Индуктивные накопители энергии реферат

Обновлено: 06.07.2024

В статье выделены и описаны проблемы, которые могут быть эффективно решены путём применения накопителей электрической энергии. Для этого проанализированы различные виды накопителей электрической энергии, описан их принцип работы и выделены достоинства и недостатки каждого из видов. В результате проведённого анализа предложен подход к выбору вида накопителя электрической энергии, оптимально соответствующего решаемой задаче. Он позволяет эффективно выбирать тип и характеристики накопителя электрической энергии под конкретную задачу.

Ключевые слова: накопители электрической энергии, маховик, суперконденсатор, СПИНЭ, аккумуляторная батарея.

STORAGE OF ELECTRIC ENERGY AS A MEANS F INCREASING RELIABILITY AND ECONOMY OF ELECTRIC NETWORK OPERATION

Savina N.V. 1 , Lisogurskaya L.N. 2, *, Lisogursky I.A. 3

1, 2, 3 FSBEI HE “Amur State University,” Blagoveshchensk, Russia

Abstract

The article identifies and describes the problems that can be effectively resolved through the use of electric energy storage devices. The paper analyses various types of electric energy storage devices, describes their principle of operation, and highlights the advantages and disadvantages of each type. As a result of the analysis, an approach to the choice of the type of electric energy storage device best for the problem under discussion is proposed. It allows effectively selecting the type and characteristics of the electrical energy storage for a specific task.

Keywords: electric energy storage, flywheel, super-capacitor, SPINE, rechargeable battery.

Введение

В настоящее время в мире активно исследуются вопросы применения накопителей электрической энергии (НЭ). Такой интерес связан с развитием технологий Smart Grid и переходом ЕЭС России на новую технологическую платформу Интеллектуальной электроэнергетической системы с активно-адаптивной сетью (ИЭС ААС) [6].

Важнейшая роль в концепции развития интеллектуальной электроэнергетической системы России с активно-адаптивной сетью отводится распределённой генерации (РГ) [3]. Системный эффект от применения распределенной генерации будет выше, если в совокупности с ней использовать накопители электрической энергии, что в итоге позволит увеличить надёжность электроснабжения, снизить потери электроэнергии в электрических сетях, сократить ущербы от системных аварий и перерывов электроснабжения потребителей [5].

Кроме того, накопители энергии играют важную роль в электроснабжении изолированных энергосистем, занимающих значительную часть территории России. Актуальной задачей является выбор вида НЭ, адекватно соответствующего решаемой задаче и позволяющего получить наибольший эффект от его применения.

Целью данной статьи является исследование возможности решения проблем, возникающих при функционировании электроэнергетических систем, путём применения накопителей электрической энергии.

Реализация цели базируется на решении следующих задач:

Выявление проблем, которые наиболее эффективно могут быть решены путём применения накопителей электрической энергии.
Анализ видов накопителей электрической энергии. Описание принципа действия и особенностей каждого из видов.
Выявление соответствия вида накопителя решаемой проблеме.

Применение накопителей электрической энергии как неотъемлемой части ИЭС ААС позволяет эффективно решать ряд проблем, таких как провалы и выбросы напряжения, неравномерность графиков электрических нагрузок (ГЭН), в том числе колебание нагрузки, отклонение частоты, низкая надёжность электроснабжения [9]. Рассмотрим эти проблемы подробнее.

Провал напряжения – это временное уменьшение напряжения в конкретной точке электрической системы ниже установленного порогового значения [2]. Провалы напряжения приводят к сбою в работе электронных средств управления, контроля и учёта, микропроцессорной релейной защиты, а также технологического оборудования, что влечёт за собой снижение надёжности и экономический ущерб.

Причинами провалов напряжения могут быть: пусковые токи при старте мощных электродвигателей и генераторов, короткие замыкания в электрической сети, внезапные набросы нагрузки, коммутации сетевого оборудования, климатические воздействия.

Выброс напряжения – динамическое кратковременное (не менее 0,01 с) отклонение напряжения с последующим возвращением к исходному значению.

В числе возможных последствий выбросов напряжения – мерцание освещения, износ контактов и изоляции, повреждения приборов. Причинами выбросов напряжения могут быть резкое изменение нагрузки, повреждения электрических сетей, процессы коммутации и др.

Неравномерность графиков нагрузки энергосистем обусловлена технологическими процессами промышленных предприятий, возрастанием бытовой нагрузки в утренние и вечерние часы и значительным спадом в дневное и ночное время. Неравномерность графиков нагрузок приводит к ряду негативных последствий, из которых наиболее выражены: снижение надежности электроснабжения, резкое повышение нагрузки на генерирующие установки, сокращение сроков эксплуатации оборудования и увеличение эксплуатационных расходов.

Отклонение значения основной частоты напряжения электропитания от номинального значения в пределах, установленных ГОСТ 32144-2013, возникает при дефиците генерируемой мощности или её избытке [2]. При возникновении недопустимых отклонений частоты страдают, прежде всего, электродвигатели. При снижении частоты происходит замедление ротора двигателя, что ведёт к снижению эффективности его работы, при увеличении частоты – к перегреву и повышенному износу из-за увеличения скорости вращения, что значительно снижает срок службы двигателей.

Указанные проблемы можно решать не только традиционными способами, но и с помощью накопителей электрической энергии, что позволит существенно повысить надежность и экономичность электроснабжения потребителей.

При внедрении генерирующих установок на базе ВИЭ в энергосистему происходит разгрузка основной и распределительных электрических сетей, что ведет к снижению потерь электроэнергии, повышению устойчивости и надежности системы, высвобождаются пропускные способности линий электропередачи [9]. Но вследствие нестационарного режима их работы, могут возникать проблемы регулирования и устойчивости электроэнергетических систем, невозможности управления режимом работы таких установок, можно ожидать увеличения токов короткого замыкания и снижения качества электрической энергии. Для решения указанных проблем также целесообразно применять накопители электрической энергии.

Для изолированных энергосистем характерны низкая плотность населения, высокая стоимость электроснабжения, недостаточность обеспечения топливными ресурсами, суровые климатические условия, высокая степень износа оборудования. Системы электроснабжения потребителей в изолированных энергосистемах обладают низкой степенью резервирования [11]. Накопители электрической энергии могут являться резервным автономным источником питания не только для потребителей I категории и ее особой группы, но и в целом заменить основной источник энергии на время выхода его из строя. Тем самым НЭ повышают надёжность, создают значительную экономию топлива, уменьшая себестоимость производства электроэнергии.

Несмотря на то, что рассмотренные выше проблемы можно эффективно решать при помощи НЭ, практика их применения в России практически отсутствует [12]. Это связано с тем, что отсутствуют методические подходы к выбору видов и параметров накопителей, оптимально соответствующих решаемой проблеме. Чтобы выявить это соответствие, необходимо провести анализ основных видов накопителей электрической энергии и их особенностей.

