12a`11
advertisement
12a'11
Ukazuje się od 1919 roku
Organ Stowarzyszenia Elektryków Polskich
Wydawnictwo SIGMA-NOT Sp. z o.o.
Antoni CIEŚLA
Akademia Górniczo - Hutnicza w Krakowie
Nadprzewodnictwo w stulecie odkrycia: wybrane przykłady
zastosowań
Streszczenie. W roku 2011 mija 100 lat od odkrycia nadprzewodnictwa przez Kamerling Onnesa. Minione stulecie ogromnie wzbogaciło obszar
wiedzy dotyczącej zjawiska nadprzewodnictwa zarówno w teorie (np. teoria BCS, efekt Meissnera), technologie (opanowanie produkcji przewodów
nadprzewodzących nisko- i wysokotemperaturowych) jak i aplikacje. Ten ostatni wątek ma istotne znaczenie ze względów na praktyczne
wykorzystanie zjawiska w krioelektrotechnice. Główne obszary wykorzystania nadprzewodnictwa to: wzbudzanie pola magnetycznego w
elektromagnesach nadprzewodnikowych (zastosowania w procesach technologicznych, fizyce, medycynie), elektroenergetyka (kable, maszyny
nadprzewodnikowe, zasobniki energii – SMESy, ograniczniki prądu zwarcia), lewitacja magnetyczna. Należy przypomnieć, że w roku 1986 (a więc
25 lat temu) odkryto tzw. nadprzewodniki wysokotemperaturowe. Odkrycie to spowodowało ponowne, jeszcze bardziej intensywne zainteresowanie
tym zjawiskiem.
Abstract. It has been 100 years since Kimerling Onnes discovered superconductivity. Over the past century the knowledge about superconductivity
both in theory (e.g. BCS theory, Meissner effect), technology (production of low- and high-temperature superconductors) and applicability have been
greatly enriched. The latter is especially important owing to the practical use of superconductivity in exciting magnetic field in superconductor
electromagnets (for technological processes, physics and medicine), power engineering (wires, superconductor machines, energy storages SMES,
surge protection), magnetic levitation. In 1986, i.e. 25 years ago, the high-temperature superconductors were discovered, intensifying the interest in
th
this phenomenon. Supeconductivity in its 100 anniversary: exemplary applications.
Słowa kluczowe: nadprzewodnictwo, materiały nadprzewodnikowe, nadprzewodnikowe zasobniki energii (SMES), nadprzewodnikowe
ograniczniki prądu zwarciowego (SFCL), lewitacja magnetyczna, separacja magnetyczna.
Keywords: superconductivity, superconducting materials, superconducting magnetic energy storage (SMES), superconducting fault
current limiters (SFCL), magnetic levitation, magnetic separation
Wstęp
W roku 1908 Kamerling Onnes skroplił hel (4,2 K).
Możliwe stało się prowadzenie badań nad właściwościami
metali w ekstremalnie niskich temperaturach. Doprowadziło
go to z kolei – w roku 1911 - do odkrycia zjawiska
nadprzewodnictwa.
Mimo intensywnych badań tego
zjawiska, pierwsze zastosowania nadprzewodników w
elektrotechnice
zrealizowano
dopiero
w
latach
sześćdziesiątych.
Odkrycie
w
1986
roku
nadprzewodników
wysokotemperaturowych było przyczyną ponownego
wzrostu zainteresowania nadprzewodnictwem wśród
elektrotechników. Podobny wzrost zainteresowania, choć w
nieco mniejszej skali, obserwowano w drugiej połowie lat
sześćdziesiątych, gdy opanowana została produkcja
przewodów
nadprzewodnikowych
Nb-Ti
i
Nb3Sn.
Nadprzewodnictwem, które było domeną fizyków, zajęli się
inżynierowie, głównie elektrycy, a rezultatem tego było
opracowanie szeregu modeli urządzeń elektrycznych.
Rozwinęła
się
nowa
gałąź
elektrotechniki
krioelektrotechnika.
Materiały nadprzewodzące
W urządzeniach silnoprądowych stosowane są od lat
sześćdziesiątych nadprzewodniki II rodzaju, takie jak
związki międzymetaliczne Nb3Sn i stopy Nb-Ti, których
temperatura krytyczna nie przekracza 25 K. Temperatury
takie zapewnia chłodzenie ciekłym helem o temperaturze
wrzenia 4,2 K. Nadprzewodniki te nazywane są umownie
nadprzewodnikami niskotemperaturowymi (ang. Low
Temperature Superconductors – LTS). Wymienione
nadprzewodniki są podstawowymi materiałami do
wytwarzania przewodów w postaci wiązek włókien
nadprzewodnikowych o średnicach kilku mikrometrów,
umieszczonych w matrycy miedzianej lub aluminiowej
pełniącej rolę stabilizatora (patrz rys. 2a). Włókna w wiązce
są dodatkowo skręcane w celu zmniejszenia strat
sprzężenia od pola zewnętrznego i własnego. Przewody te
mogą pracować w silnych polach magnetycznych
dochodzących do 20 T, przy uzyskiwanych gęstościach
prądu w materiale nadprzewodnika rzędu 109 A/m2.
