Superlaidžios magnetinės energijos kaupimo sistemos (MVĮ)

Energijos kaupimas – tai procesas, vykstantis naudojant įrenginius ar fizines laikmenas, kurios kaupia energiją, kad vėliau galėtų ją efektyviai panaudoti.

Energijos kaupimo sistemas galima suskirstyti į mechanines, elektrines, chemines ir šilumines. Viena iš šiuolaikinių energijos kaupimo technologijų yra SMES sistemos – superlaidžios magnetinės energijos kaupimo sistemos (superlaidžios magnetinės energijos kaupimo sistemos).

Superlaidžios magnetinės energijos kaupimo (SMES) sistemos kaupia energiją magnetiniame lauke, kurį sukuria tiesioginės srovės srautas superlaidžioje ritėje, kuri buvo kriogeniniu būdu atšaldyta iki žemesnės nei kritinės superlaidžios temperatūros. Kai superlaidi ritė įkraunama, srovė nemažėja ir magnetinė energija gali būti saugoma neribotą laiką. Sukaupta energija gali būti grąžinta į tinklą iškraunant ritę.

Superlaidžios magnetinės energijos kaupimo sistema yra pagrįsta magnetiniu lauku, kurį sukuria nuolatinės srovės srautas superlaidžioje ritėje.

Superlaidi ritė yra nuolat kriogeniškai aušinama, todėl dėl to ji nuolat yra žemiau kritinės temperatūros, t.y. superlaidininkas… Be gyvatuko, SMES sistemoje yra kriogeninis šaldytuvas ir oro kondicionavimo sistema.

Peršasi išvada, kad įkrauta ritė, esanti superlaidžioje būsenoje, pati gali palaikyti nuolatinę srovę, todėl tam tikros srovės magnetinis laukas gali saugoti joje sukauptą energiją be galo ilgai.

Superlaidžioje ritėje sukaupta energija, esant poreikiui, gali būti tiekiama į tinklą tokios ritės iškrovos metu. Norėdami konvertuoti nuolatinę srovę į kintamosios srovės energiją, inverteriai, o ritės įkrovimui iš tinklo – lygintuvus arba AC-DC keitiklius.

Labai efektyviai konvertuojant energiją viena ar kita kryptimi, SVV nuostoliai sudaro ne daugiau kaip 3%, tačiau svarbiausia, kad energijos kaupimo procese šiuo metodu nuostoliai yra mažiausiai būdingi bet kuris iš šiuo metu žinomų energijos kaupimo ir saugojimo būdų. Bendras minimalus MVĮ efektyvumas yra 95%.

Dėl brangių superlaidžių medžiagų ir atsižvelgiant į tai, kad aušinimas reikalauja ir energijos sąnaudų, MVĮ sistemos šiuo metu naudojamos tik ten, kur reikia trumpam kaupti energiją ir tuo pačiu pagerinti maitinimo kokybę. . Tai yra, jie tradiciškai naudojami tik esant būtinybei.

MVĮ sistemą sudaro šie komponentai:

• superlaidi ritė,
• Kriostatas ir vakuuminė sistema,
• Vėsinimo sistema,
• Energijos konvertavimo sistema,
• Valdymo įtaisas.

Pagrindiniai SVV sistemų pranašumai yra akivaizdūs. Visų pirma, tai itin trumpas laikas, per kurį superlaidžioji ritė sugeba priimti arba atsisakyti savo magnetiniame lauke sukauptos energijos. Tokiu būdu galima ne tik gauti kolosalias momentines iškrovos jėgas, bet ir įkrauti superlaidžią ritę su minimaliu laiko uždelsimu.

Jei lygintume MVĮ su suslėgto oro kaupimo sistemomis, su smagračiais ir hidrauliniais akumuliatoriais, pastariesiems būdingas didžiulis vėlavimas paverčiant elektrą mechanine ir atvirkščiai (žr. Smagračio energijos kaupimas).

Judančių dalių nebuvimas yra dar vienas svarbus MVĮ sistemų pranašumas, padidinantis jų patikimumą. Ir, žinoma, dėl to, kad superlaidininke nėra aktyvaus pasipriešinimo, saugojimo nuostoliai čia yra minimalūs. MVĮ savitoji energija paprastai yra nuo 1 iki 10 Wh/kg.

1 MWh MVĮ visame pasaulyje naudojami energijos kokybei pagerinti ten, kur reikia, pavyzdžiui, mikroelektronikos gamyklose, kurioms reikalinga aukščiausios kokybės energija.

Be to, MVĮ taip pat naudingos komunalinėse įmonėse. Taigi vienoje iš JAV valstijų yra popieriaus gamykla, kuri savo veikimo metu gali sukelti stiprius elektros linijų viršįtampius. Šiandien gamyklos elektros linijoje sumontuota visa grandinė SMES modulių, garantuojančių elektros tinklo stabilumą. SMES modulis, kurio galia yra 20 MWh, gali tvariai tiekti 10 MW dvi valandas arba visus 40 MW pusvalandį.

