انرژی الکتریکی - پایگاه دانلود رایگان کتاب | دانلود کتاب

مقدمه:
در چند دهه ی اخیر سیستم های ذخیره ساز انرژی با انگیزه های متفاوتی به منظور بهبود عملکرد سیستم قدرت، مورد توجه قرار گرفته اند.بطورمعمول در سیستم قدرت بین قدرتهای الکتریکی تولیدی و مصرفی تعادل لحظه ای برقرار است و هیچگونه ذخیره انرژی در آن صورت نمی گیرد .بنابراین لازم است میزان تولید شبکه، منحنی  مصرف منطقه را تغقیب کند. واضح است بهره برداری از سیستم بدین طریق، با توجه به شکل متعارف منحنی مصرف غیر اقتصادی است.
استفاده از ذخیره ساری های انرژی با ظرفیت بالا به منظور تراز ساری منحنی مصرف و افزایش ضریب بار، از اولین کاربردهای ذخیره انرژی در سیستم قدرت در جهت بهره برداری اقتصادی می باشد.
علاوه بر این،اغتشاشهای مختلف در شبکه ( تغییرات ناگهانی بار، قطع و وصل خطوط انتقال،…) خارج شدن سیستم از نقطه تعادل را به دنبال دارد. در این شرایط ابتدا از محل انرژی جنبشی محور ژنراتورهای سنکرون انرژی برداشت می شود، سپس حلقه های کنترل سیستم فعال شده و تعادل را بر قرار می سازند. این روند، نوسان متغیرهای مختلف مانند فرکانس، توان الکتریکی روی خطوط و…را موجب می شود که مشکلات مختلفی را در بهره برداری از سیستم قدرت به دنبال دارد. هر گاه در سیستم مقداری انرژی ذخیره شده باشد،با مبادله سریع آن با شبکه در مواقع مورد نیاز به حد قابل توجهی می توان مشکلات فوق را کاهش داد.به عبارت دیگر، ذخیره ساز انرژی را می توان  در بهبود عملکرد دینامیکی سیستم نیز بکار برد.
از اوایل دههً هفتاد مفهوم ذخیره سازی انرژی الکتریکی به شکل مغناطیسی مورد توجه قرار گرفت. با ظهور تکنولژی ابر رسانایی، کاربردهای گوناگونی برای این پدیده فیزیکی مطرح شد. از معروف ترین این کاربردها می توان به SMES اشاره  کرد. در SMES انرژی در یک سیم پیج با اندوکتاس بزرگ که از ابر رسانا ساخته شده است، ذخیره می شود. ویژگی ابر رسانا یی سیم پیچ موجب می شود که راندمان رفت و برگشت فرایند ذخیره انرژی بالا و در حدود  95% باشد. ویژگی راندمان بالای SMES آن را از سایر تکنیکهای ذخیره انرژی متمایز می کند. همچنین از آنجایی که در این تکنیک انرژی از صورت الکتریکی به صورت مغناطیسیو یا بر عکس تبدیل می شود، SMES دارای پاسخ دینامیکی سریع می باشد. بناراین می تواند در جهت بهبود عملکرد دینامیکی نیز بکار رود. معمولا واحدهای ابر رسانایی ذخیره سازی انرژی را به دو گونه ظرفیت بالا( MWh 500    ( جهت ترا سازی منحنی مصرف، و ظرفیت پایین (چندین مگا ژول) به منظور افزایش میرایی نوسانات و بهبود پایداری سیستم می سازند.
بطور خلاصه مهم ترین قابلیت  SMESجدا سازی و استقلال تولید از مصرف است که این امر مزایای متعددی از قبیل بهره برداری اقتصادی، بهبود عملکرد دینامیکی و کاهش آلودگی را به دنبال دارد.
 
