Реферат дисциплина «Общая энергетика» Тема «Перспективы использования сверхпроводящих индуктивных накопителей энергии» - файл

скачать (148.9 kb.)


[Введите текст] [Введите текст] [Введите текст]

Министерство науки и высшего образования

Федеральная государственная бюджетная образовательная организация высшего образования

Вологодский государственный университет

Институт машиностроения, энергетики и транспорта

Кафедра электрооборудования

РЕФЕРАТ
Дисциплина «Общая энергетика»

Тема «Перспективы использования сверхпроводящих индуктивных накопителей энергии»

13.03.02


Руководитель Бабарушкин В.А

Выполнил студент Клюсов А.Д.

Группа ЭС-21

Дата сдачи 29.01.21

Дата защиты

Оценка по защите


Вологда


2020
СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 3

1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ 3

2 ПЕРСПЕКТИВА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СВЕРХПРОВОДЯЩИХ МАТЕРИАЛОВ 11

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 15

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 15


ВВЕДЕНИЕ

При охлаждении целого ряда материалов до очень низких температур – температуры кипения жидкого гелия, т.е. минус 269 градусов по Цельсию – сопротивление электрическому току становится равным нулю. Это и есть сверхпроводимость. В 1913 г. Камерлинг-Оннес обнаружил разрушение сверхпроводимости сильными магнитными полями и токами и только в середине 1960-х гг., когда советские ученые Лев Ландау, Алексей Абрикосов и Виталий Гинзбург разработали теорию сверхпроводимости, появилась надежда, что сверхпроводящие материалы найдут применение в технике, поскольку они смогут сохранить токонесущую способность в высоких магнитных полях. Их назвали сверхпроводниками второго рода. В конце 1980-х гг. были открыты высокотемпературные сверхпроводники, которые теряют сопротивление уже при температуре жидкого азота – минус 196 градусов по Цельсию.


1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Открытие в конце 1986 года нового класса высокотемпературных сверхпроводящих материалов радикально расширяет возможности практического использования сверхпроводимости для создания новой техники и окажет революционизирующее воздействие на эффективность отра лей народного хозяйства.

Явление, заключающееся в полном исчезновении электрического сопротивления проводника при его охлаждении ниже критической температуры, было открыто нидерландским физиком Х.Камерлинг-Оннесом в 1911 году, а удовлетворительное объяснение, отмеченное именами американских физиков Л.Купера, Дж.Бардина ,Дж.Шриффера, советского математика и физика Н.Н.Боголюбова, получило практическое использование этого явления в середине шестидесятых годов, после того как были разработаны сверхпроводящие материалы, пригодные для технических применений - настолько трудна была проблема.

Сверхпроводимость обнаружена более чем у 20 металлов и большого количества соединений и сплавов (Тк £ 23К), а также у керамик (Тк > 77,4К – высокотемпературные сверхпроводники.) Синтезом всё новых и новых материалов уже удалось поднять сверхпроводимость до 160 К(почти –100 °C.В составе всех этих высокотемпературных сверхпроводников ВТСП обязательно присутствуют ионы меди Сu²ª(роль их в возникновении сверхпроводимости пока не ясна ), которые служат как бы микроскопическими магнитами. Сверхпроводимость материалов с Тк £ 23К объясняется наличием в веществе пар электронов, обладающих энергией Ферми, с противоположными спинами и импульсами (пары Купера), которые образуются благодаря взаимодействию электронов с колебаниями ионов решетки – фононами. Все пары находятся, с точки зрения квантовой механики, в одном состоянии (они не подчиняются статистике Ферми т.к. имеют целочисленный спин) и согласованы между собой по всем физическим параметрам, то есть образуют единый сверхпроводящий конденсат.

Сверхпроводимость керамик, возможно, объясняется взаимодействием электронов с каким-либо другими квазичастицами.У сверхпроводимости три врага: высокие температуры, мощные магнитные поля и большие токи. Если их величины превысят предельные значения, называемые критическими, сверхпроводимость исчезает, сверхпроводник становится обычным проводником. По взаимодействию с магнитным полем сверхпроводники делятся на две основные группы: сверхпроводники I и II рода.

Напряжонность магнитного поля, при котором разрушается сверхпроводимость и поле проникает внутрь проводника, называется критическим магнитным полем Нк.У сверхпроводников второго рода существует промежуток напряженности магнитного поля Нк2 > Н > Нк1, где индукция внутри сверхпроводника меньше индукции проводника в нормальном состоянии.Нк1 – нижнее критическое поле, Нк2 – верхнее критическое поле. Н < Нк1 – индукция в сверхпроводнике второго рода равна нулю, Н > Нк2 – сверхпроводимость нарушается.

