Сверхпроводящий накопитель энергии: Ученые из МЭИ создали кинетический накопитель энергии с высокотемпературным сверхпроводниковым подвесом

Сверхпроводящий накопитель энергии

Изобретение относится к теплотехнике, а точнее к сверхпроводящим накопителям энергии с использованием туннельного эффекта Джозефсона, создающего мощные магнитные поля.

Известны тепловые трубы [1], содержащие корпус с зонами испарения и конденсации и высоковольтные электроды, подключенные к высоковольтному источнику энергии. Однако такая тепловая труба не предназначена для аккумулирования энергии, она наоборот использует энергию от высоковольтного источника энергии.

Известна тепловая труба [2], содержащая корпус с зонами испарения и конденсации и сверхпроводящие электроды, разделенные диэлектрической прокладкой. Такая тепловая труба способна, благодаря эффекту Джозефсона создавать с внешней стороны корпуса сильное магнитное поле.

Однако запас электрической энергии в такой тепловой трубе незначителен, поскольку электроды не выполнены в форме тора, что не позволяет току постоянно циркулировать по сверхпроводящему тору. Такая тепловая труба создает с внешней стороны своего корпуса сильное магнитное поле. К недостаткам такой тепловой трубы можно отнести то, что она не может создавать с внешней стороны корпуса вращающееся магнитное поле.

В качестве прототипа выбран сверхпроводящий накопитель энергии [3], содержащий герметичный корпус из магнитопрозрачного материала, в виде полого тора, корпус снабжен клапаном и внешней системой охлаждения, частично заполнен легкоиспаряющейся жидкостью с температурой кипения ниже точки фазового перехода материала кольцевого сверхпроводящего тора, диэлектрическая капиллярная структура, расположенная на внутренней поверхности корпуса, и диэлектрическая капиллярная структура на сверхпроводящем кольцевом торе, которые соединены между собой капиллярными диэлектрическими перемычками.

К недостаткам такого аккумулятора можно отнести то, что его можно использовать только для запуска термоядерного реактора и нельзя использовать в качестве источника двух иди трехфазного источника энергии, которое найдет широчайшее применение. Такие сверхпроводящие аккумуляторы могут использоваться на наземных транспортных средствах и на летательных аппаратах различного назначения.

Особенностью предложенного сверхпроводящего аккумулятора является то, что (фиг.1) над кольцевым сверхпроводящим тором 4 а установлена двух или трехфазная электропроводящая обмотка 9, а сам кольцевой сверхпроводящий тор 4 снабжен равномерно распределенными по длине тора 4 диэлектрическими прокладками 8, позволяющими реализовать туннельный эффект с образованием на внешней поверхности корпуса 1 вращающегося магнитного поля Эффект Джозефсона, а трехфазная (двухфазная) обмотка 9 соединена с непосредственными потребителями 10 переменного электрического тока (Фиг. 2).

На фиг.2 изображен сверхпроводящий аккумулятор энергии, содержащий герметичный корпус 1 из магнитопрозрачного материала, в виде полого тора, корпус 1 снабжен клапаном 2 и внешней системой охлаждения 3, частично заполнен легкоиспаряющейся жидкостью с температурой кипения ниже точки фазового перехода материала кольцевого сверхпроводящего тора 4, диэлектрическая капиллярная структура 5, расположенная на внутренней поверхности корпуса 1, и диэлектрическая капиллярная структура 6 на сверхпроводящем кольцевом торе 2, которые соединены между собой капиллярными диэлектрическими перемычками 7. (позиции 5, 6, 7 на фиг 2. не показаны).

Вновь предложенный сверхпроводящий накопитель энергии содержит герметичный корпус в виде полого тора, кольцевой сверхпроводящий тор, расположенный внутри корпуса и также имеющего форму вихревого тора и внешнюю систему охлаждения.

Работает предлагаемый сверхпроводящий аккумулятор следующим образом.

Основное энерговыделение непосредственно внутри такого аккумулятора происходит при протекании больших токов через сверхпроводящий вихревой тор 4. При отсутствии внешних потребителей ток может годами циркулировать по кольцевому сверхпроводящему тору 4, а при наличии равномерно распределенных по длине тора 4 диэлектрическими прокладками 8, позволяющими реализовать туннельный эффект с образованием на внешней поверхности корпуса 1 создается вращающееся магнитное поле. При расположении двух или трех фазных обмоток 9 на внешней поверхности корпуса 1 вращающегося магнитного поля, в двух или трехфазных обмотках наводятся переменный электрический ток, используемый потребителями 10 переменного электрического тока. При наличии регулируемого зазора между ними появляется возможность грубой регулировки тока в электропроводящей обмотке 9. При дозаправке внешней системы охлаждения 3 криогенной легкоиспаряемой жидкостью возможна многократная перезаправка аккумулятора от любого внешнего мощного источника энергии. При наличии двух или трехфазных потребителей энергии 10, ток, циркулирующий по кольцевому сверхпроводящему тору 4, будет постепенно снижаться в соответствии с законом сохранения энергии.

Источники информации

1. Патент RU №568809 на «Тепловую трубу».

2. Патент RU №2650456 на «Тепловую трубу».

3. Патент РФ №2663365 на «Сверхпроводящий накопитель энергии».

Электромеханический сверхпроводящий накопитель энергии

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано в транспортных системах с электрическим приводом, электрических сетях для буферизации пиковых нагрузок, для использования в локальных электрических сетях (ЛЭС) с возобновляемыми источниками энергии (ВИЭ).

Из уровня техники известны кинетические накопители энергии, в которых электрическая энергия преобразуется в механическую энергию маховика и сохраняется в таком виде до тех пор, пока маховик не остановится (Патент на изобретение РФ №2504889, «Накопитель энергии», МПК H02K 7/02, опубл. 20.01.2014; патент на изобретение РФ №2417504, «Супермаховиковый накопитель энергии», МПК H02K 16/04, опубл. 27.04.2011; патент на изобретение РФ №2456734, «Накопитель энергии», МПК H02K 7/02, опубл. 20.07.2012).

Известен кинетический накопитель энергии (патент на полезную модель РФ №133986, «Кинетический накопитель энергии с магнитным ВТСП подвесом», МПК H02K 7/02, опубл. 27.10.2013), предназначенный для работы в качестве резервных и аварийных источников питания бортовых электроэнергетических систем атмосферных летательных аппаратов и космических энергоустановок, а также других ответственных потребителей.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по своей технической сущности является кинетический накопитель энергии с магнитным высокотемпературным сверхпроводниковым (ВТСП) подвесом (Патент РФ №97018, «Кинетический накопитель энергии», МПК H02K 7/00, опубл. 20.08.2010), содержащий корпус, в котором размещен обращенный мотор-генератор с неподвижным статором и ротор-маховик с бесконтактным сверхпроводящим подвесом на основе кольцевого блочного ВТСП массива. Этот накопитель энергии принят в качестве прототипа.

Недостаток прототипа заключается в ограничении энергетических показателей (запасенная электрическая энергия, коэффициент полезного действия) из-за газовой среды в корпусе накопителя энергии, состоящей из воздуха и газообразного азота, образующегося при испарении жидкого азота из криостата, охлаждающего кольцевой блочный ВТСП массив сверхпроводящего подвеса ротора-маховика. Газовая среда препятствует разгону ротора-маховика до больших скоростей вращения и ограничивает грузоподъемность сверхпроводящего подвеса из-за снижения эффективности охлаждения сверхпроводящих пластин.

Ограничение скорости вращения ротора-маховика уменьшает, соответственно, запасенную энергию накопителя энергии при его заряде. Уменьшается время выбега ротора-маховика за счет моментов сил аэродинамического трения (сопротивления) в газовой среде, в результате чего снижается коэффициент полезного действия, соответственно снижаются энергосбережение и энергоэффективность накопителя энергии.

С другой стороны, наличие газовой среды в корпусе снижает эффективность охлаждения сверхпроводящих пластин ВТСП подвеса, уменьшает грузоподъемные характеристики сверхпроводящего подвеса и запасенную электрическую энергию, которая пропорциональна массе ротора-маховика накопителя энергии, что также снижает энергоэффективность накопителя энергии.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение энергоэффективности и энергосбережения накопителя энергии.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в электромеханическом сверхпроводящем накопителе энергии, содержащем корпус, в котором размещены синхронный двигатель-генератор со статором с системой обмоток и ротор-маховик, опорные постоянные магниты, расположенные в нижней части ротора-маховика, постоянные магниты возбуждения, расположенные на внутренней боковой поверхности ротора-маховика, направляющая опоры с подшипником, расположенная в нижней части синхронного двигателя-генератора, сверхпроводящие пластины, криостат, высокотемпературный сверхпроводниковый подвес, образованный опорными постоянными магнитами и сверхпроводящими пластинами, согласно изобретению корпус выполнен из двух соединенных между собой модулей — модуля криостата и модуля синхронного двигателя-генератора, причем сверхпроводящие пластины высокотемпературного сверхпроводникового подвеса расположены в модуле криостата, а ротор-маховик, внутренняя полость которого вакуумирована, расположен в модуле синхронного двигателя-генератора.

Выполнение корпуса накопителя энергии сборным и состоящим из двух модулей позволяет оптимизировать решение двух взаимовлияющих технических проблем, что невозможно в прототипе, а именно:

— вакуумировать внутреннюю полость ротора-маховика до любой технически возможной степени разряжения;

— повысить эффективность охлаждения сверхпроводящих пластин за счет уменьшения теплопроводности и, соответственно, тепловых потоков в вакуумированном объеме, разделяющем модуль криостата с находящимися в нем сверхпроводящими пластинами и модуль синхронного двигателя-генератора.

Для выявления связи между энегоэффективностью, энергосбережением накопителя энергии и снижением сопротивления при вращении ротора-маховика, температурой охлаждения активных пластин ВТСП подвеса рассмотрим два основных режима работы накопителя энергии: режим заряда, или накопления энергии, и режим разряда, или отдачи накопленной энергии.

В режиме накопления (заряда) энергии t_з происходит преобразование электрической энергии сети, к которой присоединен накопитель, в кинетическую энергию вращающегося ротора-маховика. Следовательно, имеет место следующий баланс энергии:

где W_эл — электрическая энергия, Дж, полученная накопителем из сети, W_к — кинетическая энергия ротора-маховика, Дж, ΔW(Ω,p) — потери энергии за счет сопротивления вращению ротора-маховика в газовой среде, зависящие от скорости вращения Ω и давления р газовой среды в рабочей полости ротора-маховика.

Эмпирическое выражение для потерь энергии за счет сопротивления в газовой среде дано в работе [Н.В. Гулиа. Накопители энергии. Изд-во «Наука». — М.: 1980. С. 80].

где D — диаметр ротора-маховика, L — высота ротора-маховика. По оценке, приведенной в упомянутой работе, потери энергии за счет аэродинамического сопротивления достигают 85% от общего количества потерь. Из выражения (1) следует следующее выражение для коэффициента полезного действия η_з накопителя энергии в режиме накопления энергии

Как следует из формулы (1), остаточный газ в рабочей полости ротора-маховика создает момент сил аэродинамического сопротивления, уменьшающий кинетическую энергию ротора-маховика и препятствующий достижению больших скоростей вращения и, как следствие, увеличению накопленной энергии, поскольку накопленная энергия и скорость вращения ротора-маховика связаны соотношением [Бут Д. А., Алиевский Б.Л., Мизюрин С.Р., Васюкевич П.В. Накопители энергии. — М.: Энергоатомиздат, 1991. — 400 с. 1]:

где Wк — накопленная кинетическая энергия, Дж, J=mr² — момент инерции ротора-маховика, кг/м², m — масса ротора-маховика, кг, r — радиус ротора-маховика, м, Ω=2πn, n — скорость вращения, об/сек.

В режиме разряда или отдачи энергии t_з происходит обратное преобразование накопленной кинетической энергии ротора-маховика в электрическую энергию, причем часть энергии также расходуется на преодоление аэродинамического сопротивления:

где W_эн — электрическая энергия, полученная в результате обратного преобразования кинетической энергии в электрическую энергию. Соответственно, выражение для коэффициента полезного действия будет иметь вид

Составим общий баланс энергии по полному циклу t_ц=t_з+t_р работы накопителя «заряд-разряд», используя формулы (1) и (5):

Определим коэффициент полезного действия по полному циклу работы накопителя, используя выражения (3) и (6) с точностью до линейных членов:

Как следует из формул (1, 4), накопленная энергии пропорциональна квадрату скорости вращения и массе ротора-маховика. Следовательно, снижение сопротивления при вращении ротора-маховика в вакууме уменьшает потери энергии в накопителе при ее преобразованиях за время полного цикла работы, что повышает его энергосбережение.

Как следует из формулы (8), снижение сопротивления при вращении ротора-маховика уменьшает потери энергии, что увеличивает коэффициент полезного действия или энергоэффективность накопителя энергии.

Рассмотрим влияние эффективности охлаждения активных пластин ВТСП подвеса на энергоэффективность и энергосбережение накопителя энергии.

Грузоподъемные характеристики сверхпроводящего подвеса определяются величиной критического магнитного поля, зависящего от температуры охлаждения по следующей формуле [Буккель В. Сверхпроводимость. — М.: Мир, 1975. — 366 с.]:

где Н_с — критическое магнитное поле, А/м, Н₀ — критическое магнитное поле при температуре Т=0 K, Т — температура охлаждения сверхпроводника, Т_с — критическая температура сверхпроводника, K.

