Ülijuhtivad magnetenergia salvestussüsteemid (SMES)
Energia salvestamine on protsess, mis toimub seadmete või füüsiliste kandjatega, mis salvestavad energiat, et nad saaksid seda hiljem tõhusalt kasutada.
Energiasalvestussüsteemid võib jagada mehaanilisteks, elektrilisteks, keemilisteks ja termilisteks. Üks kaasaegseid energiasalvestustehnoloogiaid on SMES-süsteemid — ülijuhtivad magnetenergia salvestamise süsteemid (ülijuhtivad magnetenergia salvestamise süsteemid).
Ülijuhtivad magnetenergia salvestamise süsteemid (SMES) salvestavad energiat magnetväljas, mis tekib ülijuhtivas mähises, mis on krüogeenselt jahutatud temperatuurini, mis on madalam selle kriitilisest ülijuhtivast temperatuurist. Ülijuhtiva mähise laadimisel vool ei vähene ja magnetenergiat saab salvestada lõputult. Salvestatud energia saab spiraali tühjendades tagasi võrku.
Ülijuhtiva magnetilise energia salvestamise süsteem põhineb alalisvoolu tekitatud magnetväljal ülijuhtivas mähises.
Ülijuhtivat mähist jahutatakse pidevalt krüogeenselt, mistõttu on see selle tulemusena pidevalt alla kriitilise temperatuuri, s.o. ülijuht… Lisaks mähisele sisaldab SMES süsteem nii krüogeenset külmkappi kui ka kliimaseadet.
Järeldus on, et ülijuhtivas olekus laetud mähis on võimeline iseseisvalt üleval pidama pidevat voolu, nii et antud voolu magnetväli suudab temasse salvestatud energiat lõpmatult pikaks ajaks talletada.
Ülijuhtivas mähises salvestatud energiat saab vajadusel sellise mähise tühjendamise ajal võrku anda. Alalisvoolu muundamiseks vahelduvvooluks, inverterid, ja mähise laadimiseks võrgust — alaldid või AC-DC muundurid.
Energia ülitõhusa muundamise käigus ühes või teises suunas moodustavad VKE-s kaod maksimaalselt 3%, kuid kõige olulisem on siinjuures see, et selle meetodi abil toimuva energia salvestamise protsessis on kaod kõige vähem omased. mis tahes praegu teadaolevatest energia salvestamise ja salvestamise meetoditest. VKEde üldine minimaalne efektiivsus on 95%.
Ülijuhtivate materjalide kõrge hinna tõttu ja arvestades asjaolu, et jahutamine nõuab ka energiakulusid, on SMES süsteemid praegu kasutusel vaid seal, kus on vaja lühiajaliselt energiat salvestada ja samal ajal parandada toiteallika kvaliteeti. . See tähendab, et neid kasutatakse traditsiooniliselt ainult tungiva vajaduse korral.
VKE süsteem koosneb järgmistest komponentidest:
- ülijuhtiv mähis,
- Krüostaat ja vaakumsüsteem,
- jahutussüsteem,
- energia muundamise süsteem,
- Juhtseade.
VKE-süsteemide peamised eelised on ilmsed. Esiteks on see äärmiselt lühike aeg, mille jooksul ülijuhtiv mähis suudab oma magnetvälja salvestatud energia vastu võtta või sellest loobuda. Sel viisil on võimalik mitte ainult saada kolossaalseid hetkelisi tühjendusjõude, vaid ka ülijuhtivat mähist laadida minimaalse viivitusega.
Kui võrrelda VKE-d suruõhusalvestussüsteemidega, hoorataste ja hüdroakudega, siis viimaseid iseloomustab kolossaalne viivitus elektrienergia muundamisel mehaaniliseks ja vastupidi (vt — Hooratta energiasalvesti).
Liikuvate osade puudumine on SMES-süsteemide teine oluline eelis, mis suurendab nende töökindlust. Ja loomulikult on ülijuhi aktiivse takistuse puudumise tõttu salvestuskaod siin minimaalsed. VKEde erienergia jääb tavaliselt vahemikku 1–10 Wh/kg.
1 MWh VKEsid kasutatakse kogu maailmas energiakvaliteedi parandamiseks seal, kus see on vajalik, näiteks mikroelektroonika tehastes, mis nõuavad kõrgeima kvaliteediga voolu.
Lisaks on VKEd kasulikud ka kommunaalteenuste valdkonnas. Niisiis asub ühes USA osariigis paberitehas, mis võib oma töö ajal põhjustada elektriliinides tugevaid tõusu. Tänaseks on tehase elektriliin varustatud terve ahela SMES moodulitega, mis tagavad elektrivõrgu stabiilsuse. SMES moodul võimsusega 20 MWh suudab jätkusuutlikult pakkuda 10 MW kaheks tunniks või kõik 40 MW pooleks tunniks.
Ülijuhtiva mähise salvestatud energiahulka saab arvutada järgmise valemi abil (kus L on induktiivsus, E on energia, I on vool):
Ülijuhtiva mähise struktuurse konfiguratsiooni seisukohalt on väga oluline, et see oleks deformatsioonikindel, sellel oleks minimaalsed soojuspaisumise ja kokkutõmbumise näitajad ning sellel oleks ka madal tundlikkus Lorentzi jõu suhtes, mis paratamatult tekib paigaldise toimimine (Elektrodünaamika olulisemad seadused). Kõik see on oluline selleks, et vältida mähise hävimist paigalduse omaduste ja ehitusmaterjalide hulga arvutamise etapis.