Через идеальные сверхпроводники второго рода можно пропускать ток силой:   (критический ток).Объясняется это тем, что поле, создаваемое током, превысит Нк1, вихревые нити, зарождающиеся на поверхности образца, под действием сил Лоренца, двигаются внутрь образца с выделением тепла, что приводит к потере сверхпроводимости.

Tk, Нк1, Нк2, некоторых металлов и соединений:



Вещество

Тк К

m0Нк1 Тл

m0Нк2 Тл

Pb

7.2

0.55




Nb

9.2

0.13

0.27

Te

7.8







V

5.3







Ta

4.4







Sn

3.7







V3Si

17.1




23.4

Nb3Sn

18.2




24.5

Nb3Al

18.9







Nb3Ga

20.3




34.0

Nb3Ge

23.0




37.0

(Y0.6Ba0.4)2CuO4

96




160±20

Y1.2Ba0.3CuO4-8

102




18 при 77К

Сверхпроводимость до сих пор привлекает к себе пристальное внимание со стороны физиков-теоретиков. Ввиду сложности явления разрабатываются как можно более простые модели, из которых были бы предельно ясны его основные черты. Одно из упрощений связано с понятием размерности. Вот почему, рассуждая о сверхпроводимости, теоретики часто обращаются к модели так называемого одномерного кристалла.

Его частицы взаимодействуют друг с другом лишь в одном каком-то направлении, а в двух других, поперечных направлениях взаимодействие между частицами пренебрежимо малы.

В рамках такой модели американский физик У.Литлл в 1964 году выдвинул смелое предположение: возможны сверхпроводники не металлической, а органической природы. Важное место в своих рассуждениях Литлл отводил полимерным молекулам, в основной цепи которых есть чередующиеся единичные и кратные связи (химики называют такие связи сопряжёнными). Дело в том, что каждая химическая связь, соединяющая атомы,- это пара принадлежащих им обоим электронов. В цепочке сопряженных связей степень обобщестления электронов еще выше: каждый из них в равной мере принадлежит всем атомам цепочки и может свободно перемещаться вдоль нее. Эту особенность сопряженных связей в основной цепи полимерной молекупы Литлл полагал важной предпосылкой для перехода в сверхпроводящее состояние. Необходимой для перехода он считал и особую структуру ответвлений от основной цепи. Составив проект своего полимера, ученый заключил: вещество с такими молекулами обязано быть сверхпроводящим; более того - в это состояние оно должно переходить при не очень низкой температуре, возможно, близкой к комнатной.

Проводники, свободные от всяких энергетических потерь при совершенно обычных условиях, конечно же, совершили бы революцию в электротехнике. Идея американского физика была подхвачена во многих лабораториях различных стран.

Однако довольно быстро выяснилось, что придуманный Литллом пример никоем образом перейти в сверхпроводящее состояние не способен. Но энтузиазм рожденный смелой идей ,дал свои плоды, пускай и не там, где они предвиделись на первых порах. Сверхпроводимость была таки обнаружена за пределами мира металлов. В 1980 году в Дании группа исследователей под руководством К. Бекгарда, эксперементируя с органическим веществом из класа ион-радикальных солей, перевела его в сверхпроводящее состояние при давлении 10 килобар и температуре на 0,9 градуса выше абсолютного нуля.
В 1983 году коллектив советских физиков, возглавляемый доктором физико-математических наук И.Ф. Щеголевым, добился от вещества того же класса перехода в сверхпроводящее состояние уже при 7 градусах абсолютной шкалы температур и при нормальном давлении. В ходе всех этих поисков и проб вниманием исследователей не был обойден и карбин.( Карбин - органическое вещество, крайне редко встречающееся в природе. Структура которого - бесконечные линейные цепочки из атомов углерода. Свою структуру сохраняет при нагреве до 2000 °С , а затем, начиная примерно с 2300 °С, она перестраивается по типу кристаллической решётки графита. Плотность карбина составляет 1,9-2,2 г/см³.