Как следует из формулы (9), критическое магнитное поле при снижении температуры сверхпроводника, то есть при увеличении эффективности охлаждения сверхпроводника, растет. Грузоподъемная сила сверхпроводящего подвеса пропорциональна напряженности магнитного поля. Например, для плоской сверхпроводящей пластины в приближении модели Бина получено следующее выражение для удельной силы сверхпроводящего подвеса, действующей на единицу поверхности ВТСП блока [Ковалев Л.К., Конев С.М., Ларионов С.А., Полтавец В.Н. — Сверхпроводниковые магнитные опоры с объемными ВТСП элементами. Электричество. — 2003. — №6]:

где I_s — критический ток, А/м², В_хср=µ₀Н_хср, Тл, µ₀ — магнитная постоянная, Н_хср — среднее значение напряженности магнитного поля в биновском слое.

Таким образом, снижение температуры охлаждения активных пластин ВТСП подвеса позволяет увеличить его грузоподъемные характеристики и увеличить массу ротора-маховика. Увеличение массы ротора-маховика в соответствие с формулой (4) увеличит кинетическую энергию ротора-маховика, а в соответствие с формулой (8) увеличит коэффициент полезного действия или энергоэффективность, энергосбережение накопителя энергии.

Модульная конструкция предлагаемого изобретения также обеспечивает удобство эксплуатации и ремонта накопителя энергии.

Сущность изобретения поясняется графическим материалом. На чертеже показан продольный разрез предлагаемого электромеханического сверхпроводящего накопителя энергии.

Электромеханический накопитель энергии имеет корпус, выполненный из модуля криостата 7 и модуля синхронного двигателя-генератора 3, которые соединены между собой креплением (не указано).

В конструкцию модуля криостата 7 входит крышка-опора 17, опорный фланец 10 с уложенными в его пазы (не показаны) сверхпроводящими пластинами 12, закрепленными сверху крышкой-опорой 17. Полость модуля криостата 7 заполнена жидким азотом 11. Внутренние стенки модуля криостата 7 выполнены из теплоизолирующего материла 14, обладающего низкой теплопроводностью. Опорный фланец 10 выполнен из материала с высокой теплопроводностью, благодаря чему обеспечивается охлаждение сверхпроводящих пластин 12 до температуры Т≤Тс, где Тс — температура перехода сверхпроводящих пластин 12 в состояние сверхпроводимости.

Для установки предлагаемого накопителя энергии в плоскости горизонта имеются нивелирующие опоры, расположенные под модулем криостата 7.

В стенке криостата 7 расположен патрубок 15 для заполнения криостата жидким азотом, например, путем его прокачки из криокулеров (не показаны).

Конструкция модуля синхронного двигателя-генератора 3 состоит из ротора-маховика 5, опорных постоянных магнитов 6, закрепленных на нижней части ротора-маховика 5, постоянных магнитов возбуждения 4, расположенных на внутренней боковой поверхности ротора-маховика 5, и крышки-опоры 16.

Также в нижней части модуля синхронного двигателя-генератора 3 установлена направляющая опора 8 с подшипником 9.

Также в конструкцию модуля синхронного двигателя-генератора 3 входит статор 1, на котором закреплена трехфазная система обмоток 2. На верхней части статора 1 расположены клеммы 21 (клеммы А, В, С) для присоединения источника трехфазного напряжения и выход датчика скорости 20 ротора-маховика 5.

Для вакуумирования полости, в которой размещен ротор-маховик 5, в верхней части модуля синхронного двигателя-генератора 3 расположен ниппель 19.

Для визуального наблюдения за положением ротора-маховика 5 в стенке модуля синхронного двигателя-генератора 3 имеется окно 18.

После заполнения полости модуля криостата 7 патрубки 15 закрывают и азот может храниться в жидком состоянии продолжительное время. Для того чтобы отводить газообразный азот, образующийся в процессе работы, модуль криостата 7 содержит отводящий патрубок (не показан).

Опорные постоянные магниты 6 и сверхпроводящие пластины 12 образуют ВТСП подвес, обеспечивающий бесконтактный самоцентрирующийся подвес ротора-маховика 5.

Предлагаемый электромеханический накопитель энергии работает следующим образом.

После сборки модулей синхронного двигателя-генератора 3 и криостата 7 производится соединение крышки-опоры 16 с крышкой-опорой 17 при помощи крепления (не показано), после чего осуществляется вакуумная откачка полости ротора-маховика 5, например, с помощью вакуумного насоса (не показан) и закачивание жидкого азота 11 в полость модуля криостата 7 через патрубок заполнения 15.

В результате поступления жидкого азота в полость модуля криостата 7 происходит охлаждения сверхпроводящих пластин 12 и их переход в сверхпроводящее состояние. В этом случае сверхпроводящие пластины 12 приобретают свойства диамагнетиков. Магнитное поле, образованное постоянными магнитами 6, взаимодействует с сверхпроводящими пластинами 12, в результате чего возникнет эффект левитации, и ротор-маховик 5 снимется с опоры 8. При этом происходит самоцентрирование по вертикальной и горизонтальной осям ротора-маховика 5. Этот момент левитации ротора-маховика 5 можно наблюдать визуально через смотровое окно 18.

Необходимые силовые характеристики ВТСП подвеса обеспечиваются оптимизацией рабочего зазора, образованного нижней поверхностью постоянных магнитов 6 и верхней поверхностью сверхпроводящих пластин 12, выбором материала опорного фланца 10, величиной намагниченности постоянных магнитов 6, величиной разности между температурой сверхпроводящих пластин 12 и температурой их перехода в сверхпроводящее состояние.

После центрирования ротора-маховика 5 на статор 1 подается трехфазное переменное напряжение. За счет полученной энергии ротор-маховик 5 начинает разгоняться до номинальной скорости вращения. После набора номинальной скорости вращения источник энергии отключается, а ротор-маховик 5 будет продолжать вращаться по инерции в вакууме продолжительное время, тем самым сохраняя затраченную на разгон ротора-маховика 5 электрическую энергию в механическом виде.

Для получения электрической энергии из предлагаемого электромеханического сверхпроводящего накопителя энергии необходимо клеммы 21 трехфазной системы обмоток 2 подключить к нагрузке, при этом статор 1 за счет кинетической энергии ротора-маховика 5 будет генерировать электрическую энергию до тех пор, пока кинетическая энергия ротора-маховика 5 не иссякнет.

После этого цикл заряда и разряда электромеханического накопителя энергии можно повторять многократно. Для остановки предлагаемого накопителя энергии необходимо остановить вращение ротора-маховика 5, например, путем замыкания клемм 21 (клеммы А, В, С) на балластное сопротивление, а затем слить жидкий азот 11 из полости модуля криостата 7.

Предлагаемое изобретение положено в основу конструкции экспериментального образца электрокинетического накопителя энергии СПЭНЭ-1, проходящего в настоящее время стадию экспериментальных исследований [Смоленцев, Н.И. Разработка накопителя энергии на основе высокотемпературной сверхпроводимости и перспективы его применения в локальных электрических сетях / Смоленцев, Н.И., Четошникова Л.М., Бондарев Ю.Л. // Ползуновский вестник. — 2015. — №1. С. 73-77]. Расчетное значение запасенной энергии составляет 4 МДж, что существенно превышает аналогичный параметр прототипа, равный 0,5 МДж.

Предлагаемое изобретение может найти применение в энергетике, в электротранспорте, в корабельных силовых установках, а также в энергетических установках космических аппаратов, где проблемы охлаждения сверхпроводников и вакуумирования упрощаются.

Электромеханический сверхпроводящий накопитель энергии, содержащий корпус, в котором размещены синхронный двигатель-генератор со статором с системой обмоток и ротор-маховик, опорные постоянные магниты, расположенные в нижней части ротора-маховика, постоянные магниты возбуждения, расположенные на внутренней боковой поверхности ротора-маховика, направляющая опора с подшипником, расположенная в нижней части синхронного двигателя-генератора, сверхпроводящие пластины, криостат, высокотемпературный сверхпроводниковый подвес, образованный опорными постоянными магнитами и сверхпроводящими пластинами, отличающийся тем, что корпус выполнен из двух соединенных между собой модулей — модуля криостата и модуля синхронного двигателя-генератора, причем сверхпроводящие пластины высокотемпературного сверхпроводникового подвеса расположены в модуле криостата, а ротор-маховик, внутренняя полость которого вакуумирована, расположен в модуле синхронного двигателя-генератора.

Тематический указатель | Сверхпроводники в электроэнергетике

На повестке дня – СПИНы: НТСП или ВТСП?

2005, Tом 2, выпуск 1

Тематика: Зарубежные фирмы и их разработки

Энергетическая проблема становится все более острой и включает самые разные аспекты: новые источники энергии, резервное хранение энергии, стабильность линий электропередач, обслуживание электроэнергией критических производств, экологические аспекты. Развитые страны инвестируют в разработку новых источников энергии (водород, термоядерные реакторы) и новых энергетических систем все более крупные суммы. Формируется международное партнерство по исследованиям в области водородной энергетики, включающее уже 15 стран [1]. В ближайшие дни должен решиться вопрос о месте строительства самого крупного термоядерного реактора — прообраза термоядерной электростанции, создаваемого по международному проекту ITER. Термоядерная плазма в этом реакторе будет удерживаться гигантскими сверхпроводящими магнитами. Сверхпроводники могут раскрыть свой потенциал и при разработке других, не менее важ-ных для энергетики компонентов энергосистем – линий электропередач, накопителей электроэнергии, токоограничителей, трансформаторов, генераторов.

В США при университете штата Флорида создан Центр перспективных энергетических систем (CAPS — Center for Advanced Power Systems) для проведения исследований в области энергетики и обучения студентов соответствующим специальностям [2]. Центр CAPS возник на основе Национальной лаборатории сильных магнитных полей (National High Magnetic Field Laboratory, NFHML). В настоящее время в

г. Талахасси (шт. Флорида) строятся здания для вы-полнения новой программы по созданию и испытанию сверхпроводящих устройств. Этот комплекс зданий будет иметь офисы, помещения для исследовательской и учебной работы, а также вместительное здание, связанное с подстанцией местной электрической компании.

Значительное место в работе Центра будет отведено прикладной сверхпроводимости — исследование свойств сверхпроводящих материалов, разработка и испытание сверхпроводящих энергетических устройств (сверхпроводящих кабелей, трансформаторов, электрических машин и накопителей электроэнергии). Толчком к развитию сверхпроводящей энергетики послужило создание современных систем микрокриогенных охладителей, которые не используют жидких хладагентов и просты в обслуживании.

Ближайшая цель CAPS – создание и испытание сверхпроводящих индуктивных накопителей энергии (СПИН, анг. — SMES). СПИН емкостью 100 МДж создает компания BWX Technologies, а затем он будет включен в испытательную сеть CAPS. Обмотка СПИНa изготовлена из заключенного в оболочку многожильного сверхпроводящего кабеля на основе сплава NbTi. Компания BWX Technologies занималась разработкой СПИНов в течение последних 8 лет при финансовой поддержке DoE (Министерство энергетики США), привлекая результаты исследований, проводимых в EPRI (Electric Power Research Instititute). СПИН предназначен для создания резервных мощностей и стабилизации условий передачи электроэнергии.

Важно, что в CAPS имеется возможность продемонстрировать работу сверхпроводящего накопителя непосредственно в действующей энергосистеме, повышая ее устойчивость и увеличивая количество передаваемой энергии.

В CAPS в дополнение к уже готовому испытательному стенду планируют построить целую сверхпроводящую подстанцию, где, в частности, будут установлены трансформаторы с обмотками из ВТСП кабелей.

Chubu Electric Power Co. и Toshiba Corp. (обе – Япония) разрабатывают СПИН мощностью 5000 кВт, способный в течении одной секунды поддерживать напряжение в сети в случае его снижения и являющийся крупнейшим в мире [3]. Отличительная особенность этой системы — способность компенсировать снижение напряжения на всех единицах технологического оборудования завода одновременно, что невозможно достичь с помощью обычных источников бесперебойного питания (например, электронных преобразователей с аккумулятором). Время реакции на снижение напряжения составляет 0,5 периода. Собственно магнитная система изготовлена из проводника NbTi резерфордовского типа. Надежность и простота технического обслуживания системы обеспечиваются тем, что и обмотка, и токовводы имеют отдельные рефрижераторы. Испытания, проведенные на заводе компании Sharp Corp., показали соответствие параметров собственно магнитной системы расчетным и ее способность компенсировать быстрое снижение напряжения в сети. Chubu Electric Power Co. и Toshiba Corp. приступили к созданию системы на 10000 кВт.

Табл. 1 Основные параметры СПИНа, разрабатываемого компанией BWX Technologies

Эти же компании (Chubu Electric Power и Toshiba) совместно приступили к оценке возможности и раз-работке ВТСП СПИНа на основе проводников

Bi-2212 (6 многоволоконных композитов, скрученных вокруг никелевого центрального несущего элемента) с запасаемой энергией порядка МДж для компенсации мгновенных снижений напряжения [4]. Разработанный специально для этой системы ВТСП проводник отличается высокими характеристиками в полях от 10 Тл и выше, что позволяет существенно уменьшить размеры магнитной системы, и за счет этого увеличить толщину изоляции. Магнитная система сделана по принципу «галетной» обмотки, в первом варианте, состоящей из 4, а во втором из 11 одиночных обмоток. Нагрузка, на которой СПИН должен предотвращать снижение напряжения – это либо сопротивление 125 кВт, либо двигатель 50 кВт.

Так как проводники Bi-2212 сохраняют сверхпроводящие свойства при более высоких температурах в сравнение с НТСП материалами, то это позволяет увеличить толщину изоляции и использовать вместо традиционных систем охлаждения микрокриогенные охладители (криокулеры).