К основным видами накопителей электрической энергии, выпускаемых промышленностью, относятся: маховики; суперконденсаторы; сверхпроводниковые индуктивные накопители (СПИНЭ) и аккумуляторные батареи большой мощности [4].

Рассмотрим подробнее каждый из них.

Маховиковые НЭ. Принцип действия маховикового накопителя основан на преобразовании кинетической энергии в электрическую и обратно. Конструкция маховикового накопителя состоит из следующих элементов: привод (асинхронные машины, реактивные электрические машины или машины с постоянными магнитами на роторе); маховик (изготавливается из стали либо композитных материалов (стекловолокно, карбон)), помещённый в вакуумированный кожух; опорные подшипники (механические, магнитные или смешанные). Различают два типа маховиковых накопителей: высокоскоростные и низкоскоростные.

К основным преимуществам маховиковых накопителей относятся:

высокая надежность и эффективность;
большой срок эксплуатации (15-20 лет);
высокий КПД (90-95%);
быстрота и большое количество циклов “заряд-разряд” (от 10 000 до 100 000);
относительно низкая стоимость;
экологичность.

К недостаткам можно отнести относительно высокие постоянные потери [8].

Суперконденсаторы. Суперконденсаторы – это усовершенствованные конденсаторы, которые работают на постоянном напряжении, имеющие высокую плотность заряда, благодаря двойному электрическому слою на границе раздела электрода и электролита. Суперконденсаторы производят накопление энергии электростатическим способом, поляризуя раствор электролита. Большая емкость суперконденсаторов, доходящая до нескольких фарад, позволяет накапливать значительную энергию, которая отдаётся в нужный момент в виде больших токов. Суперконденсаторы относятся к накопителям короткого времени, они компактны, просты и имеют намного больший срок службы, чем у обычных конденсаторов [10].

К основным преимуществам суперконденсаторов относятся:

очень высокая плотность ёмкости;
большой срок эксплуатации;
высокий КПД (95% и выше);
высокая удельная энергия и удельная мощность;
бесперебойная эксплуатация;
высокая скорость заряда и разряда
низкая токсичность материалов.

К недостаткам можно отнести относительно низкую удельную энергоёмкость, высокий саморазряд, низкое напряжение ячейки, высокую стоимость [10].

Сверхпроводниковые индуктивные накопители (СПИНЭ). СПИНЭ запасают энергию магнитного поля, созданного током, циркулирующим в сверхпроводящей катушке. Запасённая энергия хранится длительное время и может практически мгновенно быть выдана в сеть по требованию. Основными компонентами СПИНЭ являются: катушка индуктивности со сверхпроводящей обмоткой; криостат – специальный термос для хранения холодных жидкостей, изолирующий обмотки находящейся внутри него катушки от притоков тепла извне; рефрижератор – для поддержания катушки обмотки в сверхпроводящем состоянии при температуре жидкого гелия; управляемый вентильный преобразователь – предназначен для связи с энергосистемой; бандаж, расположенный в зоне криогенных температур, из нержавеющей стали.

К основным преимуществам СПИНЭ относятся:

высокая плотность запасаемой энергии (до 400 МДж/см 3 );
постоянная готовность к работе со временем реакции 1-2 мс;
неограниченное время хранения энергии;
отсутствие преобразования одного вида энергии в другой;
высокий КПД (до 97%)
высокая надёжность.

К недостаткам относятся:

очень высокая стоимость;
опасность выброса жидкого азота и гелия в окружающую среду при аварийной потере сверхпроводимости [4].

Аккумуляторные батареи большой мощности. Аккумуляторная батарея (АБ) – это два или более аккумуляторов (элементов), соединенных между собой и используемых в качестве источника электрической энергии. В процессе заряда АБ электроэнергия электрохимическим путем преобразуется в химическую. При разряде накопленная энергия высвобождается в процессе обратной реакции. Наиболее распространёнными являются следующие виды батарей: свинцово-кислотные, никель-кадмиевые, литий-ионные.

К основным преимуществам АБ относятся:

низкая стоимость свинцово-кислотных аккумуляторов;
высокая энергоемкость никель-кадмиевыех и литий-ионных аккумуляторов;
быстрый ввод в работу;
высокая надежность.

К недостаткам относятся:

Из анализа достоинств, недостатков и особенностей работы НЭ, можно сделать вывод о том, что необходимо определить оптимальную область применения для каждого из них и выявить их соответствие решаемым задачам.

Маховиковые накопители благодаря высокой эффективности, большому жизненному циклу и экологичности, являются оптимальным вариантом для применения в совокупности с возобновляемыми источниками энергии, такими как ветрогенераторы и солнечные батареи, повышая надёжность их работы [8].

Благодаря высокой скорости заряда и разряда, высокому КПД, большому сроку эксплуатации, суперконденсаторы целесообразно применять для ликвидации провалов и выбросов напряжения, а также поддержания частоты в энергосистемах, в том числе при коротких замыканиях.

СПИНЭ благодаря отсутствию в них преобразования одного вида энергии в другой, обладают быстрой реакцией и высокой выходной мощностью, а также очень высоким КПД. СПИНЭ оптимально использовать для управления графиков потребления, в том числе в сетях с резкопеременными нагрузками, и графиком выдачи мощности, повышая экономичность функционирования энергосистемы, а также для обеспечения бесперебойного электроснабжения потребителей.

Аккумуляторные батареи, обладая быстрым вводом в работу, высокой надёжностью и низкой стоимостью целесообразно применять для обеспечения бесперебойного питания потребителей I категории и их особой группы, для повышения надежности электроснабжения.

Систематизируя изложенную информацию, можно выявить соответствие вида накопителя решаемой проблеме, обеспечивающее ее оптимальное решение.

Рис. 1 – Систематизация соответствия вида накопителя электрической энергии решаемой проблеме для получения наибольших эффектов

После выявления соответствия вида накопителя электрической энергии решаемой проблеме, обеспечивающего наибольший эффект, необходимо определять принципиальную схему включения НЭ в сеть, тип и характеристики НЭ, исходя из особенностей задачи.

При провалах и выбросах напряжения необходимо определить мощность помехи и по её величине выбрать необходимую мощность НЭ [9]. Наиболее эффективным видом НЭ для сокращения длительности и величины провалов и выбросов напряжения, согласно рис. 1, являются суперкондесаторы. Применение суперконденсаторов позволяет сокращать продолжительность провалов и выбросов более, чем на 50% , а величину провалов и выбросов – до 10%. Место предпочтительного включения суперконденсаторов – клеммы приводов высоковольтных выключателей или вторичные сборки распределения электроэнергии между приводами. На рисунке 2 показан график напряжения с кратковременным провалом и выбросом напряжения до применения накопителя и с его применением [7].

