ژنراتورهای هیدرو دینامیک مغناطیسی ابررسانا

        اصول کلی ژنراتورهای هیدرودینامیک مغناطیسی[1](MHD) که 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 فلز مذاب قرار دارند، جذب می‌شوند و مانند یک ژنراتور جریان مستقیم الکتریسیته تولید می‌کنند. جریان خروجی این ژنراتور جریان مستقیم را می‌توان به وسیله اینورترهای الکترونیک قدرت، به برق جریان متناوب تبدیل و به شبکه متصل کرد. با توجه به هزینه بالای تولید الکتریسیته در این ژنراتورها، استفاده از آنها تنها به منظور یکنواختی منحنی مصرف در زمانهای پرباری شبکه مفید است. سیم‌پیچ‌های بزرگ ابررسانا که از مواد ابررسانای متعارف مانند آلیاژ نیوبیوم تیتانیوم ساخته شده‌اند برای تولید میدانهای مغناطیسی بسیار قوی مناسب و قابل استفاده است. به طور مثال اگر فاصله دو الکترود 1/0 متر، سرعت یونها 400 متر بر ثانیه و میدان مغناطیسی سیم پیچهایHTS 5 تسلا باشد، ولتاژ خروجی 200 ولت خواهد بود و در طول کانال 6 متری و با قطر یک متر، 40 مگاوات انرژی قابل تولید است. مزیت اصلی ژنرتورهای هیدرودینامیک مغناطیسی وزن نسبتاً کم آنها در مقایسه با ژنراتورهای متعارف است که استقبال از کاربرد آنها را در صنایع هوایی و دریایی موجب شده است.

---

[1] Magneto Hydro Dynamic

محدود سازهای ابررسانایی جریان خطا

     علاوه بر موارد گفته شده، محدودسازهای ابررسانائی جریان خطا[1] نیز رده تازه‌ای از وسایل حفاظتی سیستم قدرت را ارائه می‌کنند که قادرند شبکه را از اضافه جریان‌های خطرناکی که باعث قطعی پر‌هزینه برق و خسارت به قطعات حساس سیستم می‌شوند حفاظت نمایند. اتصال کوتاه یکی از خطاهای مهم در سیستم قدرت است که در زمان وقوع، جریان خطا تا بیشتر از ۱۰ برابر جریان نامی افزایش می‌یابد و با رشد و گسترش شبکه‌های برق، به قدرت اتصال کوتاه شبکه نیز افزوده می‌شود. تولید جریان‌های خطای بزرگتر، ازدیاد گرمای حاصله ناشی از عبور جریان القائی 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 باشند و جهت قطع این جریان نیازمند کلیدهایی با قدرت قطع بالا هستیم که هزینه‌های سنگینی به سیستم تحمیل می‌کند. اما اگر به روشی بتوان پس از آشکارسازی خطا، جریان را محدود نمود، از نظر فنی و اقتصادی صرفه جویی قابل توجهی صورت می‌گیرد. انواع مختلفی از محدود کننده‌های خطا تا به حال برای شبکه‌های توزیع و انتقال معرفی شده‌اند که ساده ترین آنها فیوزهای معمولی است که البته پس از هر بار وقوع اتصال کوتاه باید تعویض شوند. از آنجاییکه جریان اتصال کوتاه در لحظات اولیه به خصوص در پریود اول موج جریان، دارای بیشترین دامنه است و بیشترین اثرات مخرب از همین سیکل‌های اولیه ناشی می‌شود باید محدودسازهای جریان خطا بلافاصله بعد از وقوع خطا در مدار قرار گیرند. محدودکننده‌های جریان اتصال کوتاه طراحی شده در دهه‌های اخیر، عناصری سری با تجهیزات شبکه هستند و وظیفه دارند جریان اتصال کوتاه مدار را قبل از رسیدن به مقدار حداکثر خود محدود نمایند به طوری که توسط کلیدهای قدرت موجود قابل قطع باشند.

 این تجهیزات در حالت عادی، مقاومت کمی در برابر عبور جریان از خود نشان می‌دهند ولی پس از وقوع اتصال کوتاه و در لحظات اولیه شروع جریان، مقاومت آنها یکباره بزرگ شده و از بالا رفتن جریان اتصال کوتاه جلوگیری می‌کنند. این تجهیزات پس از هر بار عملکرد باید قابل بازیابی بوده و در حالت ماندگار سیستم، باعث ایجاد اضافه ولتاژ و یا تزریق هارمونیک به سیستم نگردند. محدودسازهای اولیه با استفاده از کلیدهای مکانیکی امپدانسی را در زمان خطا در مسیر جریان قرار می دادند. با ورود ادوات الکترونیک قدرت کلیدهای تریستوری برای این موضوع مورد استفاده قرار گرفتند و مدارهای متعددی از جمله مدارهای امپدانس تشدید و ابررسانا، ارائه گردیده است.