ابررسانایی
در سال ۱۹۰۸ وقتی کمرلینگ اونز هلندی در دانشگاه لیدن موفق به تولید هلیوم مایع گردید حاصل شد که با استفاده از آن توانست به درجه حرارت حدود یک درجه کلوین برسد.
یکی از اولین بررسی هایی که اونز با این درجه حرارت پایین قابل دسترسی انجام داد مطالعه تغییرات مقاومت الکتریکی فلزات بر حسب درجه حرارت بود. چندین سال قبل از آن معلوم شده بود که مقاومت فلزات وقتی دمای آنها به پایین تر از دمای اتاق برسد کاهش پیدا می کند. اما معلوم نبود که اگر درجه حرارت تا حدود کلوین تنزل یابد  مقاومت تا چه حد کاهش پیدا می کند.  آقای اونز که با پلاتینیم کار می کرد متوجه شد که مقاومت نمونه سرد تا یک مقدار کم کاهش پیدا می کرد که این کاهش به خلوص نمونه بستگی داشت. در آن زمان خالص ترین فلز قابل دسترس جیوه بود و در تلاش برای بدست آوردن رفتار فلز خیلی خالص اونز مقاومت جیوه خالص را اندازه گرفت.او متوجه شد که در درجه حرارت خیلی پایین مقاومت جیوه تا حد غیر قابل اندازه گیری کاهش پیدا می کند که البته این موضوع زیاد شگفت انگیز نبود اما نحوه از بین رفتن مقاومت غیر منتظره می نمود.موقعی که درجه حرارت به سمت صفر تنزل داده می شود به جای اینکه مقاومت به ارامی کاهش یابد در درجه حرارت ۴ کلوین ناگهان افت می کرد و پایین تر ازاین  درجه حرارت جیوه هیچگونه مقاومتی از خود نشان نمی داد. همچنین این گذار ناگهانی به حالت بی مقاومتی فقط مربوط به خواص فلزات نمی شد و حتی اگر جیوه ناخالص بود اتفاق می افتاد.آقای اونز قبول کرد که پایین تر از ۴ کلوین جیوه به یک حالت دیگری از خواص الکتریکی که کاملا با حالت شناخته شده قبلی متفاوت بود رفته است و این حالت تازه (( حالت ابر رسانایی )) نام گرفت.
بعدا کشف شد که ابررسانایی را می توان از بین برد ( یعنی مقاومت الکتریکی را می توان مجددا بازگردانید.)  و در نتیجه معلوم شد که اگر یک میدان مغناطیسی قوی به فلز اعمال شود این فلز در حالت ابررسانایی دارای خواص مغناطیسی بسیار متفاوتی با حالت درجه حرارتهای معمولی می باشد.
تاکنون مشخص شده است که نصف عناصر فلزی و همچنین چندین آلیاژ در درجه حرارت های پایین ابر رسانا می شوند. فلزاتی که ابررسانایی را در درجه حرارت های پایین از خود نشان می دهند ( ابر رسانا ) نامیده می شوند. سالهای بسیاری تصور می شد که تمام ابررسانا ها بر طبق یک اصول فیزیکی مشابه رفتار می کنند. اما اکنون ثابت شده است که دو نوع ابررسانا وجود دارد که به نوع I و II مشهور می باشد. اغلب عناصری که ابررسانا هستند ابررسانایی از نوع I را از خود نشان می دهند.در صورتی که آلیاژها عموما ابررسانایی از نوع II را از خود نشان می دهند. این دو نوع چندین خاصیت مشابه دارند. اما رفتار مغناطیسی بسیار متفاوتی از خود بروز می دهند.
پدیده ی ابر رساناییدر تکنولوژی از توانایی گستردهای بر خوردار است زیرا بر پایه ی این پدیده بارهای الکتریکی می توانند بدون تلفات گرمایی از یک رسانا عبور کنند. به طور مثال جریان القا شده در یک حلقه ی ابر رسانا بدون وجود هیچ باطری در مدار به مدت چند سال بدون کاهش باقی می ماند.برای نمونه در واشنگتن از یک خلقه ابر رسانای بزرگ برای ذخیره کردن انرژی الکتریکی در ت کوما استفاده می شود. ذخیره ی انرژی در این حلقه تا ۵ مگاوات بالا می رود و انرژی در مدت مورد نظر آزاد می شود.
عمده مشکل ایجاد کردن شرایط برای این پدیده دمای بسیار پایین آن می باشد که باید دماهای بسیار پایین را محیا کرد . اما در سال ۱۹۸۶ مواد سرامیکی جدیدی کشف شد که در دماهای بالاتری توا نایی ابر رسانایی را داشته باشد.( تا اکنون در دمای ۱۳۸ درجه کلوین این امر میسر شده است .)
کاربردهای ابر رسانایی :
کاربردهای زیادی را برای ابررساناهادر نظر گرفته است بعنوان مثال استفاده از ابر رساناها باعث خواهد شدکه مدار ماهواره های چرخنده به دور زمین با دقت بسیاربالایی کنترل شوند . خاصیت اصلی ابر رساناها به دلیل نداشتن مقاومت الکتریکی امکان انتقال جریان الکتریکی – حجم کوچکی از ابررسانا است . بهمین خاطر اگر بجای سیمهای مسی از ابر رساناها استفاده شود ،موتورهای فضاپیماها تا ۶ برابر نسبت به موتورهای فعلی سبکتر خواهند شد و باعث می شود که وزن و فضاپیما بسیار کاهش یابد .
از دیگر زمینه هایی که ابررساناها می توانند نقش اساسی در آنها بازی می کنند می توان کاوشهای بعدی انسان از فضارا نام برد . ابررساناها بهترین گزینه برای تولید وانتقال بسیارکارآمد انرژی الکتریکی هستند و طی شبهای طولانی ماه که دما تا ۱۷۳- درجه سانتی گراد پایین می آید و طی ماههای ژانویه تا مارس دستگاههای MRI ساخته شده ازسیمهای ابررسانا ، ابزار تشخیص دقیق وتوانمندی در خدمت سلامت خدمه فضاپیما خواهد بود . و همچنین ساخت ابر کامپیوتر های بسیار کوچک و کم مصرف می باشد.

