استفاده از سیستم های ذخیره كننده مغناطیسی انرژی نیرومند در شبكه قدرت از اهمیت خاصی برخوردار است. با توجه به قابلیت ذخیره سازی بسیار زیاد انرژی سیم پیچهای ابررسانا در میدان اطراف خود و امكان تحمل جریانهای بالا به علت مقاومت تقریباً صفر آنها و همچنین پیشرفتهای شایان توجه اخیر در ساخت سیستم های ابررسانای دمای پایین و دمای بالا، امید تازه ای در استفاده از آنها در شبكه های قدرت به منظورهای گوناگون پیدا شده است.
با یك بررسی اجمالی می توان دید كه عدم وجود یك سیستم ذخیره كننده انرژی هنگام ناپایداری شبكه قدرت و در نتیجه قطعی برق آن تا چه حد می تواند هزینه بردار و مخرب باشد به عنوان مثال هزینه هر بار قطع شدن برق در یك كارخانه اتومبیل سازی ماهانه ۰۰۰/۲۵۰ دلار بوده و این ضرر تا زمانی كه تعمیرات كلی در سطح كارخانه صورت نگیرد ادامه خواهد داشت. ذخیره كننده های مغناطیسی انرژی با استفاده از ابررسانا (SMES) دارای مزایایی چون: تعدیل منحنی پیك بار، حفاظت از ژنراتورها و نگهداری و پایداری شبكه در هنگام وقوع خطا در نقاط مختلف شبكه، استفاده به عنوان سیستم برق اضطراری با توان بالا، تثبیت ولتاژ و فركانس در شبكه و غیره است كه باعث شده تا كار تحقیقات بر روی سیستم های SMES با شدت و سرعت بیشتری توسط كشورهای پیشرفته و شركتهای بزرگ تولید و انتقال برق در دنیا دنبال شود.
در این مقاله ضمن بررسی موارد بالا، تاثیر SMES در یك شبكه قدرت بررسی شده و همچنین این سیستم با سیستم های ذخیره كننده انرژی دیگر مقایسه می شود. همچنین سیستم های SMES از نظر اقتصادی مورد مطالعه و بررسی قرار خواهد گرفت.
اصولاً یك سیستم قدرت در ساعات مختلف شبانه روز دارای مصارف مختلفی است، بنابراین میزان تولید انرژی باید متناسب با نیاز مصرف كننده تغییر كند. همچنین در یك شبكه وسیع، مشكل تثبیت ولتاژ، تاثیرات هارمونیكها، نامتعادل شدن ناگهانی شبكه در هنگام بروز خطا و در نتیجه از كارافتادن ژنراتورها و در نهایت از سرویس خارج شدن كل شبكه وجود دارد. برای رفع این مشكل تاكنون راه حلهای گوناگونی ارایه شده كه به همراه مزایا و معایب سیستم SMES در مقایسه با سیستم های معرفی شده دیگر در قسمتهای بعد آورده می شود.
با توجه به اینكه عیوب فوق الذكر تاثیرات بسیار نامطلوبی بر ژنراتور نیروگاهها و تاسیسات شبكه داشته و بسیار پرهزینه و مضرند، یك سیستم SMES قوی با طراحی صحیح و جایگذاری دقیق در شبكه می تواند به طور موثر باعث كاهش هزینه جاری و تعمیر و نگهداری كل شبكه شود.
كشورهایی چون كانادا، ژاپن، سوئیس و آمریكا به طور وسیعی بر روی SMES كار می كنند و تاكنون بیش از ۲۰ نمونه از این سیستم با قابلیتها و ظرفیتهای مختلف ساخته اند.
در ابتدا معرفی مختصری از سیتم SMES خواهد شد و سپس نقش و تاثیرات عملی آن در یك شبكه قدرت نمونه آورده می شود.
● چگونگی ساختار یك سیستم SMES
جزء اصلی یا هسته اساسی یك سیستم SMES، سیستم ابررسانایی آن است. به طور كلی تاكنون دو نوع ابررسانا ساخته شده است. نوع اول ابررساناهای دمای پایین اند كه هادی ابررسانا معمولاً یك فلز خالص مانند مس یا آلومینیوم بوده و دمای كار آن در حدود ۲/۴ K است. با وجود مقاومت در حد صفر سیم ابررسانا، میزان تحمل جریان میدان مغناطیسی در سیم با داشتن یك سیستم تبرید خوب، بالاست، به حدی كه فن آوری جدید، جریانهایی در حدود صدها هزار آمپر را در سطح مقطعهای در حدود سانتی متر مطرح می كند. برای رسیدن به چنین دمای پایینی، محققان تاكنون چندین روش پیشنهاد كرده و وسایل و سردكننده های متنوعی ساخته اند. در خنك كردن ابررسانا از هلیم مایع استفاده می شود كه این هلیم توسط لوله مخصوصی كه چند جداره بوده و دارای دیواره خلا است به یك یخچال سیكل بسته فرستاده می شود. روش دیگر، مایع كردن گاز تبخیر شده از مخزن هلیم حاوی سیم پیچهای ابررساناست. برای جلوگیری از انتقال گرما از بیرون به مخزن درونی، از دو یا چند لایه خلا استفاده می شود. به جای دو یا چند لایه خلا می توان از یك لایه نیتروژن مایع نیز استفاده كرد.اخیراً محققان از مواد ابر عایق نیز در این مورد بهره جسته اند.
