Sistem Penyimpanan Tenaga Magnet Superkonduktor (SMES)

Penyimpanan tenaga ialah proses yang berlaku dengan peranti atau media fizikal yang menyimpan tenaga supaya mereka boleh menggunakannya dengan cekap kemudian.

Sistem penyimpanan tenaga boleh dibahagikan kepada mekanikal, elektrikal, kimia dan haba. Salah satu teknologi penyimpanan tenaga moden ialah sistem SMES — penyimpanan tenaga magnet superkonduktor (sistem penyimpanan tenaga magnet superkonduktor).

Sistem penyimpanan tenaga magnet superkonduktor (SMES) menyimpan tenaga dalam medan magnet yang dicipta oleh aliran arus terus dalam gegelung superkonduktor yang telah disejukkan secara kriogenik kepada suhu di bawah suhu superkonduktor kritikalnya. Apabila gegelung superkonduktor dicas, arus tidak berkurangan dan tenaga magnet boleh disimpan selama-lamanya. Tenaga yang disimpan boleh dikembalikan ke grid dengan menyahcas gegelung.

Sistem penyimpanan tenaga magnet superkonduktor adalah berdasarkan medan magnet yang dihasilkan oleh aliran arus terus dalam gegelung superkonduktor.

Gegelung superkonduktor disejukkan secara kriogenik secara berterusan, jadi akibatnya ia sentiasa berada di bawah suhu kritikal, i.e. superkonduktor… Selain gegelung, sistem SMES termasuk peti sejuk kriogenik serta sistem penghawa dingin.

Kesimpulannya ialah gegelung bercas dalam keadaan superkonduktor mampu mengekalkan arus berterusan dengan sendirinya, supaya medan magnet arus tertentu boleh menyimpan tenaga yang tersimpan di dalamnya untuk jangka masa yang tidak terhingga.

Tenaga yang disimpan dalam gegelung superkonduktor boleh, jika perlu, dibekalkan ke rangkaian semasa pelepasan gegelung tersebut. Untuk menukar kuasa DC kepada kuasa AC, penyongsang, dan untuk mengecas gegelung daripada rangkaian — penerus atau penukar AC-DC.

Dalam perjalanan penukaran tenaga yang sangat cekap dalam satu arah atau yang lain, kerugian dalam PKS mewakili maksimum 3%, tetapi perkara yang paling penting di sini ialah dalam proses penyimpanan tenaga melalui kaedah ini, kerugian adalah paling sedikit wujud dalam mana-mana kaedah yang diketahui pada masa ini untuk penyimpanan dan penyimpanan tenaga. Kecekapan minimum keseluruhan PKS ialah 95%.

Disebabkan oleh kos bahan superkonduktor yang tinggi dan mengambil kira hakikat bahawa penyejukan juga memerlukan kos tenaga, sistem SMES pada masa ini hanya digunakan di mana ia perlu untuk menyimpan tenaga untuk masa yang singkat dan pada masa yang sama meningkatkan kualiti bekalan kuasa. . Iaitu, mereka secara tradisinya digunakan hanya dalam kes keperluan mendesak.

Sistem PKS terdiri daripada komponen berikut:

• gegelung superkonduktor,
• Cryostat dan sistem vakum,
• Sistem penyejuk,
• Sistem penukaran tenaga,
• Peranti kawalan.

Kelebihan utama sistem PKS adalah jelas. Pertama sekali, ia adalah masa yang sangat singkat di mana gegelung superkonduktor dapat menerima atau melepaskan tenaga yang disimpan dalam medan magnetnya. Dengan cara ini, adalah mungkin bukan sahaja untuk mendapatkan daya nyahcas segera yang besar, tetapi juga untuk mengecas semula gegelung superkonduktor dengan kelewatan masa yang minimum.

Jika kita membandingkan PKS dengan sistem penyimpanan udara termampat, dengan roda tenaga dan akumulator hidraulik, maka yang terakhir dicirikan oleh kelewatan yang besar semasa penukaran elektrik kepada mekanikal dan sebaliknya (lihat — Penyimpanan tenaga roda tenaga).

Ketiadaan bahagian bergerak adalah satu lagi kelebihan penting sistem SMES, yang meningkatkan kebolehpercayaan mereka. Dan, tentu saja, kerana ketiadaan rintangan aktif dalam superkonduktor, kerugian penyimpanan di sini adalah minimum. Tenaga khusus SMES biasanya antara 1 dan 10 Wj/kg.

PKS 1 MWj digunakan di seluruh dunia untuk meningkatkan kualiti kuasa di mana diperlukan, seperti kilang mikroelektronik yang memerlukan kuasa kualiti tertinggi.

Selain itu, PKS juga berguna dalam utiliti. Jadi, di salah satu negeri di Amerika Syarikat terdapat sebuah kilang kertas, yang semasa operasinya boleh menyebabkan lonjakan kuat dalam talian kuasa. Hari ini, talian kuasa kilang itu dilengkapi dengan rangkaian keseluruhan modul SMES yang menjamin kestabilan grid kuasa. Modul PKS dengan kapasiti 20 MWj boleh membekalkan 10 MW secara mampan selama dua jam atau kesemua 40 MW selama setengah jam.

Jumlah tenaga yang disimpan oleh gegelung superkonduktor boleh dikira menggunakan formula berikut (di mana L ialah kearuhan, E ialah tenaga, I ialah arus):

Dari sudut pandangan konfigurasi struktur gegelung superkonduktor, adalah sangat penting bahawa ia tahan terhadap ubah bentuk, mempunyai penunjuk minimum pengembangan dan pengecutan haba, dan juga mempunyai kepekaan yang rendah kepada daya Lorentz, yang pasti timbul semasa operasi pemasangan (Undang-undang elektrodinamik yang paling penting). Semua ini penting untuk mengelakkan pemusnahan belitan pada peringkat pengiraan sifat dan jumlah bahan binaan pemasangan.

