از اوايل دهه هفتاد مفهوم ذخيرهسازی انرژی الکتريکی به شکل مغناطيسی مورد توجه قرار گرفت. با ظهور تکنولژی ابر رسانايی، کاربردهاي گوناگونی برای اين پديده فيزيکی مطرح شد. از معروف ترين اين کاربردها میتوان به SMES اشاره کرد. در SMES انرژی در يک سيمپيچ با اندوکتاس بزرگ که از ابر رسانا ساخته شده است، ذخيره میشود. ويژگی ابر رسانايی سيمپيچ موجب میشود که راندمان رفت و برگشت فرايند ذخيره انرژی بالا و در حدود 95% باشد. ويژگی راندمان بالای SMES آن را از ساير تکنيکهای ذخيره انرژی متمايز می کند. همچنين از آنجايی که در اين تکنيک انرژی از صورت الکتريکی به صورت مغناطيسی و يا برعکس تبديل میشود، SMES دارای پاسخ ديناميکی سريع میباشد. بنابراين میتواند در جهت بهبود عملکرد ديناميکي نيز بکار رود. معمولاً واحدهای ابر رسانايی ذخيرهسازی انرژی را به دو گونه ظرفيت بالا (MWh 500) جهت ترازسازی منحنی مصرف، و ظرفيت پايين(چندين مگا ژول) به منظور افزايش ميرايی نوسانات و بهبود پايداری سيستم میسازند.
بطور خلاصه مهمترين قابليت SMES جداسازی و استقلال توليد از مصرف است که اين امر مزايای متعددی از قبيل بهرهبرداری اقتصادی، بهبود عملکرد ديناميکی و کاهش آلودگی را به دنبال دارد.
فامکو ابررسانايي
در سال 1908 وقتي كمرلينگ اونز هلندي در دانشگاه ليدن موفق به توليد هليوم مايع گرديد حاصل شد كه با استفاده از آن توانست به درجه حرارت حدود يك درجه كلوين برسد.
يكي از اولين بررسيهايي كه اونز با اين درجه حرارت پايين قابل دسترسي انجام داد مطالعه تغييرات مقاومت الكتريكي فلزات بر حسب درجه حرارت بود. چندين سال قبل از آن معلوم شده بود كه مقاومت فلزات وقتي دماي آنها به پايينتر از دماي اتاق برسد كاهش پيدا ميكند. اما معلوم نبود كه اگر درجه حرارت تا حدود كلوين تنزل يابد مقاومت تا چه حد كاهش پيدا ميكند. آقاي اونز كه با پلاتينيم كار ميكرد متوجه شد كه مقاومت نمونه سرد تا يك مقدار كم كاهش پيدا ميكرد كه اين كاهش به خلوص نمونه بستگي داشت. در آن زمان خالصترين فلز قابل دسترس جيوه بود و در تلاش براي بدست آوردن رفتار فلز خيلي خالص اونز مقاومت جيوه خالص را اندازه گرفت. او متوجه شد كه در درجه حرارت خيلي پايين مقاومت جيوه تا حد غيرقابل اندازهگيري كاهش پيدا ميكند كه البته اين موضوع زياد شگفتانگيز نبود اما نحوه از بين رفتن مقاومت غير منتظره مينمود. موقعي كه درجه حرارت به سمت صفر تنزل داده ميشود بهجاي اينكه مقاومت به آرامي كاهش يابد در درجه حرارت 4 كلوين ناگهان افت ميكرد و پايينتر از اين درجه حرارت جيوه هيچگونه مقاومتي از خود نشان نميداد. همچنين اين گذار ناگهاني به حالت بيمقاومتي فقط مربوط به خواص فلزات نميشد و حتي اگر جيوه ناخالص بود اتفاق ميافتاد.آقاي اونز قبول كرد كه پايينتر از 4 كلوين جيوه به يك حالت ديگري از خواص الكتريكي كه كاملاً با حالت شناخته شده قبلي متفاوت بود رفته است و اين حالت تازه «حالت ابر رسانايي» نام گرفت. بعداً كشف شد كه ابررسانايي را مي توان از بين برد (يعني مقاومت الكتريكي را مي توان مجددا بازگردانيد). و در نتيجه معلوم شد كه اگر يك ميدان مغناطيسي قوي به فلز اعمال شود اين فلز در حالت ابر رسانايي داراي خواص مغناطيسي بسيار متفاوتي با حالت درجه حرارتهاي معمولي ميباشد.
تاكنون مشخص شده است كه نصف عناصر فلزي و همچنين چندين آلياژ در درجه حرارتهاي پايين ابر رسانا ميشوند. فلزاتي كه ابررسانايي را در درجه حرارتهاي پايين از خود نشان ميدهند (ابر رسانا) ناميده ميشوند. سالهاي بسياري تصور ميشد كه تمام ابررساناها بر طبق يك اصول فيزيكي مشابه رفتار ميكنند. اما اكنون ثابت شده است كه دو نوع ابررسانا وجود دارد كه به نوع I و II مشهور ميباشد. اغلب عناصري كه ابررسانا هستند ابررسانايي از نوع I را از خود نشان ميدهند. در صورتيكه آلياژها عموماً ابررسانايي از نوع II را از خود نشان ميدهند. اين دو نوع چندين خاصيت مشابه دارند. اما رفتار مغناطيسي بسيار متفاوتي از خود بروز ميدهند.
