Entwicklung eines Simulationsverfahrens für Supraleiter unter Berücksichtigung von Temperatur, Stromdichte und Magnetfeld

Die Technologie der Hochtemperatursupraleiter (HTSL) hat sich seit ihrer Endeckung im Jahr 1986, aus dem Laborstadium heraus erheblich weiterentwickelt. Sie ermöglicht die Entwicklung von effizienteren und verlustärmeren Betriebsmitteln wie z. B. supraleitenden Energieübertragungskabeln, elektrischen Maschinen, sowie neuartigen Betriebsmitteln wie supraleitenden Strombegrenzern. Eine weitreichende Anwendung von supraleitenden Betriebsmitteln in der elektrischen Energietechnik erfolgt derzeit allerdings noch nicht, da zum Einen der Entwicklungsstand dieser Technologie für eine flächendeckende Anwendung noch nicht ausreicht und zum Anderen die Komponenten auf Basis eines Leistungsvergleichs (übertragbare elektrische Leistung pro Euro) noch relativ teuer sind. Bei der Entwicklung von Betriebsmitteln, die auf einer neuen Technologie beruhen, sind zunächst grundlegende Untersuchungen der neuen Komponenten erforderlich. Dabei ergänzen sich experimentelle Grundlagenuntersuchungen mit Simulationsverfahren, um in möglichst kurzer Zeit eine Vielzahl von Kenngrößen zu ermitteln. Darüber hinaus lassen sich viele lokale Prozesse messtechnisch nur sehr aufwendig erfassen oder können nur durch Simulationen hinreichend erklärt werden. Die Simulationsverfahren verwenden im Allgemeinen vorhandene kommerzielle Programmpakete, müssen aber fast ausschließlich entsprechend der neuen Aufgabenstellung angepasst oder erweitert werden. In der vorliegenden Arbeit wird ein Simulationsverfahren entwickelt, das es ermöglicht das Verhalten eines Supraleiters unter Berücksichtigung der kritischen Größen Temperatur, Magnetfeld und Stromdichte sowie das Eindringverhalten des magnetischen Feldes und der Stromdichte in den Supraleiter, nachzubilden. Das Verfahren wird an verschiedenen Geometrien und unter verschiedenen Randbedingungen erprobt und seine Funktionalität nachgewiesen. Weiterhin werden interessante Simulationsergebnisse zum Eindringverhalten der Stromdichte und des elektrischen Feldes in den Supraleiter gezeigt. Zusätzlich wird eine Versuchsanlage zur Aufnahmen von ?(J, B) Kennlinien von supraleitenden Bändern beschrieben und Vergleiche von Messungen und Simulationen durchgeführt. Der Schwerpunkt der durchgeführten Messungen liegt auf einem Vergleich von verschiedenen Messungen an unterschiedlichen Punkten auf der Oberfläche des Bandleiters und dem Vergleich der Messergebnisse mit Ergebnissen von Simulationen an dem Bandleiter ähnlichen Geometrien.