Odkrycie nadprzewodnictwa w ceramikach tlenków miedzi
przez K. A. Müllera i G. Bednorza w temperaturach
wyższych niż dopuszczała teoria BCS wywołało wzrost
zainteresowania nadprzewodnictwem i swoisty wyścig w
odkrywaniu materiałów o coraz wyższej temperaturze
krytycznej,
przekraczającej
100
K
(rys.1)
[1].
Nadprzewodniki takie nazywa się nadprzewodnikami
wysokotemperaturowymi
(ang.
High
Temperature
Superconductors – HTS).
Odkrycia te umożliwiły użycie stosunkowo taniego
ciekłego azotu o temperaturze wrzenia 77 K do chłodzenia
Obecnie najbardziej
urządzeń nadprzewodnikowych.
realne do zastosowań silnoprądowych staje się
wykorzystanie nadprzewodników wysokotemperaturowych
Bi-2223 (Bi2Sr2Ca2Cu3Ox), YBCO (YBa2Cu3Ox) oraz
odkrytego w 2001 roku dwuborku magnezu MgB2 [2]. Rys. 2
przedstawia
widok
nadprzewodników
niskoi
wysokotemperaturowych [3].
Temperatura krytyczna jest jednym z trzech parametrów
krytycznych. W urządzeniach nadprzewodnikowych,
szczególnie silnoprądowych, bardzo istotnymi parametrami
są ponadto: krytyczna gęstość prądu Jc oraz krytyczne
PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 87 NR 12a/2011
1
natężenia pola magnetycznego Hc. W Tabeli 1
przedstawiono
definicje
krytycznych
parametrów
nadprzewodników [4]. Wartości parametrów konkretnych
przewodów i taśm nadprzewodnikowych aktualnie
oferowanych, ich właściwości cieplne i mechaniczne zostały
zebrane m. in. w [2].
Rys.1. Zmiany temperatury krytycznej od czasu odkrycia zjawiska
nadprzewodnictwa
a)
b)
gęstości prądu w urządzeniach nawet o 2 rzędy wielkości.
Tak duże gęstości prądu pozwalają na generowanie pól
magnetycznych o indukcjach rzędu 30 T za pomocą
uzwojeń z nadprzewodników niskotemperaturowych i rzędu
60 T za pomocą uzwojeń z nadprzewodników
wysokotemperaturowych [4]. Duża wartość indukcji
magnetycznej oraz duże gęstości prądu generują olbrzymie
naprężenia mechaniczne, wywołane siłą Lorentza,
przekraczające wytrzymałość mechaniczną materiałów
nadprzewodnikowych. Konieczne jest zatem stosowanie
dodatkowych elementów konstrukcyjnych (np. karkasy) w
urządzeniach nadprzewodzących.
Chłodzenie urządzeń nadprzewodnikowych
Podstawowym i najtrudniejszym do utrzymania parametrem decydującym o nadprzewodnictwie jest temperatura.
W
praktyce,
urządzenia
zbudowane
na
bazie
nadprzewodników LTS, pracują w temperaturze 4,2 K
wykorzystując technikę chłodzenia z użyciem ciekłego helu.
Urządzenia nadprzewodnikowe są izolowane termicznie od
otoczenia, co realizowane jest przez umieszczenie ich w
specjalnych kriostatach wyposażonych w złożoną izolację
termiczną minimalizującą dopływ ciepła z zewnątrz drogą
przewodnictwa, konwekcji i promieniowania.
