ذخیره‌كننده‌های مغناطیسی انرژی با استفاده از ابررساناها (smes)

ذخیره‌كننده‌های مغناطیسی انرژی با استفاده از ابررساناها (smes) و كاربرد آنها برای تع
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.

 

پاسخ : ذخیره‌كننده‌های مغناطیسی انرژی با استفاده از ابررساناها (smes)

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.

 

پاسخ : ذخیره‌كننده‌های مغناطیسی انرژی با استفاده از ابررساناها (smes)

استفاده از smes در سیستم قدرت پرسك‌آیزل
سطح انتقال توان ۵۰۰ مگاوات بوده و ۱۵۲مگاوات از توان مجموعه تریپ می‌شود تا اضافه بارهای سیستم برطرف شود. در حالی كه پاسخ سیستم بدون حضور smes منجر به ناپایداری نوسان اول در پرسك‌آیزل می‌شود، سیستم smes علاوه بر فراهم كردن میرایی بعد از خطا، بر مشكل ناپایداری نوسان اول نیز غلبه می‌كند. در شبیه‌سازی این آزمایش با توان انتقالی ۵۰۰ مگاوات از روش سعی و خطا استفاده شده و مشخص شده است كه smes برای ارسال یا جذب ۵۰۰ مگاوات توان، مدت ۲/۰ ثانیه لازم دارد تا پاسخ را به حالت پایدار برساند.
● استفاده از smes و مقاومت ترمزی
با استفاده از مقاومت ترمزی ۱۰۰ مگاواتی در پرسك‌آیزل در طول دوره بحرانی، بعد از نوسان اول، توان راكتیو جذب شده و بعد از قطع شدن مقاومت به smes امكان فراهم كردن میرایی در پرسك‌آیزل را می‌دهد. مدل شبیه‌سازی مقاومت ترمزی شامل كلیدها و مقاومت در حال كار، به مدت دو سیكل بعد از عملكرد كلید است كه پاسخ زمانی، مشابه حالت تریپ ژنراتورهای پرسك‌آیزل است. مقاومت بعد از نصب برای ۱۲ سیكل قبل از قطع شدن روی خط باقی می‌ماند. این ۱۲ سیكل زمانی، از شبیه‌سازیهای دینامیكی به دست می‌آیند و نشان‌دهنده زمانی هستند كه به طور تقریبی برای رسیدن به حداكثر دامنه نوسان اول در پرسك‌آیزل لازم است. برای تعیین اندازه smes و زمان مرحله‌بندی روش سعی و خطا مورد استفاده قرار گرفته است. با استفاده از این روش مشخص شد كه smes برای این انتخاب باید ۳۵ مگاوات توان جذب یا ارسال را برای مدت ۲/۰ ثانیه تولید كند. بنابراین مقاومت ترمزی ۱۰۰ مگاوات ماكزیمم توان اكتیو مورد نیاز smes را ۱۵ مگاوات كاهش می‌دهد.
شبیه‌سازیهای مربوط به smes همراه با مقاومت ترمزی شبیه smes اولی، منجر به پایداری سیستم برای حالتهای بحرانی با تریپ تولیدی برابر با مقدار لازم برای حذف اضافه بارها می‌شود. این عمل باعث می‌شود كه یك واحد كمتر از واحدهای نیروگاه پرسك‌آیزل (در طی تریپ نیرو) از مدار خارج شود.
سطح انتقال در این مقایسه ۵۰۰ مگاوات بوده و خطا در زمان ۴ سیكل برطرف می‌شود. از مجموعه پرسك‌آیزل، ۱۵۲ مگاوات توان تریپ شده تا اضافه بارهای سیستم حذف شوند.
شبیه‌سازیها نشان داده‌اند كه با وجودی كه حالات احتمالی باعث ناپایداری نوسان اول در شرایط عدم حضور تجهیزات اضافی می‌شوند، اضافه كردن smes و مقاومت ترمزی باعث پایداری پاسخ سیستم می‌شوند.
● استفاده از سیستم قدرت پایدار‌كننده (pss)
فن‌آوری نقطه مقابل این روش، استفاده از پایدار‌كننده‌های سیستم قدرت (pss) در هر كدام از ۵ واحد بزرگ در سال ۱۹۹۹ است. این تجهیزات میراكنندگی لازم را در هنگام خطاها فراهم كرده و تریپ تولید را در هنگام قطعی خطوط كاهش می‌دهند.
