This term paper aims to present the use of superconductors in electrical machines and motors. On the other hand, this material is connected to cryogenic systems (refrigeration systems), which increases the total cost and consumes part of the energy for the flow of the coolant. The economic feasibility of using this technology will be analyzed, taking into account the local infrastructure conditions of installation and the increase in energy efficiency compared to the cost of the system.
Serão vistas as melhores situações de utilização de motores e máquinas supercondutoras e apresentando suas características. Porém, esse tema nunca deixou de ser pesquisado e em 1986 houve a descoberta de uma nova possibilidade: os supercondutores de alta temperatura crítica. É possível usar a tecnologia de supercondutores em diversas situações, como aceleradores de partículas, linhas de transmissão, trens-bala, além de máquinas e motores elétricos.
Neste capítulo discutimos duas situações onde ela pode ser utilizada: linhas de transmissão e sistemas de armazenamento de energia.
Linhas de transmissão
Os supercondutores de alta temperatura podem ser uma excelente opção para o uso de cabos convencionais, pois oferecem resistência elétrica quase nula e podem transportar até 5 vezes mais energia elétrica que os condutores de corrente, sendo possível reduzir significativamente o volume e o peso. transportar o mesmo volume de energia ou até mesmo baixar o nível de tensão durante o transporte, pois o aumento da tensão é feito para reduzir as perdas. O principal desafio para construir mais linhas de transmissão supercondutoras é o alto custo, como mostra o exemplo citado, onde o custo total foi de US$ 60 milhões para uma rede de apenas 610 metros de extensão.
Armazenamento de energia
Em 1973, o primeiro protótipo de um gerador de alta velocidade com bobinas de campo supercondutores de cerca de 5 MVA foi concluído pela Westinghouse. No mercado de geradores, supercondutores de alta temperatura crítica foram investigados na década de 1990 pela General Electrics e, em 2002, foi iniciado um projeto para um gerador comercial de 100 MVA. O principal motivo foi que o custo das fitas supercondutoras, do sistema de resfriamento e da estrutura mecânica das bobinas foi maior do que o esperado.
Este gerador usou o estator de um motor de indução de 2.000 cavalos de potência, substituindo o rotor gaiola de esquilo por um rotor supercondutor. Este projeto utilizou bobinas de fita BSCCO com o mesmo sistema de refrigeração, com algumas otimizações. As perdas de ferro são aquelas devidas a histerese e correntes parasitas que ocorrem no núcleo e representam 15 a 25% das perdas totais de um motor.
Ao reduzir essas perdas, aumenta-se a eficiência compensando a necessidade de um sistema de refrigeração. A redução do volume também afeta o sistema de propulsão, pois o torque necessário para movimentar o gerador é menor, o que permite reduzir a potência do maquinário propulsor, reduzindo assim o volume total ocupado. Como resultado, o peso e o tamanho da nacele são bastante reduzidos, e a confiabilidade e a eficiência da turbina eólica também são aumentadas.
Pode-se constatar que mesmo com a inclusão do sistema criogênico, o gerador ainda é mais eficiente para operação com a mesma quantidade de energia. O maior diferencial deste sistema é a redução do sistema de acionamento, além de reduzir as dimensões e peso dos geradores. Existem navios que precisam de um sistema de Posicionamento Dinâmico (PD) para compensar os ventos quando estão em águas profundas.
Máquinas supercondutoras
Máquinas supercondutoras de baixa temperatura crítica
A primeira menção a pesquisas sobre o uso de supercondutores em máquinas elétricas é de Robert J. Os primeiros projetos estão no livro IEEE Transactions on Aerospace de 1964, e os primeiros protótipos de 1966 na Inglaterra. Os primeiros protótipos eram máquinas homopolares, então essas máquinas eram submetidas a um campo axial e quase nenhum campo transversal, o que poderia causar interferência e tirar o foco do desenvolvimento de sistemas criogênicos.
Também em 1966, geradores com supercondutores de 8 kVA foram desenvolvidos nos EUA, e em 1967 foi feita uma tentativa de desenvolver uma máquina totalmente supercondutora de 50 kW, mas estas apresentavam grandes perdas CA nos enrolamentos da armadura. Até 1986, os supercondutores de alta temperatura ainda não haviam sido descobertos, então os supercondutores usados eram NbTi (Nióbio-Titânio) e Nb3Sn (Nióbio-Estanho). Este utilizou o supercondutor NbTi, operado com tensão de 5 kV e rotação de 12.000 rpm, com o resfriador Le (hélio líquido), de aproximadamente 4K.
A construção dessa máquina foi um sucesso e permitiu diversos ensaios em diferentes condições de carga, além de amplo aprendizado das técnicas envolvidas e dos desempenhos elétricos, mecânicos e térmicos, além de ser a mais potente da época. Em 1999, a Super-GM japonesa produzida pela NEDO, iniciada em 1988, completou e quebrou todos os recordes mundiais desse tipo de máquina, gerando 79 MW de potência e alcançando o maior tempo de operação contínua - 1500 horas. Esta máquina tinha três tipos diferentes de rotores, uma rotação de 3600 rpm e foi a primeira a ser ligada a uma rede de alta tensão.