Do
chłodzenia
urządzeń
nadprzewodnikowych
wykorzystywane mogą być kriochłodziarki oraz ciecze
kriogeniczne: ciekły hel (temperatura wrzenia 4,2 K), ciekły
wodór (temperatura wrzenia 20,4 K) oraz ciekły azot
(temperatura wrzenia 77,4 K). Można wyróżnić cztery
podstawowe
techniki
chłodzenia
urządzeń
nadprzewodnikowych: chłodzenie w kąpieli, chłodzenie
wymuszone, chłodzenie kontaktowe (przy wykorzystaniu
kriochłodziarki) oraz chłodzenie w kąpieli ze wspomaganiem. Techniki te obrazuje rys. 3. [5]
Rys. 2 Budowa nadprzewodników: a) nadprzewodnik LTS (stop
NbTi), b) konfiguracja taśmy HTS drugiej generacji SuperPower
2G HTS Wire™
Tabela 1. Definicje parametrów krytycznych nadprzewodników [4]
nazwa i symbol
definicja
temperatura krytyczna Tc
natężenie dolnego
krytycznego pola
magnetycznego Hc1
natężenie górnego
krytycznego pola
magnetycznego Hc2
prądkrytyczny Ic
gęstość prądu
krytycznego Jc
temperatura, poniżej której nadprzewodnik
wykazuje nadprzewodnictwo przy zerowym
natężeniu pola magnetycznego i przy
zerowym prądzie elektrycznym
natężenie pola magnetycznego, przy którym
flukson wnika po raz pierwszy do objętości
nadprzewodników II rodzaju powodując
odstępstwo od idealnego diamagnetyzmu
maksymalne natężenie pola magnetycznego,
poniżej którego nadprzewodnik II rodzaju jest
w stanie mieszanym
maksymalny prąd stały, który może być
rozpatrywany jako płynący bez rezystancji
gęstość prądu elektrycznego przy prądzie
krytycznym określona albo dla całego
przekroju przewodu (całkowita), albo gdy
występuje stabilizator, niestabilizowanej
części przewodu
Urządzenia nadprzewodnikowe
Urządzenie
elektryczne
zawierające
elementy
wykonane z nadprzewodnika i pracujące w stanie
nadprzewodzącym to urządzenia nadprzewodnkowe.
Elementem nadprzewodnikowym może być uzwojenie,
przepust, tor prądowy, złącze Josephsona, rura, cylinder,
bifilarny stos czy inna kształtka. Materiał nadprzewodnikowy
stanowi często tylko część objętości i masy urządzenia [4].
Zazwyczaj tylko elementy nadprzewodnikowe urządzenia
są umieszczone w kriostacie i chłodzone do temperatur
kriogenicznych w przedziale od kilku do kilkudziesięciu
kelwinów a pozostałe podzespoły urządzenia pracują w
temperaturze otoczenia powyżej 290 K. Zastosowanie
nadprzewodników
zamiast
przewodników
konwencjonalnych pozwala na zwiększenie średnich
2
Rys.3. Sposoby realizacji chłodzenia uzwojeń
nadprzewodnikowych: a) chłodzenie w kąpieli, b) chłodzenie kontaktowe (przy wykorzystaniu kriochłodziarki), c) chłodzenie w kąpieli ze wspomaganiem
a)
b)
Głowica
kriochłodziarki
T 0 = 293 K
T 0 = 293 K
T 1 = 77 K
Przepusty prąowe
T 1 = 40 K
Ekran
miedziany
T2 = 4 K
T2 = 4 K
Ścianka
zewnętrzna
kriostau
Elektrom agnes
nadprzewodnikowy
PRÓŻNIA
HEL
AZOT
Rys. 4. Konstrukcja elektromagnesów nadprzewodnikowych dla
dwóch technik chłodzenia uzwojenia nadprzewodnikowego: a) w
kąpieli helowej, b) techniką kontaktową
Wykorzystanie techniki kontaktowej (mikrochłodziarki)
do chłodzenia uzwojeń nadprzewodnikowych, znakomicie
upraszcza budowę kriostatu, w którym to uzwojenie jest
umieszczone.
Na
rys.
4
porównano
budowę
elektromagnesu nadprzewodnikowego, którego uzwojenie
znajduje się w kąpieli helowej (rys. 4a), lub chłodzone jest
PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 87 NR 12a/2011
przy pomocy mikrochłodziarki (rys. 4b). Widać, że
konstrukcja urządzenia w rozwiązaniu 4b nie wymaga
dodatkowych elementów chłodzenia (zbiornika ciekłego
azotu, helu) [1], [5].
W Akademii Górniczo – Hutniczej dostępny jest
elektromagnes nadprzewodnikowy, w którym chłodzenie
uzwojenia realizowane jest techniką kontaktową (pokazaną
schematycznie na rys. 3b). Parametry elektromagnesu
zestawiono w tabeli 2 [6]. Widok elektromagnesu pokazuje
rys. 5 [6].
Tabela 2. Podstawowe parametry elektromagnesu, model HF10100VHT-B. [6]
Parametry cryocoolera
Pole magnetyczne
1) Typ: SumitomoRDK-408
2) Cykl pracy: Modified McMahon
Cycle
3) Pojemność cieplna: 1.0 W/4.2K
4) Nieprzerwany cykl pracy:
ok. 10 000 godzin
5) Czas schładzania: około 60 godz.
