بهره برداری از سیستم های قدرت

در اين مقاله ابتدا به معرفي پديده ابررسانايي و تئوريهاي شناخته شده آن پرداخته شده است. با توجه به گسترش روزافزون مصرف انرژي در جهان و روند روبه‌كاهش منابع انرژي، استفاده از اين مواد كه با تلفات كمتر و راندمان بيشتر ما را در مصرف بهينه انرژي ياري مي‌نمايند بسيار مورد توجه قرار گرفته است. در كشور ما ايران نيز كه با مسائل فراواني در زمينه توليد و انتقال انرژي مواجه است آشنايي با اين تكنولوژي جديد و بررسي استفاده بهينه آن مي‌تواند بسيار راهگشا باشد. بدين منظور كاربردهاي حال و آينده اين تكنولوژي در زمينه سيستم‌هاي قدرت، الكترونيك، مهندسي پزشكي و‌ مخابرات و … بررسي شده است.

در خاتمه با توجه به اطلاعات جمع‌آوري شده در زمينه كاربرد مواد ابررسانايي و نيز نيازهاي صنعت برق كشور، موارد استفاده بهينه اين ادوات در ايران معرفي مي‌شود.

كلمات كليدي : تئوري ابررسانايي، ادوات ابررسانا، كاربرد ابررساناها در صنعت برق.

در سال 1911 يك دانشمند هلندي به نام هيك كامرلينگ انسHeike Kamerlingh Onnes كه بر روي اثر دماهاي خيلي پايين بر خواص فلزات مطالعه مي‌كرد كشف كرد كه اگر جيوه تا دماي 4.15° K سرد شود مقاومت الكتريكي آن به‌طور چشم‌گيري افت مي‌كند و با خطايي كمتر از 10-17 برابر صفر است. در سال 1933 مواد ابررسانايي كشف شده بود كه دماي بحراني آنها حدود 10 درجة كلوين بود ولي اتفاق بسيار مهمتري كه در اين سال افتاد كشف خاصيت دوم ابررساناها توسط دو فيزيكدان آلماني به نامهاي Meissner و Ochsenfield بود، آنها دريافتند كه مواد ابررسانا در يك دماي بحراني (‍Tc) علاوه بر رساناي كامل بودن داراي خاصيت اساسي ديگري نيز مي‌باشند و آن خاصيت ديامغناطيس كامل بودن آنهاست يعني ابررسانا تا يك حد مشخص به نام شدت ميدان مغناطيسي بحراني (Bc) چنان رفتار مي‌كند كه ميدان مغناطيسي خارجي را طرد مي‌كند. كشف اين خاصيت موجب شد كه ابررسانايي يك مشخصه مجزا در علم مهندسي داشته باشد و ديگر به عنوان حالت حدي مقاومت مواد مطرح نباشد. در سالهاي بعد مواد ديگري با دماهاي بحراني بالاتر كشف شد، در حال حاضر بالاترين مقدار دماي بحراني مورد تاييدK است. دانشمندان اميدوارند كه در آينده‌اي نه چندان دور با كشف مواد ابررساناي جديد، دماي بحراني را به دماي اتاق برسانند [1].

در سال 1957 سه دانشمند آمريكايي به نامهاي باردين، كوپر و شريفر نظريه BCS را براي توجيه پديدة ابررسانايي ارائه كردند. اين اولين نظريه اساسي و قابل قبولي بود كه تا آن زمان پيشنهاد شده بود.