پديدهي ابر رسانايي در تكنولوژي از توانايي گستردهاي بر خوردار است زيرا بر پايهي اين پديده بارهاي الكتريكي ميتوانند بدون تلفات گرمايي از يك رسانا عبور كنند. بهطور مثال جريان القا شده در يك حلقهي ابر رسانا بدون وجود هيچ باطري در مدار به مدت چند سال بدون كاهش باقي ميماند. براي نمونه در واشنگتن از يك خلقه ابر رساناي بزرگ براي ذخيرهكردن انرژي الكتريكي در تكوما استفاده ميشود. ذخيرهي انرژي در اين حلقه تا 5 مگاوات بالا مي رود و انرژي در مدت مورد نظر آزاد ميشود.
عمده مشكل ايجاد كردن شرايط براي اين پديده دماي بسيار پايين آن ميباشد كه بايد دماهاي بسيار پايين را محيا كرد. اما در سال 1986 مواد سراميكي جديدي كشف شد كه در دماهاي بالاتري توانايي ابر رسانايي را داشته باشد. (تا اكنون در دماي 138 درجه كلوين اين امر ميسر شده است).
فامکو كاربردهاي ابر رسانايي
كاربردهاي زيادي را براي ابررساناها در نظر گرفته است بهعنوان مثال استفاده از ابر رساناها باعث خواهد شدكه مدار ماهوارههاي چرخنده به دور زمين با دقت بسياربالايي كنترل شوند. خاصيت اصلي ابر رساناها به دليل نداشتن مقاومت الكتريكي امكان انتقال جريان الكتريكي- حجم كوچكي از ابررسانا است. به همين خاطر اگر بجاي سيمهاي مسي از ابر رساناها استفاده شود، موتورهاي فضاپيماها تا 6 برابر نسبت به موتورهاي فعلي سبكتر خواهند شد و باعث ميشود كه وزن و فضاپيما بسيار كاهش يابد .
از ديگر زمينههايي كه ابررساناها ميتوانند نقش اساسي در آنها بازي ميكنند ميتوان كاوشهاي بعدي انسان از فضارا نام برد. ابررساناها بهترين گزينه براي توليد و انتقال بسيار كارآمد انرژي الكتريكي هستند و طي شبهاي طولاني ماه كه دما تا 173- درجه سانتيگراد پايين ميآيد و طي ماههاي ژانويه تا مارس دستگاههاي MRI ساخته شده ازسيمهاي ابررسانا، ابزار تشخيص دقيق و توانمندي در خدمت سلامت خدمه فضاپيما خواهد بود. و همچنين ساخت ابر كامپيوترهاي بسيار كوچك و كممصرف ميباشد.
فامکو SMES چيست؟
Superconducting Magnetic Energy Storage
ابرسانای ذخيره کننده انرژی مغناطيسی وسيلهای است برای ذخيره کردن انرژی و بهبود پايداری سيستم و کم کردن نوسانات. اين انرژی توسط ميدان مغناطيسی که توسط جريان مستقيم ايجاد میشود ذخيره میشود.
اين وسيله میتواند هزاران بار شارژ و دشارژ شود بدون اينکه تغييری در مغناطيس آن ايجاد شود.
فامکو اولين سيستم SMES
اولين نظريهها در مورد اين سيستم توسط فرريه Ferrier در سال 1969 مطرح شد او سيمپچی بزرگ مارپيچی که توانايی ذخيره انرژی روزانه کل فرانسه داشت پيشنهاد کرد. که به خاطر هزينه ساخت بسيار زياد آن کسی پيگيری نکرد. در سال 1971 تحقيقات در آمريکا در دانشگاه ويسکانسين برای فهميدن بحثهای بنيادی اثر متقابل مابين انرژی ذخيره شده و سيستمهای چند فازه منجر به ساخت اولين دستگاه شد.
هيتاچی در سال1986 يک دستگاه SMES به ميزان 5MJ را ساخت و آزمايش کرد. در سال1998 يک SMES 100KWH توسط ISTEC در ژاپن ساخته شد.
فامکو SMES و مدلسازی آن
يک واحد SMES که در سيستمهای قدرت بکار گرفته ميشود از يک سيمپيچ بزرگ ابررسانا و يک سيستم سردکننده هليم به منظور نگهداری دمای هليم در زير دمای بحرانی تشکيل شده است. سيمپيچ ابررسانا از طريق دو مبدل AC/DC شش تريسيتور و يک ترانسفورماتور قدرت سه سيم پيچه کاهنده به سيستم قدرت متصل است.