Рис. 2 – Выброс и провал напряжения

Для сглаживания неравномерности ГЭН, НЭ должен мгновенно отдавать накопленную мощность во время пиковых нагрузок, а в периоды, когда нагрузка снижается – накапливать и хранить энергию. На рисунке 3 показан график электрических нагрузок без применения накопителей энергии и с их применением.

Применение НЭ для регулирования частоты в энергосистемах, снижает потребность во вращающемся резерве. При возрастании нагрузки свыше заявленной, могут происходить отклонения частоты за рамки установленного ГОСТ 32144-2013 значения. В этом случае начинает происходить регулирование частоты накопителями энергии, способными быстрее и точнее реагировать на команды системного оператора, чем традиционные генерирующие мощности. Мощность и энергоёмкость накопителя должна быть выбрана достаточной для поддержания выдачи мощности на время отклонения частоты.

Рис. 3 – График электрических нагрузок

Принципиальная схема использования накопителей энергии для бесперебойного электроснабжения потребителей приведена на рисунке 4. Для каждого конкретного случая мощность накопителя электрической мощность определяется как разность между номинальной мощностью источников генерации и мощностью, необходимой потребителям во время отключения основного (ых) источника (ов) энергии. Если мощности НЭ будет достаточно, то он может обеспечить питанием всех потребителей. Если мощности будет недостаточно, АЧР отключит III категорию, при необходимости II категорию, и накопитель энергии будет обеспечивать питанием потребителей I категории и её особой группы.

Рис. 4 – Схема подключения накопителя электрической энергии

При использовании НЭ совместно с ВИЭ, установленная мощность накопителя энергии должна быть рассчитана как разница между установленной мощностью, генерируемой ВИЭ и минимальной мощностью нагрузки [9]. НЭ заряжаются во время наличия избыточной мощности, вырабатываемой источниками питания, и отдают энергию во время недостаточной мощности. Схема подключения накопителей показана на рисунке 5.

Рис. 5 – Подключение накопителей электроэнергии к системе электроснабжения на базе ВИЭ

Заключение

В статье выявлены проблемы, которые могут эффективно решаться путём применения накопителей электрической энергии, и дана их характеристика. Проведённый анализ принципа действия и особенностей каждого из видов накопителей позволил систематизировать соответствие вида накопителя решаемой проблеме, обеспечивающее наибольший эффект от ее решения.

Список литературы / References

Список литературы на английском языке / References in English

Как правило, источники даровой энергии не отличаются стабильностью. Солнце, ярко светившее днём, вечером заходит, безветрие может длиться несколько дней подряд, и даже реки — самый стабильный из массовых источников даровой энергии — летом могут существенно мельчать или вовсе пересыхать, а зимой — замерзать. Поэтому любой генератор даровой энергии обычно комплектуется тем или иным накопителем, призванным запасать излишки энергии в периоды её избытка и компенсировать нехватку тогда, когда источник даровой энергии временно иссякает или оказывается недоступным.

Содержание

Введение
3
2
Механические накопители энергии

2.1
Гравитационные механические накопители

2.2
Гравитационные твердотельные механические накопители

2.3
Гравитационные жидкостные механические накопители

3
Кинетические механические накопители

3.1
Колебательные (резонансные) накопители энергии

3.2
Гироскопические накопители энергии

3.3
Гирорезонансные накопители энергии

4
Механические накопители с использованием сил упругости

4.1
Пружинные механические накопители

4.2
Газовые механические накопители

5
Тепловые накопители энергии

5.1
Накопление за счёт теплоёмкости

5.2
Плавление и кристаллизация

5.3
Испарение и конденсация

6
Накопление энергии с помощью термохимических реакций

7
Электрические накопители энергии

8
Химические накопители энергии

8.1
Накопление энергии наработкой топлива

8.2
Безтопливное химическое накопление энергии

9
Другие типы накопителей энергии

Прикрепленные файлы: 1 файл

Обзор типов накопителей энергии.docx

Механические накопители энергии

Гравитационные механические накопители

Гравитационные твердотельные механические накопители

Гравитационные жидкостные механические накопители

Кинетические механические накопители

Колебательные (резонансные) накопители энергии

Гироскопические накопители энергии

Гирорезонансные накопители энергии

Механические накопители с использованием сил упругости

Пружинные механические накопители

Газовые механические накопители

Тепловые накопители энергии

Накопление за счёт теплоёмкости

Плавление и кристаллизация

Испарение и конденсация

Накопление энергии с помощью термохимических реакций

Электрические накопители энергии

Химические накопители энергии

Накопление энергии наработкой топлива

Безтопливное химическое накопление энергии

Другие типы накопителей энергии

Механические накопители энергии являются самым древним классом таких устройств. Многие виды этих конструкций отличаются предельной простотой и практически неограниченным сроком службы и хранения запасённой энергии.

Суть гравитационных накопителей проста. На этапе накопления энергии груз поднимается вверх, накапливая потенциальную энергию, а в нужный момент опускается обратно, возвращая эту энергию с пользой. Применение в качестве груза твёрдых тел или жидкостей вносит свои особенности в конструкции каждого типа. Промежуточное положение между ними занимает использование сыпучих веществ (песка, свинцовой дроби, мелких стальных шариков и т.п.).

Практически все накопители этого класса имеют очень простую конструкцию, а следовательно высокую надёжность и большой срок службы. Время хранения однажды запасённой энергии также ограниченно лишь долговечностью использованных материалов и может исчисляться тысячелетиями.

Гравитационные твердотельные механические накопители

Энергию, запасённую при поднятии твёрдых тел, можно высвободить за очень короткое время. Ограничение на получаемую с таких устройств мощность накладывает только ускорение свободного падения, определяющее максимальный темп нарастания скорости падающего груза. При этом время хранения однажды запасённой энергии практически неограничено, если только груз и элементы конструкции с течением времени не рассыплются от старости или коррозии.

Недостатком таких систем является необходимость создания вертикальной или наклонной шахты на всю высоту подъёма груза, причём размеры шахты на всём её протяжении должны обеспечивать проход этого груза по габаритам. Конечно, необязательно делать отдельную шахту, для движения груза можно выделить часть более обширного помещения — но путь, по которому движется груз, должен быть свободным и достаточно прямым, а также необходимо исключить возможность случайного попадания в эту область вещей, людей и животных (во-первых, груз застрянет, а во-вторых, мало удовольствия получить по голове или другой части тела гирей весом даже в несколько килограммов; если же груз может набрать приличную скорость, то для получения серьёзных повреждений хватит и массы в несколько десятков граммов).

Гравитационные жидкостные механические накопители

В отличие от твердотельных грузов, при использовании жидкостей нет необходимости в создании прямых шахт большого сечения на всю высоту подъёма — жидкость отлично перемещается и по изогнутым трубам, сечение которых должно быть лишь достаточным для прохождения по ним максимального расчётного потока. Поэтому верхний и нижний резервуары необязательно должны размещаться друг под другом, а могут быть разнесены на достаточно большое расстояние.