سیم پیچ ذكر شده فوق دارای امپدانس بسیار زیادی بوده و مانند یك منبع جریان DC عمل می كند. نكته قابل توجه این است كه جهت جریان هیچ گاه در سیم پیچ ابررسانا عوض نمی شود بلكه در هنگام دشارژ سیم پیچ، ولتاژ دو سر آن معكوس می شود بنابراین سیستم SMES در واقع یك واحد DC است كه بیشتر كاربردها با یك سیستم AC تركیب می شود. معمولاً این تركیب توسط یك كانورتور دو طرفه AC به DC و DC به AC امكانپذیر است كه می تواند برای شارژ و دشارژ سیم پیچ ابررسانا و همچنین تنظیم و كنترل توان ارسالی یا دریافتی به كار برده شود. به عبارت دیگر این كانورتور باید قادر باشد كه ولتاژ و جریان DC متغیر را از سیم پیچ ابررسانا گرفته و به یك ولتاژ AC ثابت و جریان بار با مقادیر و اختلاف فازهای متفاوت تبدیل كند.
نمونه ای از نمودار بلوكی ساده شده یك سیستم SMES كه به صورت موازی به سیستم قدرت متصل شده است.
▪ مدار شامل یك سیستم كنترل كننده است كه دارای سه وظیفه اصلی است:
كنترل سوئیچهای نمیه هادی ایزوله، مشخص كردن و آشكار ساختن ولتاژها و جریانهای منبع توان و مصرف كننده ها و كنترل ولتاژ تنظیم كننده، میزان و جهت توان DC گرفته شده یا داده شده به سیم پیچ ابررسانای سیستم SMES.
نمودار بلوكی، بیشتر برای سیستم های كوچك مناسب بوده و تا حدی شبیه به یك سیستم برق اضطراری و تثبیت كننده ولتاژ عمل می كند. همچنین از دیگر مزایای این سیستم می توان اصلاح ضریب قدرت را نام برد.
نمونه دیگری از اجزای تشكیل دهنده یك سیستم SMES را نشان می دهد كه جزئی از سیستم قدرت پرسك آیزل واقع در میلواكی آمریكا در سال ۱۹۹۱ بوده كه در بخشهای بعدی به آن پرداخته خواهد شد. توان مورد نظر برای سیستم مزبور ۱۰۰ مگاوات با ضریب توان ۹/۰ است.
● نحوه كار سیستم SMES
سیم پیچ ابررسانا توسط یك یكسوساز AC به DC كه در منبع تغذیه سیم پیچ ابررسانا قرار دارد شارژ می شود، شارژ كننده سیم پیچ به منظور غلبه بر تلفات اهمی آن قسمت از مدار كه در دمای محیط قرار دارد، ولتاژ كوچكی در دو سر سیم پیچ ایجاد می كند. این مساله باعث می شود كه جریان ثابتی در سیم پیچ ابررسانا جاری شود. در حالت آماده به كار یعنی زمانی كه هیچ تبادل توانی با سیم پیچ انجام نمی شود جریان ذخیره شده سیم پیچ توسط یك سوئیچ كه دو سر سیم پیچ را اتصال كوتاه می كند دوباره به خود سیم پیچ ابررسانا بازگردانده شده و حالت گردشی پیدا می كند. در نتیجه انرژی سیم پیچ ابررسانا حفظ می شود. در بعضی از مدلهای SMES این سوئیچ به داخل مخزن حاوی سیم پیچ انتقال پیدا كرده كه با طرق مختلف از بیرون مخزن به آن فرمان داده می شود. بدون قرار دادن این سوئیچ اتصال كوتاه كننده میزان تلفات سیم پیچ در حالت آماده به كار زیاد خواهد بود. مانند قبل منبع تغذیه سیم پیچ به منظور جبران تلفات اهمی قسمتی از مدار كه در گرمای محیط قرار دارد ولتاژ كوچك را در دو سر سیم پیچ ابررسانا تولید می كند.
ماهنامه صنعت برق
سیستم انعکاسی استرلینگ اداره برق ایالت آریزونا در آمریکا
