Свръхпроводящи системи за съхранение на магнитна енергия (SMES)

Съхранението на енергия е процес, който протича с устройства или физически носители, които съхраняват енергия, за да могат да я използват ефективно по -късно.

Системите за съхранение на енергия могат да бъдат разделени на механични, електрически, химически и термични. Една от съвременните технологии за съхранение на енергия са системите SMES — свръхпроводящо съхранение на магнитна енергия (свръхпроводящи системи за съхранение на магнитна енергия).

Системите за съхранение на свръхпроводяща магнитна енергия (SMES) съхраняват енергия в магнитно поле, създадено от поток от постоянен ток в свръхпроводяща намотка, която е била охладена криогенно до температура под критичната си свръхпроводяща температура. Когато свръхпроводящата намотка е заредена, токът не намалява и магнитната енергия може да се съхранява за неопределено време. Съхранената енергия може да бъде върната в мрежата чрез разреждане на намотката.

Системата за свръхпроводящо съхранение на магнитна енергия се основава на магнитно поле, генерирано от протичане на постоянен ток в свръхпроводяща намотка.

Свръхпроводящата намотка е непрекъснато криогенно охладена, така че в резултат на това тя постоянно е под критичната температура, т.е. свръхпроводник… В допълнение към намотката, системата SMES включва криогенен хладилник, както и климатична система.

Изводът е, че заредена намотка, намираща се в свръхпроводящо състояние, е способна да поддържа непрекъснат ток сама по себе си, така че магнитното поле на даден ток може да съхранява енергията, съхранявана в нея за безкрайно дълго време.

Съхраняваната в свръхпроводящата намотка енергия може, ако е необходимо, да бъде доставена в мрежата по време на разреждането на такава намотка. За да преобразувате постоянна енергия в променлив ток, инвертори, и за зареждане на намотката от мрежата — токоизправители или AC -DC преобразуватели.

В хода на високоефективно преобразуване на енергията в една или друга посока, загубите в МСП представляват максимум 3%, но най -важното тук е, че в процеса на съхранение на енергия по този метод загубите са най -малко присъщи на всеки от известните понастоящем методи за съхранение и съхранение на енергия. Общата минимална ефективност на МСП е 95%.

Поради високата цена на свръхпроводящите материали и като се вземе предвид фактът, че охлаждането също изисква разходи за енергия, понастоящем системите SMES се използват само там, където е необходимо да се съхранява енергия за кратко време и в същото време да се подобри качеството на захранването . Тоест те традиционно се използват само в случаи на спешна нужда.

Система МСП се състои от следните компоненти:

• Свръхпроводяща намотка,
• Криостат и вакуумна система,
• Охладителна система,
• Система за преобразуване на енергия,
• Устройство за управление.

Основните предимства на системите за МСП са очевидни. На първо място, това е изключително кратко време, през което свръхпроводящата намотка е в състояние да приеме или да се откаже от енергията, натрупана в нейното магнитно поле. По този начин е възможно не само да се получат колосални мигновени разреждащи сили, но и да се презареди свръхпроводящата намотка с минимално време забавяне.

Ако сравним МСП със системи за съхранение на сгъстен въздух, с маховици и хидравлични акумулатори, тогава последните се характеризират с колосално забавяне по време на превръщането на електричеството в механично и обратно (виж — Съхранение на енергия на маховика).

Липсата на движещи се части е друго важно предимство на системите SMES, което повишава тяхната надеждност. И, разбира се, поради липсата на активно съпротивление в свръхпроводник, загубите при съхранение тук са минимални. Специфичната енергия на SMES обикновено е между 1 и 10 Wh / kg.

SMES от 1 MWh се използват по целия свят за подобряване на качеството на електроенергията, когато е необходимо, като например микроелектронни фабрики, които изискват най -висококачествена енергия.

Освен това МСП са полезни и в комуналните услуги. Така че в един от щатите на САЩ има хартиена фабрика, която по време на своята работа може да причини силни пренапрежения в електропроводите. Днес електропроводът на фабриката е оборудван с цяла верига от SMES модули, които гарантират стабилността на електропреносната мрежа. Един SMES модул с капацитет 20 MWh може устойчиво да осигури 10 MW за два часа или всички 40 MW за половин час.

Количеството енергия, съхранено от свръхпроводяща намотка, може да бъде изчислено по следната формула (където L е индуктивност, E е енергия, I е ток):

От гледна точка на конструктивната конфигурация на свръхпроводящата намотка е много важно тя да е устойчива на деформация, да има минимални показатели за термично разширение и свиване, а също и да има слаба чувствителност към силата на Лоренц, която неизбежно възниква по време на работа на инсталацията (Най -важните закони на електродинамиката). Всичко това е важно, за да се предотврати разрушаването на намотката на етапа на изчисляване на свойствата и количеството на конструктивните материали на инсталацията.