در شکل اندوکتانس L به z عنوان بار در قسمت DC در منطقه کنترل دما قرار میگيرد و مبدلهای AC/DC در خارج اين منطقه قرار میگيرند. با کنترل زاويه آتش تريسيتورها ولتاژ DC دو سر سيمپيچ ابر رسانا را ميتوان بهطور پيوسته در بازهی وسيعی از مقادير ولتاژهای مثبت و منفي کنترل کرد. اگر از تلفات جزيی سيستم صرفنظر کنيم بر اساس تئوری مبدلها داريم:
که در آن Ed ولتاژ دو سرسيمپيچ Ed ولتاژ ماکزيمم دو سر سيمپيچ در بیباری، Id جريان سيمپيچ ابر رسانا، xc راکتانس کموتاسيون همگی بر حسب pu و a زاويه آتش میباشد مشخصهکاری SMES دارای دو حالت يکسوسازی و اينورتری میباشد. معمولاً اين پريود در زاويه آتش صفر يعنی حداکثر ولتاژ انجام میشود. در حالت اينورتری انرژی مغناطيسی ذخيره شده در سيمپيچ به شکل الکتريکی وارد شبکه میگردد.
شکل زير بلوک دياگرام مدل SMES را نشان میدهد. ولتاژ Ed دو سر سيم سيمپيچ بهعنوان عامل کنترل توان مورد استفاه قرار میگيرد. بسته به نوع کاربرد SMES يکی از کميتهای تغيير فرکانس شبکه تغيير سرعت ماشين سنكرون، تغييرات ولتاژ شبکه و... بهعنوان ورودی به SMES انتخاب میشود. خروجی SMES نيز توان دريافتی میباشد. در اين شکل Tdc تأخير زمانی مبدل، Kf بهره حلقه کنترل و L اندوکتانس سيمپيچ میباشد. معمولاً پس از تخليه انرژی SMES زمان زيادی لازم است تا جريان به حالت اوليه بر میگردد، به منظور رفع اين مشکل ميتوان از يک فيدبک تغيير جريان استفاده کرد. بدين ترتيب SMES را در مطالعات ديناميکی می توان با اين مدل غير خطی مرتبه دوم توصيف کرد.
فامکو چگونگی انجام کار ابررسانايی
اجسام ابررسانا ظرفيت ذخيزه را افزايش میدهند، در دماهای پايين اجسام ابررسانا در مقابل عبور جريان از خود مقاومتی نشان نمیدهند. به هر حال کاربرد ابرساناها توسط عواملی چون وضعيت کاهش دما، ميدان مغناطيسی بحرانی و چگالی جريان بحرانی محدود ميشود.
SMES انرژی الکتريکی را در ميدان مغناطيسی ناشی از جريان DC جاری در سيمپيچ ذخيره میشود. اگر سيمپيچ از موادی مثل مس باشد انرژی مغناطيسی زيادی در سيم به خاطر مقاومت بيهوده تلف میشود؛ اگر سيم از جنس ابر رسانا باشد انرژی در حالت «پايا» و تا زمانیکه لازم است ذخيره شود. ابررساناها در مقابل جريان DC مقاومت ندارند و به همين دليل در دمای پايين تلفات اهمی را محو ميکنند در کابرد AC جريان الکتريکی هنوز تلفات دارد اما اين تلفات ميتواند با طراحی مناسب کاهش پيدا کند. برای هر دوحالت کاری AC DC انرژی زيادی ذخيره ميشود.بهينهترين دما برای دستگاهها 77-50 کلوين است.
فامکو ابررساناها و ژنراتورهاي هيدروديناميك مغناطيسی
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.
فامکو کاربرد ابررسانا در محدودسازهای جريان 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 آنجايي كه 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.
فامکو کاربرد ابررسانا در ذخيرهسازهای مغناطيسی
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 غيراقتصادي ميباشد. ابرساناي ذخيرهکننده انرژي مغناطيسي (SMES) وسيلهاي است كه براي ذخيرهکردن 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 سيمپيچ 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 سال1969 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 سال1971 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 سال1986 يک دستگاه SMES به ظرفيت 5 مگاژول را آزمايش کرد. در سال1998 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 بهرهبرداري از سيستم قدرت به دنبال دارد. اما اگر در سيستم مقداري انرژي ذخيره شده باشد، با مبادله سريع آن با شبکه در مواقع موردنياز ميتوان مشکلات فوق را کاهش داد. با توجه به اينكه در اين سيستم انرژي از صورت الکتريکي بهصورت مغناطيسي و يا برعکس تبديل ميشود، ذخيرهساز ابررسانايي داراي پاسخ ديناميکي سريع ميباشد و بنابراين ميتواند در جهت بهبود عملکرد ديناميکي نيز بهکار 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 بازهي وسيعي از مقادير ولتاژهاي مثبت و منفي 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 SMES جداسازي و استقلال توليد از مصرف است که اين امر مزاياي متعددي از قبيل بهرهبرداري 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.
فامکو کاربرد ابررسانا در موتورها و ژنراتورها