ذخیره كننده های مغناطیسی انرژی با استفاده از ابررساناها SMES و كاربرد آنها برای تعدیل منحنی پیك بار و پایداری شبكه در سیستم های قدرت

اصولاً یك سیستم قدرت در ساعات مختلف شبانه روز دارای مصارف مختلفی است, بنابراین میزان تولید انرژی باید متناسب با نیاز مصرف كننده تغییر كند همچنین در یك شبكه وسیع, مشكل تثبیت ولتاژ, تاثیرات هارمونیكها, نامتعادل شدن ناگهانی شبكه در هنگام بروز خطا و در نتیجه از كارافتادن ژنراتورها و در نهایت از سرویس خارج شدن كل شبكه وجود دارد

استفاده از سیستم‌های ذخیره‌كننده مغناطیسی انرژی نیرومند در شبكه قدرت از اهمیت خاصی برخوردار است. با توجه به قابلیت ذخیره‌سازی بسیار زیاد انرژی سیم‌پیچهای ابررسانا در میدان اطراف خود و امكان تحمل جریانهای بالا به علت مقاومت تقریباً صفر آنها و همچنین پیشرفتهای شایان توجه اخیر در ساخت سیستم‌های ابررسانای دمای پایین و دمای بالا، امید تازه‌ای در استفاده از آنها در شبكه‌های قدرت به منظورهای گوناگون پیدا شده است.

با یك بررسی اجمالی می‌توان دید كه عدم وجود یك سیستم ذخیره‌كننده انرژی هنگام ناپایداری شبكه قدرت و در نتیجه قطعی برق آن تا چه حد می‌تواند هزینه‌بردار و مخرب باشد به عنوان مثال هزینه هر بار قطع شدن برق در یك كارخانه اتومبیل‌سازی ماهانه ۰۰۰/۲۵۰ دلار بوده و این ضرر تا زمانی كه تعمیرات كلی در سطح كارخانه صورت نگیرد ادامه خواهد داشت. ذخیره‌كننده‌های مغناطیسی انرژی با استفاده از ابررسانا (SMES) دارای مزایایی چون: تعدیل منحنی پیك‌بار، حفاظت از ژنراتورها و نگهداری و پایداری شبكه در هنگام وقوع خطا در نقاط مختلف شبكه، استفاده به عنوان سیستم برق اضطراری با توان بالا، تثبیت ولتاژ و فركانس در شبكه و غیره است كه باعث شده تا كار تحقیقات بر روی سیستم‌های SMES با شدت و سرعت بیشتری توسط كشورهای پیشرفته و شركتهای بزرگ تولید و انتقال برق در دنیا دنبال شود.

در این مقاله ضمن بررسی موارد بالا، تاثیر SMES در یك شبكه قدرت بررسی شده و همچنین این سیستم با سیستم‌های ذخیره‌كننده انرژی دیگر مقایسه می‌شود. همچنین سیستم‌های SMES از نظر اقتصادی مورد مطالعه و بررسی قرار خواهد گرفت.

اصولاً یك سیستم قدرت در ساعات مختلف شبانه‌روز دارای مصارف مختلفی است،‌بنابراین میزان تولید انرژی باید متناسب با نیاز مصرف‌كننده تغییر كند. همچنین در یك شبكه وسیع، مشكل تثبیت ولتاژ، تاثیرات هارمونیكها، نامتعادل شدن ناگهانی شبكه در هنگام بروز خطا و در نتیجه از كارافتادن ژنراتورها و در نهایت از سرویس خارج شدن كل شبكه وجود دارد. برای رفع این مشكل تاكنون راه‌حلهای گوناگونی ارایه شده كه به همراه مزایا و معایب سیستم SMES در مقایسه با سیستم‌های معرفی شده دیگر در قسمتهای بعد آورده می‌شود.

با توجه به اینكه عیوب فوق‌الذكر تاثیرات بسیار نامطلوبی بر ژنراتور نیروگاهها و تاسیسات شبكه داشته و بسیار پرهزینه و مضرند، یك سیستم SMES قوی با طراحی صحیح و جایگذاری دقیق در شبكه می‌تواند به طور موثر باعث كاهش هزینه جاری و تعمیر و نگهداری كل شبكه شود.

كشورهایی چون كانادا، ژاپن، سوئیس و آمریكا به طور وسیعی بر روی SMES كار می‌كنند و تاكنون بیش از ۲۰ نمونه از این سیستم با قابلیتها و ظرفیتهای مختلف ساخته‌اند.

در ابتدا معرفی مختصری از سیتم SMES خواهد شد و سپس نقش و تاثیرات عملی آن در یك شبكه قدرت نمونه آورده می‌شود.

