کاربرد ابر رسانا در ذخیره سازهای مغناطیسی

کاربرد ابر رسانا در ذخیره سازهای مغناطیسی

ابر رسانا :با افزایش مصرف روزانه برق، اختلاف بین میزان مصرف در شب و روز نیز افزایش می یابد. از آنجا که ظرفیت تولید شبکه باید برابر با مقدار پیک مصرف باشد، نیاز به توسعه بخش های تولید، انتقال و توزیع خواهد بود. لیکن از این توسعه فقط در زمان کوتاهی از شبانه روز (به هنگام پیک بار شبکه که ممکن است کمتر از یک ساعت باشد) استفاده می شود که این خود باعث افزایش قیمت برق می شود.

راه حلی که برای این مشکل ارائه شده است، یکنواخت سازی مصرف روزانه نام دارد که در آن به هنگام شب انرژی ذخیره شده و در روز به شبکه تحویل داده می شود.

برای بهره گیری از ابر رساناها در ذخیره سازی انرژی الکتریکی می توان از چرخ طیار و SMES استفاده کرد. بدین صورت كه با ذخیره كردن انرژی الكتریكی و تزریق این انرژی به شبكه در هنگام وجود نوسانات الكتریكی می توان پایداری سیستم قدرت را حفظ كرد.

مشکل چرخ طیارهای عادی (که در ذخیره سازی انرژی برای کوتاه مدت از آنها استفاده می شود) بالا بودن تلفات چرخشی در اثر یاطاقان ها و سیم پیچ ها است که باعث می شود نتوان از آنها برای ذخیره سازی بلند مدت انرژی استفاده کرد. در چرخ طیارهای جدید برای رسیدن به سرعت های بالا و در نتیجه انرژی ذخیره شده بیشتر، از نوعی پلاستیک تقویت شده استفاده می شود که این خود باعث ساده شدن طراحی می گردد.

همچنین برای حذف تلفات چرخشی ناشی از تماس مکانیکی، می توان از یاطاقان های مغناطیسی استفاده کرد. در این حالت نیز در سیم پیچی مسی آهنربا تلفات مقاومتی وجود دارد که طرح را غیر اقتصادی می کند. برای حذف این تلفات نیز از ابر رسانا در سیم پیچی قسمت مغناطیسی استفاده می شود.

اگر در یک سیم پیچ ابر رسانا به طریقی جریانی به وجود آید، به دلیل عدم وجود مقاومت، این جریان تقریباً تا بی نهایت جریان خواهد داشت و انرژی را به صورت مغناطیسی ذخیره می کند. از طرفی جریان قابل حمل توسط ابر رسانا بسیار بیشتر از هادیهای معمول می باشد. از این خواص در SMES ها و برای پایدارسازی سیستم قدرت استفاده می شود. شرکت AMSC به تولید این وسیله از جنس LTS می پردازد. نوع HTS آن نیز در دست مطالعه و ساخت است.

کاربرد ابر رسانا در ذخیره سازهای مغناطیسی

در سیستم قدرت بین انرژی 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. 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.

ابر رسانای 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[6] 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 دانشگاه ویسکانسین امریکا برای درک مباحث بنیادی اثر متقابل بین انرژی ذخیره شده و سیستم‌های چند فاز، به ساخت اولین دستگاه SMES انجامید.

شركت هیتاچی در سال 1986 یک دستگاه SMES به ظرفیت 5 مگاژول را آزمایش کرد. در سال 1998 نیز ذخیره‌ساز 360 مگاژول 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 اغتشاش های 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 است و درصورت حفظ پایداری دینامیكی، حلقه‌های کنترل سیستم فعال شده و تعادل را برقرار می‌سازند. این روند، نوسان کمیت های 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، ذخیره‌سازی با استفاده از ابررسانا دارای پاسخ دینامیکی سریع بوده و بنابراین می‌تواند در جهت بهبود عملکرد دینامیکی سیستم قدرت نیز به کار رود. معمولاً واحدهای ابررسانای ذخیره انرژی در دو مقیاس ظرفیت بالا و ظرفیت پایین ساخته می شوند.

از نوع ظرفیت بالا (حدود 1800 مگاژول) برای تراز منحنی مصرف، و از ظرفیت پایین (چندین مگا ژول) به منظور افزایش میرایی نوسانات و بهبود پایداری سیستم استفاده می شود. سیم پیچ ابررسانا از طریق مبدل های الکترونیک قدرت به سیستم قدرت متصل و شارژ می‌شود و با کنترل زاویه آتش تریسیتورها ولتاژ DC دو سر سیم پیچ ابررسانا به طور پیوسته در بازه وسیعی از مقادیر ولتاژهای مثبت و منفی 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 SMES جداسازی 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. کابرد ابررسانا در ولتاژهای AC دارای تلفات است، اما این تلفات می‌تواند با طراحی مناسب کاهش پیدا کند. برای هر دو حالت کاری AC و DC انرژی زیادی قابل ذخیره‌سازی است، بهترین دمای عملكرد برای دستگاههای مورد اشاره نیز 50 تا 77 کلوین است.