Úvod do supravodivého skladování magnetické energie (MSP): Principy a aplikace

Článek diskutuje o tom, jak je energie uložena v magnetických polích elektromagnetickou indukcí a související rovnice.Zkoumá také pokročilé vzory a materiály používané při vytváření systémů malých a středních podniků se zaměřením na toroidální a solenoidální cívky.Tyto systémy se používají v různých prostředích, od zdravotnických zařízení po průmyslová místa.Článek poskytuje podrobný přehled komponent, jako jsou supravodivé materiály, jako je niobium-titanium a oxid mědi Yttrium bary, a důležité konstrukční úvahy pro konfigurace cívek v systémech malých a středních podniků.

Katalog

Obrázek 1: Supravodivé skladování magnetické energie

Co je supravodivost?

Supravodivost je kvantový mechanický jev, kde některé materiály provádějí elektřinu bez odporu, když jsou ochlazeny pod požadovanou teplotou.Zahrnuje:

Nulový elektrický odpor

Superconductors umožňují trvalý proudový tok bez ztráty energie za ideálních podmínek, což je jejich definující charakteristika.

Meissner efekt

Supravodiče vylučují magnetická pole z jejich interiéru, když jsou ve supravodivém stavu.Toto je známé jako efekt Meissnera a je dobré pro udržování stabilních a účinných magnetických polí v aplikacích malých a středních podniků.

Fázový přechod

Supravodivost se vyskytuje při specifické teplotě zvané kritická teplota.Tato teplota je specifická pro materiál a může se pohybovat od téměř absolutní nuly po vyšší teploty pro supravodiče s vysokou teplotou.

Obrázek 2:

Obrázek 3: Elektromagnetická síla

Mechanismus skladování energie v magnetickém poli

V systémech malých a středních podniků je energie uložena v magnetickém poli generované přímým proudem v supravodivé cívce.Proces zahrnuje:

Když proud protéká supravodivou cívkou, vytvoří se magnetické pole.Podle elektromagnetické teorie je energie uložená v magnetickém poli úměrná čtverci proudu a indukčnosti cívky.

Uložená energie (e) může být kvantifikována rovnicí:

kde L je indukčnost cívky a já je proud.Konstrukce cívky se zaměřuje na maximalizaci indukčnosti a současné kapacity ke zvýšení skladování energie.

Pro efektivní ukládání a využití energie musí být magnetické pole obsaženo a kontrolováno.To zahrnuje složité geometrie a materiálové inženýrství pro optimalizaci magnetických drah a minimalizaci ztrát.

Komponenty supravodivého skladování magnetické energie (MSP)

Supravodivé cívky jsou navrženy tak, aby optimalizovaly supravodivost, což umožňuje proudění elektrického proudu bez odporu.Tyto cívky jsou vytvářeny navíjením supravodivého drátu kolem jádra nebo jej tvarují do solenoidu.

• Konfigurace cívky

Solenoidní cívky - Tyto válcové cívky generují rovnoměrné magnetické pole uvnitř a používají se v MRI strojích.

Toroidální cívky - tvarované jako kobliha, tyto cívky se používají v aplikacích, jako jsou reaktory Tokamak pro plazmatické zadržení ve výzkumu fúze.

Obrázek 4: Solenoidní cívky a toroidní cívky

• Chladicí systémy

Pokročilé chladicí systémy jsou užitečné pro udržení supravodivosti.Tyto systémy používají kapalný helium, kapalný dusík nebo kryocoolery, aby cívky udržovaly při teplotách hluboko pod prahem.

Materiály používané v supravodivých cívkách

Výkon supravodivých cívek silně závisí na použitých materiálech.Dva primární typy supravodivých materiálů jsou:

• Nízkoteplotní supravodiče (LTS)

Niobium-Titanium (NBTI): NBTI se běžně používá v systémech MRI a výzkumných zařízeních, je oceňována pro svou trvanlivost a relativně jednoduché kryogenní požadavky.

NB3SN je ideální pro aplikace, které vyžadují silnější magnetická pole, s vyšší teplotou a prahem magnetického pole a nb3sn je ideální pro aplikace, které vyžadují silnější magnetická pole (NB3SN): s vyšší teplotou a prahem magnetického pole než NBTI.

• Vysokoteplotní supravodiče (HTS)

Oxid mědi Yttrium bary (YBCO): Tento materiál pracuje při vyšších teplotách než materiály LTS, což zjednodušuje a snižuje náklady na chladicí systémy.

