Вс. Июл 21st, 2024

Хранение энергии — процесс, происходящий с помощью устройств или физических носителей, которые накапливают энергию, чтобы иметь возможность эффективно использовать ее позже.

Системы хранения энергии можно разделить на механические, электрические, химические и тепловые. Одной из современных технологий хранения энергии являются системы SMES — superconducting magnetic energy storage (системы сверхпроводящего магнитного накопления энергии).

Системы сверхпроводящего магнитного накопления энергии (SMES) хранят энергию в магнитном поле, создаваемом потоком постоянного тока в сверхпроводящей катушке, которая была криогенно охлаждена до температуры ниже ее сверхпроводящей критической температуры. Когда сверхпроводящая катушка заряжена, ток не затухает, и магнитная энергия может храниться бесконечно. Накопленная энергия может быть возвращена в сеть, разрядив катушку.

В основе системы сверхпроводящего магнитного накопления энергии лежит магнитное поле, порождаемое постоянным током, текущим в сверхпроводящей катушке.

Сверхпроводящая катушка непрерывно подвергается криогенному охлаждению, так что в результате она постоянно находится при температуре ниже критической, то есть является сверхпроводником. Кроме катушки, система SMES включает в себя криогенный холодильник, а также систему кондиционирования.

Суть в том, что заряженная катушка, находясь в сверхпроводящем состоянии, способна поддерживать в себе незатухающий ток, так что магнитное поле данного тока может хранить запасенную в нем энергию бесконечно долго.

Накопленная в сверхпроводящей катушке энергия может быть при необходимости подана в сеть в процессе разряда такой катушки. Для преобразования энергии постоянного тока в переменный сетевой ток применяются инверторы, а для заряда катушки от сети — выпрямители или AC-DC-преобразователи.

В ходе высокоэффективного преобразования энергии в том или ином направлении, потери в SMES составляют максимум 3%, однако наиболее важно здесь то, что в процессе хранения энергии данным способом потери оказываются наименьшими из присущих любому из известных на сегодняшний день способов накопления и хранения энергии. Минимальная эффективность SMES в целом составляет 95%.

В силу высокой стоимости сверхпроводящих материалов, и с учетом того факта, что на охлаждение также необходимы затраты энергии, — в настоящее время системы SMES находят применение лишь там, где необходимо кратковременно накопить энергию и вместе с тем повысить качество электроснабжения. То есть к их использованию традиционно прибегают лишь в случаях острой необходимости.

Система SMES состоит из следующих компонентов:

  • Сверхпроводящая катушка,
  • Криостат и вакуумная система,
  • Система охлаждения,
  • Система преобразования энергии,
  • Устройство управления.

Принципиальные преимущества систем SMES очевидны. Прежде всего это чрезвычайно малое время, за которое сверхпроводящая катушка способна принять или отдать накопленную в ее магнитном поле энергию. Таким образом можно не только получать колоссальные мгновенные мощности при разрядке, но также перезаряжать сверхпроводящую катушку с минимальной временной задержкой.

Если сравнить SMES с системами хранения на сжатом воздухе, с маховиками и гидроаккумуляторами, то для последних характерна колоссальная задержка во время преобразования электроэнергии в механическую и обратно.

Отсутствие движущихся частей — еще одно важное преимущество систем SMES, повышающее их надежность. И, конечно, в силу отсутствия у сверхпроводника активного сопротивления, потери при хранении здесь минимальны. Удельная энергия SMES составляет обычно от 1 до 10 Вт-ч/кг.

Установки SMES мощностью 1 МВт-ч применяются по всему миру с целью повышения качества электроэнергии там, где это необходимо, например на предприятиях, производящих микроэлектронные компоненты, которым необходима электроэнергия самого высокого качества.

Кроме того SMES оказываются полезны и в коммунальном хозяйстве. Так, в одном из штатов США есть бумажная фабрика, которая во время своей работы может вызывать сильные скачки напряжения в ЛЭП. Сегодня линия питания фабрики оснащена целой цепью SMES-модулей, обеспечивающих устойчивость работы электросети. Один SMES модуль емкостью 20 МВт-ч способен стойко обеспечить 10 МВт в течение двух часов или все 40 МВт в течение получаса.

Величина запасаемой сверхпроводящей катушкой энергии может быть вычислена по следующей формуле (где L – индуктивность, E – энергия, I – ток):

С точки зрения конструктивной конфигурации сверхпроводящей катушки, очень важно чтобы она обладала устойчивостью к деформации, имела бы минимальные показатели теплового расширения и сжатия, а также отличалась слабой восприимчивостью по отношению к неизбежно возникающей во время работы установки силе Лоренца. Все это важно для предотвращения разрушения катушки на этапе расчета свойств и количества конструкционных материалов установки.

Для небольших систем общий коэффициент деформации равный 0,3% считается приемлемым. Кроме того, снижению внешних магнитных сил способствует тороидальная геометрия катушки, позволяющая снизить затраты на конструкцию опоры, а также допускающая размещение установки вблизи объектов нагрузки.

Если установка SMES небольшая, то может подойти и катушка соленоидальной формы, не требующая особой конструкции опоры в отличие от тороида. При этом стоит отметить, что тороидальная катушка нуждается в давящих обручах и дисках, особенно когда речь заходит о достаточно энергоемком сооружении.

Как отмечалось выше, для работы охлаждающего сверхпроводник холодильника постоянно требуется энергия, что, конечно, снижает эффективность установки SMES в целом.

Так, к тепловым нагрузкам, которые необходимо учитывать при проектировании установки, относятся: теплопроводность опорной конструкции, излучение тепла со стороны нагретых поверхностей, джоулевы потери в проводниках, по которым текут токи зарядки и разрядки, а также потери в самом холодильнике во время его работы.

Но хотя в общем и целом данные потери пропорциональны номинальной мощности установки, преимущество систем SMES заключается и в том, что при увеличении энергетической емкости в 100 раз, стоимость охлаждения возрастает лишь в 20 раз. Кроме того, для высокотемпературных сверхпроводников экономия на охлаждение больше чем при использовании низкотемпературных сверхпроводников.

Казалось бы, система сверхпроводящего накопления энергии на высокотемпературном сверхпроводнике менее требовательна к охлаждению, и поэтому должна меньше стоить.

Однако на практике это не так, ведь общие затраты на инфраструктуру установки обычно превышают стоимость сверхпроводника, а сами катушки из высокотемпературных сверхпроводников до 4 раз превосходят по цене катушки из низкотемпературных сверхпроводников.

Далее, предельная плотность тока для высокотемпературных сверхпроводников ниже чем для низкотемпературных, это относится к рабочим магнитным полям диапазона от 5 до 10 Тл.

Так, чтобы получить накопители одинаковой индуктивности, необходимо больше провода высокотемпературного сверхпроводника. А если энергоемкость установки составит около 200 МВт-ч, то и низкотемпературный сверхпроводник (провод) получится десятикратно дороже.

Кроме того, одним из ключевых факторов стоимости выступает такой: стоимость холодильника во всех случаях настолько мала, что снижение энергии на охлаждение при использовании высокотемпературных сверхпроводников дает в процентах очень небольшую экономию.

Снизить объем и повысить плотность запасаемой в установке SMES энергии можно путем усиления пикового рабочего магнитного поля, что приведет как к уменьшению длины проводника, так и к снижению общей стоимости. Оптимальным считается значение пикового магнитного поля около 7 Тл.

Конечно, если поле увеличить сверх оптимального, возможно и дальнейшее сокращение объема с минимальным увеличением расходов. Но предел индукции поля обычно ограничен физически, что связано с невозможностью сильнее сблизить внутренние части тороида, при этом оставить место для компенсирующего цилиндра.

Материал сверхпроводников остается ключевым вопросом для создания экономичных и эффективных установок SMES. Усилия разработчиков сегодня направлены на увеличение критического тока и диапазона деформации сверхпроводящих материалов, а также на снижении стоимости их производства.

Резюмируя технические трудности на пути широкого внедрения систем SMES, можно четко выделить следующие. Необходимость прочной механической опоры, способной противостоять значительной силе Лоренца, возникающей в катушке.

Потребность в большом участке земли, поскольку установка SMES, например емкостью 5 ГВт-ч, будет содержать сверхпроводящий контур (круглый или прямоугольный) длиной около 600 метров. Далее, вакуумную емкость с жидким азотом (длиной 600 метров), окружающую сверхпроводник, нужно располагать под землей, при этом необходимо обеспечить надежную опору.

Следующее препятствие — хрупкость сверхпроводящей высокотемпературной керамики, затрудняющая вытяжку проводников для больших токов. Критическое магнитное поле, разрушающее сверхпроводимость, также является препятствием в вопросе наращивания удельной энергоемкости SMES. По этой же причине существует проблема критического тока.

Ads Blocker Image Powered by Code Help Pro

Обнаружен блокировщик рекламы! Пожалуйста, обратите внимание на эту информацию.

We\'ve detected that you are using AdBlock or some other adblocking software which is preventing the page from fully loading.

У нас нет баннеров, флэшей, анимации, отвратительных звуков или всплывающих объявлений. Мы не реализовываем эти типы надоедливых объявлений! Нам нужны деньги для обслуживания сайта, и почти все они приходят от нашей интернет-рекламы.

Пожалуйста, добавьте tehnar.info к вашему белому списку блокирования объявлений или отключите программное обеспечение, блокирующее рекламу.

Powered By
100% Free SEO Tools - Tool Kits PRO