 

 
SMES چیست؟
 Superconducting Mgnetic Enrgy Storage
  ابرسانای ذخیره کننده انرژی مغناطیسی
وسیله ای است برای ذخیره کردن انرژی و بهبود پایداری سیستم و کم کردن نوسانات. این انرژی توسط  میدان مغناطیسی که توسط جریان مستقیم ایجاد می شود ذخیره می شود.
 

 
 
این وسیله می تواند هزاران بارشارژ و دشارژ شود بدون اینکه تغییری در مغناطیس آن ایجاد شود .
 
  SMES اولین سیستم 
 
اولین نظرییه ها در مورد این سیستم توسط فرریهFerrier  در سال ۱۹۶۹ مطرح شد او سیم پچی بزرگ مارپیچی که توانایی ذخیره انرژی روزانه کل فرانسه داشت پیشنهاد کرد. که به خاطر هزینه ساخت بسیار زیاد آن کسی پیگیری نکرد.
در سال ۱۹۷۱ تحقیقات در آمریکا در دانشگاه ویسکانسین برای فهمیدن بحثهای بنیادی اثر متقابل مابین انرژی ذخیره شده و سیستم های چند فازه منجربه ساخت اولین دستگاه شد.
هیتاچی در سال ۱۹۸۶ یک دستگاه SMES به میزان ۵MJ را ساخت وآزمایش کرد.در سال ۱۹۹۸ یک SMES 100KWH توسط ISTEC در ژاپن ساخته شد.
SMES و مدل سازی آن
یک واحد SMES که در سیستمهای قدرت بکار گزفته میشود از یک سیم پیچ بزرگ ابررسانا و یک سیستم سرد کننده هلیم به منظور نگهداری دمای هلیم در زیر دمای بحرانی تشکیل شده است. سیم پیچ ابررسانا از طریق دو مبدل AC/DC شش تریسیتور و یک ترانسفورماتور قدرت سه سیم پیچه کاهنده به سیستم قدزت متصل است.
در شکل اندوکتانس L به عنوان بار در قسمت DC در منطقه کنترل دما قرار می گیرد.و مبدلهای AC/DC در خارج این منطقه قرار می گیرند.
با کنترل زاویه آتش تریسیتورها ولتاژ DC دو سر سیم پیچ ابر رسانا را میتوان به طور پیوسته در بازه ی وسیعی از مقادیر ولتاژهای مثبت ومنفی کنترل کرد. اگز از تلفات جزیی سیستم صرفنظر کنیم بر اساس تئوری مبدل ها داریم:
 

