Superconducting Magnetic Energy Storage System (SMES)

Ang pag-iimbak ng enerhiya ay isang proseso na nagaganap sa mga device o pisikal na media na nag-iimbak ng enerhiya upang magamit nila ito nang mahusay sa ibang pagkakataon.

Ang mga sistema ng pag-iimbak ng enerhiya ay maaaring nahahati sa mekanikal, elektrikal, kemikal at thermal. Ang isa sa mga modernong teknolohiya sa pag-iimbak ng enerhiya ay ang mga SMES system — superconducting magnetic energy storage (superconducting magnetic energy storage systems).

Ang mga superconducting magnetic energy storage (SMES) system ay nag-iimbak ng enerhiya sa isang magnetic field na nilikha ng direktang daloy ng kasalukuyang sa isang superconducting coil na cryogenically cooled sa isang temperatura na mas mababa sa kritikal na superconducting na temperatura nito. Kapag ang superconducting coil ay sinisingil, ang kasalukuyang ay hindi bumababa at ang magnetic energy ay maaaring maimbak nang walang katiyakan. Ang nakaimbak na enerhiya ay maaaring ibalik sa grid sa pamamagitan ng paglabas ng coil.

Ang superconducting magnetic energy storage system ay batay sa isang magnetic field na nabuo ng daloy ng direktang kasalukuyang sa isang superconducting coil.

Ang superconducting coil ay patuloy na cryogenically cooled, kaya bilang isang resulta ito ay patuloy na nasa ibaba ng kritikal na temperatura, i.e. superconductor… Bilang karagdagan sa coil, ang SMES system ay may kasamang cryogenic refrigerator pati na rin ang air conditioning system.

Ang konklusyon ay ang isang naka-charge na coil sa isang superconducting na estado ay may kakayahang magpanatili ng isang tuluy-tuloy na kasalukuyang sa pamamagitan ng kanyang sarili, upang ang magnetic field ng isang naibigay na kasalukuyang ay maaaring mag-imbak ng enerhiya na nakaimbak dito para sa isang walang katapusang mahabang panahon.

Ang enerhiya na nakaimbak sa superconducting coil ay maaaring, kung kinakailangan, ay ibigay sa network sa panahon ng paglabas ng naturang coil. Upang i-convert ang DC power sa AC power, mga inverters, at para sa pag-charge ng coil mula sa network — mga rectifier o AC-DC converter.

Sa kurso ng mataas na mahusay na conversion ng enerhiya sa isang direksyon o iba pa, ang mga pagkalugi sa SME ay kumakatawan sa isang maximum na 3%, ngunit ang pinakamahalagang bagay dito ay na sa proseso ng pag-iimbak ng enerhiya sa pamamagitan ng pamamaraang ito, ang mga pagkalugi ay hindi gaanong likas sa alinman sa mga kasalukuyang kilalang pamamaraan para sa pag-iimbak at pag-iimbak ng enerhiya. Ang kabuuang minimum na kahusayan ng mga SME ay 95%.

Dahil sa mataas na halaga ng mga superconducting na materyales at isinasaalang-alang ang katotohanan na ang paglamig ay nangangailangan din ng mga gastos sa enerhiya, ang mga SMES system ay kasalukuyang ginagamit lamang kung saan kinakailangan na mag-imbak ng enerhiya sa loob ng maikling panahon at sa parehong oras ay mapabuti ang kalidad ng supply ng kuryente . Iyon ay, ang mga ito ay tradisyonal na ginagamit lamang sa mga kaso ng kagyat na pangangailangan.

Ang sistema ng SME ay binubuo ng mga sumusunod na bahagi:

• superconducting coil,
• Cryostat at vacuum system,
• Sistema ng paglamig,
• Sistema ng conversion ng enerhiya,
• Kontrolin ang aparato.

Ang mga pangunahing bentahe ng mga sistema ng SME ay halata. Una sa lahat, ito ay isang napakaikling panahon kung saan ang superconducting coil ay kayang tanggapin o ibigay ang enerhiya na nakaimbak sa magnetic field nito. Sa ganitong paraan, posible hindi lamang upang makakuha ng napakalaking instantaneous discharge forces, ngunit din upang muling magkarga ng superconducting coil na may kaunting pagkaantala sa oras.

