Введение в сверхпроводящее хранение магнитной энергии (МСП): принципы и приложения

В статье обсуждается, как энергия хранится в магнитных полях посредством электромагнитной индукции и связанных уравнений.В нем также рассматриваются расширенные конструкции и материалы, используемые при создании систем МСП, фокусируясь на тороидальных и соленоидальных катушках.Эти системы используются в разных условиях, от медицинских учреждений до промышленных площадок.В статье содержится подробный обзор компонентов, таких как сверхпроводящие материалы, такие как оксид меди ниобий-титаниум и иттрий барий, и важные конструктивные соображения для конфигураций катушек в системах МСП.

Каталог

Рисунок 1: Сверхпроводящее хранение магнитной энергии

Что такое сверхпроводимость?

Сверхпроводимость является квантовым механическим явлением, когда определенные материалы проводят электричество без сопротивления при охлаждении ниже требуемой температуры.Это включает в себя:

Нулевое электрическое сопротивление

Сверхпроводники позволяют постоянно поток тока без потери энергии в идеальных условиях, что является их определяющей характеристикой.

Эффект Мейснера

Сверхпроводники выкидывают магнитные поля из своего интерьера, когда в сверхпроводящем состоянии.Это известно как эффект Meissner и подходит для поддержания стабильных и эффективных магнитных полей в приложениях МСП.

Фазовый переход

Сверхпроводимость происходит при определенной температуре, называемой критической температурой.Эта температура специфична для материала и может варьироваться от почти абсолютного до нуля до более высоких температур для высокотемпературных сверхпроводников.

Рисунок 2:

Рисунок 3: Электромагнитная сила

Механизм накопления энергии в магнитном поле

В системах МСП энергия хранится в магнитном поле, генерируемом постоянным током в сверхпроводящей катушке.Процесс включает в себя:

Когда ток протекает через сверхпроводящую катушку, создается магнитное поле.Согласно электромагнитной теории, энергия, хранящаяся в магнитном поле, пропорциональна квадрату тока и индуктивности катушки.

Энергия (e) сохранение может быть количественно определено по уравнению:

где L - индуктивность катушки, а я - ток.Конструкция катушки фокусируется на максимизации индуктивности и мощности тока для увеличения хранения энергии.

Чтобы сохранить и эффективно использовать энергию, магнитное поле должно содержаться и контролироваться.Это включает в себя сложную геометрию и разработку материалов для оптимизации магнитных путей и минимизации потерь.

Компоненты сверхпроводящего хранения магнитной энергии (МСП)

Сверхпроводящие катушки разработаны для оптимизации сверхпроводимости, которая позволяет электрическому току течь без сопротивления.Эти катушки создаются путем оправдывания сверхпроводящего провода вокруг ядра или формирования его в соленоид.

• Конфигурация катушки

Соленоидные катушки - эти цилиндрические катушки генерируют однородное магнитное поле внутри и используются в машинах МРТ.

Тороидальные катушки - в форме пончика, эти катушки используются в приложениях, таких как реакторы Tokamak для сдерживания плазмы в исследованиях Fusion.

Рисунок 4: Соленоидные катушки и тороидальные катушки

• Системы охлаждения

Расширенные системы охлаждения полезны для поддержания сверхпроводимости.Эти системы используют жидкий гелий, жидкий азот или криоколеры, чтобы поддерживать катушки при температуре значительно ниже их порога.

Материалы, используемые в сверхпроводящих катушках

Производительность сверхпроводящих катушек в значительной степени зависит от используемых материалов.Два основных типа сверхпроводящих материалов:

• низкотемпературные сверхпроводники (LTS)

Niobium-Titanium (NBTI): обычно используется в системах МРТ и исследовательских объектах, NBTI ценится за его долговечность и относительно простые криогенные требования.

Niobium-tin (NB3SN): с более высокой температурой и порогом магнитного поля, чем NBTI, NB3SN идеально подходит для применений, нуждающихся в более сильных магнитных полях.

• Высокотемпературные сверхпроводники (HTS)

Оксид меди иттрия бария (YBCO): этот материал работает при более высоких температурах, чем материалы LTS, упрощая и снижая стоимость систем охлаждения.