که در آن Ed ولتاژ دو سرسیم پیچ  Ed ولتاژماکزیمم دو سر سیم پیچ در بی باری ،  Idجریان سیم پیچ ابر رسانا ، xc  راکتانس کموتاسیون همگی بر حسب pu و a زاویه آتش می باشد مشخصه کاری SMES دارای دو حالت یکسوسازی و اینورتری می باشد . معمولاً این پریود در زاویه آتش صفر یعنی حداکثر ولتاژ اجام می شود.در حالت اینورتری انرژی مغناطیسی ذخیره شده در سیم پیچ به شکل الکتریکی وارد شبکه می گردد.
شکل زیر بلوک دیاگرام مدل SMES را نشان می دهد . ولتاژ Ed دو سر سیم سیم پیچ به عنوان عامل کنترل توان مورد استفاه قرار می گیرد. بسته به نوع کاربرد SMES یکی از کمیت های تغییر فرکانس شبکه تغییر سرعت ماشین سنکرون ، تغییرات ولتاژ شبکه و… به عنوان ورودی به SMES انتخاب می شود . خروجی SMES نیز توان دریافتی می باشد.در این شکل Tdc تاخیر زمانی مبدل،Kf بهره حلقه کنترل و L اندوکتانس سیم پیچ می باشد.معمولا پس از تخلیه انرژی SMES زمان زیادی لازم است تا جریان به حالت اولیه بر می گردد،به منظور رفع این مشکل میتوان از یک فیدبک تغییر جریان استفاده کرد.بدین ترتیب SMES را در مطالعات دینامیکی می توان با این مدل غیر خطی مرتبه دوم توصیف کرد.
چگونگی انجام کار
•    ابررسانایی
اجسام ابررسانا ظرفیت ذخیزه را افزایش می دهند ،در دماهای پایین اجسام ابررسانا در مقابل عبور جریان از خود مقاومتی نشان نمی دهند .به هر حال کاربرد ابرسانا ها توسط عواملی چون وضعیت کاهش دما ، میدان مغناطیسی بحرانی و چگالی جریان بحرانی محدود میشود.
 

 

 انرژی الکتریکی را در میدان مغناطیسی ناشی از جریانDC  جاری در سیم پیچ ذخیر می شود. اگر سیم پیچ از موادی مثل مس باشد انرژی مغناطیسی زیادی در سیم به خاطر مقاومت بیهوده تلف می شود ؛ اگر سیم از جنس ابر رسانا باشد انرژی در حالت (( پایا)) وتا زمانی که لازم است ذخیره شود. ابررساناها در مقابل جریان DC مقاومت ندارند و به همین دلیل در دمای پایین تلفات اهمی ا محو میکنند در کابرد AC جریان الکتریکی هنوز تلفات دارد اما این تلفات میتواند با طراحی مناسب کاهش پیدا کند. برای هر دوحالت کاری AC DC انرژی زیادی ذخیره میشود.
بهینه ترین دما برای دستگاهها ۷۷-۵۰ کلوین است
انرژی ذخیره شده در سیم پیچ برابر است با