За малки системи обща норма на напрежение от 0,3% се счита за приемлива. В допълнение, тороидалната геометрия на бобината допринася за намаляване на външните магнитни сили, което прави възможно намаляването на разходите за носещата конструкция, а също така позволява инсталирането да бъде поставено близо до натоварващите обекти.

Ако инсталацията на SMES е малка, тогава може да бъде подходяща и соленоидна бобина, която не изисква специална опорна конструкция, за разлика от тороид. Трябва да се отбележи обаче, че тороидалната намотка се нуждае от пресови обръчи и дискове, особено когато става въпрос за доста енергоемка структура.

Както бе отбелязано по-горе, хладилник със свръхпроводник с охлаждане непрекъснато изисква енергия за работа, което, разбира се, намалява общата ефективност на SMES.

И така, топлинните натоварвания, които трябва да се вземат предвид при проектирането на инсталацията, включват: топлопроводимост на носещата конструкция, топлинно излъчване от страната на нагрятите повърхности, джаулови загуби в проводници, през които протичат зареждащи и разреждащи токове, както и загуби в самия хладилник по време на работа.

Но въпреки че като цяло тези загуби са пропорционални на номиналната мощност на инсталацията, предимството на системите SMES е, че с увеличаване на енергийния капацитет от 100 пъти, разходите за охлаждане се увеличават само 20 пъти. В допълнение, за високотемпературни свръхпроводници, спестяването на охлаждане е по-голямо, отколкото при използване на нискотемпературни свръхпроводници.

Изглежда, че свръхпроводящата система за съхранение на енергия, базирана на високотемпературен свръхпроводник, е по-малко взискателна към охлаждането и следователно трябва да струва по-малко.

На практика обаче това не е така, тъй като общите разходи за инсталационната инфраструктура обикновено надвишават цената на свръхпроводника, а намотките на високотемпературните свръхпроводници са до 4 пъти по-скъпи от намотките на нискотемпературни свръхпроводници .

Освен това граничната плътност на тока за високотемпературни свръхпроводници е по-ниска, отколкото за нискотемпературните, това се отнася за работещи магнитни полета в диапазона от 5 до 10 T.

Така че, за да се получат акумулатори със същата индуктивност, са необходими повече високотемпературни свръхпроводящи проводници. И ако консумацията на енергия на инсталацията е около 200 MWh, тогава нискотемпературният свръхпроводник (проводник) ще се окаже десет пъти по-скъп.

В допълнение, един от ключовите фактори на разходите е следният: цената на хладилника във всички случаи е толкова ниска, че намаляването на охлаждащата енергия при използване на високотемпературни свръхпроводници дава много ниска икономия в проценти.

Възможно е да се намали обемът и да се увеличи плътността на енергията, съхранявана в SMES чрез увеличаване на пиковото работно магнитно поле, което ще доведе както до намаляване на дължината на проводника, така и до намаляване на общите разходи. Оптималната стойност се счита за пиково магнитно поле от около 7 T.

Разбира се, ако полето се увеличи извън оптималното, е възможно по -нататъшно намаляване на обема с минимално увеличение на разходите. Но границата на индукция на полето обикновено е физически ограничена, което се дължи на невъзможността да се сближат вътрешните части на тороида, като същевременно се остави място за компенсиращия цилиндър.

Свръхпроводящият материал остава ключов въпрос за създаването на рентабилни и ефикасни инсталации за МСП. Усилията на разработчиците днес са насочени към увеличаване на критичния ток и обхвата на деформация на свръхпроводящи материали, както и намаляване на разходите за тяхното производство.

Обобщавайки техническите трудности по пътя към широкото въвеждане на системите за МСП, може ясно да се разграничи следното. Необходимостта от солидна механична опора, способна да издържи на значителната сила на Лоренц, генерирана в намотката.

Необходимостта от голямо парче земя, тъй като инсталация за МСП, например с капацитет 5 GWh, ще съдържа свръхпроводяща верига (кръгла или правоъгълна) с дължина около 600 метра. Освен това вакуумният контейнер с течен азот (дълъг 600 метра), обграждащ свръхпроводника, трябва да бъде разположен под земята и е необходимо да се осигури надеждна опора.

Следващото препятствие е крехкостта на свръхпроводящата високотемпературна керамика, което затруднява изтеглянето на проводници за високи токове. Критичното магнитно поле, което разрушава свръхпроводимостта, също е пречка за увеличаване на специфичния енергиен интензитет на SMES. NSпо същата причина има проблем с критичния ток.