کاربرد ابررسانا در سیستم های الکتریکی

 

در سال 1908 هایک کمرلینگ اونز هلندی در دانشگاه لیدن موفق به تولید هلیوم مایع گردید و با استفاده از آن توانست به درجه حرارت حدود یک درجه کلوین برسد. یکی از اولین بررسی هایی که اونز با دسترسی به این درجه حرارت پایین انجام داد، مطالعه تغییرات مقاومت الکتریکی فلزات بر حسب درجه حرارت بود. چندین سال قبل از آن معلوم شده بود که مقاومت فلزات وقتی دمای آنها به کمتر از دمای اتاق برسد کاهش پیدا می کند اما معلوم نبود که اگر درجه حرارت تا حدود کلوین تنزل یابد، مقاومت تا چه حد کاهش می یابد. اونز که با پلاتنیوم کار می کرد متوجه شد که سرد شدن نمونه پلاتینیوم با اندکی کاهش در مقاومت الکتریکی آن همراه است که متناسب با خلوص نمونه متغیر بود. در آن زمان خالص ترین فلز قابل دسترس جیوه بود و اونز در تلاش برای به دست آوردن رفتار فلز خیلی خالص، مقاومت جیوه خالص را در دماهای مختلف اندازه گرفت.

در سال 1911 وی دریافت که درجه حرارت خیلی پایین مقاومت جیوه تا حد غیر قابل اندازه گیری کاهش می یابد. که البته موضوع شگفت انگیزی نیود اما نحوه از بین رفتن مقاومت غیرمنتظره به نظر می رسید. اونز مشاهده نمود هنگامی که درجه حرارت جیوه به سمت صفر درجه مطلق تنزل داده می شود، کاهش آرام مقاومت ناگهان در حدود 4 درجه کلوین با افت بزرگی مواجه شده و پایین تر از این درجه حرارت، جیوه هیچ گونه مقاومتی از خود نشان نمیداد.

همچنین این گذار ناگهانی به حالت بی مقاومت، فقط مربوط به خواص فلزات نمی شد و حتی در جیوه ناخالص نیز اتفاق می افتاد. اونز به این نتیجه رسید که پایین تر از 4 درجه کلوین، جیوه به حالت دیگری از خواص الکتریکی که کاملا با حالت های شناخته شده قبلی متفاوت بود رسیده است. این حالت تازه ابر رسانایی نام گرفت.

مدتی بعد مشخص شد که با تغییر برخی شرایط مانند افزایش دوباره دما، ابررسانایی از بین می رود یعنی مقاومت الکتریکی فلزاتی که به وضعیت ابررسانایی رسیده اند، مجددا قابل بازیابی است. همچنین برخی خصوصیت های مغناطیسی فلزات ابررسانا، مشخص شد که اگر یک میدان مغناطیسی قوی به ابرسانا اعمال شود، خواص مغناطیسی فلز ابررسانا نسبت به درجه حرارت های معمولی بسیار متفاوت می باشد. بر اساس تحقیقات انجام شده، تاکنون مشخص شده است که نصف عناصر فلزی و همچنین برخی آلیاژها و سرامیکها در درجه حرارت های پایین ابررسانا می شوند.

مهم ترین خواص ابررسانا

مقاومت ناچیز در مقابل عبور جریان مستقیم و توانایی عبور چگالی جریان بالا

امروزه صرفه جویی در مصرف انرژی، یکی از مهم ترین نیازهای کشورهای صنعتی است. بودجه های زیادی صرف تحقیقات در زمینه کشف راه های تازه و موثر برای یافتن انرژی های ارزان و با ریسک کمتر می شود. بر پایه ی این پدیده، بارهای الکتریکی می توانند بدون تلفات گرمایی از یک رسانا عبور کنند. بنابراین ابررسانای با نقشی که می تواند در زمینه صرفه جویی در تولید و انتقال انرژی الکتریکی بازی کند، در آینده بشر نقشی اساسی خواهد داشت و به همین دلیل در سال های اخیر بیش از ده هزار پژوهشگر با صرف هزینه های زیاد، تحقیقات خود را روی موضوع ابررسانایی و کاربرد های آن در علوم مختلف متمرکز ساخته اند. با توجه به مقاومت تقریبا صفر، ابررساناها در شبکه های توزیع وانتقال و ماشین های الکتریکی قابل استفاده هستند. این خاصیت باعث می شود که اگر جریانی در یک ابررسانا ایجاد شود، بدون کاهش قابل توجهی برای مدت طولانی برقرار بماند. همینطور شدت جریان عبوری از ابررسانا نیز به علت فقدان افت اهمی بسیار بالاست.

