superprovodnost kod obrtnih masina
TRANSCRIPT
-
8/19/2019 Superprovodnost Kod Obrtnih Masina
1/24
Univerzitet u Tuzli
Fakultet elektrotehnike
Energetska elektrotehnika
Seminarski rad
Nove tehnologije u elektromehaničkim sistemima
Tema: Superprovodnost kod obrtnih mašina
Proesor: !unuzovi" Senada
#r$ s%$ Nerdina &ehinovi"' vanr$ pro$ (ulči" !asmin
Tuzla' de%embar' )*+,$
-
8/19/2019 Superprovodnost Kod Obrtnih Masina
2/24
Sadr-aj:
+$ Uvod$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$+
)$ Superprovodnost$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$)
)$+$ Superprovodni materijali$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$.
)$)$ Primjene superprovodnih materijala$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$/
0$ 1graničavač struje kvara$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$2
,$ 3azvoj visokotemperaturnih superprovodnih mašina$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$4
.$ 5isokotemperaturni superprovodni generatori za direktni pogon vjetroelektrana$$$$$$$$$$$$++
.$+$ 1sobine superprovodnih generatora$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$+)
.$)$ Topologija generatora$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$+)
/$ Superprovodne obrtne električne mašine$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$+.
/$+$ Superprovodne jednopolne mašine$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$+.
6$ Superprovodne turbine za vjetroelektrane$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$+6
2$ #izajn superprovodnih visokotemperaturnih generatora sa 7891 navojima$$$$$$$$$$$$$$$$$$+4
4$ (aključak$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$)*
+*$ iteratura$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$)+
-
8/19/2019 Superprovodnost Kod Obrtnih Masina
3/24
Popis slika:
Slika +$ Prolazak silni%a magnetnog polja kroz provodnik u zavisnosti od T% ;) desno ;)
-
8/19/2019 Superprovodnost Kod Obrtnih Masina
4/24
1. Uvod
Na vrlo niskim temperaturama' električne i magnetne osobine nekih materijala' kao što su
olovo' -iva i neki oksidi radikalno se mijenjaju$ 1vi materijali postaju superprovodni%i:
prestanu pokazivati bilo kakav električni otpor i izba%uju magnetna polja$ 1va pojava' koja jeotkrivena prije sto godina' je prilično impresivna ilustra%ija kvantne izike$ &nogi slobodni
elektroni iz materijala se spajaju u kvantni talas koji se širi na vrlo velike udaljenosti$ #anas'
superprovodnost je izuzetno aktivno polje istra-ivanja koje uključuje rješavanje osnovnih
mehanizama' stvaranje novih superprovodnika' i još se pronalaze nove primjene$
Superprovodnost tako@e omogu"uje spektakularne podvige levita%ije$ roz historiju
superprovodnih istra-ivanja' hemičari i izičari su radili na pronala-enju i testiranju
superprovodnika sa poboljšanim perormansama' tj$ metale koji postaju superprovodni%i na
višim temperaturi i koji mogu podnijeti ve"a magnetna polja ili jače električne struje$ 1vi
materijali op"enito su sintetizirani u laboratorijima' ne mogu se na"i u prirodi$ U ovom
seminarskom radu opisan je rast i razvoj superprovodnih elemenata' kao i
visokotemperaturnih superprovodnih mašina$ Superprovodni motori i generatori' zahvaljuju"i
superprovodnim materijalima' mogu imati destinu te-ine konven%ionalne mašine koja ima istu