حجم چگالی انرژی
 

دید کلی
راکتورهای هسته‌ای دستگاه‌هایی هستند که در آنها شکافت هسته‌ای کنترل شده رخ می‌دهد. راکتورها برای تولید انرژی الکتریکی و نیز تولید نوترون‌ها بکار می‌روند. اندازه و طرح راکتور بر حسب کار آن متغیر است. فرآیند شکافت که یک نوترون بوسیله یک هسته سنگین (با جرم زیاد) جذب شده و به دنبال آن به دو هسته کوچکتر همراه با آزاد سازی انرژی و چند نوترون دیگر شکافته می‌شود.
تاریخچه
اولین انرژی کنترل شده ناشی از شکافت هسته در دسامبر ۱۹۴۲ بدست آمد. با رهبری فرمی ساخت و راه اندازی یک پیل از آجرهای گرافیتی ، اورانیوم و سوخت اکسید اورانیوم با موفقیت به نتیجه رسید. این پیل هسته‌ای ، در زیر میدان فوتبال دانشگاه شیکاگو ساخته شد و اولین راکتور هسته‌ای فعال بود.

 

ساختمان راکتور
با وجود تنوع در راکتور‌ها ، تقریبا همه آنها از اجزای یکسانی تشکیل شده‌اند. این اجزا شامل سوخت ، پوشش برای سوخت ، کند کننده نوترونهای حاصله از شکافت ، خنک کننده‌ای برای حمل انرژی حرارتی حاصله از فرآیند شکافت ماده کنترل کننده برای کنترل نمودن میزان شکافت می‌باشد.
سوخت هسته‌ای
سوخت راکتورهای هسته‌ای باید به گونه‌ای باشد که متحمل شکافت حاصله از نوترون بشود. پنج نوکلئید شکافت پذیر وجود دارند که در حال حاضر در راکتورها بکار می‌روند. ۲۳۲Th ، ۲۳۳U ، ۲۳۵U ، ۲۳۸U ، ۲۳۹Pu . برخی از این نوکلئیدها برای شکافت حاصله از نوترونهای حرارتی و برخی نیز برای شکافت حاصل از نوترونهای سریع می‌باشند. تفاوت بین سوخت یک خاصیت در دسته‌بندی راکتورها است.

در کنار قابلیت شکافت ، سوخت بکار رفته در راکتور هسته‌ای باید بتواند نیازهای دیگری را نیز تأمین کند. سوخت باید از نظر مکانیکی قوی ، از نظر شیمیایی پایدار و در مقابل تخریب تشعشعی مقاوم باشد، تا تحت تغییرات فیزیکی و شیمیایی محیط راکتور قرار نگیرد. هدایت حرارتی ماده باید بالا باشد بطوری که بتواند حرارت را خیلی راحت جابجا کند. همچنین امکان بدست آوردن ، ساخت راحت ، هزینه نسبتا پایین و خطرناک نبودن از نظر شیمیایی از دیگر فایده‌های سوخت است.

 

غلاف سوخت راکتور
سوختهای هسته‌ای مستقیما در داخل راکتور قرار داده نمی‌شوند، بلکه همواره بصورت پوشیده شده مورد استفاده قرار می‌گیرند. پوشش یا غلاف سوخت ، کند کننده و یا خنک کننده از آن جدا می‌سازد. این امر از خوردگی سوخت محافظت کرده و از گسترش محصولات شکافت حاصل از سوخت پرتو دیده به محیط اطراف جلوگیری می‌کند. همچنین این غلاف می‌تواند پشتیبان ساختاری سوخت بوده و در انتقال حرارت به آن کمک کند. ماده غلاف همانند خود سوخت باید دارای خواص خوب حرارتی و مکانیکی بوده و از نظر شیمیایی نسبت به برهمکنش با سوخت و مواد محیط پایدار باشد. همچنین لازم است غلاف دارای سطح مقطع پایینی نسبت به بر همکنشهای هسته‌ای حاصل از نوترون بوده و در مقابل تشعشع مقاوم باشد.
مواد کند کننده نوترون
یک کند کننده ماده‌ای است که برای کند یا حرارتی کردن نوترونهای سریع بکار می‌رود. هسته‌هایی که دارای جرمی نزدیک به جرم نوترون هستند بهترین کند کننده می‌باشند. کند کننده برای آنکه بتواند در راکتور مورد استفاده قرار گیرد بایستی سطح مقطع جذبی پایینی نسبت به نوترون باشد. با توجه به خواص اشاره شده برای کند کننده ، چند ماده هستند که می‌توان از آنها استفاده کرد. هیدروژن ، دوتریم ، بریلیوم و کربن چند نمونه از کند کننده‌ها می‌باشند. از آنجا که بریلیوم سمی است، این ماده خیلی کم به عنوان کند کننده در راکتور مورد استفاده قرار می‌گیرد. همچنین ایزوتوپهای هیدروژن ، به شکل آب و آب سنگین و کربن ، به شکل گرافیت به عنوان مواد کند کننده استفاده می‌شوند.
خنک کننده‌ها
گرمای حاصله از شکافت در محیط راکتور یا باید از سوخت زدوده شود و یا در نهایت این گرما بقدری زیاد شود که میله‌های سوخت را ذوب کند. حرارتی که از سوخت گرفته می‌شود ممکن است در راکتور قدرت برای تولید برق بکار رود. از ویژگیهایی که ماده خنک کننده باید داشته باشد، هدایت حرارتی آن است تا اینکه بتواند در انتقال حرارت مؤثر باشد. همچنین پایداری شیمیایی و سطح مقطع جذب پایین‌تر از نوترون دو خاصیت عمده ماده خنک کننده است. نکته دیگری که باید به آن اشاره شود این است که این ماده نباید در اثر واکنشهای گاما دهنده رادیواکتیو شوند.