Табл. 2 Основные параметры обмоток для ВТСП СПИНа (Chubu+Toshiba)

Табл. 3. Основные электрические параметры схемы с модельной обмоткой в качестве ВТСП СПИНа (Chubu+Toshiba)

Результаты испытаний системы с энергией 90 кДж, являющейся прототипом системы 1 МДж, показали соответствие напряжений номинальным значениям, а критический ток также оказался близок к номинальному значению. Испытания проводили в реальной схеме преобразователя с искусственным отключением питания и компенсацией снижения напряжения нагрузки. Все элементы схемы работали нормально. Испытания подтвердили возможность создания полномасштабной ВТСП системы.

Большая группа японских компаний (Kyusyu Electric Power, Chubu Electric Power, Hitachi, Toshiba), ряд университетов и институтов (University of Tokyo, Waseda University, Central Research Institute of Electric Power Industry) и исследовательский центр (International Superconductivity Technology Center) продолжают разработки СПИНов для нужд электроэнергетики а рамках специальной государственной программы [5]. В 1991-98 г.г. эта группа изготовила СПИН из низкотемпературных сверхпроводников мощностью 20 МВт и запасенной энергией 100 кВтч (то есть 360 МДж). В новом проекте создается два варианта конструкции для разных целей: первый предназначен для обеспечения устойчивой работы энергосистемы (его основные заданные параметры – мощность 100 МВт, запасенная энергия 15 кВтч), а второй — для компенсации флуктуаций нагрузки и стабилизации частоты в сети (мощность 100 МВт, запасенная энергия 500 кВтч). Обмотки магнитных систем и того, и другого варианта изготовлены из сверхпроводящего кабеля на основе сплава NbTi известной конструкции CIC (cable-in-conduit) размером 19,2 x 19,2 мм с внутренним каналом для прокачки жидкого гелия. Эта группа разработчиков также изучала возможность создания конструкции ВСТП магнита уменьшенных габаритов и высоким полем с оптимизированной стоимостью. Исследуется многообмоточная магнитная система из трех модулей, содержащих по 4 обмотки, помещенных каждый в отдельный криостат. Для уменьшения полей рассеяния обмотки располагали таким образом, чтобы создаваемые ими магнитные моменты были направлены в противоположные стороны. Для проверки работоспособности конструкции изготовлены и испытаны модельные обмотки. Для первой магнитной системы изготовлена только одна модельная обмотка, а для второй – 4. Полномасштабные системы пока не изготовлены. На испытаниях первой магнитной системы был достигнут максимальный ток 9,6 кА (5,66 Тл), а для второй — 10 кА (4,8 Тл).

Теоретически изучена возможность создания обмоток СПИНа из висмутовых ВТСП проводников (Bi-2212 и Bi-2223) для работы при температурах в пределах от 10 до 50 К. ВТСП проводник Bi-2212 из-за низких критических токов крайне затруднительно использовать при 50 К, однако, при 10 К и, тем более, при 4,2 К он может конкурировать с низкотемпературным сверхпроводником за счет больших величин критических токов при этих температурах. Проводник Bi-2223 вполне работоспособен при 50 К, однако в отличие от Bi-2212, он обладает сложной зависимостью критической плотности тока от ориентации магнитного поля, что определяет сложную конфигурацию обмоток.

В настоящее время эта группа компаний работает над созданием полномасштабных многообмоточных систем СПИНа.

Н.Балашов

1. http://www.usea.org/DOE%20Hydrogen%20Roadmap.pdf






2. IEEE Trans.Appl. Superconductivity, 2003, 13, No. 2






3. http://www.chem.t.u-tokyo.ac.jp/appchem/labs/kitazawa/SUPERCOM/contents-e.html






4. IEEE Trans. Appl.Supercond. 2004, 14, 770






5. IEEE Trans.Appl.Supercond. 2004, 14, 693

«Салют»: элементы для накопителей энергии из РФ вышли на мировой уровень

Мировой уровень

«В рамках проекта «Сверхпроводниковая индустрия» госкорпорации «Росатом» создан и испытан опытный образец кинетического накопителя энергии с запасенной энергией 5 мегаджоулей, в нем используются ВТСП-опоры, которые удерживают ротор весом более 600 килограммов», — заявил Клочков.

По его словам, созданные «Салютом» опоры по характеристикам не уступают немецким аналогам.

«Есть проект КНЭ и у американской фирмы Boeing, характеристики их подвесов тоже близки к полученным нами», — рассказал Клочков.

В будущем возможно создание таких сверхпроводящих опор с осевой нагрузкой в одну тонну, отметил начальник лаборатории отдела научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ МКБ «Горизонт» Василий Асеев.

«Каких-либо принципиальных препятствий для создания подобных опор нет. Вопрос в наличии заказчика, так как работы требуют финансирования, делать опоры с такой нагрузкой для чистой науки в настоящее время нереально», — сказал РИА Новости Асеев.

«Салют» планирует развивать сотрудничество с Росатомом по сверхпроводящему направлению. «Пока мы участвовали только в создании магнитных подвесов на основе ВТСП для кинетического накопителя энергии. В настоящее время в Росатоме рассматривается проект по продолжению работ по программе «Сверхпроводниковая индустрия», где наше предприятие представлено в ряде направлений», — сообщил Асеев.

Новые возможности

Помимо работ в рамках программы Росатома по сверхпроводникам, «Горизонт» готов в перспективе участвовать в создании сверхпроводящих узлов для криогенного двигателя электрического самолета, если поступит соответствующий заказ.

«У «Горизонта» налажена кооперация с Московским авиационным институтом, где есть коллектив, имеющий огромные наработки по электрическим машинам со сверхпроводящими обмотками. «Горизонт», со своей стороны, имеет наработки по ВТСП-подвесам, так что если задача создания двигателей с применением сверхпроводящих узлов будет поставлена, мы готовы взяться за ее выполнение», — отметил Асеев.

МКБ «Горизонт» (город Дзержинский Московской области) — филиал АО «Научно-производственный центр (НПЦ) газотурбостроения «Салют» (входит в ОДК).

Основные направления работы МКБ «Горизонт» связаны с созданием энергетических установок на базе авиационных газотурбинных двигателей, изготавливаемых «Салютом», и проведением научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по усовершенствованию узлов этих изделий.

12. Ученик чародея. Непокорная плазма. Династия Токамаков. Подземный склад энергии. Необычное озеро. Летающий поезд. Новейший ускоритель

12. Ученик чародея. Непокорная плазма. Династия Токамаков. Подземный склад энергии. Необычное озеро. Летающий поезд. Новейший ускоритель

Можно смело утверждать: «кораблю» сверхпроводимости уготовано большое плавание в безбрежном море технического прогресса.

Уже сегодня решение ряда перспективных проблем науки и техники не мыслится без использования сверхпроводимости.

Среди них особенно важны так называемые глобальные проблемы, решение которых имеет существенное значение для судьбы всего человечества.

Глобальной проблемой номер один является энергетическая.

Вся жизнь есть энергия,

Энергия — вечный восторг.

Эти строки английского поэта XVIII века Уильяма Блейка, разумеется, не претендуют на строго научное определение энергии. В них ярко выражена мысль о том, что без энергии вообще немыслима жизнь человека на Земле.

С развитием технического прогресса и ростом народонаселения потребность человечества в энергии непрерывно возрастает.

Ожидается, что к 2000 году потребление энергии на нашей планете возрастет почти в три раза по сравнению с сегодняшним уровнем.

Природные запасы источников энергии не безграничны.

И уже сегодня многие страны находятся под угрозой энергетического кризиса.

С овладением энергией атомного ядра человечество получило новый энергетический источник немыслимой ранее мощности.

По оценке специалистов, природных запасов основного «топлива» атомных электростанций — урана, при его рациональном использовании, хватит человечеству на несколько сотен лет.

Ученые всего мира усиленно работают над следующим этапом использования ядерной энергии — освоением управляемых термоядерных реакций.

В ядерной (атомной) энергетике используются реакции деления тяжелых ядер, при которых ядра делятся на части нейтронами и образуются новые нейтроны.

А в термоядерной энергетике используется противоположный эффект — процесс синтеза ядер легких элементов.

Когда два легких ядра сливаются вместе, происходит так называемая термоядерная реакция.

Термоядерная реакция может происходить только, когда ядра сближаются на расстояние в одну миллионную долю нанометра.

Чтобы состоялось такое сближение, ядра должны преодолеть кулоновские силы отталкивания, то есть обладать большой кинетической энергией. Для этого вещество должно находиться при достаточно высокой температуре, порядка сотен миллионов градусов.

Термоядерные реакции сопровождаются колоссальным выделением энергии. Так, например, энергия, освобождаемая при синтезе всего лишь четырех граммов гелия из водорода, оценивается в 700 тысяч киловатт часов. Это примерно соответствует дневной потребности в энергии для бытовых нужд города с населением в несколько сот тысяч человек.

На Земле термоядерные реакции впервые были осуществлены в водородной бомбе.

Нагрев бомбы до температуры в несколько сотен миллионов градусов осуществляется путем взрыва обычной атомной бомбы. Мгновенно выделяющаяся при термоядерной реакции энергия обладает взрывным действием колоссальной разрушающей силы. По мощности взрыва и силе поражающих действий (ударная волна, радиоактивное излучение и т. п.) водородная бомба значительно превосходит атомную бомбу.

Среди произведений Иоганна Вольфганга Гете есть баллада «Ученик чародея».

В этой балладе колдун, отлучившись, оставляет своего ученика на кухне, приказав ему натаскать бочку воды. Мальчик ленив, но достаточно предприимчив: он заставляет выполнить это задание… метлу, произнеся над ней заклинание, подслушанное у своего хозяина.

Метла наполняет бочку водой, но остановить ее ученик чародея не может. Непутевый мальчик почти тонет — он не выучил или забыл другое заклинание, которое остановило бы метлу. В отчаянии он хватает метлу и ломает ее пополам, но с ужасом обнаруживает, что из каждой половины продолжает течь вода. К счастью, он не погиб — появился хозяин, который, произнеся магическое слово, остановил метлу и хорошенько наказал нерадивого ученика.

Так вот, в отношении термоядерных реакций мы в момент, когда пишутся эти строки, находимся на уровне «ученика чародея». Мы можем вызвать термоядерную реакцию, но пока не в состоянии полностью управлять ею, с тем чтобы направить освобождаемую при этом энергию не на разрушение, а на созидание материальных благ.

Трудности, которые суждено преодолеть ученым на пути к освоению управляемых термоядерных реакций, велики.

Газообразный водород в термоядерном реакторе необходимо не только разогреть до баснословной температуры, исчисляемой сотнями миллионов градусов.

При столь высокой температуре любое вещество превращается в плазму, то есть газ, состоящий практически из «голых» ядер и электронов. Разумеется, такую горячую плазму невозможно удержать ни в одном сосуде. Но поскольку плазма состоит в основном из заряженных частиц, на их траекторию можно воздействовать магнитными полями. Тогда при достаточно сильных магнитных полях и их соответствующей конфигурации представляется возможность, несмотря на высокие скорости частиц, удерживать их в пространстве, в котором может быть осуществлена термоядерная реакция.

Однако плазма — это весьма свободолюбивая «особа». Чем больше ограничивается движение частиц, тем сильнее плазма стремится вырваться из- под опеки, освободиться от удерживающих ее магнитных уз.

В плазме, ограниченной магнитным полем, развиваются колебания и волны, и плазма «просачивается» между силовыми линиями магнитного поля. Магнитное удержание нарушается.

Было предложено немало хитроумных конструкций для удержания плазмы. Из них наиболее удачной оказалась система типа «Токамак».

Слово «Токамак» расшифровывается так: «ТОроидальная КАмера с МАгнитными Катушками».

Эта система, предложенная советскими учеными в 50–х годах и впервые осуществленная в СССР, получила признание во всех странах мира, где ведутся работы по управляемым термоядерным реакциям. Сегодня слово «Токамак» одинаково звучит на русском, английском, японском и многих других языках.

Тороидальная камера — это, грубо говоря, гигантский пустотелый бублик. В такую камеру вводится газообразный водород сравнительно небольшой плотности, в ней возбуждается кольцевой электрический ток силой в сотню тысяч ампер.

Внутри тороидальной камеры образуется кольцевой плазменный виток, или, как его называют физики, плазменный шнур. По этому витку течет ток.

Однако такой виток с током сам по себе неустойчив. Для того чтобы его стабилизировать, на поверхности камеры устанавливаются катушки, возбуждающие сильное магнитное поле, силовые линии которого направлены параллельно току в плазменном шнуре.

«Токамак» для собственных нужд потребляет очень много энергии. Например, для питания экспериментальной установки «Токамак 10» потребовалась подстанция на 180 тысяч киловатт.

Расчеты показывают, что для запуска промышленного термоядерного реактора типа «Токамак» понадобилось бы два миллиона киловатт, то есть мощность Куйбышевской ГЭС.

Существенное уменьшение энергии для питания «Токамаков» достигается при использовании сверхпроводящих магнитов.

В нашей стране была спроектирована и построена первая в мире сверхпроводящая электромагнитная система для установки «Токамак 7». В ней почти вплотную встретились самые низкие и фантастически высокие температуры: в нескольких сантиметрах от охлажденных почти до абсолютного нуля температуры сверхпроводящих витков бушует водородная плазма с температурой в десятки миллионов градусов. На сверхпроводящие катушки действуют электромагнитные силы в сотни тонн, а давление на центральный сердечник превышает 10 тысяч тонн.

Создателям этой системы пришлось решить уникальные по своей сложности инженерные задачи.

Еще более мощной сверхпроводящей электромагнитной системой оснащена новая установка «Токамак 15», которая введена в действие в конце 1988 года. Здесь накапливается магнитная энергия 600 миллионов джоулей, в 50 раз больше, чем в «Токама- ке 7». А по объему плазмы (25 кубических метров) «Токамак 15» превосходит свою предшественницу — установку «Токамак 10» в пять раз.

