فرهنگ و تاريخ | سرگرمي | نيازمنديها | مذهبي | اقتصادي | خانواده و اجتماع | هنر | اخبار | ورزش | کامپيوتر | گردشگري | صنعت و دانشگاه | صفحه اصلي

صفحه اول بخش الکترونيک
دانشگاه ها و اساتيد برق
آموزش علوم رشته برق
آموزش نرم افزارهاي برق
مراکز تحقيقاتي رشته برق
پروژه هاي تحقيقاتي برق
رده بندي سايتهاي برق
آشنايي با متخصصين برق
بانک مقالات رشته برق
پايان نامه هاي دانشجويي
کتاب ، جزوه ، مجلات برق
گالري عکسهاي رشته برق
 
 

عنوان: SMES - ابرساناي ذخيره کننده انرژي مغناطيسي

نويسنده: علي قاسمي             ايميل: ali6273@gmail.com

منبع اطلاعاتي: www.i4e.blogfa.com            تاريخ نگارش: 01/06/1388

عکس
 

 

گالري تصاوير

 

- - - -

   
 
 

در چند دهه ي اخير سيستم هاي ذخيره ساز انرژي با انگيزه هاي متفاوتي به منظور بهبود عملکرد سيستم قدرت، مورد توجه قرار گرفته اند. بطورمعمول در سيستم قدرت بين قدرتهاي الکتريکي توليدي و مصرفي تعادل لحظه اي برقرار است و هيچگونه ذخيره انرژي در آن صورت نمي گيرد.بنابراين لازم است ميزان توليد شبکه، منحني مصرف منطقه را تغقيب کند. واضح است بهره برداري از سيستم بدين طريق، با توجه به شکل متعارف منحني مصرف غير اقتصادي است.
استفاده از ذخيره ساري هاي انرژي با ظرفيت بالا به منظور تراز ساري منحني مصرف و افزايش ضريب بار، از اولين کاربردهاي ذخيره انرژي در سيستم قدرت در جهت بهره برداري اقتصادي مي باشد. علاوه بر اين،اغتشاشهاي مختلف در شبکه ( تغييرات ناگهاني بار، قطع و وصل خطوط انتقال،...) خارج شدن سيستم از نقطه تعادل را به دنبال دارد. در اين شرايط ابتدا از محل انرژي جنبشي محور ژنراتورهاي سنکرون انرژي برداشت مي شود، سپس حلقه هاي کنترل سيستم فعال شده و تعادل را بر قرار مي سازند. اين روند، نوسان متغيرهاي مختلف مانند فرکانس، توان الکتريکي روي خطوط و...را موجب مي شود که مشکلات مختلفي را در بهره برداري از سيستم قدرت به دنبال دارد. هر گاه در سيستم مقداري انرژي ذخيره شده باشد،با مبادله سريع آن با شبکه در مواقع مورد نياز به حد قابل توجهي مي توان مشکلات فوق را کاهش داد.به عبارت ديگر، ذخيره ساز انرژي را مي توان در بهبود عملکرد ديناميکي سيستم نيز بکار برد.

 


از اوايل دههً هفتاد مفهوم ذخيره سازي انرژي الکتريکي به شکل مغناطيسي مورد توجه قرار گرفت. با ظهور تکنولژي ابر رسانايي، کاربردهاي گوناگوني براي اين پديده فيزيکي مطرح شد. از معروف ترين اين کاربردها مي توان به SMES اشاره کرد. در SMES انرژي در يک سيم پيج با اندوکتاس بزرگ که از ابر رسانا ساخته شده است، ذخيره مي شود. ويژگي ابر رسانا يي سيم پيچ موجب مي شود که راندمان رفت و برگشت فرايند ذخيره انرژي بالا و در حدود 95% باشد. ويژگي راندمان بالاي SMES آن را از ساير تکنيکهاي ذخيره انرژي متمايز مي کند. همچنين از آنجايي که در اين تکنيک انرژي از صورت الکتريکي به صورت مغناطيسيو يا بر عکس تبديل مي شود، SMES داراي پاسخ ديناميکي سريع مي باشد. بناراين مي تواند در جهت بهبود عملکرد ديناميکي نيز بکار رود. معمولا واحدهاي ابر رسانايي ذخيره سازي انرژي را به دو گونه ظرفيت بالا( MWh 500 ( جهت ترا سازي منحني مصرف، و ظرفيت پايين (چندين مگا ژول) به منظور افزايش ميرايي نوسانات و بهبود پايداري سيستم مي سازند.
بطور خلاصه مهم ترين قابليت SMES جدا سازي 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.