Väikeste süsteemide puhul peetakse vastuvõetavaks üldist pingemäära 0,3%. Lisaks aitab pooli toroidaalne geomeetria kaasa väliste magnetjõudude vähendamisele, mis võimaldab vähendada kandekonstruktsiooni maksumust, samuti võimaldab paigaldust paigutada koormusobjektide lähedusse.
Kui SMES-i paigaldus on väike, siis võib sobida ka solenoidmähis, mis erinevalt toroidist ei vaja erilist tugistruktuuri. Samas tuleb tähele panna, et toroidmähis vajab pressrõngaid ja kettaid, eriti kui tegemist on üsna energiamahuka konstruktsiooniga.
Nagu eespool märgitud, vajab jahutatud ülijuhtkülmik pidevalt töötamiseks energiat, mis muidugi vähendab VKEde üldist tõhusust.
Seega on soojuskoormused, mida paigaldise projekteerimisel arvesse võtta, on järgmised: kandekonstruktsiooni soojusjuhtivus, kuumutatud pindade küljelt tuleva soojuskiirgus, džaulikaod juhtmetes, mille kaudu voolavad laadimis- ja tühjendusvoolud, samuti kaod külmikus töötamise ajal.
Kuid kuigi need kaod on üldiselt proportsionaalsed paigaldise nimivõimsusega, on SMES-süsteemide eeliseks see, et kui energiamaht suureneb 100 korda, suurenevad jahutuskulud vaid 20 korda. Lisaks on kõrge temperatuuriga ülijuhtide puhul jahutuse kokkuhoid suurem kui madala temperatuuriga ülijuhtide kasutamisel.
Näib, et kõrge temperatuuriga ülijuhil põhinev ülijuhtiv energiasalvestussüsteem on jahutamisel vähem nõudlik ja peaks seetõttu vähem maksma.
Praktikas see aga nii ei ole, kuna paigaldustaristu kogumaksumus ületab tavaliselt ülijuhi maksumuse ning kõrge temperatuuriga ülijuhtide poolid on kuni 4 korda kallimad kui madalatemperatuuriliste ülijuhtide poolid. .
Lisaks on kõrge temperatuuriga ülijuhtide piirvoolutihedus madalam kui madala temperatuuriga ülijuhtide puhul, see kehtib töötavate magnetväljade kohta vahemikus 5–10 T.
Nii et sama induktiivsusega akude saamiseks on vaja rohkem kõrge temperatuuriga ülijuhtivaid juhtmeid. Ja kui käitise energiatarve on umbes 200 MWh, siis madalatemperatuuriline ülijuht (juht) osutub kümme korda kallimaks.
Lisaks on üks peamisi kulutegureid see: külmiku maksumus on igal juhul nii madal, et jahutusenergia vähendamine kõrge temperatuuriga ülijuhtide abil annab väga väikese säästuprotsendi.
SMES-is salvestatud mahtu ja energiatihedust on võimalik vähendada, suurendades maksimaalset töömagnetvälja, mis toob kaasa nii juhtme pikkuse kui ka üldkulude vähenemise. Optimaalseks väärtuseks peetakse maksimaalset magnetvälja umbes 7 T.
Muidugi, kui põllupinda suurendatakse üle optimaalse, on võimalik veelgi mahu vähendamine minimaalse kulutõusuga. Kuid välja induktsiooni piir on tavaliselt füüsiliselt piiratud, kuna toroidi sisemisi osi ei ole võimalik kokku viia, jättes siiski ruumi kompensatsioonisilindrile.
Ülijuhtivad materjalid on endiselt VKEdele kulutasuvate ja tõhusate rajatiste loomisel võtmeküsimuseks. Tänapäeva arendajate jõupingutused on suunatud ülijuhtivate materjalide kriitilise voolu ja deformatsiooni ulatuse suurendamisele, samuti nende tootmiskulude vähendamisele.
Võttes kokku tehnilised raskused teel VKEde süsteemide laialdase kasutuselevõtu poole, võib selgelt eristada järgmist. Vajadus tugeva mehaanilise toe järele, mis suudaks vastu pidada mähises tekkivale olulisele Lorentzi jõule.
Vajadus suure maatüki järele, kuna VKE käitis, näiteks võimsusega 5 GWh, sisaldab umbes 600 meetri pikkust ülijuhtivat vooluringi (ringi või ristkülikukujuline). Lisaks peab ülijuhti ümbritsev vedela lämmastiku vaakummahuti (600 meetri pikkune) asuma maa all ja tagama usaldusväärse toe.
Järgmine takistus on ülijuhtiva kõrgtemperatuurse keraamika rabedus, mis raskendab suurte voolude jaoks juhtmete tõmbamist.Kriitiline ülijuhtivust hävitav magnetväli takistab ka VKEde erienergia intensiivsuse suurendamist. NS-il on samal põhjusel kriitiline vooluprobleem.