Именно к этому классу относятся гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС).

И ещё одно важное условие — в моменты накопления и использования энергии рабочее тело (по крайней мере, его достаточно большая часть) должно находиться в жидком агрегатном состоянии, а не пребывать в виде льда или пара. Зато иногда в подобных накопителях возможно получение дополнительной даровой энергии, — скажем, при пополнении верхнего резервуара талыми или дождевыми водами.

В кинетических накопителях энергия запасается в движении рабочего тела. Возможны два типа движения — колебательное и поступательное (обычно это движение по замкнутому контуру, чаще всего обычное вращение).

Колебательные (резонансные) накопители энергии

К сожалению, маховики чувствительны к сотрясениям и поворотам в плоскостях, отличных от плоскости вращения, поскольку при этом возникают огромные гироскопические нагрузки, стремящиеся погнуть ось. К тому же время хранения накопленной маховиком энергии относительно невелико и для традиционных конструкций обычно составляет от нескольких секунд до нескольких часов. Далее потери энергии на трение становятся слишком заметными. Впрочем, современные технологии позволяют кардинально увеличить время хранения — вплоть до нескольких месяцев.

Наконец, ещё один неприятный момент — запасённая маховиком энергия прямо зависит от его скорости вращения, поэтому по мере накопления или отдачи энергии скорость вращения всё время меняется и может достигать десятков тысяч оборотов в минуту. В то же время в нагрузке очень часто требуется стабильная скорость вращения, не превышающая нескольких тысяч оборотов в минуту. По этой причине чисто механические системы передачи энергии на маховик и обратно могут оказаться слишком сложными в изготовлении, как, например, многие конструкции вариаторов, позволяющих передавать большую мощность (несколько киловатт и более, для передачи меньших мощностей конструкция вариатора существенно упрощается — вплоть до ремня с раздвижными конусными шкивами). Иногда упростить ситуацию может электромеханическая передача с использованием мотор-генератора, размещённого на одном валу с маховиком или связанного с ним жёстким редуктором. Но тогда неизбежны потери энергии на нагрев проводов и обмоток, которые могут быть гораздо выше, чем потери на трение и проскальзывание в хороших вариаторах.

Сверхпроводниковые индуктивные накопители энергии (рис. 2.12) являются новым перспективным источником пиковой мощности и им уделяется особое внимание.

Рис. 2.12. Принципиальная схема СПИН:
1 — трехфазная сеть; 2 — трансформатор; 3 — преобразователь; 4 — СП-катушка; 5 — рефрижератор; 6 — защита катушки; 7 — управляющий сигнал ЭЭС; 8 —регулятор; 9 —цепи управления преобразователем; 10 — компенсатор реактивной мощности

Отметим, что СПИН уже нашли широкое применение в качестве импульсных источников энергии.
Благодаря успехам в области сверхпроводимости появилась реальная возможность для применения ОПИН в энергосистемах. Интенсивные разработки в этом направлении ведутся в СССР, США, Японии, Франции и других странах.
Развитие технологии аккумулирования энергии в индукционных катушках тесно связано с развитием сверхпроводимости. В 1957 г. были открыты сверхпроводники второго рода. Тогда же началось производство длинной ленты из Nb3Sn и был изготовлен небольшой соленоид, создающий поле с магнитной индукцией 6 Тл. В 1961 г. был изготовлен малый соленоид с магнитной индукцией 5 Тл, обмотка которого сделана из сплава NbZr. В 1963 г. появилась проволока из NbTi, в этом же году было предложено для аккумулирования энергии использовать сверхпроводниковые (СП) индукционные катушки; при этом были рассмотрены ее тороидальная конструкция и некоторые связанные с этим проблемы. В 1965 г. были изготовлены первые катушки энергоемкостью около 1 МДж, имеющие в основном соленоидальную конструкцию. Успешно были испытаны катушки с обмоткой из ленточных проводников. В этот период началось использование СП-катушек в физике высоких энергий. После создания теории стационарной стабилизации были разработаны многожильные СП-провода. В 1967 г. в материалах Комитета по атомной энергии (Франция) было опубликовано описание различных конструкций индукционных катушек импульсного назначения. В 1968 г. были получены тройные сплавы, такие, как Nb3(Al, Ge), с критической температурой выше 20 К. К 1972 г. они были улучшены и имели критические плотности тока до 104 А/см2 при температуре 14 К во внешнем магнитном поле 12 Тл, что явилось крупным вкладом в развитие электромагнитной техники. В этом же году ввели в эксплуатацию первый большой СП-магнит с железным сердечником, созданный для пузырьковой камеры в Аргоннской национальной лаборатории (США), имеющий внутренний диаметр, равный 4,8 м, энергоемкость — около 80 МДж. В 1969 г. в материалах Международного института рефрижерации (Лондон) М. Ферье дал оценку оптимальной конструкции СП индукционных катушек и представил расчеты рабочих потерь для больших СП-катушек энергетического назначения. Одновременно в тех же материалах японскими специалистами Ф. Ириэ и К. Ямафудзи были опубликованы расчеты гистерезисных потерь для СП-катушек с многослойной обмоткой в режимах заряда и разряда. В 1970 г. промышленностью стали производиться многожильные СП-провода с рабочими токами свыше 103 А в полях около 4 Тл. В 1972 г. в ЦЕРН (Швейцария) была успешно испытана самая крупная СП-катушка энергоемкостью около 800 МДж, с внутренним диаметром 4,72 м и магнитной индукцией в центре 3,6 Тл. В лабораториях ЦЕРН началось применение непосредственного охлаждения композитного сверхпроводника за счет циркуляции жидкого гелия при давлении выше критического в расщепленной катушке диаметром 3 м с железным ярмом, создающей в центре поле 1,8 Тл.
Специалисты Брукхэйвенской национальной лаборатории (США) обосновали предположение, что стоимость СП-катушки может быть существенно уменьшена, если использовать теплый бандаж, включающий в качестве силового элемента скальный грунт. Было предложено располагать СП-катушки глубоко под землей. Специалисты Висконсинского университета (США) Р. В. Бум и X. А. Петерсон доказали, что большие СП-катушки более экономичны, чем малые, что СП-катушки со слабым полем столь же приемлемы в качестве накопителей, как и с сильным полем.
В 1973 г. было/получено соединение Nb3Ge, имеющее критическую температуру 23,3 К; обоснованы возможности применения СП-катушек различной энергоемкости*.

*В 1987 г. была открыта высокотемпературная сверхпроводимость.