در تاريخ دسامبر سال 1986 دماي بحراني ابررساناها به 39 درجه كلوين افزايش يافت در فوريه سال 1987 ( Chu ) و دستيارانش در دانشگاه هوستون كشف ماده جديد سراميكي متشكل از ايتريوم – باريوم – اكسيد مس ( ‌Y1Ba2Cu3O7 ) با دماي بحراني 92˚ K كه 15˚K بالاتر از نقطه جوش ازت مايع است را گزارش دادند. اين كشف از دو جهت اهميت داشت يكي آنكه دماي بحراني ماده جديد بالاتر از نقطه جوش ازت بود و اين امر باعث مي‌شد كه در ابررساناهاي جديد به جاي استفاده از هليوم مايع كه تهيه آن بسيار دشوار و قيمت آن بسيار زياد بود از نيتروژن مايع كه تهيه و سرد كردن آن به مراتب راحت‌تر است استفاده شود، ديگر آنكه خانوادة جديدي از تركيبات سراميكي ساخته شده بود كه مي‌توانست راه‌گشاي شناخت مواد ابررسانايي آينده باشد. اين امر باعث شد تا جايزه نوبل فيزيك به مولر و بدنورز به علت كشف خانوادة جديد ابررسانا داده شود. اين اقدامات باعث سير سريع در تكنولوژي ابررساناها گرديد به قسمي كه امروزه به ابررساناهايي به صورت لايه نازك در دماي اتاق دست يافته‌اند ولي متأسفانه اين وضعيت پايدار نيست و پس از دو هفته دماي بحراني كاهش مي‌يابد يا چگالي جريان سطحي كه از اين نوع ابررساناها مي‌تواند عبور كند و موجب تخريب نشود محدود مي‌گردد.

عمده مصرف مواد ابررسانا در نيازهاي مختلف صنعت و مراكز تحقيقاتي و پژوهشي بعلت توانايي آنها در رسانش جريان الكتريكي بدون حضور مقاومت مي‌باشد. ابررساناها نسبت به رساناهاي معمولي داراي چهار وجه اساسي متمايز هستند :

ـ اين مواد بدون هدر دادن انرژي، الكتريسيته را هدايت مي‌كنند.

ـ ابررساناها به سبب اينكه مقاومت الكتريكي ندارند گرم نمي‌شوند بنابراين عمر مفيد بيشتري دارند.

ـ ابررساناها توانايي در توليد ميدانهايي مغناطيسي قوي دارند.

ـ ساخت پيوندهاي جوزفسون (Josephson Junctions ) مزيت ديگر ابررساناهاست.

ساخت سيم و كابل ابررسانائي دو نوع ابررساناي قابل دسترسي در تجارت عبارتند از : آلياژهاي شكل‌پذير و تركيبات مربوط به فلزات واسطه‌اي.

آلياژهاي شكل‌پذير كه چكش‌خوار نيز مي‌باشند معمولاً براي تهيه سيم و كابل استفاده مي‌شوند. اين آلياژها معمولاً از تركيب عناصر نـيوبـيوم و تيتانيم تشكيل شده‌اند و بيشتر به شكل سيم‌پيچ به منظور ساخت مولد، موتور و آهن‌رباي الكتريكي به كار مي‌روند. ابررساناهاي تجارتي معمولاً كلاسيك مي‌باشند و دماي بحراني حدود 10 K و چگالي حدود 2000 آمپر بر ميلي‌متر مربع دارند. اما تركيب‌هاي بين فلزي كه معمولاً تركيبي از عناصر واناديم و گاليم مي‌باشند شكننده‌تر هستند و مي‌توانند در طول فرايند ساخت به شكل‌هاي مختلف درآيند، اما انعطاف‌پذير نيستند.

يكي از كاربردهاي ابررساناها در زمينه قدرت محدودكننده‌هاي ابررسانا (SFCL) مي‌باشد. محدود كنندة جريان خطا بمنظور كاهش سطح اتصال كوتاه شبكه و محدود كردن جريانهاي خطا به كار برده مي‌شود. در شرايط عادي اين وسيله بايد به صورت خنثي يا به عبارت ديگر غير قابل مشاهده (invisible) باشد و چون اين محدود كننده‌ها به صورت سري با خط نصب مي‌شوند در حقيقت در شرايط عادي عملكرد شبكه بايد داراي امپدانس (مقاومت) صفر باشد، همين نكته ذهن را متوجه كاربرد ادوات ابررسانايي مي‌كند. داشتن مقاومت صفر در شرايط عادي و رسيدن به مقاومت بالا در شرايط خطا از ضروريات يك محدود كننده جريان خطا مي‌باشد و همان‌طور كه ذكر گرديد مواد ابررسانا هر دو خاصيت فوق را دارا مي‌باشند.