توانایی در تولید میدانهای معناطیسی قوی

پدیده ی ابررسانایی در فن آوری های جدید از توانایی های گسترده برخوردا است. خواص ابررسانایی در موارد، علاوه بر دمای محیط و شدت جریان عبوری، به میدان مغناطیسی هم بستگی دارد. یعنی حتی اگر جسم در دمایی پایین تر از حد ابررسانایی باشد، می توان در قطارهای مغناطیسی استفاده کرد. شدت این میدان ها برای آلیاژ نیوبیوم و تیتانیوم به حدود 10 تسلا نیز می رسد. شدت میدان مغناطیسی در جهتاز بین بردن خاصیت ابررسانایی عمل می کند.

خاصیت تونل زنی و اثر جوزفسون

این مشخصه به این معنی است که اگر دو ابررسانا را خیلی به هم نزدیک کنیم، مقاری از جریان یکی به دیگری نشت می کند. در دو صر این پیوندگاه یا تونل هیچ ولتاژی وجودندارد. یعنی میزان جریان نشتی به ولتاژ بستگی ندارد ولی به میدان مغناطیسی و تابش مغناطیسی حتی در مقادیر خیلی کوچک ب شدت وابسته است. عملکرد ابررسانا در این زمینه تاحدودی شبیه دیودهای نیمههادی است که به جای اتصال دو نیمه هادی نوع N و P به یکدیگر، دو ابررسانا با لایه بسیار نازکی از عایق اتصال داده می شوند. اتصال جوزفسون، نوعی کلید زنی بسیار سریع است وکلید زنی ولتاژ را تقریبا ده برابر سریعتر از مدارهای نیمه رسانای متداول انجام میدهد که مزیتی ممتاز برای استفاده در کامپیوترها می باشد.

کاربرد های مختلف ابررسانا

سیم ها وکابل های ابر رسانا

کشف متحول کننده ابررسانا های دما بالا در سال 1986 منجر به تحول و تولید نوع جدیدی از کابل ها در در سیستم های قدرت شد. در ایالات متحده، اروپا و ژاپن رقابت سختی بر روی تجارت تولید آینده کابل های ابررسانایی وجود دارد. قابلیت هدایت جریان برق در کابل های HTS بالغ بر 150 بار بیشتر از هادی های آلومینیومی و مسی متداول باشد و بنابراین اتلاف انرژی در اثر مقاومت که در حدود 8 تا 10 درصد کل انرژی الکتریکی تولیدی و 4 درصد کل انرژی جهان است، تقریبا به صفر می رسد. تولید هر گیگاوات ساعت انرژی 160 تن اکسید کربن و یک تن اکسید نیتروژن آلودگی ایجاد می کند که صرفه جویی ناشی از استفاده ابررسانا را از نظر زیست محیطی توجیه پذیر می سازد. اندازه و وزن این کابل ها از کابل های معمولی بهتر بوده و امروزه تولید کنندگان تجهیزات الکتریکی در سراسر دنیا سعی دارند با استفاده از تکنولوژی HTS باعث کاهش هزینه ها و افزایش ظرفیت و قابلیت اطمینان سیستم های قدرت شوند.