 

◄   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 بررسي هايي 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 پايين تر از دماي اتاق برسد كاهش پيدا مي كند. اما معلوم نبود كه اگر درجه حرارت تا حدود كلوين تنزل يابد مقاومت تا چه حد كاهش پيدا مي كند. آقاي اونز كه با پلاتينيم كار مي كرد متوجه شد كه مقاومت نمونه سرد تا يك مقدار كم كاهش پيدا مي كرد كه اين كاهش به خلوص نمونه بستگي داشت. در آن زمان خالص ترين 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 غير قابل اندازه گيري كاهش پيدا مي كند كه البته اين موضوع زياد شگفت انگيز نبود اما نحوه از بين رفتن مقاومت غير منتظره مي نمود.موقعي كه درجه حرارت به سمت صفر تنزل داده مي شود به جاي اينكه مقاومت به ارامي كاهش يابد در درجه حرارت 4 كلوين ناگهان افت مي كرد و پايين تر ازاين درجه حرارت جيوه هيچگونه مقاومتي از خود نشان نمي داد. همچنين اين گذار ناگهاني به حالت بي مقاومتي فقط مربوط به خواص فلزات نمي شد و حتي اگر جيوه ناخالص بود اتفاق مي افتاد.آقاي اونز قبول كرد كه پايين تر از 4 كلوين جيوه به يك حالت ديگري از خواص الكتريكي كه كاملا با حالت شناخته شده قبلي متفاوت بود رفته است و اين حالت تازه (( حالت ابر رسانايي )) نام گرفت.
بعدا 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 ابررسانايي داراي خواص مغناطيسي بسيار متفاوتي با حالت درجه حرارتهاي معمولي مي باشد.
تاكنون مشخص شده است كه نصف عناصر فلزي و همچنين چندين آلياژ در درجه حرارت هاي پايين ابر رسانا مي شوند. فلزاتي كه ابررسانايي را در درجه حرارت هاي پايين از خود نشان مي دهند ( ابر رسانا ) ناميده مي شوند. سالهاي بسياري تصور مي شد كه تمام ابررسانا ها بر طبق يك اصول فيزيكي مشابه رفتار مي كنند. اما اكنون ثابت شده است كه دو نوع ابررسانا وجود دارد كه به نوع I و II مشهور مي باشد. اغلب عناصري كه ابررسانا هستند ابررسانايي از نوع I را از خود نشان مي دهند.در صورتي كه آلياژها عموما ابررسانايي از نوع II را از خود نشان مي دهند. اين دو نوع چندين خاصيت مشابه دارند. اما رفتار مغناطيسي بسيار متفاوتي از خود بروز مي دهند.
پديده ي ابر رساناييدر تكنولوژي از توانايي گستردهاي بر خوردار است زيرا بر پايه ي اين پديده بارهاي الكتريكي مي توانند بدون تلفات گرمايي از يك رسانا عبور كنند. به طور مثال جريان القا شده در يك حلقه ي ابر رسانا بدون وجود هيچ باطري در مدار به مدت چند سال بدون كاهش باقي مي ماند.براي نمونه در واشنگتن از يك خلقه ابر رساناي بزرگ براي ذخيره كردن انرژي الكتريكي در ت كوما استفاده مي شود. ذخيره ي انرژي در اين حلقه تا 5 مگاوات بالا مي رود و انرژي در مدت مورد نظر آزاد مي شود.
عمده مشكل ايجاد كردن شرايط براي اين پديده دماي بسيار پايين آن مي باشد كه بايد دماهاي بسيار پايين را محيا كرد. اما در سال 1986 مواد سراميكي جديدي كشف شد كه در دماهاي بالاتري توا نايي ابر رسانايي را داشته باشد.( تا اكنون در دماي 138 درجه كلوين اين امر ميسر شده است.)
 

