Silniki nadprzewodnikowe

Apogeum związanych z nadprzewodnikami wysokotemperaturowymi oczekiwań miało miejsce w końcu lat osiemdziesiątych i następnie zaczęło z lekka opadać, gdy stało się jasnym, że zastosowania nadprzewodników wysokotemperaturowych nie nastąpią tak szybko, jak tego uprzednio oczekiwano, natomiast materiały te będą stopniowo znajdować coraz większe zastosowania w przemyśle. Również zapał naukowców nieco zmącił fakt, że w dalszym ciągu, pomimo wielu propozycji i upływu lat, nie ma jednej, powszechnie akceptowanej mikroskopowej teorii zjawiska nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego. Pojawiają się nowe koncepcje opisujące to zjawisko, np. typu kreacji nowych cząstek przenoszących spin (spinonów) oraz ładunek (holonów), które w kolejnych modelach zastępuje się zmodyfikowanymi spinonami (spinony 1), cząstkami ładunkowymi (chargonami) itd., ale zunifikowanej teorii HTS nadal brakuje. Powyższe cząstki jakkolwiek wydają się dość egzotyczne (elektron bez ładunku - spinon oraz elektron bez spinu - holon) są w pewnym sensie daleką analogią dualizmu powszechnie akceptowanych cząstek występujących w półprzewodnikach - elektronów i dziur. Istnieją również silne oczekiwania rozwoju tej problematyki w Polsce.

Rysunek 8Porównanie mocy i masy silników tradycyjnych i nadprzewodnikowych
Źródło:

Wykorzystanie nadprzewodnictwa nie ogranicza się do ma¬szyn elektrycznych dużej mocy; istnieją jeszcze inne urządzenia wirujące, w których można zastosować nadprzewodnictwo. Naj¬bardziej osobliwym zastosowaniem jest pompa strumienia (gene¬rator topologiczny), której zasada opiera się na tej właściwości strumienia magnetycznego, że nie może on ulegać zmianie we¬wnątrz obwodu nadprzewodzącego. Najprostsza postać pompy strumienia to pętla z nadprzewodzącego drutu, otwarta na jed¬nym końcu, po której można przesuwać drut nadprzewodzący lat od zbudowania pierwszej maszyny, której uzwojenie wzbudze¬nia i twornik były wykonane z nadprzewodnika, to jednak nadal modele maszyn nadprzewodnikowych prądu przemiennego buduje się z wirującym uzwojeniem wzbudzenia, umieszczonym wewnątrz nieruchomego twornika, bądź z wirującym twornikiem.
W Stanach Zjednoczonych prowadzone są prace projektowe związane z budową generatora 1200 MW. Według raportu SRC produkcja wielkich nad¬przewodnikowych generatorów synchronicznych nie jest przewi¬dywana przed 2008 r. We Francji podjęto wieloletni plan, którego rezultatem ma być wy¬konanie turbogeneratora nadprzewodnikowego wielkich mocy przewidzianego do pracy w systemie energetycznym. W Niemczech prowadzone są od dawna prace ba¬dawcze, których celem jest budowa generatora nadprzewodniko¬wego o mocy 3000 MW. Wyniki badań podstawowych z zakresu nadprzewodnictwa technologii próżni, obiegów helowych oraz systemów chłodzenia, a także wyniki badań modelowych uzasad¬niają opracowanie pełnej konstrukcji elektrycznej i mechanicznej generatorów o mocy 1000, 2000, 3000 MW. W Japonii prace kon¬strukcyjne zmierzają do opracowania na początku lat dziewięć¬dziesiątych generatora o mocy rzędu 1000 MW.
W różnorodnych rozwiązaniach nadprzewodnikowych maszyn prądu stałego dominuje typ maszyn dyskowy lub wielodyskowy oraz cylindryczny a zestyki są na ogół ciekłe. Prace nad tymi silnikami nie wyszły poza stadium badań konstrukcji modelowych o największej mocy rzędu 20 MV-A, chociaż w 1971 r. zbudowano w Wielkiej Brytanii silnik o mocy 2450 kW z dyskiem segmen¬towym i szczotkami stałymi.
Prace nad nadprzewodnikowymi maszynami prądu stałego są ukierunkowane na zastosowania w napędach statków, tankow-ców, lodołamaczy. Zaawansowane są już prace w tym zakresie w USA — silnik o mocy 2,3 MW zastosowany do napędu niszczy¬cieli; w Wielkiej Brytanii silnik o mocy 45 MW o prędkości obrotowej 50 obr/min do współpracy z generatorem 100 MW; w Niemczech zakończono badania silnika 1,7 MW. W toku są badania maszyn unipolarnych o mocy rzędu 30 MW do napędu statków i lodołamaczy. Obiektem badań jest maszyna typu bębnowego o mocy 40 MW o prędkości obrotowej 80 obr/min. Podobny typ silnika bębnowego o mocy 2,2 MW i generator 3 MW przy prędkości obrotowej n=1000 obr/min są przedmiotem ba¬dań w Japonii, także z przeznaczeniem do układów napędowych w statkach.