ترانسفورماتورهای ابررسانا

استفاده از مواد ابررسانا در سیم بندی ترانسفورماتورها نیز باعث 50% کاهش در تلفات، وزن و ابعاد ترانسفورماتور نسبت به انواع متداول ترانسفورماتورهای روغنی شده و به علاوه تاثیر قابل توجهی نیز در افزایش بازده، کاهش افت ولتاژ و افزایش ظرفیت اضافه بار ترانسفورماتور دارد. استفاده از ترانسفورماتورهای ابررسانا با توجه به حجم کم و عدم استفاده از روغن برای خنک سازی، نقش قابل ملاحظه ای در بهبود فضای شهری و کاهش زینه های زیست محیطی خواهد داشت. آلمان در ساخت ترانسفورماتورهای ابررسانا پیشتاز است. پروژه ساخت موتور ابررسانا از سال 2000 در آلمان شروع شدهاست.

موتورها و ژنراتورهای ابررسانا

در صورت استفاده از سیم های ابررسانا به جای سیم های مسی در روتور ماشین های القایی، تلفات حجم، وزن و قیمت آن ها کاهش قابل ملاحظه ای خواهد دات و با افزایش بازده صرفه جویی قابل توجهی در انرژی الکتریکی صورت می گیرد. کویل ژنراتورهای سنکرون نیز با مواد ابررسانای سرامیکی قابل ساخت می باشد که منجر به افزایش قابل توجهی در بازده ژنراتور خواهد شد. به علاوه تکنولوژی ابررسانا امروزه در ساخت کندانسورهای سنکرون نیز کاربرد دارد. کندانسورهای ابررسانا دارای بازده بیشتر، هزینه نگهداری کمتر و قابلیت انعطاف بهتری هستند. از سال 1996 ژنراتور ابررسانا 70 مگاواتی ساخته شد که برآورده شده است سالانه 440 میلیون دلار از بازار برق را ژاپن به خود اختصاص دهد.

ذخیره سازهای مغناطیسی انرژی

در سیستم قدرت بین قدرت های الکتریکی تولیدی و مصرفی تعادل لحظه ای برقرار است و هیچ گونه ذخیره انرژی در آن صورت نمی گیرد. بنابراین تولید شبکه ناچار به تبعیت از منحنی مصرف است که غی اقتصادی می باشد. ابررسانای ذخیره کننده انرژی مغناطیسی وسیله ای است که برای ذخیره کردن انرژی، بهبود پایداری سیستم قدرت و کم کردن نوسانات قابل استفاده می باشد. این انرژی توسط میدان مغناطیسی که توسط جریان مستقیم ایجاد می شود ذخیره می شود. ابررسانای ذخیره کننده انرژی مغناطیسی هزاران بار قابلیت شارژ و دشارژ دارد بدون این که تغییری در خواص مغناطیس آن ایجاد شود. ویژگی ابررسانایی سیم پیچ نیز موجب می شود که راندمان رفت و برگشت فرآیند ذخیره سازی انرژی بسیار بالا و در حدور 95% باشد.