BSMUTH Strontium кальциевый оксид меди (BSCCO): известный своей лентоподобной формой, BSCCO является гибким и подходит для катушек со сложными формами.

Рисунок 5: Оксид меди иттрия бария оксида меди (YBCO) и бисмута стронция кальция оксид меди (BSCCO)

Процесс преобразования энергии в сверхпроводящей системе хранения магнитной энергии

Первым шагом в системе МСП изменяется переменный ток (AC) на прямой ток (DC), поскольку сверхпроводящая катушка работает на DC.

AC, который поступает из сетки или электростанции, входит в выпрямитель.Работа выпрямителя состоит в том, чтобы превратить кондиционер, который превращается в направление, в DC, который течет в одном направлении.Он использует устройства, такие как диоды или тиристоры для этого.

После этого преобразования у округа Колумбия все еще может быть несколько AC-подобных ряби.Чтобы сгладить их, мы используем фильтры с конденсаторами и индукторами.Это делает DC устойчивым, для эффективности и безопасности системы МСП.

С помощью плавного постоянного тока, постоянный ток течет в сверхпроводную катушку, которая не имеет электрического сопротивления. Это позволяет току течь, не теряя энергии.

DC в катушке создает сильное магнитное поле вокруг нее, превращая электрическую энергию в магнитную энергию, хранящуюся в этом поле.

Чтобы сохранить катушку сверхпроводящей, катушка сохраняется при очень низких температурах с использованием криогенных охлаждающих жидкостей, таких как жидкий гелий или азот. Это важно, потому что любое повышение температуры может привести к потере сверхпроводимости, что приведет к потере энергии.

Когда нам нужна хранящаяся энергия, энергия, хранящаяся в магнитном поле, движет током постоянного тока в катушке. Этот DC должен быть превращен в AC, чтобы быть полезным для большинства энергетических систем.Инвертор делает это, изменяя направление тока на частоте, соответствующей сетке переменного тока.

Выход переменного тока синхронизируется с напряжением, частотой и фазой сетки, а затем будет отправлено, гарантируя, что она хорошо работает с сеткой и другими электрическими нагрузками.

Рисунок 6: Схематическая схема сверхпроводящей системы хранения магнитной энергии

Проектирование сверхпроводящих систем хранения магнитной энергии

Конструкция катушки в системах МСП, необходимых для эффективности, затрат и емкости для хранения энергии.Две основные конструкции катушки являются тороидальными и соленоидальными.

Тип катушки	Геометрия и функция	Преимущества	Недостатки
Тороидальные катушки	В форме пончиков, предназначенный для того, чтобы сохранить почти все Магнитное поле внутри катушки, сводя к минимуму утечки.Эта форма помогает уменьшить электромагнитные силы, действующие на структуру катушки.	Сдерживание магнитного поля: магнитная Поле остается в катушке, что приводит к более низким бродячим магнитным полям.	Сложность производства: строительство Тороидальные фигуры сложны и дорого.
		Безопасность: эта конструкция безопаснее и уменьшает помехи с близлежащими электронными устройствами и другим чувствительным оборудованием.	Проблемы технического обслуживания: доступ к Внутренние части этих катушек сложны, усложняют обслуживание и осмотр.
Соленоидные катушки	Цилиндрический, с током бега Длина цилиндра.Этот дизайн проще и прост чем тороидальная конфигурация.	Простота производства: соленоидные катушки проще и дешевле в производстве из -за их простой геометрии. Доступность обслуживания: открытый дизайн облегчает их Поддерживать и осмотреть.	Утечка магнитного поля: магнитная Полевые утечки на обоих концах цилиндра, что может повлиять на близлежащие электронные устройства и требуют дополнительного экранирования.

Факторы, влияющие на выбор дизайна катушки

Рисунок 7: соленоидальная катушка и тороидальная катушка

Предполагаемое приложение: приложение диктует выбор катушки.Например, тороидальные катушки являются предпочтительными, где необходимо минимизировать электромагнитные помехи, например, в медицинских учреждениях или вблизи чувствительного научного оборудования.

Требования к хранению энергии: количество энергии, которая должна быть сохранена, влияет на конструкцию катушки.Солидальные катушки могут соответствовать меньшим масштабным приложениям из-за их экономической эффективности, в то время как тороидальные катушки могут использоваться для более крупного хранения промышленного масштаба из-за эффективности и минимальной магнитной утечки.

