Суперпроводни системи за складиштење магнетне енергије (СМЕС)

Чување енергије је процес који се одвија са уређајима или физичким медијима који складиште енергију како би је касније могли ефикасно користити.

Системи за складиштење енергије се могу поделити на механичке, електричне, хемијске и термичке. Једна од савремених технологија складиштења енергије су СМЕС системи — суперпроводни магнетни складишни системи (суперпроводљиви системи за складиштење магнетне енергије).

Системи за складиштење суперпроводне магнетне енергије (СМЕС) складиште енергију у магнетном пољу створеном протоком једносмерне струје у суперпроводљивом калему који је криогенски охлађен на температуру испод своје критичне суперпроводне температуре. Када се суперпроводни калем напуни, струја се не смањује и магнетна енергија се може чувати неограничено. Похрањена енергија се може вратити у мрежу пражњењем завојнице.

Суперпроводни систем за складиштење магнетне енергије заснива се на магнетном пољу које се генерише током једносмерне струје у суперпроводном калему.

Суперпроводни калем се континуирано криогенски хлади, па је услед тога стално испод критичне температуре, тј. суперпроводник… Поред завојнице, СМЕС систем укључује криогени фрижидер као и систем климатизације.

Закључак је да је наелектрисани калем у суправодљивом стању способан да сам одржи непрекидну струју, тако да магнетно поље дате струје може да складишти енергију похрањену у њему бесконачно дуго.

Енергија ускладиштена у суправодљивом калему може се, ако је потребно, испоручити у мрежу током пражњења таквог калема. Да бисте претворили једносмерну струју у наизменичну струју, инвертера, а за пуњење завојнице из мреже — исправљачи или АЦ-ДЦ претварачи.

У току високоефикасне конверзије енергије у једном или другом правцу губици у МСП представљају највише 3%, али је овде најважније да су у процесу складиштења енергије овим методом губици најмање својствени било који од тренутно познатих метода за складиштење и складиштење енергије. Укупна минимална ефикасност МСП је 95%.

Због високе цене суперпроводних материјала и имајући у виду чињеницу да хлађење захтева и трошкове енергије, СМЕС системи се тренутно користе само тамо где је потребно кратко време ускладиштити енергију и истовремено побољшати квалитет напајања. . То јест, традиционално се користе само у случајевима хитне потребе.

Систем МСП се састоји од следећих компоненти:

• суперпроводни калем,
• Криостат и вакуум систем,
• Систем хлађења,
• систем за конверзију енергије,
• Контролни уређај.

Главне предности МСП система су очигледне. Пре свега, ради се о изузетно кратком времену током којег је суперпроводни калем у стању да прихвати или одустане од енергије ускладиштене у свом магнетном пољу. На овај начин могуће је не само добити колосалне тренутне силе пражњења, већ и допунити суперпроводни калем са минималним временским кашњењем.

Ако упоредимо МСП са системима за складиштење компримованог ваздуха, са замајцима и хидрауличним акумулаторима, онда ове последње карактерише колосално кашњење током конверзије електричне енергије у механичку и обрнуто (видети — Складиште енергије замашњака).

Одсуство покретних делова је још једна важна предност СМЕС система, што повећава њихову поузданост. И, наравно, због одсуства активног отпора у суперпроводнику, губици складиштења су минимални. Специфична енергија СМЕС је обично између 1 и 10 Вх/кг.

1 МВх СМЕС се користе широм света за побољшање квалитета електричне енергије тамо где је то потребно, као што су фабрике микроелектронике које захтевају струју највишег квалитета.

Поред тога, мала и средња предузећа су такође корисна у комуналним делатностима. Дакле, у једној од држава САД постоји фабрика папира, која током свог рада може изазвати јаке ударе у далеководима. Данас је фабрички далековод опремљен читавим ланцем СМЕС модула који гарантују стабилност електричне мреже. СМЕС модул капацитета 20 МВх може одрживо да обезбеди 10 МВ за два сата или свих 40 МВ за пола сата.

Количина енергије коју чува суперпроводни калем може се израчунати коришћењем следеће формуле (где је Л индуктивност, Е енергија, И струја):

Са становишта структурне конфигурације суправодљивог намотаја, веома је важно да је отпоран на деформације, да има минималне показатеље топлотног ширења и контракције, као и да има ниску осетљивост на Лоренцову силу, која неминовно настаје током рад инсталације (Најважнији закони електродинамике). Све ово је важно како би се спречило уништавање намотаја у фази израчунавања својстава и количине грађевинског материјала инсталације.