◄   كاربردهاي ابر رسانايي :
كاربردهاي زيادي را براي ابررساناهادر نظر گرفته است بعنوان مثال استفاده از ابر رساناها باعث خواهد شدكه مدار ماهواره هاي 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. بهمين خاطر اگر بجاي سيمهاي مسي از ابر رساناها استفاده شود ،موتورهاي فضاپيماها تا 6 برابر نسبت به موتورهاي فعلي سبكتر خواهند شد و باعث مي شود كه وزن و فضاپيما بسيار كاهش يابد.
از ديگر زمينه هايي كه ابررساناها مي توانند نقش اساسي در آنها بازي مي كنند مي توان كاوشهاي بعدي انسان از فضارا نام برد. ابررساناها بهترين گزينه براي توليد وانتقال بسياركارآمد انرژي الكتريكي هستند و طي شبهاي طولاني ماه كه دما تا 173- درجه سانتي گراد پايين مي آيد و طي ماههاي ژانويه تا مارس دستگاههاي MRI ساخته شده ازسيمهاي ابررسانا ، ابزار تشخيص دقيق وتوانمندي در خدمت سلامت خدمه فضاپيما خواهد بود. و همچنين ساخت ابر كامپيوتر هاي بسيار كوچك و كم مصرف مي باشد.


◄   SMES يا Superconducting Mgnetic Enrgy Storage چيست:
ابرساناي ذخيره کننده انرژي مغناطيسي وسيله اي است براي ذخيره کردن انرژي و بهبود پايداري سيستم و کم کردن نوسانات. اين انرژي توسط ميدان مغناطيسي که توسط جريان مستقيم ايجاد مي شود ذخيره مي شود.  اين وسيله مي تواند هزاران بارشارژ و دشارژ شود بدون اينکه تغييري در مغناطيس آن ايجاد شود.

◄   SMES اولين سيستم:
اولين نظرييه ها در مورد اين سيستم توسط فرريهFerrier در سال 1969 مطرح شد او سيم پچي بزرگ مارپيچي که توانايي ذخيره انرژي روزانه کل فرانسه داشت پيشنهاد کرد. که به خاطر هزينه ساخت بسيار زياد آن کسي پيگيري نکرد.
در سال 1971 تحقيقات در آمريکا در دانشگاه ويسکانسين براي فهميدن بحثهاي بنيادي اثر متقابل مابين انرژي ذخيره شده و سيستم هاي چند فازه منجربه ساخت اولين دستگاه شد.
هيتاچي در سال 1986 يک دستگاه SMES به ميزان 5MJ را ساخت وآزمايش کرد.در سال 1998 يک SMES 100KWH توسط ISTEC در ژاپن ساخته شد.