Przewody nadprzewodnikowe umożliwiają budowę elektromagnesów wytwarzających pola magnetyczne w znacznych przestrzeniach o indukcji przekraczającej 10 T. Elektromagnesy nadprzewodnikowe separatorów magnetycznych są jednym z pierwszych zastosowań dużych urządzeń nadprzewodnikowych na skalę przemysłową. Separatory magnetyczne małych cząstek ferromagnetycznych i paramagnetycznych są stosowane w procesach produkcyjnych do: oczyszczania kaolinu ze związków tytanu i żelaza (TiO2, Fe2O3), odsiarczania węgla (FeS), wzbogacania rud żelaza i molibdenu, oczyszczania wody w procesach przemysłowych, szczególnie w hutnictwie.
Ze względu na. sposób działania separatory dzielą się na wychwytujące i odchylające.
Podstawą pracy separatorów magnetycznych jest istnienie w przestrzeni roboczej silnego i silnie niejednorodnego pola magnetycznego. W separatorach HGMS (High Gradient Magnetic Separation) uzyskiwane jest to przez umieszczenie w silnym jednorodnym polu magnetycznym tzw. matrycy z waty stalowej, która zniekształca pole magnetyczne i w sąsiedztwie włókien matrycy powstają silne niejednorodności pola magnetycznego o gradiencie indukcji rzędu 105 T/m.

3.2 Perspektywa stosowania silników nadprzewodnikowych

Obecnie zaczynają być budowane transformatory z uzwojeniami nawiniętymi z nadprzewodników wysokotemperaturowych, o mniejszych gabarytach i masie w porównaniu do ich konwencjonalnych odpowiedników. Na przykład w Japonii, na Politechnice w Kyushiu (Fukuoka) zbudowano 0,5 MW wysokotemperaturowy transformator nadprzewodnikowy. Z kolei Siemens zbudował 1 MW prototyp transformatora nadprzewodnikowego dla trakcyjnych zastosowań. ABB przeprowadziła testy 630 kW trójfazowego transformatora nawiniętego taśmą Bi-2223/Ag w szwajcarskiej stacji przez rok pod pełnym obciążeniem. Jedną z zalet użycia wysokotemperaturowych transformatorów nadprzewodnikowych jest ich potencjalna możliwość krótkotrwałej pracy na poziomie mocy przewyższającym znamionową. Prowadzi to do wzrostu mocy chłodziarek, ale nie powoduje zużycia elementu nadprzewodnikowego, jak to ma miejsce w przypadku transformatorów olejowych, gdy 10%-owe przekroczenie warunków znamionowych powoduje nieodwracalne zużycia izolacji. W rozwiązaniach nadprzewodnikowych tego typu stosuje się dodatkowo ograniczniki prądu omówione poprzednio. Również ciekły azot jest o wiele bardziej odpowiednią cieczą chłodzącą od oleju transformatorowego używanego obecnie, ze względu na zmniejszenie niebezpieczeństwa pożaru i zanieczyszczenia środowiska.
Duże oczekiwania wiąże się z wykorzystaniem taśm z nadprzewodników wysokotemperaturowych do konstrukcji silników oraz generatorów. O skali możliwych do osiągnięcia oszczędności, wynikających z zastosowania nadprzewodników, świadczyć może wielkość rynku energetycznego. Według Amerykańskiego Departamentu Energii silniki elektryczne zużywają około 70% energii w gospodarstwach domowych oraz ponad 55% całkowitej energii elektrycznej produkowanej w USA, w tym duże silniki elektryczne o mocy ponad 0,7 MW zużywają ponad 25% całkowitej energii. Duże silniki elektryczne coraz częściej są używane w marynarce, także wojennej, do napędu statków. W dużych silnikach synchronicznych o uzwojeniach z nadprzewodników wysokotemperaturowych oczekiwana jest 50% redukcja objętości oraz strat w porównaniu do konwencjonalnych rozwiązań. Jest to szczególnie interesujące dla marynarki wojennej, która w nowej generacji ścigaczy przewiduje stosować takie silniki elektryczne, ze względu na ich mniejszą masę, a więc niższe koszty zasilania oraz cichą pracę. Zastosowanie wysokotemperaturowych uzwojeń nadprzewodnikowych przynieść więc może olbrzymie oszczędności.
