Os Materiais Supercondutores em Sistemas Eléctricos de Potência
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Universidade Nova de Lisboa - DEE ISEP – 29 de Novembro de 2006 Os Materiais Supercondutores em Sistemas Eléctricos de Potência A. Leão Rodrigues 1 Universidade Nova de Lisboa - DEE 2 ISEP – 29 de Novembro de 2006 1 Propriedades dos Materiais Supercondutores 2 Aplicações em Sistemas de Potência Cabos Eléctricos Electrónica Transformadores de Potência Energia Transportes Industria Medicina Limitadores de Corrente (Disjuntores) Sistemas de Armazenamento de Energia 1995 2000 Motores Eléctricos de Relutância e de Histerese Chumaceiras magnéticas Parques Eólicos Levitação Electromagnética em Transportes (Maglev) 2010 2020 Universidade Nova de Lisboa - DEE 3 ISEP – 29 de Novembro de 2006 • Descoberta da supercondutividade R= u i 0,15 Ω i A V u Termómetro T 0,125 0,10 Hg 0,075 Mercúrio 0,05 Hélio líquido 0,025 Experiência de Onnes 0,00 4o00 10-5 Ω 4o10 4o20 4o40 4o30 T (K) Resultado Heike Kammerling Onnes no seu laboratório de criogenia na Universidade de Leiden, Holanda, em 1911 O mercúrio perde a resistência à temperatura de 4,2 graus Kelvin, tornando-se num supercondutor. Universidade Nova de Lisboa - DEE 4 ISEP – 29 de Novembro de 2006 • Efeito do campo magnético e da corrente Hc (kA/m) 36 Chumbo (Pb) 24 i A V u T Mercúrio (Hg) 12 H Selénio(Sn) Índio(In) Tálio (Tl) 0 Mercúrio Hélio líquido 2 4 6 T(K) 8 Supercondutores de baixa temperatura (LTS) ou de 1ª geração descobertos até à década de 70 H(T) Campo magnético Hc ⎛ ⎛T H (T ) = H c ⎜1 − ⎜⎜ ⎜ T ⎝ ⎝ c ⎞ ⎟⎟ ⎠ Estado normal 2⎞ ⎟ ⎟ ⎠ Estado supercondutor 0 Tc T Universidade Nova de Lisboa - DEE 5 ISEP – 29 de Novembro de 2006 Destruição da supercondutividade • O estado de supercondutividade de um material é destruído se um dos três parâmetros seguintes estiver fora da superfície crítica: • Temperatura crítica (TC) • Campo magnético crítico (HC) • Densidade de corrente crítica (JC) I S Supercondutor Densidade de Corrente, J I J= S Jc Região de supercondutividade Região de não supercondutividade (estado normal) J(T) Densidade de corrente Jc Estado normal ⎛ ⎛T J (T ) = J c ⎜1 − ⎜⎜ ⎜ T ⎝ ⎝ c Estado supercondutor 0 ⎞ ⎟⎟ ⎠ 2⎞ ⎟ ⎟ ⎠ 0 Tc Temperatura, T Tc T Campo Hc magnético, H Superfície crítica Universidade Nova de Lisboa - DEE 6 ISEP – 29 de Novembro de 2006 • Efeito de Meissner Magneto Walter Meissner Ferromagnético L τ = ≈ picosegundos R Magneto Supercondutor Io Corrente τ≈∞ Supercondutor i (t ) = I o e − t τ τ= L ≈∞ R persistente Metal 0 t • Em 1933, Walter Meissner e Robert Ochsenfeld observaram que o fluxo magnético era expelido do interior de um supercondutor. M Um supercondutor é um material diamagnético − χ = H Universidade Nova de Lisboa - DEE ISEP – 29 de Novembro de 2006 Levitação magnética Clique em cima da foto para visualizar o filme 7 Universidade Nova de Lisboa - DEE ISEP – 29 de Novembro de 2006 8 •Supercondutores Cerâmicos de Alta Temperatura (HTS) Bednorz e Alex Muller, nos laboratórios da IBM, perto de Zurique, em 1986. • Em 1986, no laboratório de investigação da IBM, em Rüschliko (Suíça), os investigadores Georg Bednorz e Alex Müller descobriram um composto cerâmico à base de lantânio que se tornava supercondutor abaixo da temperatura de transição de cerca de 20 K. Curvas de transição do La2CuO4 Tc = 20 K Estrutura cristalina do La2CuO4 Universidade Nova de Lisboa - DEE ISEP – 29 de Novembro de 2006 •Supercondutor YBCO (Ítrio, bário e óxido de cobre) YBa2Cu3O7 Paul Chu no laboratório de materiais da Universidade de Huston, em 1987 Blocos cerâmicos de YBCO Tc = 86 K Bolachas cerâmicas de YBCO Estrutura cristalina do YBCO Anéis cerâmicos de YBCO 9 Universidade Nova de Lisboa - DEE ISEP – 29 de Novembro de 2006 • Evolução dos supercondutores ao longo do tempo 140 Temperatura crítica Tc (K) 120 100 80 Azoto líquido 77 K 60 40 20 0 Hidrogénio líquido 23 K 1910 1930 1950 1970 Ano 1990 2010 10 Universidade Nova de Lisboa - DEE