(…=С=С=С=С=С=С=С=С=С=С=С=…))

В связи с тем, что критические температуры этих материалов не превышали 20 К, все созданные сверхпроводниковые устройства эксплуатировались при температурах жидкого гелия, т.е. при 4-5 К. Несмотря на дефицитность этого хладоагента, высокие энергозатраты на его ожижение, сложность и высокую стоимость систем теплоизоляции по целому ряду направлений началось практическое использование сверхпроводимости. Наиболее крупномасштабными применениями сверхпроводников явились электромагниты ускорителей заряженных частиц, термоядерных установок, МГД-генераторов. Были созданы опытные образцы сверхпроводниковых электрогенераторов, линий электропередачи, накопителей энергии, магнитных сепараторов и др. В последние годы в различных капиталистических странах началось массовое производство диагностических медицинских ЯМР-томографов со сверхпроводниковыми магнитами, потенциальный рынок которых оценивается в несколько млрд. долларов[1].

Открытие высокотемпературных сверхпроводников, критическая температура которых с запасом превышает температуру кипения жидкого азота, принципиально меняет экономические показатели сверхпроводниковых устройств, поскольку стоимость хладоагента и затраты на поддержание необходимой температуры снижаются в 50-100 раз.

Кроме того, открытие высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) сняло теоретический запрет на дальнейшее повышение критической температуры с 30 - вплоть до комнатной. Так, со времени открытия этого явления критическая температура повышена с 30 - 130 К.
Эффект Джозефсона .

Если два сверхпроводника соединить друг с другом «слабым» контактом, например тончайшей полоской из диэлектрика, через него пойдет туннельный сверхпроводящий ток, т.е. произойдет туннелирование сверхпроводящих куперовских пар. Благодаря этому обе системы сверхпроводников связаны между собой. Связь эта очень слаба, т.к. мала вероятность туннелирования пар даже через очень тонкий слой изолятора.

Наличие связи приводит к тому, что в следствии процесса обмена парами состояние обеих систем изменяется во времени[3]. При этом интенсивность и направление обмена определяется разностью фаз волновых функций между системами. Если разность фаз j=j1 - j2 , тогда из квантовой механики следует   . Энергии в точках по одну и другую сторону барьера Е1 и Е2 могут отличаться только если между этими точками существует разность потенциалов Us . В этом случае   (1)

Если сверхпроводники связаны между собой с одной стороны и разделены слабым контактом с другой, то напряжение на контакте можно вызвать, меняя магнитный поток внутри образовавшегося контура. При этом  . Учитывая, что квант потока   и поток Ф через контур может быть лишь nФ0 , где n=0,±1,±2,±3,... Джозефсон предсказал, что   (2)


Где:

Is – ток через контакт

Ic – максимальный постоянный джозефсоновский ток через контакт

j -- разность фаз.

Из (1), (2) следует  .

Поскольку на фазовое соотношение между системами влеяет магнитное поле, то сверхпроводящим током контура можно управлять магнитным полем. В большинстве случаев используется не один джозефсоновский контакт, а контур из нескольких контактов, включенных параллельно, так называемый сверхпроводящий квантовый интерферометр Джозефсона (СКВИД). Величина магнитного поля, необходимого для управления током, зависит от площади контура и может быть очень мала.

Поэтому СКВИДы применяют там, где нужна большая чувствительность.

2 ПЕРСПЕКТИВА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СВЕРХПРОВОДЯЩИХ МАТЕРИАЛОВ

Наиболее важными областями применения сверхпроводников является создание сильных магнитных полей, получение и передача электроэнергии. Соленоид из сверхпроводящего материала может работать без подвода энергии извне сколь угодно долго, поскольку однажды возбужденный в нем ток не затухает. Поддержание соленоида в сверхпроводящем состоянии не требует больших энергетических затрат. При нулевом сопротивлении легко решается проблема теплоотвода. Кроме того, сверхпроводящие магниты намного компактнее обычных. Каждый килограмм массы сверхпроводящего магнита создает магнитное поле, эквивалентное по силе полю 20-тонного электромагнита с железным сердечником[2].

Сверхпроводящие магниты используют для исследований в области физики высоких энергий, создания мощных магнитных кольцевых ускорителей частиц и систем управления движением пучков частиц на выходе из ускорителя.

Проблемы термоядерной энергетики не могут быть решены без применения мощных сверхпроводящих магнитов[1]. Для осуществления управляемого термоядерного синтеза ядер гелия из ядер дейтерия и трития необходимо удерживать в реакционном пространстве горячую тритий-дейтериевую плазму, нагретую до 108 – 109°С. Только сверхпроводящие магниты способны создать поля такой мощности[2].

В ближайшем будущем большой вклад в решение энергетической проблемы возможен за счет повышения термодинамического коэффициента полезного действия тепловых электростанций с использованием МГД-генераторов, принципиальная схема которых показана на рисунке 1.