В Советском Союзе первые экспериментальные исследования СПИН были осуществлены в 1970 г. в Институте высоких температур (ИВТ) АН СССР. В них небольшой СПИН (Эн=104 Дж) обменивался энергией с Московской городской сетью при помощи трехфазного инвертора со средней мощностью 300 кВт.
С 1963—1965 гг. в СССР, США, Франции, Японии, ФРГ в широких масштабах проводятся работы по созданию СПИН для систем энергообеспечения ускорителей, термоядерных установок и пр. Следует выделить систематические исследования СПИН, проводимые в США с 1972 г. Висконсинским университетом и Лос-Аламосской лабораторией, а также японскими учеными, особенно активизировавшиеся с 1974 г.

Рис. 2.13. Эскиз СПИН энергоемкостью кДж:
1 — регулятор; 2 — преобразователь; 3 — аккумулятор на базе СП-катушки; 4 — рефрижератор; 5 — насос; 6, 7 — соответственно резервуары с жидким, газообразным гелием

Основные этапы этих исследований: в 1975 г. изготовление Лос-Аламосской научной лабораторией экспериментальной модели СПИН энергоемкостью 25 Вт-ч (100 кДж) стоимостью 200 тыс. долл, и проведение экспериментальных исследований на ней. Эскиз модели приведен на рис. 2.13;
в 1982 г. ввод в эксплуатацию первого промышленного образца СПИН на 30 МДж, спроектированного Лос-Аламосской научной лабораторией (LASL) (США) для Бонневильской энергетической компании.
Таблица 2.5

Удельная энергоемкость, 107 Дж/м3

Затянувшиеся сроки ввода в эксплуатацию этого накопителя свидетельствуют о технических трудностях (первоначально предполагалось испытать этот СПИН в конце 1979 — начале 1980 г.); в 1985 г. сооружение в Японии демонстрационного СПИН энергоемкостью 1 МВт-4 (3600 МДж) стоимостью 30 млн. долл, (данные о выпускаемых в Японии СПИН приведены в табл. 2.5);
в ближайшие годы сооружение в США (штат Висконсин) модельного СПИН энергоемкостью 100 МВт-ч ориентировочной стоимостью 60 млн. долл.
По контракту с LASL Министерством энергетики Отдел энергонакопительных систем и Отдел электроэнергетических систем (США) ассигновали 1 050 000 долл, на строительство и ввод в эксплуатацию СПИН энергоемкостью 30 МДж (8,4 кВт-ч) с преобразователем мощностью 10 МВт. Накопитель используется как буферное устройство для стабилизации работы электрической сети, включающей магистральную ЛЭП большой длины (около 1500 км), являющуюся частью Большой тихоокеанской магистрали, связывающей Южную Калифорнию с Северо-Западом.
Остановимся подробнее на параметрах этого первого в мире опытно-промышленного СПИН:

Энергия, запасенная в конце разряда

Ток при полном заряде

Максимальное поле при полном заряде

Число витков на слой

Плотность тока в меди при 5 кА

Плотность тока в СП

Для поддержания катушки в сверхпроводящем состоянии необходимо использование специальных охлаждающих систем —рефрижераторов. Их тепловая мощность при температуре 4,5 К не превышает 150 Вт. Ресурс работы СП-катушки — не более 107 циклов. СП-провод рассчитан на работу при 90% от критического тока.
Потери в проводе были рассчитаны с учетом изменения поля во времени в течение цикла заряд — разряд. Потери на гистерезис определялись для плотности тока, равной 2,1-109 А/м2 (при 4 Тл). Потери в проводе (Вт): на гистерезис — 39,4, в соединениях — 8,3, на вихревые токи — 8,4, прочие — 2,6; в конструкции: на вихревые токи — 0,2, механические — 50.

В режиме разряда СП-катушки будут уменьшаться: ток — с 5 до 4,17 кА, магнитная индукция — с 3,92 до 3,27 Тл, а механические напряжения — на 17—18%. В среднем сечении СП-катушки максимальное механическое напряжение 280 МПа. В ее конструкционных элементах использован материал на основе эпоксидной смолы, усиленный стекловолокном.
Сверхпроводниковая катушка располагается в цилиндрической емкости в среде жидкого гелия. Гелиевая емкость изготовляется из пластика, усиленного стекловолокном, чтобы устранить нагрев вихревыми токами.
В системе охлаждения СПИН использован рефрижератор модели TCF-50 с двумя компрессорами повышенной надежности, пропускная способность которых регулируется в пределах от 30 до 100%. Рефрижератор снабжен турбодетандерами с газовыми подшипниками.
Производительность установки составляет 15Х 10-3 м3/ч. Нагрузка рефрижераторной установки при температуре 4,5 К определяется суммой следующих потерь, Вт:
Потери при изменении тока в проводе — 59

Механические потери — 50
Теплопритоки в дьюаре — 8
Потери в передающей магистрали — 3
Суммарные потери — 120

Сверхпроводниковая катушка соединяется с сетью напряжением 230 кВ через 12-пульсный преобразователь, состоящий из двух тиристорных мостов, и трансформатор мощностью 12,75 МВ-А, первичная обмотка которого соединена в треугольник, а две вторичные — в треугольник и звезду. Она потребляет мощность из сети переменного тока, работая в течение одного полуцикла как нагрузка, в течение следующего полуцикла выдает мощность обратно. Преобразователь, как и катушка, рассчитан на ток 5 кА и мощность 12,5 МВт; в его схеме использованы тиристоры, применяемые в сетях постоянного тока.
Хотя в рабочих режимах СП-катушка и ее провод надежно защищены, не исключаются аварийные случаи, требующие быстрого сброса энергии, которая будет рассеиваться на внешнем резисторе сопротивлением 2,0 Ом.

Экономические расчеты СПИН, как правило, учитывают такой фактор, как снижение стоимости катушки и ее бандажа, обусловленное постепенным удешевлением сверхпроводниковых материалов, а также ростом технологического уровня. Соотношение затрат при постройке СПИН энергоемкостью 104 МВт-ч (Висконсинский проект) следующее:

Рис. 2.15. Разрез композитного Ni3Ti провода для АЭ СПИН: 1 — вакуумная оболочка; 2 — грунт; 3 — упор; 4 — стенка дьюара; 5 — резервуар с жидким гелием; 6 — СП-обмотка
1 — алюминиевая оболочка; 2 — алюминиевая перегородка; 3 — СП-нити; 4 — высокочистый алюминий для стабилизации

Рис. 2.17. Распределение механических усилий в обмотках Висконсинского проекта СПИН
На рис. 2.15, 2.16 и 2.17 показаны соответственно разрез композитного СП-провода; конструкция А-образного упора, предназначенного для передачи усилия от катушки к бандажу; распределение механических усилий в обмотках Висконсинского проекта СПИН. В связи с открытием высокотемпературной сверхпроводимости именно, эти элементы, а также вопросы, связанные с охлаждением, претерпят, по-видимому, наибольшие изменения.
Проект СПИН энергоемкостью 104 МВт-ч предполагает строительство сооружения стоимостью 300 млн. долл. (рис. 2.18). Радиусы верхнего и нижнего соленоидов равны 160 м, их высота—16 м, радиус среднего соленоида— 146 м, высота — 32 м; суммарное число витков обмотки — 2675. Предполагается использование на основе NbTi проводника сечением 2X15 см, стабилизированного алюминием. Он состоит из 6240 СП-нитей диаметром 0,01 см. Обмотки соленоидов располагаются в дьюарах со сверхтекучим гелием.
Охлаждение производится до температуры 1,8 К. Рабочий ток катушки равен 157 кА, магнитная индукция — 5 Тл.

