- کاربرد ابررسانا در سیم و کابل
- کاربرد ابررسانا در ترانسفورماتورها
- کاربرد ابررسانا در موتورها و ژنراتورها
- کاربرد ابررسانا در ذخیره سازهای مغناطیسی
- کاربرد ابررسانا در محدودسازهای جریان
- سوئيچهاي ابررسانا
- ابررساناها و ژنراتورهاي هيدروديناميك مغناطيسی
کاربرد ابررسانا در سیم و کابل
كشف متحول كننده ابررساناهاي دما بالا در سال 1986 منجر به تحول و توليد نوع جديدي از كابلها در سيستمهاي قدرت شد. در ايالات متحده، اروپا و ژاپن رقابت سختي بر روي تجارت توليد آينده كابلهاي ابررسانائي وجود دارد. قابليت هدايت جريان برق در كابلهاي HTSبالغ بر 100 بار بيشتر از هاديهاي آلومينيومي و مسي متداول مي‌باشد. اندازه، وزن و مقاومت اين نوع كابلها از كابلهاي معمولي بهتر بوده و امروزه توليدكنندگان تجهيزات الكتريكي در سراسر دنيا سعي دارند با استفاده از تكنولوژي HTS باعث كاهش هزينه‌ها و افزايش ظرفيت و قابليت اطمينان سيستمهاي قدرت شوند.
کاربرد ابررسانا در ترانسفورماتورها
استفاده از مواد ابررسانا در سيم‌بندي ترانسفورماتورها باعث 50% كاهش در تلفات، وزن و ابعاد ترانسفورماتور نسبت به انواع متداول ترانسفورماتورهاي روغني شده و به علاوه تأثير قابل توجهي نيز در افزايش بازده، كاهش افت ولتاژ و افزايش ظرفيت اضافه بار ترانسفورماتور دارد. استفاده از ترانسفورماتورهاي ابررسانا با توجه به حجم كم و عدم استفاده از روغن براي خنك‌سازي، نقش قابل ملاحظه‌اي در بهبود فضاي شهري و كاهش هزينه‌هاي زيست محيطي خواهد داشت.
کاربرد ابررسانا در موتورها و ژنراتورها
درصورت استفاده از سيمهاي ابررسانا به جاي سيمهاي مسي در روتور ماشينهاي القايي، تلفات، حجم، وزن و قيمت آنها كاهش قابل ملاحظه‌اي خواهد داشت و با افزايش بازده، صرفه‌جويي قابل توجهي در انرژي الكتريكي صورت مي‌گيرد. كويل ژنراتورهاي سنكرون نيز با مواد ابررساناي سراميكي قابل ساخت مي‌باشد كه منجر به افزايش قابل توجهي در بازده ژنراتور خواهد شد. به علاوه تكنولوژي ابررسانا امروزه در ساخت كندانسورهاي سنكرون نيز كاربرد دارد. كندانسورهاي ابررسانا داراي بازده بيشتر، هزينه نگهداري كمتر و قابليت انعطاف بهتري هستند.
