Wprowadzenie do nadprzewodzącego magazynu energii magnetycznej (MŚP): Zasady i zastosowania

W artykule omówiono, w jaki sposób energia jest przechowywana w polach magnetycznych poprzez indukcję elektromagnetyczną i powiązane równania.Bada także zaawansowane projekty i materiały używane do tworzenia systemów MŚP, koncentrując się na cewkach toroidalnych i elektromagnetycznych.Systemy te są wykorzystywane w różnych warunkach, od placówek medycznych po miejsca przemysłowe.Artykuł zawiera szczegółowy przegląd komponentów, takich jak nadprzewodzące materiały, takie jak Niobium-Titanium i Yttrium Barium Mopper Oxide, oraz ważne względy projektowe dla konfiguracji cewek w systemach MŚP.

Katalog

Rysunek 1: Nadprzewodzące magazyn energii magnetycznej

Co to jest nadprzewodnictwo?

Nadprzewodność jest zjawiskiem mechanicznym kwantowym, w którym niektóre materiały przeprowadzają energię elektryczną bez oporu po schłodzeniu poniżej wymaganej temperatury.Obejmuje:

Zerowy odporność elektryczna

Superprzewodnicy pozwalają na wieczny przepływ prądu bez utraty energii w idealnych warunkach, co jest ich cechą definiującą.

Efekt Meissner

Superprzewodnicy wydalają pola magnetyczne z ich wnętrza, gdy jest w stanie nadprzewodnictwa.Jest to znane jako efekt Meissner i dobry do utrzymywania stabilnych i wydajnych pól magnetycznych w aplikacjach MŚP.

Przejście fazowe

Nadprzewodność występuje w określonej temperaturze zwanej temperaturą krytyczną.Temperatura ta jest specyficzna dla materiału i może wahać się od prawie bezwzględnego zera do wyższych temperatur dla nadprzewodników o wysokiej temperaturze.

Rysunek 2:

Rysunek 3: Siła elektromagnetyczna

Mechanizm magazynowania energii w polu magnetycznym

W systemach MŚP energia jest przechowywana w polu magnetycznym generowanym przez prąd stały w cewce nadprzewodzonej.Proces obejmuje:

Gdy prąd przepływa przez cewkę nadprzewodzącą, powstaje pole magnetyczne.Zgodnie z teorią elektromagnetyczną energia przechowywana w polu magnetycznym jest proporcjonalna do kwadratu prądu i indukcyjności cewki.

Zmawiana energia (e) można określić ilościowo przez równanie:

gdzie l jest indukcyjnością cewki, a ja jest prądem.Projekt cewki koncentruje się na maksymalizacji indukcyjności i obecnej pojemności w celu zwiększenia magazynowania energii.

Aby skutecznie przechowywać i wykorzystać energię, pole magnetyczne musi być zawierane i kontrolowane.Obejmuje to złożone geometrie i inżynierię materiałową w celu optymalizacji ścieżek magnetycznych i minimalizacji strat.

Komponenty nadprzewodzącego magazynu energii magnetycznej (MŚP)

Cewki nadprzewodnicze są zaprojektowane w celu optymalizacji nadprzewodnictwa, co pozwala przepływać prąd elektryczny bez oporu.Cewki te są tworzone przez uzwojenie drutu nadprzewodnictwa wokół rdzenia lub kształtowanie go w elektromagnesu.

• Konfiguracja cewki

Cewki elektromagnesu - te cylindryczne cewki generują jednolite pole magnetyczne w środku i są używane w maszynach MRI.

Cewki toroidalne - w kształcie pączku, cewki te są stosowane w zastosowaniach takich jak reaktory tokamak do przechowywania w osoczu w badaniach fuzji.

Rycina 4: cewki elektromagnesu i cewki toroidalne

• Systemy chłodzenia

Zaawansowane systemy chłodzenia są przydatne do utrzymania nadprzewodnictwa.Układy te wykorzystują ciekłego helu, ciekłego azotu lub kriokolujki, aby utrzymać cewki w temperaturach znacznie poniżej ich progu.