Рис. 2.18. Висконсинский проект СПИН энергоемкостью 104 МВт-ч:
1 — шахты; 2 — криостаты; 3 — рефрижератор; 4 — преобразователь; 5 — защитный магнит; 6 — грунт; 7 — обмотки
Рабочей группой Лос-Аламосской научной лаборатории разработан проект СПИН, запасающего 1,3Х104 МВт-ч энергии и предназначенного для суточного цикла регулирования (рис. 2.19). Параметры данного накопителя:

Сверхпроводниковый индуктивный накопитель энергоемкостью 1,3· 104 МВт-ч при суточном цикле регулирования имеет КПД, равный 89%, рабочую температуру — 1,8 К, провод с ρ=1·10-10 Ом-м при 5 Тл, со стабилизирующей матрицей из алюминия.

Рис. 2.19. Лос-Аламосский проект СПИН энергоемкостью 104 МВт-ч

Ниже приведена его смета затрат (млн. долл.):

Удельная стоимость одного киловатт-часа равна 32,0 долл.
При разработке проекта было рассмотрено несколько типов катушек. Выяснилось, что наиболее экономичной будет катушка СПИН, имеющая соленоидальную конструкцию и отношение высоты к диаметру 1:3. Максимальное значение магнитной индукции 4—5 Тл.
В СССР также разработан проект СПИН для выравнивания графиков нагрузки ЭЭС, имеющий следующие параметры:
Запасаемая энергия — 1000 (3,6· 1012) МВт-ч (Дж)
Установленная мощность — 500 МВт
Длительность режима заряда (раз- —2 ч ряда)
Диаметр сверхпроводящей магнитной — 890 м системы

Основные преимущества СПИН перед другими системами:

Перечисленные выше преимущества СПИН позволяют рассматривать его не только в качестве перспективного источника покрытия пиковых суточных нагрузок (с функциями, аналогичными ГАЭС, которые используются в настоящее время), но и как регулирующий элемент, обеспечивающий динамическую и статическую устойчивость ЭЭС, постоянство частоты, увеличение пропускной способности ЛЭП и т. д.
Крупные СПИН кроме перечисленных обладают следующими преимуществами:

Могут быть объектами стратегического резервирования электроэнергии благодаря использованию сверхпроводимости.
Могут выполнять функции крупных подземных хранилищ жидкого и газообразного гелия.

Таким образом, СПИН является перспективным типом НЭ, пригодным для комплексного использования в ЭЭС.

Министерство общего и профессионального образования

Вятский государственный университет

Кафедра электроэнергетических систем

По курсу введение в специальность

Разработал студент гр. Э-12Скулкин Д.В.

Проверила Репкина Н.Г.

1. Криогенные и сверхпроводящие линии электропередачи

2. Накопители энергии

3. Криогенная техника

4. Оценка целесообразности

Введение

Существенное уменьшение электрического сопротивления очень чистых металлов (алюминия, меди, бериллия, натрия) с понижением температуры, главное — сохранение некоторыми сплавами сверхпроводимости в сильных магнитных полях при больших плотностях тока создали принципиальные возможности для применения глубокого холода в новых сферах, из которых наиболее важное значение имеют электротехника и электроника.

Использование сверхпроводников может оказаться экономичным при создании в будущем сверхмощных электрических машин, аппаратов, линии электропередачи (ЛЭП), что представляется весьма актуальной проблемой для перспектив развития электроэнергетики. Цель научных исследований на ближайший период: изыскание новых сверхпроводящих материалов с повышенными критическими параметрами, пониженными потерями в переменных полях и создание на их основе совершенной технологии изготовления проводников (проволочных и ленточных, - пригодных для обмоток машин и аппаратов; композиционных изделий), удешевление сверхпроводящих материалов, определение областей технико-экономической целесообразности применения сверхпроводников, а также разработка конструкции сверхпроводящих машин, аппаратов. ЛЭП и пр.

1) применение очень чистых алюминия или меди, охлаждаемых жидким водородом (криогенные* машины, аппараты, линии электропередачи);

2) применение сверхпроводников, охлаждаемых жидким или сверхкритическим гелием (сверхпроводящие машины, аппараты, линии электропередачи).

1 Криогенные и сверхпроводящие линии электропередачи

Возможность применения низких температур в системах передачи электроэнергии на протяжении последних лет привлекает внимание многих исследователей.

Передача и распределение подавляющего количества электроэнергии производится по сетям переменного тока. основным элементом которых являются воздушные линии электропередачи (ЛЭП), функционирующие под высоким напряжением (в России обычно 110.220, 500).

Ввод больш* их потоков энергии в крупные города и промышленные районы посредством воздушных ЛЭП связан с серьезными осложнениями: необходимо отчуждение значительных участков земли в пригородных жилых районах, создаются помехи авиатранспорту и известная опасность для населения, возникают радиопомехи и т.п.

По этим причинам определилась тенденция к осуществлению так называемых глубоких вводов в города и промышленные районы с помощью высоковольтных подземных кабелей, которые на достаточном удалении от потребителей (5—50 км) стыкуются с воздушной ЛЭП. При больших передаваемых мощностях обычно применяются высоковольтные маслонаполненные кабели: в США максимальная мощность, передаваемая по такому кабелю при напряжении 345 кВ. достигает 500 МВ×А, а в Европе— 1000 МВ×А. Стоимость самого кабеля, а также его прокладки довольно высоки- в зависимости от режима эксплуатации ЛЭП капитальные затраты при сооружении кабельной линии на напряжение 345 кВ в 10—13 раз выше, чем при сооружении воздушной ЛЭП на те же параметры , поэтому естественны поиски других технических решений, к числу которых относится исследование возможности сооружения криогенных и сверхпроводящих линий электропередачи относительно небольшой протяженности.

Короткие сверхпроводящие кабельные линии постоянного тока могут найти применение в производствах, использующих большие токи сравнительно низкого напряжения: при получении алюминия или хлора электролизом, в мощных электропечах. более отдаленной и менее определенной перспективой представляется сооружение криогенных или сверхпроводящих ЛЭП большой протяженности: такие линии намного сложнее и дороже обычных воздушные ЛЭП и сооружение их может оказаться.

