أنظمة تخزين الطاقة المغناطيسية فائقة التوصيل (SMES)

تخزين الطاقة هو عملية تحدث مع الأجهزة أو الوسائط المادية التي تخزن الطاقة حتى يتمكنوا من استخدامها بكفاءة لاحقًا.

يمكن تقسيم أنظمة تخزين الطاقة إلى أنظمة ميكانيكية وكهربائية وكيميائية وحرارية. إحدى تقنيات تخزين الطاقة الحديثة هي أنظمة SMES - تخزين الطاقة المغناطيسية فائقة التوصيل (أنظمة تخزين الطاقة المغناطيسية فائقة التوصيل).

تخزن أنظمة تخزين الطاقة المغناطيسية فائقة التوصيل (SMES) الطاقة في مجال مغناطيسي ناتج عن تدفق تيار مباشر في ملف فائق التوصيل تم تبريده بالتبريد إلى درجة حرارة أقل من درجة حرارة الموصلية الفائقة الحرجة. عندما يتم شحن الملف فائق التوصيل ، لا ينخفض ​​التيار ويمكن تخزين الطاقة المغناطيسية إلى أجل غير مسمى. يمكن إرجاع الطاقة المخزنة إلى الشبكة عن طريق تفريغ الملف.

يعتمد نظام تخزين الطاقة المغناطيسية فائقة التوصيل على مجال مغناطيسي يولده تدفق التيار المباشر في ملف فائق التوصيل.

يتم تبريد الملف فائق التوصيل باستمرار بالتبريد ، ونتيجة لذلك يكون باستمرار أقل من درجة الحرارة الحرجة ، أي موصل فائق... بالإضافة إلى الملف ، يشتمل نظام SMES على ثلاجة مبردة بالإضافة إلى نظام تكييف الهواء.

الاستنتاج هو أن الملف المشحون في حالة التوصيل الفائق قادر على الحفاظ على تيار مستمر من تلقاء نفسه ، بحيث يمكن للحقل المغناطيسي لتيار معين تخزين الطاقة المخزنة فيه لفترة طويلة غير محدودة.

يمكن ، إذا لزم الأمر ، إمداد الطاقة المخزنة في الملف فائق التوصيل للشبكة أثناء تفريغ هذا الملف. لتحويل طاقة التيار المستمر إلى طاقة تيار متردد ، محولات، ولشحن الملف من الشبكة - محولات التيار المتردد أو محولات التيار المتردد.

في سياق التحويل عالي الكفاءة للطاقة في اتجاه أو آخر ، تمثل الخسائر في الشركات الصغيرة والمتوسطة بحد أقصى 3 ٪ ، ولكن الشيء الأكثر أهمية هنا هو أنه في عملية تخزين الطاقة بهذه الطريقة ، تكون الخسائر هي الأقل متأصلة في أي من الطرق المعروفة حاليًا لتخزين الطاقة وتخزينها. تبلغ الكفاءة الدنيا الإجمالية للشركات الصغيرة والمتوسطة 95٪.

نظرًا لارتفاع تكلفة المواد فائقة التوصيل ومع الأخذ في الاعتبار حقيقة أن التبريد يتطلب أيضًا تكاليف طاقة ، يتم استخدام أنظمة SMES حاليًا فقط عندما يكون من الضروري تخزين الطاقة لفترة قصيرة وفي نفس الوقت تحسين جودة مصدر الطاقة . أي أنها تستخدم تقليديا فقط في حالات الحاجة الملحة.

يتكون نظام الشركات الصغيرة والمتوسطة من المكونات التالية:

• لفائف فائقة التوصيل ،
• نظام التبريد والفراغ ،
• نظام التبريد،
• نظام تحويل الطاقة ،
• جهاز التحكم.

المزايا الرئيسية لأنظمة الشركات الصغيرة والمتوسطة واضحة. بادئ ذي بدء ، إنه وقت قصير للغاية يكون خلاله الملف فائق التوصيل قادرًا على قبول أو التخلي عن الطاقة المخزنة في مجاله المغناطيسي. بهذه الطريقة ، من الممكن ليس فقط الحصول على قوى تفريغ فورية هائلة ، ولكن أيضًا لإعادة شحن الملف فائق التوصيل بأقل تأخير زمني.

إذا قارنا الشركات الصغيرة والمتوسطة بأنظمة تخزين الهواء المضغوط ، مع الحذافات والمراكم الهيدروليكية ، فإن الأخيرة تتميز بتأخير هائل أثناء تحويل الكهرباء إلى ميكانيكي والعكس صحيح (انظر - تخزين طاقة دولاب الموازنة).