snagu$ Glavne primjene za obrtne električne sinhrone mašine su kao generatori i motori' manji
dio spada na primjenu sinhronih kondenzatora$ 5isokotemperaturne superprovodne CATSD
obrtne mašine imaju nekoliko značajnih prednosti u odnosu na mašine izgra@ene
konven%ionalnim tehnikama$ To su uglavnom pove"ana eikasnost' ve"a gustina snage i
poboljšana električna stabilnost$ Pogotovo za aplika%ije na brodovima' te osobine mogu bitiodlučuju"e za uštedu goriva i prostora' i mogu poboljšati sposobnosti$ U prošlosti' osnovni
programi su se provodili da poka-u u osnovi mogu"nost za izgradnju takvih mašina$ U
me@uvremenu su ti programi pokazali veliki uspjeh i ATS mašine za takve prmijene su
postale dostupne za izradu$
1
-
8/19/2019 Superprovodnost Kod Obrtnih Masina
5/24
2. Superprovodnost
Pojavu superprovodnosti otkrio je holandski naučnik 1nes C$ 1nnesD +4++$ godine$ Nekoliko
godina ranije uspio je da dobije tečni helijum' koji je iskoristio za svoje eksperimente sa
metalima na izrazito niskim temperaturama$ 1n je ustanovio da otpornost -ive na temperaturiod ,$+. opada čak deset miliona puta u odnosu na vrijednost koja odgovara sobnoj
temperaturi$ asnije je u obrnutom pro%esu ustanovio da se na temperaturi od ,$) otpornost
vra"a u materijal$ #a bi ukazao na mogu"e koristi od superprovodnosti' 1nes je u svom
eksperimentu +4+0$ godine doveo električnu struju u superprovodni prsten$ ada je uklonio
bateriju i potom izmjerio struju' pokazalo se da se njen intenzitet ne smanjuje sa vremenom$
(a svoj rad na niskim temperaturama 1nes je +4+0$ godine dobio Nobelovu nagradu$
Temperatura T9 na kojoj u odre@enom materijalu dolazi do pojave superprovodnosti naziva se
kritična temperatura$ &oglo bi se deinisati da je za
odnosno' za
Slede"i veliki korak u razumijevanju superprovodnosti desio se +400$ godine' otkri"em
&ajsnerovog eekta C$ &eissner i 3$ 1%heseneldD$ Ustanovljeno je da prelaz iz normalne u
superprovodnu električnu provodnost zavisi i od vrijednosti magnetnog polja A u kome sematerijal nalazi$ #ovoljno jako magnetno polje dovodi do razaranja superprovodnog stanja'
pa se mo-e deinisati i kritično magnetno polje$ 1sim toga' mo-e do"i i do potpunog
istiskivanja magnetnog luksa iz superprovodnika' pa je pri temperaturama ispod vrijednosti
T9
odnosno'
gdje je vrijednost relativne magnetne permeabilnosti$
2
-
8/19/2019 Superprovodnost Kod Obrtnih Masina
6/24
Slika +$ Prolazak silni%a magnetnog polja kroz provodnik u zavisnosti od T% ;)<
Slika )$ &ajsnerov eekat ;++<
&aterijali koji iznad jedne vrijednosti magnetnog polja A9 prelaze direktno u stanje
uobičajenog ponašanja magnetne induk%ije nazivaju se superprovodni%ima = vrste$ &aterijali
koji imaju dvije karakteristične vrijednosti kritičnog magnetnog polja A9+ i A9) nazivaju se
superprovodni%ima druge vrste$ =spod prve kritične vrijednosti induk%ija je nula' a tek iznad
druge kritične vrijednosti dolazi do uobičajenog ponašanja$ =zme@u ove dvije vrijednosti
magnetnog polja postoji miješano stanje koje karakteriše djelimično prodiranje magnetnog
polja unutar materijala' to stanje se naziva Bubnikova aza$
3
-
8/19/2019 Superprovodnost Kod Obrtnih Masina
7/24
Slika 0$ Superprovodni%i = vrste > lijevo? superprovondni%i == vrste > desno ;)<
Slika ,$ Pore@enje temperatura ;2<
&ogu se ista"i četiri činjeni%e vezane za superprovodnike:
4
-
