جستجو در تالارهای گفتگو

کاربرد ابررسانا در سیم و کابل كشف متحول كننده ابررساناهای دما بالا در سال 1986 منجر به تحول و تولید نوع جدیدی از كابلها در سیستمهای قدرت شد. در ایالات متحده، اروپا و ژاپن رقابت سختی بر روی تجارت تولید آینده كابلهای ابررسانائی وجود دارد. قابلیت هدایت جریان برق در كابلهای HTSبالغ بر 100 بار بیشتر از هادیهای آلومینیومی و مسی متداول می‌باشد. اندازه، وزن و مقاومت این نوع كابلها از كابلهای معمولی بهتر بوده و امروزه تولیدكنندگان تجهیزات الكتریكی در سراسر دنیا سعی دارند با استفاده از تكنولوژی HTS باعث كاهش هزینه‌ها و افزایش ظرفیت و قابلیت اطمینان سیستمهای قدرت شوند. کاربرد ابررسانا در ترانسفورماتورها استفاده از مواد ابررسانا در سیم‌بندی ترانسفورماتورها باعث 50% كاهش در تلفات، وزن و ابعاد ترانسفورماتور نسبت به انواع متداول ترانسفورماتورهای روغنی شده و به علاوه تأثیر قابل توجهی نیز در افزایش بازده، كاهش افت ولتاژ و افزایش ظرفیت اضافه بار ترانسفورماتور دارد. استفاده از ترانسفورماتورهای ابررسانا با توجه به حجم كم و عدم استفاده از روغن برای خنك‌سازی، نقش قابل ملاحظه‌ای در بهبود فضای شهری و كاهش هزینه‌های زیست محیطی خواهد داشت. کاربرد ابررسانا در موتورها و ژنراتورها درصورت استفاده از سیمهای ابررسانا به جای سیمهای مسی در روتور ماشینهای القایی، تلفات، حجم، وزن و قیمت آنها كاهش قابل ملاحظه‌ای خواهد داشت و با افزایش بازده، صرفه‌جویی قابل توجهی در انرژی الكتریكی صورت می‌گیرد. كویل ژنراتورهای سنكرون نیز با مواد ابررسانای سرامیكی قابل ساخت می‌باشد كه منجر به افزایش قابل توجهی در بازده ژنراتور خواهد شد. به علاوه تكنولوژی ابررسانا امروزه در ساخت كندانسورهای سنكرون نیز كاربرد دارد. كندانسورهای ابررسانا دارای بازده بیشتر، هزینه نگهداری كمتر و قابلیت انعطاف بهتری هستند. کاربرد ابررسانا در ذخیره سازهای مغناطیسی در سیستم قدرت بین قدرتهای الکتریکی تولیدی و مصرفی تعادل لحظه‌ای برقرار است و هیچگونه ذخیره انرژی در آن صورت نمی‌گیرد. بنابراین تولید شبکه ناچار به تبعیت از منحنی مصرف است كه غیر اقتصادی می‌باشد. ابرسانای ذخیره کننده انرژی مغناطیسی (SMES) وسیله‌ای است كه برای ذخیره کردن انرژی، بهبود پایداری سیستم قدرت و کم کردن نوسانات قابل استفاده می‌باشد. این انرژی توسط میدان مغناطیسی که توسط جریان مستقیم ایجاد می‌شود ذخیره می‌شود. ابرسانای ذخیره کننده انرژی مغناطیسی هزاران بار قابلیت شارژ و دشارژ دارد بدون اینکه تغییری در خواص مغناطیس آن ایجاد شود. ویژگی ابر رسانایی سیم پیچ نیز موجب می‌شود که راندمان رفت و برگشت فرایند ذخیره انرژی بسیار بالا و در حدود 95% باشد. اولین نظریه‌ها در مورد این سیستم در سال 1969 توسط فریه مطرح شد. وی طرح ساخت سیم‌پیچ مارپیچی بزرگی را که توانایی ذخیره انرژی روزانه برای تمامی فرانسه را داشت ارائه كرد که به خاطر هزینه ساخت بسیار زیاد آن پیگیری نشد. در سال 1971 