W przypadku nadprzewodników wysokotemperaturowych Polska także jest w uprzywilejowanej pozycji, gdyż taśmy z nadprzewodników wysokotemperaturowych produkuje się w srebrnej powłoce lub ostatnio w powłoce ze stopów srebra. Dość nieoczekiwanie okazuje się, że Polska jakkolwiek nie posiada kopalń srebra tak jak Meksyk, Australia jest w pierwszej dziesiątce producentów tego surowca na świecie. Dzieje się to za sprawą polskiej miedzi, której zanieczyszczeniem albo też wzbogaceniem jest właśnie srebro. Dotychczas niestety nie produkuje się w Polsce na skalę przemysłową wysokotemperaturowych taśm nadprzewodnikowych, jakkolwiek podejmowane są próby uzyskania przewodów z MgB2. Przewody takie zarówno nisko, jak i wysokotemperaturowe, produkowane są u naszych zachodnich sąsiadów - w Niemczech. W praktyce jednak wiodącą rolę w procesie produkcji wysokotemperaturowych taśm nadprzewodnikowych odgrywają USA (American Superconductor Corporation i SuperPower Inc.) i Japonia (Sumitomo Electrics Industry).
Silnikami nadprzewodnikowymi zainteresowane są także marynarki wojenne krajów na całym świecie. Marynarka Stanów Zjednoczonych jest także zainteresowana w super-cichym silniku homopolarnym do realizacji zadań specjalnych. Z kolei w Europie Siemens zbudował silnik synchroniczny zawierający wirnik nawinięty z nadprzewodnika wysokotemperaturowego oraz stator pracujący w powietrzu, co pozwoliło osiągnąć moc 450 kVA oraz krótkotrwałą moc maksymalną 590 kVA, przy 1500 obrotach na minutę. Chłodzenie rotora jest realizowane z pomocą kriochłodziarki, do temperatury pracy, która wynosi 25 K przy mocy chłodzącej 30 W. Maszyna ta była testowana w różnych warunkach zarówno jako silnik, jak i generator. Firma Siemens prowadziła prace nad 4 MVA generatorem i silnikiem nadprzewodnikowym do napędu statków. Badania silników o mocy wyjściowej 1-37 kW przy częstotliwości prądu 50-400 Hz, opartych na silnie magnesującym się stopionym strefowo, litym materiale YBaCuO wykazały w temperaturze azotowej 4-5-krotnie lepszy iloraz mocy do wagi, niż w urządzeniach konwencjonalnych. Interesujący jest także silnik nadprzewodnikowy zbudowany przez niemiecką firmę Oswald, w którym wykorzystuje się idealny diamagnetyzm nadprzewodników wysokotemperaturowych oraz zamrożony strumień w tych materiałach, do koncentracji strumienia magnetycznego. Generatory z nadprzewodników wysokotemperaturowych stanowią obiekt zainteresowania również armii Stanów Zjednoczonych. Marynarka wojenna Stanów Zjednoczonych jest zainteresowana lekkim, mało-gabarytowym kompletnym systemem, złożonym z generatorów, kabli, ograniczników prądowych, transformatorów, silników do okrętów wojennych. W marynarce stosowane mogą być nadprzewodnikowe generatory magnetohydrodynamiczne (MHD). Przekształcają one energię elektryczną w energię przepływu cieczy i używane mogą być w napędzie statków. Zasada działania tych generatorów oparta jest na sile Lorentza oddziałującej na przepływającą przez dyszę generatora MHD zjonizowaną wodę. Nadprzewodniki wysokotemperaturowe umożliwić mogą renesans tej dziedziny, gdyż oczekuje się wykorzystania uzwojeń z tych materiałów w nowej konstrukcji generatorów nadprzewodnikowych. W projekcie prowadzonym w Stanach Zjednoczonych przez General Electric rozpatruje się nawet konstrukcję 100 MVA generatora do zastosowań komercyjnych z wysokotemperaturowym uzwojeniem nadprzewodnikowym.
Równolegle rozwijane są też konstrukcje bezpiecznych, energetycznych wysokotemperaturowych kabli nadprzewodnikowych, dopuszczających przepływ prądu 10-krotnie większego niż przez odpowiadający kabel miedziany. Przykładem jest amerykański projekt HYDRA bezpiecznej sieci energetycznej (Secure Super Grid), w której poprzez stosowanie różnego rodzaju dodatkowych połączeń elektrycznych uzyskuje się zabezpieczenie przed nieprawidłowościami wywołanymi lokalnymi uszkodzeniami sieci związanymi np. z warunkami pogodowymi, wypadkami drogowymi, czy też świadomym działaniem. Do projektu HYDRA American Superconductor Corporation wyprodukowało ostatnio 17 km taśmy nadprzewodnikowej 2 Generacji, zwanej czasem przewodem 344, co jest największą ilością wykorzystania wysokotemperaturowego przewodu nadprzewodnikowego w jednym projekcie.
Stałe ulepszanie konstrukcji ograniczników prądów zwarciowych związane jest z koniecznością poprawy zabezpieczeń urządzeń energetycznych przed uszkodzeniem, co widoczne jest na rysunku 101 na przykładzie rozdzielnicy średniego napięcia 17 kV poddanej próbie odporności łukowej na prąd zwarcia 25 kA w ciągu 1 sekundy.