Одновременно в Советском Союзе проектируется опытный термоядерный реактор. По инициативе советских ученых, под эгидой Международного агентства по использованию атомной энергии (МАГАТЭ), разрабатывается международный проект токамака — реактора ИТЭР, в котором принимают участие ученые СССР, Западной Европы, США и Японии.

Строительство установок типа «Токамак» сегодня стало одним из главных направлений в мировой науке.

Во Франции планируется запустить в ближайшее время токамак «Тор — сюпра», оснащенный, как и наш «Токамак 15», сверхпроводящими магнитами.

В США введен в действие испытательный реактор — токамак ТФТР, на котором впервые достигнута температура плазмы свыше 300 миллионов градусов.

В Калэмской лаборатории, вблизи английского города Оксфорда, запущен токамак «Джет», сооруженный объединенными усилиями стран — участниц Европейского экономического сообщества. Токамак JT-60 строится в Японии.

С освоением управляемых термоядерных реакций глобальная проблема номер один будет окончательно решена. Человечество будет обеспечено практически неисчерпаемым источником энергии, так как запасы водорода в Мировом океане безграничны.

В отличие от атомных электростанций в процессе работы термоядерного реактора не происходит накопление радиоактивных шлаков.

Рентабельное производство электроэнергии требует строительства все более мощных электростанций вне зависимости от того, какие это станции: атомные, термоядерные, тепловые или гидроэлектростанции.

Мощности строящихся или уже построенных электростанций исчисляются миллиардами ватт.

Электростанции вырабатывают энергию, разумеется, не для собственных нужд. Необходимо эту энергию передать потребителям, расположенным зачастую на больших расстояниях от места ее производства.

Здесь вступает в действие хорошо знакомый нам со школьной скамьи закон Ома. Чем длиннее линия передачи, тем больше ее электрическое сопротивление, а следовательно, тем большая часть выработанной энергии рассеивается, переходит в тепло и не доходит до потребителя.

Значительная часть электрической энергии передается сейчас с помощью воздушных высоковольтных линий. С растущей потребностью в энергии возникает необходимость строительства и новых энергетических сетей. Однако, по крайней мере в густо населенных промышленных районах, уже становится практически невозможным прокладывать все новые воздушные линии.

…Если вы, гуляя за городом, будете проходить мимо воздушной линии электропередачи, то убедитесь, насколько она портит окружающий ландшафт. А сколько урожая недодает нам земля из?за невозможности ее продуктивного использования вблизи высоковольтных трасс, сосчитать трудно!

Казалось, сама природа борется с нарушением ее гармонии. Нередки случаи, когда при обрыве проводов воздушных линий электропередачи в результате бурь и ураганов или их обледенения при сильных морозах селения или даже целые города на длительное время остаются без электроэнергии.

Уже сегодня часть электроэнергии передается по подземным кабелям.

Мысль об использовании для этой цели сверхпроводящих кабелей является весьма заманчивой.

Казалось, проводник без омического сопротивления является идеальным средством для передачи электрической энергии. Но здесь еще в большей степени, чем для сверхпроводящих магнитов, имеет значение экономическая целесообразность. Одно дело — охлаждать до гелиевых температур аппарат, имеющий ограниченный объем, другое дело — поддерживать при температуре вблизи абсолютного нуля линии протяженностью в десятки и сотни километров. При этом через каждые несколько километров необходимо устанавливать станции охлаждения, обеспечивающие непрерывную циркуляцию жидкого гелия, и гарантировать надежность их работы.

Насколько же сверхпроводящий кабель с неотъемлемой от него достаточно сложной системой охлаждения с помощью жидкого гелия является экономичным? Над этими проблемами усиленно работают во многих научно — исследовательских институтах и лабораториях мира.

По мнению советских специалистов, сверхпроводящий кабель, охлаждаемый жидким гелием, целесообразно применять для передачи электрической энергии большой мощности, начиная от двух — трех миллиардов ватт.

Несравненно более широкие перспективы откроются, когда инженеры освоят изготовление сверхпроводящих кабелей, охлаждаемых жидким азотом. Такие кабели способны заменить воздушные линии электропередач.

График суточного потребления энергии похож на рельеф сильно пересеченной местности, где высокие холмы перемежаются глубокими оврагами. Так, например, зимой пик мощности приходится на 6–7 часов вечера, а в 2–3 часа ночи потребление электрической энергии становится мизерным.

Чтобы выпрямить график суточного потребления электрической энергии, всем людям пришлось бы не спать, а предприятиям и учреждениям работать круглосуточно.

Но стоит ли превращать ночь в день, даже в угоду энергетикам?

А что, если при электростанции построить «склад» электрической энергии, подобно тому как существуют склады готовой продукции на промышленном предприятии?

Ночью склад будет пополняться избытком электрической энергии, а днем потребители смогут получать электроэнергию со склада.

Предложено несколько проектов «складов», или, как их называют, накопителей электрической энергии. Пожалуй, наиболее перспективным из них является проект, основанный на использовании сверхпроводимости., Действительно, сверхпроводящее кольцо, по которому месяцы и годы непрерывно течет незатухающий электрический ток, чем не идеальное хранилище электрической энергии?

Сверхпроводящий индуктивный накопитель электрической энергии представляет собой, по сути, трансформатор, первичная обмотка которого выполнена из нормального, то есть не сверхпроводящего, провода. Вторичная, сверхпроводящая, обмотка такого трансформатора имеет вид гигантского «бублика» диаметром в несколько сот метров.

Постоянный ток, поступающий в первичную обмотку периодически (циклически), прерывается. В результате в сверхпроводящей обмотке индуцируется незатухающий электрический ток.

Подсчитано, что экономически выгодным может быть индуктивный накопитель с запасом энергии не менее 27 миллиардов ватт — часов.

Эксплуатация такого накопителя требует особо тщательных предосторожностей.

Склад электрической энергии. Проект сверхпроводящего накопителя электрической энергии, разработанный учеными Висконсинского университета (США). Эта установка содержит сообщающиеся каналы (1), в которых находятся сверхпроводники. В них из холодильного устройства (2) накачивается жидкий гелий.

Если обмотка вдруг перейдет из сверхпроводящего в обычное состояние, то циркулирующий в ней ток, силой в сотни тысяч ампер, моментально испарит и ее и всю установку. Это эквивалентно взрыву небольшой атомной бомбы.

Такие установки должны быть расположены глубоко под землей, вдали от городов.

Однако расходы на построение сверхпроводящих накопителей должны окупиться с лихвой.

Американские специалисты подсчитали, что двадцать подобных накопителей дадут возможность уменьшить капиталовложения в развитие энергетики США на 45 миллиардов долларов.

Резервуар для охлаждения катушки сверхпроводящего накопителя с запасом энергии 27 миллиардов ватт — часов по расчетам должен содержать 600 тысяч кубических метров, то есть, по сути, небольшое озеро жидкого газа.

В одном из проектов сверхпроводящего индуктивного накопителя электрической энергии такое «озеро» предлагается наполнять жидким водородом.

Но почему водородом? Ведь высокотемпературные керамические сверхпроводники можно охлаждать даже жидким азотом.

Водород сам по себе является источником энергии. Это прекрасное топливо для котлов электростанций, двигателей автомашин, тепловозов и самолетов.

Чтобы заменить органическое топливо водородом, его необходимо вырабатывать в больших количествах из морской воды. Предполагается, что это будет осуществляться на атомных, а позже на термоядерных станциях.

Тогда сверхпроводящий накопитель электрической энергии будет одновременно служить складом идеального горючего. Отсюда жидкий водород будет направляться потребителям, «по дороге» охлаждая сверхпроводящие кабели, несущие электрическую энергию.

Развитой промышленности требуются электродвигатели все большей мощности. Увеличивается мощность электрических машин — повышается их сложность, увеличиваются габариты, которые в конце концов превышают разумные пределы. Такие машины становятся, в частности, нетранспортабельными. Для электродвигателей постоянного тока предел мощности в общепринятом конструкторском решении составляет 10 миллионов ватт.

Практически перешагнуть этот барьер можно только при использовании сверхпроводимости.

Сверхпроводящая машина постоянного тока имеет неподвижный индуктор с обмотками возбуждения и вращающийся якорь.

Сверхпроводящие обмотки возбуждения располагаются в неподвижном криостате. В его центральном отверстии вращается «теплый» обычный якорь.

Плотность тока в обмотке сверхпроводящей машины может достигать 1000 ампер на квадратный миллиметр. При таком токе возбуждается достаточно сильное магнитное поле без помощи железа и отпадает надобность в ферромагнитном сердечнике.

Если учесть, что в обычных электрических машинах основную массу составляет железо, то нетрудно себе представить, насколько уменьшаются габариты и масса сверхпроводящей машины. Многие детали машины могут быть изготовлены из… пластмассы.

Малая инерционность и хорошая регулируемость сверхпроводящего электродвигателя постоянного тока создают хорошие перспективы для его применения в качестве привода прокатных станов, больших насосов и вентиляторов на электростанциях, шахтных подъемников и в ряде других отраслей промышленности.

Особенно перспективным является применение сверхпроводящих электрических машин в морском транспорте.

При проектировании электрического привода для кораблей редко удавалось преодолеть трудности, связанные с габаритами и стоимостью. На современных судах мощность на валу нередко превышает 30 миллионов ватт, что намного превосходит возможности обычных двигателей постоянного тока.

Сверхпроводящие машины постоянного тока обладают достаточной мощностью для непосредственного привода винта, а также для приведения в действие всех вспомогательных установок корабля, нуждающихся в электрическом питании. Подсчитано, что применение на танкерах и контейнеровозах сверхпроводящих электродвигателей даст возможность увеличить пространство, занимаемое грузом, на 10–20 %.

А знаете ли вы, что такое магнитогидродинамический генератор, или сокращенно МГД — генератор?

Уже его внешний вид ломает традиционное представление об электрических машинах. В нем нет вращающихся частей.

Принцип действия МГД — генератора заключается вкратце в следующем. Газ нагревается, например, путем сжигания какого?либо горючего до температуры порядка 3000К. Для повышения степени ионизации в газ добавляется небольшое количество щелочных металлов. В результате газ становится электропроводным: он превращается в так называемую низкотемпературную плазму.

Поток такой плазмы пропускается с большой скоростью через канал, помещенный в сильное магнитное поле, которое может создаваться, например, сверхпроводящими магнитами. При этом отклоняемые магнитным полем ионы и электроны создают на специально введенных электродах электрическое напряжение.

Плазма покидает МГД — генератор при относительно высокой температуре. Следовательно, она уносит с собой часть тепла. Для его использования плазма после выхода из канала МГД — генератора попадает в парогенератор, где ее достаточно высокий запас тепла расходуется для получения пара.

Таким образом, плазма работает как бы дважды: в канале МГД — генератора из нее непосредственно извлекают электрическую энергию, а затем, несколько охладившись и превратившись в обычный неэлектропроводный газ, она отдает оставшееся тепло пару, который вращает турбину и сидящий с ней на валу электрический генератор.

У нас в стране сооружается первый промышленный гидродинамический энергетический блок мощностью 550 миллионов ватт. Он состоит из МГД — генератора мощностью 250 миллионов ватт и стандартной паровой турбины мощностью 300 миллионов ватт.

Главное преимущество МГД — метода преобразования энергии — высокий коэффициент полезного действия. По расчетам специалистов, относительное увеличение коэффициента полезного действия МГД — электростанции по сравнению с тепловой может составить около 25 %.

При сегодняшнем уровне выработки электроэнергии увеличение коэффициента полезного действия тепловых электростанций на такую величину сэкономило бы в нашей стране 75 миллионов тонн топлива (в пересчете на условное) в год или позволило при том же расходе выработать дополнительно 250 миллиардов киловатт — часов энергии.

МГД — генераторы со сверхпроводящими магнитами отличаются относительно малой массой. Поэтому их особенно разумно использовать в авиации или при космических полетах.

Читатель, наверное, помнит «гроб Магомета», о котором шла речь в главе четвертой. Такое шутливое название получил проведенный в 1945 году эффектный эксперимент московского профессора с небольшим постоянным магнитом, который парил над сверхпроводящей чашей.

Теперь мы в силах заставить парить в воздухе не только «гроб Магомета», но целый железнодорожный состав.

…В наш век больших скоростей тон задают космические ракеты и сверхзвуковые самолеты. Но и «старушка» железная дорога старается не отставать от требований века. Ведь и сегодня большая часть людей и грузов перевозится железнодорожным транспортом.

Люди старшего поколения помнят время, когда поезд преодолевал расстояние от Москвы до Ленинграда чуть ли не за сутки. Сегодня поезд, отправляющийся из Москвы поздно вечером, прибывает в город на Неве рано утром.

Можно ли увеличивать скорость обычного поезда беспредельно?

С повышением скорости увеличиваются вибрации, обусловленные неровностями пути и колес. При чрезвычайно большой скорости горизонтальные вибрации (рыскание) становятся столь большими, что они могут привести к катастрофе. При чрезмерной скорости вследствие больших вибраций нарушается нормальное функционирование системы подвески контактного провода.

Специалисты считают, что предельная скорость обычного железнодорожного состава не должна превышать 250 километров в час.

Сегодня мы уже подходим к этому пределу. Для того чтобы его перешагнуть, надо оторвать поезд от поверхности земли. А это возможно только с помощью магнитного подвеса, или, как его часто называют, магнитной подушки.

Представьте себе поезд, снабженный рядом сверхпроводящих магнитов, расположенных у основания вагонов. Необычный вид имеет и железнодорожное полотно. Оно содержит множество последовательно расположенных петель из хорошего проводника, например из алюминия.

Когда поезд стоит на месте, не возникает никакого взаимодействия между постоянными магнитами, расположенными в поезде, и железнодорожным полотном. Поезд необходимо сначала привести в движение и сообщить ему определенную скорость.