کاربرد ابررسانا در ذخیره سازهای مغناطیسی
در سيستم قدرت بين قدرتهاي الکتريکي توليدي و مصرفي تعادل لحظه‌اي برقرار است و هيچگونه ذخيره انرژي در آن صورت نمي‌گيرد. بنابراين توليد شبکه ناچار به تبعيت از منحني مصرف است كه غير اقتصادي مي‌باشد. ابرساناي ذخيره کننده انرژي مغناطيسي (SMES) وسيله‌اي است كه براي ذخيره کردن انرژي، بهبود پايداري سيستم قدرت و کم کردن نوسانات قابل استفاده مي‌باشد. اين انرژي توسط ميدان مغناطيسي که توسط جريان مستقيم ايجاد مي‌شود ذخيره مي‌شود. ابرساناي ذخيره کننده انرژي مغناطيسي هزاران بار قابليت شارژ و دشارژ دارد بدون اينکه تغييري در خواص مغناطيس آن ايجاد شود. ويژگي ابر رسانايي سيم پيچ نيز موجب مي‌شود که راندمان رفت و برگشت فرايند ذخيره انرژي بسيار بالا و در حدود 95% باشد. اولين نظريه‌ها در مورد اين سيستم در سال 1969 توسط فريه مطرح شد. وي طرح ساخت سيم‌پيچ مارپيچي بزرگي را که توانايي ذخيره انرژي روزانه براي تمامي فرانسه را داشت ارائه كرد که به خاطر هزينه ساخت بسيار زياد آن پيگيري نشد. در سال 1971 تحقيقات در آمريکا در دانشگاه ويسکانسين براي فهميدن بحثهاي بنيادي اثر متقابل بين انرژي ذخيره شده و سيستمهاي چند فاز به ساخت اولين دستگاه انجاميد. شركت هيتاچي در سال 1986 يک دستگاه SMES به ظرفيت 5 مگاژول را آزمايش کرد. در سال 1998 نيز ذخيره‌ساز 360 مگاژول توسط شركت ايستك در ژاپن ساخته شد. علاوه بر ذخيره‌سازي انرژي به منظور تراز منحني مصرف و افزايش ضريب بار، سيستمهاي مورد اشاره با اهداف ديگري نيز مورد توجه قرار گرفته‌اند. بروز اغتشاشهاي مختلف در شبکه قدرت از جمله تغييرات ناگهاني بار، قطع و وصل خطوط انتقال و … به عدم تعادل سيستم مي‌انجامد. در اين شرايط انرژي جنبشي محور ژنراتورهاي سنکرون مجبور به تأمين افزايش انرژي ناشي از اختلال هستند و درصورت حفظ پايداري ديناميكي، حلقه‌هاي کنترل سيستم فعال شده و تعادل را برقرار مي‌سازند. اين روند، نوسان متغيرهاي مختلف مانند فرکانس، توان الکتريکي روي خطوط و… را موجب مي‌شود که مشکلات مختلفي را در بهره برداري از سيستم قدرت به دنبال دارد. اما اگر در سيستم مقداري انرژي ذخيره شده باشد، با مبادله سريع آن با شبکه در مواقع مورد نياز مي‌توان مشکلات فوق را کاهش داد. با توجه به اينكه در اين سيستم انرژي از صورت الکتريکي به صورت مغناطيسي و يا بر عکس تبديل مي‌شود، ذخيره‌ساز ابررسانايي داراي پاسخ ديناميکي سريع مي‌باشد و بنابراين مي‌تواند در جهت بهبود عملکرد ديناميکي نيز به کار رود. معمولاً واحدهاي ابررسانايي ذخيره انرژي را در دو مقياس ظرفيت بالا يعني حدود 1800 مگاژول براي تراز منحني مصرف، و ظرفيت پايين (چندين مگا ژول) به منظور افزايش ميرايي نوسانات و بهبود پايداري سيستم مي‌سازند. سيم پيچ ابررسانا از طريق مبدل به سيستم قدرت متصل و شارژ مي‌شود و با کنترل زاويه آتش تريسيتورها ولتاژ DC دو سر سيم پيچ ابررسانا به طور پيوسته در بازة وسيعي از مقادير ولتاژهاي مثبت ومنفي قابل کنترل است. ورودي ذخيره‌ساز انرژي مي‌تواند تغييرات ولتاژ شبکه، تغيير فرکانس شبکه، تغيير سرعت ماشين سنکرون و… باشد و خروجي نيز توان دريافتي خواهد بود. مهم ترين قابليت SMESجداسازي و استقلال توليد از مصرف است که اين امر مزاياي متعددي از قبيل بهره برداري اقتصادي، بهبود عملکرد ديناميکي و کاهش آلودگي را به دنبال دارد. در کابرد AC جريان الکتريکي هنوز تلفات دارد اما اين تلفات مي‌تواند با طراحي مناسب کاهش پيدا کند. براي هر دوحالت کاري AC وDC انرژي زيادي قابل ذخيره‌سازي است. بهترين دماي عملكرد براي دستگاههاي مورد اشاره نيز 50 تا 77 درجه کلوين است.