Zarysowują się liczne możliwości wykorzystania nadprze¬wodnictwa do gromadzenia i wyładowywania energii elektrycznej, począwszy od prostego zastąpienia urządzeń służących do wyła¬dowywania energii aż do nowych zastosowań związanych z wy¬korzystaniem energii, gdzie właściwości nadprzewodników wydają się szczególnie pożyteczne. Stosując nadprzewodniki można m.in.:
Przewiduje się, że w pewnych przypadkach znajdą zastoso¬wanie odpowiednie kombinacje tych dwóch rodzajów wyładowań. Na rysunkach 58 i 59 przedstawiono schematy układów do zasila¬nia wyładowań w gazie.
— gromadzić bardzo duże energie, co umożliwi rozszerzenie zakresu obecnych zastosowań konwencjonalnych urządzeń do gromadzenia energii elektryczne;
uzyskać bardzo duże gęstości nagromadzonej energii, co prowadza do znacznego zmniejszenia wymiarów odpowiednich urządzeń;
— otrzymać bardzo szybkie wyładowania, a w konsekwencji odpowiednio dużą moc;
— zasilać odbiorniki za pomocą klasycznego uzwojenia wtórnego w transformatorze, zasilać jednocześnie kilka różnych obwodów;
— wytwarzać prądy lub napięcia o bardzo dużych wartościach;
— uzyskać dużą sprawność wyładowania przez impedancję użyteczną.

— Możliwe są następujące wyładowania (przypadki skrajne):wyładowania szybkie, w których dąży się do otrzymania bardzo krótkich czasów wyładowań lub bardzo dużych mocy;
— wyładowania powolne, w których zagadnieniem głównym jest okres wykorzystania uprzednio nagromadzonej energii.
Gęstość strumienia magnetycznego zależy przede wszystkim od dopuszczalnych gęstości prądu w przewodach uzwojenia. Gdy¬by zatem wykonać uzwojenia z nadprzewodnika lub metalu o wy¬sokiej czystości, to gęstość prądu, a zatem i strumień magnetyczny byłyby nieporównywalnie większe. Wyniki badań modeli świad¬czą o możliwości uzyskania znacznych korzyści szczególnie w du¬żych maszynach elektrycznych. Jest to o tyle ważne, że obecnie dla osiągnięcia jak najmniejszego kosztu energii elektrycznej bu¬duje się urządzenia energetyczne o coraz większej mocy. W urzą¬dzeniach wytwarzających i przetwarzających energię elektryczną istotne są koszty związane z zainstalowaniem 1 kW (względnie 1 kV-A), albo inaczej koszty inwestycyjne oraz koszty strat ener¬gii w czasie pracy urządzeń.
Koszt urządzenia jest w przybliżeniu proporcjonalny do jego
mocy w potędze 3/4, a zatem maleje przy wzroście mocy jednostkowej urządzenia. Maleje również drugi składnik kosztów — straty
jednostkowe, co w rezultacie powiększa współczynnik sprawności
urządzenia. Mimo tych korzyści nie można stale zwiększać ciężaru
i objętości urządzeń energetycznych. Możliwości w tym zakresie
zostały już praktycznie wyczerpane. Moc jednostkowa obecnie budowanych turbogeneratorów przekracza MW, co stanowi
dwukrotny wzrost w stosunku do mocy odpowiednich konstrukcji
sprzed trzydziestu lat. Znaczne zmiany zaszły również w konstrukcji transformatorów. Otóż wykonanie uzwojeń z nadprzewodnika lub metalu o wysokiej czystości umożliwi budowę jednostek o mocach większych niż 1000 MW, o wymiarach jeszcze do-puszczalnych ze względu na warunki transportu.
Zastosowanie w uzwojeniach np. czystego aluminium chło¬dzonego cieczą kriogeniczną, dzięki zmniejszonemu ciężarowi uzwojeń z aluminium, pozwoli zmniejszyć ciężar i wymiar ma¬szyny, a ponadto zwiększyć średnicę wirnika. Z szacunkowych przeliczeń wynika, że przy 10 krotnym zwiększeniu gęstości prądu-w uzwojeniach w stosunku do konstrukcji tradycyjnych, uzwoje-nie wykonane z czystego aluminium o oporności właściwej około 1000 razy mniejszej niż oporność miedzi i przy gęstości prądu około 40 A/mm2 będzie ważyło około 30 razy mniej niż uzwojenie z miedzi. Porównanie to odnosi się do normalnego turbogenera¬tora z uzwojeniami wykonanymi z miedzi, w którym stojan jest obciążony prądem 2500 A.
Problemy związane z zastosowaniem niskich temperatur w maszynach elektrycznych są podobne jak przy transformato¬rach, jednak ze względu na ruchome części maszyn zagadnienie jest bardziej złożone. Pierwsze konstrukcje maszyn, w których zastosowano uzwojenia z czystych metali, wykazują duże podo¬bieństwo do klasycznych maszyn elektrycznych, dotyczy to stojana, wirnika oraz uzwojeń umieszczonych w żłobkach. Projekto¬wano umieszczenie przewodów uzwojeń iw rurach izolacyjnych oddzielonych super izolacją w próżni. W rurach tych dla utrzyma¬nia odpowiednio niskiej temperatury przepływałaby ciecz krio-geniczna lub para tej cieczy.