يكي از پارامترهاي اساسي در مواد ابررسانايي چگالي جريان بحراني (Jc) مادة ابررسانا است كه در مورد ابررسانايي نوع دوم مي‌تواند در حد بالايي هم باشد، در اين جريان مادة ابررسانايي تغيير فاز داده و وارد حالت رسانايي مي‌شود. بنابراين جريان گذرنده از مادة ابررسانا مي‌تواند به عنوان يك عامل كنترل كنندة مقاومت آن عمل نمايد.

از جملة مشكلات محدودكننده‌هاي جريان خطا، طراحي سيستم تشخيص خطا مي‌باشد تا بتوان اين جريان را در همان پريود اول و در حقيقت قبل از رسيدن به اولين پيك آن محدود نمود. بنابراين مي‌توان گفت اين سيستم مهمترين جزء يك محدود كننده مي‌باشد. زيرا اگر جريان خطا با سرعت محدود نشود همان چند سيكل اول ممكن است به تجهيزات صدمه بزند، يكي از مهمترين امتيازات محدودكننده‌هاي ابررسانا عدم نياز آنها به سيستم تشخيص خطا مي‌باشد. بدين‌ترتيب كه با افزايش ناگهاني جريان شبكه به علت خطا، جريان عبوري از محدودكننده از حد جريان بحراني آن مي‌گذرد و بدين‌ ترتيب محدودكننده داراي مقاومت شده و جريان خطا را محدود مي‌‌كند.

البته عملكرد براساس عبور جريان از حد جريان بحراني تنها يكي از شيوه‌هاي عملكرد محدودكننده‌هاي ابررسانا مي‌باشد، در نوع ديگري از محدود كننده‌هاي ابررسانايي براساس خاصيت Meissner عمل مي‌شود،‌ كه اين هم يكي ديگر از خصوصيات انعطاف‌‌پذير اين نوع محدود كننده‌‌ها مي‌باشد.

بنابراين در مقايسه با محدودكننده‌هاي جريان خطاي متداول مي‌توان مزيت‌هاي زير را براي اين نوع محدودكننده‌ها فرض نمود:

1- ناچيزبودن تلفات انرژي در حالت عملكرد عادي سيستم

2- عدم نياز به سيستم تشخيص خطا

3- بالا بودن سرعت عملكرد اين نوع محدود كننده

4- عدم نياز به تصحيح خازني

5- عدم تخريب پايداري گذرا

ترانسفورماتور [4] مي‌توان مزاياي استفاده از ترانسفورماتورهاي ابررسانايي را به شرح ذيل بر شمرد :

ـ راندمان بالاتر و تلفات كمتر

ـ كاهش ابعاد و وزن

ـ ظرفيت تحمل اضافه بار بدون از دست رفتن عمر مفيد ترانسفورماتور

ـ ايمني بيشتر در مقابل آتش سوزي

ـ ديناميك بهتر به علت امپدانس كمتر

ـ محدود سازي جريان خطا

سيستم‌هاي ابررسانايي ذخيره كنندة‌ انرژي مغناطيسي ( SMES )، انرژي را در يك ميدان مغناطيسي ذخيره مي‌نمايند. از آنجائيكه ابررسانا تقريباً مقاومتي از خود نشان نمي‌دهد، تلفاتي در اين ذخيره‌سازي وجود ندارد. عمل ذخيره‌سازي و آزاد كردن انرژي در اين روش در مقايسه با روشهاي ديگر از بازده بيشتري برخوردار است بطوريكه SMES مي‌تواند تا 95 % بازده از خود نشان دهد.