◄   SMES و مدل سازي آن
يک واحد SMES که در سيستمهاي قدرت بکار گزفته ميشود از يک سيم پيچ بزرگ ابررسانا و يک سيستم سرد کننده هليم به منظور نگهداري دماي هليم در زير دماي بحراني تشکيل شده است. سيم پيچ ابررسانا از طريق دو مبدل AC/DC شش تريسيتور و يک ترانسفورماتور قدرت سه سيم پيچه کاهنده به سيستم قدزت متصل است.
در شکل اندوکتانس L به عنوان بار در قسمت DC در منطقه کنترل دما قرار مي گيرد.و مبدلهاي AC/DC در خارج اين منطقه قرار مي گيرند.
با کنترل زاويه آتش تريسيتورها ولتاژ DC دو سر سيم پيچ ابر رسانا را ميتوان به طور پيوسته در بازه ي وسيعي از مقادير ولتاژهاي مثبت ومنفي کنترل کرد. اگز از تلفات جزيي سيستم صرفنظر کنيم بر اساس تئوري مبدل ها داريم:
 

 

که در آن Ed ولتاژ دو سرسيم پيچ Ed ولتاژماکزيمم دو سر سيم پيچ در بي باري ، Idجريان سيم پيچ ابر رسانا ، xc راکتانس کموتاسيون همگي بر حسب pu و a زاويه آتش مي باشد مشخصه کاري SMES داراي دو حالت يکسوسازي و اينورتري مي باشد. معمولاً اين پريود در زاويه آتش صفر يعني حداکثر ولتاژ اجام مي شود.در حالت اينورتري انرژي مغناطيسي ذخيره شده در سيم پيچ به شکل الکتريکي وارد شبکه مي گردد.
شکل زير بلوک دياگرام مدل SMES را نشان مي دهد. ولتاژ Ed دو سر سيم سيم پيچ به عنوان عامل کنترل توان مورد استفاه قرار مي گيرد. بسته به نوع کاربرد SMES يکي از کميت هاي تغيير فرکانس شبکه تغيير سرعت ماشين سنکرون ، تغييرات ولتاژ شبکه و... به عنوان ورودي به SMES انتخاب مي شود. خروجي SMES نيز توان دريافتي مي باشد.در اين شکل Tdc تاخير زماني مبدل،Kf بهره حلقه کنترل و L اندوکتانس سيم پيچ مي باشد.معمولا پس از تخليه انرژي SMES زمان زيادي لازم است تا جريان به حالت اوليه بر مي گردد،به منظور رفع اين مشکل ميتوان از يک فيدبک تغيير جريان استفاده کرد.بدين ترتيب SMES را در مطالعات ديناميکي مي توان با اين مدل غير خطي مرتبه دوم توصيف کرد.

◄   چگونگي انجام کار ابررسانايي:
اجسام ابررسانا ظرفيت ذخيزه را افزايش مي دهند ،در دماهاي پايين اجسام ابررسانا در مقابل عبور جريان از خود مقاومتي نشان نمي دهند.به هر حال کاربرد ابرسانا ها توسط عواملي چون وضعيت کاهش دما ، ميدان مغناطيسي بحراني و چگالي جريان بحراني محدود ميشود.
SMES انرژي الکتريکي را در ميدان مغناطيسي ناشي از جريانDC جاري در سيم پيچ ذخير مي شود. اگر سيم پيچ از موادي مثل مس باشد انرژي مغناطيسي زيادي در سيم به خاطر مقاومت بيهوده تلف مي شود ؛ اگر سيم از جنس ابر رسانا باشد انرژي در حالت (( پايا)) وتا زماني که لازم است ذخيره شود. ابررساناها در مقابل جريان DC مقاومت ندارند و به همين دليل در دماي پايين تلفات اهمي ا محو ميکنند در کابرد AC جريان الکتريکي هنوز تلفات دارد اما اين تلفات ميتواند با طراحي مناسب کاهش پيدا کند. براي هر دوحالت کاري AC DC انرژي زيادي ذخيره ميشود. بهينه ترين دما براي دستگاهها 77-50 کلوين است. maghaleh
 

 

 

 

 

گروه علمي فدک

کليه مطالب ارسالي با نام اشخاص و ذکر منبع در اين سايت درج مي شود

راهنما  |  آمار سايت  |  درباره ما  |  تماس با ما  |  نظر خواهي  | آرشيو  |  عضويت در سايت