Do maszyn wielkiej mocy należą zasadniczo dwa typy ma¬szyn elektrycznych wirujących: maszyny unipolarne, w których wirnik i uzwojenia twornika są poddane działaniu stałego pola magnetycznego i maszyny, w których uzwojenie twornika znajduje się pod działaniem zmiennego pola magnetycznego. Stojan i wirnik mogą być zatem budowane bez rdzenia, a tylko z układów cewek z nadprzewodnika o dużej wartości pola krytycznego. Eliminacja rdzenia pozwala zmniejszyć średnicę i długość wirnika, a /tym samym stwarza korzystniejszy rozkład sił zależnych od gęstości prądu, działających na przewody wirnika. Wymiary i ciężar maszyny mogą być .wielokrotnie mniejsze niż w konstrukcjach tradycyjnych. Dla tego też ze względu na mniejszą objętość materiału przewodowego, mimo strat w urządzeniu chłodzącym, straty energetyczne są też znacznie mniejsze. Istnieje jednak wiele problemów, które mogą ograniczyć korzyści płynące ze stosowania niektórych rozwiązań. Na przykład łatwiej byłoby wykonać magneśnicę nieruchomą a twornik wirujący, w tym jednak przypadku powstaje trudność odprowadzenia mocy poprzez szczotki. Prądy wirowe w tworniku będą znacznie większe, niż w maszynie konwencjonalnej.
Czynnikami determinującymi zastosowanie nadprzewodnika w maszynach są, oprócz krytycznych wartości temperatury, gęstości prądu i pola magnetycznego, dodatkowe wymagania dotyczące znikomo małych strat w polu zmiennym oraz podatności na wyginania przy małym promieniu (ze względu na wymagania technologiczne). W uzwojeniach maszyn elektrycznych głównie wykorzystuje się nadprzewodnik Nb-Ti, wytwarzany przemysłowo w postaci przewodów wielowłókowych. Ponadto stosuje się Nb3Sn, Nb3Ge, V3G. W pracach mających na celu otrzymanie materiałów nadprzewodnikowych przeznaczonych do stosowania w maszynach elektrycznych dąży się do uzyskania, obok dużych wartości parametrów krytycznych, także i dobrych własności mechanicznych (wytrzymałość, plastyczność). Badania nadprzewodnika Nb3Sn, który jest przewidziany do stosowania w kriostatach wirujących, wykonuje się przy gęstości prądu rzędu 10 kA/cm2, w temperaturze 8 K polu o indukcji 7 T ze zmiennością w zakresie 0,1 do 10 T/s. Wymagany promień gięcia jest mniejszy od 13 mm. Obecnie osiągane temperatury krytyczne nadprzewodników wymagają stosowania helu. Badania koncentruje się głównie na uzyskaniu poprawnej pracy przy większych prądach, większej gęstości strumienia z uwzględnieniem jego zmienności. Zmienne prądy i pola magnetyczne są przyczyną strat, których wartość zależy od konfiguracji przewodów i ich przestrzennego usytuowania w stosunku do pól magnetycznych, od gęstości prądu oraz szeregu parametrów konstrukcyjnych i eksploatacyjnych, w tym także samego przewodu.
Odkształcenia przewodu mają istotny wpływ na rezystywność stabilizatora. Wszystkie te czynniki należy uwzględnić przy budowie uzwojenia nadprzewodnikowego. Kryteria stabilizacji określają dopuszczalną gęstość prądu. W uzwojeniach maszyn nadprzewodnikowych przyjmuje się odpowiednio mniejsze gęstości prądu, aby zapewnić niezawodną eksploatację. Uzwojenie nad-przewodnikowe podlega działaniu sił o wartościach rzędu 105 N, wymaga to stosowania odpowiednich materiałów konstrukcyjnych, a w szczególności izolacyjnych — cieplnych i elektrycznych. Ponadto wrażliwość nadprzewodnika ma zmiany prądu wymaga stosowania ekranów elektromagnetycznych w celu wyeliminowania składowych zmiennych. Powodzenie realizacji projektu wiąże się zatem z wyborem (nadprzewodnika odpowiedniego do pracy zarówno w stanach ustalonych jak i przejściowych.
Oddzielnym zagadnieniem jest prowadzenie obiegu helu i utrzymanie odpowiedniej prędkości przepływu. Stosowany jako czynnik chłodzący hel o parametrach nadkrytycznych jest w jednej fazie, co ułatwia obliczenia cieplne. Obiegi chłodzenia o wysokim ciśnieniu prowadzą natomiast do wzrostu temperatury na skutek tarcia helu podczas przepływu przez przewody. Zagadnieniom termodynamiki helu związanym z systemami chłodzenia poświęcono wiele badań. Możliwa już jest konstrukcja układów chłodzenia obiektów nadprzewodnikowych. W przypadku kriostatu wirującego dodatkową trudność stwarza transport ciekłego helu do części wirującej oraz odpowiednie uszczelnienie wirującego połączenia. Takie połączenie (np. 0,2 mm na długości 50 mm) Uszczelnia się płynem magnetycznym.