1) Indukcja w centrum kanału:
0 – 10 T
2) Czas zasilania (0 T do
10 T): ok. 10 min.
3) Zewnętrzna średnica
magnesu: 600 mm
4) Średnica kanału: 100 mm
znamionowy sieci. Nadprzewodnikowe ograniczniki prądu
zabezpieczają
chroniony
obwód
przed
skutkami
termicznymi i dynamicznymi przepływu prądu awaryjnego,
wprowadzając do niego dużą impedancję w chwili
przekroczenia dopuszczalnej, bezpiecznej wartości prądu w
obwodzie. Czas zadziałania ogranicznika nadprzewodnikowego jest niemal natychmiastowy, amplituda prądu
awaryjnego nie osiąga pierwszego, najniebezpieczniejszego, maksimum. Po zaniku prądu awaryjnego ogranicznik
szybko powraca do pierwotnego stanu charakterryzującego
się znikomo małą impedancją. Wyróżnia się zatem
następujące stany pracy ogranicznika (rys. 7) [7]:
1. stan wyczekiwania - element nadprzewodzący znajduje
się w stanie nadprzewodnictwa,
2. stan przejściowy I – wyjście z nadprzewodnictwa (wzrost
wartości prądu w chronionym obwodzie, ponad wartość
dopuszczalną, powoduje „skokową” zmianę impedancji
ogranicznika),
3. stan awaryjny – ograniczania (działanie elementu
nadprzewodnikowego w stanie rezystywnym powoduje że
impedancja ogranicznika jest maksymalna).,
4. stan przejściowy II – powrót do nadprzewodnictwa.
a)
b)
Rys. 5. Widok elektromagnesu nadprzewodnikowego: model HF10100VHT-B.
Urządzenia nadprzewodnikowe w elektroenergetyce
Wśród najbardziej zaawansowanych technologicznie i
aplikacyjnie silnoprądowych urządzeń nadprzewodnikowych
znajdują się nadprzewodnikowe ograniczniki prądu oraz
nadprzewodnikowe zasobniki energii. Opisane w tym
rozdziale prace nad zastosowaniem nadprzewodnictwa w
elektroenergetyce prowadzone są także w naszym kraju, w
szczególności
w
Pracowni
Technologii
Nadprzewodnikowych w Lublinie (Filia Instytutu Elektrotechniki
w Międzylesiu). Informacje zawarte w tym rozdziale
pochodzą w głównej mierze z prac publikowanych w tym
ośrodku [4], [5], [7].
Nadprzewodnikowe ograniczniki prądu
(Superconducting Fault Current Limiters – SFCL) [7]
Zwarcia awaryjne w sieciach elektroenergetycznych są
dużym zagrożeniem dla transformatorów, generatorów,
szyn zbiorczych i linii przesyłowych oraz zmniejszają
pewność dostarczania energii odbiorcom. Konieczne jest
zatem ich ograniczanie. Temu celowi służą m.in.
nadprzewodnikowe ograniczniki prądu.
Istnieją dwa rodzaje rozwiązań nadprzewodnikowych
ograniczników prądu zwarciowego: rezystancyjne i
indukcyjne (rys.6). Ograniczniki rezystancyjne są proste w
swej konstrukcji, jednak wymagają doprowadzenia prądu
roboczego do elementu nadprzewodnikowego za pomocą
przepustów prądowych. W ogranicznikach indukcyjnych
elementem nadprzewodnikowym jest pierścień stanowiący
zwarte
uzwojenie
wtórne
transformatora
o
konwencjonalnym uzwojeniu pierwotnym na prąd
Rys. 6. Nadprzewodnikowe ograniczniki prądu; a) rezystancyjne,
b) indukcyjne [7]
a)
b)
Rys. 7. Działanie nadprzewodnikowego ogranicznika prądu;
a) stany pracy, b) przebieg prądu w chronionym obwodzie z
ogranicznikiem prądu [7]
PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 87 NR 12a/2011
3
Szczegółowy opis działania obu typów ograniczników prądu
można znaleźć w cytowanej literaturze, np. [7].
Nadprzewodnikowe zasobniki energii
(Superconducting Magnetic Energy Storage – SMES)
W nowej koncepcji systemu elektroenergetycznego
bardzo ważną rolę odgrywają zasobniki energii (rys. 8) [8].
Spośród znanych rozwiązań tych urządzeń, na szczególną
uwagę
–
w
aspekcie
omawianych
aplikacji
nadprzewodnictwa
–
zasługują
nadprzewodnikowe
zasobniki energii (SMESy). System SMES jest urządzeniem
pozwalającym na magazynowanie energii w polu
magnetycznym. Pole magnetyczne w systemie SMES jest
wytwarzane przez prąd stały płynący w elektromagnesie
nadprzewodnikowym (rys. 9.) [4].
Nadprzewodnikowe zasobniki energii charakteryzuje
bardzo duża gęstość mocy, którą można pobrać lub oddać
w bardzo krótkim czasie, dlatego głównym obszarem
zastosowań systemów SMES jest zabezpieczenie przed
nieplanowanymi
przerwami
w
dostawie
energii,
zapewnienie jakości dostarczanej energii elektrycznej
poprzez łagodzenie efektów chwilowych zaników napięcia,
a także do wyrównywania obciążeń mocy odbiorników
energii pracujących w sposób impulsowy lub przerywany.
Możliwości zastosowania SMES przedstawia tabela 3 [4].
Nadprzewodnikowy zasobnik energii włączony do
systemu elektroenergetycznego, współpracuje z nim
poprzez elektroniczny konwerter, który umożliwia
dwukierunkowy przepływ energii pomiędzy siecią
elektryczną i elektromagnesem nadprzewodnikowym (rys.
10) [4]. Opracowane i realizowane w ostatnich latach
projekty przemysłowych zastosowań SMES-ów obejmują
trzy grupy:
- układy µSMES o energiach rzędu MJ wchodzących
częściowo w fazę komercjalizacji,
- układy o energiach rzędu GJ (lub MWh), będące jeszcze
w fazie studiów projektowych i konstrukcyjnych,
- zasobniki wysokotemperaturowe o niewielkich energiach
w zakresie kilodżuli.
Rys. 10. Schemat układu nadprzewodnikowego zasobnika energii
współpracującego z siecią elektroenergetyczną
W tabeli 4 przedstawione zostały parametry wybranych
SMES-ów z elektromagnesami z nadprzewodnikami LTS i
HTS [4]
Tabela 4. Parametry wybranych SMES-ów opracowanych na
świecie [4]
kraj
Finlandia
Niemcy
EUS GmbH
Niemcy
ACCEL
Niemcy
Rys. 8. Koncepcja rozproszonego
energetycznego z zasobnikiem energii
systemu
elektro-
organizacja
Uniwersytet
w Tempere
Niemcy
Wochy
USA
Japonia
FZK
Research
Center
TU Munich
CESI
FSU CAPS
JAERI
Japonia
KEPCo
Korea
KEMCo
typ
HTS
µSMES
HTS
µSMES
specyfikacja
160 A/ 200 V, 5 kJ
100 A/ 200 V, 8 kJ
LTS µSMES
1 kA/ 400 V, 2 MJ
LTS µSMES
2,5 kA/ 6 kV, 0,22 MJ
LTS µSMES
LTS µSMES
LTS SMES
LTS SMES
HTS
µSMES
LTS µSMES
1380 A/ 3 kV, 1 MJ
1 MVA, 4 MJ
4 kA/ 24 kV, 100 MJ
3 kA/ 32,6 kV, 71,1 MW
600 A, 4 kJ
0,9 kA, 1 MJ
Opis
innych
urządzeń
nadprzewodnikowych
znajdujących zastosowanie w elektroenergetyce (kable,
generatory) można znaleźć w cytowanej literaturze.
sieć elektroenergetyczna
przekształtnik
AC/DC
Nadprzewodnictwo w elektrotechnice
Spośród licznych zastosowań nadprzewodnictwa w
obszarze elektrotechniki, uwagę Czytelnika autor pragnie
zwrócić na dwa: lewitację magnetyczną i wykorzystanie
silnych
pól
magnetycznych
wzbudzanych
przez
elektromagnesy
nadprzewodnikowe
do
separacji
magnetycznej. Ten ostatni problem rozwijany jest m. in.
przez autora w trakcie realizacji projektów badawczych.
uzwojenie
nadprzewodnikowe
Rys. 9. Idea działania SMES
Tabela 3. Potencjalne zastosowania SMES-ów [4]
zastosowanie
wyrównywanie szczytów
poprawa jakości energii
lokalne źródło mocy
współpraca ze źródłami małej mocy
i innymi źródłami energii, współpraca
z rozproszonymi źródłami energii,
współpraca z systemami
fotowoltaicznymi i akumulatorowymi
4
energia
50 MJ
180 GJ
0,1 MJ
10 MJ
0,1 MJ
10 MJ
5 - 50 kJ
czas
rozładowania
minuty, godziny
sekundy
dziesiątki
mikrosekund
sekundy
Lewitacja magnetyczna
Lewitacją
(łac.
levitas
=
lekkość)
słowem
zapożyczonym z okultyzmu, przyjęto nazywać unoszenie
lub podwieszenie ciał ferromagnetycznych pod wpływem
pola
magnetycznego
magnesów
trwałych
lub
elektromagnesów bądź pola prądów indukowanych w
litych ciałach przewodzących szybko poruszających się
względem pola wzbudzającego.
Obecnie zjawisko to jest wykorzystywane na skalę
przemysłową zarówno przy podwieszaniu wagonów na
poduszce magnetycznej, w procesach technologicznych
(topienie
metali),
konstrukcji
maszyn
(łożyska
PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 87 NR 12a/2011
magnetyczne), jak i w diagnostyce (np. bezdotykowe
zawieszenie ciał w tunelach aerodynamicznych) [9].
U podstaw lewitacji magnetycznej z wykorzystaniem
materiałów
nadprzewodnikowych
leży
wzajemne
odpychanie się jednoimiennych biegunów magnetycznych.
