Supravadošas magnētiskās enerģijas uzglabāšanas sistēmas (SMES)

Enerģijas uzglabāšana ir process, kas notiek ar ierīcēm vai fiziskiem datu nesējiem, kas uzglabā enerģiju, lai vēlāk varētu to efektīvi izmantot.

Enerģijas uzkrāšanas sistēmas var iedalīt mehāniskās, elektriskās, ķīmiskās un termiskās. Viena no mūsdienu enerģijas uzkrāšanas tehnoloģijām ir SMES sistēmas — supravadošas magnētiskās enerģijas uzkrāšanas sistēmas (supravadošās magnētiskās enerģijas uzkrāšanas sistēmas).

Supravadošās magnētiskās enerģijas uzkrāšanas (SMES) sistēmas uzglabā enerģiju magnētiskajā laukā, ko rada līdzstrāvas plūsma supravadītājā spolē, kas ir kriogēniski atdzesēta līdz temperatūrai, kas ir zemāka par kritisko supravadīšanas temperatūru. Kad supravadītāja spole ir uzlādēta, strāva nesamazinās un magnētisko enerģiju var uzglabāt bezgalīgi. Uzkrāto enerģiju var atgriezt tīklā, izlādējot spoli.

Supravadītāja magnētiskās enerģijas uzkrāšanas sistēma ir balstīta uz magnētisko lauku, ko rada līdzstrāvas plūsma supravadītājā spolē.

Supravadošā spole tiek nepārtraukti kriogēniski atdzesēta, tāpēc tā rezultātā pastāvīgi atrodas zem kritiskās temperatūras, t.i. supravadītājs… Papildus spolei SMES sistēmā ietilpst kriogēns ledusskapis, kā arī gaisa kondicionēšanas sistēma.

Secinājums ir tāds, ka uzlādēta spole supravadītāja stāvoklī pati par sevi spēj uzturēt nepārtrauktu strāvu, tā ka noteiktas strāvas magnētiskais lauks var bezgalīgi ilgu laiku uzglabāt tajā uzkrāto enerģiju.

Supravadošajā spolē uzkrāto enerģiju vajadzības gadījumā var piegādāt tīklā šādas spoles izlādes laikā. Lai pārveidotu līdzstrāvu maiņstrāvas strāvā, invertori, un spoles uzlādēšanai no tīkla — taisngrieži vai maiņstrāvas līdzstrāvas pārveidotāji.

Ļoti efektīvas enerģijas pārveidošanas laikā vienā vai otrā virzienā zaudējumi MVU ir ne vairāk kā 3%, bet vissvarīgākais šeit ir tas, ka enerģijas uzglabāšanas procesā ar šo metodi zudumi ir vismazākie. jebkura no šobrīd zināmajām enerģijas uzglabāšanas un uzglabāšanas metodēm. MVU kopējā minimālā efektivitāte ir 95%.

Sakarā ar supravadošo materiālu augsto cenu un to, ka dzesēšanai ir nepieciešamas arī enerģijas izmaksas, MVU sistēmas šobrīd tiek izmantotas tikai tur, kur nepieciešams īslaicīgi uzkrāt enerģiju un vienlaikus uzlabot elektroapgādes kvalitāti. . Tas ir, tos tradicionāli izmanto tikai steidzamas nepieciešamības gadījumos.

MVU sistēma sastāv no šādām sastāvdaļām:

• supravadītāja spole,
• Kriostats un vakuuma sistēma,
• Dzesēšanas sistēma,
• Enerģijas pārveidošanas sistēma,
• Vadības ierīce.

MVU sistēmu galvenās priekšrocības ir acīmredzamas. Pirmkārt, tas ir ārkārtīgi īss laiks, kura laikā supravadītāja spole spēj pieņemt vai atteikties no tās magnētiskajā laukā uzkrātās enerģijas. Tādā veidā ir iespējams ne tikai iegūt kolosālus momentānus izlādes spēkus, bet arī ar minimālu laika aizkavi uzlādēt supravadošo spoli.

Ja salīdzinām MVU ar saspiestā gaisa uzglabāšanas sistēmām, ar spararatiem un hidrauliskajiem akumulatoriem, tad pēdējiem ir raksturīga milzīga kavēšanās elektroenerģijas pārveidošanā par mehānisko un otrādi (sk. Spararata enerģijas uzkrāšana).

Kustīgu daļu neesamība ir vēl viena svarīga MVU sistēmu priekšrocība, kas palielina to uzticamību. Un, protams, tā kā supravadītājā nav aktīvās pretestības, uzglabāšanas zudumi šeit ir minimāli. MVU īpatnējā enerģija parasti ir no 1 līdz 10 Wh/kg.

1 MWh MVU tiek izmantoti visā pasaulē, lai vajadzības gadījumā uzlabotu elektroenerģijas kvalitāti, piemēram, mikroelektronikas rūpnīcās, kurām nepieciešama augstākās kvalitātes jauda.

Turklāt MVU ir noderīgi arī komunālo pakalpojumu jomā. Tātad vienā no ASV štatiem ir papīrfabrika, kas savas darbības laikā var izraisīt spēcīgus pārspriegumus elektrolīnijās. Šodien rūpnīcas elektrolīnija ir aprīkota ar veselu SMES moduļu ķēdi, kas garantē elektrotīkla stabilitāti. MVU modulis ar jaudu 20 MWh var ilgtspējīgi nodrošināt 10 MW divas stundas vai visus 40 MW pusstundu.