8/19/2019 Superprovodnost Kod Obrtnih Masina
8/24
− skokovita promjena električne otpornosti pri kritičnoj temperaturi'
− dugotrajno postojanje električne struje u konturi od supervodljivog materijala kada je
ohla@en na temperaturu ispod kritične'
− nepostojanje magnetskog polja' osim u površinskom sloju'
− mogu"nost razaranja superprovodnosti jakim vanjskim magnetskim poljem$
2.1. Superprovodni materijali
Fenomen superprovodnosti otkriven je na uzorku jednoatomskog materijala$ Pokazalo se da
veliki broj elementarnih materijala posjeduje ovakve osobine' ali ne i izrazito dobri
provodni%i kakvi su srebro' zlato i bakar' iako se eksperimentisalo sa temperaturama koje su
iznosile samo stote dijelove stepena na skali elvina$ To ukazuje da superprovodne osobine
kod ovih materijala najverovatnije izostaju$ S druge strane' daleko se otišlo u proučavanju
jedinjenja koja posjeduju superprovodne osobine$ ao bitne karakteristike ne uzimaju se u
obzir samo vrijednosti kritične temperature i jačine kritičnog magnetnog polja' ve" i mnoge
druge povezane sa %ijenom ili stabilnoš"u materijala$ 1d sredine devedesetih godina C+42/$D
otkriveni su keramički materijali kod kojih je pojava superprovodnosti izrazita pri
temperaturama i iznad +** Cvisokotemperaturni supervodičiD$ Te temperature omogu"uju
hla@enje teku"im azotom$ Njegova %ijena je u odnosu na teku"i helij manja za više od +**
puta$ To omogu"uje intenzivniji razvoj primjene superprovodnika$ &ogu"a područja primjene
su: prenos električne energije' izrada jakih magneta' transport' električne mašine' računarska
tehnika' i sl$
Tabela +$ ritične vrijednosti temperature pojedinih elemenata i jedinjenja ;+<
Uzorak AgC-ivaD PbColovoD NbCniobijD &oNCmolibden>
azotD
T9 CD ,$) 6$) 4$. +)$*
2.2. Primjene superprovodnih materijala
Nekoliko je velikih područja primjene superprovodnih materijala:
5
-
8/19/2019 Superprovodnost Kod Obrtnih Masina
9/24
− za izradu elektromagneta velikih iznosa magnetske induk%ije'− pri prenosu električne energije'− u transportu'− pri izradi električnih mašina'− pri izradi komuta%ionih elemenata i memorija− u mjernoj tehni%i$
Supervodički magneti koriste se:
− u istra-ivačke svrhe
H osnova rada uzijskih elektrana budu"nosti su ekstremno jaka magnetska polja
H mogu"nost akumuliranja energije u magnetskom polju
H izgradnja ak%eleratora česti%a > supervodljivi ak%elerator
H u medi%ini > nuklearna magnetska rezonan%a
− u transportu
H mnogo se pola-e na izgradnju supervodičkih vozova koji lebde iznad tračni%a
na magnetskom IjastukuI' ti vozovi imaju brzine oko .** kmJh
H levitiraju"i automobili Clebde iznad supervodljivih auto putevaD
− u električnim mašinama
H supervodljivi materijal omogu"uje da su takve mašine značajno manjih
dimenzija od klasičnih pri istoj snazi$ To je posebno značajno u svemirskim i
vojnim istra-ivanjima$ 5eliki napori su ulo-eni u konstruiranje upravo takvih
brodskih motora i generatora
− u distribu%iji električne energije
H korištenje supervodljivih kablova pri prenosu električne energije ekonomski je
isplativo' zbog velikih investi%ijskih troškova' tek za snage iznad nekoliko
hiljada &
− kao supervodljivi računari
H temeljili bi svoj rad na supervodljivim mikroelektronskim elementima' kao
sklopkama$ U pore@enju sa sadašnjim računarima supervodljivi računari bili bi
br-i' manji i eikasniji