کاربرد ابررسانا در محدودسازهای جریان خطا
علاوه بر موارد گفته شده، محدودسازهاي ابررسانائي جريان خطا يا SFCL نيز رده تازه‌اي از وسايل حفاظتي سيستم قدرت را ارائه مي‌كنند كه قادرند شبكه را از اضافه جريانهاي خطرناكي كه باعث قطعي پر هزينه برق و خسارت به قطعات حساس سيستم مي‌شوند حفاظت نمايند. اتصال كوتاه يكي از خطاهاي مهم در سيستم قدرت است كه در زمان وقوع، جريان خطا تا بيشتر از 10 برابر جريان نامي افزايش مي‌يابد و با رشد و گسترش شبكه‌هاي برق، به قدرت اتصال كوتاه شبكه نيز افزوده مي‌شود. توليد جريانهاي خطاي بزرگتر، ازدياد گرماي حاصله ناشي از عبور جريان القائي زياد در ژنراتورها، ترانسفورماتورها و ساير تجهيزات و همچنين كاهش قابليت اطمينان شبكه را در پي دارد. لذا عبور چنين جرياني از شبكه احتياج به تجهيزاتي دارد كه توانايي تحمل اين جريان را داشته باشند و جهت قطع اين جريان نيازمند كليدهايي با قدرت قطع بالا هستيم كه هزينه‌هاي سنگيني به سيستم تحميل مي‌كند. اما اگر به روشي بتوان پس از آشكارسازي خطا، جريان را محدود نمود، از نظر فني و اقتصادي صرفه‌جويي قابل توجهي صورت مي‌گيرد. انواع مختلفي از محدود كننده‌هاي خطا تا به حال براي شبكه‌هاي توزيع و انتقال معرفي شده‌اند كه ساده‌ترين آنها فيوزهاي معمولي است كه البته پس از هر بار وقوع اتصال كوتاه بايد تعويض شوند. از آنجاييكه جريان اتصال كوتاه در لحظات اوليه به خصوص در پريود اول موج جريان، داراي بيشترين دامنه است و بيشترين اثرات مخرب از همين سيكل‌هاي اوليه ناشي مي‌شود بايد محدودسازهاي جريان خطا بلافاصله بعد از وقوع خطا در مدار قرار گيرند. محدودكننده‌هاي جريان اتصال كوتاه طراحي شده در دهه‌هاي اخير، عناصري سري با تجهيزات شبكه هستند و وظيفه دارند جريان اتصال كوتاه مدار را قبل از رسيدن به مقدار حداكثر خود محدود نمايند به طوري كه توسط كليدهاي قدرت موجود قابل قطع باشند. اين تجهيزات در حالت عادي، مقاومت كمي در برابر عبور جريان از خود نشان مي‌دهند ولي پس از وقوع اتصال كوتاه و در لحظات اوليه شروع جريان، مقاومت آنها يكباره بزرگ شده و از بالا رفتن جريان اتصال كوتاه جلوگيري مي‌كنند. اين تجهيزات پس از هر بار عملكرد بايد قابل بازيابي بوده و در حالت ماندگار سيستم، باعث ايجاد اضافه ولتاژ و يا تزريق هارمونيك به سيستم نگردند. محدودسازهاي اوليه با استفاده از كليدهاي مكانيكي امپدانسي را در زمان خطا در مسير جريان قرار مي‌دادند. با ورود ادوات الكترونيك قدرت كليدهاي تريستوري براي اين موضوع مورد استفاده قرار گرفتند و مدارهاي متعددي از جمله مدارهاي امپدانس تشديد و ابررسانا، ارائه گرديده است. محدودكننده‌هاي ابررسانا در شرايط بهره‌برداري عادي سيستم يك سيم‌پيچ با خاصيت ابررسانايي بوده (مقاومت و افت ولتاژ كمي را باعث مي‌شود) ولي به محض وقوع اتصال كوتاه و افزايش جريان از يك حد معيني (جريان بحراني) سيم‌پيچ مربوط مقاومت بالايي از خود نشان مي‌دهد و به همين دليل جريان خطا كاهش مي‌يابد. عمل فوق در زمان كوتاهي انجام مي‌پذيرد و نياز به سيستم كشف خطا نمي‌باشد. برآورد اوليه بخش ابر رسانائي EPRI نشان مي‌دهد كه استفاده از محدودسازهاي ابررسانائي جريان يك بازار فروش با درآمد حدود 3 تا 7 ميليارد دلار در 15 سال آينده به وجود خواهد آورد.