از مایعات و گازها به عنوان خنک کننده استفاده شده‌ است، مانند گازهای دی اکسید کربن و هلیوم. هلیوم ایده‌آل است ولی پر هزینه بوده و تهیه مقادیر زیاد آن مشکل است. خنک کننده‌های مایع شامل آب ، آب سنگین و فلزات مایع هستند. از آنجا که برای جلوگیری از جوشیدن آب فشار زیادی لازم است خنک کننده ایده‌آلی نیست.

 

مواد کنترل کننده شکافت
برای دستیابی به فرآیند شکافت کنترل شده و یا متوقف کردن یک سیستم شکافت پس از شروع ، لازم است که موادی قابل دسترس باشند که بتوانند نوترونهای اضافی را جذب کنند. مواد جاذب نوترون بر خلاف مواد دیگر مورد استفاده در محیط راکتور باید سطح مقطع جذب بالایی نسبت به نوترون داشته باشند. مواد زیادی وجود دارند که سطح مقطع جذب آنها نسبت به نوترون بالاست، ولی ماده مورد استفاده باید دارای چند خاصیت مکانیکی و شیمیایی باشد که برای این کار مفید واقع شود.
انواع راکتورها
راکتورها بر حسب نوع فرآیند شکافت به راکتورهای حرارتی ، ریع و میانی (واسطه) ، بر حسب مصرف سوخت به راکتورهای سوزاننده ، مبدل و زاینده ، بر حسب نوع سوخت به راکتورهای اورانیوم طبیعی ، راکتورهای اورانیوم غنی شده با ۲۳۵U (راکتور مخلوطی Be) ، بر حسب خنک کننده به راکتورهای گاز (CO2مایع (آب ، فلز) ، بر حسب فاز سوخت کند کننده‌ها به راکتورهای همگن ، ناهمگن و بالاخره بر حسب کاربرد به راکتورهای قدرت ، تولید نوکلید و تحقیقاتی تقسیم می‌شوند.
کاربردهای راکتورهای هسته‌ای
•    راکتورها انواع مختلف دارند برخی از آنها در تحقیقات ، بعضی از آنها برای تولید رادیو ایزتوپهای پر انرژی برخی برای راندن کشتیها و برخی برای تولید برق بکار می‌روند.
•    دوگروه اصلی راکتورهای هسته‌ای بر اساس تقسیم بندی کاربرد آنها. راکتورهای قدرت و راکتورهای تحقیقاتی هستند. راکتورهای قدرت مولد برق بوده و راکتورهای تحقیقاتی برای تحقیقات هسته‌ای پایه ، مطالعات کاربردی تجزیه‌ای و تولید ایزوتوپها مورد استفاده قرار می گیرند.