Космические и экологические ограничения: доступные физическое пространство и условия окружающей среды являются основными соображениями.Тороидальные катушки с их компактным и закрытым магнитным полем лучше подходят для ограниченных пространств или населенных пунктов.

Бюджетные ограничения: ограничения бюджета воздействия на катушку выбор.Соленоидные катушки дешевле и могут быть предпочтительны в чувствительных к затрат проектам.

Техническое обслуживание и эксплуатационные соображения: простота технического обслуживания и эксплуатационной надежности важны.Солидальные катушки, предлагающие более легкий доступ для технического обслуживания и проверки, могут быть решающим фактором в их выборе.

Преимущества сверхпроводящих систем хранения магнитной энергии

Преимущество	Описание
Высокая эффективность и быстрое время реагирования	Системы МСП достигают более 95% эффективности храня энергию в сверхпроводящей катушке с почти нулевой сопротивлением.Они может реагировать на изменения спроса на власть в миллисекундах.
Воздействие и стабильность на окружающую среду	Эти системы экологичны, испускают Нет парниковых газов или использования токсичных материалов.Они поддерживают стабильную производительность независимо от внешних условий, таких как температура или погода.
Надежность и долговечность	Системы МСП не имеют движущихся частей и используют прочные сверхпроводящие материалы, что приводит к меньшему износу и снижению Затраты на техническое обслуживание за длительный срок службы.
Масштабируемость и универсальность	Способен хранить энергию от нескольких Киловатт-часы до нескольких мегаватт-часов, подразделения МСП гибкие для различных приложения и могут быть установлены в разнообразных условиях с минимальными модификации.
Поддержка сетки и возобновляемой энергии	Они помогают регулировать напряжение, стабилизировать частота и плавная выход из возобновляемых источников, улучшение сетки Надежность и поддержка большей интеграции возобновляемой энергии.
Долгосрочная экономическая эффективность	Несмотря на высокие начальные затраты, МСП Системы имеют низкие расходы на эксплуатацию и обслуживание, что делает их Эффективно в долгосрочной перспективе, особенно в конкретных приложениях.
Безопасность и безопасность	Системы МСП избегают риска взрывы или токсичные утечки, связанные с растворами химического хранения, созданием Их безопаснее для различных условий, включая городские районы.

Применение сверхпроводящего хранения магнитной энергии

Рисунок 8: Гибкая система передачи переменного тока, одно из основных применений сверхпроводящей магнитной энергии

Больницы

Больницы полагаются на непрерывную электроснабжение (ИБП), чтобы сохранить в эксплуатации системы, спасительного оборудования и ухода.Системы МСП обеспечивают надежное решение UPS, мгновенно высвобождая хранимую энергию во время сбоев питания, сводя к минимуму сбои в эксплуатации.Они также поддерживают высококачественное регулирование энергетики, которое защищает чувствительное медицинское оборудование от незначительных колебаний электроэнергии.

Центры обработки данных

Центры обработки данных, которые управляют огромными объемами цифровой информации, очень чувствительны к проблемам качества электроэнергии.Системы МСП идеально подходят для защиты от краткосрочных мощных нарушений, таких как провисание напряжения и скачки.Интегрируя МСП, центры обработки обработки данных могут обеспечить непрерывную работу серверов и сетевого оборудования, поддерживая доступность и целостность службы данных.

Интеграция возобновляемой энергии

Возобновляемые источники энергии, такие как ветер и солнечная энергия, вводят изменчивость в производстве электроэнергии из -за погодных условий.Системы МСП стабилизируют сетку, быстро поглощая избыточное электричество в течение высоких периодов производства и высвобождая энергию во время низкого производства, сглаживая колебания и повышая стабильность сетки.

Станции зарядки электромобилей

С растущим внедрением электромобилей (EV) спрос на эффективные и быстро зарядные решения растут.Системы МСП на зарядных станциях EV управляют потребностями нагрузки, хранение энергии в непиковое время и освобождая ее во время пикового спроса.Это уменьшает напряжение на электрической сетке и обеспечивает более быстрое время зарядки.

