Сверхпроводящий накопитель магнитной энергии - Superconducting magnetic energy storage

Сверхпроводящий накопитель магнитной энергии
Удельная энергия	1–10 Вт · ч /кг(4–40 кДж / кг)
Плотность энергии	менее 40 кДж / л
Удельная мощность	~10–100 000 кВт / кг
Эффективность заряда / разряда	95%
Скорость саморазряда	0% при 4 К; 100% при 140 К
Долговечность цикла	Безлимитный циклы

Сверхпроводящий магнитный накопитель энергии (SMES) системы хранить энергию в магнитное поле созданный потоком постоянный ток в сверхпроводящий катушка, которая была криогенно охлаждается до температуры ниже ее сверхпроводящая критическая температура.

Типичная система SMES состоит из трех частей: сверхпроводящей катушка, система кондиционирования и криогенный холодильник. Как только сверхпроводящая катушка заряжена, ток не затухает, и магнитная энергия может храниться бесконечно.

Накопленная энергия может быть возвращена в сеть путем разряда катушки. В системе кондиционирования энергии используется инвертор /выпрямитель преобразовывать переменный ток (AC) мощность в постоянный ток или преобразование постоянного тока обратно в мощность переменного тока. Инвертор / выпрямитель дает около 2–3% потерь энергии в каждом направлении. МСП теряет наименьшее количество электричество в процессе хранения энергии по сравнению с другими методами хранения энергии. Системы SMES обладают высокой эффективностью; КПД в оба конца превышает 95%.^[2]

Из-за требований к энергии охлаждения и высокой стоимости сверхпроводящий провод, SMES в настоящее время используется для кратковременного хранения энергии. Поэтому SMES чаще всего посвящают качество электроэнергии.

Преимущества перед другими методами хранения энергии

Есть несколько причин для использования сверхпроводящего магнитного накопителя энергии вместо других методов накопления энергии. Самым важным преимуществом SMES является то, что время задержки при зарядке и разрядке довольно короткое. Электроэнергия доступна почти мгновенно, и очень высокая выходная мощность может быть обеспечена в течение короткого периода времени. Другие методы накопления энергии, такие как гидроаккумулятор или сжатый воздух, имеют значительную временную задержку, связанную с преобразование энергии хранимых механическая энергия обратно в электричество. Таким образом, если спрос будет немедленным, SMES будет жизнеспособным вариантом. Еще одно преимущество заключается в том, что потери мощности меньше, чем при других методах хранения, потому что электрические токи встреч почти нет сопротивление. Кроме того, основные части SMES неподвижны, что обеспечивает высокую надежность.

Текущее использование

Есть несколько небольших SMES-единиц для коммерческий использование и несколько более крупных проектов испытательных стендов. Несколько блоков мощностью 1 МВт · ч используются для качество электроэнергии контроль в установках по всему миру, особенно для обеспечения качества электроэнергии на производственных предприятиях, требующих сверхчистой энергии, таких как предприятия по производству микрочипов.^{[нужна цитата ]}

Эти средства также использовались для обеспечения сетка стабильность в распределительных системах.^{[нужна цитата ]} SMES также используется в коммунальных приложениях. В северной Висконсин была развернута цепочка распределенных модулей SMES для повышения устойчивости контура передачи.^{[нужна цитата ]} Линия электропередачи подвержена резким резким изменениям нагрузки из-за работы бумажной фабрики, что может привести к неконтролируемым колебаниям и падению напряжения.

Модель технических испытаний представляет собой большой SMES мощностью примерно 20 МВт · ч, способный обеспечить мощность 40 МВт в течение 30 минут или 10 МВт в течение 2 часов.^{[нужна цитата ]}

Расчет накопленной энергии

Магнитная энергия, запасаемая катушкой, по которой проходит ток, составляет половину индуктивность катушки умножить на квадрат тока.