Pomiary wielkości elektrycznych i nieelektryicznyeh oraz układ zabezpieczeń w obszarze kriogenicznym wymagają specjalnych rozwiązań, niezbędny jest na przykład automatyczny pomiar odpowiednich wielkości fizycznych. Od wyboru nadprzewodnika do pracy w stanach ustalonych i przejściowych zależą wymagania wobec systemu chłodzenia, układów pomiarowych, regulacyjnych i zabezpieczeniowych. Jak wiadomo, brak odpowiednich zabezpieczeń w przypadku przejścia do stanu normalnego prowadzi do gwałtownego wyparowania helu i zniszczenia kosztownych uzwojeń. Funkcję takich zabezpieczeń mogą spełniać łączniki działające na zasadzie podobnej jak kriotrony. Stosuje się ponadto przewody stabilizowane czystym metalem, który przejmuje obciążenie nie powodując nadmiernego nagrzania przewodu w przypadku zaniku nadprzewodnictwa. Przy zastosowaniu nadprzewodników II rodzaju, przedział między pierwszą a drugą wartością pola krytycznego przyjmuje się jako rezerwę w razie przeciążeń lub zwarć w sieci, które mogłyby doprowadzić nadprzewodnik do przejścia w stan normalny. Zasada działania takich zabezpieczeń odbiega także od wykonań tradycyjnych, gdyż musi odpowiadać przebiegowi zjawisk fizycznych związanych z zanikiem nadprzewodnictwa. Zgodnie z prognozami krajowymi w 2020 r. 25% mocy będzie wytwarzane w elektrowniach jądrowych, w których podstawowym źródłem energii będą nadal turbogeneratory wirujące. Generator 600 MW będzie podstawową jednostką dla węgla brunatnego, natomiast w elektrowniach atomowych powinny być instalowane bloki o mocy ponad 1000 MW. Do roku 2022 system energetyczny umożliwi wyprowadzenie z elektrowni mocy 6000 MW. Prognozy rozwoju energetyki w świecie przewidują skokowy wzrost mocy jednostkowej turbogeneratorów.
Budowa dużych jednostek prądotwórczych uzasadniana jest kosztem budowy elektrowni, kosztami eksploatacji, jak również ochroną środowiska. Przewiduje się, że w roku 2022 wystąpi zapotrzebowanie na turbogeneratory o mocy 2000 MW, szczególnie w elektrowniach jądrowych. W ostatnim dwudziestoleciu moc jednostkowa turbogeneratorów wzrastała od 1,3 do 1,4 razy w kolejnych okresach pięcioletnich. Otóż generatory w wykonaniu konwencjonalnym zbliżają się do swych mocy granicznych szacunkowo około 2000 MW. Turbogeneratory nadprzewodnikowe wykazują szereg zalet w porównaniu z odpowiednimi konstrukcjami konwencjonalnymi. Zalety te to większa sprawność, większe moce, mniejszy ciężar i znacznie mniejsze wymiary, mniejsze koszty transportu, lepsza stabilność statyczna i dynamiczna, mniejsze koszty produkcji i użytkowania, eliminacja środowiska wodorowego.
Dane amerykańskie wykazują mniejszy koszt produkcji generatorów nadprzewodnikowych o mocach przekraczających 1200 MW. Z analizy pracy turbogeneratorów nadprzewodnikowych można wnioskować, że dzięki mniejszym reaktancjom ich charakterystyki pracy są lepsze w systemie elektroenergetycznym w warunkach pracy ustalonej, a także w stanach zakłóceniowych. Generatory te mogą pracować w całym obszarze znamionowej mocy pozornej, charakteryzują się znacznie większą przeciążalnością statyczną oraz małą zmiennością napięcia. Ponadto analiza wymienionych dwóch rodzajów generatorów o mocy 1 GW wykazuje, iż w generatorze konwencjonalnym prąd wzbudzenia musi być 2,6 razy większy niż znamionowy prąd wzbudzenia biegu jałowego, natomiast w generatorze nadprzewodnikowym współczynnik ten wynosi 1,24.
