Technická fakulta ČZU Praha Autor:
David Olmer
Semestr: letní 2007
SuperGrid pro Evropu Popis V srpnu 2003 selhala eletrická síť přivádějící elektřinu do New Yorku. Vypadla jedna elektrárna v Ohiu a kaskádovým efektem vyřadila z provozu dalších 265 elektráren. Po tmě se rázem ocitlo 8 milionů obyvatel New Yorku spolu s dalšími 40 milióny obyvatel severovýchodní části Spojených států amerických. Tento a další, čím dál tím častější, výpadky elektřiny, upozorňují na problém se současným stavem rozvodné síťe, jejíž kapacita je už téměř naplněna a pomalu nezvládá rostoucím nárokům na odběr elektřiny. Proto se řada odborníků zaobírá myšlenkou čím nahradit stávající síť, aby vyhovovala vzrůstající potřebě celosvětové civilizace. Jedním z předních odborníků v této oblasti jsou Paul M. Grant, Chauncey Starr a Thomas J. Overbye, kteří přišli s myšlenkou na systém rozvodu elektrické energie, který oni samy nazývají "Continental SuperGrid" (ang.=pevninská nadřazená síť, supra elektrická síť). Tato síť by se měla postupně vyvýjet vedle stávající elektrické síťě a zvyšovat tak její kapacitu a spolehlivost. V průběhu desetiletí by se měl SuperGrid stát prostředkem na dopravu a výrobu nejen velkého množství spolehlivé, levné a "čisté" elektřiny, ale také vodíku pro akumulaci energie a osobní dopravu. Výzkumníci dopěli k nazoru, že nemusí vyvýjet žádné nové technologie k naplnění jejich vize. Existující nukleární, vodíkové a supravodičové technologie, doplněné vybranými zdroji obnovitelné energie, jim poskytují všechny potřebné technické součásti potřebné ke vzniku SuperGridu. Vodík vyplňující SuperGrid nebude sloužit jen jako potrubí, ale také jako obrovská zásobárna energie, která bude tvořit jakousi vyrovnávací paměť, potřebnou k možnosti daleko většího využití větrné, solární a dalších typů obnovitelných energií. SuperKabel (viz. příloha v AutoCadu), který je základním kamenem myšlenky o SuperGridu, bude schopen přenášet elektrickou energii v obou elektrických i chemických formách. Elektřina bude proudit bezodporovým vedením ze supravodičových materiálů. Zmrazený vodík proudící jako kapalina by udržoval teplotu okolo absolutní nuly. Dvoucestný SuperKabel, každý o průměru zhruba 1 m, by mohl přenášet až 5GW elektřiny a 10 GW teplené energie.
Schéma Nulový odpor je pouze teoretický a to pouze za předpokladu stejnosměrného proudu a i tehdy se projevují tepelné ztáty. Konstrukce kabelu používá dnes běžně dostupné HTSC vinutí, které poskytuje 3 až 5-krát větší kapacitu při 60 Hz a 100 až 500-krát při 0 Hz a teplotě 77 K (bod varu tekutého dusíku), která udržuje mrazuvzdornou měď na konstantní teplotě. Tento nákres je pouze jedna z možných variant konečné podoby SuperKabelu, kterou uvedl Paul Grant na seminaři National Energy SuperGrid Workshop 2 v roce 2005. Jelikož se tento kabel ještě nezačal vyrábět a není zatím ani určena jeho konečná podoba, mohu se jen domnívat jaké bude jeho složení. Jako vysokonapěťovou izolaci bych použil dnes dostupné silikonové polymery, které mají tradičně vynikající izolační vlastnosti. Jsou to nevodiče, což vyplývá z jejich chemické podstaty, kterou tvoří smíšenina plniva a přísady. Tato směs se používá na výrobu pryže pro izolaci na dálková vedení elektrického proudu. Materiál na vrchní plášť jsem zvolil v ocele 11 373. Následující výpočty tedy výcházejí z této třídy oceli. Naměřené hodnoty jsou na 1 m délky. Potrubí jsem počítal jako prostě uložený nosník.
Výpočty Vstupní parametry Dovolené namání v tahu... σ := 110 ⋅ 106Pa Rozměry kabelu:
vnější průměr...
d1 := 0.75m
vnitřní průměr...
d2 := 0.72m
délka...
L := 1m 1
( )2 4
A 1 := π d1
Průřez...
1
( )2 4
A 2 := π d2
A := A 1 − A2
I1 :=
Moment setrvačnosti...
( )4
π ⋅ d1
W :=
( )4
π ⋅ d2
I2 :=
64
64
−3
I := I1 − I2
Modul průřezu...
A = 0.035 m
I = 2.34 × 10
I
(d1 ÷ 2)
W = 6.24 L
11
E := 2.1 ⋅ 10 Pa
Modul pružnosti v tahu...
Maximální dovolené spojité zatížení f := 0N ⋅ m MA := W ⋅ σ 2 1
8
MA = 6.864 × 10 N ⋅ mm
MA := f ⋅ L ⋅
6 1
f = 5.491 × 10
m
N
8
f :=
( 8 ⋅ MA ) 2
L
m
4
2
Maximální dovolená síla působící ve středu nosníku F := 0N
MA :=
F ⋅L
F :=
4 ⋅ MA L
4
6
F = 2.745 × 10 N
Maximální dovolené tahová síla působící v podélné ose F1 := 0N
σ :=
F1 := σ ⋅ A
F1 A 6
F1 = 3.81 × 10 N
Prodloužení od tahové síly δl := 0m
δl :=
F ⋅L A ⋅E
m −4 5.238 × 10
0
δl =
Závěr 6
Maximální spojité zatížení jsem výpočtem stanovil na 5.491 × 10 N.m', tato hodnota může být velice užitečná, kdyby se měl kabel např. zakopat do země, ke zjištění maximální možné hloubky uložení s ohledem na tlak zeminy. Dále jsem spočítal max. 6
sílu, kterou přenese plášť potrubí. Tato hodnota je stanovena na 2.745 × 10 N. 6
Maximální tahová síla je podle výpočtu 3.81 × 10 N a prodloužení od této síly je 5.238 × 10
−4
m.
Literatura a zdroje Statické a konstrukční tabulky, Červenka, 2000 SuperGrid Workshop (http://www.supergrid.uiuc.edu/ - 1.6.2007) High Voltage Connection (http://www.highvoltageconnection.com - 3.6.2007) Dow Corning Silicones (http://www.dowcorning.com/ - 3.6.2007)
elektráren. Po tmě se
ektřiny. Proto se řada
ovat tak její kapacitu
ou k možnosti daleko
počty tedy výcházejí
