Supravodivost (2)

Supravodivost (2)

prof. Václav Černý

O supravodivém přenosu se uvažuje i na krátké vzdálenosti, a to pro úsporu místa. Například Tokio má astronomicky vysokou hustotu spotřeby energie na čtvereční kilometr a rok – asi 90 GW·h/(km²·a). Při této hustotě výkonu jsou neúměrně vysoké tepelné ztráty běžných zemních kabelů.

Obr. 7. Model supravodivého rotoru firmy GEC Alsthom, navržený pro turbogenerátor 1 200 MW, 3 000 min^–1

První projekt supravodivého městského rozvodu byl realizován v roce 2001 v Detroitu v USA. Tři olejové kabely byly na úseku asi 100 m nahrazeny jedním supravodivým kabelem. Cílem tohoto projektu však nejsou energetické úspory – má pouze studijní význam. Ověřuje se mj. i vliv náhlých zkratů (při nich prudce vzroste hustota proudu J) na stabilitu přenosu.

3. Supravodivé transformátory

Supravodivé transformátory jsou na rozdíl od kabelů kompaktní a lze je uzavřít do kryostatu (zařízení, v němž se udržuje nízká konstantní teplota).

V laboratořích Marcoussis (Grenoble, Francie) byl sestaven model jednofázového transformátoru 220 kV·A, 50 Hz. Ve srovnání s běžným transformátorem byla jeho hmotnost asi poloviční a účinnost o něco vyšší.

Supravodiče pro střídavé proudy vykazují určitou zbytkovou rezistanci, a proto ve vinutí vznikají ztráty. Další nepříznivou skutečností je, že při velmi nízkých teplotách klesá i rezistance transformátorových plechů, a tím rostou ztráty vířivými proudy v jádrech transformátorů. Podobně jako u kabelů musí chladicí zařízení pracovat na plný výkon i při chodu naprázdno. Účinnost běžných velkých transformátorů je až 99,7 %, takže supravodivé transformátory v tomto ohledu dosud nemají žádné přednosti.

4. Supravodivé točivé stroje

Použití supravodičů u elektrických strojů bylo od začátku omezeno na části, kterými protéká pouze stejnosměrný proud. Na vývoji supravodičů vhodných i pro střídavé stroje asi od roku 1970 pracovali odborníci v mnoha výzkumných centrech v USA, SSSR, Číně, Francii a Německu.

Pro speciální letecké a kosmické účely v USA v roce 1979 zkonstruovali ultralehký synchronní supravodivý stroj, který při výkonu 20 MW měl hmotnost pouze 800 kg a zaujímal objem zhruba 1 m³ (základní parametry jsou uvedeny v tab. 2).

V roce 1991 byly v časopise IEEE Trans. on Magnetics zveřejněny informace o testování pokusného supravodivého synchronního stroje v laboratořích Alsthom a Mercoussis. Tento stroj měl jmenovitý výkon 18,5 kV·A, jmenovité otáčky 3 000 min^–1, napětí 220/380 V a elektrickou účinnost 0,97. Rotor a stator byly chlazeny dvěma nezávislými heliovými obvody, které byly potrubím propojeny se zkapalňovací centrálou laboratoře.

Turboalternátory se supravodivým stejnosměrným budicím vinutím jsou prozatím nejrozšířenější stroje, u kterých se supravodivost úspěšně uplatňuje. Jejich použití je výhodné pro výkony nad 1 000 MW, kdy je vyšší účinnost a příznivější poměr ceny k výkonu.

Obr. 8. Laboratorní pracoviště se zkoušeným supravodivým strojem Siemens 400 kW

Na obr. 7 je model supravodivého rotoru navržený pro turbogenerátor 1 200 MW, 3 000 min^–1. Průměr rotoru je 1 m, celková délka 13 m, celková hmotnost 15 t, budicí proud 5 kA. Ve srovnání s konvenčním rotorem je výkon na jednotku objemu dvojnásobný a ztráty poloviční.

Supravodivý synchronní stroj o výkonu 400 kW (obr. 8), u kterého byly použity vysokoteplotní supravodiče, testuje od roku 2001 firma Siemens v laboratořích v Erlangenu.

Použité vysokoteplotní vláknové keramické supravodiče o tloušťce několika mikronů vykazují supravodivost již při teplotě kapalného vzduchu (teplota varu 80,16 K, kritická teplota 126,16 K). Vlákna jsou uložena ve stříbrné matrici a chlazena na teplotu 33 K. Pro chlazení se používá neon. Chladicí kompresorový agregát je prostorově menší než např. běžná pračka. Do rotoru se kapalný neon přivádí dutou hřídelí. Proudová hustota v supravodivém vinutí je 75 A·mm^–2 (u běžného měděného vodiče je proudová hustota 4 až 8 A·mm^–2). Ve srovnání s běžnými motory stejné velikosti má tento supravodivý motor dvojnásobný výkon a poloviční ztráty. Poslední úpravy umožnily provozovat tento stroj s běžnými měniči frekvence.

Supravodivé stroje se zvláště uplatní v místech s omezeným prostorem (např. na lodích nebo ropných těžebních věžích na volném moři). Tyto stroje mohou také bez převodů pracovat s vysokootáčkovými plynovými turbínami nebo s pomaloběžnými větrnými motory.

(pokračování)