Рисунок 1 – Принципиальная схема МГД-генератора: 1 – потребитель; 2 – соленоид; 3 – электрод; 4 – поток плазмы

Ионизированные горячие продукты сгорания топлива в виде низкотем-пературной плазмы с температурой около 2500°С пропускают с большой скоростью через сильное магнитное поле[2]. Образовавшуюся электроэнергию снимают электродами, расположенными вдоль плазменного канала. Таким образом, с помощью МГД-генератора осуществляется прямое преобразование тепловой энергии в электрическую.

В перспективе передачу энергии большой мощности целесообразно осуществлять с помощью сверхпроводящих кабельных подземных линий. Принципиально конструкции сверхпроводящих кабелей постоянного и переменного тока не отличаются друг от друга (рисунок 2)




Рисунок 2 – Схема сечения сверхпроводящих кабелей трехфазного тока с коаксиальными парами проводников (а) и постоянного тока с концентрически расположенными проводниками: 1 – вакуумированное пространство; 2 – каналы для жидкого азота; 3 - термостатирующая изоляция; 4 – каналы для жидкого гелия; 5 – сверхпроводники; 6 – электрическая изоляция

Сверхпроводящие кабели имеют поперечное сечение в виде ряда мно-гослойных труб с вакуумной изоляцией между ними[3]. Внутренние трубы по-крыты слоем сверхпроводящего материала толщиной около 0,3 мм и заполнены жидким гелием. В качестве сверхпроводника может быть использован сплав ниобия с титаном или цирконием. Кабели подобной конструкции прошли производственные испытания в России, США и Японии[3].

Сверхпроводимость позволяет также решить проблему запаса электро-энергии впрок с выдачей ее при пиковых нагрузках. Индуктивный накопитель энергии представляет собой тороидальный криостат диаметром несколько метров, по виткам обмотки которого практически без потерь циркулирует ток.

Обычный железнодорожный поезд, движущийся по стальным рельсам, имеет принципиальный предел скорости около 350 км/ч. При его превышении нарушается надежное сцепление колес с рельсами, резко возрастает сила аэродинамического сопротивления, появляется «токосъемный барьер», препятствующий нормальному функционированию системы подвески контактного провода вследствие слишком больших вибраций.

Использование эффекта сверхпроводимости позволяет создать поезд без колес с магнитной подвеской и тягой – поезд на магнитной подушке (рисунок 3)

Рисунок 3 – Эскиз поезда на магнитной подушке

В днище вагонов поезда установлены сверхпроводящие электромагниты 4, охлаждаемые жидким гелием 5. При движении поезда в алюминиевых полосах-рельсах 1 наводятся токи, в свою очередь создающие магнитные поля. Согласно правилу Ленца, магнитное поле индуцированного тока противоположно по направлению внешнему магнитному полю, и между магнитом и алюминиевой полосой возникают силы отталкивания, приподнимающие вагон над эстакадой. Применение сверхпроводящих магнитов позволяет поднять вагон над дорогой на высоту более 100 мм.

Тяга создается с помощью линейного бесконтактного электродвигателя. Линейный двигатель 3 можно представить как модификацию обычного вращающегося двигателя, который разрезали вдоль образующей, развернули и уложили на плоскости.


ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данной работе рассматривался вопрос изучения электрохимических способов получения энергии.

В ходе данной работы были решены следующие задачи:



  1. Изучить перспективы использования сверхпроводящих индуктивных накопителей энергии.

  2. Узнать перспективу использования сверхпроводящих индуктивных накопителей энергии.

  3. Выявить положительные и отрицательные стороны развития сверхпроводящих накопителей.

В результате исследования были сделаны следующие выводы:

Неоспорима роль энергии в поддержании и дальнейшем развитии цивилизации. В современном обществе трудно найти хотя бы одну область человеческой деятельности, которая не требовала бы–прямо или косвенно–больше энергии, чем ее могут дать мускулы человека.

Несомненно, в будущем параллельно с линией интенсивного развития энергетики получат широкие права гражданства и линия экстенсивная: рассредоточенные источники энергии не слишком большой мощности, но зато с высоким КПД, экологически чистые, удобные в обращении.

Энергетика очень быстро аккумулирует, ассимилирует, вбирает в себя все самые новейшие идеи, изобретения, достижения науки.

Список литературы и интернет-ресурсов:

1. Журнал «В мире науки», №1 2013 г., стр. 24

2. http://uas.su/books/newmaterial/323/razdel323.php

3. http://www.schoolnano.ru/node/5337





Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации