на 2024/07/13 529

Вступ до надпровідного зберігання магнітної енергії (МСП): Принципи та додатки

У статті обговорюється, як енергія зберігається в магнітних полях за допомогою електромагнітної індукції та пов'язаних рівнянь.Він також вивчає вдосконалені конструкції та матеріали, що використовуються для створення систем МСП, зосереджуючись на тороїдальних та соленоїдних котушках.Ці системи використовуються в різних умовах, від медичних закладів до промислових майданчиків.У статті подано детальний огляд компонентів, таких як суперпровідні матеріали, такі як ніобій-титанію та оксид міді ітрію барію, та важливі міркування дизайну для конфігурацій котушки в системах МСП.

Каталог

Малюнок 1: Суперпровідне зберігання магнітної енергії

Що таке надпровідність?

Суперпровідність - це квантове механічне явище, де певні матеріали проводять електроенергію без опору при охолодженні нижче необхідної температури.Це включає:

Нульовий електричний опір

Суперпровідники дозволяють постійному потоку струму без втрати енергії в ідеальних умовах, що є їх визначальною характеристикою.

Ефект Мейснера

Суперпровідники виганяють магнітні поля зі свого інтер'єру, коли перебувають у надпровідному стані.Це відоме як ефект Meissner і добре для підтримки стабільних та ефективних магнітних полів у програмах МСП.

Фазовий перехід

Надпровідність виникає при певній температурі, що називається критичною температурою.Ця температура є специфічною для матеріалу і може варіюватися від майже абсолютного нуля до більш високих температур для високотемпературних надпровідників.

Малюнок 2:

Малюнок 3: Електромагнітна сила

Механізм зберігання енергії в магнітному полі

У системах МСП енергія зберігається в магнітному полі, що утворюється прямим струмом у надпровідній котушці.Процес включає:

Коли струм протікає через надпровідну котушку, створюється магнітне поле.Згідно з електромагнітною теорією, енергія, що зберігається в магнітному полі, пропорційна квадраті струму та індуктивності котушки.

Енергія (e), що зберігається, може бути кількісно визначена рівнянням:

де L - індуктивність котушки, і я - струм.Конструкція котушки зосереджується на максимізації індуктивності та поточній потужності для збільшення зберігання енергії.

Для ефективного зберігання та використання енергії магнітне поле повинно містити та контролювати.Це включає складні геометрії та інженерії матеріалів для оптимізації магнітних шляхів та мінімізації втрат.

Компоненти надпровідного зберігання магнітної енергії (МСП)

Суперпровідні котушки розроблені для оптимізації надпровідності, що дозволяє електричному струму протікати без опору.Ці котушки створюються шляхом звивистого надпровідного дроту навколо серцевини або формування його в соленоїд.

• Конфігурація котушки

Соленоїдні котушки - Ці циліндричні котушки генерують рівномірне магнітне поле всередині і використовуються в МРТ -машинах.

Тороїдні котушки - у формі пончика, ці котушки використовуються в таких додатках, як реактори Tokamak для утримання в плазмі крові в дослідженнях злиття.

Малюнок 4: Соленоїдні котушки та тороїдні котушки

• Системи охолодження

Розширені системи охолодження корисні для підтримки надпровідності.Ці системи використовують рідкий геліум, рідкий азот або кріокульники, щоб тримати котушки при температурі значно нижче їх порогу.

Матеріали, що використовуються в надпровідних котушках

Продуктивність суперпровідних котушок сильно залежить від використовуваних матеріалів.Два первинні типи надпровідних матеріалів:

• Низькотемпературні надпровідники (LTS)

Niobium-titanium (NBTI): зазвичай використовується в системах МРТ та дослідницьких установах, NBTI цінується за його довговічність та відносно прості кріогенні вимоги.

Niobium-tin (NB3SN): з більш високим порігом температури та магнітного поля, ніж NBTI, NB3SN ідеально підходить для застосувань, які потребують сильніших магнітних полів.

• Високотемпературні надпровідники (HTS)

Оксид міді Yttrium Barium (YBCO): Цей матеріал працює при більш високих температурах, ніж матеріали LTS, спрощуючи та зменшуючи вартість систем охолодження.

Оксид міді кальцію бісмута (BSCCO): Відомий своєю стрічковою формою, BSCCO є гнучким і придатним для котушок зі складними формами.

