RU182183U1 - Сверхпроводниковый накопитель электрической и магнитной энергии - Google Patents

Сверхпроводниковый накопитель электрической и магнитной энергии Download PDF

Info

Publication number
RU182183U1
RU182183U1 RU2018112143U RU2018112143U RU182183U1 RU 182183 U1 RU182183 U1 RU 182183U1 RU 2018112143 U RU2018112143 U RU 2018112143U RU 2018112143 U RU2018112143 U RU 2018112143U RU 182183 U1 RU182183 U1 RU 182183U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
winding
superconducting
energy
magnetic
core
Prior art date
Application number
RU2018112143U
Other languages
English (en)
Inventor
Дмитрий Николаевич Харитонов
Original Assignee
Дмитрий Николаевич Харитонов
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Дмитрий Николаевич Харитонов filed Critical Дмитрий Николаевич Харитонов
Priority to RU2018112143U priority Critical patent/RU182183U1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU182183U1 publication Critical patent/RU182183U1/ru

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01FMAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F6/00Superconducting magnets; Superconducting coils
    • H01F6/06Coils, e.g. winding, insulating, terminating or casing arrangements therefor
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01FMAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/34Special means for preventing or reducing unwanted electric or magnetic effects, e.g. no-load losses, reactive currents, harmonics, oscillations, leakage fields

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Containers, Films, And Cooling For Superconductive Devices (AREA)

Abstract

Сверхпроводниковый накопитель электрической и магнитной энергии относится к областям: магниты; индуктивности; трансформаторы; выбор материалов, обеспечивающих магнитные свойства; катушки; сверхпроводящие катушки и магниты; конструктивные элементы вообще; приспосабливание индуктивностей для специального применения или функционирования.
Данная полезная модель служит для аккумулирования энергии магнитного и электрического поля, стабилизации электрического тока. Применение полезной модели обеспечит создание линий и систем для электропередачи со стабильным током, создания мощных и в то же время энергоемких источников энергии. Сверхпроводниковый накопитель электрической и магнитной энергии может использоваться гражданами, организациями, государственными органами для выполнения различных задач: аккумулирование электроэнергии, стабилизация электроэнергии, создание сильных магнитных полей и т.д.
Сущностью описываемого устройства является, возможность компенсации давления магнитного поля, возникающим в обмотке, разрушающим ее и препятствующим накоплению значительной энергии, давлением электрического поля, возникающим благодаря положительному потенциалу сердечника и отрицательному потенциалу обмотки.

