルギー貯蔵装置の大規模解析手法と最適化設計に関する研究

系统稳定超导储能装置大规模分析方法及优化设计研究

• 批准号: 16760228
• 负责人: 野口 聡
• 金额: $ 2.24万
• 依托单位: Hokkaido University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• 财政年份: 2004
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2004 至 2005
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-16760228/
• 关键词: 超伝導エネルギー貯蔵装置; 最適化設計; 電磁場数値解析; 超伝導応用; 大規模数値解析

系統安定化用超伝導エネルギー貯蔵装置(SMES)のためのコイルの形状最適化についての検討を行った。超伝導コイルを安定に運転させるためには、磁界-電流密度特性(B-J特性)などの超伝導特有の性質を考慮し、設計を行わなければならない。その際に、トロイダルコイル等は形状が複雑なことから、数値解析による評価が必要となる。さらに、高価な超伝導導体の使用量を削減するために、最適化アルゴリズムを導入することで、形状最適化設計を行い、その手法を確立した。また、大型コイルになると、コイル内で温度差が生じることもあることから、それらを考慮し、温度異存する磁界-電流密度特性(B-J特性)を考慮することで、実用的な設計手法へと発展させた。さらに、磁場解析に時間を要することから、PCクラスタを使用することで、時間の短縮を試みた。実例として、72MJ蓄積できるトロイダルコイルの最適化設計を行った。そして、構成されるコイルが8個から24個までを最適化設計し、その高温超伝導導体使用量と漏れ磁界などを比較した。その結果、8〜10個では導体使用量も多く、漏れ磁界も大きいが、12個以上では違いがほぼ無く、導体使用量は少なく、漏れ磁界も小さかった。また、同蓄積容量のマルチポールコイルと比較したときに、トロイダルコイルは導体使用量で85%に、漏れ磁界でも大きく低減できており、トロイダルコイルの性能の良さが示せた。このように、磁場解析と最適化アルゴリズムを併用することで、超伝導固有の特性を考慮した上で、超伝導エネルギー貯蔵装置の形状最適化設計を可能にした。

Design and optimization of the shape of the Superconductor Storage Device (SMES) for system stabilization Superconductivity stability, magnetic field-current density characteristics (B-J characteristics), and properties unique to superconductivity are considered for design. The shape of the object is complex, and the value analysis is necessary. In addition, the use of high-density superconductors is reduced, optimization is introduced, shape optimization is implemented, and methods are established. The design method for large, medium, and large scale magnetic fields is developed by considering the magnetic field-current density characteristics (B-J characteristics) due to temperature differences. Time is important for magnetic field analysis, and time is important for PC usage. 72MJ accumulation is carried out by optimizing the design. The structure of the system is 8 or 24 pieces, and the design is optimized. The amount of high temperature superconducting conductor used and the leakage field are compared. As a result, 8 to 10 conductors are used, the leakage field is large, 12 or more conductors are used, and the leakage field is small. The same storage capacity of the battery is 85%, the leakage field is large, the battery performance is good. The optimization of the shape of the storage device is possible by considering the inherent characteristics of the superconductivity.

项目成果

Transient Stability Analysis of Large Aluminum Stabilized Superconductor by 2D and 3D Finite Element Analysis

通过 2D 和 3D 有限元分析大型铝稳定超导体的瞬态稳定性

• 发表时间: 2004
• 期刊: IEEE Transactions on Applied Superconductivity Vol.14,No.2
• 作者: Y.Tanaka;K.Morishima;T.Shimizu;A.Kikuchi;M.Yamato;T.Okano;T.Kitamori;森島圭祐;森島圭祐;So Noguchi;S.Noguchi;S.Noguchi
• 通讯作者: S.Noguchi

An optimal configuration design method for HTS-SMES coils

• DOI: 10.1109/tasc.2005.849337
• 发表时间: 2005-06
• 期刊: IEEE Transactions on Applied Superconductivity
• 影响因子: 1.8
• 作者: S. Noguchi;A. Ishiyama;S. Akita;H. Kasahara;Y. Tatsuta;S. Kouso