از نقطه نظر تكنولوژيكي SMES داراي چندين مشخصة جذاب مي‌باشد :

ـ زمان پاسخ كوتاه حدود چند ده ميلي‌ثانيه

ـ بازده بالا در مبادله انرژي

ـ توانايي تنظيم همزمان توان اكتيو و راكتيو

ـ به دليل نداشتن جزء چرخشي، طول عمر زيادي از خود نشان مي‌دهد كه بستگي به تعداد دفعات شارژ و دشارژ شدن دارد و بعضاً به چندين سال مي‌رسد.

ـ مقدار انرژي ذخيره شده يا وضعيت شارژ SMES در هر لحظه با مشخص بودن جريان در دسترس مي‌باشد.

كاربرد در مهندسي الكترونيك در ساخت مدارهاي الكترونيكي از دو تكنولوژي عمده ترانزيستور و مدارهاي مجتمع استفاده مي‌شود كه ابررساناها به ياري پديده‌هاي مقاومت صفر و جوزفسون مي‌توانند در هر دو مورد بكار روند.

با استفاده از اتصالات داخلي ابررسانايي اجزاي يك مدار مي‌توانند نزديكتر به يكديگر بسته شوند و در نتيجه مي‌توان قطعات الكترونيكي بيشتري را در يك مدار مجتمع گنجاند.

پيوندهاي جوزفسون پيوندهاي جوزفسون مي‌توانند به عنوان كليدهاي قطع و وصل الكترونيكي كه بر اساس تغيير در مقدار جريان كار مي‌كنند، مورد استفاده قرار گيرند. سرعت عمل كليد زني در آنها بسيار بيشتر از ترانزيستورهاست كه اين مقدار كمتر از 2 پيكوثانيه مي‌باشد.

امروزه با بكارگيري مواد ابررساناها ICهاي بسيار سريعتري مبتني بر كوانتم‌هاي شار عبوري از حلقه‌هاي ابررسانا ساخته مي‌شوند.

اين تكنولوژي RSFQ Logic نام دارد. RSFQ : Rapid Single Flux Quantum

مزاياي عمده اين تكنولوژي را مي‌توان بصورت ذيل بر شمرد:

ـ سرعت بالا (‌ امكان كار در فركانس‌هاي بالا )

ـ دقت زياد (A/Dهاي دقيق براي برقراري ارتباط ميان حوزه‌هاي RF و ديجيتال)

ـ توان مصرفي بسيار پايين

ـ افزايش سرعت در مقابل كاهش حجم

كاربرد در مهندسي بزشكي در مغز و اعصاب فرمانها به وسيلة سيگنالهاي الكتريكي انتقال مي‌يابند، ميدانهاي مغناطيسي ايجاد شده توسط اين سيگنالهاي الكتريكي در حدود FT 50-500 مي‌باشد. (FT=10-15 Tesla) كه با توجه به دقت SQUID به راحتي قابل آشكارسازي هستند و به اين وسيله مي‌توان به رويدادهاي داخلي مغز و اعصاب پي برد.

با استفاده از اين خواص SQUIDها روش‌هاي نويني در تكنولوژي تصويربرداري بوجود آمده است كه مبتني بر تست‌هاي غير مخرب مي‌باشد كه بعنوان نمونه مي‌توان به موارد ذيل اشاره نمود :

CT – Scan (computer – assisted x-ray Tomography

مزيت عمده استفاده از SQUID ها كيفيت بسيار بهتر تصاوير، سرعت بيشتر و قدرت تفكيك بهتر است. علاوه بر اين كاملاً بي‌خطر است و مصرف انرژي كمتري دارد. به طور كلي وسايل پزشكي كه در دماهاي پايين كار مي‌كنند وزن و حجم كمتري دارند و كمتر تحت تأثير نويز قرار مي‌گيرند. وسايل مورد نياز در مهندسي پزشكي بايد در فركانس‌هاي پايين ( 0.01 – 300 HZ ) داراي حساسيت بالا باشند كه SQUID اين منظور را برآورده مي‌كند.