Materiały stosowane w cewkach nadprzewodzących

Wydajność cewek nadprzewodzących silnie zależy od zastosowanych materiałów.Dwa podstawowe typy materiałów nadprzewodzących to:

• Niskotemperaturowe nadprzewodniki (LTS)

Niobium-titanium (NBTI): powszechnie stosowany w systemach MRI i obiektach badawczych, NBTI jest ceniony ze względu na jego trwałość i stosunkowo proste wymagania kriogeniczne.

Niobium-tin (NB3SN): Przy wyższej temperaturze i progu pola magnetycznego niż NBTI, NB3SN jest idealny do zastosowań wymagających silniejszych pól magnetycznych.

• Nadprzewodnicy o wysokiej temperaturze (HTS)

Tlenek miedzi (YBCO) (YBCO): materiał ten działa w wyższych temperaturach niż materiały LTS, upraszczając i zmniejszając koszt systemów chłodzenia.

Bismuth Strontium Wapniowe Tlenek miedzi (BSCCO): Znany z taśmowej postaci, BSCCO jest elastyczne i nadaje się do cewek o złożonych kształtach.

Rycina 5: Tlenek miedzi (YBCO) i Bismut Barium (YBCO) i Bismuth Strontium Wapniowe Tlenek (BSCCO)

Proces konwersji energii w nadprzewodzącym systemie magazynowania energii magnetycznej

Pierwszym krokiem w systemie MŚP jest zmiana prądu przemiennego (AC) na prąd stały (DC), ponieważ cewka nadprzewodząca działa na DC.

AC, który pochodzi z siatki lub elektrowni, trafia do prostownika.Zadaniem prostownika jest przekształcenie prądu przemiennego, który zmienia kierunek w DC, który płynie w jednym kierunku.Używa do tego urządzeń takich jak diody lub tyrystory.

Po tej konwersji DC może nadal mieć pewne fale podobne do AC.Aby je wygładzić, używamy filtrów z kondensatorami i induktorami.To sprawia, że ​​DC jest stabilne, dla wydajności i bezpieczeństwa systemu MŚP.

Z gotowym DC gotowy DC przepływa do cewki nadprzewodniczej, która nie ma rezystancji elektrycznej. Umożliwia to przepływ prądu bez utraty energii.

DC w cewce tworzy wokół niego silne pole magnetyczne, przekształcając energię elektryczną w energię magnetyczną przechowywaną w tym polu.

Aby zachować nadprzewodzącą cewkę, cewka jest przechowywana w bardzo niskich temperaturach przy użyciu kriogenicznych chłodziw, takich jak płynny hel lub azot. Jest to ważne, ponieważ każdy wzrost temperatury może spowodować utratę nadprzewodnictwa, co prowadzi do utraty energii.

Kiedy potrzebujemy przechowywanej energii, energia przechowywana w polu magnetycznym napędza prąd DC w cewce. Ten DC należy przekształcić w AC, aby był przydatny w większości systemów zasilania.Falownik robi to, zmieniając kierunek prądu przy częstotliwości pasującej do siatki prądu przemiennego.

Wyjście prądu przemiennego jest synchronizowane z napięciem, częstotliwością i fazą siatki przed wysłaniem, zapewniając, że działa dobrze z siatką i innymi obciążeniami elektrycznymi.

Rysunek 6: Schemat schematu nadprzewodzącego systemu magazynowania energii magnetycznej

Projekt nadprzewodzących systemów magazynowania energii magnetycznej

Projekt cewki w systemach MŚP wymagany do wydajności, kosztów i pojemności energii.Dwa główne projekty cewek są toroidalne i elektromagnetyczne.