В этом смысле поезд на магнитной подушке можно уподобить самолету. Для того чтобы воздушный лайнер мог оторваться от земли, ему надо дать разгон, то есть он должен пробежать определенное расстояние на колесах по земле, как и обычное средство наземного транспорта. Очевидно, по этой аналогии поезд на магнитной подушке называется магнитопланом.

При движении сверхпроводящих магнитов вместе с поездом в проводящих петлях железнодорожного полотна возбуждаются вихревые токи, которые по правилу Ленца создают магнитное поле, направленное навстречу вызвавшему их полю сверхпроводящих магнитов поезда. Это поле создает силу отталкивания, или подъемную силу, и поезд отрывается от земли.

Какая же сила заставляет его устремиться вперед с немыслимой ранее скоростью?

На первый взгляд может показаться логичным использовать с этой целью реактивный двигатель, как в современных самолетах. Но эти двигатели слишком шумные, и, кроме того, они вызывают загрязнение окружающей среды.

Значит, электрический двигатель?

Как известно, любой электродвигатель состоит из двух основных частей: неподвижной — статора и подвижной — ротора. Мы привыкли к тому, что обе части составляют единое целое.

Иное дело линейный электродвигатель магнитоплана. Он как бы состоит из двух самостоятельных, пространственно разделенных частей. Статор находится на земле, а ротор в «парящем» над землей поезде. В статоре возбуждается электромагнитная волна, которая увлекает за собой магнитоплан.

Магниты выполняют двойную функцию: как средство подвеса и средство тяги. При этом отпадает необходимость подводить электрическую энергию к движущемуся поезду извне с помощью контактного провода, что, как читатель уже знает, является одной из причин, ограничивающей скорость движения обычного поезда.

По сообщениям иностранной прессы, в Японии создан магнитоплан Малев (магнитная «левитация»), развивающий скорость 517 километров в час.

Примерно на таком же принципе, как магнитоплан, основан разработанный в Японии проект магнитного судна.

Представьте себе сверхпроводящий магнит, установленный на борту корабля, создающий мощное магнитное поле. С помощью электродов, установленных под дном судна, соединенных с бортовым источником электричества, через воду пропускается электрический ток. Электромагнитное поле, порождаемое током, отталкивается от поля магнита, и судно отрывается от поверхности воды.

Действующая модель магнитного судна разработана в Университете торгового флота в Кобе. Японские специалисты надеются построить 100–тонное магнитосудно уже в ближайшие годы.

Другой проект сверхскоростного судна с использованием эффекта сверхпроводимости утвержден Японской ассоциацией содействия судостроению. В начале 90–х годов предполагается отправить в морское плавание экспериментальное судно «Ямо- то-1» водоизмещением 150 тонн. Два движителя, установленные в днище этого корабля, будут забирать морскую воду и с силой выталкивать ее, используя мощное магнитное поле, возбуждаемое сверхпроводящими магнитами.

Один из научно — фантастических рассказов Г. Уэллса называется «Новейший ускоритель». Однако вряд ли писатель мог предполагать, что пройдет несколько десятилетий и термин «ускоритель» прочно утвердится в науке и технике.

В современной технике под названием «ускоритель» подразумевается ускоритель заряженных частиц — установка для получения пучков электронов, протонов и других заряженных частиц с большой энергией, являющаяся незаменимым аппаратом для различного рода исследований в ядерной физике, физике элементарных частиц, получения новых, так называемых трансурановых элементов и т; п.

Ускорители заряженных частиц находят применение и в технике: в металлургии для выявления дефектов в толстых металлических изделиях, в пищевой промышленности для стерилизации пищевых продуктов, в медицине для глубинной терапии злокачественных опухолей.

Современные мощные ускорители заряженных частиц — это крупные инженерные сооружения, основанные на последних достижениях науки и техники. По действующим ускорителям сейчас нередко судят об уровне развития техники в той или иной стране.

Для защиты окружающей среды от излучений, возникающих в процессе работы мощного ускорителя, его обычно помещают глубоко под землей.

Для размещения протонного ускорителя диаметром 2,2 километра с длиной окружности 7 километров, запущенного в 1975 году в Женеве, пришлось прорубить туннель в коренной породе на глубине 50 метров под землей. Ширина туннеля всего 4 метра, и он повторяет конфигурацию ускорителя с точностью до нескольких сантиметров.

При строительстве туннелей для железных и шоссейных дорог инженеров обычно удовлетворяет проект, если участки с разных сторон горы сходятся с точностью одного — двух метров. Здесь же требовалось обеспечить правильную проходку по всей семикилометровой окружности с погрешностью всего в несколько сантиметров.

В настоящее время в нашей стране проектируется уникальный ускоритель протонов диаметром 6 километров, с длиной окружности 20 километров.

В ускорителе заряженные частицы с высокими энергиями удерживаются на определенных траекториях с помощью магнитных полей. Эта задача решается тем проще, чем сильнее магнитное поле.

При заданной энергии частиц путем увеличения напряженности магнитного поля можно уменьшить диаметр кольцевых ускорителей, чтобы сократить их габариты. И наоборот, при том же диаметре увеличения магнитного поля можно повысить энергию частиц.

Вот почему новые большие кольцевые ускорители проектируются с использованием сверхпроводящих магнитов.

Приведенными примерами далеко не исчерпываются возможности использования сверхпроводящих устройств в технике и промышленности.

Специалисты выдвигают новые проекты, активно обсуждают вопрос о разработке сверхпроводящих электродвигателей для автомашин.

Идея электрического автомобиля не нова. Но долгое время она казалась далекой от реальности. Ведь для питания обычных электродвигателей на каждой автомашине пришлось бы установить собственную «электростанцию». Обмотки сверхпроводящего электродвигателя достаточно зарядить один раз и… навсегда.

Насколько чище сделается окружающий нас воздух, если его не будут загрязнять выхлопные газы современных автомашин.

Новое технологическое решение для комплекса NICA

В Лаборатории физики высоких энергий ОИЯИ продолжаются работы по реализации мегасайенс проекта ускорительного комплекса NICA. Будущий коллайдер не будет иметь аналогов в мире, а значит, и многие его инженерные решения должны быть уникальными, нацеленными на проблематику современной науки.

В частности, для питания ускорителей частиц комплекса NICA – Бустера и Нуклотрона – разрабатывается система питания, содержащая сверхпроводящий индуктивный накопитель энергии SMES, который должен быть введен в эксплуатацию в 2023 году. На конструкцию диэлектрического каркаса импульсного сильноточного сверхпроводящего соленоида в этом году был оформлен российский патент на изобретение. Авторами патента являются старший научный сотрудник Группы новых магнитных технологий на основе высокотемпературной сверхпроводимости НЭОСМТ ЛФВЭ ОИЯИ Михаил Новиков, заместитель директора ЛФВЭ Гамлет Ходжибагиян и сотрудник указанной Группы Максим Заславский.

Экспериментальная намоточная установка ВТСП-кабеля

Новое изобретение будет применено в магните SMES для системы питания Бустера и Нуклотрона ускорительного комплекса NICA. Магнит будет представлять собой соленоид диаметром около метра, такой же высоты, с импульсным током в несколько килоампер, максимальным полем на обмотке около 6 Тл, рабочей температурой 30 К при охлаждении потоком кипящего неона через канал в сверхпроводящем кабеле из ВТСП-лент. Сам соленоид группе ученых и инженеров еще предстоит создать. Требования к несущему каркасу для соленоида достаточно высокие: чтобы не наводились вихревые токи, каркас должен быть диэлектрическим; также он должен выдерживать криогенные температуры, и значительные пондеромоторные силы в циклирующем импульсном режиме, много миллионов циклов.

Десятки корпусов каркаса секций (слоев) соленоида, представляющие собой коаксиальные трубы разного диаметра, будут изготовлены из стеклопластика (стеклотекстолита) с эпоксидным связующим, адаптированным под низкие температуры. Нити стеклотекстолита будут идти в перехлест, в основном по окружности, а частично – параллельно оси соленоида, в направлении действия основных сил в обмотке. Это делается для того, чтобы максимальная прочность препятствовала разрыву кольца каркаса тангенциальными напряжениями.

«На наименьшем корпусе каркаса вытачивается канавка, на которую наматывается высокотемпературный сверхпроводниковый (ВТСП) круглый кабель. Он выступает в качестве резьбы для внешнего, бандажирующего, корпуса большего размера. Поверх этой конструкции навинчивается следующая по размеру труба с проточенной изнутри резьбой. То есть внешние корпуса накручиваются на обмотку из кабеля, как гайка», — подчеркнул соавтор изобретения Михаил Новиков.

Кабели устроены наподобие кабеля нуклотронного типа из ниобий-титановых стрендов, однако проводники представляют собой не проволоки, а ленты. При их изготовлении на 30-40 микронную подложку наносится несколько буферных слоев при помощи нескольких ионных источников, работающих в высоком вакууме. Потом, также в вакууме, при помощи лазера распыляется слой керамики, поверх которого проводится магнетронное напыление серебром. Такие ВТСП-ленты делают лишь около десяти компаний в мире. Кабель из них, для SMES и некоторых типов ускорительных магнитов, изготавливается в НЭОСМТ ЛФВЭ ОИЯИ.

В качестве связующего используется эпоксидный криогенно-устойчивый компаунд. Вокруг соленоида будет создан теплоизоляционный вакуум. «Мы уже заказали подобный каркас и скоро будем мотать магнит на 5 Тесла из ВТСП-кабеля – импульсный соленоид для методики исследования потерь и стабильности сверхпроводников, по такому же принципу», — рассказал Михаил Новиков.

Новая конструкция может быть применена не только на NICA. Практически сделать ее достаточно трудоемко в силу необходимости вытачивать точную резьбу на корпусах каркаса. Конструкция позволяет использовать сечение стеклотекстолита более полно в сравнении с другими вариантами, потому что следующая секция держит предыдущую. Новое изобретение также позволяет проводить охлаждение соленоида более эффективно.

Группа новых магнитных технологий на основе высокотемпературной сверхпроводимости ЛФВЭ ведет дальнейшие работы по усовершенствованию конструкции и технологии каркасов, а также планирует подать заявку на патент и с другими своими разработками. Следующий патент будет связан с ВТСП-кабельной установкой и конструкцией ВТСП-кабеля для ускорительных магнитов.

В список основных задач, которые стоят перед Группой, входит создание соленоида для накопителя энергии SMES системы питания Бустера и Нуклотрона, участие в разработке магнитов из ВТСП-кабеля для модернизации ускорителя Нуклотрон, и разработка ВТСП-обмотки для создаваемого в рамках проекта Международного инновационного центра ОИЯИ медицинского сверхпроводящего циклотрона SC-230.

Журнал «Физика и студенты»: ЭНЕРГИЯ-Импульс.

«Что такое ВИГГЛЕР?»

—Вигглер — это специальный магнит, у которого поперечное магнитное поле меняет знак вдоль оси, по которой летят релятивистские заряженные частицы, и предназначен для генерации синхротронного излучения. В зависимости от назначения и напряжённости магнитного поля они бывают нормально проводящие, т. е. изготовленные из нормально проводящих материалов, и сверхпроводящие. Магниты, изготовленные из сверхпроводящих материалов, как правило, могут достигать значительно больших напряжённостей магнитного поля. Такое устройство устанавливается на электронный или позитронный накопитель так, что пучок заряженных частиц, проходя сквозь такой магнит по извилистой траектории, сбрасывают часть своей энергии в виде синхротронного излучения (СИ) в направлении своего движения. Спектр этого излучения может сильно отличаться от СИ из поворотных магнитов. Часто используется 3-х полюсный вигглер, у которого один полюс имеет сильное магнитное поле и используется для генерации излучения, а остальные два для согласования орбиты пучка заряженных частиц. Такой вигглер часто называют «шифтером» от английского слова shift ( что означает сдвигать) и используется для сдвига спектра СИ для данного накопителя в более жёсткую часть спектра по сравнению со спектром из поворотных магнитов. Сверхпроводящий 3-х полюсный вигглер («шифтер») является хорошим и достаточно дешёвым средством для улучшения потребительских характеристик старого накопителя, который используется как источник СИ.

Наш Институт разрабатывает такие устройства уже более 20 лет, начиная с 1978 года. Всё началось с 20 полюсной сверхпроводящей «змейки» (так тогда мы называли много полюсный вигглер, но название это не прижилось) с полем 3.5 Тесла. Такое устройство было впервые в мире сделано в ИЯФ для генерации мощного синхротронного излучения и поставлено на накопитель ВЭПП-3 в сотрудничестве с лабораторией Л. М.Баркова. Создание такой «змейки» было тогда необходимо для проведения экспериментов в лаборатории Л.М. Баркова по поиску сверхтяжёлых элементов с помощью жесткого синхротронного излучения, а в нашей лаборатории возник большой интерес к использованию жёсткого синхротронного излучения для медицинской диагностики, в частности к цифровой разностной ангиографии. В 1979 году «змейка» была установлена на накопитель ВЭПП-3 и пучок жёсткого рентгеновского излучения мощностью около 1 кВт был выведен в канал СИ. Постановка этой «змейки» позволила увеличить яркость накопителя ВЭПП-3 как источника СИ в 200 раз в области энергий фотонов 15-20 кэВ.

В настоящее время кроме нашего Института есть ещё две фирмы, которые могут создать конкуренцию при изготовлении сверхпроводящих вигглеров- это АКСЕЛ в Германии и Оксфорд Инструментс в Англии. Эти фирмы могут изготавливать вигглеры с полем 6 Тесла и меньше, в то время как наш Институт производит магниты 7.5 Тесла из ниобий-титанового провода и недавно был испытан вигглер на поле в 10 Тесла с использованием провода из ниобий-олово. В текущем году институт изготавливает 2 вигглера: 7 Тесла вигглер для BESSY-2 (контракт с Германией) и 10 Тесла вигглер для SPring-8 для источника медленных позитронов по гранту МНТЦ (Международного научно технического центра).

