Suprajohtavat magneettisen energian varastointijärjestelmät (SMES)

Energian varastointi on prosessi, joka tapahtuu laitteiden tai fyysisten välineiden avulla, jotka varastoivat energiaa, jotta ne voivat käyttää sitä tehokkaasti myöhemmin.

Energian varastointijärjestelmät voidaan jakaa mekaanisiin, sähköisiin, kemiallisiin ja lämpöjärjestelmiin. Yksi nykyaikaisista energian varastointitekniikoista on SMES-järjestelmät - suprajohtavat magneettiset energian varastointijärjestelmät (suprajohtavat magneettiset energian varastointijärjestelmät).

Suprajohtavat magneettiset energiavarastojärjestelmät (SMES) varastoivat energiaa magneettikentässä, joka syntyy tasavirran virtauksesta suprajohtavassa kelassa, joka on jäähdytetty kryogeenisesti kriittisen suprajohtavan lämpötilansa alapuolelle. Kun suprajohtava käämi ladataan, virta ei vähene ja magneettista energiaa voidaan varastoida loputtomiin. Varastoitu energia voidaan palauttaa verkkoon purkamalla käämi.

Suprajohtava magneettisen energian varastointijärjestelmä perustuu tasavirran synnyttämään magneettikenttään suprajohtavassa kelassa.

Suprajohtavaa kelaa jäähdytetään jatkuvasti kryogeenisesti, jolloin se on jatkuvasti kriittisen lämpötilan alapuolella, ts. suprajohteen… SMES-järjestelmä sisältää patterin lisäksi kryogeenisen jääkaapin sekä ilmastointijärjestelmän.

Johtopäätös on, että varattu käämi suprajohtavassa tilassa pystyy ylläpitämään jatkuvaa virtaa itsestään, joten tietyn virran magneettikenttä voi varastoida siihen varastoitunutta energiaa äärettömän pitkään.

Suprajohtavaan kelaan varastoitu energia voidaan tarvittaessa syöttää verkkoon tällaisen käämin purkamisen aikana. Muuntaaksesi tasavirran vaihtovirtalähteeksi, invertterit, ja kelan lataamiseen verkosta - tasasuuntaajia tai AC-DC-muuntimia.

Erittäin tehokkaan energian muuntamisen yhteydessä suuntaan tai toiseen häviöt pk-yrityksissä ovat enintään 3 %, mutta tärkeintä tässä on, että tällä menetelmällä tapahtuvassa energian varastoinnissa häviöt ovat vähiten luontaisia. mikä tahansa tällä hetkellä tunnetuista energian varastointi- ja varastointimenetelmistä. Pk-yritysten kokonaistehokkuus on 95 prosenttia.

Suprajohtavien materiaalien korkeiden kustannusten vuoksi ja ottaen huomioon, että jäähdytys vaatii myös energiakustannuksia, pk-järjestelmiä käytetään tällä hetkellä vain siellä, missä on tarpeen varastoida energiaa lyhytaikaisesti ja samalla parantaa tehonsyötön laatua. . Eli niitä käytetään perinteisesti vain kiireellisissä tapauksissa.

Pk-järjestelmä koostuu seuraavista osista:

• suprajohtava kela,
• Kryostaatti ja tyhjiöjärjestelmä,
• Jäähdytysjärjestelmä,
• Energian muuntojärjestelmä,
• Ohjauslaite.

Pk-järjestelmien tärkeimmät edut ovat ilmeisiä. Ensinnäkin se on äärimmäisen lyhyt aika, jonka aikana suprajohtava kela pystyy vastaanottamaan tai luopumaan magneettikenttään varastoidun energian. Tällä tavalla on mahdollista paitsi saada valtavia hetkellisiä purkausvoimia, myös ladata suprajohtava kela uudelleen minimaalisella aikaviiveellä.

Jos verrataan pk-yrityksiä paineilman varastointijärjestelmiin, vauhtipyöriin ja hydrauliakuihin, jälkimmäisille on ominaista valtava viive sähkön muuntamisessa mekaaniseksi ja päinvastoin (katso - Vauhtipyörän energian varastointi).

Liikkuvien osien puuttuminen on toinen pk-järjestelmien tärkeä etu, mikä lisää niiden luotettavuutta. Ja tietysti, koska suprajohteessa ei ole aktiivista vastusta, varastohäviöt ovat tässä minimaaliset. Pk-yritysten ominaisenergia on yleensä 1-10 Wh/kg.

1 MWh pk-yrityksiä käytetään maailmanlaajuisesti parantamaan sähkön laatua tarvittaessa, kuten mikroelektroniikan tehtaissa, jotka vaativat korkealaatuista tehoa.

Lisäksi pk-yritykset ovat hyödyllisiä myös sähkölaitoksissa. Joten yhdessä Yhdysvaltojen osavaltioista on paperitehdas, joka voi toimintansa aikana aiheuttaa voimakkaita jännitteitä voimalinjoissa. Nykyään tehtaan voimalinja on varustettu koko ketjulla SMES-moduuleja, jotka takaavat sähköverkon vakauden. PKES-moduuli, jonka kapasiteetti on 20 MWh, voi tuottaa kestävästi 10 MW kahdeksi tunniksi tai kaikki 40 MW puoleksi tunniksi.

Suprajohtavan kelan varastoiman energian määrä voidaan laskea seuraavalla kaavalla (jossa L on induktanssi, E on energia, I on virta):

Suprajohtavan käämin rakenteellisen konfiguraation kannalta on erittäin tärkeää, että se kestää muodonmuutoksia, sillä on minimaaliset lämpölaajenemis- ja supistumisindikaattorit ja että sillä on myös alhainen herkkyys Lorentzin voimalle, joka väistämättä syntyy asennuksen toiminta (Sähködynamiikan tärkeimmät lait). Kaikki tämä on tärkeää, jotta estetään käämin tuhoutuminen asennuksen ominaisuuksien ja rakennusmateriaalien määrän laskemisvaiheessa.

Pienissä järjestelmissä 0,3 %:n yleinen jännitysaste katsotaan hyväksyttäväksi. Lisäksi kelan toroidaalinen geometria myötävaikuttaa ulkoisten magneettivoimien vähentämiseen, mikä mahdollistaa tukirakenteen kustannusten alentamisen ja mahdollistaa myös asennuksen sijoittamisen lähelle kuormittavia esineitä.

Jos SMES-asennus on pieni, niin myös solenoidikela voi olla sopiva, joka ei vaadi erityistä tukirakennetta, toisin kuin toroidi. On kuitenkin huomioitava, että toroidikäämi tarvitsee puristusvanteita ja kiekkoja, varsinkin kun on kyse melko energiaintensiivisestä rakenteesta.

Kuten edellä todettiin, jäähdytetty suprajohdejääkaappi vaatii jatkuvasti energiaa toimiakseen, mikä tietysti vähentää pk-yritysten kokonaistehokkuutta.

Joten lämpökuormituksia, jotka on otettava huomioon asennusta suunniteltaessa, ovat: tukirakenteen lämmönjohtavuus, lämpösäteily lämmitettyjen pintojen sivulta, joulehäviöt johtoissa, joiden läpi lataus- ja purkausvirta kulkevat, sekä häviöt jääkaapissa työn aikana.

Mutta vaikka nämä häviöt ovat yleensä verrannollisia laitoksen nimellistehoon, pk-järjestelmien etuna on, että kun energiakapasiteetti kasvaa 100-kertaiseksi, jäähdytyskustannukset kasvavat vain 20-kertaiseksi. Lisäksi korkean lämpötilan suprajohtimien jäähdytyssäästöt ovat suuremmat kuin käytettäessä matalan lämpötilan suprajohtimia.

Vaikuttaa siltä, ​​että korkean lämpötilan suprajohteeseen perustuva suprajohtava energian varastointijärjestelmä on vähemmän vaativa jäähdytykselle ja siksi sen pitäisi maksaa vähemmän.

Käytännössä näin ei kuitenkaan ole, koska asennusinfrastruktuurin kokonaiskustannukset ylittävät yleensä suprajohteen kustannukset ja korkean lämpötilan suprajohteiden kelat ovat jopa 4 kertaa kalliimpia kuin matalan lämpötilan suprajohteiden kelat. .

Lisäksi korkean lämpötilan suprajohteiden rajoittava virrantiheys on alhaisempi kuin matalalämpöisten, tämä koskee toimivia magneettikenttiä alueella 5 - 10 T.

Joten saadakseen akkuja, joilla on sama induktanssi, tarvitaan enemmän korkean lämpötilan suprajohtavia johtoja. Ja jos laitoksen energiankulutus on noin 200 MWh, niin matalan lämpötilan suprajohde (johdin) osoittautuu kymmenen kertaa kalliimmaksi.

Lisäksi yksi keskeisistä kustannustekijöistä on tämä: jääkaapin hinta on joka tapauksessa niin alhainen, että jäähdytysenergian vähentäminen käyttämällä korkean lämpötilan suprajohtimia tuottaa erittäin pienen säästöprosentin.

On mahdollista pienentää PMES:ään varastoitunutta määrää ja lisätä energiatiheyttä lisäämällä huipputoimintaa olevaa magneettikenttää, mikä johtaa sekä johdon pituuden lyhenemiseen että kokonaiskustannusten pienenemiseen. Optimaalisena arvona pidetään noin 7 T:n huippumagneettikenttää.

Tietenkin, jos kenttä kasvaa yli optimaalisen, tilavuuden lisävähennykset ovat mahdollisia minimaalisella kustannusten nousulla. Mutta kentän induktioraja on yleensä fyysisesti rajoitettu, koska toroidin sisäosia on mahdotonta saattaa yhteen jättäen silti tilaa kompensointisylinterille.

Suprajohtavat materiaalit ovat edelleen keskeinen kysymys kustannustehokkaiden ja tehokkaiden laitteistojen luomisessa pk-yrityksille. Kehittäjät pyrkivät nykyään lisäämään suprajohtavien materiaalien kriittistä virtaa ja muodonmuutosalueita sekä alentamaan niiden tuotantokustannuksia.

Yhteenvetona pk-yritysten järjestelmien laajan käyttöönoton tiellä olevista teknisistä vaikeuksista voidaan selvästi erottaa seuraavat asiat. Tarve kiinteälle mekaaniselle tuelle, joka pystyy kestämään kelassa syntyvän merkittävän Lorentz-voiman.

Suuren tontin tarve, koska pk-yrityslaitos, jonka kapasiteetti on esimerkiksi 5 GWh, sisältää noin 600 metrin pituisen suprajohtavan piirin (pyöreän tai suorakaiteen muotoinen). Lisäksi suprajohteen ympärillä oleva nestemäisen typen tyhjiösäiliö (pituus 600 metriä) on sijoitettava maan alle ja oltava luotettavasti tuettu.

Seuraava este on suprajohtavan korkean lämpötilan keramiikan hauraus, mikä vaikeuttaa johtojen vetämistä suurille virroille.Suprajohtavuutta tuhoava kriittinen magneettikenttä on myös este pk-yritysten ominaisenergiaintensiteetin lisäämiselle. NS:llä on kriittinen virtaongelma samasta syystä.