---

[1] SFCL

بزرگترین ذخیره‌ ساز مغناطیسی انرژی ابررسانای جهان

    شکل زیر بزرگترین ذخیره‌ساز مغناطیسی انرژی ابررساناجهان تا سال 2006[1] و احتمالا در حال حاضر(طبق اطلاع بنده) که ساخت شرکت توشیبا به توان 10 مگاوات است را نشان میدهد. این سیستم افت ناگهانی در ولتاژ (line-drops) که ناشی از برخورد رعدوبرق و سایر پدیده‌های طبیعی را اندازه می‌گیرد. هنگامی درجه حرارت کویل ابرسانا به 269- درجه سانتی‌گراد برسد، مقاومت الکتریکی کویل نزدیک به صفر است و سیستم اجازه می‌دهد تا انرژی الکتریکی به صورت انرژی مغناطیسی تبدیل یافته و ذخیره شود. سیستم ذخیره مغناطیسی انرژی ابررسانا 10000 کیلوواتی در کارخانه کامی‌یاما[2] نصب شده و می‌تواند ولتاژ فشار قوی را برای مقابله با اثرات افت ولتاژ ناگهانی در یک لحظه تولید کند.

---

[1] As of September 19, 2006. Based on Sharp research

[2] Kameyama Plant

ذخیره سازهای مغناطیسی انرژی SMES

      در سیستم قدرت بین قدرتهای الکتریکی تولیدی و مصرفی تعادل لحظه ای برقرار است و هیچ‌گونه ذخیره انرژی در آن صورت نمی‌گیرد. بنابراین تولید شبکه ناچار به تبعیت از منحنی مصرف است که غیر اقتصادی می‌باشد. ابرسانای ذخیره کننده مغناطیسی انرژی وسیله‌ای است که برای ذخیره کردن انرژی، بهبود پایداری سیستم قدرت  و کم‌کردن نوسانات قابل استفاده می‌باشد. این انرژی توسط میدان مغناطیسی که توسط جریان مستقیم ایجاد می‌شود ذخیره می‌شود. ابرسانای ذخیره‌ کننده مغناطیسی انرژی هزاران بار قابلیت شارژ و دشارژ دارد بدون اینکه تغییری در خواص مغناطیسی آن ایجاد شود. ویژگی ابررسانایی 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[1] مطرح شد. وی طرح ساخت سیم پیچ مارپیچی بزرگی را ارائه کرد که توانایی ذخیره انرژی روزانه برای تمامی فرانسه را داشت اما به خاطر هزینه ساخت بسیار زیاد آن پیگیری نشد. در سال 1971 تحقیقات در آمریکا در دانشگاه ویسکانسین[2] برای فهمیدن بحثهای بنیادی اثر متقابل بین انرژی ذخیره شده و سیستم‌های چند فاز به ساخت اولین دستگاه انجامید. شرکت هیتاچی در سال 1986 یک دستگاه SMESبه ظرفیت 5 مگاژول را آزمایش کرد. در سال 1989 شرکتهای چوبو و هیتاچی ذخیره ساز مغناطیسی انرژی ساختند. در سال 1995 ذخیره ساز مغناطیسی انرژی به وسیله زیمنس ساخته شد. در سال 1998 نیز ذخیره ساز 360 مگاژول توسط شرکت ایستک[3] در ژاپن ساخته شد. از سال 2004  یک برنامه 10 ساله برای ساخت ذخیره ساز مغناطیسی با ابررسانای دما بالا در کره جنوبی آغاز شده است.

---

[1] Ferrier

[2] Wiscansin

[3] ISTEC

موتورها و ژنراتورهای ابررسانا

   درصورت استفاده از سیمهای ابررسانا به جای سیمهای مسی در روتور ماشینهای القایی، تلفات، حجم، وزن و قیمت آنها کاهش قابل ملاحظه ای خواهد داشت و با افزایش بازده، صرفه جویی قابل توجهی در انرژی الکتریکی صورت می‌گیرد. شکل زیر تفاوت الکتروموتورهای ابررسانا و معمولی را در قدرت یکسان نشان می‌دهد. کویل ژنراتورهای سنکرون نیز با مواد ابررسانای سرامیکی قابل ساخت می‌باشد 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.