− kao supervodljivi mjerni ure@aji
6
-
8/19/2019 Superprovodnost Kod Obrtnih Masina
10/24
H slu-ili bi za mjerenje jako slabih električnih i magnetskih polja' te slabog
elektromagnetskog zračenja
Novi superprovodni%i se stalno otkrivaju$ )**+$ godine je otkriveno da je i magnezijev
diborid superprovodnik$ #osad nije bio otkriven' jer nikad nije bio testiran na
superprovodnost$ !ako je jetin i predvi@a se da "e omogu"iti oštriju sliku pri magnetskoj
rezonan%i C&3=D' te da "e poboljšati učinkovitost elektrana$ Pronalazač ovog supervodiča
je pro$ !un Kkimitsu s Tokijskog univerziteta$ #iboridova kritična temperatura je 04 $
1vaj materijal bi mogao biti najbolji za supervodljive -i%e i magnete' a %ijena za +**
grama iznosi samo )** US#$
3. Ograničavač struje kvara
1graničavač struje kvara CFault %urrent limiter > F9D je jedinstveni ure@aj bez klasičnog
ekvivalenta koji automatski ograničava vrijednost struje kada pre@e predodre@enu vrijednost$
&o-e se uporediti sa trajnim superprovodnim osiguračem jer se automatski resetuje nakon
kvara Ckratkog spoja npr$D$ F9 se temelji na unutrašnjem i skoro trenutnom prelazu iz stanja
bez otpora u stanje sa jakim otporom superprovodnog elementa kada struja dostigne odre@enu
7
-
8/19/2019 Superprovodnost Kod Obrtnih Masina
11/24
vrijednost koja se naziva Lkritična strujaM$ Sve što je potrebno učiniti je da se umetne
superprovodni element na mjesto koje treba zaštititi' te ispravno izabrati kritičnu struju s
obzirom na normalnu struju koja protiče kroz mjesto šti"enja$ Superprovodni element se
postavlja tako da bude skoro nevidljiv pri normalnom radu' tj$ postavlja se tako da inuktivitet
bude minimalan$ Superprovodnom elementu se dodaje prekidač kako bi struja bila potpunoizolirana$ F9 je u aktivnom razvoju$ U )**6$ godini bilo je najmanje / na%ionalnih i
me@unarodnih projekata koji su koristili -i%e magnezijum diborida ili 7891 C7ttrium barium
%opper oideD trake$ #r-ave koje se bave razvojem F9>a su Njemačka i 5elika 8ritanija u
Evropi' a u svijetu SK#' ina i oreja$ U )**6$ godini ministarstvo energetike SK#>a je
izdvojilo )4 miliona dolara na tri F9 projekta$ Superprovodni ograničavači struje imaju
veoma obe"avaju"u budu"nost' bilo da se radi o današnjim ili budu"im mre-ama$
Slika .$ F9 štiti kompletnu sabirni%u ;+)<
4. Razvoj visokotemperaturnih superprovodnih maina
1d +44*>ih godina postupno se počinju razvijati tehnike visokotemeperaturnih
superprovodnih CAigh temperature super%ondu%ting > ATSD mašina$ 3azvijene ATS mašine
uključuju:
− #9 mašine
8
-
8/19/2019 Superprovodnost Kod Obrtnih Masina
12/24
− Sinhrone mašine− Kisnhrone mašine− inearne mašine− 3eluktantne mašine− Aisterezne mašine− Trajne mašine
1d početka ovog stolje"a ATS mašine su dostigle veoma brzi razvoj i značajne uspjehe$ ATS
motori i generatori su ovdje prikazani s obzirom na njihov razvoj' prednosti i prespektivne
primjene$
1d +42/ godine otkri"e visokotemperaturnih superprovodnika stvorilo je novu perspektivu za
praktične upotrebe ATS mašina$ Početkom +426$ godine američki institut za istra-ivanje
električne snage CEP3= > Ele%tri% PoOer 3esear%h =nstituteD povjerio je 3E9>u C3elian%e
Ele%tri% 9orp$D provo@enje izvodljivosti sudije o motorima izgra@enim sa ATS materijalima$
Na početku +44*>ih oni su proizveli mali ATS #9 motor i ATS sinhrone motore sa ) .