Магнитная система вигглера для BESSY-2 была испытана в конце марта этого года в присутствии представителей центра BESSY-2 и получено поле 7.55 Тесла вместо 7.25 Тесла согласно контракта . Основным заказчиком сверхпроводящего вигглера для BESSY-2 является ПТБ лаборатория стандартов, имеющая своей целью иметь абсолютный источник излучения с хорошо известными характеристиками. Для того, чтобы удовлетворить предъявляемые к этому источнику требования, большое внимание при проектировании было уделено поперечной однородности поля в центральном полюсе, а также был разработан в Лаб.6 и установлен в полюса вигглера специальный высокоточный измеритель поля на основе датчика ЯМР, который позволяет измерять поле с точностью 0.000001. На этих вигглерах мы научились работать в режиме замкнутых токов, при этом стабильность поля можно сделать лучше, чем 0. 000001 , время жизни замкнутого тока в магните составляет один год и три месяца.

Сверхпроводящий вигглер для накопителя SPring-8 также был успешно испытан с получением максимального поля 10.14 Тесла и поэтому параметру у нас нет конкурентов, кто мог бы сделать подобный вигглер. Накопитель SPring-8 с энергией электронов 8 ГэВ является одним из самых современных и ярких источников СИ в мире, который уже почти год успешно работает. Постановка вигглера с рекордно высоким полем 10 Тесла на этот накопитель создаст мощный поток жёсткого рентгеновского излучения мощностью в 100 кВт с энергиями фотонов до 5 МэВ и с максимальной интенсивностью излучения в области 0.5 МэВ. Работа по изготовлению вигглера поддерживается грантом МНТЦ, конечной целью которого является создание источника медленных позитронов высокой яркости, используя жёсткую часть спектра СИ с энергией фотонов более 1 МэВ для создания электрон-позитронных пар на специальной мишени с последующим замедлением позитронов в модераторе. Проект близок к завершению — магнит собран и испытан, заканчивается сборка криостата. Летом планируем провести в институте 3-х месячные испытания одновременно вигглеров для Японии и Германии. После испытаний в институте оборудование будет поставлено в Германию в октябре и запущено к середине декабря, а испытания на территории SPring-8 планируются на январь 2000 года.

Кроме рекордных полей и высокоточных датчиков измерения магнитного поля в этих машинах применены многие другие новшества, которые до этого не применялись в нашем институте. Вместо жидкого азота будут использоваться специальные холодильники, которые будут закуплены у компаний SUMITOMO и Leybold для охлаждения экранов криостата до температур 20 и 80 градусов Кельвина. Для предотвращения испарения жидкого гелия будут установлены специальные холодильники-реконденсоры , которые будут конденсировать испарившийся гелий и возвращать его в криостат. Для уменьшения теплопритоков в криостат используются тоководы из высокотемпературных сверхпроводников и подвески из кевлара — полимера, который имеет прочность на разрыв такую же как у стали, а теплопроводность в десятки раз меньшую.

——Спрос есть, поскольку старых накопителей много и всем хочется их как-то улучшить при этом не тратя больших финансовых средств. Вигглеры постоянно совершенствуются и отличаются друг от друга параметрами. Нельзя сказать, что спрос на вигглеры устойчив и скорее всего этот спрос приходится создавать, объясняя обладателям накопителей с низкой энергией как они будут счастливы, если поставят у себя вигглер с сильным полем. Сейчас уже есть несколько потенциальных заказчиков, которые уже почти созрели для покупки вигглера в ближайшем будущем. Мы надеемся, что у нас продолжится сотрудничество в этой области с немцами, японцами и американцами.

—В работах по изготовлению вигглеров участвуют лаборатории 8-12(Мезенцев Н.А.), 6-0 (Медведко А.С.), 6-1 (Купер Э.А.), 1-4 (Анашин В.В.) — всего около 15 человек. Группа Боровикова В.М. (Л6-0) ведет разработку и изготовление источников питания, датчиков срыва сверхпроводимости и т. д. Работы по созданию датчиков измерения магнитного поля с помощью ЯМР и электроники успешно ведет Карпов Г.В. (Л6-0) , причем датчики ЯМР работают при низких температурах не на жидких, как обычно, а на твердых телах — порошки различных металлов (медь, алюминий) с размером зёрен в несколько микрон, покрытых тонким слоем тефлона. Основная работа по расчетам, намотке катушек, сборке и испытанию оборудования производится в Сек.8-12. Все расчёты магнитных полей и оптимизация распределения токов в обмотках для получения максимального поля проводит Михаил Федурин, он же участвует в проведении магнитных измерениях и проводит анализ измеренных данных. Виталий Шкаруба является основным мотором при изготовлении обмоток, сборке вигглера и проведении всяческих измерений. Максим Кузин обеспечивает управление вигглером при испытаниях от компьютера, подготавливая программное обеспечение для взаимодействия оператора с системами вигглера через электронику связи. Организация работы по намотке катушек, сборке и испытанию оборудования лежит на инженерах Бобылеве Б. В. и Дизендорфе Э.А. Техническая поддержка всех работ в лаборатории ведут лаборанты высокого разряда Поздеев А.И., Гургуца И.Б., Тойкичев Ю.А.

Надо отметить значительное улучшение работы цеха. За последнее время существенно сократились задержки с изготовлением оборудования со стороны цеха и большая заслуга в этом основных изготовителей вигглера — технолога Гагариной С. Г., нач. цеха Моргунова В.Г., мастера механиков Стрельникова В.В., мастера слесарей Семенюка В.Г., нач. производства Чиркова Б.Ф., слесаря Скареднова Н.И. Каждый ответственно подходит к выполнению работы с пониманием того, что только хорошо выполненная работа может дать нам перспективу на будущее.

Накопитель магнитной энергии — обзор

Применение SMES

Когда устройства SMES впервые были предложены, они были задуманы как массивные кольца для хранения энергии мощностью до 1000 МВт или более, аналогичные по мощности гидроаккумулирующим гидроэлектростанциям. Один амбициозный проект в Северной Америке прошлого века имел бы емкость хранилища 2400 МВт. Для этого потребовалось бы накопительное кольцо, закопанное под землю, диаметром в десятки, а то и сотни километров. В конечном итоге проект был признан нерентабельным из-за огромной стоимости строительства и стоимости сверхпроводящего провода в то время.Однако идея массивной сверхпроводящей системы хранения энергии никуда не делась, и Министерство энергетики США финансирует исследования в области крупномасштабного хранения SMES.

Современные технологии позволяют строить небольшие коммерческие накопители SMES мощностью от 100 кВт до 100 МВт. Самая большая из построенных на сегодняшний день может обеспечить мощность 10 МВт. Емкость этих коммерческих устройств составляет от 10 до 30 кВтч, что относительно мало для служебного хранения, но полезно для очень быстрых функций поддержки сети.Их обычно называют системами микро-SMES.

Одно из первых коммерческих устройств SMES было заказано Управлением энергетики Бонневилля США в 1980-х годах. Этот блок имел емкость хранения 30 МДж и номинальную мощность 10 МВт. Устройство могло высвобождать 10 МДж энергии за одну треть секунды, чтобы гасить колебания мощности на Тихоокеанском Интерти. Сегодня типичная коммерческая установка имеет емкость хранения 3 МДж (0,83 кВтч) и может отдавать 3 МВт мощности за 1 с.

Micro-SMES используется во многих частях мира для контроля качества электроэнергии, где скорость работы является главным преимуществом.КПД этих небольших блоков ниже, чем можно было бы достичь в большом змеевике, но в данном случае эффективность не имеет первостепенного значения. Эти устройства можно разместить в контейнере, как показано на рис. 5.1, для простоты развертывания. Они используются на подстанциях и в промышленных операциях, где требуется качественная электроэнергия.

Следующим этапом развития SMES, вероятно, станет использование более крупных сверхпроводящих катушек для обеспечения устойчивости системы распределенной генерации. В то время как системы микро-SMES обычно могут обеспечивать от 1 до 3 МВт, можно ожидать, что системы распределенной генерации будут иметь выходную мощность в 10 раз больше этой мощности. Одной из целей является разработка систем SMES такого масштаба, которые могли бы конкурировать с батареями в области хранения энергии. Однако в этом диапазоне мощностей нет доступных коммерческих систем.

Конечной целью может быть разработка еще более крупных систем SMES для выравнивания мощности и нагрузки. Накопление энергии требуется в сетях по всему миру, чтобы помочь стабилизировать потребление возобновляемой энергии. Большие блоки SMES с их способностью быстро реагировать были бы идеальными для этого приложения. Однако затраты по-прежнему кажутся непомерно высокими.Одним из преимуществ крупной системы SMES по сравнению с аккумулирующей гидроэлектростанцией, основной крупномасштабной технологией хранения энергии, используемой сегодня, является простота размещения. В то время как для гидроаккумулирующей гидроэнергетики требуется подходящее место для строительства двух водохранилищ, большое кольцо ММЭС может быть построено в ряде мест, особенно там, где земля не используется для других целей, например, в пустынных районах. Такие регионы также являются потенциальными площадками для крупных солнечных электростанций и комбинации солнечной энергии, а малые и средние предприятия могут стать ценным источником управляемой возобновляемой энергии при условии снижения затрат.

Будущее больших SMES может зависеть от разработки — или наоборот — более дешевых сверхпроводящих материалов, особенно высокотемпературных сверхпроводников с лучшими свойствами. Конечной целью было бы открытие материалов, обладающих сверхпроводимостью при температуре окружающей среды. Хотя в научных журналах появилось несколько дразнящих намеков, эта перспектива все еще остается крайне отдаленной.

Сверхпроводящие магнитные накопители энергии: Руководство 2021

Системы сверхпроводящих магнитных накопителей энергии (SMES) выделяют энергию в магнитном поле, создаваемом потоком постоянного тока в сверхпроводящей катушке, которая была криогенно охлаждена до температуры ниже критической температуры сверхпроводимости.

Что такое сверхпроводящие магнитные накопители энергии?

SMES изначально предназначался для крупномасштабного выравнивания нагрузки, но из-за своих возможностей быстрого разряда он был развернут в электроэнергетических системах для приложений с импульсной мощностью и стабильностью системы.

Образец SMES от American Magnetics (Ссылка: windpowerengineering.com )

Сверхпроводящее магнитное хранилище энергии — это новая технология, которая накапливает энергию из сети в магнитном поле сверхпроводящей катушки с почти нулевыми потерями энергии.

Основные компоненты устройства являются стационарными, что делает его чрезвычайно стабильным. Кроме того, прогнозируется, что неопределенность, связанная с производством электроэнергии из различных возобновляемых источников энергии, таких как солнечная и ветровая, откроет новые потенциальные перспективы в этой отрасли.

SMES — это устройство с питанием от сети, которое может практически мгновенно накапливать и отдавать огромное количество энергии. Чтобы компенсировать быструю потерю или падение мощности в линии, система может выделять большое количество энергии за долю цикла.В условиях сегодняшней перегруженности линий электропередач и растущего проникновения возобновляемых источников энергии, таких как ветер и солнечная энергия, преднамеренная подача коротких импульсов электроэнергии может сыграть решающую роль в обеспечении устойчивости сети.

Типичный SMES состоит из двух стационарных частей — сверхпроводящей катушки с криогенным охлаждением и системы стабилизации мощности, которые обеспечивают большую надежность, чем многие другие технологии накопления энергии. Ток не должен затухать после того, как сверхпроводящая катушка заряжена, а магнитная энергия должна сохраняться неопределенно долгое время.

Как можно использовать сверхпроводники для хранения энергии?

Электрический ток проходит через катушку, состоящую из сверхпроводящего провода, для накопления энергии. Поскольку потерь нет, после того, как катушка закорочена (замкнута), ток остается постоянным и создает магнитное поле, подобное катушкам МРТ. В результате энергия сохраняется в катушке как в магнитной, так и в электрической форме и может быть восстановлена ​​за относительно короткий период времени.

Феррье изобрел использование сверхпроводящих катушек для хранения магнитной энергии в 1970 году.Катушка должна быть сверхпроводящей; в противном случае энергия теряется за несколько миллисекунд из-за эффекта Джоуля. SMES имеет высокую плотность мощности, но умеренную плотность энергии, большое (бесконечное) количество циклов заряда/разряда и высокую эффективность преобразования энергии более 95%.

Иллюстрация накопления магнитной энергии в короткозамкнутой сверхпроводящей катушке.В результате SMES является отличным выбором для систем бесперебойного электроснабжения (NIPSS) или некоторых FACTS (Flexible AC Transmission System), которые представляют собой статическое оборудование, используемое для улучшения электрических сетей.

Другой потенциал для SMES включает потребность в импульсных источниках энергии для новых приложений, таких как электромагнитные метатели для военного и гражданского использования. SMES — это очень практичное решение, которое предлагает многочисленные преимущества по сравнению с традиционными методами с точки зрения эффективности, легкости и перегруженности.

Несколько систем SMES продемонстрировали свою производительность и эксплуатационные возможности для мегаваттной мощности и длительности менее секунды. Они использовались для стабилизации электрических сетей или в качестве прерываемых источников (или «ондуляторов») для чувствительных зарядов.

В 1980-х годах SMES также был первым сверхпроводящим приложением, использованным в электрической сети BPA (Bonneville Power Administration). Эти системы доступны для покупки в магазинах, и предыдущий опыт в США и Японии был весьма положительным.Однако из-за огромной первоначальной стоимости и конкуренции со стороны более передовых технологий было продано лишь несколько систем SMES. Несмотря на то, что высокотемпературные материалы не могут снизить общую стоимость, они улучшают массовые характеристики сверхпроводящих магнитов и снижают стоимость криогеники, делая системы SMES более привлекательными (инвестиции и функционирование).