BSCCO je oxid mědi vápna s vápníkem Strontium vápník (BSCCO): BSCCO je flexibilní a vhodný pro cívky se složitými tvary.

Obrázek 5: Oxid mědi Yttrium barium (YBCO) a oxid mědi vápníku Strontium (BSCCO)

Proces přeměny energie v supravodivém systému skladování magnetické energie

Prvním krokem v systému malých a středních podniků je změna střídavého proudu (AC) na přímý proud (DC), protože supravodivá cívka běží na DC.

AC, který pochází z mřížky nebo elektrárny, jde do usměrňovače.Úkolem usměrňovače je přeměnit AC, který mění směr, na DC, který proudí jedním směrem.K tomu používá zařízení jako diody nebo tyristory.

Po této konverzi může DC stále mít nějaké vlnky podobné AC.K jejich vyhlazení používáme filtry s kondenzátory a induktory.Díky tomu je DC stabilní, pro efektivitu a bezpečnost systému MSE.

S plynulým DC připravený DC proudí do supravodivé cívky, která nemá elektrický odpor. To umožňuje proud proudit bez ztráty energie.

DC v cívce vytváří kolem něj silné magnetické pole a přeměňuje elektrickou energii na magnetickou energii uloženou v tomto poli.

Aby byla cívka supravodivá, je cívka udržována při velmi nízkých teplotách pomocí kryogenních chladičů, jako je tekuté helium nebo dusík. To je důležité, protože jakýkoli nárůst teploty může způsobit, že cívka ztratí svou supravodivost, což vede ke ztrátě energie.

Když potřebujeme uloženou energii, energie uložená v magnetickém poli řídí proud DC v cívce. Tento DC musí být pro většinu energetických systémů změněn zpět na AC.Střídač to dělá změnou směru proudu při frekvenci odpovídající AC mřížce.

Výstup střídavého proudu je synchronizován s napětím, frekvencí a fází mřížky před odesláním, což zajišťuje, že dobře funguje s mřížkou a jinými elektrickými zatíženími.

Obrázek 6: Schematický diagram supravodivého systému skladování magnetické energie

Návrh supravodivých systémů pro skladování magnetické energie

Konstrukce cívky v systémech malých a středních podniků potřebných pro efektivitu, náklady a kapacitu skladování energie.Dva hlavní konstrukce cívek jsou toroidální a solenoidní.

Typ cívky	Geometrie a funkce	Výhody	Nevýhody
Toroidální cívky	Koblihový tvar, navržený tak, aby udržoval téměř všechny Magnetické pole uvnitř cívky, minimalizuje únik.Tento tvar pomáhá Snižte elektromagnetické síly působící na strukturu cívky.	Omezení magnetického pole: Magnetické Pole zůstává uvnitř cívky, což vede k nižším bludným magnetickým poli.	Složitost výroby: Konstrukce Toroidální tvary jsou složité a nákladné.
		Bezpečnost: Tento design je bezpečnější a snižuje rušení s blízkými elektronickými zařízeními a dalšími citlivými zařízeními.	Výzvy údržby: Přístup k Vnitřní části těchto cívek jsou obtížné, komplikující údržbu a inspekce.
Solenoidní cívky	Cylindrical, s běh proudu délka válce.Tento design je jednodušší a jednodušší než toroidální konfigurace.	Snadná výroba: Solenoidní cívky jsou Snadnější a levnější výroba díky jejich jednoduché geometrii. Dostupnost údržby: Otevřený design je usnadňuje udržovat a kontrolovat.	Únik magnetického pole: magnetický úniky pole na obou koncích válce, které mohou ovlivnit blízké elektronické zařízení a vyžadují další stínění.

Faktory ovlivňující výběr designu cívky

Obrázek 7: Solenoidální cívka a toroidální cívka

Zamýšlená aplikace: Aplikace určuje volbu cívky.Například toroidální cívky jsou preferovány tam, kde musí být elektromagnetické rušení minimalizováno, například ve zdravotnických zařízeních nebo téměř citlivé vědecké vybavení.

Požadavky na skladování energie: Množství energie, která má být uložena, ovlivňuje konstrukci cívky.Solenoidální cívky mohou vyhovovat aplikacím menšího měřítka kvůli jejich nákladové efektivitě, zatímco toroidní cívky mohou být použity pro větší průmyslové skladování kvůli účinnosti a minimálnímu magnetickému úniku.

Omezení prostoru a životního prostředí: Dostupné podmínky fyzického prostoru a prostředí jsou primárními úvahami.Toroidální cívky s kompaktním a uzavřeným magnetickým polem jsou vhodnější pro omezené prostory nebo osídlené oblasti.

Omezení rozpočtu: Omezení rozpočtu dopad na výběr návrhu cívky.Solenoidální cívky jsou levnější a mohou být upřednostňovány v projektech citlivých na náklady.

Údržba a provozní úvahy: Snadnost údržby a provozní spolehlivosti jsou důležité.Solenoidní cívky, které nabízejí snadnější přístup k údržbě a kontrole, mohou být rozhodujícím faktorem při jejich výběru.

Výhody supravodivých systémů skladování magnetické energie

Výhoda	Popis
Vysoká účinnost a rychlé doby odezvy	Systémy malých a středních podniků dosahují více než 95% účinnosti Uložením energie do supravodivé cívky s téměř nulovou odolností.Oni může reagovat na změny poptávky po energii v milisekundách.
Dopad a stabilita na životní prostředí	Tyto systémy jsou ekologické, emitující Žádné skleníkové plyny ani používání toxických materiálů.Udržují stabilní výkon bez ohledu na vnější podmínky, jako je teplota nebo počasí.
Spolehlivost a dlouhověkost	Systémy malých a středních podniků nemají žádné pohyblivé části a používání odolné supravodivé materiály, které mají za následek menší opotřebení a spodní Náklady na údržbu po celé životnosti.
Škálovatelnost a všestrannost	Schopný skladovat energii z několika kilowatthodiny na několik megawatthodin, jednotky a středních podniků jsou flexibilní pro různé aplikace a lze je nainstalovat v různých prostředích s minimálním modifikace.
Podpora mřížky a obnovitelné energie	Pomáhají regulovat napětí, stabilizovat frekvence a hladký výstup z obnovitelných zdrojů, zvyšování mřížky Spolehlivost a podpora větší integrace obnovitelné energie.
Dlouhodobá nákladová efektivita	Navzdory vysokým počátečním nákladům, malým a středním podniku Systémy mají nízké provozní a údržby, což je činí Nákladově efektivní z dlouhodobého hlediska, zejména v konkrétních aplikacích.
Bezpečnost a zabezpečení	Systémy malých a středních podniků se vyhýbají rizikům exploze nebo toxické úniky spojené s roztoky chemického skladování jsou bezpečnější pro různá nastavení, včetně městských oblastí.

Aplikace supravodivého skladování magnetické energie

Obrázek 8: Flexibilní AC přenosový systém, jedna z hlavních aplikací supravodivého skladování magnetické energie

Nemocnice

Nemocnice se spoléhají na nepřetržité napájení (UPS), aby udržovaly provozní zařízení zachraňující život a systémy péče.Systémy SMES poskytují spolehlivé řešení UPS okamžitým uvolněním uložené energie během selhání napájení, což minimalizuje provozní narušení.Rovněž udržují vysoce kvalitní regulaci energie, která chrání citlivé zdravotnické vybavení před kolísáním drobných výkonu.

Datová centra

Datová centra, která spravují obrovské množství digitálních informací, jsou vysoce citlivá na problémy s kvalitou energie.Systémy malých a středních podniků jsou ideální pro ochranu před poruchami výkonu krátkého trvání, jako jsou napětí a přepětí.Integrací malých a středních podniků mohou datová centra zajistit nepřetržitý provoz serverů a síťových zařízení, udržovat dostupnost a integritu datových služeb.

Integrace obnovitelné energie

Obnovitelné zdroje energie, jako je vítr a sluneční energie, zavádějí variabilitu při výrobě energie v důsledku povětrnostních podmínek.Systémy malých a středních podniků stabilizují mřížku rychlou absorpcí nadměrné elektřiny během vysoké výrobní doby a uvolňováním energie během nízké produkce, vyhlazováním výkyvů a zvýšením stability mřížky.

Nabíjecí stanice elektrického vozidla

Se zvyšujícím se přijetím elektrických vozidel (EVS) stoupá poptávka po efektivních a rychlých nabíjecích řešeních.Systémy malých a středních podniků na nabíjecích stanicích EV spravují požadavky na zatížení tím, že během doby mimo špičku ukládají energii a uvolňují ji během špičkové poptávky.Tím se snižuje namáhání elektrické sítě a umožňuje rychlejší doby nabíjení.

Průmyslové aplikace

Průmyslová odvětví, která vyžadují náhlé výbuchy energie, prospívají systémům malých a středních podniků.Tyto systémy poskytují správnou energii, aniž by silně čerpaly na mřížce, potřeba ve výrobě pro přesnou kontrolu strojů a udržování kvality produktu.