ISEP – 29 de Novembro de 2006 Cabos eléctricos Os cabos supercondutores podem transmitir 3 a 5 vezes maior energia do que os cabos convencionais em cobre, sem qualquer perda de energia. Filamentos Supercondutores 11 Prata Devido à necessidade de refrigeração estes cabos são subterrâneos e o azoto é utilizado como elemento refrigerador e isolante. Não contaminam os solos como os de óleo Dieléctrico – azoto líquido Isolante Supercondutor Fita supercondutora em BSCCO Universidade Nova de Lisboa - DEE ISEP – 29 de Novembro de 2006 12 Transformador de potência Supercondutor ψ1(t) (Wb) Azoto líquido Depósito de azoto líquido 1.0 77 K 298 K 0.5 i1(t) (A) - 0.20 -0.15 -0.10 -0.05 0 0.05 0.10 0.15 0.20 Enrolamento AT -0.5 -1.0 pH = 43 kW./m pH = 40 kW/m Enrolamento AT Perdas no ferro à temperatura ambiente (298 K) e a azoto líquido ( 77 K) Núcleo de ferro Constituição da parte activa de um transformador trifásico supercondutor Os enrolamentos são construídos de material cerãmico BSCCO (pronuncia-se 'bisko'). arrefecidos a 196 oC , usando azoto líquido é isolante e não inflamável Os isolantes deverão no entanto resistir a esta baixa temperatura. A vantagem do transformador supercondutor é o aumento da sua potência específica e a redução drástica de perdas. Universidade Nova de Lisboa - DEE ISEP – 29 de Novembro de 2006 Características Características de um transformador supercondutor de 500 kVA 13 Universidade Nova de Lisboa - DEE ISEP – 29 de Novembro de 2006 14 • Limitadores de corrente Circuito magnético Cilindro supercondutor I H(T) Campo magnético Anel de cobre de controlo H Estado normal Hc Estado supercondutor Ar líquido Tc T 0 Primário Ferro (cobre) I Quando o secundário está no estado supercondutor o transformador está em curto circuito e portanto a impedância vista do primário é nula. Se a corrente aumentar exageradamente o campo H aumenta e provoca a passagem ao estado normal do secundário, aumentando a impedância e limitando a corrente de curto circuito Z~0 Z >> 0 LCS LCS Carga Carga LCS Carga Aspecto de um limitador de corrente LimitadoresUniversidade de Corrente Indutivos Nova de Lisboa - DEE 15 ISEP – 29 de Novembro de 2006 Aspecto físico do limitador de corrente Núcleo Tubo SAT Crióstato Primário Limitador de núcleo fechado Limitador de núcleo aberto LimitadoresUniversidade de Corrente Indutivos Nova de Lisboa - DEE ISEP – 29 de Novembro de 2006 Operação normal (baixa impedância) Falta (alta impedância) Núcleo Primário Tubo SAT 16 LimitadoresUniversidade de Corrente Indutivos Nova de Lisboa - DEE ISEP – 29 de Novembro de 2006 Projecto ABB (1996) de uma instalação protegida com um limitador 17 Universidade Nova de Lisboa - DEE 18 ISEP – 29 de Novembro de 2006 Sistemas para armazenamento de energia (SMES) Transformador Rectificador cc Primário Neutro Linha de transmissão de energia I CARGA c I cc caca I 230/400 V Bobina supercondutora 1 Wmag = LI 2 2 PJoule = 0 Tensão GTO ca Secundário Inversor I Duração da falta ~ 0,1 s L R=0 CARGA Bobina armazenadora de energia magnética L=4H I = 100 A W =(1/2)LI2 =20 kJ 5 periodos = 0,1 s P = 200 kW Tempo < 5 períodos Sem bobina supercondutora Tempo Com bobina supercondutora Universidade Nova de Lisboa - DEE 19 ISEP – 29 de Novembro de 2006 Princípio do binário de relutância L (θ ) = Eixo magnético do estator θ Eixo directo do rotor L max 1 (Lmax + Lmin ) + 1 (Lmax − Lmin )cos 2θ 2 2 L (θ) L med L min π/2 0 Fluxo de dispersão T max 0 π 3π/2 2π θ 3π/2 2π θ Variação L(θ) T (θ) π/2 π -T max Variação T(θ) Variação de L(θ) em função da posição rotórica 3 dL(θ) 3 2 T(θ) = I 2 = − Irms(Lmax− Lmin)sin2θ 2 dθ 2 II rms - Constant Variação de L(θ) eT(θ) 2 U rms 3 T (θ ) = . (Lmax − Lmin )sin 2θ 2 ω2 Lmax Lmin IU rms - Constant Universidade Nova de Lisboa - DEE 20 ISEP – 29 de Novembro de 2006 • Motores supercondutores de relutância Rotor do tipo saliente Pequeno fluxo de dispersão Rotor saliente Veio Rotor de Relutância Convencional Estator convencional Rotor do tipo