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Condicionamento. Supercondutores magnéticos. Grupo: André Luís Costa e Silva - 14021 Antônio Carlos Barbosa - 14023 Artur Gomes Silva – 14024 Filipe Henriques Formiga – 14041 Arthur Onias - 14086. Supercondutividade.
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Condicionamento Supercondutores magnéticos Grupo: André Luís Costa e Silva - 14021 Antônio Carlos Barbosa - 14023 Artur Gomes Silva – 14024 Filipe Henriques Formiga – 14041 Arthur Onias - 14086
Supercondutividade • Característica física intrínseca de certos materiais que em baixíssimas temperaturas conduz corrente elétrica sem resistência e perdas • Diamagneto perfeito, exclusão do campo magnético em seu interior, conhecido como Efeito Messner, funcionando abaixo da temperatura crítica • Diversos metais e materiais cerâmicos
Supercondutividade • Materiais condutores não são bons supercondutores
Supercondutividade Efeito Messner, blindagem magnética do interior de um supercondutor
Supercondutividade • Propriedade descoberta pelo físico holandês Heike Kamerlingh Onnes em 1911 • Verificou o desaparecimento da resistência do mercúrio quando submetido a uma temperatura de 4K (-269,15ºC) • Atualmente se trabalha com um composto cerâmico a 92K (-181,15ºC)
Supercondutividade • Materiais supercondutores acima da temperatura crítica não são bons condutores • Tipo I Elementos puros e ligas metálicas, apresentam apenas o estado Messner • Tipo II Compostos cerâmicos, apresentam dois estados, misto e efeito Messner
Supercondutividade T<Tc Tipo I: Campo magnético penetra em pequena quantidade Tipo II: Campo magnético penetra em forma de “tubos” formando regiões normais ao material
Supercondutividade Tabela de Temperaturas Críticas de alguns supercondutores
Supercondutividade Evolução da Tc e materiais de supercondutores desde sua descoberta
Aplicações da Supercondutividade • Linhas de Transmissão, malhas de fios supercondutores conduzem energia por centenas de anos sem perdas • Condicionamento através de armazenamento de energia
SMES • Supercondutores Magnéticos de Armazenamento de Energia (SMES, SuperconductingMagneticEnergyStorage) Sistema de armazenamento de energia através de supercondutores magnéticos. A energia é armazenada através do campo magnético gerado pela circulação de uma corrente no supercondutor refrigerado por um fluido criogênico
SMES - Componentes • Bobina supercondutora • Sistema de condicionamento de potência • Refrigeração criogênica
SMES – Temperatura • O SMES pode ser constituído por um supercondutor de baixa(LTSC) ou alta(HTSC) temperatura crítica • A eficiência do SMES depende do sistema de refrigeração que é mantido por energia elétrica • Sistema HTSC pode ser até 60% mais econômico que LTSC
SMES – Laboratório de Resfriamento Refrigerador de Diluição Acesso remoto – Operação contínua
SMES – Laboratório de Resfriamento Criogenia – 2 mil litros de He líquido por mês
SMES - Funcionamento • Ao conduzir uma corrente na bobina supercondutora gera um campo magnético produzindo uma energia armazenada por tempo indeterminado • A energia armazenada pode ser utilizada pela rede descarregando a bobina
SMES – Funcionamento Campo magnético necessário para construção de um solenóide Campo magnético em um solenóide gira entre 5 e 20 T
SMES – Funcionamento Resistividade x Temperatura
SMES – Esquema Geral • O sistema condicionamento de energia usa um inversor/retificador para transformação CA CC • Cada transformação custa 2 a 3% de perda • O processo de armazenamento do SMES é o mais eficaz com menor perda • Eficiência superior a 95%
SMES – Esquema Geral Diagrama on-line de SMES
SMES - Vantagens • Tempo de ativação do sistema muito curto. Menor que qualquer outro sistema de armazenamento. Energia disponível quase que instantaneamente • Potência elevada • Equipamento menor que UPS • Alta confiabilidade
SMES - Desvantagens • Alto custo devido as exigências de refrigeração e ao custo do fio supercondutor
SMES – Atual área de atuação • Armazenamento de energia de curta duração • Melhorar qualidade de energia • Unidades de 1[MW] são utilizadas em plantas industriais que necessitam de uma energia limpa, ex. industrias de microchip • Estabilizar redes de distribuição
SMES – Estudo de um caso • Na cidade de Wisconsin do Norte devido a instalação de uma fábrica de papel, a linha de transmissão sofria com mudanças súbitas de carga, gerando flutuações descontraladas
SMES – Solução • Instalação de uma rede de SMES para estabilizar a rede de transmissão • Capacidade de 20 MWh, 400 MW por 100 segundos ou 10 MW por 2 horas
SMES – Cálculo de Energia armazenada • Energia magnética armazenada: • E = energia medido em joules L = indutância medida em HenrysI = corrente em Amperes
SMES – Custos • Sistema de refrigeração • Supercondutor • Estabilizador • Isolamento à vácuo da bobina • SMES HTSC até 4 vezes mais caro que LTSC, apesar de HTSC possuir uma necessidade menor de resfriamento este necessita de um fio maior para gerar a mesma indutância
SMES – Desafios Técnicos • Aumento da capacidade de armazenamento de energia • Tamanho físico, uma unidade de 1GWh nível comercialmente útil, seria necessário um circuito SMES de 160Km • Matéria prima, maioria dos supercondutores são cerâmicas, material de tratamento muito delicado
SMES – Desafios Técnicos • Infraestrutura para sistema de refrigeração • Corrente crítica, os supercondutores necessitam de uma corrente mínima denominada corrente crítica. Ainda não foi possível desenvolver um SMES economicamente viável • Campo Magnético crítico, assim como a corrente necessita de um campo magnético mínimo
SMES – Desafios Técnicos Para uma dada temperatura T, a amostra só será supercondutor abaixo de um campo magnético Hc
SMES – Desafios Técnicos Corrente crítica de materiais supercondutores
SMES – Desafios Técnicos • Possíveis danos à saúde; além de acidentes como ruptura na retenção do nitrogênio líquido há uma preocupação sobre os efeitos em seres humanos expostos durante um longo período a um campo magnético de grande magnitude
SMES – Outras aplicações • Cabos de linhas de transmissão; requer nitrogênio líquido, que é barato e fácil de produzir • Esses cabos poderão aumentar a capacidade sem um aumento em danos ambientais • Motores; menores e mais eficientes do que os convencionais • Geradores; possível geração de energia em alta tensão, dispensando o uso transformadores
Bibliografia • http://en.wikipedia.org/wiki/Superconducting_magnetic_energy_storage#References_2