Máquinas supercondutoras de alta temperatura crítica
Após essas aplicações, devido à grave crise econômica da década de 1980, os projetos nessa área só foram realizados novamente em 1988. Esse projeto utilizou rotores não resfriados com núcleo ferromagnético juntamente com tiras supercondutoras. Como esse projeto foi feito para uso em grandes usinas, ao invés de usar núcleos não magnéticos, voltou-se ao uso de um estator ferromagnético convencional, pois para esse uso é mais vantajoso conseguir uma máquina com vida útil maior do que leva menos espaço e tem menos peso.
Após vários estudos, o projeto do gerador de 100 MVA foi abandonado, devido à incerteza na viabilidade econômica da tecnologia. Paralelamente a este projeto, um protótipo de 1,5 MW foi construído para analisar o tipo de rotor, desempenho da bobina e sistemas de refrigeração. Em 1999, a Siemens iniciou suas pesquisas na área, lançando uma máquina que utiliza um núcleo ferromagnético frio embutido em um criostato rotativo junto com bobinas supercondutoras.
Dentre os resultados dos testes convencionais, cabe destacar que a eficiência deste gerador foi de 98,4%, cerca de 2% superior ao convencional nesta faixa de potência e já inclui o custo da energia de resfriamento, além de uma redução significativa. em ruído e vibração. Em 2005, um motor axial de 12,5 kW foi desenvolvido por um grupo que incluía as multinacionais IHI e Sumitomo, com tiras BSCCO no enrolamento de campo estático. Outro motor foi desenvolvido na Universidade de Kyoto em 2006, com uma gaiola de fita BSCCO refrigerada a nitrogênio com um rotor convencional.
No mesmo ano, um terceiro grupo desenvolveu um motor com enrolamento de campo de fitas supercondutoras resfriadas com hélio a 20 K. Este usava geometria radial, com um criostato em formato cilíndrico oco com bobinas YBCO e núcleo de ferro frio, e um rotor com alimentação trifásica, escovas e alma de ferro. Comparado aos convencionais, esse protótipo não apresentou maior eficiência, o que confirmou a hipótese de que bobinas supercondutoras sobre núcleos de ferro para máquinas com densidade de energia igual às convencionais não valem a pena.
Características e aplicações
Neste motor, a parte estacionária está localizada no núcleo do motor, enquanto a rotativa está localizada na parte mais externa para facilitar a montagem do sistema criogênico. Hoje é mais comum usar máquinas com enrolamento de campo feito de bobinas de fita supercondutora. As perdas do estator representam 25 a 40% das perdas e dependem da espessura dos condutores e do comprimento das bobinas.
As perdas do rotor dependem do material, seção e comprimento das barras e equivalem a 15 a 25% das perdas totais do motor. No entanto, pode-se observar que também há redução em outras categorias, inclusive devido ao seu menor volume, menor uso de ferro e redução do atrito. Com o uso de supercondutores é possível retirar as ferragens utilizadas para concentrar o fluxo magnético, já que a intensidade do campo produzido é muito maior e satura facilmente nos dentes de ferro das ranhuras dos condutores.
O uso de geradores convencionais resultaria em geradores maiores e mais pesados para gerar a mesma quantidade de energia, mas esse problema pode ser resolvido usando supercondutores. É a estrutura montada na torre, onde estão localizados o gerador, a caixa de engrenagens (se utilizada), todo o sistema de controle, medição de vento e motores para rotação do sistema para o melhor posicionamento em relação ao vento. Percebe-se que o comprimento do aerogerador sofreu uma grande redução, o que é uma vantagem significativa, pois o esforço causado pelo vento também será menor devido à redução da área de impacto da corrente de ar com o naceles.
Percebe-se que não é possível reduzir o peso da torre sem reduzir o peso da nacela, pois a estrutura de solo sofreria mais esforço. A eficiência energética desta máquina não é seu principal diferencial, como pode ser visto neste gráfico, pois o próprio sistema criogênico drena um pouco da energia para fazer circular o refrigerante. O PD é um sistema de propulsores direcionais que compensa o movimento da embarcação, tornando-a quase estática, podendo responder por 80% da energia consumida a bordo, dependendo das condições climáticas.
O sistema de resfriamento supercondutor representa um forte impacto no orçamento de produção de qualquer tecnologia a ele associada, mas há pontos positivos que podem compensar o investimento. Através das equações apresentadas na aplicação desta tecnologia em máquinas e motores, foi visto que a maior parte das perdas eliminadas pelo uso de supercondutores são aquelas oriundas do efeito Joule. No entanto, como toda tecnologia de ponta, o custo pode se tornar um inibidor do desenvolvimento, e isso pode mudar com o tempo, pois o uso em larga escala de supercondutores na fabricação de turbinas eólicas é antecipado, o que pode reduzir seus custos.
A capacidade de gerar energia com menor exigência de torque também traz grandes benefícios para embarcações que operam com vários grupos geradores, pois reduzem o volume e o peso de todo o sistema de propulsão e atendem à necessidade de redes mais robustas para suportar essas situações.