Малюнок 5: Оксид міді Yttrium Barium (YBCO) та оксид міді кальцію стронію (BSCCO) (BSCCO)

Процес перетворення енергії в надпровідній системі зберігання магнітної енергії

Перший крок у системі МСП - це зміна змінного струму (змінного струму) на прямий струм (постійний струм), оскільки надпровідна котушка працює на постійному струмі.

AC, який походить від сітки або електростанції, переходить у випрямляч.Завдання випрямляча полягає в тому, щоб перетворити змінного струму, який змінює напрямок, в постійний струм, що тече в одному напрямку.Для цього він використовує такі пристрої, як діоди або тиристори.

Після цього перетворення DC може все-таки мати деякі брижі AC-подібні.Щоб згладити їх, ми використовуємо фільтри з конденсаторами та індукторами.Це робить постійний струм стійким для ефективності та безпеки системи МСП.

За допомогою гладкого постійного струму постійного струму стікає в суперпровідну котушку, яка не має електричного опору. Це дозволяє струму текти, не втрачаючи енергії.

DC в котушці створює навколо нього сильне магнітне поле, перетворюючи електричну енергію в магнітну енергію, що зберігається в цьому полі.

Щоб зберегти суперпровідну котушку, котушка зберігається при дуже низьких температурах за допомогою кріогенних теплоносія, таких як рідкий гелій або азот. Це важливо, оскільки будь -яке підвищення температури може призвести до втрати котушки свою надпровідність, що призводить до втрати енергії.

Коли нам потрібна збережена енергія, енергія, що зберігається в магнітному полі, приводить струм постійного струму в котушці. Цей постійний струм потрібно повернути назад в змінного струму, щоб бути корисним для більшості систем живлення.Інвертор робить це, змінюючи напрямок струму на частоті, що відповідає сітці змінного струму.

Вихід змінного струму синхронізується з напругою, частотою та фазою мережі перед відправкою, гарантуючи, що вона добре працює з сіткою та іншими електричними навантаженнями.

Малюнок 6: Схематична схема суперпровідної системи зберігання магнітної енергії

Конструкція систем зберігання надпровідних магнітних енергії

Конструкція котушки в системах МСП, необхідних для ефективності, витрат та потужностей для зберігання енергії.Дві основні конструкції котушки є тороїдальними та соленоїдними.

Тип котушки	Геометрія та функція	Переваги	Недоліки
Тороїдні котушки	Пончики у формі, призначений для збереження майже всіх Магнітне поле всередині котушки, мінімізуючи витік.Ця форма допомагає зменшити електромагнітні сили, що діють на структуру котушки.	Магнітне поле утримання: магніт Поле залишається в котушці, що призводить до нижчих бродячих магнітних полів.	Складність виробництва: побудова Тороїдні форми є складними та дорогими.
		Безпека: ця конструкція безпечніша і зменшує перешкоди з поблизу електронних пристроїв та іншим чутливим обладнанням.	Проблеми з технічним обслуговуванням: доступ до Внутрішні частини цих котушок важко, ускладнюючи технічне обслуговування та огляд.
Соленоїдні котушки	Циліндричний, з потоком, що біжить уздовж довжина циліндра.Ця конструкція простіша і простіша ніж тороїдальна конфігурація.	Простота виготовлення: соленоїдні котушки є Простіше і дешевше виробляти завдяки своїй простої геометрії. Доступність технічного обслуговування: відкритий дизайн полегшує їх підтримувати та оглянути.	Витік магнітного поля: магніт Витоки поля на обох кінцях циліндра, які можуть впливати на електронну пристрої та потребують додаткового екранування.

Фактори, що впливають на вибір конструкції котушки

Малюнок 7: Соленоїдна котушка та тороїдальна котушка

Застосований додаток: Додаток диктує вибір котушки.Наприклад, тороїдальні котушки є кращими, коли електромагнітні перешкоди повинні бути зведені до мінімуму, наприклад, у медичних установах або майже чутливій науковій техніці.

Вимоги до зберігання енергії: кількість енергії, що зберігається, впливає на конструкцію котушки.Соленоїдні котушки можуть відповідати меншим масштабним застосуванню через їх економічну ефективність, тоді як тороїдальні котушки можуть використовуватися для більшого, промислового зберігання за рахунок ефективності та мінімального магнітного витоку.

Простір та екологічні обмеження: Наявні фізичні простори та умови навколишнього середовища є первинними міркуваннями.Тороїдні котушки з їх компактним та закритим магнітним полем краще підходять для обмежених просторів або населених ділянок.

Бюджетні обмеження: Бюджетні обмеження впливу на вибір дизайну котушки.Соленоїдні котушки є дешевшими і можуть бути віддані переваги в проектах, чутливих до витрат.

Міркування технічного обслуговування та експлуатації: Важлива простота обслуговування та надійність експлуатації.Соленоїдні котушки, що пропонують легший доступ до технічного обслуговування та огляду, можуть бути вирішальним фактором у їх виборі.

Переваги надпровідних систем зберігання магнітної енергії

Перевага	Опис
Висока ефективність та швидкий час реагування	Системи МСП досягають понад 95% ефективності зберігаючи енергію в надпровідній котушці майже з нульовою опір.Вони може відповісти на зміни попиту на владу в мілісекундах.
Вплив на навколишнє середовище та стабільність	Ці системи є екологічно чистими, випромінюючи Ніяких парникових газів або використання токсичних матеріалів.Вони підтримують стабільність Продуктивність незалежно від зовнішніх умов, таких як температура або погода.
Надійність та довговічність	Системи МСП не мають рухомих деталей та використання довговічні надпровідні матеріали, що призводить до меншого зносу та зниження Витрати на технічне обслуговування протягом тривалого життя.
Масштабованість та універсальність	Здатний зберігати енергію з декількох Кіловат-години до кількох мегаватних годин, мазі МСП гнучкі для різних програми та можуть бути встановлені в різних умовах з мінімальними модифікації.
Підтримка сітки та відновлюваної енергії	Вони допомагають регулювати напругу, стабілізуватися Частота та плавний вихід із відновлюваних джерел, посилення сітки Надійність та підтримка більшої інтеграції відновлюваної енергії.
Довгострокова економічна ефективність	Незважаючи на високі початкові витрати, МСП Системи мають низькі витрати на експлуатацію та технічне обслуговування, роблячи їх економічно ефективно в довгостроковій перспективі, особливо в конкретних програмах.
Безпека та безпека	Системи МСП уникають ризиків вибухи або токсичні витоки, пов'язані з хімічними рішеннями для зберігання, створення Їх безпечніше для різних установок, включаючи міські райони.

Застосування надпровідного зберігання магнітної енергії

Малюнок 8: Гнучка система передачі змінного струму, одне з основних застосувань надпровідного зберігання магнітної енергії

Лікарні

Лікарні покладаються на безперебійне джерело живлення (UPS), щоб підтримувати рятувальне обладнання та системи догляду.Системи МСП забезпечують надійне рішення ДБЖ, миттєво вивільняючи збережену енергію під час збоїв електроенергії, мінімізуючи оперативні перебої.Вони також підтримують високоякісну регуляцію електроенергії, яка захищає чутливе медичне обладнання від незначних коливань потужності.

Центри обробки даних

Центри обробки даних, які керують величезною кількістю цифрової інформації, дуже чутливі до проблем якості електроенергії.Системи МСП ідеально підходять для захисту від короткочасних порушень потужності, таких як провисання напруги та сплески.Інтегруючи МСП, центри обробки даних можуть забезпечити постійну роботу серверів та мережевого обладнання, підтримуючи доступність та цілісність послуг.

Інтеграція відновлюваної енергії

Поновлювані джерела енергії, такі як вітер та сонячна енергія, вводять мінливість виробництва електроенергії через погодні умови.Системи МСП стабілізують сітку, швидко поглинаючи зайву електроенергію протягом високих виробничих періодів та вивільняючи енергію під час низького виробництва, згладжуючи коливання та підвищення стабільності сітки.

Станції зарядки електричного транспортного засобу

Зі збільшенням прийняття електромобілів (EVS) попит на ефективні та швидкі заряджені рішення зростає.Системи МСП на станціях зарядки EV керують потребами навантаження, зберігаючи енергію в часи-пікові та випускаючи її під час пікового попиту.Це зменшує напруження на електричній мережі та дозволяє швидше заочне зарядки.

Промислові програми

Промисловості, які потребують раптових вибухів влади від систем МСП.Ці системи забезпечують правильну енергію, не сильно малюючи сітку, потребують у виробництві для точного контролю машин та підтримки якості продукції.

Військові та аерокосмічні

Військові бази та аерокосмічні операції потребують надійної та високоякісної енергії.Системи МСП пропонують джерело живлення швидкого реагування, що забезпечує безперебійні операції та підтримує високі потреби в енергетиці вдосконалених технологій та обладнання в цих секторах.

Системи масового транзиту

Залізничні мережі та міські транзитні системи підвищують енергоефективність та надійність за допомогою МСП.Ці підрозділи керують енергією, виробленою під час гальмування та ефективно перерозподіляються, підвищуючи загальну енергоефективність транзитної системи.

Висновок

У статті досліджуються надпровідні системи зберігання магнітної енергії (МСП), підкреслюючи їх потенціал як революційну технологію зберігання енергії.Системи МСП пропонують високу ефективність, швидкий час реагування та низький вплив на навколишнє середовище, що робить їх рішенням для сучасних енергетичних проблем.Стаття охоплює їх використання в різних галузях, включаючи охорону здоров'я, відновлювану енергію та транспорт, показуючи їх універсальність та масштабованість.По мірі того, як світ рухається до стійких енергетичних рішень, МСП технологія виділяється у підвищенні глобальної енергетичної стійкості.Постійні розробки МСП для інтеграції відновлюваних джерел енергії, підвищення стабільності та ефективності глобальної енергетичної інфраструктури.

Часті запитання [FAQ]

1. Як енергія магазину магнітного поля?

Магнітне поле зберігає енергію через вирівнювання та рух магнітних диполів або заряджених частинок.Коли електричний струм проходить через котушку дроту, він створює магнітне поле навколо котушки.Це магнітне поле здатне зберігати енергію завдяки роботі, виконаній для встановлення поля.Зокрема, енергія потрібна для вирівнювання магнітних моментів атомів у матеріалі, що, в свою чергу, створює поле, яке може здійснювати сили та працювати над іншими об'єктами.Енергія, що зберігається в магнітному полі, безпосередньо пропорційна квадраті інтенсивності поля.

2. Який пристрій зберігає енергію в магнітному полі?

Пристрій, який зберігає енергію в магнітному полі, є індуктором або магнітною котушкою.Індуктори складаються з котушок дроту, часто обмотаних навколо магнітного ядра, що підсилює силу магнітного поля.Коли струм протікає через котушку, накопичується магнітне поле, а енергія зберігається в цьому полі.Здатність індуктора зберігати магнітну енергію використовується в багатьох електронних схемах, в технологіях живлення та перетворення.

3. Наскільки ефективним є надпровідне зберігання магнітної енергії?

Системи для зберігання магнітної енергії (SMES) надпровідні системи є високоефективними, досягаючи енергоефективності в обидва кінці від 90% до 95%.Ці системи використовують надпровідні котушки, які можуть проводити електроенергію без опору при дуже низьких температурах.Відсутність електричного опору означає, що майже не втрачається енергія як тепло, що підвищує ефективність зберігання енергії.Системи МСП оцінюються за їх здатність вивільняти збережену енергію майже миттєво, що корисно для додатків, що потребують швидких розрядів, як стабілізуючи енергетичні мережі під час пікового попиту.

4. Магнітна енергія - це магазин чи передача?

Магнітна енергія - це форма зберігання енергії.Енергія зберігається в магнітному полі, створеному рухом електричних зарядів, у котушці.Коли це потреба, ця збережена енергія може бути перетворена назад в електричну енергію або використовується для виконання механічної роботи, тим самим перенесуючи енергію з магнітного поля в іншу форму.Однак основна роль магнітної енергії в таких пристроях, як індуктори або мсуття, - це зберігати енергію.

5. Що є прикладом магазину магнітної енергії?

Прикладом магазину магнітної енергії є система зберігання енергії маховика, яка, хоч і в першу чергу механічна, часто включає магнітні компоненти для зберігання енергії та стабілізації.Ці системи використовують обертовий механічний маховик, рух якого генерує магнітне поле, у версіях, які використовують магнітні підшипники для зменшення тертя та втрати енергії.Ця взаємодія між механічною та магнітною енергією дозволяє системі маховика ефективно зберігати енергію та швидко випускати її, коли це потрібно, що робить її практичним застосуванням зберігання магнітної енергії як у механічних, так і в електричних формах.