konjskih snaga Chp > horsepoOerD$ #o sada je Kmerika ve" razvila .& ATS sinhroni motor
i +**&5K ATS sinhroni generator$ Sada se ve" počinje proizvoditi 0/$. & ATS sinhroni
motor$ !oš nekoliko zemalja su razvile različite ATS mašine kao što su linearni' reluktantni'
histerezni i trajni motori$
Slika /$ Poprečni presjek jednopolnog ATS #9 motora ;0<
Slika 6$ Beme ATS morora: CaD histerezni ATS motor' CbD reluktantni ATS motor' C%D trajni ATS motor ;0<
9
-
8/19/2019 Superprovodnost Kod Obrtnih Masina
13/24
U pore@enju sa konven%ionalnim mašinama' ATS mašine imaju brojne prednosti kao što su
manje dimenzije' manje sinhrone reaktanse i ve"u eikasnost$ omapktna veličina i mala
te-ina su posebno atraktivne za električne aplika%ije na brodovima$
!. "isokotemperaturni superprovodni generatori za direktni pogonvjetroelektrana
U energetskom sektoru vjetra nove tehnologije kontinuirano se provode u %ilju učinkovitijih i
pouzdanijih turbina koje "e smanjiti troškove energije$ Pored %iljeva pouzdanosti' te-ina i
dimenzije tako@e ne treba da prelaze odre@ene grani%e' pa bi primjena superprovodnih
generatora mogla zadovoljiti ove uvjete$ 8riga za okolinu dovodi do pomaka prema
obnovljivim izvorima energije$ Tako je energija vjetra jedan od glavnih izvora obnovljive
energije$ Nedavni trend na tr-ištu ukazuje na to da su turbine u +*Q & rasponu snage
predvi@ene kao pogodnije za budu"i razvoj' gdje turbina predstavlja oko .*R od ukupne
10
-
8/19/2019 Superprovodnost Kod Obrtnih Masina
14/24
instala%ije troškova vjetroelektrane$ ako su se u novije vrijeme pojavili superprovodni
materijali dolazi do istra-ivanja u ovim oblastima$ (aključeno je da su ATS električne mašine
pogodnije za primjenu pri niskim brzinama i velikim zakretnim momentom' pa je s toga
primjena ovih mašina istaknuta op%ija za vjetroelektrane$
Slika 2$ Aistorijski razvoj vjetroelektrana ;,<
Sistem za hla@enje je jedan od najzahtjevnijih dijelova superprovodne mašine$ Nestabilnost ili
pod%jenjivanje toplotne snage koja bi trebala biti uklonjena dovodi do neposredne štete na
zavojni%i$ (ajednička karakteristika svih rashladnih medija je da oni ne bi trebali biti
dopunjavani' ili bi trebali biti napravljeni u zatvorenom %irkuliraju"em sistemu$ &e@urashladnim medijima A) i 1) nisu po-eljna op%ija zbog opasnosti povezanih s njihovom
upotrebom$ U slučaju kada se koriste potrebno je pa-ljivo pra"enje$ Teku"i azot je daleko
jetiniji i pristupačniji$ &e@utim' njegov raspon temperature ograničava njegovu upotrebu$
Teku"i neon je atraktivan rashladni medij po osobinama' ali je skup i nije lako dostupan u
velikim količinama$
!.1. Oso#ine superprovodnih generatora
U prin%ipu superprovodne mašine imaju niz osobine koje dovode do značajnih prednosti$ Unjih spadaju:
− Poboljšana eikasnost pri svim optere"enjima− 5e"a gustina snage− Smanjena te-ina i dimenzije− Smanjena akustična buka− Ni-i troškovi -ivotnog %iklusa− Smanjena %ijena kapitala− Poboljšana stabilnost mre-e
− &anji zahtjevi za odr-avanje
11
-
8/19/2019 Superprovodnost Kod Obrtnih Masina
15/24
Neke od ovih prednosti su ve" pokazane' dok druge zahtijevaju veriika%iju sa velikim brojem
demonstra%ija$ Te prednosti su očite od samog početka razvoja ovih mašina koji počinje sa
komer%ijalnom upotrebom superprovodnih -i%a početkom /*>ih godina$ Prva demonstra%ija
superprovodnog rotirju"eg sinhronog polja namota izvedena je na &=T>u C&assa%husetts
=nstitute o Te%hnologD$ Suk%esivno' istra-ivački programi na velikim sinhronimsuperprovodnim mašinama su provo@eni od strane General Ele%tri%>a' Siemens>a'
estinghouse>a i drugih' što je rezultiralo brojnim prototipima$ &e@utim' pozitivni aspekti tih
mašina uglavnom su bili neutralizovani ekstremnim %ijenama' slo-enoš"u i tehničkim
izazovima uglavnom povezanih sa sistemom hla@enja$
!.2. $opologija generatora
Električne mašine mogu se podijeliti prema smjeru silni%a magnetnog toka i to na:
− &ašine radijalnog luksa− &ašine aksijalnog luksa
5elika ve"ina do sada izgra@enih ATS mašina su radijalnog tipa$ Topologija aksijalnog luksa
do sada nije razvijena u velikoj mjeri što za posljedi%u ima prototipove sa relativno
umjerenim o%jenama snage$ =pak' topologija ovih mašina je zanimljiva pošto bi to moglo
dovesti do minijaturiza%ije dizajna jer se linerana dimenzija mašina mo-e koristiti učinkovitije
pove"anjem broja ploča rotora i jedini%a statora$ ATS generatori imaju osnovne razlike u pore@enju sa konven%ionalnim električnim mašinama$ =znad svega je da prisustvo -eljeza nije
neophodno$ &agnetna jezgra rotora je gra@ena na sličan način kao i kod konven%ionalnih
mašina$ &aterijal jezgre rotora C-eljezoD smanjuje potrebu za ATS -i%om i to smanjenje je
učinkovito čak i ako mašina radi u zasi"enom području magnetne induk%ije$ &ašina ima
veliki momenat iner%ije' uporediv sa klasičnim mašinama$ 3otor mo-e biti na kriogenoj ili
niskoj temeperaturi i tada govorimo o Lhladnom rotoruM ili na sobnoj temperaturi i tada
imamo Ltopli rotorM$ #izajn toplog rotora ima smanjenu hladnu masu$ ao rezultat toga
period hla@enja je kra"i i s toga je mašina neosjetljiva na indu%irane vrtlo-ne struje$ &e@utim' potrporna struktura je slo-enija jer bi s jedne strane trebalo ograničiti prenos toplote sa
-eljezne jezgre na navojke' a s druge strane treba prenijeti zakretni momenat sa navojaka na
tijelo rotora$
12
-
8/19/2019 Superprovodnost Kod Obrtnih Masina
16/24
Slika 4$ #izajn toplog rotora ;,<
#izajn hladnog rotora ima nedostatak da mu se pove"ava hladna masa mašine i kao posljedi%a
toga je da rashladni sistem zahtijeva više snage' a vrijeme potrebno za postizanje radne
temperature je tako@e veliko$ U pro%esu projektovanja treba uzeti u obzir i gubitke vrtlo-nih
struja jer i oni utiču na navojke i trebaju biti uklonjeni iz rashladnog sistema$ Prednost ove
izvedbe je da navoj%i ne trebaju spajanje struktura na različitim temeperaturama pa je prema
tome %ijela struktura mehanički puno jednostavnija$
Slika +*$ #izajn hladnog rotora ;,<
13
-
8/19/2019 Superprovodnost Kod Obrtnih Masina
17/24
(a stator superprovodnih generatora postoje dvije osnovne op%ije: klasični bakarni statorski
namot ili superprovodni armaturni namot$ 1d proizvoda dostupnih na tr-ištu jedini kandidat je
&g8)$ U radu "e biti opisana dva rješenja$ Prvo' mogu"e je usvojiti trenutno stanje tehnike u
konstruk%iji namota statora: nasukani bakarni namot podr-an magnentim zup%ima$ 1vo je
robustno' pouzdano i dokazano rješenje$ U %ilju postizanja ve"e magnetne induk%ije' pove"anja pouzdanosti i potpunog iskorištenja superprovodne tehnologije magnetni zup%i
mogu biti zamijenjeni nekim ne magnetnim materijalima Cojačanim plastičnim vlaknimaD$ Na
ovaj način se dobija ve"a magnetna induk%ija i samim tim ve"a izlazna snaga$ ao posljedi%a
toga mora se pove"ati izola%ija namotaja kako bi mogla izdr-ati ve"i napon$ =pak to nije
nu-no nedostatak jer bi to moglo biti korisno za generisanje snage pri višim naponima$
Slika ++$ =zvedbe statora za ATS mašine ;,<
%. Superprovodne o#rtne električne maine
%.1. Superprovodne jednopolne maine
Faradejev disk je spe%ijalan slučaj jednopolnih superprovodnih mašina jer silni%e magnetne
induk%ije 8 prolaze kroz disk u samo jednom smjeru$
14
-
8/19/2019 Superprovodnost Kod Obrtnih Masina
18/24
Slika +)$ Faradejev disk ;.<
Pobudni namot se proizvodi od superprovodnog materijala$
Slika +0$ aD Faradejev disk > prin%ip' bD Tip diska' %D Tip bubnja ;.<
+ superprovodni svitak sa kriostatom
) rotiraju"i disk ili bubanj' respektivno
15
-
8/19/2019 Superprovodnost Kod Obrtnih Masina
19/24
0 iksna reak%ija diska ili bubnja' respektivno
, klizni kontakti četki%a
Slika +,$ 2** & turborotor CprototipD ;.<
&. Superprovodne tur#ine za vjetroelektrane
Slika +.$ +* & vjetroturbina ;+0<
16
-
8/19/2019 Superprovodnost Kod Obrtnih Masina
20/24
1čekuje se da "e superprovodne turbine i ostale rotiraju"e mašine imati najve"u potra-nju za
superprovodnom -i%om u budu"nosti$ Superprovodna -i%a "e omogu"iti elektromotorima i
generatorima da rade sa mnogo ve"im gustinama snage$ U pore@enu sa električnim mašinama
baziranim na bakarnim -i%ama sa jednakom izlaznom snagom' budu"i superprovodni motori i
generatori "e omogu"iti značajno smanjenje dimenzija sa ve"om eikasnoš"u$ Nekopnenevjetroelektrane obe"avaju hvatanje čiste energije po ni-oj %ijeni od konkurentnih obnovljivih
izvora energije' a snagu "e isporučivati direktno rastu"im priobalnim gradovima$ 1čekuje se
da "e superprovodne vjetroelektrane igrati jedinstvenu ulogu na kopnu jer konven%ionalne
tehnologije nisu u mogu"nosti da ispune zahtjeve za energijom na tim područjima$ =ako su
početni troškovi velikih nekopnenih turbina ve"i zbog temeljnih i mehaničkih konstruk%ija'
oni mogu biti nadomješteni ve"im prinosima energije$ Pove"anje gusto"e snage omogu"eno
superprovodnim turbinama značajno smanjuje te-inu generatora' te pretvara energiju vjetra u
ekonomski odr-ivu alternativu$ Energija vjetra se oblikuje kao kritični izvor električneenergije u svijetu$ #anas je ta energija prvenstveno vezana za kopno$ 1čekivani budu"i trend
je u velikoj mjeri iskoristiti neiskorištenu zalihu nekopnene energije vjetra$
Slika +/$ Pro%jena rasta vjetroturbina ;+0<
=zlazna snaga nekopnenih vjetroturbina op"enito "e biti mnogo ve"a nego što je kod kopnenih
turbina$ Bto je ve"a izlazna snaga po jednoj turbini ve"i "e biti i povrat sredstava$ 3ana
tehnologija rotora i statora koja preovladava u dizajnu sadašnjih turbina pokazat "e se kao
neadekvatna pri ve"im snagama$ S obzirom da se radi na tome da izlazna snaga bude ve"a od
+*& za jednu turbinu očito je da su potrebne nove tehnologije za podršku rasta nekopnenih
vjetroelektrana$
17
-
8/19/2019 Superprovodnost Kod Obrtnih Masina
21/24
18
-
8/19/2019 Superprovodnost Kod Obrtnih Masina
22/24
'. (izajn superprovodnih visokotemperaturnih generatora sa )*+O
navojima
Napredak u kriogenim rashla@ivačima i superprovodnim materijalima potaknuo je interes za