{displaystyle E = {frac {1} {2}} LI ^ {2}}

Где

E = энергия измеряется в джоули

L = индуктивность, измеренная в Генри

я = ток измеряется в амперы

Теперь рассмотрим цилиндрический катушка с проводниками прямоугольный поперечное сечение. В иметь в виду радиус катушки р. а и б ширина и глубина проводника. ж называется функцией формы, которая различается для разных форм катушки. ξ (xi) и δ (дельта) - два параметра, характеризующие размеры катушки. Поэтому мы можем записать магнитную энергию, хранящуюся в такой цилиндрической катушке, как показано ниже. Эта энергия зависит от размеров катушки, количества витков и проводимого тока.

{displaystyle E = {frac {1} {2}} RN ^ {2} I ^ {2} fleft (xi, delta ight)}

Где

E = энергия, измеряемая в джоулях

я = ток измеряется в амперах

f (ξ, δ) = функция формы, джоуль на ампер-метр

N = количество витков катушки

Соленоид против тороида

Помимо свойств проволоки, конфигурация самой катушки является важным вопросом со стороны машиностроение аспект. На конструкцию и форму катушки влияют три фактора: низкое качество. напряжение допуск, тепловое сжатие при охлаждении и Силы Лоренца в заряженной катушке. Среди них устойчивость к деформации имеет решающее значение не из-за каких-либо электрических эффектов, а потому, что она определяет, сколько конструкционного материала необходимо для предотвращения разрушения SMES. Для небольших систем SMES выбрано оптимистичное значение допуска к деформации 0,3%. Тороидальный геометрия может помочь уменьшить внешние магнитные силы и, следовательно, уменьшить размер необходимой механической опоры. Кроме того, из-за слабого внешнего магнитного поля тороидальный SMES может быть расположен рядом с коммунальной или потребительской нагрузкой.

Для малого и среднего бизнеса, соленоиды обычно используются, потому что их легко наматывать и не требуется предварительное сжатие. В тороидальных SMES катушка всегда находится под сжатие за внешние обручи и два диска, один из которых находится сверху, а другой - снизу, чтобы избежать поломки. В настоящее время нет необходимости в тороидальной геометрии для малых SMES, но по мере увеличения размера механические силы становятся более важными, и требуется тороидальная катушка.

Старые концепции крупных предприятий малого и среднего бизнеса обычно имели низкую соотношение сторон соленоид диаметром около 100 м, закопанный в землю. Крайне малым размером является концепция соленоидов micro-SMES для диапазона накопления энергии около 1 МДж.

Сравнение низкотемпературных сверхпроводников и высокотемпературных

В стационарных условиях и в сверхпроводящем состоянии сопротивление катушки незначительно. Однако холодильник, необходимый для охлаждения сверхпроводника, требует электроэнергии, и эту энергию охлаждения необходимо учитывать при оценке эффективности SMES как устройства накопления энергии.

Хотя высокотемпературный сверхпроводник (HTSC ) имеет более высокую критическую температуру, плавление решетки флюса происходит в умеренных магнитных полях при температуре ниже этой критической температуры. Тепловые нагрузки, которые должна снимать система охлаждения, включают: проводимость через систему поддержки, радиация от более теплых поверхностей к более холодным, потери переменного тока в проводнике (во время заряда и разряда), а также потери между холодными и теплыми проводами, которые соединяют холодную катушку с системой кондиционирования энергии. Потери на теплопроводность и излучение сводятся к минимуму за счет правильной конструкции тепловых поверхностей. Потери свинца можно свести к минимуму за счет хорошей конструкции проводов. Потери переменного тока зависят от конструкции проводника, рабочий цикл устройства и номинальной мощности.

Требования к охлаждению для HTSC и низкотемпературный сверхпроводник (LTSC) тороидальные катушки для базовых температур 77 K, 20 K и 4,2 K увеличиваются в этом порядке. Требования к охлаждению здесь определяются как электрическая мощность для работы холодильной системы. Когда запасенная энергия увеличивается в 100 раз, стоимость охлаждения увеличивается только в 20 раз. Кроме того, экономия на охлаждении для HTSC-системы больше (от 60% до 70%), чем для LTSC-систем.