Podstawowym prawem wykorzystywanym w lewitacji jest
efekt Meissnera. Cechą charakterystyczną tego efektu jest
wypychanie
pola
magnetycznego
na
zewnątrz
nadprzewodnika.
Pełną
analizę
zachowania
się
nadprzewodnika wysokotemperaturowego lewitującego w
polu magnesu trwałego można znaleźć m. in. w [10].
Na rys. 11 pokazano podstawową konfigurację do
analizy
zjawiska
lewitacji
nadprzewodnika
wysokotemperaturowego (HTS) w polu magnetycznym
magnesu trwałego (PM), zaś na rys. 12 pokazano efekt
lewitacji tego nadprzewodnika po schłodzeniu poniżej
temperatury krytycznej bez obecności pola magnetycznego
(nadprzewodnik jest wówczas traktowany jako doskonały
diamagnetyk (μr = 0)) [10].
możliwości w zagospodarowaniu ubożejących surowców
pierwotnych i wtórnych jest zastosowanie szczególnej
fizycznej
metody
separacji
magnetycznej
wysokogradientowej (High Gradient Magnetic Separation –
HGMS) z użyciem elektromagnesów nadprzewodnikowych.
Cechą charakterystyczną takich urządzeń są uzyskiwane
wielkie wartości gęstości siły pola magnetycznego
12
N/m3 pozwalające na
dochodzące nawet do 210
wydzielanie bardzo drobnych cząstek mineralnych
różniących się właściwościami magnetycznymi nawet w
zakresach niskich wartości podatności magnetycznej.
Metoda separacji wysokogradientowej opiera się na
wykorzystaniu powszechnie znanej zależności określającej
siłę z jaką pole magnetyczne o natężeniu H działa na
cząstkę nieferromagnetyczną znajdującą się w tym polu
[11]:
(1)
1
Fm cVc grad H B0
2
w której: c - podatność magnetyczna cząstki, Vc - jej
objętość .
W wyrażeniu (1) człon cVc charakteryzuje fizyczne
Żelazo
Rys. 11. Podstawowa konfiguracja do badania zjawiska
lewitacji z wykorzystaniem nadprzewodnika wysokotemperaturowego (HTSC) i magnesu
trwałego (PM)
Rys. 12. Nadprzewodnik wysokotemperaturowy (HTSC)
jako doskonały diamagnetyk
lewitujący w polu magnesu
trwałego (magnes trwały
namagnesowany osiowo)
Najbardziej spektakularnym przykładem wykorzystania
zjawiska lewitacji jest budowa pociągu na poduszce
magnetycznej osiągającego najwyższe prędkości. W
Japonii tradycje szybkich kolei związane są ze słynnym
pociągiem Shinkanzen kursującym między poszczególnymi
miastami od Kyushu po Hokkaido z olbrzymią prędkością
ponad 250 km/godzinę. Program Shinkanzen funkcjonuje
od 40 lat i rozpatruje się obecnie następny etap - pociąg
lewitujący na poduszce magnetycznej wytworzonej przez
elektromagnesy nadprzewodnikowe Yamanashi Line.
Pierwszy krok w tym zagadnieniu został już wykonany.
Ogromną nadzieję na kolejną aplikację pociągu na poduszce magnetycznej wzbudził komunikat rządu japońskiego odnośnie budowy takiej kolei miedzy Tokio, Nagoja i
Osaką: The Japanese government has signalized Central
Japan Railway "to proceed with construction" of its magnetically levitated {maglev} train line between Tokyo, Nagoya
and Osaka (TOKYO, Japan, May 30, 2011 (ENS) [3])
Separacja magnetyczna
Górnictwo XXI wieku zmuszone jest do sięgania po
surowce coraz uboższe w składniki użyteczne, znacznie
rozproszone w skałach w postaci coraz drobniejszych
ziaren ich nośników. Górnictwo będzie także zmuszone do
minimalizacji skutków środowiskowych przy pozyskiwaniu
surowców mineralnych, po którym pozostają coraz większe
ilości odpadów. Niestety klasyczne i bezpieczne
ekologicznie fizyczne metody wzbogacania i oczyszczania
surowców (np. flotacja, wzbogacanie grawitacyjne,
konwencjonalna separacja magnetyczna) okazują się w
takich przypadkach coraz mniej skuteczne. Jednym z
bardzo obiecujących kierunków otwierających nowe
właściwości cząstek, które mają być wydzielone w procesie
separacji (lub filtracji), natomiast drugi człon tego wyrażenia
charakteryzuje zdolność pola magnetycznego do ekstrakcji
cząstek o określonych właściwościach fizycznych
(podatność, uziarnienie). Wysokogradientowa separacja
magnetyczna z użyciem magnesów nadprzewodzących
stanowi jedno z najbardziej zaawansowanych rozwiązań w
przeróbce
surowców
mineralnych.
Najważniejszą
technologicznie cechą takich rozwiązań jest niska
energochłonność i niewielka masa urządzeń oraz
możliwość wydzielania słabo magnetycznych cząstek o
rozmiarach <1m., niedostępnych dla żadnych innych
fizycznych metod separacji [13].
Rys. 13. Schemat separatora
wysokogradientowego z
wykorzystaniem elektromagnesu
nadprzewodnikowego typu FREE
HELIUM MAGNET (z rys. 5)
Rys.14. Wypełnienie
przestrzeni separatora
elementami gradientotwórczymi (watą
ferromagnetyczną)
W Katedrze Elektrotechniki i Elektroenergetyki AGH
realizowano pod kierunkiem autora projekt badawczy:
Wydzielanie składników silnie rozproszonych z surowców i
odpadów mineralnych w ekstremalnie silnych polach
magnetycznych (do 10 T) przy użyciu magnesu
nadprzewodnikowego typu Free Helium Magnet (projekt nr
N N524 393834).
Badania wysokogradientowej separacji magnetycznej
prowadzono na stanowisku pokazanym na rys. 13, z
wykorzystaniem elektromagnesu nadprzewodnikowego
pokazanego na rys. 5. Należy podkreślić fakt, że jest to
jedyne tego typu stanowisko w kraju. Badania obejmowały
opracowanie nowych metod wzbogacania prowadzących do
określenia potencjalnych źródeł cennych pierwiastków
rzadkich, co powinno skutkować lepszym niż dotychczas,
bardziej
kompleksowym
wykorzystaniem
surowców
PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 87 NR 12a/2011
5
mineralnych. Istotnym elementem projektu było także
testowanie różnych kierunków wykorzystania posiadanej
unikalnej aparatury i opracowanie metodyki do celów
diagnostycznych form mineralnych i wydzielanych nośników
pierwiastków rozproszonych w surowcach i odpadach. Dla
osiągnięcia tak sformułowanych celów, wytypowano jako
materiały do badań wybrane z założenia trudno
wzbogacalne surowce i odpady mineralne. Były to surowce
krajowe
kaolinowe
o
różnym
stopniu
obróbki
fizykochemicznej,
drobnoziarniste
odpady
skalne
wzbogacane z celem usunięcia zanieczyszczeń lub
pozyskania cennych pierwiastków w nich rozproszonych. W
każdym z przebadanych materiałów metodą separacji
magnetycznej wysokogradientowej otrzymano bardzo
interesujące rezultaty. Wskazują one jednoznacznie na
celowość stosowania pól magnetycznych o indukcjach
znacznie wyższych (pola rzędu 4 – 8 T). Aplikacja pól o
takich indukcjach gwarantuje otrzymanie uzysków
związków żelaza i tytanu w kaolinach i mączce skaleniowo–
kwarcowej zdecydowanie większych niż można uzyskać w
separatorach klasycznych [12].
technologicznych (separacja magnetyczna). Z uwagi na
korzyści stosowania elektromagnesów z uzwojeniem
nadprzewodnikowym do wzbudzania pola magnetycznego
w wysokogradientowych separatorach magnetycznych
(zmniejszenie masy, wymiarów, możliwość wzbudzania
pola w dużych objętościach, znaczne wartości natężenia
pola) czyni ten obszar niezwykle atrakcyjny dla przeróbki
kopalin.
Cechą
charakterystyczną
separatorów
nadprzewodnikowych są uzyskiwane w przestrzeni roboczej
separatorów wielkie wartości gęstości siły pola
12
N/m3
magnetycznego dochodzące nawet do 210
pozwalające na wydzielanie bardzo drobnych cząstek
mineralnych różniących się właściwościami magnetycznymi
nawet w zakresach niskich wartości podatności
magnetycznej.
W
ramach
podsumowania
widomości
o
nadprzewodnictwie,
autor
skonstruował
diagram
pokazujący jego właściwości, wzajemne relacje i
potencjalne możliwości zastosowania (rys 15).
Podsumowanie
Stały rozwój nadprzewodnictwa czyni tę tematykę coraz
bardziej interesującą dla inżynierów różnych specjalności, w
tym szczególnie elektryków. Zerowa rezystancja, a w
konsekwencji brak rozpraszania energii elektrycznej
powoduje, że nadprzewodniki są stosowane powszechnie w
uzwojeniach elektromagnesów nadprzewodnikowych (na
przykład w medycynie, w tomografii komputerowej, fizyce).
Doskonały diamagnetyzm nadprzewodników odkryty przez
Meissnera, ma swoje praktyczne przełożenie w lewitacji
magnetycznej (pociągi na poduszce magnetycznej Maglev).
[1] Janowski T., Postęp w zastosowaniach nadprzewodników,
XXIV-IC-SPETO 2001, str 47 – 50,
[2] Majka M.: Ograniczenia w budowie nadprzewodnikowych
ograniczników dużych prądów zwarciowych. Rozprawa
doktorska, Instytut Elektrotechniki, Międzylesie, 2011,
[3] Krawczyk A., Xose M. Lopez-Fernandez, Wiak S.: 100
Anniversary of the Discovery of Superconductivity, ISEF2011,
Funchal, Madeira, 2011,
[4] Janowski T. i inni: Nadprzewodnikowe zasobniki energii,
Wydawnictwo – Drukarnia „Liber DUO s.c.” Lublin 2007,
[5] Janowski T. (redakcja): Technologie nadprzewodnikowe i
plazmowe w energetyce, Lubelskie Towarzystwo Naukowe,
Lublin 2009,
[6] Cieśla A: Suprconducting magnet of free helium type used for
the filtration in environmental processing, PRZEGLĄD
ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), R. 86, Nr 5/2010,
pp. 181 – 184,
[7] Janowski T. i inni: Nadprzewodnikowe ograniczniki prądu,
Wydawnictwo Drukarnia LIBER, Lublin, 2002 r.
[8]
Malko J., Wojciechowski H.: Europejska platforma
technologiczna sieci inteligentnych “Smart Grids”, Instal, nr
12/2009
[9]
Cieśla A. Kraszewski W. Skowron M.: Określenie siły
działającej na wysokotemperaturowy nadprzewodnik jako
element lewitujący w polu magnesów trwałych dla przyjętej
geometrii układu, XXIX-IC-SPETO 2006 r., pp. 191 – 194.
[10] May H., Palka R., Portabella E., Canders W-R.:Evaluation of
the magnetic field – high temperature superconductor
interactions, COMPEL, The International Journal for
Computation and Mathematics in Electrical and Electronic
Engineering, Vo. 23, No. 1, 2004 r., pp. 286 – 304.
[11] Cieśla A: Use of the superconductor magnet to the magnetic
separation. Some selected problems of exploitation.
International Journal of Applied Electromagnetics and
Mechanics 19 (2004) IOS Press, pp. 327 – 331
[12] Cieśla A. i inni: Sprawozdanie z projektu badawczego:
Wydzielanie składników silnie rozproszonych z surowców i
odpadów mineralnych w ekstremalnie silnych polach
magnetycznych (do 10 T) przy użyciu magnesu
nadprzewodnikowego typu Free Helium Magnet (projekt nr N
N524 393834). Kraków, 2011, niepublikowane
1911 -2011 NADPRZEWODNICTWO
WŁAŚCIWOŚCI
DOSKONAŁY
DIAMAGNETYZM
ZEROWA
REZYSTANCJA
ZASTOSOWANIA
EFEKTY
KWANTOWE
WZBUDZANIE POLA
MAGNETYCZNEGO
W ELEKTROMAGNESACH
NADPRZEWODNIKOWYCH:
Heike Kamerlingh
Onnes
Braian Josephson
Walther Meissner
ELEKTRONIKA (Efekt Josephsona)
METROLOGIA (SQUID)
ELEKTROENERGETYKA:
LEWITACJA
MAGNETYCZNA
TYP I
TEMPERATURA KRYTYCZNA
TEORIA
BCS
KRYTYCZNA
GĘSTOŚĆ PRĄDU TYP II
(stopy,
np.:
NbTi,
Nb3Sn)
KRYTYCZNE POLE
MAGNTETYCZNE
(metale,
np.:
rtęć,
ołów)
SEPARACJA MAGNETYCZNA,
MEDYCYNA,
FIZYKA (SYNCHROTRONY,
SYNTEZA JĄDROWA),
SMES
NADPRZEWODNIKOWE
OGRANICZNIKI PRĄDU,
GENERATORY I SILNIKI
Z UZWOJENIAMI
NADPRZEWODNIKOWYMI,
TRANSFORMATORY
NADPRZEWODNIKOWE,
KABLE
ELEKTROENERGETYCZNE,
SMES
LEWITACJA MAGNETYCZNA
ŁOŻYSKA MAGNETYCZNE
NADPRZEWWODNIKI
WYSOKOTEMPERATUROWE
(HTS)
1986 -2011
LITERATURA
(np.: LaBaCuO, BaCuO, TiBaCuo)
Alex Műller i George Bednorz
Rys. 15. Właściwości nadprzewodnictwa i potencjalne możliwości
jego wykorzystania
Author: prof.nz. AGH, dr hab. inż. Antoni Cieśla, Akademia
Górniczo - Hutnicza, Katedra Elektrotechniki i Elektroenergetyki,
al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków, E-mail: [email protected].
Autor
dokonał
przeglądu
aktualnego
stanu
wykorzystania
nadprzewodników
niskojak
i
wysokotemperaturowych
w
elektroenergetyce
i
elektrotechnice. Zaprezentował także kolejną możliwość
zastosowania
nadprzewodnictwa
w
procesach
6
PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 87 NR 12a/2011
