Süper İletken Manyetik Enerji Depolama Sistemleri (SMES)

Enerji depolama, daha sonra verimli bir şekilde kullanabilmeleri için enerjiyi depolayan cihazlar veya fiziksel ortamlar ile gerçekleşen bir süreçtir.

Enerji depolama sistemleri mekanik, elektrik, kimyasal ve termal olarak ayrılabilir. Modern enerji depolama teknolojilerinden biri, süper iletken manyetik enerji depolama (süper iletken manyetik enerji depolama sistemleri) olan KOBİ sistemleridir.

Süper iletken manyetik enerji depolama (SMES) sistemleri, kritik süper iletken sıcaklığının altındaki bir sıcaklığa kriyojenik olarak soğutulmuş bir süper iletken bobindeki doğru akım akışı tarafından oluşturulan bir manyetik alanda enerji depolar. Süper iletken bobin şarj edildiğinde akım azalmaz ve manyetik enerji süresiz olarak depolanabilir. Depolanan enerji, bobinin boşaltılmasıyla şebekeye geri döndürülebilir.

Süper iletken manyetik enerji depolama sistemi, doğru akım akışı tarafından üretilen bir manyetik alana dayanmaktadır. süper iletken bir bobinde.

Süper iletken bobin sürekli olarak kriyojenik olarak soğutulur, bu nedenle sonuç olarak sürekli olarak kritik sıcaklığın altındadır, yani; süper iletken… SMES sisteminde serpantine ek olarak kriyojenik buzdolabı ve klima sistemi de bulunmaktadır.

Sonuç, süperiletken durumdaki yüklü bir bobinin kendi başına sürekli bir akımı sürdürme yeteneğine sahip olduğudur, böylece belirli bir akımın manyetik alanı içinde depolanan enerjiyi sonsuz uzun süre depolayabilir.

Süper iletken bobinde depolanan enerji, gerekirse böyle bir bobinin deşarjı sırasında şebekeye sağlanabilir. DC gücünü AC gücüne dönüştürmek için, invertörlerve bobini ağdan şarj etmek için - redresörler veya AC-DC dönüştürücüler.

Enerjinin bir yönde veya başka bir yönde yüksek verimli dönüşümü sırasında, KOBİ'deki kayıplar maksimum% 3'ü temsil eder, ancak buradaki en önemli şey, bu yöntemle enerji depolama sürecinde kayıpların en az doğal olmasıdır. enerji depolama ve depolama için şu anda bilinen yöntemlerden herhangi biri. KOBİ'lerin genel minimum verimliliği %95'tir.

Süper iletken malzemelerin yüksek maliyeti nedeniyle ve soğutmanın da enerji maliyeti gerektirdiği dikkate alındığında, KOBİ sistemleri şu anda yalnızca enerjinin kısa süreliğine depolanması ve aynı zamanda güç kaynağının kalitesinin iyileştirilmesi gereken yerlerde kullanılmaktadır. . Yani, geleneksel olarak yalnızca acil ihtiyaç durumlarında kullanılırlar.

KOBİ sistemi aşağıdaki bileşenlerden oluşur:

• süper iletken bobin,
• Kriyostat ve vakum sistemi,
• Soğutma sistemi,
• Enerji dönüşüm sistemi,
• Kontrol cihazı.

KOBİ sistemlerinin ana avantajları açıktır. Her şeyden önce, süper iletken bobinin manyetik alanında depolanan enerjiyi kabul edebildiği veya bırakabildiği son derece kısa bir süredir. Bu şekilde, yalnızca devasa anlık deşarj kuvvetleri elde etmek değil, aynı zamanda süper iletken bobini minimum zaman gecikmesiyle yeniden şarj etmek de mümkündür.

KOBİ'yi basınçlı hava depolama sistemleri, volanlar ve hidrolik akümülatörlerle karşılaştırırsak, ikincisi, elektriğin mekanik enerjiye dönüştürülmesi sırasında muazzam bir gecikme ile karakterize edilir ve bunun tersi de geçerlidir (bkz. Volan enerji depolama).

Hareketli parçaların bulunmaması da KOBİ sistemlerinin güvenilirliğini artıran bir diğer önemli avantajıdır. Ve tabii ki, bir süper iletkende aktif direncin olmaması nedeniyle, buradaki depolama kayıpları minimumdur. SMES'in özgül enerjisi genellikle 1 ila 10 Wh/kg arasındadır.

1 MWh KOBİ'ler, en yüksek kalitede güce ihtiyaç duyan mikroelektronik fabrikaları gibi ihtiyaç duyulan yerlerde güç kalitesini iyileştirmek için dünya çapında kullanılmaktadır.

Ek olarak, KOBİ'ler kamu hizmetlerinde de faydalıdır. Bu nedenle, ABD eyaletlerinden birinde, çalışması sırasında elektrik hatlarında güçlü dalgalanmalara neden olabilecek bir kağıt fabrikası var. Bugün, fabrikanın elektrik hattı, elektrik şebekesinin istikrarını garanti eden tam bir KOBİ modülleri zinciri ile donatılmıştır. 20 MWh kapasiteli bir KOBİ modülü, iki saat için 10 MW veya yarım saat için 40 MW'ın tamamını sürdürülebilir şekilde sağlayabilir.

Bir süper iletken bobin tarafından depolanan enerji miktarı aşağıdaki formül kullanılarak hesaplanabilir (burada L endüktans, E enerji, I akımdır):

Süper iletken bobinin yapısal konfigürasyonu açısından, deformasyona dayanıklı olması, minimum termal genleşme ve büzülme göstergelerine sahip olması ve ayrıca sırasında kaçınılmaz olarak ortaya çıkan Lorentz kuvvetine karşı düşük bir duyarlılığa sahip olması çok önemlidir. kurulumun çalışması (Elektrodinamiğin en önemli kanunları). Tüm bunlar, tesisatın yapı malzemelerinin özelliklerinin ve miktarının hesaplanması aşamasında sargının tahrip olmasını önlemek için önemlidir.