دستورالعمل تنظیم pss از مشخصات پاسخ توانی ژنراتورها، شبیه‌سازی شده و برای هر كدام از ماشینها از پارامترهای مربوطه استفاده می‌شود.
شبیه‌سازیها با پایدار‌كننده‌های نصب شده در پرسك‌آیزل نشان می‌دهد كه روش pss مانند smes تریپ مورد نیاز را كاهش می‌دهد. خارج شدن خط ۳۴۵ كیلوولت و دِدریورپرسك آیزل به تنهایی به ۱۵۲مگاوات تریپ توان نیاز دارد تا اضافه بارها و نیز ناپایداریها مرتفع شوند.
اما قطع شدن خط ۱۳۸ كیلوولت در پرسك‌آیزل نیاز به تریپ انرژی به مقدار ۱۳ مگاوات بیشتر از مقدار لازم برا حذف اضافه بارها دارد. اگر چه این مقدار باعث تریپ یك واحد اضافه نسبت به حالتی كه از smes استفاده شده نمی‌شود ولی باید یك واحد بزرگتر نسبت به حالت قبل، قطع شود. سطح انتقال توان ۵۰۰ مگاوات بوده و ۱۵۲ مگاوات از توان تولیدی پرسك‌آیزل بعد از قطع شدن خط تریپ می‌كند تا اضافه بارهای سیستم حذف شوند.
● مقایسه smes با دیگر ذخیره‌كننده‌های انرژی
تاكنون به غیر از smesها، ups‌های گوناگونی با استفاده از باتری، خازن، چرخ‌گردان و دیگر فن‌آوریهای ذخیره‌سازی انرژی ساخته شده است. هر كدام از این فن‌آوریها از نظر ویژگیهایی مانند: میزان انرژی قابل ذخیره، بازده سیكل شارژ و دشارژ سیستم، تاثیرات محیطی، قابلیت اطمینان، سادگی استفاده و سرعت آماده به كار شدن، امكان استفاده در شبكه به عنوان بار راكتیو، یا تثبیت‌كننده فركانس و پایداركننده شبكه و تعدیل منحنی پیك‌بار و مدت زمانی كه می‌توانند قسمت اعظمی از انرژی را در خود نگه دارند، با یكدیگر تفاوت دارند. بعضی در تعداد مرتبه‌های شارژ و دشارژ، بعضی در سادگی و راحتی استفاده و بعضی در قیمت بر بقیه ارجحیت دارند. مسلم است كه در سطوح انتقال توان مساله میزان توان قابل ذخیره كه معمولاً در حد چند مگاوات است در درجه اهمیت بیشتری قرار دارد.
خوشبختانه سیستم smes دارای تمام خصوصیات مذكور بوده و به راحتی می‌تواند در هنگام وقوع خطا میزان انرژی زیادی را در اختیار شبكه قرار دهد (تا چندین مگاوات در ثانیه)، در حالی كه سیستمهای چرخ‌گردان و باتریها فاقد این خصوصیت‌اند. همچنین smes در مقایسه با دیگر وسایل دخیره‌كننده انرژی دارای بازده سیكل شارژ و دشارژ بهتری است كه این بازده حتی به بیش از ۹۵ درصد می‌رسد. مدت زمان نگهداری انرژی در smes می‌تواند زیاد باشد در حالی كه سیستم‌های چرخ‌گردان و خازنها فاقد این خصوصیات‌ هستند.. تعداد دفعات شارژ و دشارژ در smes نامحدود بوده كه بمعنی طولانی‌ بودن عمر آن است. عمر یك smes به بیش از ۳۰ سال می‌رسد كه این مدت از عمر بهترین سیستم‌های دارای چرخ‌گردان و باتری بیشتر است. حجم و وزن اشغال شده برای ذخیره میزان زیادی از انرژی در سیستم‌های smes از كلیه سیستم‌هایی كه تاكنون پیشنهاد شده به مراتب كمتر است.
یكی از مشكلات سیستم smes قیمت زیاد آن است كه در قسمت بعدی به آن پرداخته خواهد شد. از دیگر مشكلات smes می‌توان به میدان مغناطیسی قوی اطراف آن اشاره كرد كه احتیاج به لایه‌های محافظ مغناطیسی تا فاصله ۵ متری سلول smes دارد، ولی خوشبختانه این میدان در حدی نیست كه برای سلامتی انسان مضر باشد