Современная электротехника требует изыскания принципиально новых решений научно-технических задач, обусловленных ростом единичной мощности энергетических блоков и необходимостью передачи огромных количеств энергии по дальним по дальним линиям электропередачи. Уже освоены энергоблоки мощностью 500 и 800 МВт, на стадии изготовления находятся блохи мощностью 1200, а для более далекой перспективы (к 2000 г.) анализируются возможности доведения единичной мощности турбогенератора до 2500-3000 МВт на базе обычной конструкции в четырехполюсном исполнении. Рост единичной мощности требует более интенсивного охлаждения, приводит к снижению КПД и увеличению относительных реактивностей

Для России с ее огромными пространствами и крайне неравномерным распределением энергоресурсов (в европейской части страны около 12% энергоресурсов, а в азиатской до 88%) первостепенное значение имеет проблема создания мощных и дальних ЛЭП.

Помимо других сложных вопросов, возникает необходимость в существенном повышении Номинального напряжения. Уже освоено напряжение переменного тока 500 кВ, испытываются воздушные ЛЭП переменного тока на 750 кВ (Конаково - Москва), а также ЛЭП постоянного тока 'на 800 кВ (Волгоград—Донбасс). В соответствии с разрабатывается комплексное электрооборудование для ЛЭП переменного тока 1150 кВ (для межсистемных связей в энергосистемах) и для ЛЭП постоянного тока на 1500 кВ протяженностью 2500 км (Экибастуз-Центр) с передаваемой мощностью 6 МВт. Напряжения 1150кВ переменного или1500 постоянного тока оказываются недостаточными для более мощных ЛЭП. Между тем мощность будущих ЛЭП из Восточной Сибири в европейскую часть России будет превышать 10 ГВт по одной цепи, что потребует повышение уровня напряжения до 2200-2400 кВ. В свете. сказанного ожидается, что в недалеком будущем (1990-2000 гг.) научно-технические возможности классической электротехники достигнут своего предела и потребуются новые решения сложных задач генерирования, преобразования и передачи электроэнергии. Применение чистых металлов, охлажденных до 15—20 К, а главное сверхпроводников представляется одним из возможных путей развития будущей электротехники больших мощностей.

2 Накопители энергии

Наличие материалов, сохраняющих свойства сверхпроводимости в сильных магнитных полях, выдвинуло интересную идею накопления энергии в магнитном поле соленоидов. Накопление энергии часто требуется для создания импульсных разрядов большой мощности при исследованиях оптических квантовых генераторов (лазеров) и опытах по расщеплению и синтезу ядер и др. Импульсное выделение энергии за короткий промежуток времени могут обеспечить заряженные конденсаторные батареи. Плотность энергии, запасенной в конденсаторной батарее, сравнительно мала (3×10 5 Дж/м 3 ); для создания мощных импульсов необходимы очень громоздкие конденсаторы. Энергоемкость аккумуляторов на три порядка больше энергоемкости конденсаторных батарей, но аккумуляторы не могут обеспечить отдачу энергии в милли- или микросекунды. Достаточные плотности энергии могут быть получены при использовании магнитного поля катушки с воздушным сердечником, но для обычных катушек это сопряжено с большими потерями мощности. В свете сказанного значительный интерес для создания мощных импульсных источников представляют катушки из жестких сверхпроводников. Энергия, заключенная в магнитном поле, на единицу объема равна 0,5m₀ Н 2 ; для однородного поля напряженностью в 80 кА/см запас энергии составит около 40 МДж/м 3 . Предполагается, что жесткие сверхпроводники могут быть применены не только для создания мощных импульсных источников энергии, но ив качестве аккумуляторов энергии для покрытия пиковых нагрузок в энергосистемах. В существующих сверхпроводящих магнитных системах запасенная энергия достигает 4—б МДж. Исследуется возможность накопления энергии порядка 1013 Дж, что может оказаться уже полезным для регулирования производства электроэнергии в стране. Такой грандиозный накопитель предполагается выполнить в виде тороидальной катушки диаметром обмотки 17 м, средний радиус тороида 68 м, плотность тока 3×10 5 А/см 2 , а максимальная индукция 7 Т. Намагничивание жестких сверхпроводников приводит к сильному гистерезису, определяющему потери. При резких изменениях тока к гистерезисным потерям добавляются потери, связанные с перемещением магнитного потока. Значительны потери за счет теплопритоков, оцениваемые 0,05 Вт/м 2 при 4 К. Грубые оценки общих потерь для этого накопителя дают значение около 104 Вт на уровне 4,2 К; криогенные установки такой мощности пока еще не созданы, но их стоимость должна быть мала по сравнению со стоимостью накопителя.

При включении накопителя рассеиваемые мощности велики и необходимы меры, обеспечивающие рассасывание небольших зон нормальной проводимости в сверхпроводящем материале. При токе 105 А на провод отношение сечений стабилизирующего (5н) и сверхпроводящего (5с) материала, т. е. 5н/5с=40, а при токе 2-103 А это отношение снижается до 11. Рекомендованное значение тока 1,4×10 5 А, и каждый проводник внутри катушки должен разбиваться на 70 нитей с током в каждой примерно 2000 А.

На рис. 1 показана схема индуктивного накопителя энергии со сверхпроводящей катушкой. Сверхпроводящая катушка L заряжается при замкнутом выключателе B₁ и разомкнутых выключателях В₂ и В₃ . Последовательное сопротивление R регулирует постоянную времени и соответственно длительность зарядки. Когда в L запасено нужное количество энергии, выключатель В₃ в цепи 2 замыкается, а выключатель B₁ в цепи 1 размыкается; тем самым накопитель энергии отключается от источника питания.

Сверхпроводящий выключатель В₃ обеспечивает циркуляцию тока в цепи 2. Разрядку на нагрузку производят, замыкая В₂ в цепи 3 и размыкая В₁ . Энергия запасается при низком напряжении, высокие напряжения имеют место только при разрядке. Возможен очень быстрый разряд, но для этого необходим подходящий сверхпроводящий выключатель В₃ , который должен в замкнутом состоянии обеспечить нулевое сопротивление, а при разряде размыкаться за возможно короткое время (в целях снижения потерь в В₃ при разряде). Эймин и Видерхольд рассмотрели работу мощных быстродействующих сверхпроводящих выключателей с тепловым и магнитным управлением для получения коротких мощных разрядов энергии, запасенной в сверхпроводящих катушках. Авторы считают, что магнитный 'выключатель в данном случае более удобен для сверхпроводящих систем накопления энергии.

Вполне естественно, что создание крупной сверхпроводящей системы накопления энергии требует решения многих сложных задач, но первоочередная состоит в определении рентабельности подобных аккумулирующих устройств.