Расходы

Являются ли системы HTSC или LTSC более экономичными, зависит от наличия других основных компонентов, определяющих стоимость SMES: проводник, состоящий из сверхпроводника и медного стабилизатора, а также холодная опора сами по себе являются основными расходами. О них нужно судить с учетом общей эффективности и стоимости устройства. Другие компоненты, такие как вакуумный сосуд изоляция, было показано, что это небольшая деталь по сравнению с большой стоимостью катушки. Суммарные затраты на проводники, структуру и холодильник для тороидальных катушек преобладают над стоимостью сверхпроводника. Та же тенденция верна и для соленоидных катушек. Катушки HTSC стоят в 2-4 раза больше, чем катушки LTSC. Мы ожидаем увидеть более низкую стоимость HTSC из-за более низких требований к охлаждению, но это не так.

Чтобы получить некоторое представление о затратах, рассмотрите разбивку по основным компонентам катушек HTSC и LTSC, соответствующих трем типичным уровням накопленной энергии: 2, 20 и 200 МВт · ч. Стоимость проводника преобладает над тремя ценами для всех корпусов HTSC и особенно важна при небольших размерах. Основная причина кроется в сравнительной плотности тока материалов НТСП и ВТСП. Критический ток провода HTSC ниже, чем у провода LTSC, как правило, в рабочем магнитном поле, примерно от 5 до 10 теслас (Т). Предположим, что стоимость проволоки одинакова по весу. Поскольку провод HTSC имеет более низкую (J_c) значение, чем провод LTSC, для создания такой же индуктивности потребуется гораздо больше провода. Поэтому стоимость провода намного выше, чем провода LTSC. Кроме того, когда размер SMES увеличивается с 2 до 20 до 200 МВт · ч, стоимость проводника LTSC также увеличивается примерно в 10 раз на каждом этапе. Стоимость HTSC-проводника растет немного медленнее, но по-прежнему остается самой дорогой статьей.

Стоимость конструкции HTSC или LTSC увеличивается равномерно (в 10 раз) с каждым шагом от 2 до 20 до 200 МВт · ч. Но стоимость структуры ВТСП выше, потому что устойчивость к деформации ВТСП (керамика не может выдерживать большую растягивающую нагрузку) меньше, чем у НТСП, например Nb₃Ti или же Nb₃Sn, что требует большего количества конструкционных материалов. Таким образом, в очень больших случаях стоимость ВТСП не может быть компенсирована простым уменьшением размера катушки при более высоком магнитном поле.

Здесь стоит отметить, что стоимость холодильника во всех случаях настолько мала, что снижение потребности в охлаждении при высокой температуре дает очень небольшую процентную экономию. Это означает, что если HTSC, BSCCO например, лучше работает при низкой температуре, скажем 20К, там точно будет работать. Для очень малых предприятий малого и среднего бизнеса снижение стоимости холодильника окажет более значительное положительное влияние.

Очевидно, что объем сверхпроводящих катушек увеличивается с увеличением запасенной энергии. Кроме того, мы можем видеть, что максимальный диаметр тора LTSC всегда меньше для HTSC-магнита, чем LTSC из-за работы с более сильным магнитным полем. В случае соленоидных катушек высота или длина также меньше для ВТСП катушек, но все же намного больше, чем в тороидальной геометрии (из-за низкого внешнего магнитного поля).

Увеличение пикового магнитного поля приводит к уменьшению как объема (более высокая плотность энергии), так и стоимости (уменьшение длины проводника). Меньший объем означает более высокую плотность энергии и снижение стоимости за счет уменьшения длины проводника. Существует оптимальное значение пикового магнитного поля, в данном случае около 7 Тл. Если поле увеличивается сверх оптимального, возможно дальнейшее сокращение объема с минимальным увеличением затрат. Предел, до которого может быть увеличено поле, обычно не экономический, а физический, и он связан с невозможностью приблизить внутренние части тороида ближе друг к другу и при этом оставить место для компенсирующего цилиндра.

Материал сверхпроводника - ключевой вопрос для SMES. Усилия по разработке сверхпроводников сосредоточены на увеличении Jc и диапазона деформации, а также на уменьшении длины провода. стоимость производства.