كاربرد در صنعت حمل و نقل ودر صنايع نظامي در صنعت حمل و نقل ودر صنايع نظامي ابررسانا ها در موارد ذيل به كار ميروند:

ترن‌هاي ابررسانايي، موتورها، كشتي‌ها، پرتاب كننده‌ها، حسگرها، موتورهاي ابررسانايي و زيردريايي‌ها.

كاربرد در مهندسي مخابرات در صنعت مخابرات قبل از هر چيز ابررساناها در موج‌برهاي مايكرويو به صورت فيلمهايي كه سطح داخلي موج‌برها را مي‌پوشاند، استفاده شده است ( Microware Wareguids ) تا تلفات را كاهش دهد. به تازگي نيز ترانزيستورهاي ابررسانا در حال ساخت و توليد مي‌باشد كه افقي جديد در صنعت برق و مخابرات را به وجود آورده است. يكي از مهمترين پارامترها در آنتن بهره (‌‌Efficiency ) است. آنتن‌هاي ابررسانا از دو جهت به ما كمك مي‌كند: اولاً تلفات اهمي را تقريباً از بين مي‌برد، ثانياً طول خطوط انتقال را كاهش مي‌دهد.

بهره‌وري آنتن به صورت مقابل تعريف مي‌شود :

Rr : مقاومت تشعشعي

Rg : مقاومت ناشي از تلفات زمين

Rc : مقاومت Icading Cein كه براي ابررسانا صفر است و تلفات اهمي ناشي از مقاومت سيم‌ها و آنتن.

از آنجائيكه مقاومت تشعشعي آنتن‌هاي كوچك كم مي‌باشد، تلفات اهمي درصد قابل ملاحظه‌اي از تلفات آنتن را تشكيل مي‌دهد. از اين رو با بكارگيري مواد ابررسانائي مي‌توان بهره آنتن را به 100% نزديك نمود.

در اين مقاله مواد ابررسانايي و كاربرد آنها در گرايش‌هاي مختلف صنعت برق به طور اجمالي بررسي شده است. با توجه به گستره وسيع كاربرد اين مواد در صنايع مختلف مهندسي و نياز مبرم صنعت برق ايران در بكارگيري علوم و فنون پيشرفته در زمينه ذخيره انرژي (SMES) و بهبود پايداري ديناميكي شبكه به كمك محدود سازهاي جريان خطا (SFCL) ، نياز فراواني به استفاده از مواد ابررساناها و جايابي بهينه جهت بكارگيري آنها در صنعت برق ايران احساس مي‌شود. در اين ميان SFCL و SMES بعلت خصوصيات منحصر به فرد و سازگار بودن آنها با نيازهاي صنعت برق كشور بيش از ساير محصولات ابررسانايي، مورد توجه قرار گرفته است.

بدون شك تلاش و پژوهش در مورد كاربردهاي عملي ابررساناها به طور مداوم ادامه خواهد داشت. هنوز هم پژوهشگران سعي مي‌كنند كه توصيفي قابل قبول در مورد پديده ابررسانايي در دماي بالا ارائه نمايند. در آينده نزديك نظريه جديدي براي ابررساناهاي دماي بالا جايگزين نظريه BCS خواهد شد.

اعطاي جايزه نوبل به كاشفان ابررساناهاي جديد سبب ايجاد انگيزه بيشتر در اين زمينه خواهد بود. اين نكته را يادآور شديم كه با توجه به جنبه‌هاي اقتصادي مربوط به اين پديده رقابت شديدي بين كشورهاي در حال توسعه در اين زمينه در جريان است.