Kung ihahambing natin ang SME sa mga compressed air storage system, na may mga flywheel at hydraulic accumulator, kung gayon ang huli ay nailalarawan sa pamamagitan ng napakalaking pagkaantala sa panahon ng conversion ng kuryente sa mekanikal at kabaligtaran (tingnan ang — Imbakan ng enerhiya ng flywheel).

Ang kawalan ng mga gumagalaw na bahagi ay isa pang mahalagang bentahe ng mga sistema ng SMES, na nagpapataas ng kanilang pagiging maaasahan. At, siyempre, dahil sa kawalan ng aktibong paglaban sa isang superconductor, ang mga pagkalugi ng imbakan dito ay minimal. Ang partikular na enerhiya ng SMES ay karaniwang nasa pagitan ng 1 at 10 Wh/kg.

Ang 1 MWh SMES ay ginagamit sa buong mundo upang mapabuti ang kalidad ng kuryente kung saan kinakailangan, tulad ng mga pabrika ng microelectronics na nangangailangan ng pinakamataas na kalidad ng kapangyarihan.

Bilang karagdagan, ang mga SME ay kapaki-pakinabang din sa mga kagamitan. Kaya, sa isa sa mga estado ng USA mayroong isang pabrika ng papel, na sa panahon ng operasyon nito ay maaaring maging sanhi ng malakas na pag-akyat sa mga linya ng kuryente. Sa ngayon, ang linya ng kuryente ng pabrika ay nilagyan ng isang buong chain ng SMES modules na ginagarantiyahan ang katatagan ng power grid. Ang SMES module na may kapasidad na 20 MWh ay maaaring makapagbigay ng 10 MW sa loob ng dalawang oras o lahat ng 40 MW sa loob ng kalahating oras.

Ang dami ng enerhiya na nakaimbak ng isang superconducting coil ay maaaring kalkulahin gamit ang sumusunod na formula (kung saan ang L ay inductance, E ay enerhiya, I ay kasalukuyang):

Mula sa punto ng view ng structural configuration ng superconducting coil, napakahalaga na ito ay lumalaban sa pagpapapangit, may kaunting mga tagapagpahiwatig ng thermal expansion at contraction, at mayroon ding mababang sensitivity sa puwersa ng Lorentz, na hindi maiiwasang lumitaw sa panahon ng pagpapatakbo ng pag-install (Ang pinakamahalagang batas ng electrodynamics). Ang lahat ng ito ay mahalaga upang maiwasan ang pagkasira ng paikot-ikot sa yugto ng pagkalkula ng mga katangian at ang halaga ng mga materyales sa pagtatayo ng pag-install.

Para sa maliliit na sistema, ang pangkalahatang rate ng strain na 0.3% ay itinuturing na katanggap-tanggap. Bilang karagdagan, ang toroidal geometry ng coil ay nag-aambag sa pagbawas ng mga panlabas na magnetic force, na ginagawang posible na bawasan ang gastos ng sumusuporta sa istraktura, at pinapayagan din ang pag-install na mailagay malapit sa mga bagay ng pag-load.

Kung ang pag-install ng SMES ay maliit, kung gayon ang isang solenoid coil ay maaari ding maging angkop, na hindi nangangailangan ng isang espesyal na istraktura ng suporta, hindi tulad ng isang toroid. Gayunpaman, dapat tandaan na ang toroidal coil ay nangangailangan ng mga press hoop at disc, lalo na pagdating sa isang medyo masinsinang istraktura.

Tulad ng nabanggit sa itaas, ang isang cooled superconductor refrigerator ay patuloy na nangangailangan ng enerhiya upang gumana, na siyempre binabawasan ang pangkalahatang kahusayan ng SMES.

Kaya, ang mga thermal load na dapat isaalang-alang kapag nagdidisenyo ng pag-install ay kinabibilangan ng: thermal conductivity ng sumusuportang istraktura, thermal radiation mula sa gilid ng pinainit na mga ibabaw, pagkalugi ng joule sa mga wire kung saan dumadaloy ang pag-charge at paglabas ng mga alon, pati na rin ang mga pagkalugi. sa refrigerator habang nagtatrabaho.

Ngunit kahit na ang mga pagkalugi na ito ay karaniwang proporsyonal sa nominal na kapangyarihan ng pag-install, ang bentahe ng mga sistema ng SMES ay na sa pagtaas ng kapasidad ng enerhiya ng 100 beses, ang mga gastos sa paglamig ay tumataas lamang ng 20 beses. Bilang karagdagan, para sa mga superconductor na may mataas na temperatura, mas malaki ang matitipid sa paglamig kaysa kapag gumagamit ng mga superconductor na mababa ang temperatura.

Lumilitaw na ang isang superconducting energy storage system batay sa isang high-temperature superconductor ay hindi gaanong hinihingi sa paglamig at samakatuwid ay dapat na mas mura.

Sa pagsasagawa, gayunpaman, hindi ito ang kaso, dahil ang kabuuang halaga ng imprastraktura ng pag-install ay karaniwang lumalampas sa halaga ng superconductor, at ang mga coil ng mga superconductor na may mataas na temperatura ay hanggang 4 na beses na mas mahal kaysa sa mga coil ng mga superconductor na mababa ang temperatura. .

Bilang karagdagan, ang paglilimita ng kasalukuyang density para sa mga superconductor na may mataas na temperatura ay mas mababa kaysa sa mga mababa ang temperatura, nalalapat ito sa pagpapatakbo ng mga magnetic field sa hanay na 5 hanggang 10 T.

Kaya't upang makakuha ng mga baterya na may parehong inductance, kailangan ng higit pang mataas na temperatura na superconducting wire. At kung ang pagkonsumo ng enerhiya ng pag-install ay halos 200 MWh, kung gayon ang mababang temperatura na superconductor (konduktor) ay magiging sampung beses na mas mahal.

Bilang karagdagan, ang isa sa mga pangunahing salik sa gastos ay ito: ang halaga ng refrigerator sa anumang kaso ay napakababa na ang pagbabawas ng enerhiya sa paglamig sa pamamagitan ng paggamit ng mga superconductor na may mataas na temperatura ay nagbibigay ng napakababang porsyento ng pagtitipid.

Posibleng bawasan ang volume at dagdagan ang density ng enerhiya na nakaimbak sa SMES sa pamamagitan ng pagtaas ng peak operating magnetic field, na hahantong sa parehong pagbawas sa haba ng wire at pagbawas sa kabuuang gastos. Ang pinakamainam na halaga ay itinuturing na isang peak magnetic field na humigit-kumulang 7 T.

Siyempre, kung ang patlang ay nadagdagan nang higit sa pinakamabuting kalagayan, ang karagdagang mga pagbawas sa dami ay posible na may kaunting pagtaas sa gastos. Ngunit ang limitasyon ng field induction ay kadalasang pisikal na limitado, dahil sa imposibilidad na pagsamahin ang mga panloob na bahagi ng toroid habang nag-iiwan pa rin ng puwang para sa compensating cylinder.

Ang superconducting na materyal ay nananatiling pangunahing isyu sa paglikha ng cost-effective at mahusay na mga installation para sa mga SME. Ang mga pagsisikap ng mga developer ngayon ay naglalayong pataasin ang kritikal na kasalukuyang at ang hanay ng pagpapapangit ng mga superconducting na materyales, pati na rin ang pagbawas sa gastos ng kanilang produksyon.

Ang pagbubuod ng mga teknikal na paghihirap sa daan patungo sa malawakang pagpapakilala ng mga SME system, ang mga sumusunod ay maaaring malinaw na makilala. Ang pangangailangan para sa isang solidong mekanikal na suporta na may kakayahang makatiis sa makabuluhang puwersa ng Lorentz na nabuo sa likid.

Ang pangangailangan para sa isang malaking piraso ng lupa, dahil ang isang pag-install ng SME, halimbawa na may kapasidad na 5 GWh, ay maglalaman ng isang superconducting circuit (circular o rectangular) na humigit-kumulang 600 metro ang haba. Bilang karagdagan, ang lalagyan ng vacuum ng likidong nitrogen (600 metro ang haba) na nakapalibot sa superconductor ay dapat na matatagpuan sa ilalim ng lupa at dapat na maibigay ang maaasahang suporta.

Ang susunod na balakid ay ang brittleness ng superconducting high-temperature ceramics, na nagpapahirap sa pagguhit ng mga wire para sa matataas na alon.Ang kritikal na magnetic field na sumisira sa superconductivity ay isa ring balakid sa pagtaas ng tiyak na intensity ng enerhiya ng SMES. Ang NS ay may kritikal na kasalukuyang problema para sa parehong dahilan.