13.8. Тепловые процессы в индуктивных накопителях

Тепловые процессы в ИН определяется видом охлаждения активной зоны. Охлаждение ИН реализуются путем конвективного теплообмена или испарения хладагента.

Для ИН, работающих при нормальных температурах, в качестве хладагента могут использоваться газ (воздух), вода, синтетические масла, и др. В ИН, работающих при повышенных температурах, отвод части тепловых потерь может осуществляться теплоизлучением. Однако эффективность ИН при нормальных и повышенных температурах невысокая из-за большого омического сопротивления проводников и относительно малой постоянной времени .

Для снижения и увеличения целесообразно использовать криогенные ИН. Так, например, ИН, охлаждаемые жидким азотом ( 77 К), позволяют уменьшить и увеличить в 8—10 раз. Соответственно возрастают и допустимые плотности тока. В гиперпроводниках (криопроводниках), изготавливаемых из алюминия высокой чистоты (с содержанием примесей не более 0,001%) и охлаждаемых жидким водородом ( 20 К) или неоном ( 27 К), сопротивление снижается в несколько тысяч раз по сравнению с сопротивлением при нормальной температуре.

Наивысшие значения реализуются в сверхпроводниковых ИН. Значение у таких ИН определяется только сопротивлением токоподводов. Плотности тока в сверх- и гиперпроводниковых ИН достигают максимальных значений ( 10³ А/мм²), что позволяет снижать объем и массу активных элементов. Однако такие ИН должны иметь относительно сложные криогенные системы охлаждения.

Предельные значения плотности тока в активной зоне позволяют получить сверхпроводниковые и криопроводниковые индуктивные накопители (СПИН) и поэтому обладают наилучшими массогабаритными показателями. СПИН могут использоваться как в автономных установках, так и в крупных энергосистемах, поскольку они способны сохранять энергию длительное время.

Обмотка сверхпроводниковых ИН выполняется из сверхпроводников (NbTi, Nb Sn, V Ga и др.), помещенных в криостат с жидким гелием. Проводник, из которого изготавливают катушки СПИН, имеет композитную структуру: тонкие жилы сверхпроводника с диаметром 1 – 10 мкм вкраплены в металлическую матрицу несущего провода (медную, медно-никелевую, алюминиевую и др.), которая обеспечивает тепловую стабилизацию сверхпроводниковых жил и механическую прочность проводника.

Для создания высокоэффективных ИН помимо сверхпроводников могут использоваться гиперпроводники, называемые также криопроводниками. Одним из них является, например, сверхчистый алюминий (99,999%), охлажденный до температуры К (например, жидким водородом или неоном). Сопротивление провода из гиперпроводника уменьшается в тысячи раз по сравнению с сопротивлением при нормальной температуре, что позволяет иметь плотности тока того же порядка, что и в сверхпроводниках. Однако криогенное обеспечение гиперпроводниковых систем должно быть достаточно мощным, поскольку в отличие от сверхпроводника гиперпроводник сохраняет конечное сопротивление и при больших плотностях тока необходимо отводить существенные омические потери. Особенности криопроводников связаны также с магниторезистивным эффектом – увеличением сопротивления в присутствии магнитных полей, и с размерным эффектом - увеличением удельного сопротивления при уменьшении размеров проводника.