Принцип работы сверхпроводящего магнитного накопителя энергии

Любая проволочная петля, создающая изменяющееся во времени магнитное поле, также создает электрическое поле в соответствии с законом индукции Фарадея. Электродвижущая сила извлекает энергию из провода в этой операции (ЭДС). При прохождении одного витка токопроводящей петли ЭДС определяется как электромагнитная работа, совершаемая над единицей заряда. Энергия теперь рассматривалась как накопленная в электрическом поле. В этом процессе используется энергия провода, равная электрическому потенциалу, умноженному на весь заряд, деленному на время, где Ɛ — напряжение или ЭДС. Мы можем определить работу, необходимую для создания такого электрического поля, определив мощность.Этот объем работы также должен быть равен энергии, запасенной в поле из-за сохранения энергии.

P=Q\epsilon /t

Подстановку можно использовать, чтобы переписать этот расчет в виде более простой для измерения переменной электрического тока.

P=Q\эпсилон /t=I\эпсилон

где I — электрический ток (Ампер), а ЭДС Ɛ — индуктивность и, таким образом, может быть записана как:

\эпсилон = L {\ frac {dI} {dt}}

Тогда замена дает:

P = IL {\ frac {dI} {dt}}

Где L — константа линейности, обозначаемая как индуктивность в Генри. {2}}{2}}

Где E — энергия, измеряемая в джоулях, L — индуктивность, измеряемая в генри, а I — сила тока, измеряемая в амперах.

Теперь допустим цилиндрическую катушку с проводниками прямоугольного сечения. Средний радиус катушки R. Кроме того, a и b — ширина и глубина проводника. f – обозначенная функция формы, которая различна для различных форм катушки. ξ (xi) и δ (дельта) — два параметра, описывающие размеры катушки.{2}f(\xi ,\delta )/2

Где E — энергия, измеренная в джоулях, I — ток, измеренный в амперах, f(ξ,δ) = функция формы, джоули на амперметр и N число витков катушки.

Преимущества по сравнению с другими методами хранения энергии

Существуют различные преимущества использования сверхпроводящих магнитных накопителей энергии по сравнению с другими типами накопителей энергии. Наиболее значительным преимуществом SMES является минимальная временная задержка между зарядом и разрядом.Мощность доступна практически мгновенно, а очень высокая выходная мощность может обеспечиваться в течение короткого времени. Преобразование накопленной механической энергии обратно в электричество в других системах накопления энергии, таких как перекачиваемая гидросистема или сжатый воздух, занимает много времени.

SMES, таким образом, является жизнеспособной альтернативой, если спрос немедленный. Еще одним преимуществом является то, что электрический ток сталкивается с почти небольшим сопротивлением, что приводит к меньшим потерям мощности, чем в других системах хранения. Кроме того, основные компоненты SMES являются стационарными, что обеспечивает высокую надежность.

Преимущества можно резюмировать следующим образом:

• Улучшает качество электроэнергии для важных нагрузок и обеспечивает перенос энергии во время перебоев в подаче электроэнергии и перепадов напряжения.
• Улучшено выравнивание нагрузки между возобновляемыми источниками энергии (ветер, солнце) и сетью передачи и распределения.
• В отличие от батарей, сверхпроводимость лучше для окружающей среды, поскольку не требует химической реакции и не производит загрязняющих веществ.
• SMES имеет широкий динамический диапазон, практически неограниченные циклы и почти 100-процентную степень рекуперации энергии, что повышает пропускную способность и производительность линии электропередачи.
• Системы SMES длительного хранения в компактном устройстве возможны благодаря сверхвысокой производительности в полевых условиях, что экономит деньги на материалах и стоимости системы.

Применение сверхпроводящих магнитных накопителей энергии

SMES являются важными системами, которые следует добавить в современные энергетические сети и экологически чистые источники энергии из-за их плотности энергии, эффективности и высокой скорости разряда. Тремя основными приложениями системы SMES являются системы управления, системы электроснабжения и аварийные/аварийные системы.

FACTS

Устройства FACTS (гибкая система передачи переменного тока) являются стационарными устройствами, которые могут использоваться в силовых сетях. Эти устройства используются для улучшения управляемости электрической сети и возможности передачи мощности. Использование SMES в устройствах FACTS было первым случаем использования систем SMES. Управление энергетики Бонневилля первым внедрило SMES с использованием устройств FACTS в 1980 году. В этой системе используются устройства SMES для гашения низких частот, что помогает стабилизировать электрическую сеть.Чтобы повысить стабильность сети, в ключевых точках энергосистемы северного Уинстона в 2000 году были установлены системы FACTS на основе SMES.

Выравнивание нагрузки

Использование электроэнергии требует надежного и стабильного источника энергии. Эта стабильность определяется количеством потребляемой и вырабатываемой мощности.Количество потребляемой энергии колеблется в течение дня и в зависимости от времени года. Когда генерируемая мощность превышает потребность/нагрузку, системы SMES могут накапливать энергию и высвобождать ее, когда нагрузка превышает генерируемую мощность. В результате колебания мощности компенсируются.

Используя эти методы, обычные генераторные установки могут работать с постоянной мощностью, что более эффективно и удобно. С другой стороны, SMES может быть полностью разряжен, если дисбаланс мощности между спросом и предложением сохраняется в течение длительного времени.

Источники бесперебойного питания

Источники бесперебойного питания (ИБП) обеспечивают непрерывный источник питания для защиты от скачков и дефицита электроэнергии. Эта компенсация достигается путем переключения с неисправного источника питания на систему SMES, которая может почти мгновенно обеспечить необходимую мощность для поддержания работы критически важных систем. ИБП на основе SMES особенно полезны в системах, которые должны поддерживать определенные критические нагрузки.

Регулирование частоты нагрузки

Когда нагрузка не соответствует генерируемой выходной мощности из-за возмущения нагрузки, нагрузка может превысить номинальную выходную мощность генераторов. Это может произойти, когда ветрогенераторы перестают вращаться, например, из-за внезапного отсутствия ветра. Это возмущение нагрузки может привести к проблемам с регулированием частоты нагрузки. В ветряных турбинах на базе DFIG эта проблема может усугубляться. Когда выработка превышает нагрузку, выходная мощность систем SMES, которые накапливают энергию, может компенсировать несоответствие нагрузки. По сравнению с современными системами управления, системы управления частотой нагрузки на основе SMES имеют более быстрое время отклика.

Вращающийся резерв

Вращающийся резерв относится к дополнительной производственной мощности, доступной за счет повышения выработки электроэнергии подключенным к сети оборудованием.Эта мощность резервируется системным оператором для компенсации отключений электроэнергии. Системы SMES могут использоваться в качестве вращающегося резерва, когда значительная сеть линий электропередачи выходит из строя из-за их быстрого времени перезарядки и быстрого процесса преобразования переменного тока в постоянный.

Повторное включение автоматического выключателя

Защитные реле предотвращают повторное включение автоматических выключателей, когда разница угла мощности между ними слишком велика. В этих случаях можно использовать системы SMES для уменьшения разности углов мощности на выключателе.В результате автоматический выключатель может быть повторно включен. После крупных отключений линий электропередачи эти системы позволяют быстро восстанавливать питание системы.

Повторное включение автоматического выключателя является одним из основных применений сверхпроводящего магнитного накопителя энергии (ссылка: engineeringtutorial.com ). вина. Когда в этой системе обнаруживается неисправность в линии сетки, сверхпроводник гасится (нагревается).Сопротивление сверхпроводника возрастает по мере его гашения, и ток направляется на другие линии сетки. Это достигается без вмешательства в более широкую сетку. Температура SFCL снижается и становится невидимой для более широкой сетки после устранения неисправности.

Электромагнитные пусковые установки

Электромагнитные пусковые установки — это электрические снаряды, которые разгоняют снаряды до чрезвычайно высоких скоростей с помощью магнитного поля. Для работы этих ракет требуются мощные импульсные источники.Для создания этих пусковых установок можно использовать возможность быстрого сброса системы SMES и высокую удельную мощность.

Будущие разработки и технические задачи

Будущие разработки сверхпроводящих магнитных накопителей энергии

Системы SMES могут стать более жизнеспособными для других приложений по мере совершенствования технологии компонентов. Например, разработка сверхпроводников. Исследователи конденсированных сред всегда ищут сверхпроводники с более высокими критическими температурами.В 2013 году группа исследователей даже обнаружила сверхпроводник, работающий при температуре окружающей среды. Он был стабилен в течение пикосекунд, что делало его бесполезным, но демонстрировало, что сверхпроводимость при температуре окружающей среды возможна. Стоимость холодильного оборудования является расходом. Система SMES была бы более практичной и эффективной, если бы эта стоимость могла быть устранена за счет использования сверхпроводника при комнатной температуре или даже сверхпроводника при температуре, близкой к комнатной.

У сверхпроводящего магнитного накопителя энергии большое будущее (ссылка: www.ctc-n.org )

Технические проблемы, связанные со сверхпроводящим хранением магнитной энергии

Современные системы SMES имеют довольно низкое энергопотребление. Крупномасштабные накопители часто используются для увеличения количества энергии, запасаемой в SMES. Требуются криогеника, как и другие сверхпроводящие приложения. Чтобы сдерживать огромные силы Лоренца, создаваемые катушками магнита и на них, обычно необходима прочная механическая конструкция. Сверхпроводник является самым дорогим компонентом SMES, за ним следует система охлаждения и остальная механическая конструкция.

Размер

Заводу SMES потребуется петля длиной примерно 0,5 мили для производства коммерчески полезных объемов хранения примерно 5 ГВтч (3,6 ТДж) (600 м). Обычно это изображается в виде круга, хотя на практике он может быть больше похож на прямоугольник со скругленными углами. В любом случае для размещения установки потребуется большое количество земли.

Механическая опора

Большие силы Лоренца генерируются сильным магнитным полем, действующим на катушку, а также сильным магнитным полем, создаваемым катушкой на более крупной конструкции, поэтому это необходимо.

Инфраструктура

Инфраструктура, необходимая для установки, является вторым вопросом. Петля провода длиной 0,5 мили (600 м) должна быть заключена в вакуумную колбу с жидким азотом, пока не будут обнаружены сверхпроводники при комнатной температуре. Это, в свою очередь, потребует стабильной поддержки, что обычно достигается путем заглубления установки.

Производство

Вокруг МСП есть две производственные трудности.Первым шагом является создание насыпного кабеля, способного проводить ток. Обнаруженные к настоящему времени ВТСП-сверхпроводящие материалы представляют собой хрупкую керамику, что затрудняет вытягивание сверхпроводящих проводов большой длины традиционными методами. Методы послойного осаждения, которые включают нанесение тонкой пленки материала на стабильную подложку, привлекли большое внимание, но в настоящее время они подходят только для небольших электрических цепей.

Критическое магнитное поле

Сверхпроводящее состояние разрушается при превышении определенной напряженности поля, известной как критическое поле.Учитывая, что величина магнитного поля управляет потоком, улавливаемым сверхпроводящей катушкой, это означает, что сверхпроводящий материал имеет максимальную скорость зарядки.

Длительное время предварительного охлаждения

В настоящее время охлаждение теплообменника от комнатной температуры до рабочей температуры занимает четыре месяца. Это также означает, что для прогрева SMES после технического обслуживания требуется столько же времени, сколько и для возобновления работы после простоя.

Критический ток

Как правило, энергосистемы стремятся максимизировать величину тока, которым они могут управлять. В результате любые потери, вызванные неэффективностью системы, весьма незначительны. В соответствии с законом Ампера большие токи могут генерировать магнитные поля, превышающие критическое поле. В результате текущие материалы не могут проводить ток, достаточный для того, чтобы сделать коммерческое хранилище экономически жизнеспособным.

Защита

Из-за огромного запаса энергии необходимо принять особые меры предосторожности для защиты катушек в случае выхода из строя катушки. В случае поломки катушки быстрое высвобождение энергии может нанести вред окружающим системам.Некоторые гипотетические конструкции предусматривают включение в систему сверхпроводящего кабеля с целью поглощения энергии после выхода из строя катушки. Чтобы избежать потери энергии, система также должна быть изолирована от электричества.

Стоимость

Поскольку на стоимость SMES влияют другие важные компоненты, трудно сказать, какие системы HTSC или LTSC более рентабельны. Проводник, состоящий из сверхпроводника и медного стабилизатора, а также холодная опора — это значительные расходы.Они должны оцениваться на основе общей эффективности и стоимости устройства. Было доказано, что другие компоненты, такие как изоляция вакуумного сосуда, играют незначительную роль в общей стоимости катушки. Для тороидальных катушек стоимость сверхпроводника превышает общую стоимость проводников, конструкции и охлаждения. Катушки соленоида работают по тому же принципу.

Рассмотрим разбивку первичных компонентов как ВТСП, так и НТСП теплообменников, соответствующих трем типичным уровням накопленной энергии: 2, 20 и 200 МВтч, чтобы получить некоторое представление о затратах.Для всех случаев ВТСП стоимость проводника является наиболее важной из трех статей расходов, особенно при малых диаметрах. Основным объяснением является разница в плотности тока между НТСП и ВТСП материалами. В рабочем магнитном поле критический ток провода из ВТСП примерно на 5-10 тесла ниже, чем у провода из НТСП (T).

Предположим, что стоимость проволоки одинакова независимо от ее веса. Поскольку значение (Jc) провода HTSC ниже, чем у провода LTSC, для получения той же индуктивности потребуется намного больше провода.В результате стоимость провода значительно выше, чем у провода LTSC. Кроме того, по мере увеличения размера SMES с 2 до 20 и до 200 МВтч стоимость проводника LTSC увеличивается в десять раз. Стоимость ВТСП-проводника растет медленнее, хотя он по-прежнему остается самой дорогой деталью.