Untuk sistem kecil, kadar terikan keseluruhan 0.3% dianggap boleh diterima. Di samping itu, geometri toroidal gegelung menyumbang kepada pengurangan daya magnet luaran, yang memungkinkan untuk mengurangkan kos struktur sokongan, dan juga membolehkan pemasangan diletakkan berdekatan dengan objek beban.

Jika pemasangan SMES kecil, maka gegelung solenoid juga mungkin sesuai, yang tidak memerlukan struktur sokongan khas, tidak seperti toroid. Walau bagaimanapun, perlu diingatkan bahawa gegelung toroidal memerlukan gelung tekan dan cakera, terutamanya apabila ia berkaitan dengan struktur yang agak intensif tenaga.

Seperti yang dinyatakan di atas, peti sejuk superkonduktor yang disejukkan secara berterusan memerlukan tenaga untuk beroperasi, yang sudah tentu mengurangkan kecekapan keseluruhan PKS.

Jadi, beban terma yang mesti diambil kira semasa mereka bentuk pemasangan termasuk: kekonduksian terma struktur sokongan, sinaran terma dari sisi permukaan yang dipanaskan, kehilangan joule dalam wayar di mana arus pengecasan dan pelepasan mengalir, serta kerugian dalam peti ais semasa bekerja.

Tetapi walaupun kerugian ini secara amnya berkadar dengan kuasa nominal pemasangan, kelebihan sistem SMES ialah dengan peningkatan kapasiti tenaga sebanyak 100 kali, kos penyejukan meningkat hanya 20 kali ganda. Di samping itu, untuk superkonduktor suhu tinggi, penjimatan penyejukan adalah lebih besar daripada apabila menggunakan superkonduktor suhu rendah.

Nampaknya sistem penyimpanan tenaga superkonduktor berdasarkan superkonduktor suhu tinggi kurang memerlukan penyejukan dan oleh itu kosnya lebih murah.

Dalam amalan, bagaimanapun, ini tidak berlaku, kerana jumlah kos infrastruktur pemasangan biasanya melebihi kos superkonduktor, dan gegelung superkonduktor suhu tinggi adalah sehingga 4 kali lebih mahal daripada gegelung superkonduktor suhu rendah. .

Di samping itu, ketumpatan arus yang mengehadkan untuk superkonduktor suhu tinggi adalah lebih rendah daripada untuk yang bersuhu rendah, ini digunakan untuk mengendalikan medan magnet dalam julat 5 hingga 10 T.

Jadi untuk mendapatkan bateri dengan kearuhan yang sama, lebih banyak wayar superkonduktor suhu tinggi diperlukan. Dan jika penggunaan tenaga pemasangan adalah kira-kira 200 MWh, maka superkonduktor (konduktor) suhu rendah akan menjadi sepuluh kali lebih mahal.

Di samping itu, salah satu faktor kos utama ialah ini: kos peti sejuk dalam apa jua keadaan adalah sangat rendah sehingga mengurangkan tenaga penyejukan dengan menggunakan superkonduktor suhu tinggi memberikan penjimatan peratusan yang sangat rendah.

Adalah mungkin untuk mengurangkan volum dan meningkatkan ketumpatan tenaga yang disimpan dalam PKS dengan meningkatkan medan magnet operasi puncak, yang akan membawa kepada pengurangan panjang wayar dan pengurangan kos keseluruhan. Nilai optimum dianggap sebagai medan magnet puncak kira-kira 7 T.

Sudah tentu, jika medan meningkat melebihi tahap optimum, pengurangan selanjutnya dalam volum adalah mungkin dengan peningkatan kos yang minimum. Tetapi had aruhan medan biasanya terhad secara fizikal, kerana ketidakmungkinan untuk menyatukan bahagian dalaman toroid sementara masih memberi ruang untuk silinder pampasan.

Bahan superkonduktor kekal sebagai isu utama dalam mewujudkan pemasangan yang kos efektif dan cekap untuk PKS. Usaha pemaju hari ini bertujuan untuk meningkatkan arus kritikal dan julat ubah bentuk bahan superkonduktor, serta mengurangkan kos pengeluaran mereka.

Merumuskan kesukaran teknikal dalam perjalanan ke pengenalan meluas sistem PKS, perkara berikut boleh dibezakan dengan jelas. Keperluan untuk sokongan mekanikal pepejal yang mampu menahan daya Lorentz yang ketara yang dihasilkan dalam gegelung.

Keperluan untuk sebidang tanah yang luas, memandangkan pemasangan PKS, contohnya dengan kapasiti 5 GWj, akan mengandungi litar superkonduktor (bulatan atau segi empat tepat) sepanjang kira-kira 600 meter. Di samping itu, bekas vakum nitrogen cecair (600 meter panjang) yang mengelilingi superkonduktor mesti diletakkan di bawah tanah dan sokongan yang boleh dipercayai mesti disediakan.

Halangan seterusnya ialah kerapuhan seramik suhu tinggi superkonduktor, yang menjadikannya sukar untuk menarik wayar untuk arus tinggi.Medan magnet kritikal yang memusnahkan superkonduktiviti juga merupakan halangan untuk meningkatkan keamatan tenaga khusus PKS. NS mempunyai masalah semasa yang kritikal atas sebab yang sama.