Niezawodność turbogeneratorów nadprzewodnikowych zależy głównie od sprawności kriostatu, szczelności obszarów próżniowych oraz niezawodnej pracy uszczelnień wirujących. Istotną zaletą rozwiązania nadprzewodnikowego są koszty instalowania i koszty eksploatacji. Według danych amerykańskich zmniejszenie fundamentów i budynku głównego elektrowni generatora nadprzewodnikowego o mocy 1200 MW daje oszczędność rzędu miliona dolarów. Ponadto zwiększenie sprawności turbogeneratora nawet o 0,5% daje istotne oszczędności w koszcie produkowanej mocy. Jeśli wziąć pod uwagę, że przy równorzędnej mocy i co najwyżej równorzędnym koszcie produkcji generator nadprzewodnikowy w porównaniu do konwencjonalnego wymaga znacznie mniejszej ilaści materiałów, mniejszych kosztów zainstalowania i eksploatacji, ma zaś lepsze charakterystyki pracy, to można przypuszczać że będzie on konkurencyjny w (stosunku do konstrukcji konwencjonalnej) w zakresie mocy powyżej 1000 MW. Turbogeneratory o takiej mocy mogą być instalowane w elektrowniach atomowych.
Zastosowanie nadprzewodnictwa w maszynach prądu stałego umożliwia wytworzenie silnego pola magnetycznego, a tym samym pozwala wyjść poza bariery ograniczeń jakie utrudniają budowę maszyn elektrycznych konwencjonalnych dla większych mocy jednostkowych. Możliwości takie dają maszyny unipolarne zarówno typu tarczowego jak i bębnowego. Porównanie mocy granicznych maszyn prądu stałego w funkcji prędkości obrotowej wskazuje, że przy różnych prędkościach obrotowych można wykonać maszyny konwencjonalne o mocach zbliżonych do maszyn nadprzewodnikowych, jednak te pierwsze są przy tym bardzo ciężkie. Przy 50 obr/min moc graniczna maszyny konwencjonalnej jest rzędu 7,5 MW, objętość twornika wynosi 26 m3, a całkowity ciężar maszyny jest rzędu setek ton, natomiast silnik nadprzewodnikowy przy tej samej mocy ważyłby około 30 ton. Maksymalna moc maszyn prądu stałego jest rzędu 10 MW przy prędkości obrotowej kilkuset obrotów na mimutę, podczas gdy maksymalna moc silników nadprzewodnikowych leży w granicach od 40 do 100 MW przy prędkości obrotowej od 100 do 300 obr/min. Maksymalna moc nadprzewodnikowych generatorów prądu stałego dochodzi do 200 MW przy około 1500 obr/min. Zmniejszenie wymiarów i ciężaru maszyny nadprzewodnikowej dzięki eliminacji żelaza z obwodu wzbudzenia i obwodu twornika, mniejszy koszt produkcji i eksploatacji, większa moc i sprawność, mały moment bezwładności wirnika, a ponadto lepsze własności sterowania i zmniejszenie poziomu hałasu — to zalety maszyn nadprzewodnikowych prądu stałego. Możliwe do osiągnięcia parametry silników nadprzewodnikowych prądu stałego umożliwiają ich zastosowanie w napędach statków, w napędach hutniczych i do napędu wentylatorów o zmiennej prędkości obrotowej. Nadprzewodnikowe generatory prądu stałego mogą znaleźć zastosowanie w siłowniach okrętowych a także w hutnictwie aluminium. Duża moc przy małej prędkości obrotowej i łatwa sterowalność nadprzewodnikowego napędu elektrycznego są szczególnie atrakcyjne w przemyśle okrętowym. Ponadto lokalizacja silnika głównego napędzającego generator może być w dużym stopniu dowolna, zaś silnik elektryczny napędzający śrubę można również umieścić w dogodnym miejscu. Analizy okrętu wojennego i statku handlowego o napędzie z silnikiem unipolarnym nadprzewodnikowym wykazują, lepsze rozmieszczenie maszyn, lepszą sterowność i korzystniejsze wykorzystanie paliwa niż przy napędzie tradycyjnym.
Według danych amerykańskich, w niszczycielach o wyporności 350 t z napędem turbinowym generatora, zastosowanie napędu o mocy 45,6 MW daje zmniejszenie całkowitego, ciężaru układu siłowni o około 15% przy jednoczesnym zwiększeniu sprawności o około 1,4% i zwiększeniu zasięgu operacyjnego o 35%. W statkach handlowych o napędach nadprzewodnikowych uzyskuje się korzystniejsze rozmieszczenie siłowni, a w rezultacie powiększenie przestrzeni ładowni. Silnik nadprzewodnikowy ma małą bezwładność, małą indukcyjność twornika i reaktancję twornika praktycznie równą zeru. Jest on w stanie znosić ciężkie warunki przeciążeniowe. Te cechy stanowią istotne zalety.