За мале системе, укупна стопа деформације од 0,3% се сматра прихватљивом. Поред тога, тороидна геометрија завојнице доприноси смањењу спољних магнетних сила, што омогућава смањење трошкова носеће конструкције, а такође омогућава постављање инсталација у близини објеката оптерећења.

Ако је СМЕС инсталација мала, онда може бити прикладан и соленоидни калем, који не захтева посебну потпорну структуру, за разлику од тороида. Међутим, треба напоменути да су тороидној завојници потребни обручи и дискови, посебно када је у питању прилично енергетски интензивна структура.

Као што је горе наведено, хлађени суперпроводнички фрижидер континуирано захтева енергију за рад, што наравно смањује укупну ефикасност СМЕС-а.

Дакле, топлотна оптерећења која се морају узети у обзир при пројектовању инсталације обухватају: топлотну проводљивост носеће конструкције, топлотно зрачење са стране загрејаних површина, губитке у џулима у жицама кроз које теку струје пуњења и пражњења, као и губитке. у фрижидеру током рада.

Али иако су ови губици генерално пропорционални називној снази инсталације, предност СМЕС система је у томе што се повећањем енергетског капацитета од 100 пута трошкови хлађења повећавају само 20 пута. Поред тога, за високотемпературне суперпроводнике, уштеде на хлађењу су веће него када се користе нискотемпературни суперпроводници.

Чини се да је суперпроводни систем за складиштење енергије заснован на високотемпературном суперпроводнику мање захтеван за хлађење и стога би требало да кошта мање.

У пракси, међутим, то није случај, пошто укупни трошкови инсталационе инфраструктуре обично премашују цену суперпроводника, а калемови високотемпературних суперпроводника су и до 4 пута скупљи од намотаја нискотемпературних суперпроводника. .

Поред тога, гранична густина струје за високотемпературне суперпроводнике је нижа него за нискотемпературне, ово се односи на радна магнетна поља у опсегу од 5 до 10 Т.

Дакле, да бисте добили батерије са истом индуктивношћу, потребно је више високотемпературних суперпроводних жица. А ако је потрошња енергије инсталације око 200 МВх, онда ће се нискотемпературни суперпроводник (проводник) испоставити десет пута скупљи.

Поред тога, један од кључних фактора трошкова је следећи: цена фрижидера је у сваком случају толико ниска да смањење расхладне енергије коришћењем високотемпературних суперпроводника даје веома низак проценат уштеде.

Могуће је смањити запремину и повећати густину енергије ускладиштене у СМЕС повећањем максималног радног магнетног поља, што ће довести до смањења дужине жице и смањења укупних трошкова. Оптимална вредност се сматра вршним магнетним пољем од око 7 Т.

Наравно, ако се поље повећа изнад оптималног, могућа су даља смањења запремине уз минимално повећање трошкова. Али граница индукције поља је обично физички ограничена, због немогућности спајања унутрашњих делова тороида док се и даље оставља простор за компензациони цилиндар.

Суперпроводни материјал остаје кључно питање у стварању исплативих и ефикасних инсталација за МСП. Напори програмера данас су усмерени на повећање критичне струје и опсега деформације суперпроводних материјала, као и на смањење трошкова њихове производње.

Сумирајући техничке потешкоће на путу ка широком увођењу система МСП, може се јасно разликовати следеће. Потреба за чврстим механичким ослонцем способним да издржи значајну Лоренцову силу која се ствара у калему.

Потреба за великим земљиштем, будући да ће инсталација за МСП, на пример капацитета 5 ГВх, садржати суправодљиво коло (кружно или правоугаоно) дужине око 600 метара. Поред тога, вакуумски контејнер са течним азотом (дужине 600 метара) који окружује суперпроводник мора бити смештен под земљом и мора бити обезбеђена поуздана подршка.

Следећа препрека је крхкост суперпроводне високотемпературне керамике, што отежава извлачење жица за велике струје.Критично магнетно поље које уништава суперпроводљивост је такође препрека повећању специфичног енергетског интензитета СМЕС. НС има критичан тренутни проблем из истог разлога.