Küçük sistemler için, %0,3'lük genel gerinim oranı kabul edilebilir olarak kabul edilir. Ayrıca bobinin toroidal geometrisi dış manyetik kuvvetlerin azaltılmasına katkıda bulunur, bu da destekleyici yapının maliyetinin düşürülmesini mümkün kılar ve ayrıca kurulumun yük nesnelerine yakın yerleştirilmesine olanak tanır.

SMES kurulumu küçükse, toroidden farklı olarak özel bir destek yapısı gerektirmeyen bir solenoid bobin de uygun olabilir. Bununla birlikte, toroidal bobinin, özellikle oldukça enerji yoğun bir yapı söz konusu olduğunda, baskı çemberlerine ve disklere ihtiyaç duyduğu unutulmamalıdır.

Yukarıda belirtildiği gibi, soğutulmuş bir süper iletken buzdolabının çalışması için sürekli olarak enerjiye ihtiyacı vardır ve bu da elbette KOBİ'nin genel verimliliğini azaltır.

Bu nedenle, tesisatı tasarlarken dikkate alınması gereken termal yükler şunları içerir: destekleyici yapının termal iletkenliği, ısıtılmış yüzeylerin yanından gelen termal radyasyon, şarj ve deşarj akımlarının aktığı tellerdeki joule kayıpları ve ayrıca kayıplar Çalışırken buzdolabında.

Ancak bu kayıplar genel olarak tesisatın nominal gücü ile orantılı olsa da KOBİ sistemlerinin avantajı enerji kapasitesinin 100 kat artması ile soğutma maliyetlerinin sadece 20 kat artmasıdır. Ek olarak, yüksek sıcaklık süper iletkenleri için soğutma tasarrufu, düşük sıcaklık süper iletkenleri kullanıldığında olduğundan daha fazladır.

Görünüşe göre, yüksek sıcaklıkta bir süper iletkene dayalı bir süper iletken enerji depolama sistemi, soğutma için daha az talepte bulunuyor ve bu nedenle daha az maliyetli olması gerekiyor.

Bununla birlikte, uygulamada, kurulum altyapısının toplam maliyeti genellikle süper iletkenin maliyetini aştığı ve yüksek sıcaklık süper iletkenlerinin bobinleri, düşük sıcaklık süper iletkenlerinin bobinlerinden 4 kata kadar daha pahalı olduğu için durum böyle değildir. .

Ek olarak, yüksek sıcaklık süper iletkenleri için sınırlayıcı akım yoğunluğu, düşük sıcaklık süper iletkenlerinden daha düşüktür, bu, 5 ila 10 T aralığında çalışan manyetik alanlar için geçerlidir.

Bu nedenle, aynı endüktansa sahip piller elde etmek için daha yüksek sıcaklıkta süper iletken kablolara ihtiyaç vardır. Ve kurulumun enerji tüketimi yaklaşık 200 MWh ise, düşük sıcaklıktaki süper iletken (iletken) on kat daha pahalı olacaktır.

Ek olarak, önemli maliyet faktörlerinden biri şudur: buzdolabının maliyeti her halükarda o kadar düşüktür ki, yüksek sıcaklıklı süper iletkenler kullanarak soğutma enerjisinin azaltılması çok düşük bir yüzdelik tasarruf sağlar.

Tepe çalışma manyetik alanını artırarak KOBİ'de depolanan hacmi azaltmak ve enerji yoğunluğunu artırmak mümkündür, bu da hem tel uzunluğunda bir azalmaya hem de toplam maliyette bir azalmaya yol açacaktır. Optimum değer, yaklaşık 7 T'lik bir tepe manyetik alan olarak kabul edilir.

Tabii ki, alan optimumun ötesinde artırılırsa, minimum maliyet artışıyla hacimde daha fazla azalma mümkündür. Ancak toroidin iç parçalarını bir araya getirirken dengeleme silindiri için yer bırakmanın imkansızlığından dolayı alan indüksiyon limiti genellikle fiziksel olarak sınırlıdır.

Süper iletken malzeme, KOBİ'ler için uygun maliyetli ve verimli kurulumlar oluşturmada önemli bir konu olmaya devam ediyor. Bugün geliştiricilerin çabaları, süper iletken malzemelerin kritik akımını ve deformasyon aralığını artırmanın yanı sıra üretim maliyetlerini düşürmeyi amaçlıyor.

KOBİ sistemlerinin yaygın bir şekilde kullanılmaya başlanması yolundaki teknik zorlukları özetlersek, aşağıdakiler açıkça ayırt edilebilir. Bobinde üretilen önemli Lorentz kuvvetine dayanabilecek sağlam bir mekanik desteğe duyulan ihtiyaç.

Örneğin 5 GWh kapasiteli bir KOBİ kurulumu, yaklaşık 600 metre uzunluğunda bir süper iletken devre (dairesel veya dikdörtgen) içereceğinden, büyük bir arazi parçasına duyulan ihtiyaç. Ayrıca süperiletkeni çevreleyen sıvı nitrojen (600 metre uzunluğunda) vakum kabı yer altına yerleştirilmeli ve güvenilir destek sağlanmalıdır.

Bir sonraki engel, yüksek akımlar için tel çekmeyi zorlaştıran süper iletken yüksek sıcaklık seramiklerinin kırılganlığıdır.Süperiletkenliği yok eden kritik manyetik alan, SMES'in özgül enerji yoğunluğunun artmasının önünde de bir engeldir. NS aynı nedenle kritik bir akım sorunu yaşıyor.