● چگونگی ساختار یك سیستم SMES

جزء اصلی یا هسته اساسی یك سیستم SMES، سیستم ابررسانایی آن است. به طور كلی تاكنون دو نوع ابررسانا ساخته شده است. نوع اول ابررساناهای دمای پایین‌اند كه هادی ابررسانا معمولاً یك فلز خالص مانند مس یا آلومینیوم بوده و دمای كار آن در حدود ۲/۴ K است. با وجود مقاومت در حد صفر سیم ابررسانا، میزان تحمل جریان میدان مغناطیسی در سیم با داشتن یك سیستم تبرید خوب، بالاست،‌به حدی كه فن‌آوری جدید، جریانهایی در حدود صدها هزار آمپر را در سطح مقطعهای در حدود سانتی‌متر مطرح می‌كند. برای رسیدن به چنین دمای پایینی، محققان تاكنون چندین روش پیشنهاد كرده و وسایل و سردكننده‌های متنوعی ساخته‌اند. در خنك كردن ابررسانا از هلیم مایع استفاده می‌شود كه این هلیم توسط لوله مخصوصی كه چند جداره بوده و دارای دیواره خلا است به یك یخچال سیكل بسته فرستاده می‌شود. روش دیگر، مایع كردن گاز تبخیر شده از مخزن هلیم حاوی سیم‌پیچهای ابررساناست. برای جلوگیری از انتقال گرما از بیرون به مخزن درونی، از دو یا چند لایه خلا استفاده می‌شود. به جای دو یا چند لایه خلا می‌توان از یك لایه نیتروژن مایع نیز استفاده كرد.اخیراً محققان از مواد ابر عایق نیز در این مورد بهره جسته‌اند.

سیم‌پیچ ذكر شده فوق دارای امپدانس بسیار زیادی بوده و مانند یك منبع جریان DC عمل می‌كند. نكته قابل توجه این است كه جهت جریان هیچ‌گاه در سیم‌پیچ ابررسانا عوض نمی‌شود بلكه در هنگام دشارژ سیم‌پیچ، ولتاژ دو سر آن معكوس می‌شود بنابراین سیستم SMES در واقع یك واحد DC است كه بیشتر كاربردها با یك سیستم AC تركیب می‌شود. معمولاً این تركیب توسط یك كانورتور دو طرفه AC به DC و DC به AC امكانپذیر است كه می‌تواند برای شارژ و دشارژ سیم‌پیچ ابررسانا و همچنین تنظیم و كنترل توان ارسالی یا دریافتی به كار برده شود. به عبارت دیگر این كانورتور باید قادر باشد كه ولتاژ و جریان DC متغیر را از سیم‌پیچ ابررسانا گرفته و به یك ولتاژ AC ثابت و جریان بار با مقادیر و اختلاف فازهای متفاوت تبدیل كند.

نمونه‌ای از نمودار بلوكی ساده شده یك سیستم SMES كه به صورت موازی به سیستم قدرت متصل شده است.

▪ مدار شامل یك سیستم كنترل‌كننده است كه دارای سه وظیفه اصلی است:

كنترل سوئیچهای نمیه‌هادی ایزوله، مشخص كردن و آشكار ساختن ولتاژها و جریانهای منبع توان و مصرف‌كننده‌ها و كنترل ولتاژ تنظیم‌كننده، میزان و جهت توان DC گرفته شده یا داده شده به سیم پیچ ابررسانای سیستم SMES.

نمودار بلوكی، بیشتر برای سیستم‌های كوچك مناسب بوده و تا حدی شبیه به یك سیستم برق اضطراری و تثبیت‌كننده ولتاژ عمل می‌كند. همچنین از دیگر مزایای این سیستم می‌توان اصلاح ضریب قدرت را نام برد.

نمونه دیگری از اجزای تشكیل‌دهنده یك سیستم SMES را نشان می‌دهد كه جزئی از سیستم قدرت پرسك‌آیزل واقع در میلواكی آمریكا در سال ۱۹۹۱ بوده كه در بخشهای بعدی به آن پرداخته خواهد شد. توان مورد نظر برای سیستم مزبور ۱۰۰ مگاوات با ضریب توان ۹/۰ است.

● نحوه كار سیستم SMES

سیم‌پیچ ابررسانا توسط یك یكسوساز AC به DC كه در منبع تغذیه سیم‌پیچ ابررسانا قرار دارد شارژ می‌شود، شارژ‌كننده سیم‌پیچ به منظور غلبه بر تلفات اهمی آن قسمت از مدار كه در دمای محیط قرار دارد، ولتاژ كوچكی در دو سر سیم‌پیچ ایجاد می‌كند. این مساله باعث می‌شود كه جریان ثابتی در سیم‌پیچ ابررسانا جاری شود. در حالت آماده به كار یعنی زمانی كه هیچ تبادل توانی با سیم‌پیچ انجام نمی‌شود جریان ذخیره‌ شده سیم پیچ توسط یك سوئیچ كه دو سر سیم‌پیچ را اتصال كوتاه می‌كند دوباره به خود سیم‌پیچ ابررسانا بازگردانده شده و حالت گردشی پیدا می‌كند. در نتیجه انرژی سیم پیچ ابررسانا حفظ می‌شود. در بعضی از مدلهای SMES این سوئیچ به داخل مخزن حاوی سیم‌پیچ انتقال پیدا كرده كه با طرق مختلف از بیرون مخزن به آن فرمان داده می‌شود. بدون قرار دادن این سوئیچ اتصال كوتاه كننده میزان تلفات سیم‌پیچ در حالت آماده به كار زیاد خواهد بود. مانند قبل منبع تغذیه سیم پیچ به منظور جبران تلفات اهمی قسمتی از مدار كه در گرمای محیط قرار دارد ولتاژ كوچك را در دو سر سیم‌پیچ ابررسانا تولید می‌كند.

برگردان و تلخیص: حسن مقبلی- رامین فرنیا

---