 

پاسخ : ذخیره‌كننده‌های مغناطیسی انرژی با استفاده از ابررساناها (smes)

براورد هزینه‌ها و مزایای استفاده از SMES
به صرفه بودن نصب سیستم SMES در یك شبكه، زمانی قابل بررسی و ارزیابی دقیق است كه به بارهای تغذیه شونده و اهمیت پیوسته بودن برق آنها توجه شود. به عنوان مثال طی یك بررسی، هزینه قطعی برق در یك كارخانه اتومبیل‌سازی ماهانه ۰۰۰/۲۵۰ دلار بوده و این ضرر تا زمانی كه تعمیرات كلی در سطح كارخانه صورت گیرد ادامه خواهد داشت. همچنین هر قطع برق در یك كارخانه ساخت نیمه هادیها بین ۰۰۰/۳۰ تا یك میلیون دلار ضرر در بر خواهد داشت. همچنین قطع برق به مدت ۱۵ دقیقه هزینه‌ای برابر با ۲۴/۲۰ دلار به ازای میزان مصرف هر كیلووات ساعت برق بر كلیه كاربران كامپیوتر تحمیل خواهد كرد. قطع برق برای صنایع كوچك نیز هزینه‌هایی در بر دارد كه می‌توان مقادیر آن را از كتاب استانداردهای IEEE ۱۹۸۷-۴۶۶ استخراج كرد. همچنین تریپ دادن ناگهانی ژنراتور هم می‌تواند بسیار هزینه‌بردار باشد، به عنوان مثال خرابی یك ژنراتور بعد از ۲۰ بار تریپ كردن حتمی خواهد بود.
طی یك بررسی اجمالی در شبكه قدرت آمریكا مشخص شده است كه با پرداخت ۵/۱ تا ۳ سنت برای خرید هر دلار توان الكتریكی به شركتهای برق می‌توان كلیه بهینه‌سازیهای مربوط به شبكه قدرت را انجام داد. به عنوان مثال میزان خرید برق سالیانه توسط مشتریان در آمریكا در سال ۱۹۸۷، ۶/۸۵۳ میلیارد دلار بوده است.
بنابراین میزان پرداخت هزینه برای نصب سیستم SMES و بهینه‌سازی شبكه ۶/۲۵ میلیارد دلار در سال خواهد بود. برای به دست آوردن دید بهتر نسبت به هزینه یك سیستم SMES بررسی در مورد نصب یك سیستم SMES و همچنین نصب یك سیستم SMES به اضافه مقاومت ترمزی در محل پرسك‌آیزل انجام می‌شود.
سرمایه‌گذاری مربوط به SMES، شامل تجهیزات SMES، پایدار‌كننده فركانس و نیز هزینه نصب ایستگاه فرعی است. هزینه‌های همچنین شامل دستمزد كارگران، طراحی و مهندسی و سودی است كه می‌تواند از عدم نصب مولد‌های جدید به خاطر نصب سیستم SMES بدست آید. برای سیستم SMES با مقاومت ترمزی، هزینه مقاومت ترمزی و هزینه نصب آن نیز اضافه می شود. البته همان طور كه قبلاً هم ذكر شد به صرفه‌بودن نصب یك سیستم SMES به عوامل مهمی چون اهمیت مصرف‌كننده‌ها، اهمیت میزان حساسیت و هزینه تعمیرات ژنراتور تولید‌كننده‌ها، گستردگی شبكه و عوامل دیگر بستگی دارد كه باید بادقت و توجه بیشتری مورد بازبینی قرار گیرد.
● نتیجه‌گیری و پیشنهادات
قطع برق و مشكلات ناشی از نوسانات و اغتشاشات در شبكه قدرت در بردارنده عوارض و هزینه‌هایی هم برای تولید‌كننده و هم برای مصرف‌كننده است. از جمله تریپ دادن ناگهانی ژنراتور می‌تواند بسیار هزینه ‌بردار باشد. به عنوان مثال خرابی یك ژنراتور بعد از ۲۰ مرتبه تریپ كردن حتمی خواهد بود. همچنین قطع برق به مدت ۱۵ دقیقه هزینه‌ای برابر با ۲۴/۲۰ دلار به ازای میزان مصرف هر كیلووات ساعت برق بر كلیه كاربران كامپیوتر تحمیل خواهد كرد.
با توجه به پیشرفت روز‌افزون استفاده از ابررساناها و مزایای استفاده از سیستم SMES در شبكه‌های قدرت و همچنین در شبكه‌های فشار ضعیف كه پیش از این بیان شد، لازم است كه تحقیقات جدی‌تری در مورد ابررساناها و فن‌آوری ساخت SMES انجام شود. ساخت و نصب نسیستم SMES گرچه پرهزینه بوده و احتیاج به استفاده از فن‌آوریهای جدید در زمینه ابررساناها دارد ولی نصب آن در شبكه بسیار به صرفه است همچنین با توجه به گستردگی و یكپارچه بودن شبكه قدرت در ایران، نصب یك سیستم ذخیره‌كننده انرژی SMES در این شبكه از اهمیت خاصی برخوردار است. منحنی پیك‌بار در ایران حالت عادی نداشته و تفاوت سطح مصرف در ساعات حداكثر بار با دیگر اوقات بسیار زیاد است كه این مساله ایجاب می‌كند كه نیروگاههای جدیدی تنها برای ساعات حداكثر بار ساخته شده و به شبكه اضافه شوند. مزایای گسترش فن‌آوری SMES علاوه بر حل مشكل فوق باعث نفوذ و گسترش و پیشرفت فن‌آوری استفاده از ابررساناها در دیگر صنایع كشور همچون ساخت وسایل مدرن پزشكی، ساخت كابلهای ابررسانا، قطارهای معلق مغناطیسی (Maglev)، توپها و لانچرهای الكترومغناطیسی پرسهای مافوق سنگین، ساخت ماهواره‌ها، ساخت ابركامپیوترها و دیگر صنایع خواهد شد و می‌تواند كشور ما را از نظر علمی و صنعتی در سطح كشورهای پیشرفته دنیا قرار دهد.

​