Supravadošās spoles uzkrāto enerģijas daudzumu var aprēķināt, izmantojot šādu formulu (kur L ir induktivitāte, E ir enerģija, I ir strāva):

No supravadošās spoles strukturālās konfigurācijas viedokļa ir ļoti svarīgi, lai tā būtu izturīga pret deformāciju, tai būtu minimāli termiskās izplešanās un kontrakcijas rādītāji, kā arī zema jutība pret Lorenca spēku, kas neizbēgami rodas spoles laikā. iekārtas darbība (Svarīgākie elektrodinamikas likumi). Tas viss ir svarīgi, lai novērstu tinuma iznīcināšanu instalācijas īpašību un būvmateriālu daudzuma aprēķināšanas stadijā.

Mazām sistēmām kopējais deformācijas līmenis 0,3% tiek uzskatīts par pieņemamu. Turklāt spoles toroidālā ģeometrija veicina ārējo magnētisko spēku samazināšanos, kas ļauj samazināt nesošās konstrukcijas izmaksas, kā arī ļauj instalāciju novietot tuvu slodzes objektiem.

Ja SMES instalācija ir maza, tad var būt piemērota arī solenoīda spole, kurai atšķirībā no toroid nav nepieciešama īpaša atbalsta konstrukcija. Tomēr jāņem vērā, ka toroidālajai spolei ir nepieciešami presēšanas stīpas un diski, it īpaši, ja runa ir par diezgan energoietilpīgu struktūru.

Kā minēts iepriekš, atdzesētam supravadītāju ledusskapim nepārtraukti ir nepieciešama enerģija, lai darbotos, kas, protams, samazina MVU kopējo efektivitāti.

Tātad siltumslodzes, kas jāņem vērā, projektējot instalāciju, ir: nesošās konstrukcijas siltumvadītspēja, siltuma starojums no apsildāmo virsmu sāniem, džoulu zudumi vados, caur kuriem plūst uzlādes un izlādes strāvas, kā arī zudumi. ledusskapī darba laikā.

Bet, lai gan šie zudumi parasti ir proporcionāli iekārtas nominālajai jaudai, MVU sistēmu priekšrocība ir tāda, ka, palielinot enerģijas jaudu 100 reizes, dzesēšanas izmaksas palielinās tikai 20 reizes. Turklāt augstas temperatūras supravadītājiem dzesēšanas ietaupījumi ir lielāki nekā tad, ja tiek izmantoti zemas temperatūras supravadītāji.

Šķiet, ka supravadītāja enerģijas uzkrāšanas sistēma, kuras pamatā ir augstas temperatūras supravadītājs, ir mazāk prasīga dzesēšanai, un tāpēc tai vajadzētu maksāt mazāk.

Tomēr praksē tas tā nav, jo uzstādīšanas infrastruktūras kopējās izmaksas parasti pārsniedz supravadītāja izmaksas, un augstas temperatūras supravadītāju spoles ir līdz pat 4 reizēm dārgākas nekā zemas temperatūras supravadītāju spoles. .

Turklāt ierobežojošais strāvas blīvums augstas temperatūras supravadītājiem ir zemāks nekā zemas temperatūras supravadītājiem, tas attiecas uz darbības magnētiskajiem laukiem diapazonā no 5 līdz 10 T.

Tātad, lai iegūtu baterijas ar tādu pašu induktivitāti, ir nepieciešams vairāk augstas temperatūras supravadītāju vadu. Un, ja iekārtas enerģijas patēriņš ir aptuveni 200 MWh, tad zemas temperatūras supravadītājs (vadītājs) izrādīsies desmit reizes dārgāks.

Turklāt viens no galvenajiem izmaksu faktoriem ir šāds: ledusskapja izmaksas jebkurā gadījumā ir tik zemas, ka dzesēšanas enerģijas samazināšana, izmantojot augstas temperatūras supravadītājus, nodrošina ļoti zemu ietaupījumu.

Ir iespējams samazināt MVU uzkrāto apjomu un palielināt enerģijas blīvumu, palielinot maksimālo darbības magnētisko lauku, kas novedīs gan pie stieples garuma, gan kopējo izmaksu samazināšanās. Optimālā vērtība tiek uzskatīta par maksimālo magnētisko lauku aptuveni 7 T.

Protams, ja lauks tiek palielināts virs optimālā, ir iespējama turpmāka apjoma samazināšana ar minimālu izmaksu pieaugumu. Taču lauka indukcijas robeža parasti ir fiziski ierobežota, jo nav iespējams savienot toroida iekšējās daļas, vienlaikus atstājot vietu kompensācijas cilindram.

Supravadošie materiāli joprojām ir galvenais jautājums, veidojot rentablas un efektīvas iekārtas MVU. Izstrādātāju centieni mūsdienās ir vērsti uz supravadošo materiālu kritiskās strāvas un deformācijas diapazona palielināšanu, kā arī to ražošanas izmaksu samazināšanu.

Apkopojot tehniskās grūtības ceļā uz MVU sistēmu plašu ieviešanu, var skaidri izdalīt sekojošo. Nepieciešamība pēc cieta mehāniskā atbalsta, kas spēj izturēt ievērojamo Lorenca spēku, kas rodas spolē.

Nepieciešamība pēc liela zemes gabala, jo MVU iekārtai, piemēram, ar jaudu 5 GWh, būs apmēram 600 metrus gara supravadītāja ķēde (apaļa vai taisnstūrveida). Turklāt supravadītāju ieskaujošajam šķidrā slāpekļa vakuuma konteineram (600 metru garumā) jābūt novietotam zem zemes un jānodrošina uzticams atbalsts.

Nākamais šķērslis ir supravadošās augstas temperatūras keramikas trauslums, kas apgrūtina vadu vilkšanu lielām strāvām.Kritiskais magnētiskais lauks, kas iznīcina supravadītspēju, ir arī šķērslis MVU īpatnējās enerģijas intensitātes palielināšanai. Tā paša iemesla dēļ NS ir kritiska pašreizējā problēma.