Według danych angielskich zastosowanie silników nadprzewodnikowych w walcowniach stali daje oszczędność około 25% niezależnie od oszczędności kosztów instalacji. Prosta budowa maszyn nadprzewodnikowych, mniejsza ilość materiałów, brak komutatora i pracochłonnych biegunów, a także prosta budowa twornika pozwalają zakładać wysoki poziom niezawodności urządzenia. Doprowadzenia do wysokiego poziomu niezawodności wymagają natomiast układy chłodzenia, a zwłaszcza skraplarki. Biorąc pod uwagę zbieżność wymienionych cech można zakładać, że maszyna nadprzewodnikowa prądu stałego jest jednostką przyszłościową szczególnie w tych napędach, w których wymagane są małe prędkości obrotowe przy dużych macach. Z porównania maszyny nadprzewodnikowej z maszyną konwencjonalną w zakresie mocy poniżej 20 MW wynika, że przy równorzędnej mocy dla maszyny nadprzewodnikowej zużycie materiałów jest mniejsze, a charakterystyki pracy są lepsze przy niższych kosztach produkcji, zainstalowania i eksploatacji. Zastosowanie tych maszyn w Polsce może być także realne zważywszy, że w dziedzinie napędów hutniczych istnieje zapotrzebowanie na jednostki o mocach 5 do 8 MW, a zapotrzebowanie w dziedzinie napędów elektrycznych statków będzie w przyszłości w granicach od 5 do 7 MW. Zastosowanie w przemyśle okrętowym wydaje się stosunkowo bliskie ze względu na prace badawcze z zakresu spalinowo-elektrycznego napędu głównego statków. Niezależnie od prognoz i harmonogramów, wprowadzenie do eksploatacji maszyn nadprzewodnikowych wymaga szeregu badań, niektórych o charakterze podstawowym, możliwych do realizacji w odpowiednio przygotowanych laboratoriach. Dotyczy to także pomiarów wielkości nieelektrycznych w niskich temperaturach. Zabezpieczenia części niskotemperaturowej, układy regulacji i pomiarów są integralną częścią maszyny nadprzewodnikowej i badania w tym zakresie są prowadzone równolegle z badaniami samych maszyn.
Niezależnie od typu maszyny i jej przewidywanych parametrów centralnym zadaniem prac badań konstrukcyjnych pozostaje uzwojenie nadprzewodnikowe i związany z nim układ chłodzenia. Biorąc pod uwagę prognozy rozwoju energetyki można przypuszczać, że instalowanie dużych jednostek prądotwórczych będzie koniecznością techniczną i ekonomiczną. Uwzględnia się tu również zagadnienie ochrony środowiska i oszczędności terenów pod budowę elektrowni.

Wnioski końcowe

Rozwój elektrotechniki, a w konsekwencji ciągły wzrost za¬potrzebowania na energię elektryczną, idzie w parze z coraz więk¬szą koncentracją stref produkcji i wykorzystanie energii, co w rezultacie prowadzi do przesyłu i rozdziału bardzo dużych mo¬cy. Aby sprostać tym zadaniom buduje się linie przesyłowe na coraz wyższe napięcia; ogranicza się w ten sposób straty związane z przesyłem. Jednocześnie wprowadzenie linii napowietrznych do obszarów miejskich i ciągły wzrost wymaganego poziomu napię¬cia stwarza coraz większe trudności z punktu widzenia bezpieczeń¬stwa komunikacji i estetyki. Wszystko to wskazuje, że transport podziemny energii elektrycznej w przyszłości stanie się konie¬cznością
Szanse, jakie stwarza nadprzewodnictwo, skłoniły wiele ośrodków badawczych do podjęcia prac na temat możliwości bu¬dowy kabli przewidzianych do pracy w bardzo niskich tempera¬turach, inaczej krikabli. Zadaniem tych kabli byłby przesył bar¬dzo dużych mocy. W pracach nad konstrukcją kriokabli dużą wagę przywią¬zuje się do zastosowań metali hiperprzewodzących. Podobnie bo¬wiem jak w przypadku aluminium pozwalają one w bardzo dużym stopniu zmniejszyć straty elektryczne w kablu przewidzianym do przesyłu energii prądem stałym. Oczywiście przy zastosowaniu nadprzewodników straty te byłyby praktycznie równe zeru. Duży postęp w produkcji materiałów nadprzewodzących i obniżka ich ceny stwarzają warunki do podejmowania prac nad nowymi wersjami kriołączy nadprzewodzących na prąd stały. Istnieje pogląd, że prąd stały stanowi najbardziej odpowiednie rozwiązanie przyszłościowe, a w przypadku gdy wchodzą w grę moce przekraczające 1000 MW, łącza nadprzewodzące rokują na¬dzieję na korzystne rozwiązanie zarówno pod względem technicznym jak i ekonomicznym. Przy przesyłaniu energii elektrycznej za pomocą nadprzewodników straty są bardzo małe i praktycznie nie zależą od mocy przesyłanej kablem. Straty te, to głównie rezultat niedoskonałości izolacji termicznej i można je ograniczyć. Oprócz izolacji termicznej stosuje się warstwę azotu, która sąsia¬duje z przewodem zawierającym hel. Ze względu na konieczność stosowania wzdłuż kabla urządzeń chłodniczych i specjalnej izolacji termicznej opłacałoby się przy obecnym stanie techniki stosować kable z nadprzewodników do przesyłu wielkich mocy, np. powyżej 1000 MW.