Подчеркивается, что наличие накопителя позволяет снизить установленную мощность электростанции, предназначенных для покрытия суточных пиков нагрузки, причем экономия капиталовложений в энергосистеме тем больше, чем значительнее флуктуации потребляемой мощности.

Модельные сверхпроводящие накопительные системы с запасенной энергией около 100 кДж созданы и испытываются. Однако пока пет достаточных оснований для оценки перспектив этого направления прикладной сверхпроводимости.

3 Криогенная техника

Развитие ракетной техники, выполнение программы космических исследований способствовали быстрому прогрессу криогенной техники, которая вышла за пределы лабораторий и превратилась в новую область индустрии. В 1959 г. начато строительство крупных установок жидкого водорода и за короткий срок создано много тоннажное производство жидкого водорода (масса 1 м 3 жидкого Н₂ равна 70 кг).

Функционируют ожижители Н₂ производительностью 30—60 т в сутки. За период 1961—1968 гг. производство жидкого Н₂ в США возросло с 14 т до 151 т в сутки. Созданы большие хранилища жидкого Н₂ ; так, на полигоне для испытании ракет в штате Невада (США) сооружено хранилище жидкого Н₂ емкостью 209 м 3 (потери от испарения не превышают 0,2% в сутки). Создано сферическое хранилище жидкого Н₂ из алюминия емкостью 378,5 м 3 .

Применяются транспортные СОСУДЫ жидкого водорода емкостью

5-6 м 3 с суточной испаряемостью 1,5%, а в последние годы сооружены транспортные цистерны емкостью 107 м 3 жидкого Н₂ . Емкость самого крупного хранилища шарообразной формы для жидкого Н₂ достигает 2850 м 3 при диаметре внутренней алюминиевой сферы 17,4 м. Еще совсем недавно получение, хранение, транспортирование и применение таких больших количеств взрывоопасного жидкого водорода, кипящего при —253 °С, казалось немыслимым; ныне жидкий водород применяется в качестве топлива верхних ступеней ракет, в пузырьковых камерах. Изучается проблема применения жидкого водорода в качестве авиационного топлива.

Не менее стремительное развитие получила техника ожижения гелия. До 1946 г. в мире насчитывалось всего 15 лабораторных ожижителей гелия, а ныне в различных странах функционирует свыше тысячи более крупных гелиевых ожижителей.

Фирмой Артур Д. Литл (США) за последние десять лет изготовлено свыше 300 ожижителей гелия различной производительности, включая ожижители на 500 л/ч жидкого гелия. Фирма Линде (США) выпускает ожижители гелия производительностью 650 и 720 л/ч. Фирма Гарднер Крайодженикс (США) изготовила ожижители гелия на 850 л/ч. Ведется разработка ожижителя гелия на 1000 л/ч. Различные фирмы Европы, Японии выпускают разные модели ожижителей гелия и рефрижераторов на уровне температур 2—15 К. В России производятся и разрабатываются ожижители гелия и рефрижераторные установки различной холодопроизводительности. Общее количество жидкого гелия, получаемое в США, оценивается в 12000 м 3 в год. В ряде случаев признано целесообразным сжижать гелий в целях уменьшения затрат на его дальнее транспортирование к потребителям (по аналогии с транспортом жидкого кислорода). Жидкий гелий транспортируется в автоцистернах, вмещающих до 20000—40000 л жидкого гелия В США практикуется также перевозка жидкого гелия воздушным путем в специальных подвесных сосудах емкостью 500, 1000 и 8800 л. Заправка автоцистерн производится из стационарных хранилищ жидкого гелия; так, для хранения жидкого гелия, вырабатываемого ожижителем производительностью 850 л/ч, изготовлена стационарная емкость на 121 000 л, снабженная высоковакуумной изоляцией и экранированная жидким азотом. Транспортные цистерны различной емкости рассчитаны на рабочее давление до 0,8 МПа, что позволяет перевозить жидкий гелий без потерь в течение 8 суток; на месте потребления испарившийся гелий закачивается в баллоны под давлением до 20 МПа. Сжижение больших количеств гелия, его хранение и перевозка в сосудах различной емкости с испаряемостью 0,5—1% в сутки подтверждает большой прогресс, достигнутый за последние два-три десятилетия криогенной техникой, ведь речь идет о жидкости с нормальной температурой кипения —269 °С и обладающей крайне низкой скрытой теплотой испарения — всего 2,5 кДж/л (0,6 ккал/л) жидкого гелия.

В 1950 г. продукция криогенной техники США оценивалась в 400 млн. долл., а к концу 1970 г. она превысила 1 млрд. долл. Основные научные и инженерные проблемы современности: управляемый термоядерный синтез, физика высоких энергий, магнитогидродинамический способ преобразования энергии. космонавтика, электроника, электротехника требуют применения холода на уровне 4—70 К.

4 Оценка целесообразности

При технико-экономической оценке целесообразности применения холода в электротехнических устройствах, использующих очень чистые металлы, следует сопоставить выгоду, обусловленную снижением активного сопротивления р. с энергетическими затратами на получение холода при соответствующей температуре.

С понижением температуры затраты на единицу произведенного холода быстро возрастают, а поэтому оптимальная температура охлаждения проводников отнюдь не равна температуре, при которой сопротивление r проводника минимально. В упрощенном виде задача сводится к определению температуры, соответствующей минимальному коэффициенту

где Т—оптимальная температура .хладагента (в идеальном случае—проводника); р_т и р_зоок — электрическое сопротивление металла при температуре 300 К; h— КПД холодильного цикла (по отношению к циклу Карно).

Создание жестких сверхпроводников, характеризующихся высокими значениями I и Н , вызвало повышенный интерес к проблеме использования сверхпроводимости в электротехнике и электронике, что нашло выражение в публикациях на эту тему.

Проявляемый многими энтузиазм пока не подкреплен достаточным количеством опытных работ, результатами испытаний и представляется несколько преждевременным.

Бесспорно, однако, что возникла новая ветвь технической физики — прикладная сверхпроводимость, которая уже приобрела большое значение для получения сильных магнитных полей в больших рабочих объемах. Не менее очевидно, что прикладная сверхпроводимость создает принципиальные предпосылки для анализа и опытного изучения новых путей научно-технического прогресса электротехники и электроники.

Габариты н масса криогенных установок, удельные энергозатраты на производство холода при 4,2—15 К. надежность работы в длительном режиме пока еще не соответствуют высоким требованиям будущей криогенной электротехники. Технико-экономическая целесообразность создания криогенной электротехники определяется также значениями теплопритоков н внутренних тепловыделений, которые должны быть предельно снижены, в частности, путем усовершенствования теплоизоляции, конструкции токовводов и др.

Неоднократно подчеркивалось, что необходимо активно проводить исследования по созданию принципиально новых видов электрооборудования — опытных образцов турбогенераторов, электродвигателей и силовых промышленных трансформаторов на основе сверхпроводящих материалов.

Читайте также: