Szupravezetők műszaki alkalmazásai Balázs Zoltán Főiskolai adjunktus BMF. Mikroelektronika Intézet

1-es típusú szupravezetők elemek TC Szén* 15K Ólom 7,2K Lantán 4,9K A szupravezetők műszaki alkalmazásai Néhány szupravezető anyag kritikus hőmérséklete 1-es típusú szupravezetők elemek TC Szén* 15K Ólom 7,2K Lantán 4,9K Higany 4,15K Alumínium 1,175K Cink 0,85K Uránium 0,2K Platina 0,0019K

2-es típusú szupravezetők 1. csoport/ elemek TC Nióbium 9,25K A szupravezetők műszaki alkalmazásai Néhány szupravezető anyag kritikus hőmérséklete 2-es típusú szupravezetők 1. csoport/ elemek TC Nióbium 9,25K Technécium 7,8 K Vanádium 5,4 K

2-es típusú szupravezetők 2. csoport Nb3Ge 23,2K Nb3Si 19 K A szupravezetők műszaki alkalmazásai Néhány szupravezető anyag kritikus hőmérséklete 2-es típusú szupravezetők 2. csoport TC Nb3Ge 23,2K Nb3Si 19 K Nb3Sn 18,1K Nb3Al 18 K V3Si 17,1K Ta3Pb 17 K V3Ga 16,8K

2-es típusú szupravezetők 3. csoport/kerámiák TC A szupravezetők műszaki alkalmazásai Néhány szupravezető anyag kritikus hőmérséklete 2-es típusú szupravezetők 3. csoport/kerámiák TC Hg0,8Tl0,2Ba2Ca2Cu3O8,33 138K HgBa2Ca2Cu3O8 133K HgBa2Ca3Cu4O10 125K Tl2Ba2Ca2Cu3O10 127K Bi2Sr2Ca2Cu3O10 110K YBa2Cu3O7 93K Y2Ba4Cu7O15 93K

A szupravezetők műszaki alkalmazásai Nagyteljesítményű szupravezető vezetékek és kábelek. Történeti visszatekintés: - 1992. elkészült az első 500A-es 1m hosszúságú HTS kábel (HTS - high-temperature superconductivity) - 1994. elkészült az első 4200A-es 1m hosszúságú kábel - 1998. megkötik az első szerződést kábel telepítésre - 2000. febr. 18. Üzembe helyezik az első 3 fázisú 12,5kV-os 1250A-es távvezetéket 30m-es hosszon.

A szupravezetők műszaki alkalmazásai Nagyteljesítményű szupravezető vezetékek és kábelek. Szupravezető kábelek alkalmazásának lehetséges előnyei: - az energia átvitel során az elektromos veszteségek nullára csökkennek. - az egyéb veszteségek nagyon kicsik. - a régi, már kiépített kábelcsatornák alkalmasak a HTS kábelek befogadására, nem szükséges új szolgalmi jogok megszerzése. - az ugyanolyan méretű hagyományos kábelhez képest három-ötszörös teljesítmény átvitelére képes. - helyettesíti a felszíni szabadvezetékes hálózatot, ha azt környezetvédelmi vagy egyéb okok miatt tilos kiépíteni. - növeli a közüzemi hálózatok rugalmasságát. - hosszútávon csökkenti az elektromos energia árát.

A szupravezetők műszaki alkalmazásai Nagyteljesítményű szupravezető vezetékek és kábelek. A HTS vezetékek tipikus szerkezeti felépítése: - sokrostú (sokszálú) összetett szerkezet, a jelenleg általánosan gyártott vezetékszerkezet. - vastagfilm szerkezet, előreláthatóan a jövő vezetékszerkezete

A szupravezetők műszaki alkalmazásai Nagyteljesítményű szupravezető vezetékek és kábelek Sokrostú (sokszálú) összetett vezetékszerkezet gyártása: OPIT – Oxid Powder In Tube- gyártási technológia lépései: - oxidokat tartalmazó alapanyagok keverése - nagyon finom porrá (púder) őrlése - az előkészített alapanyag por ezüstcsőbe töltése /felső ábra/ - a púderrel töltött ezüstcső extrudá- lása /alsó ábra/

A szupravezetők műszaki alkalmazásai Sokrostú (sokszálú) összetett vezetékszerkezet gyártása: - Meghatározott számú egyerű vezeték összefogása egy csomagba - A vezetékcsomag ezüstcsőbe helyezése /bal oldali ábra/ - egyszeri vagy többszöri extrudálással a kívánt keresztmetszet kialakítása /jobb oldali ábra/

A szupravezetők műszaki alkalmazásai Sokrostú (sokszálú) összetett vezetékszerkezet gyártása: - hengerléssel négyszög keresztmetszetű vezeték szalag létrehozása /felső ábra/ - Hőkezelés 800 – 900 °C-on. Ezen a hőmérsékleten alakul át az alapanyag szupravezető kerámiává. /alsó ábra/ Az „MP” (metal powder) gyártási technológia esetén az alapanyagpor csak a fémeket tartalmazza. A kerámiához szükséges oxigént a hőkezelés alatt diffúzióval viszik be.

A szupravezetők műszaki alkalmazásai Vastagfilm szerkezetű HTS /YBCO bevonatú/ vezeték gyártása: - Extrudálással és henger- léssel kialakítják a vezeték hordozó szalagját - A fenti műveletek során átalakult kristályszerke- zetet hőkezeléssel újra- kristályosítják a kívánt szerkezetre. /felső ábra/ - Oxidréteget hoznak létre a flexibilis hordozórétegen /alsó ábra/

A szupravezetők műszaki alkalmazásai Vastagfilm szerkezetű HTS vezeték gyártása: - a szupravezető alapanyag felvitele a hordozóra /felső ábra/ - Hőkezeléssel a kívánt kristályszerkezet kiala- kítása valamint az oxi- dációs folyamat végig- vitele. /alsó ábra/

A szupravezetők műszaki alkalmazásai Vastagfilm szerkezetű HTS vezeték gyártása: - A szupravezető szalag méretre darabolása. Az YBCO technológiával gyártott szupravezető vezetékek jelenleg csak laboratóriumi felhasználásra készülnek. Ezen vezetékek igen nagy áramok átvitelére alkalmasak, de a jelenlegi technikával csak rövid vezetékdarabok gyárthatók.

A szupravezetők műszaki alkalmazásai A magas hőmérsékletű szupravezető kábel belső kialakítása:

A szupravezetők műszaki alkalmazásai A HTS kábelek két lehetséges kialakítási módja: - Meleg dielektrikumú kábel /baloldali ábra/ - Nagyon alacsony hőmérsékletű (folyékony nitrogén) dielektrikumú kábel /jobboldali ábra/

A szupravezetők műszaki alkalmazásai 3 fázisú, nagy teljesítményű szupravezető közüzemű hálózat kiépítése. 2000 februárjában üzembe helyezték az első 30m hosszú, 3fázisú, 12,5kV feszültségű, 1250A-es, a fenti vázlat szerint készült hálózatot. A hálózat azóta több mint 6000 órát üzemelt 100%-os terhelés mellett meghibásodás nélkül.

A szupravezetők műszaki alkalmazásai A 2000- ben üzembe helyezett 3 fázisú, nagy teljesítményű szupravezető közüzemű hálózat fényképe.

A szupravezetők műszaki alkalmazásai Szupravezető gépek (szinkrongenerátor/-motor)

A szupravezetők műszaki alkalmazásai Szupravezető gépek (generátor/motor) A fenti kép az 1000LE (750kW) szinkrongép fényképe. 1999-ben készült el. 2001-ben megvalósult az első 5000LE (3,8MW) gép

A szupravezetők műszaki alkalmazásai Szupravezető gépek (generátor/motor) A mellékelt ábrák a hagyományos villamos gép /felső kép/ valamint a szupravezető elv felhasználásával készült azonos teljesítményű gép /alsó kép/ méretviszonyait mutatják meg. A szupravezető gép tömege azonos teljesítmény mellett harmada – ötöde a hagyományosénak. A veszteségek felére csökkenek. Működési hőmérséklet (25 – 40)K Mágneses indukció: 4T

A szupravezetők műszaki alkalmazásai                                               A szupravezetők műszaki alkalmazásai Lendkerekes energia tároló rendszer - A HTS gép motor üzemben mechanikai energiát tárol a forgó lendkerékben. - A HTS gép generátor üzemben a mechanikai energiát visszaalakítja elektromos energiává. - A lendkerék vákuumban, a HTS tartó erős mágneses terén lebegve, óránként kevesebb mint 0,1%-os energia veszteséggel forog. - Jelenleg a legnagyobb egység 10kWh tárolására képes. Ford. száma: 41000/min.

A szupravezetők műszaki alkalmazásai 2kWh-ás lendkerekes energia tároló rendszer fényképe. /bemutató egység/

A szupravezetők műszaki alkalmazásai HTS hibaáram korlátozó A hibaáram korlátozó a közüzemi hálózatok zavar esetén fellépő nagy – a névleges áram 10 – 20-szorosát elérő– áramát korlátozza egy soros induktivitás behelyezésével. A HTS hibaáram korlátozó tiszta, ellenállás nélküli induktív tekercs, hatásos veszteségek nélkül. A képen látható egység egy fázisú, 15kV-os hibaáram korlátozó.

A szupravezetők műszaki alkalmazásai HTS hibaáram korlátozó Háromfázisú, 20kV-os, 2000A-es névleges áramú egység. A berendezés 9000A-es hibaáramot képes kezelni. Egy tekercsének átmérője 1m, magassága 075m, névleges mágneses indukciója 0,3T, maximális indukciója 1,3T.

A szupravezetők műszaki alkalmazásai Lineáris indukciós motor - működési alapelv

A szupravezetők műszaki alkalmazásai Lineáris indukciós motor - Kísérleti eszköz fényképe

A szupravezetők műszaki alkalmazásai Lineáris indukciós motor - Kísérleti eszköz fényképe

A szupravezetők műszaki alkalmazásai Lineáris indukciós motor - Kísérleti eszköz fényképe

A szupravezetők műszaki alkalmazásai Lineáris indukciós motor - Kísérleti eszköz fényképe

A szupravezetők műszaki alkalmazásai Lineáris indukciós motor - Kísérleti eszköz fényképe