سوئيچهاي ابررسانا
با تغيير در شدت ميدان مغناطيسي، امكان تغيير در وضعيت جسم ابررسانا از ابررسانايي به مقاومتي و برعكس امكانپذير است. بنابراين از مواد ابررسانا جهت انجام سوئيچينگ يا كليدزني نيز مي‌توان بهره گرفت. تحقيقات اوليه در اين زمينه از اواخر دهه 1950 ميلادي آغاز شد و كوششهايي براي استفاده از سوئيچهاي ابررسانا در مدارها و حافظه كامپيوترهاي بزرگ صورت گرفت. باك در سال 1956 مداري با نام كرايوترون شامل يك سيم‌پيچ نيوبيوم با دماي بحراني 3/9 درجه كلوين و هسته‌اي از سيم تانتالوم با دماي بحراني 4/4 درجه كلوين معرفي نمود كه با توجه دماي 2/4 درجه كلوين هليوم مايع، امكان تغيير وضعيت سيم تانتالوم در اثر ايجاد جريان الكتريكي و درنتيجه ميدان مغناطيسي در سيم‌پيچ نيبيوم وجود داشت. با توسعه دانش نيمه‌هادي، توجه به سوئيچهاي ابررسانا كاهش يافت اما حجم و تلفات كمتر، و سرعت بالاتر تراشه‌هاي ابررسانا نسبت به تراشه‌هاي نيمه‌هادي، استفاده از سلولهاي كرايوتروني و جايگزيني ابررسانا به جاي مدارهاي مسي را براي ساخت ابركامپيوترهاي بسيار سريع و كم تلفات، حتي با وجود پيشرفتهاي صنعت نيمه‌هادي توجيه‌پذير مي‌سازد. علاوه بر سلولهاي كرايوتروني كه با سرعت 1/0 ميكروثانيه در ساخت حافظه و تراشه‌هاي الكترونيك قابل استفاده است، از اتصالات جوزفسون كه مبناي عملكرد آنها، اثر تونل‌زني است نيز براي ساخت سوئيچهاي بسيار سريع و با سرعت 1/0 نانوثانيه (فركانس 10 گيگاهرتز) استفاده شده اما درمورد تكنولوژي ساخت آنها به تعداد زياد، پژوهشها ادامه دارد.
ابررساناها و ژنراتورهاي هيدروديناميك مغناطيسی
ژنراتورهاي هيدروديناميك مغناطيسي: اصول کلی ژنراتورهاي هيدروديناميك مغناطيسي (MHD) كه از سال 1959 پژوهشهايي براي توليد برق به وسيله آنها شروع شده و هنوز ادامه دارد، بر اين اساس است که جريان گاز پلاسما (بسيار داغ) يا فلز مذاب از ميان ميدان مغناطيسی قوی عبور داده مي‌شود. با عبور گاز داغ يا فلز مذاب، در اثر ميدان مغناطيسي بسيار قوي موجود، يونهای مثبت و منفی به سمت الکترودهايي که در بالا و پايين جريان گاز پلاسما يا فاز مذاب قرار دارند، جذب مي‌شوند و مانند يك ژنراتور جريان مستقيم، توليد الكتريسيته را باعث مي‌شوند. قدرت الکتريکی اين ژنراتور جريان مستقيم با اينورترهای الکترونيک قدرت، به برق جريان متناوب تبديل و به شبکه متصل مي‌شود. با توجه به هزينه بالاي توليد الكتريسيته در ژنراتورهاي MHD، استفاده از آنها تنها به منظور يكنواختي منحني مصرف در زمانهاي پرباري شبكه مفيد است. سيم‌پيچهاي بزرگ ابررسانا كه از مواد ابررساناي متعارف مانند آلياژ نيوبيوم تيتانيوم ساخته شده‌اند براي توليد ميدانهاي مغناطيسي بسيار قوي مناسب و قابل استفاده است. اگر فاصله دو الكترود 1/0 متر، سرعت يونها 400 متر بر ثانيه و ميدان مغناطيسي 5 تسلا باشد، ولتاژ خروجي 200 ولت خواهد بود و در طول كانال 6 متري و با قطر يك متر، 40 مگاوات انرژي قابل توليد است. مزيت اصلي ژنرتورهاي MHD وزن نسبتاً كم آنها در مقايسه با ژنراتورهاي متعارف است كه استقبال از كاربرد آنها را در صنايع هوايي و دريايي موجب شده است.