saliente Veio Fluxo no Motor de Relutância Supercondutor Bloco HTS Malhete Rotor de Relutância Supercondutor Universidade Nova de Lisboa - DEE Lmax = 673,9 mH ISEP – 29 de Novembro de 2006 Lmax = 655,2 mH Lmax – Lmin = 331,5 mH Lmax – Lmin = 432,2 mH Lmin = 342,4 mH Lmin = 223,0 mH Lmax = 708,9 mH Lmax – Lmin = 481,6 mH Lmin = 227,3 mH 21 Universidade Nova de Lisboa - DEE Lmax = 721,4 mH ISEP – 29 de Novembro de 2006 Lmax = 669,3 mH Lmax – Lmin = 386,1 mH Lmax – Lmin = 550,4 mH Lmin = 335,4 mH Lmin = 149,0 mH Lmax = 665,8 mH Lmax – Lmin = 615,8 mH Lmin = 50,0 mH 22 Universidade Nova de Lisboa - DEE ISEP – 29 de Novembro de 2006 • Motor de relutância auto pilotado Sentido horário Sentido anti-horário 23 Universidade Nova de Lisboa - DEE ISEP – 29 de Novembro de 2006 24 . Motores eléctricos de histerese Sectores circulares Estator Geração do Binário de Histerese Campo girante Anel supercondutor Topologia do Motor de Histerese Motor de Histerese com 4 sectores Avião criogénico (Tupolev) Aspecto do Rotor do Motor de Histerese Bomba para trasfegar hidrogénio (motor de histerese) Universidade Nova de Lisboa - DEE Saída Azoto líquido ISEP – 29 de Novembro de 2006 Entrada Máquina síncrona com o rotor pré magnetizado (trapped flux) Estator bifásico e bipolar supercondutor Rotor em disco supercondutor 25 Universidade Nova de Lisboa - DEE 26 ISEP – 29 de Novembro de 2006 Chumaceiras para máquinas rotativas Veio a) Chumaceira horizontal Azoto líquido Força de levitação b) Chumaceira vertical ou de impulso Universidade Nova de Lisboa - DEE 27 ISEP – 29 de Novembro de 2006 • Chumaceira horizontal Anel de cobre Anel supercondutor Magneto permanente de NdFeB g Magneto permanente Veio Magneto permanente Shaft Anel supercondutor Anel de cobre Corte da chumaceira horizontal Cilindro de HTS f = 9.7 N/cm2 Distribuição da densidade de força ao longo da chumaceira horizontal Chumaceira magnética comercial 2 F 3 ⎛⎜ B s ≈ A 4 ⎜⎝ 2μ o ⎞⎛ D ⎞ ⎟⎜ ⎟ ⎟⎝ r ⎠ ⎠ Universidade Nova de Lisboa - DEE 28 ISEP – 29 de Novembro de 2006 • Chumaceira vertical ou de impulso Stabilization HTS blocks Liquid nitrogen NdFeB NdFeB YBCO NdFeB YBCO Liquid nitrogen Fluxo na chumaceira vertical a) Lower part (HTS) 300 NdFeB blocks Air gaps b)Upper part (PM) Chumaceira vertical comercial Esquema da chumaceira vertical Levitador Universidade Nova de Lisboa - DEE ISEP – 29 de Novembro de 2006 • O aspecto mais importante no emprego de materiais supercondutores em máquinas eléctricas é: • Redução das suas dimensões; • Redução do peso; • Aumento da sua eficiência. • Os motores que empreguem supercondutores podem ter apenas 30% do tamanho de um motor convencional com a mesma potência. É estimado que os motores supercondutores estejam no mercado em 2010 Potência/volume = 1 Potência/volume = 0.5 to 0.3 a) Máquina clássica b) Máquina supercondutora 29 Universidade Nova de Lisboa - DEE ISEP – 29 de Novembro de 2006 Parques eólicos Gerador síncrono supercondutor em disco Circuito de azoto líquido Azoto líquido Parque eólico com geradores síncronos supercondutores 30 Universidade Nova de Lisboa - DEE ISEP – 29 de Novembro de 2006 Levitação magnética em transportes (Maglev) Bobinas de sustentação Peso Verdugo Motor síncrono linear Reacção Sistema clássico Sistema electromagnético Sistema Maglev 31 Universidade Nova de Lisboa - DEE ISEP – 29 de Novembro de 2006 Levitação magnética em transportes (Maglev) Bobinas laterais Guias • 10 mm do solo • 600 passageiros • 443 km/h (TGV 257 km/h) • 30 km – 7 min 32 Universidade Nova de Lisboa - DEE ISEP – 29 de Novembro de 2006 Maglev - Exemplos Maglev americano Protótipo do Maglev germano chinês Maglev Chinês Estação do Maglev Chinês 33 Universidade Nova de Lisboa - DEE ISEP – 29 de Novembro de 2006 Maglev Projecto NATO SfS do Maglev Russo 34 Universidade Nova de Lisboa - DEE ISEP – 29 de Novembro de 2006 35 Universidade Nova de Lisboa - DEE ISEP – 29 de Novembro de 2006 Clique em cima da foto e agurde para visualizar o filme 36