Typ cewki	Geometria i funkcja	Zalety	Wady
Cewki toroidalne	W kształcie pączków, zaprojektowany, aby zachować prawie wszystkie pole magnetyczne wewnątrz cewki, minimalizując wyciek.Ten kształt pomaga Zmniejsz siły elektromagnetyczne działające na strukturę cewki.	Zatrzymanie pola magnetycznego: magnetyczny Pole pozostaje w cewce, co prowadzi do niższych zbłąkanych pola magnetycznych.	Złożoność produkcyjna: konstruowanie Toroidalne kształty są złożone i kosztowne.
		Bezpieczeństwo: ten projekt jest bezpieczniejszy i zmniejsza zakłócenia z pobliskimi urządzeniami elektronicznymi i innym wrażliwym sprzętem.	Wyzwania związane z konserwacją: dostęp do Wewnętrzne części tych cewek są trudne, komplikując konserwację i kontrola.
Cewki elektromagnetyczne	Cylindryczny, z bieżącym biegiem długość cylindra.Ten projekt jest prostszy i prosty niż konfiguracja toroidalna.	Łatwość produkcji: cewki elektromagnetyczne są łatwiejsze i tańsze w produkcji ze względu na ich prostą geometrię. Dostępność konserwacji: otwarta konstrukcja ułatwia do utrzymania i sprawdzania.	Wyciek pola magnetycznego: magnetyczny wycieki pola na obu końcach cylindra, które mogą wpływać na pobliskie elektroniczne urządzenia i wymagają dodatkowego ekranowania.

Czynniki wpływające na wybór projektowania cewki

Rycina 7: Cewka elektromagnesu i cewka toroidalna

Zastosowana aplikacja: Aplikacja dyktuje wybór cewki.Na przykład preferowane są cewki toroidalne, w których należy zminimalizować zakłócenia elektromagnetyczne, na przykład w placówkach medycznych lub prawie wrażliwy sprzęt naukowy.

Wymagania dotyczące magazynowania energii: ilość energii do przechowywania wpływa na projekt cewki.Cewki elektromagnetyczne mogą pasować do zastosowania w mniejszej skali ze względu na ich opłacalność, podczas gdy cewki toroidalne mogą być stosowane do większego przechowywania w skali przemysłowej ze względu na wydajność i minimalne wycieki magnetyczne.

Ograniczenia przestrzeni i środowiska: Dostępne przestrzeń fizyczna i warunki środowiskowe są głównymi względami.Cewki toroidalne, z ich zwartym i zamkniętym polem magnetycznym, lepiej nadają się do ograniczonych przestrzeni lub zaludnionych obszarów.

Ograniczenia budżetowe: Ograniczenia budżetowe wpływają na wybór cewki.Cewki elektromagnetyczne są tańsze i mogą być preferowane w projektach wrażliwych na koszty.

Rozważania dotyczące konserwacji i operacji: łatwość konserwacji i niezawodność operacyjna są ważne.Cewki elektromagnetyczne, oferujące łatwiejszy dostęp do konserwacji i kontroli, mogą być decydującym czynnikiem w ich selekcji.

Zalety nadprzewodzących systemów magazynowania energii magnetycznej

Korzyść	Opis
Wysokie wydajność i szybkie czasy reakcji	Systemy MŚP osiągają ponad 95% wydajność Przetwarzając energię w cewce nadprzewodniczej o prawie zerowej oporności.Oni może reagować na zmiany zapotrzebowania władzy w milisekundach.
Wpływ i stabilność środowiska	Systemy te są przyjazne dla środowiska, emitujące Brak gazów cieplarnianych lub materiałów toksycznych.Utrzymują stabilne wydajność niezależnie od warunków zewnętrznych, takich jak temperatura lub pogoda.
Niezawodność i długowieczność	Systemy MŚP nie mają ruchomych części i użytkowania trwałe nadprzewodzące materiały, co powoduje mniejsze zużycie i niższe Koszty utrzymania przez długi okres życia.
Skalowalność i wszechstronność	Zdolny do przechowywania energii z kilku Kilowat-godzinne godziny do kilku megawatów, MŚP są elastyczne dla różnych aplikacje i mogą być instalowane w różnych środowiskach z minimalnymi modyfikacje.
Wspieranie siatki i energii odnawialnej	Pomagają regulować napięcie, ustabilizuj Częstotliwość i gładka moc wyjściowa ze źródeł odnawialnych, ulepszanie siatki niezawodność i wspieranie większej integracji energii odnawialnej.
Długoterminowa opłacalność	Pomimo wysokich kosztów początkowych, MŚP Systemy mają niskie koszty operacyjne i konserwacyjne, co czyni je Opłacalny na dłuższą metę, szczególnie w określonych aplikacjach.
Bezpieczeństwo i bezpieczeństwo	Systemy MŚP unikają ryzyka Wybuchy lub wycieki toksyczne związane z rozwiązaniami przechowywania chemicznego, tworząc Bezpieczniejsze dla różnych ustawień, w tym obszarów miejskich.

Zastosowania nadprzewodzącego magazynu energii magnetycznej

Rysunek 8: Elastyczny system transmisji prądu przemiennego, jedno z głównych zastosowań nadprzewodzącego magazynu energii magnetycznej

Szpitale

Szpitale opierają się na nieprzerwanym zasilaczu (UPS), aby zapewnić działanie sprzętu ratującego życie i systemy opieki.Systemy MŚP zapewniają niezawodne rozwiązanie UPS poprzez natychmiastowe uwalnianie przechowywanej energii podczas awarii mocy, minimalizując zakłócenia operacyjne.Utrzymują również wysokiej jakości regulację energii, która chroni wrażliwy sprzęt medyczny przed drobnymi wahaniami mocy.

Centra danych

Centra danych, które zarządzają ogromnymi ilościami informacji cyfrowych, są bardzo wrażliwe na problemy z jakością energii.Systemy MŚP są idealne do ochrony przed krótkoterminowymi zaburzeniami mocy, takimi jak SAG napięcia i gwałtowne.Dzięki integracji MŚP centra danych mogą zapewnić ciągłe obsługę serwerów i sprzętu sieciowego, utrzymując dostępność i integralność usług.

Integracja energii odnawialnej

Odnawialne źródła energii, takie jak wiatr i słoneczne, wprowadzają zmienność wytwarzania energii ze względu na warunki pogodowe.Systemy MŚP stabilizują siatkę poprzez szybkie wchłanianie nadmiaru energii elektrycznej w okresach wysokich produkcji i uwalnianie energii podczas niskiej produkcji, wygładzanie wahań i zwiększając stabilność siatki.

Stacje ładowania pojazdów elektrycznych

Wraz z rosnącym przyjęciem pojazdów elektrycznych (EV) rośnie zapotrzebowanie na wydajne i szybkie rozwiązania do ładowania.Systemy MŚP na stacjach ładowania EV zarządzają zapotrzebowaniem na obciążenie, przechowując energię w czasie poza szczytem i uwalniając ją podczas szczytowego popytu.Zmniejsza to obciążenie siatki elektrycznej i umożliwia szybsze czasy ładowania.

Zastosowania przemysłowe

Branże, które wymagają nagłych wybuchów energii, korzystają z systemów MŚP.Systemy te zapewniają odpowiednią energię bez intensywnego pobierania siatki, potrzebującej produkcji w celu precyzyjnej kontroli maszyn i utrzymania jakości produktu.

Wojsko i lotnicze

Bazy wojskowe i operacje lotnicze wymagają niezawodnej i wysokiej jakości energii.Systemy MŚP oferują zasilacz szybkiej odpowiedzi, który zapewnia nieprzerwane operacje i wspiera wysokie zapotrzebowanie energii zaawansowanej technologii i sprzętu w tych sektorach.

Systemy tranzytu masowego

Sieci kolejowe i systemy transportu miejskiego poprawiają wydajność energetyczną i niezawodność dzięki MŚP.Jednostki te zarządzają energią wytwarzaną podczas hamowania i skutecznie ją redystrybuują, zwiększając ogólną efektywność energetyczną systemu tranzytowego.

Wniosek

Artykuł bada nadprzewodzące systemy magazynowania energii magnetycznej (MŚP), podkreślając ich potencjał jako rewolucyjną technologię magazynowania energii.Systemy MŚP oferują wysoką wydajność, szybki czas reakcji i niski wpływ na środowisko, co czyni je rozwiązani dla obecnych wyzwań energetycznych.Artykuł obejmuje ich wykorzystanie w różnych dziedzinach, w tym w opiece zdrowotnej, energii odnawialnej i transporcie, wykazując ich wszechstronność i skalowalność.W miarę jak świat zbliża się do zrównoważonych rozwiązań energetycznych, technologia MŚP wyróżnia się zwiększając globalną odporność energetyczną.Bieżące osiągnięcia w MŚP w zakresie integracji odnawialnych źródeł energii, poprawy stabilności i wydajności globalnej infrastruktury energetycznej.

Często zadawane pytania [FAQ]

1. Jak energia magnetyczna magazyn?

Pole magnetyczne przechowuje energię poprzez wyrównanie i ruch dipoli magnetycznych lub naładowanych cząstek.Kiedy prąd elektryczny przechodzi przez cewkę drutu, tworzy pole magnetyczne wokół cewki.To pole magnetyczne jest zdolne do przechowywania energii z powodu pracy wykonanej w celu ustalenia pola.W szczególności energia jest wymagana do wyrównania momentów magnetycznych atomów w materiale, co z kolei tworzy pole, które może wywierać siły i działać na innych obiektach.Energia przechowywana w polu magnetycznym jest wprost proporcjonalna do kwadratu intensywności pola.

2. Jakie urządzenie przechowuje energię w polu magnetycznym?

Urządzenie, które przechowuje energię w polu magnetycznym, jest cewką indukcyjną lub cewką magnetyczną.Induktory składają się z cewek drutu, często owiniętej wokół rdzenia magnetycznego, który zwiększa wytrzymałość pola magnetycznego.Gdy prąd przepływa przez cewkę, buduje się pole magnetyczne, a energia jest przechowywana w tym polu.Zdolność induktora do przechowywania energii magnetycznej jest wykorzystywana w wielu obwodach elektronicznych, w technologiach zasilania i konwersji.

3. Jak wydajne jest nadprzewodnicze magazynowanie energii magnetycznej?

Systemy nadprzewodzącego magnetycznego magazynowania energii (MŚP) są wysoce wydajne, osiągając efektywność energetyczną w obie strony od 90% do 95%.Systemy te wykorzystują cewki nadprzewodzące, które mogą prowadzić energię elektryczną bez oporu w bardzo niskich temperaturach.Brak oporu elektrycznego oznacza, że ​​prawie żadna energia nie jest tracona jako ciepło, co zwiększa wydajność magazynowania energii.Systemy MŚP są cenione za ich zdolność do niemal natychmiastowego uwalniania zapisanej energii, co jest dobre do zastosowań wymagających szybkich zrzutów, takich jak stabilizowanie sieci zasilania podczas szczytowego zapotrzebowania.

4. Czy energia magnetyczna jest sklepem czy transferem?

Energia magnetyczna jest formą magazynowania energii.Energia jest przechowywana w polu magnetycznym stworzonym przez ruch ładunków elektrycznych w cewce.W razie potrzeby, przechowywaną energię można przekształcić z powrotem w energię elektryczną lub użyć do wykonywania prac mechanicznych, przenosząc energię z pola magnetycznego do innej formy.Jednak główną rolą energii magnetycznej w urządzeniach takich jak induktory lub systemy MŚP jest przechowywanie energii.

5. Jaki jest przykład sklepu energii magnetycznej?

Przykładem magazynu energii magnetycznej jest system magazynowania energii koła zamachowego, który, choć przede wszystkim mechaniczny, często zawiera komponenty magnetyczne do magazynowania energii i stabilizacji.Systemy te wykorzystują obracające się mechaniczne koło zamachowe, którego ruch generuje pole magnetyczne, w wersjach, które wykorzystują łożyska magnetyczne w celu zmniejszenia tarcia i utraty energii.Ta interakcja między energią mechaniczną i magnetyczną pozwala systemowi koła zamachowego efektywne przechowywanie energooszczędności i szybkie uwalnianie go w razie potrzeby, co czyni go praktycznym zastosowaniem magazynowania energii magnetycznej zarówno w postaciach mechanicznych, jak i elektrycznych.