Superlaidžios ritės sukauptą energijos kiekį galima apskaičiuoti pagal šią formulę (kur L yra induktyvumas, E yra energija, I yra srovė):

Superlaidžios ritės konstrukcinės konfigūracijos požiūriu labai svarbu, kad ji būtų atspari deformacijai, turi minimalius šiluminio plėtimosi ir susitraukimo rodiklius, taip pat turi mažą jautrumą Lorenco jėgai, kuri neišvengiamai atsiranda įrenginio veikimas (Svarbiausi elektrodinamikos dėsniai). Visa tai svarbu siekiant išvengti apvijos sunaikinimo skaičiuojant įrenginio savybes ir statybinių medžiagų kiekį.

Mažoms sistemoms priimtinas bendras 0,3 % deformacijos koeficientas. Be to, ritės toroidinė geometrija prisideda prie išorinių magnetinių jėgų mažinimo, o tai leidžia sumažinti atraminės konstrukcijos kainą, taip pat leidžia įrenginį pastatyti arti apkrovos objektų.

Jei SMES instaliacija nedidelė, tuomet gali tikti ir solenoidinė ritė, kuriai, skirtingai nei toroidui, nereikia specialios atraminės konstrukcijos. Tačiau reikia pažymėti, kad toroidinei ritei reikia presavimo lankų ir diskų, ypač kai kalbama apie gana daug energijos reikalaujančią struktūrą.

Kaip minėta pirmiau, aušinamas superlaidininkinis šaldytuvas nuolat reikalauja energijos, o tai, žinoma, sumažina bendrą MVĮ efektyvumą.

Taigi šiluminės apkrovos, į kurias reikia atsižvelgti projektuojant įrenginį, yra: atraminės konstrukcijos šilumos laidumas, šiluminė spinduliuotė iš šildomų paviršių pusės, džaulių nuostoliai laiduose, kuriais teka įkrovimo ir iškrovimo srovės, taip pat nuostoliai. šaldytuve darbo metu.

Tačiau nors šie nuostoliai paprastai yra proporcingi įrenginio vardinei galiai, MVĮ sistemų pranašumas yra tas, kad 100 kartų padidėjus energijos galiai, aušinimo sąnaudos padidėja tik 20 kartų. Be to, naudojant aukštos temperatūros superlaidininkus, aušinimo taupymas yra didesnis nei naudojant žemos temperatūros superlaidininkus.

Atrodo, kad superlaidi energijos kaupimo sistema, pagrįsta aukštos temperatūros superlaidininku, mažiau reikalauja aušinimo, todėl turėtų kainuoti pigiau.

Tačiau praktikoje taip nėra, nes bendra įrengimo infrastruktūros kaina paprastai viršija superlaidininko kainą, o aukštos temperatūros superlaidininkų ritės yra iki 4 kartų brangesnės nei žemos temperatūros superlaidininkų ritės. .

Be to, aukštos temperatūros superlaidininkų ribinis srovės tankis yra mažesnis nei žemos temperatūros, tai taikoma veikiantiems magnetiniams laukams, kurių diapazonas yra nuo 5 iki 10 T.

Taigi norint gauti tokio paties induktyvumo baterijas, reikia daugiau aukštos temperatūros superlaidžių laidų. O jei įrenginio energijos sąnaudos yra apie 200 MWh, tai žemos temperatūros superlaidininkas (laidininkas) pasirodys dešimt kartų brangesnis.

Be to, vienas iš pagrindinių sąnaudų faktorių yra toks: šaldytuvo kaina bet kuriuo atveju yra tokia maža, kad sumažinus aušinimo energiją naudojant aukštos temperatūros superlaidininkus, sutaupoma labai mažai procentų.

Galima sumažinti MVĮ saugomą tūrį ir padidinti energijos tankį padidinus didžiausią darbinį magnetinį lauką, o tai sumažins laido ilgį ir bendras išlaidas. Optimalia verte laikoma didžiausias magnetinis laukas, kurio stiprumas yra apie 7 T.

Žinoma, jei laukas padidinamas daugiau nei optimalus, galimas tolesnis tūrio mažinimas minimaliai padidinus išlaidas. Tačiau lauko indukcijos riba paprastai yra fiziškai apribota, nes neįmanoma sujungti vidinių toroido dalių, paliekant vietos kompensaciniam cilindrui.

Superlaidžios medžiagos išlieka pagrindine problema kuriant ekonomiškus ir efektyvius įrenginius MVĮ. Kūrėjų pastangomis šiandien siekiama padidinti superlaidžių medžiagų kritinę srovę ir deformacijų diapazoną, taip pat sumažinti jų gamybos sąnaudas.

Apibendrinant techninius sunkumus kelyje į platų MVĮ sistemų diegimą, galima aiškiai išskirti šiuos dalykus. Reikia tvirtos mechaninės atramos, galinčios atlaikyti didelę ritėje sukuriamą Lorenco jėgą.

Reikalingas didelis žemės sklypas, nes MVĮ įrenginyje, pavyzdžiui, kurio galia 5 GWh, bus apie 600 metrų ilgio superlaidžioji grandinė (apvali arba stačiakampė). Be to, superlaidininką supantis vakuuminis skysto azoto konteineris (600 metrų ilgio) turi būti įrengtas po žeme ir turi būti patikima atrama.

Kita kliūtis – superlaidžios aukštatemperatūrės keramikos trapumas, dėl kurio sunku nutempti laidus didelėms srovėms.Kritinis magnetinis laukas, naikinantis superlaidumą, taip pat yra kliūtis didinti specifinį MVĮ energijos intensyvumą. Dėl tos pačios priežasties NS turi kritinę srovės problemą.