Промышленные применения

Промышленности, которые требуют внезапных всплесков энергетических систем от систем МСП.Эти системы обеспечивают правильную энергию, не используя сетку, необходимость в производстве для точного управления механизмом и поддержания качества продукции.

Военные и аэрокосмические

Военные базы и аэрокосмические операции требуют надежной и качественной энергии.Системы MSES предлагают питание быстрого ответа, которое обеспечивает непрерывные операции и поддерживает высокоэнергетические требования передовых технологий и оборудования в этих секторах.

Массовые транзитные системы

Железнодорожные сети и городские транзитные системы повышают эффективность питания и надежность с помощью МСП.Эти единицы управляют энергией, производимой во время торможения, и эффективно перераспределяют ее, повышая общую энергоэффективность транзитной системы.

Заключение

В статье исследуются системы сверхпроводящего хранения магнитной энергии (МСП), подчеркивая их потенциал в качестве революционной технологии хранения энергии.Системы МСП обеспечивают высокую эффективность, быстрое время отклика и низкое воздействие на окружающую среду, что делает их решением для текущих энергетических проблем.Статья охватывает их использование в различных областях, включая здравоохранение, возобновляемую энергию и транспортировку, демонстрируя их универсальность и масштабируемость.По мере того, как мир движется к устойчивым энергетическим решениям, технология МСП выделяется в повышении глобальной устойчивости энергетики.Постоянные разработки в МСП для интеграции возобновляемых источников энергии, повышение стабильности и эффективности глобальной энергетической инфраструктуры.

Часто задаваемые вопросы [FAQ]

1. Как магнитное поле хранит энергию?

Магнитное поле хранит энергию через выравнивание и движение магнитных диполей или заряженных частиц.Когда электрический ток проходит через катушку из провода, он создает магнитное поле вокруг катушки.Это магнитное поле способно хранить энергию из -за работы по установлению поля.В частности, необходима энергия для выравнивания магнитных моментов атомов в материале, который, в свою очередь, создает поле, которое может оказывать силы и работать над другими объектами.Энергия, хранящаяся в магнитном поле, прямо пропорциональна квадрату интенсивности поля.

2. Какое устройство хранит энергию в магнитном поле?

Устройство, которое хранит энергию в магнитном поле, является индуктором или магнитной катушкой.Индукторы состоят из катушек провода, часто обернутых вокруг магнитного ядра, что усиливает прочность магнитного поля.Когда ток протекает через катушку, нарастает магнитное поле, а в этом поле хранится энергия.Способность индуктора хранить магнитную энергию во многих электронных схемах, в технологиях питания и конверсии.

3. Насколько эффективным является сверхпроводящее хранение магнитной энергии?

Сверхпроводящие системы хранения магнитной энергии (МСП) являются высокоэффективными, достигая энергоэффективности в круглой поездок от 90% до 95%.Эти системы используют сверхпроводящие катушки, которые могут проводить электричество без сопротивления при очень низких температурах.Отсутствие электрического сопротивления означает, что практически не теряется энергия, поскольку тепло, что повышает эффективность накопления энергии.Системы МСП оцениваются за их способность высвобождать хранимую энергию практически мгновенно, что полезно для применений, требующих быстрых разрядов, таких как стабилизирующие энергосистемы во время пикового спроса.

4. Магнитная энергия - хранилище или передача?

Магнитная энергия является формой накопления энергии.Энергия хранится в магнитном поле, созданном движением электрических зарядов, в катушке.При необходимости эта накопленная энергия может быть преобразована обратно в электрическую энергию или используется для выполнения механической работы, передавая тем самым энергию из магнитного поля в другую форму.Тем не менее, основная роль магнитной энергии в таких устройствах, как индукторы или системы МСП в хранении энергии.

5. Что является примером магазина магнитной энергии?

Примером хранилища магнитной энергии является система хранения энергии магнитного колеса, которая, хотя и в первую очередь механическую, часто включает магнитные компоненты для хранения и стабилизации энергии.В этих системах используется вращающийся механический маховик, движение которого генерирует магнитное поле, в версиях, в которых используются магнитные подшипники для уменьшения трения и потери энергии.Это взаимодействие между механическими и магнитными энергиями позволяет системе магнитного колеса эффективно сохранять энергию и быстро ее высвобождать, делая ее практическим применением хранения магнитной энергии как в механических, так и в электрических формах.