gradnju superprovodnih generatora$ Poboljšana učinkovitost i pove"anje dostupnedu-ine 7891 superprovodnih traka čine ovaj materijal pogodnim izborom u odnosu
na ranije 8iS991 C8ismuth strontium %al%ium %opper oideD materijale$ =ako je iznos
nominalne struje 7891 superprovodnih traka manji od nominalne struje 8iS991
traka' ove trake su tanje i tolerantnije prema normalnoj komponenti magnetnog polja$
1sim toga njihove perormanse se br-e poboljšavaju$ Na sli%i je prikazano nekoliko
mogu"ih konigura%ija rotora izabranih za evalua%iju$ U svim slučajevima
pretpostavlja se da je demonstrator />polna mašina$
Slika +6$ onigura%ije rotora: aD sa punim jezgrom' bD unutrašnja jezgra i jezgra zavojni%e' %D unutrašnja jezgra'
dD bez jezgre ;/<
Prva izvedba Cslika +6aD se temelji na klasičnoj konigura%iji Ckao što je kod konven%ionalnihizvedbi rotora sa bakarnim navojimaD sa namotima zatvorenim unutar pola$ U drugoj izvedbi
Cslika +6bD polovi su nemagnetni' što smanjuje rasipanje luksa' ali ostavlja nam malo
kontrole nad poljem superprovodnog navojka$ Poslednje dvije konogura%ije Cslike +6% i +6dD
imaju za %ilj predstaviti mašinu u punoj veličini sa rotorom bez jezgre i one nude najve"u
mogu"nost smanjenja mase kao i jednostavniju konstruk%iju kriostata nego prethodne dvije
izvedbe$
#a bi se opravdalo korištenje ATS navoja rotora' mašina treba ponuditi značajnu prednost
bilo u smanjenju gubitaka ili u smanjenju mase$
19
-
8/19/2019 Superprovodnost Kod Obrtnih Masina
23/24
,. -aključak
!asno je da su superprovodni elementi u mnogome olakšali konstruk%iju električnih mašina$
=ako su još uvijek u azi proučavanja jasno je da superprovodni elementi predstavljaju
budu"nost u elektro industriji$ Napredak u razvoju ATS>a je otvorio vrata za razvoj ATSmotora i generatora visoke eikasnosti i pouzdanosti' sa poten%ijalno konkurentnom %ijenom'
a i visokom vjerovatno"om prihvatanja od strane krajnjeg korisnika$ ljučne tehnologije za
razvoj ATS mašina su u biti dokazane kao dovoljno čvrste i pristupačne$ Sa razvojem i
napretkom tehnologije ATS materijala' kao i realiza%ijom industrijske proizvodnje ATS -i%a'
ATS mašine mogu biti kompaktnije' lakše i eikasnije od klasičnih mašina' te se očekuje da "e
zamijeniti te mašine u mnogo područja$
20
-
8/19/2019 Superprovodnost Kod Obrtnih Masina
24/24
1. /iteratura
;+< &aterijali u elektrotehni%i' pro$ dr$ 5lado &ad-arevi"' pro$ dr$ &ensur asumovi"'
predavanja
;)< http:JJOOO)$d$pm$uns$a%$rsJdoOnloadJizika)JSuperprovodljiviulereni$pd
;0< https:JJopus$lib$uts$edu$auJresear%hJbitstreamJhandleJ+*,.0J.6+,J)**6***))4$pd
;,< http:JJpro%eedings$eOea$orgJannual)*+)Jalliles)J+..4EEK)*+)presentation$pd
;.< http:JJOOO$eO$tu>
darmstadt$deJmediaJeOJvorlesungen,Jvorlesungneuete%hnologienbeielektrenergieOandle
rnundaktorenJNTenglish))$pd
;/< http:JJeprints$soton$a%$ukJ)6++*4J+J)4PE*.+*+0/>+,*goddard$pd
;6< http:JJen$Oikipedia$orgJOikiJFault%urrentlimiter
;2< http:JJsupra%ondu%tivite$rJenJ
;4< http:JJhperphsi%s$ph>astr$gsu$eduJhbaseJsolidsJs%app$html
;+*< http:JJieeeplore$ieee$orgJplJlogin$jsptpVWarnumberV+/,0+0*WurlV httpR0KR)FR)Fieeeplore$ieee$orgR)FplsR)Fabsall$jspR0FarnumberR0#+/,0+0*
;++< http:JJen$Oikipedia$orgJOikiJ&eissneree%t
;+)< http:JJOOO$Ote%$orgJloolaJs%paJ*,*0$htm
;+0< http:JJOOO$supte%h$%omJ&otorsandGenerators1%t+*$pd