تحقیقات در آمریکا در دانشگاه ویسکانسین برای فهمیدن بحثهای بنیادی اثر متقابل بین انرژی ذخیره شده و سیستم‌های چند فاز به ساخت اولین دستگاه انجامید. شركت هیتاچی در سال 1986 یک دستگاه SMES به ظرفیت 5 مگاژول را آزمایش کرد. در سال 1998 نیز ذخیره‌ساز 360 مگاژول توسط شركت ایستك در ژاپن ساخته شد. علاوه بر ذخیره‌سازی انرژی به منظور تراز منحنی مصرف و افزایش ضریب بار، سیستم‌های مورد اشاره با اهداف دیگری نیز مورد توجه قرار گرفته‌اند. بروز اغتشاشهای مختلف در شبکه قدرت از جمله تغییرات ناگهانی بار، قطع و وصل خطوط انتقال و ... به عدم تعادل سیستم می‌انجامد. در این شرایط انرژی جنبشی محور ژنراتورهای سنکرون مجبور به تأمین افزایش انرژی ناشی از اختلال هستند و درصورت حفظ پایداری دینامیكی، حلقه‌های کنترل سیستم فعال شده و تعادل را برقرار می‌سازند. این روند، نوسان متغیرهای مختلف مانند فرکانس، توان الکتریکی روی خطوط و... را موجب می‌شود که مشکلات مختلفی را در بهره برداری از سیستم قدرت به دنبال دارد. اما اگر در سیستم مقداری انرژی ذخیره شده باشد، با مبادله سریع آن با شبکه در مواقع مورد نیاز می‌توان مشکلات فوق را کاهش داد. با توجه به اینكه در این سیستم انرژی از صورت الکتریکی به صورت مغناطیسی و یا بر عکس تبدیل می‌شود، ذخیره‌ساز ابررسانایی دارای پاسخ دینامیکی سریع می‌باشد و بنابراین می‌تواند در جهت بهبود عملکرد دینامیکی نیز به کار رود. معمولاً واحدهای ابررسانایی ذخیره انرژی را در دو مقیاس ظرفیت بالا یعنی حدود 1800 مگاژول برای تراز منحنی مصرف، و ظرفیت پایین (چندین مگا ژول) به منظور افزایش میرایی نوسانات و بهبود پایداری سیستم می‌سازند. سیم پیچ ابررسانا از طریق مبدل به سیستم قدرت متصل و شارژ می‌شود و با کنترل زاویه آتش تریسیتورها ولتاژ DC دو سر سیم پیچ ابررسانا به طور پیوسته در بازة وسیعی از مقادیر ولتاژهای مثبت ومنفی قابل کنترل است. ورودی ذخیره‌ساز انرژی می‌تواند تغییرات ولتاژ شبکه، تغییر فرکانس شبکه، تغییر سرعت ماشین سنکرون و... باشد و خروجی نیز توان دریافتی خواهد بود. مهم ترین قابلیت SMESجداسازی و استقلال تولید از مصرف است که این امر مزایای متعددی از قبیل بهره برداری اقتصادی، بهبود عملکرد دینامیکی و کاهش آلودگی را به دنبال دارد. در کابرد AC جریان الکتریکی هنوز تلفات دارد اما این تلفات می‌تواند با طراحی مناسب کاهش پیدا کند. برای هر دوحالت کاری AC وDC انرژی زیادی قابل ذخیره‌سازی است. بهترین دمای عملكرد برای دستگاههای مورد اشاره نیز 50 تا 77 درجه کلوین است. کاربرد ابررسانا در محدودسازهای جریان علاوه بر موارد گفته شده، محدودسازهای ابررسانائی جریان خطا یا SFCL نیز رده تازه‌ای از وسایل حفاظتی سیستم قدرت را ارائه می‌كنند كه قادرند شبكه را از اضافه جریانهای خطرناكی كه باعث قطعی پر هزینه برق و خسارت به قطعات حساس سیستم می‌شوند حفاظت نمایند. اتصال كوتاه یكی از خطاهای مهم در سیستم قدرت است كه در زمان وقوع، جریان خطا تا بیشتر از 10 برابر جریان نامی افزایش می‌یابد و با رشد و گسترش شبكه‌های برق، به قدرت اتصال كوتاه شبكه نیز افزوده می‌شود. تولید جریانهای خطای بزرگتر، ازدیاد گرمای حاصله ناشی از عبور جریان القائی زیاد در ژنراتورها، ترانسفورماتورها و سایر تجهیزات و همچنین كاهش قابلیت اطمینان شبكه را در پی دارد. لذا عبور چنین جریانی از شبكه احتیاج به تجهیزاتی دارد كه توانایی تحمل این جریان را داشته باشند و جهت قطع این جریان نیازمند كلیدهایی با قدرت قطع بالا هستیم كه هزینه‌های سنگینی به سیستم تحمیل می‌كند. اما اگر به روشی بتوان پس از آشكارسازی خطا، جریان را محدود نمود، از نظر فنی و اقتصادی صرفه‌جویی قابل توجهی صورت می‌گیرد. انواع مختلفی از محدود كننده‌های خطا تا به حال برای شبكه‌های توزیع و انتقال معرفی شده‌اند كه ساده‌ترین آنها فیوزهای معمولی است كه البته پس از هر بار وقوع اتصال كوتاه باید تعویض شوند. از آنجاییكه جریان اتصال كوتاه در لحظات اولیه به خصوص در پریود اول موج جریان، دارای بیشترین دامنه است و بیشترین اثرات مخرب از همین سیكل‌های اولیه ناشی می‌شود باید محدودسازهای جریان خطا بلافاصله بعد از وقوع خطا در مدار قرار گیرند. محدودكننده‌های جریان اتصال كوتاه طراحی شده در دهه‌های اخیر، عناصری سری با تجهیزات شبكه هستند و وظیفه دارند جریان اتصال كوتاه مدار را قبل از رسیدن به مقدار حداكثر خود محدود نمایند به طوری كه توسط كلیدهای قدرت موجود قابل قطع باشند. این تجهیزات در حالت عادی، مقاومت كمی در برابر عبور جریان از خود نشان می‌دهند ولی پس از وقوع اتصال كوتاه و در لحظات اولیه شروع جریان، مقاومت آنها یكباره بزرگ شده و از بالا رفتن جریان اتصال كوتاه جلوگیری می‌كنند. این تجهیزات پس از هر بار عملكرد باید قابل بازیابی بوده و در حالت ماندگار سیستم، باعث ایجاد اضافه ولتاژ و یا تزریق هارمونیك به سیستم نگردند. محدودسازهای اولیه با استفاده از كلیدهای مكانیكی امپدانسی را در زمان خطا در مسیر جریان قرار می‌دادند. با ورود ادوات الكترونیك قدرت كلیدهای تریستوری برای این موضوع مورد استفاده قرار گرفتند و مدارهای متعددی از جمله مدارهای امپدانس تشدید و ابررسانا، ارائه گردیده است. محدودكننده‌های ابررسانا در شرایط بهره‌برداری عادی سیستم یك سیم‌پیچ با خاصیت ابررسانایی بوده (مقاومت و افت ولتاژ كمی را باعث می‌شود) ولی به محض وقوع اتصال كوتاه و افزایش جریان از یك حد معینی (جریان بحرانی) سیم‌پیچ مربوط مقاومت بالایی از خود نشان می‌دهد و به همین دلیل جریان خطا كاهش می‌یابد. عمل فوق در زمان كوتاهی انجام می‌پذیرد و نیاز به سیستم كشف خطا نمی‌باشد. برآورد اولیه بخش ابر رسانائی EPRI نشان می‌دهد كه استفاده از محدودسازهای ابررسانائی جریان یك بازار فروش با درآمد حدود 3 تا 7 میلیارد دلار در 15 سال آینده به وجود خواهد آورد. سوئیچهای ابررسانا با تغییر در شدت میدان مغناطیسی، امكان تغییر در وضعیت جسم ابررسانا از ابررسانایی به مقاومتی و برعكس امكانپذیر است. بنابراین از مواد ابررسانا جهت انجام سوئیچینگ یا كلیدزنی نیز می‌توان بهره گرفت. تحقیقات اولیه در این زمینه از اواخر دهه 1950 میلادی آغاز شد و كوششهایی برای استفاده از سوئیچهای ابررسانا در مدارها و حافظه كامپیوترهای بزرگ صورت گرفت. باك در سال 1956 مداری با نام كرایوترون شامل یك سیم‌پیچ نیوبیوم با دمای بحرانی 3/9 درجه كلوین و هسته‌ای از سیم تانتالوم با دمای بحرانی 4/4 درجه كلوین معرفی نمود كه با توجه دمای 2/4 درجه كلوین هلیوم مایع، امكان تغییر وضعیت سیم تانتالوم در اثر ایجاد جریان الكتریكی و درنتیجه میدان مغناطیسی در سیم‌پیچ نیبیوم وجود داشت. با توسعه دانش نیمه‌هادی، توجه به سوئیچهای ابررسانا كاهش یافت اما حجم و تلفات كمتر، و سرعت بالاتر تراشه‌های ابررسانا نسبت به تراشه‌های نیمه‌هادی، استفاده از سلولهای كرایوترونی و جایگزینی ابررسانا به جای مدارهای مسی را برای ساخت ابركامپیوترهای بسیار سریع و كم تلفات، حتی با وجود پیشرفتهای صنعت نیمه‌هادی توجیه‌پذیر می‌سازد. علاوه بر سلولهای كرایوترونی كه با سرعت 1/0 میكروثانیه در ساخت حافظه و تراشه‌های الكترونیك قابل استفاده است، از اتصالات جوزفسون كه مبنای عملكرد آنها، اثر تونل‌زنی است نیز برای ساخت سوئیچهای بسیار سریع و با سرعت 1/0 نانوثانیه (فركانس 10 گیگاهرتز) استفاده شده اما درمورد تكنولوژی ساخت آنها به تعداد زیاد، پژوهشها ادامه دارد. ابررساناها و ژنراتورهای هیدرودینامیك مغناطیسی ژنراتورهای هیدرودینامیك مغناطیسی: اصول کلی ژنراتورهای هیدرودینامیك مغناطیسی (MHD) كه از سال 1959 پژوهشهایی برای تولید برق به وسیله آنها شروع شده و هنوز ادامه دارد، بر این اساس است که جریان گاز پلاسما (بسیار داغ) یا فلز مذاب از میان میدان مغناطیسی قوی عبور داده می‌شود. با عبور گاز داغ یا فلز مذاب، در اثر میدان مغناطیسی بسیار قوی موجود، یونهای مثبت و منفی به سمت الکترودهایی که در بالا و پایین جریان گاز پلاسما یا فاز مذاب قرار دارند، جذب می‌شوند و مانند یك ژنراتور جریان مستقیم، تولید الكتریسیته را باعث می‌شوند. قدرت الکتریکی این ژنراتور جریان مستقیم با اینورترهای الکترونیک قدرت، به برق جریان متناوب تبدیل و به شبکه متصل می‌شود. با توجه به هزینه بالای تولید الكتریسیته در ژنراتورهای MHD، استفاده از آنها تنها به منظور یكنواختی منحنی مصرف در زمانهای پرباری شبكه مفید است. سیم‌پیچهای بزرگ ابررسانا كه از مواد ابررسانای متعارف مانند آلیاژ نیوبیوم تیتانیوم ساخته شده‌اند برای تولید میدانهای مغناطیسی بسیار قوی مناسب و قابل استفاده است. اگر فاصله دو الكترود 1/0 متر، سرعت یونها 400 متر بر ثانیه و میدان مغناطیسی 5 تسلا باشد، ولتاژ خروجی 200 ولت خواهد بود و در طول كانال 6 متری و با قطر یك متر، 40 مگاوات انرژی قابل تولید است. مزیت اصلی ژنرتورهای MHD وزن نسبتاً كم آنها در مقایسه با ژنراتورهای متعارف است كه استقبال از كاربرد آنها را در صنایع هوایی و دریایی موجب شده است.