Vojenský a letecký průmysl

Vojenské základny a letecké operace vyžadují spolehlivou a vysoce kvalitní energii.Systémy malých a středních podniků nabízejí napájení rychlé reakce, která zajišťuje nepřetržité operace a podporuje vysoké energetické požadavky pokročilých technologií a vybavení v těchto odvětvích.

Systémy hromadného tranzitu

Železniční sítě a městské tranzitní systémy zvyšují energetickou účinnost a spolehlivost s malými a středními podniky.Tyto jednotky spravují energii produkované během brzdění a ji efektivně redistribují, což zvyšuje celkovou energetickou účinnost tranzitního systému.

Závěr

Článek zkoumá supravodivé systémy pro skladování magnetické energie (SMES), což zdůrazňuje jejich potenciál jako revoluční technologii skladování energie.Systémy malých a středních podniků nabízejí vysokou účinnost, rychlé doby odezvy a nízký dopad na životní prostředí, což z nich činí řešení současných energetických problémů.Článek pokrývá jejich použití v různých oborech, včetně zdravotnictví, obnovitelné energie a přepravy, které ukazují jejich všestrannost a škálovatelnost.Jak se svět pohybuje směrem k udržitelným energetickým řešením, technologie malých a středních podniků vyniká ve zvyšování globální odolnosti energie.Probíhající vývoj v malých a středních podnicích pro integraci obnovitelných zdrojů energie, zlepšení stability a efektivity globální energetické infrastruktury.

Často kladené otázky [FAQ]

1. Jak je ukládána energie magnetického pole?

Magnetické pole ukládá energii prostřednictvím vyrovnání a pohybu magnetických dipólů nebo nabitých částic.Když elektrický proud prochází cívkou drátu, vytvoří kolem cívky magnetické pole.Toto magnetické pole je schopné ukládat energii kvůli práci provedené pro stanovení pole.Konkrétně je vyžadována energie k zarovnání magnetických momentů atomů v materiálu, který zase vytváří pole, které může vyvíjet síly a pracovat na jiných objektech.Energie uložená v magnetickém poli je přímo úměrná čtverci intenzity pole.

2. Jaké zařízení ukládá energii v magnetickém poli?

Zařízení, které ukládá energii do magnetického pole, je induktor nebo magnetická cívka.Induktory se skládají z cívek drátu, často omotaných kolem magnetického jádra, což zvyšuje sílu magnetického pole.Když proud protéká cívkou, hromadí se magnetické pole a v tomto poli je uložena energie.Schopnost induktoru ukládat magnetickou energii se používá v mnoha elektronických obvodech, v technologiích napájení a konverze.

3. Jak efektivní je supravodivé skladování magnetické energie?

Supravodivé systémy pro skladování magnetické energie (MSP) jsou vysoce efektivní a dosahují energetické účinnosti zpáteční cesty 90% až 95%.Tyto systémy používají supravodivé cívky, které mohou provádět elektřinu bez odporu při velmi nízkých teplotách.Nedostatek elektrického odporu znamená, že téměř žádná energie není ztracena jako teplo, což zvyšuje účinnost skladování energie.Systémy malých a středních podniků jsou oceňovány pro jejich schopnost uvolňovat uloženou energii téměř okamžitě, což je dobré pro aplikace vyžadující rychlé výboje, jako je stabilizace výkonu během špičkové poptávky.

4. Je magnetická energie obchod nebo přenos?

Magnetická energie je forma skladování energie.Energie je uložena v magnetickém poli vytvořeném pohybem elektrických nábojů v cívce.V případě potřeby lze tuto uloženou energii převést zpět na elektrickou energii nebo použít k provádění mechanické práce, čímž přenese energii z magnetického pole do jiné formy.Primární úlohou magnetické energie v zařízeních, jako jsou induktory nebo systémy SMES, je však ukládání energie.

5. Jaký je příklad obchodu s magnetickou energií?

Příkladem obchodu s magnetickou energií je systém skladování setrvačníku, který, ačkoliv primárně mechanické, často zahrnuje magnetické složky pro skladování a stabilizaci energie.Tyto systémy používají rotující mechanický setrvačník, jehož pohyb generuje magnetické pole, ve verzích, které používají magnetická ložiska ke snížení tření a ztráty energie.Tato interakce mezi mechanickými a magnetickými energiemi umožňuje systému setrvačníku efektivně ukládat energii a rychle ji uvolňovat v případě potřeby, což z něj činí praktickou aplikaci skladování magnetické energie v mechanických i elektrických formách.