С каждым шагом от 2 до 20 и 200 МВтч затраты на строительство ВТСП или НТСП последовательно увеличиваются (в десять раз). Однако стоимость конструкции из ВТСП выше, потому что допустимая деформация ВТСП (керамика не может выдерживать большую растягивающую нагрузку) ниже, чем у НТСП, таких как Nb3Ti или Nb3Sn, что требует использования большего количества конструкционных материалов.Таким образом, стоимость ВТСП не может быть компенсирована простым уменьшением размера катушки при более высоком магнитном поле в очень больших ситуациях.

Хранение энергии, могут ли сверхпроводники быть решением?

Можем ли мы хранить энергию с помощью сверхпроводников?

Да. Есть два сверхпроводящих свойства, которые можно использовать для хранения энергии: нулевое электрическое сопротивление (без потерь энергии!) и квантовая левитация (движение без трения).

Накопитель магнитной энергии (SMES)

Хранение энергии за счет возбуждения токов внутри сверхпроводника может быть наиболее простым подходом — просто возьмите длинную сверхпроводящую катушку с замкнутым контуром и пропустите через нее столько тока, сколько сможете.Пока сверхпроводник холодный и остается сверхпроводящим, ток будет продолжать циркулировать, а энергия накапливаться.
(Магнитная) энергия, хранящаяся внутри катушки, исходит из магнитного поля внутри цилиндра. Энергия магнитного поля пропорциональна B ²  , поэтому полная энергия имеет вид B ²  x Volume. Используя магнитное поле внутри катушки, получаем:

 R — радиус катушки, N — количество витков, а I — ток, проходящий через катушку.
f – геометрический фактор, относящийся к форме катушки.

Это означает, что для того, чтобы сохранить как можно больше энергии, нам нужно увеличить токи до максимума или использовать сверхпроводники с самыми высокими критическими токами при как можно более низкой температуре (критический ток увеличивается по мере того, как мы понижаем температуру).

Чтобы продемонстрировать Сверхпроводниковое Магнитное Хранилище Энергии (SMES) — это классная комната, мы можем взять Квантовый Левитатор и индуцировать в нем токи.Эти токи сохраняются, пока он остается холодным. Мы можем использовать обычный компас, чтобы проверить их существование. В качестве альтернативы мы можем нанести на карту эти токи, измерив локальное магнитное поле на вершине левитатора. Мы можем сделать это, используя стандартный датчик магнитного поля (например, этот).

Накопитель энергии маховика

Квантовая левитация позволяет сверхпроводнику свободно двигаться без трения в однородном магнитном поле. Объект, вращающийся с определенной скоростью, имеет кинетическую энергию:

I – инерция вращения (эквивалент массы объекта при линейном движении), 𝜔 – угловая скорость.Инерция вращения цилиндра –

, где M — масса, а R — радиус цилиндра.

Можно сконструировать подшипник квантовой левитации, который позволит большой массе свободно вращаться в вакууме без потери энергии. Преимущество такого устройства заключается в его простоте и долговечности. В отличие от других технологий, вы можете быстро извлечь большое количество энергии из маховика, не разрушая его (в отличие от аккумуляторов и т. д.). Сравнение с другими методами хранения показано ниже и подробно обсуждается здесь и здесь.

Вы можете продемонстрировать действие маховика в классе, используя круглые магниты и наш квантовый левитатор:

Классная деятельность/проекты

• Создайте накопитель энергии с помощью квантовой левитации. Подсчитайте количество энергии, которое вы только что сохранили.
• Рассчитайте количество энергии, которое может храниться в сверхпроводниковом соленоиде аналогичного размера (с маховиком). Предположим, что свойства сверхпроводящей ленты следующие:
  — размер ленты: ширина 12 мм, 0.Толщина 1 мм
  – Критический ток при 77K (жидкий азот): 500 А
  – Минимальный радиус изгиба 3 см
• Соберите маховик квантовой левитации. Отметьте вращающиеся магниты. С помощью камеры отследите вращение маховика и нарисуйте график рассеяния энергии вращения (скорость вращения в зависимости от времени).

Наслаждайтесь!

Сверхпроводящий магнитный накопитель энергии и сверхпроводниковая автономная электромагнитная пусковая установка Сверхпроводящий магнитный накопитель энергии и сверхпроводниковая автономная электромагнитная пусковая установка

%PDF-1.4
%
1 0 объект
>
эндообъект
8 0 объект

/Заголовок
/Предмет
/Автор
/Режиссер
/CreationDate (D:20220108144154-00’00’)
/Ключевые слова
/ModDate (D:20200811161021+02’00’)
>>
эндообъект
2 0 объект
>
эндообъект
3 0 объект
>
эндообъект
4 0 объект
>
эндообъект
5 0 объект
>
эндообъект
6 0 объект
>
эндообъект
7 0 объект
>
ручей

евро. физ. Дж. Заявл. физ. 80, 20901 (2017). DOI: 10.1051/epjap/2017160452

2020-08-11T16:10:21+02:00

конечный поток
эндообъект
9 0 объект
>
эндообъект
10 0 объект
>
эндообъект
11 0 объект
>
эндообъект
12 0 объект
>
эндообъект
13 0 объект
>
эндообъект
14 0 объект
>
эндообъект
15 0 объект
>
эндообъект
16 0 объект
>
эндообъект
17 0 объект
>
эндообъект
18 0 объект
>
эндообъект
19 0 объект
>
/ProcSet [/PDF /Text /ImageC /ImageB /ImageI]
>>
эндообъект
20 0 объект
>
ручей
xڭXn6++QoEE+g2~%L»Ʋ(S)22]’;Y?;azc-)8’匢dpd/81q

Сверхпроводящий магнитный накопитель энергии для стабилизации сети, интегрированной с ветроэнергетическими системами

Сверхпроводимость, накопление энергии и коммутация

Действия

‘)
var buybox = document.querySelector(«[data-id=id_»+ метка времени +»]»).parentNode

;[].slice.call(buybox.querySelectorAll(«.вариант покупки»)). forEach (initCollapsibles)

функция initCollapsibles(подписка, индекс) {
var toggle = подписка.querySelector(«.цена-варианта-покупки»)
подписка.classList.remove(«расширенный»)
var form = подписка.querySelector(«.форма-варианта-покупки»)
var priceInfo = подписка.querySelector(«.Информация о цене»)
var PurchaseOption = toggle. parentElement

если (переключить && форма && priceInfo) {
переключать.setAttribute(«роль», «кнопка»)
toggle.setAttribute(«tabindex», «0»)

toggle.addEventListener («щелчок», функция (событие) {
var expand = toggle.getAttribute(«aria-expanded») === «true» || ложный
toggle.setAttribute(«aria-expanded», !expanded)
form.hidden = расширенный
если (! расширено) {
покупкаВариант.classList.add («расширенный»)
} еще {
покупкаOption.classList.remove(«расширенный»)
}
priceInfo.hidden = расширенный
}, ложный)
}
}

функция initKeyControls() {
document. addEventListener («нажатие клавиши», функция (событие) {
если (document.activeElement.classList.contains(«цена-покупки») && (event.code === «Пробел» || event.code === «Enter»)) {
если (document.activeElement) {
событие.preventDefault()
документ.activeElement.click()
}
}
}, ложный)
}

функция InitialStateOpen() {
var buyboxWidth = buybox.смещениеШирина
;[].slice.call(buybox.querySelectorAll(«.опция покупки»)).forEach(функция (опция, индекс) {
var toggle = option.querySelector(«.цена-варианта-покупки»)
var form = option.querySelector(«.форма-варианта-покупки»)
var priceInfo = option.querySelector(«.Информация о цене»)
если (buyboxWidth > 480) {
переключить. щелчок()
} еще {
если (индекс === 0) {
переключать.щелчок()
} еще {
toggle.setAttribute («ария-расширенная», «ложь»)
form.hidden = «скрытый»
priceInfo.hidden = «скрытый»
}
}
})
}

начальное состояниеОткрыть()

если (window.buyboxInitialized) вернуть
window.buyboxInitialized = истина

initKeyControls()
})()

Основы сверхпроводящих магнитных накопителей энергии

Системы хранения сверхпроводящей магнитной энергии (SMES) используют сверхпроводящие катушки для эффективного накопления энергии в магнитном поле, создаваемом постоянным током, проходящим через катушки. Из-за электрического сопротивления типичного кабеля при передаче электрического тока теряется тепловая энергия, но в системе SMES этой проблемы не существует. Технология основана на кабеле, изготовленном из сверхпроводящего материала, охлаждаемого при криогенной температуре ниже его критической температуры. Следовательно, системы SMES могут хранить энергию дольше, поскольку провод оказывает незначительное сопротивление протекающему по нему току.

Обычно используются сверхпроводящие материалы ниобий-титан, ванадий и ртуть.Энергия, накопленная в системе SMES, высвобождается за счет подключения ее проводящей катушки к преобразователю мощности переменного тока, который отвечает примерно за 23% тепловых потерь для каждого направления. В отличие от других технологий хранения, таких как батареи и гидронасосы, системы SMES теряют наименьшую мощность в течение периода хранения, достигая КПД в оба конца более 95%.

Структура системы SMES

Стандартная система SMES состоит из четырех элементов: системы стабилизации мощности, сверхпроводящего магнита катушки, криогенной системы и контроллера. Два фактора влияют на количество энергии, которое может запасаться циркулирующими токами в сверхпроводящей катушке. Во-первых, это размер и геометрия катушки, которые определяют индуктивность катушки. Ясно, что чем больше катушка, тем больше энергии в ней содержится. Второй элемент – это свойства проводника, которые отвечают за определение максимального тока. Сверхпроводники способны проводить большие токи в сильных магнитных полях. Чтобы система оставалась заряженной, катушка должна быть достаточно охлаждена.Примечательно, что единственной операцией преобразования системы SMES является переменный ток в постоянный; следовательно, нет внутренних термодинамических потерь, связанных с конверсией. Это приводит к повышению эффективности цикла, быстрой зарядке и разрядке и большой эффективности хранения.

Возможность систем малого и среднего бизнеса

Сверхпроводящий материал

На сегодняшний день почти все практические системы SMES были установлены с использованием сплава ниобия и титана (Nb-Ti), который поддерживает активность при температуре сверхпроводимости около 4. 2 K. Некоторые катушки SMES, используемые в исследованиях, изготовлены из высокотемпературных сверхпроводников. Однако современное состояние производства этой продукции делает ее нерентабельной для МСБ.

Более того, из-за того, что было построено и собрано всего несколько катушек SMES, знакомство с общей конструкцией ограничено. Максимально допустимый ток в проводнике является основной задачей при проектировании катушки SMES. Это зависит от размера проводника, задействованных сверхпроводящих материалов, создаваемого магнитного поля и температуры.В сверхпроводящей катушке магнитные силы могут быть значительными, и на них должен реагировать конструкционный материал. Эти силы должны поглощаться механической силой системы удержания внутри или вокруг катушки. Еще одним соображением при проектировании сверхпроводящей катушки является максимальное напряжение, которое она может выдержать.

Криогенная система

Температура сверхпроводящей катушки SMES должна поддерживаться достаточно низкой, чтобы сохранить сверхпроводящее состояние проводов. Сегодня для коммерческих СМЭД эта температура составляет примерно 4,5 К. Достижение и сохранение этой температуры требует использования уникального криогенного холодильника, который охлаждается гелием. Гелий должен быть включен в качестве рабочего растворителя холодильника, потому что это единственное вещество, которое не затвердевает при таких температурах. Как и традиционный холодильник, криогенный холодильник работает от электричества. Как следствие, значительные работы затрачиваются на создание СМЭУ и других криогенных конструкций для уменьшения потерь внутри сверхпроводящих катушек и уменьшения передачи тепла от всех источников в холодную зону.

Силовой преобразователь

Преобразователь питания должен подавать положительное напряжение на сверхпроводящую катушку при ее зарядке и накоплении энергии. Точно так же, когда энергия должна быть передана в нагрузку, необходимо изменить полярность входного напряжения; например, электроника в силовом преобразователе теперь должна подавать отрицательное напряжение. Электрическая мощность определяется путем умножения приложенного напряжения и мгновенного тока. Производители систем SMES определяют ток катушки и допустимое напряжение, учитывая стандарты производительности и безопасности.Таким образом, мощность силового преобразователя обычно определяет номинальную мощность блока SMES. Кроме того, преобразователь мощности служит связующим звеном между накопленной энергией и переменным током в национальной электросети.

Контроллер

Контроллер обеспечивает связь между электроэнергией, поставляемой сетью, и потоком энергии к и от катушки SMES, когда она действует как устройство накопления энергии в интеллектуальных сетях. Он получает диспетчерские уведомления от сетевых станций и подробную информацию о состоянии катушки SMES.Реакция системы определяется включением запроса на отправку и состоянием заряда катушки SMES. Дополнительно контроллер контролирует холодильник, змеевик СМЭС и другие устройства. Он обеспечивает безопасность системы и предоставляет оператору информацию о состоянии системы. Последние системы SMES подключены к Интернету, чтобы обеспечить удаленный мониторинг и управление.

Заключение

Системы

SMES включают материалы, охлажденные до криогенных температур, которые могут накапливать энергию в виде магнитного поля.В отличие от других накопителей энергии, эти системы имеют меньшие потери тепла и обеспечивают большую мощность. Они идеально подходят для решения вопросов качества электроэнергии и стабильности напряжения для энергетических компаний, промышленных потребителей и военных. Однако основным недостатком SMES является необходимость в дорогих холодильниках и сверхпроводящих материалах, и исследования продолжают решать эти проблемы.

.