Description

Рубрики международной патентной классификации (МГОС) полезной модели:
H01F - Магниты; индуктивности; трансформаторы; выбор материалов, обеспечивающих магнитные свойства. Подклассы этого класса: 5/00 - катушки;
6/00 - сверхпроводящие катушки и магниты;
27/00 - конструктивные элементы вообще;
38/00 - приспосабливание трансформаторов или индуктивностей для специального применения или функционирования.
Название полезной модели: «Сверхпроводниковый накопитель электрической и магнитной энергии».
Полезная модель относится к областям аккумулирования и стабилизации электроэнергии; сверхпроводящим приборам. Полезная модель может быть применена при создании: мощных индуктивных накопителей и стабилизаторов энергии; сверхпроводниковых индуктивных накопителей энергии; сверхпроводящих установок различного назначения (в том числе: источников энергии, стабилизаторов, томографов, левитирующих транспортных систем, и других устройств, где может быть использовано явление сверхпроводимости).
Из уровня техники известно, что катушки индуктивности способны аккумулировать и, в случае сверхпроводниковых катушек, длительное время сохранять энергию магнитного поля. Однако аккумулированию большого количества энергии препятствуют силы Ампера, возникающие в участках обмотки катушки и стремящиеся разрушить материал обмотки. Одной из наиболее распространенных форм для сверхпроводниковых индуктивных накопителей энергии (далее - «СПИНЭ») является форма тора. Указанная форма является энергоэффективной, позволяет сконцентрировать линии магнитного поля внутри тора. В то же время в обмотке такой формы возникают силы Ампера, создающие давления на элементы катушки, стремящиеся разрушить катушку. Поэтому при создании современных СПИНЭ используются специальные технологии, применяя которые удается уменьшить углы между линиями магнитного поля и участками обмотки для снижения указанных сил Ампера и/или создаются специальные мощные и достаточно тяжелые фермы для внешней поддержки обмотки СПИНЭ. Так в токийском институте технологий применяется специально рассчитанная «косая» намотка, при которой силы Ампера, балансируются, взаимно уравновешивая друг друга. При этом напряжения (давления) в обмотке не устраняются совсем, но существенно снижаются (вплоть до 25%). Из уровня техники известно, также, что удельная энергоемкость СПИНЭ оценивается как, примерно, 40 кДж/кг. Применение новых технологических решений, уменьшающих, либо устраняющих давления в обмотке означало бы возможность создания более прочных катушек индуктивности и более энергоемких СПИНЭ. Задачей создания данной полезной модели было проектирование устройства, которое могло бы выдерживать высокие токи, разрушающие обычные катушки индуктивности и, в связи с этим, могло бы аккумулировать высокую энергию магнитного поля.
Результатом использования данной полезной модели будет, в частности, появление устройств, которые могли бы применяться областях накопления энергии, стабилизации уровня энергии в сетях.
Для решения поставленной задачи необходимо осуществить следующие существенные решения:
- подобрать наиболее прочный материал для изготовления сердечника катушки, который находится на ее оси (материалы сердечников, которые используются в обычных катушках индуктивности не подходят, так как в рассматриваемом случае в сердечнике создается высокий положительный электрический потенциал и возникают давления, стремящиеся разорвать сердечник, которые могут достигать 109 Па);
- подобрать сверхпроводниковую обмотку, в которой создается высокий отрицательный электрический потенциал и в результате давление магнитного поля уравновешивается давлением электрического поля, (в отличие от обычных катушек индуктивности, в которых такое равновесие отсутствует);
- подобрать сверхпроводниковый диод, который устанавливается в обмотку между ее концами, служащими для запитывания током;
- подобрать диэлектрическую прокладку между сердечником и обмоткой, предотвращающую пробой между обмоткой и сердечником;
- подобрать емкость с хладагентом, в которую погружается обмотка.
Таким образом, сущностью полезной модели является компоновка устройства, позволяющая обеспечить возникновение компенсирующих друг друга давлений в обмотке: создание такой конструкции, когда давления в обмотке из хрупкого сверхпроводящего материала не возникает либо оно низкое, напротив сердечник (который может быть изготовлен из широкого спектра прочных композитных материалов) выдерживает значительные давления.
Сверхпроводниковый накопитель электрической и магнитной энергии может иметь форму тора и может быть, в принципе, создан путем:
- использования в качестве сердечника, на оси (окружности) тора наиболее прочного и легкого проводящего стержня, не являющегося сверхпроводником, например из металлизированного борного волокна (выдерживающего давления до 5*109 Па), сердечник может быть полым;
- использования в качестве диэлектрической прокладки между сердечником и обмоткой керамического материала LSNO, имеющего высокие значения диэлектрической проницаемости и электрической прочности;
- использования в качестве обмотки, сверхпроводящего провода (например на основе современных материалов с высокой температурой перехода в сверхпроводящее состояние (критической температурой) YBaCuO), указанный провод не обязательно должен иметь изоляцию, так как соседние витки оказываются заряженными одинаково и, вследствие этого, пробой не возможен;
- использования термостата, например, из алюминия, наполненного жидким хладагентом (например, жидкий азот, гелий, водород), в которую погружен тор.
Как уже упоминалось ранее, энергоемкость современных СПИНЭ ограничивается требованиями к системам поддержки для предотвращения повреждения обмотки силами Ампера. Предлагается предварительно создавать в сердечнике, описанном выше, высокий положительный потенциал. Далее, предлагается постепенно запитывать обмотку током, например, в следующем порядке. К разомкнутой обмотке подводится внешнее магнитное поле, после этого она замыкается. Так как в сердечнике создан положительный потенциал, напряженность электрического поля снаружи не заземленной обмотки не будет равна нулю (положительные заряды располагаются по наружной поверхности обмотки). Если к обмотке присоединить отрицательно заряженный объект (или отрицательный полюс источника питания), то на каждый электрон в этом объекте будет действовать сила, равная qE, где Е - суммарная напряженность электрического поля, создаваемая как иными отрицательными зарядами этого объекта, так и полем, создаваемым системой сердечник/обмотка вовне, a q - заряд электрона. Эта сила будет заставлять электроны двигаться из объекта в сторону обмотки. Как только они окажутся в обмотке, они будут равномерно распространяться по всей обмотке, выравнивая потенциал. Затем внешнее магнитное поле устраняется. По мере устранения внешнего магнитного магнитного поля, ток в обмотке будет возрастать. Возможны и другие варианты запитывания. Допустим, сверхпроводящая обмотка замкнута через сверхпроводниковый диод. В сердечнике постепенно создается высокий положительный потенциал (например, с помощью генератора Ван де Граафа). Когда между обмоткой и сердечником возникает электрическое поле, оно поляризует диэлектрическую форму, на которую намотана обмотка. Таким образом, ближайший к обмотке слой диэлектрика оказывается заряжен положительно. Часть электронов обмотки покидает ее и оказывается в очень узком пространстве (шириной порядка одного ангстрема) между диэлектриком и обмоткой, у поверхности диэлектрика (как обычно и происходит в конденсаторах). Тем не менее, эти электроны притягиваются и к обмотке так называемыми силами изображения (силы притяжения сторонних зарядов к индуцированным зарядам, которые значительны и превышают силы отталкивания на очень малых расстояниях от поверхности даже одноименно заряженного проводника). Далее, обмотка подключается к источнику питания, с помощью контактов, расположенных по разные стороны от сверхпроводникового диода и в ней появляется электрический ток; источник питания отключается, но ток в обмотке остается однонаправленным и течет через указанный диод.
Ток в обмотке создает магнитное поле внутри обмотки. Это поле никак не влияет на положительно заряженный сердечник (так как заряды в нем покоятся), но на куперовские пары, движущиеся в обмотке, действуют центробежные силы Лоренца (сумма которых является силой Ампера, действующей на участки обмотки). Силы Лоренца не действуют на неподвижные ионы обмотки. В случае, если бы количество электронов в обмотке было бы равно количеству положительно заряженных ионов в узлах решетки обмотки, электрическое поле, создаваемое положительно заряженным сердечником, не создавало бы сил, действующих на обмотку в целом. Но, в случае, когда обмотка имеет отрицательный потенциал силы Ампера, действующие на участки обмотки, могут быть компенсированы силами электрического притяжения к положительно заряженному сердечнику, действующими на те же участки.
Пользуясь формулами для давлений электрического и магнитного полей можно определить условия равновесия обмотки катушки индуктивности. Как известно, давление электрического поля в конденсаторе (которым можно приблизительно считать систему из отрицательно заряженной обмотки и положительно заряженного сердечника) определяется по формуле: Е2ε2/2 (где Е - напряженность электрического поля, ε0 - диэлектрическая постоянная). Давление магнитного поля определяется как: В2/2μ0) (где В - индукция магнитного поля, μ0 - магнитная постоянная). Для равновесия давлений в обмотке имеем соотношение: Е2ε0/2=В2/2μ0.
Пусть целевое значение магнитной индукции равно 90 Тл. Тогда требуемое значение напряженности электрического поля: Е=В/(μ0εε0)1/2=1,9*1010 В/м. Известно, что в случае использования высоких напряженностей электрического поля (порядка 109 В/м) в вакууме обычно возникает полевая эмиссия. Для предотвращения полевой эмиссии между обмоткой и сердечником в описываемом устройстве служит диэлектрическая прокладка, на которую наматывается обмотка. Расположение между обмоткой и сердечником материала с высокой электрической прочностью и с высокой относительной диэлектрической проницаемостью (например, эти значения у материала LSNO: 108 В/м и 106, соответственно) устраняет риск полевой эмиссии при высоких напряженностях электрического поля.
К описанию полезной модели не прилагается фигур.
Техническим результатом применения описанной полезной модели будет являться создание таких устройств, которые будут способны:
- проводить электрический ток, больший тока, который проводят катушки индуктивности сопоставимых размеров и масс;
- накапливать энергию магнитного поля, большую той, которую накапливают катушки индуктивности сопоставимых размеров и масс;
- накапливать энергию электрического поля;
стабилизировать токи, большие токов, которые стабилизируют катушки индуктивности сопоставимых размеров и масс.
Полезная модель может быть материализована путем выбора сверхпроводника, для материала обмотки, с определенными параметрами. Существует большое количество материалов (только металлов 27 (олово, свинец, титан, …), ряд сплавов, керамик, и даже сероводород), которые переходят в сверхпроводящее состояние при низких температурах и обладают различными иными свойствами. Подбирается хладагент, необходимый для охлаждения данного вида сверхпроводника и специальная емкость для сохранения низкой температуры хладагента. Если же достижение необходимой низкой температуры осуществляется иным способом (например, с помощью фазовых переходов, расширением газов и паров, термоэлектрическим эффектом, десорбцией газов, адиабатическим размагничиванием парамагнетиков), то, применяется соответствующая установка для охлаждения обмотки. Также, в зависимости от целей устройства, рассчитываются размеры катушки и сердечника, рассчитываются и создаются необходимые напряжение между обмотками и сердечником и сила тока в обмотке.
1. Сердечник с круглым сечением в сверхпроводниковом накопитель электрической и магнитной энергии может быть выполнен из не сверхпроводящих материалов, например из сплава металлизированного борного волокна. Сердечник находится на оси устройства и погружен вместе с обмоткой и опорами в хладагент. Может быть в форме кольца, если устройство в форме тора. На внешней поверхности сердечника находится диэлектрическая прокладка.
2. Диэлектрическая прокладка, покрывает сердечник со всех сторон и сделана из материала, имеющего высокую электрическую прочность и высокую относительную диэлектрическую проницаемость, например из керамики LSNO.
3. Обмотки из сверхпроводящего провода (например на основе современных материалов с высокой температурой перехода в сверхпроводящее состояние (критической температурой) YBaCuO). Обмотка намотана на диэлектрическую прокладку и погружена в хладагент.
4. Емкость, в которой находится хладагент, выполнена из прочного материала, например из тонкой стали, имеет двойные стенки, между которыми находится вакуум. Емкость может герметично запираться.
5. В качестве хладагента используется жидкий газ, например азот или гелий. Хладагент находится внутри емкости, в хладагент помещены форма, обмотка, диэлектрические опоры и сердечник.
Емкость (4) заполняется хладагентом (5). При этом обмотка (3), намотанная на диэлектрическую прокладку (2) переходит в сверхпроводящее состояние. Избыточный положительный потенциал создается в сердечнике (1). В обмотку (3) наводится электрический ток, при этом количество электронов в обмотке превышает количество положительно заряженных ионов кристаллической решетки обмотки. В результате давление магнитного поля на обмотку уравновешивается давлением электрического поля, но возникает высокое давление электрического поля на сердечник. Обмотка выдерживает электрический ток, более высокого номинала, чем обмотка в обычных сверхпроводящих катушках индуктивности.
Таким образом, полезная модель «Сверхпроводниковый накопитель электрической и магнитной энергии» позволяет создать целый класс устройств которые способны накапливать энергию магнитного и электрического поля, большую, чем обычные катушки индуктивности, в случае использования в качестве накопителя энергии, а также создавать магнитные поля высокого номинала, стабилизировать больший электрический ток в случае применения в системах стабилизации электроэнергии.

Claims (4)

1. Сверхпроводниковый накопитель электрической и магнитной энергии, состоящий из положительно заряженного сердечника, отрицательно заряженной охлаждаемой сверхпроводящей обмотки с током и диэлектрической прокладки между сердечником и обмоткой, таким образом давление магнитного поля на обмотку с током скомпенсировано давлением на нее электрического поля.
2. Сверхпроводниковый накопитель электрической и магнитной энергии по п. 1, отличающийся тем, что обмотка замкнута на сверхпроводниковый диод.
3. Сверхпроводниковый накопитель электрической и магнитной энергии по п. 1, отличающийся тем, что сердечник полый.
4. Сверхпроводниковый накопитель электрической и магнитной энергии по п. 1, отличающийся тем, что для охлаждения сверхпроводящей обмотки служит жидкий газ.
RU2018112143U 2018-04-04 2018-04-04 Сверхпроводниковый накопитель электрической и магнитной энергии RU182183U1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018112143U RU182183U1 (ru) 2018-04-04 2018-04-04 Сверхпроводниковый накопитель электрической и магнитной энергии

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018112143U RU182183U1 (ru) 2018-04-04 2018-04-04 Сверхпроводниковый накопитель электрической и магнитной энергии

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU182183U1 true RU182183U1 (ru) 2018-08-07

Family

ID=63142142

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018112143U RU182183U1 (ru) 2018-04-04 2018-04-04 Сверхпроводниковый накопитель электрической и магнитной энергии

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU182183U1 (ru)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU165232A1 (ru) *
US3366907A (en) * 1965-10-22 1968-01-30 Westinghouse Electric Corp Core-form transformer pressure ring wound from magnetic material
SU892486A1 (ru) * 1980-04-03 1981-12-23 Производственное Объединение "Электрозавод" Им. В.В.Куйбышева Электрическа обмотка
RU2084034C1 (ru) * 1990-04-09 1997-07-10 Институт физики металлов Ур.О. РАН Многовитковый соленоид
RU2310940C1 (ru) * 2006-03-28 2007-11-20 Сиадор Энтерпрайзис Лимитед Электрический реактор с подмагничиванием

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU165232A1 (ru) *
US3366907A (en) * 1965-10-22 1968-01-30 Westinghouse Electric Corp Core-form transformer pressure ring wound from magnetic material
SU892486A1 (ru) * 1980-04-03 1981-12-23 Производственное Объединение "Электрозавод" Им. В.В.Куйбышева Электрическа обмотка
RU2084034C1 (ru) * 1990-04-09 1997-07-10 Институт физики металлов Ур.О. РАН Многовитковый соленоид
RU2310940C1 (ru) * 2006-03-28 2007-11-20 Сиадор Энтерпрайзис Лимитед Электрический реактор с подмагничиванием

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Al'tov Stabilization of superconducting magnetic systems
Chen et al. Sm2 (Co, Fe, Cu, Zr) 17 magnets for use at temperature⩾ 400° C
US5675306A (en) Resonant electromagnetic field amplifier utilizing a magnetic LRC resonant circuit
KR101108664B1 (ko) 포화 철심형 초전도 한류기 및 한류기 제어 방법
Geng et al. Angular dependence of direct current decay in a closed YBCO double-pancake coil under external AC magnetic field and reduction by magnetic shielding
Leuw et al. A half-wave superconducting transformer-rectifier flux pump using J c (B) switches
Mcfee Applications of superconductivity to the generation and distribution of electric power
RU182183U1 (ru) Сверхпроводниковый накопитель электрической и магнитной энергии
Montgomery The generation of high magnetic fields
Lefranc et al. Superconducting lens design
Baldwin et al. Design optimization of high-temperature superconducting power transformers
Van Beelen et al. Flux pumps and superconducting solenoids
US20180268975A1 (en) Electric Coil System For Inductive-Resistive Current Limitation
Shintomi et al. Design Study of $\hbox {MgB} _ {2} $ SMES Coil for Effective Use of Renewable Energy
US3766502A (en) Cooling device for superconducting coils
RU186105U1 (ru) Катушка индуктивности - конденсатор
Mizuno et al. Fabrication of 5 T magnet using 2G wires directed at maglev application
US6621395B1 (en) Methods of charging superconducting materials
WO2017193984A1 (zh) 一种用于饱和铁心型超导限流器的高温超导绕组
WO2019078757A1 (ru) Катушка индуктивности-конденсатор
Mcfee Superconducting power transformers—a feasibility study
US3250958A (en) Bulk superconductor high field persistent magnet and means for making same
Takabatake et al. Structural and magnetic phase transitions in a new heavy-fermion compound UPd2In
RU2815169C1 (ru) Сверхпроводящий гибридный трансформатор
Choi et al. A study on basic insulation characteristics of 2.5 MJ class conduction-cooled HTS SMES

Legal Events

Date Code Title Description
MM9K Utility model has become invalid (non-payment of fees)

Effective date: 20200405