Технические проблемы

Энергосодержание современных систем SMES обычно довольно мало. Для увеличения запаса энергии в SMES часто используются крупномасштабные накопители. Как и в других сверхпроводящих приложениях, криогеника необходима. Обычно требуется прочная механическая конструкция для сдерживания очень больших сил Лоренца, создаваемых магнитными катушками и на них. Преобладающая стоимость для SMES - это сверхпроводник, за ним следуют система охлаждения и остальная часть механической конструкции.

Механическая опора: Необходимо из-за Силы Лоренца.
Размер: Для достижения коммерчески полезного объема хранения необходимо около 5 ГВт · ч (3.6 TJ ), для установки SMES потребуется петля длиной около 0,5 мили (600 м). Это традиционно изображается как круг, хотя на практике это могло бы быть больше похоже на закругленный прямоугольник. В любом случае потребуется доступ к значительному участку земли для размещения установки.
Производство: В отношении SMES есть две производственные проблемы. Во-первых, это изготовление кабеля, пригодного для протекания тока. На сегодняшний день обнаруженные сверхпроводящие ВТСП материалы представляют собой относительно хрупкую керамику, что затрудняет использование установленных технологий для вытяжки сверхпроводящих проводов большой длины. Многие исследования были посвящены методам нанесения слоев, нанесению тонкой пленки материала на стабильную подложку, но в настоящее время это подходит только для небольших электрических цепей.
Инфраструктура: Вторая проблема - это инфраструктура, необходимая для установки. До того как сверхпроводники при комнатной температуре обнаружены, петля из проволоки длиной 0,5 мили (600 м) должна содержаться внутри вакуумной колбы жидкий азот. Это, в свою очередь, потребует стабильной опоры, обычно предусматриваемой закопанием установки.
Критическое магнитное поле: Выше определенной напряженности поля, известной как критическое поле, сверхпроводящее состояние разрушается.
Критический ток: Как правило, системы питания стремятся максимально увеличить ток, с которым они могут справиться. Это делает любые потери из-за неэффективности системы относительно незначительными. К сожалению, большие токи могут создавать магнитные поля, превышающие критическое поле из-за Закон Ампера. Таким образом, современные материалы не могут обеспечить достаточный ток, чтобы сделать коммерческое хранилище экономически жизнеспособным.

Несколько проблем на начальном этапе появления технологии препятствовали ее распространению:

Дорогие холодильные установки и высокая стоимость электроэнергии для поддержания рабочих температур
Наличие и постоянное развитие соответствующих технологий с использованием обычных проводников.

Они по-прежнему создают проблемы для сверхпроводящих приложений, но со временем улучшаются. Были достигнуты успехи в использовании сверхпроводящих материалов. Кроме того, значительно повысились надежность и эффективность холодильных систем.

Смотрите также

Библиография

Шихен, Т., П. (1994). Введение в высокотемпературную сверхпроводимость. Пленум Пресс, Нью-Йорк. С. 66, 76–78, 425–430, 433–446.
Эль-Вакиль, М., М. (1984). Технология силовых установок. Макгроу-Хилл, стр. 685–689, 691–695.
Вольски, А., М. (2002). Состояние и перспективы маховиков и SMES с HTS. Physica C 372–376, стр. 1,495–1,499.
Хассенцаль, В.В. (Март 2001 г.). «Сверхпроводимость, технология, позволяющая использовать энергосистемы 21 века?». IEEE Transactions по прикладной сверхпроводимости. 11 (1): 1447–1453. Дои:10.1109/77.920045. ISSN 1051-8223.

дальнейшее чтение

Браун, Малком У. (6 января 1988 г.). «Новая охота за идеальной системой хранения энергии». Нью-Йорк Таймс.

внешняя ссылка

[Tixador-1] а ^б ^c ^d ^е ^ж Сверхпроводящий накопитель магнитной энергии: состояние и перспективы. В архиве 2015-12-11 в Wayback Machine Тиксадор, П. Январь 2008 г.

[2] Cheung K.Y.C, Cheung S.T.H, Navin De Silvia R.G., Juvonen M.P.T, Singh R, Woo J.J. Крупномасштабные системы хранения энергии. Имперский колледж Лондона: ISE2, 2002/2003.

[1]

[2]