اولین نظریه ها در مورد این سیستم در سال 1969 توسط فریه مطرح شد. وی طرح ساخت سیم پیچ مارپیچ بزرگی را ارئه کرد که توانایی ذخیره انرژی روزانه را برای تمامی فرانسه داشت اما به خاطر هزینه ساخت بسیار زیاد آن پیگیری نشد. علاوه بر ذخیره سازی انرژی به منظور تراز منحنی مصرف و افزایش ضریب بار، سیستم های مورد اشاره با اهداف دیگری نیز مورد توجه قرار گرفته اند. بروز اغتشاش های مختلف در شبکه قدرت از جمله تغییرات ناگهانی بار، قطع ووصل خطوط انتقال و ... به عدم تعادل سیستم می انجامد. در این شرایط انرژی جنبشی محور ژنراتور سنکرون مجبور به تامین افزایش انرژی ناشی از اختلال هستند و در صورت حفظ پایداری دینامیکی، حلقه های کنترل سیستم فعال شده و تعادل را برقرار می سازند. این روند، نوسان متغیرهای مختلف مانند، توان الکتریکی روی خطوط و .. را موجب می شود که مشکلات مختلفی را در بهره برداری از سیستم قدرت به دنیال دارد. اما اگر در سیستم مقداری انرژی ذخیره شده باشد، با مبادله ی سریع آن با شبکه در مواقع نیاز می توان مشکلات فوق را کاهش داد. با توجه به این که در این سیستم مقداری انرژی ذخیره شده باشد، با مبادله سریع آن با شبکه در مواقع مورد نیاز می توان مشکلات فوق را کاهش داد. با توجه به این که در این سیستم انرژی از صورت الکتریکی به صورت مغناطیسی و یا بر عکس تبدیل می شود، ذخیره ساز ابررسانایی دارای پاسخ دینامیکی سریع می باشد و بنابراین می تواند در جهت بهبود عملکرد دینامیکی نیز به کار می رود. معمولا واحدهای ابررسانایی ذخیره انرژی را در دو مقیاس ظرفیت بالا یعنی حدود 1800 مگاژول برای تراز منحنی مصرف، و ظرفیت پایین به منظور افزایش میرایی نوسانات و بهبود پایداری سیستم می سازند. سیم پیچ ابررسانا از طریق مبدل به سیستم قدرت متصل و شارژ می شود و با کنترل زاویه آتش تریستورها ولتاژ DC دو سر سیم پیچ ابررسانا به طور پیوسته در بازه ی وسیعی از مقادیر ولتاژ های مثبت و منفی قابل کنترل است. ورودی ذخیره ساز انرژی می تواند تغییرات ولتاژ شبکه، تغییر فرکانس شبکه، تغییر سرعت ماشین سنکرون و ... باشد و خروجی نیز توان دریافتی خواهد بود. مهم ترین قابلیت SMES جداسازی و استقلال تولید از مصرف است که این امر مزایای متعددی از قبیل بهرهبرداری اقتصادی، بهبود عملکرد دینامیکی و کاهش آلودگی را به دنبال دارد. در کاربرد ACجریان الکتریکی هنوز تلفات دارد اما این تلفات می تواند با طراحی مناسب کاهش پیدا کند. برای هر دو حالت کاری ACو DC انرژی زیادی قابل ذخیره سازی است. بهترین دمای عملکرد برای دستگاه های مورد اشاره نیز 50 تا 77 کلوین است. محدود سازهای ابررسانایی جریان خطا: علاوه بر موارد گفته شده، محدودسازهای ابررسانائی جریان خطا نیز رده تازه ای از وسایل حفاظتی سیستم های قدرت را ارائه می کنند که قادرند شبکه را از اضافه اتصال کوتاه یکی از خطاهای مهم در سیستم برق و خسارت به قطعات حساس سیستم می شوند حفاظت نمایند.

اتصال کوتاه یکی از خطاهای مهم در سیستم قدرت است که در زمان وقوع، جریان خطا تا بیشتر از 10 برابر جریان نامی افزایش می یابد . با رشد و گسترش شبکه های برق، به قدرت اتصال کوتاه شبکه نیز افزوده می شود. تولید جریان های خطای بزرگتر، ازدیاد گرمای حاصله ناشی از عبور جریان القایی زیاد در ژنراتورها، ترانسفورماتورها و سایر تجهیزات و همچنین کاهش قابلیت اطمینان شبکه را در پی دارد. لذا عبور چنین جریانی از شبکه احتیاج به تجهیزاتی دارد که توانایی تحمل این جریان را داشته باشد و جهت قطع این جریان نیازمند کلیدهایی با قدرت قطع بالا هستیم که هزینه های سنگینی به سیستم تحمیل می کند. اما اگر به روشی بتوانپس از آشکارسازی خطا، جریان را محدود نمود، از نظر فنی و اقتصادی صرفه جویی قابل توجهی صورت می گیرد. انواع مختلفی از محدود کننده های خطا تا به حال برای شبکه های توزیع و انتقال معرفی شده اند که ساده ترین آن ها فیوزهای معمولی است که البته پس از هربار وقوع اتصال کوتاه باید تعویض شوند.