يعد عدم وجود أجزاء متحركة ميزة مهمة أخرى لأنظمة SMES ، مما يزيد من موثوقيتها. وبطبيعة الحال ، نظرًا لغياب المقاومة النشطة في الموصل الفائق ، فإن خسائر التخزين هنا ضئيلة للغاية. عادة ما تتراوح الطاقة المحددة للمؤسسات الصغيرة والمتوسطة الحجم بين 1 و 10 واط / كجم.

1 ميجاوات في الساعة SMES تستخدم في جميع أنحاء العالم لتحسين جودة الطاقة عند الحاجة ، مثل مصانع الإلكترونيات الدقيقة التي تتطلب أعلى جودة للطاقة.

بالإضافة إلى ذلك ، تعد الشركات الصغيرة والمتوسطة مفيدة أيضًا في المرافق. لذلك ، يوجد في إحدى ولايات الولايات المتحدة الأمريكية مصنع للورق ، يمكن أن يتسبب أثناء تشغيله في حدوث ارتفاعات قوية في خطوط الكهرباء. اليوم ، تم تجهيز خط كهرباء المصنع بسلسلة كاملة من وحدات SMES التي تضمن استقرار شبكة الطاقة. يمكن لوحدة SMES بسعة 20 ميجاوات أن توفر بشكل مستدام 10 ميجاوات لمدة ساعتين أو كل 40 ميجاوات لمدة نصف ساعة.

يمكن حساب كمية الطاقة المخزنة بواسطة ملف فائق التوصيل باستخدام الصيغة التالية (حيث L عبارة عن محاثة ، E هي طاقة ، أنا تيار):

من وجهة نظر التكوين الهيكلي للملف فائق التوصيل ، من المهم جدًا أن يكون مقاومًا للتشوه ، وله مؤشرات قليلة للتمدد والانكماش الحراري ، ولديه أيضًا حساسية منخفضة لقوة لورنتز ، والتي تنشأ حتماً أثناء عملية التثبيت (أهم قوانين الديناميكا الكهربائية). كل هذا مهم من أجل منع إتلاف اللف في مرحلة حساب الخصائص وكمية مواد البناء للتركيب.

بالنسبة للأنظمة الصغيرة ، يعتبر معدل الإجهاد الكلي 0.3٪ مقبولاً. بالإضافة إلى ذلك ، تساهم الهندسة الحلقية للملف في تقليل القوى المغناطيسية الخارجية ، مما يجعل من الممكن تقليل تكلفة الهيكل الداعم ، ويسمح أيضًا بوضع التثبيت بالقرب من كائنات التحميل.

إذا كان تركيب SMES صغيرًا ، فقد يكون ملف الملف اللولبي مناسبًا أيضًا ، والذي لا يتطلب هيكل دعم خاص ، على عكس الحلقي. ومع ذلك ، تجدر الإشارة إلى أن الملف الحلقي يحتاج إلى أطواق وأقراص ضغط ، خاصة عندما يتعلق الأمر بهيكل كثيف الطاقة إلى حد ما.

كما هو مذكور أعلاه ، تتطلب الثلاجة ذات الموصلية الفائقة المبردة طاقة بشكل مستمر للتشغيل ، مما يقلل بالطبع من الكفاءة الإجمالية للمنشآت الصغيرة والمتوسطة.

لذلك ، فإن الأحمال الحرارية التي يجب أخذها في الاعتبار عند تصميم التركيب تشمل: التوصيل الحراري للهيكل الداعم ، والإشعاع الحراري من جانب الأسطح الساخنة ، وفقد الجول في الأسلاك التي تتدفق من خلالها تيارات الشحن والتفريغ ، وكذلك الخسائر في الثلاجة أثناء العمل.

ولكن على الرغم من أن هذه الخسائر تتناسب بشكل عام مع الطاقة الاسمية للتركيب ، فإن ميزة أنظمة SMES هي أنه مع زيادة سعة الطاقة 100 مرة ، فإن تكاليف التبريد تزيد 20 مرة فقط. بالإضافة إلى ذلك ، بالنسبة للموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة العالية ، تكون وفورات التبريد أكبر مما هي عليه عند استخدام الموصلات الفائقة منخفضة الحرارة.

يبدو أن نظام تخزين الطاقة فائق التوصيل الذي يعتمد على موصل فائق عالي الحرارة أقل طلبًا على التبريد ، وبالتالي يجب أن يكون أقل تكلفة.

ومع ذلك ، من الناحية العملية ، ليس هذا هو الحال ، حيث أن التكلفة الإجمالية للبنية التحتية للتركيب عادة ما تتجاوز تكلفة الموصل الفائق ، وملفات الموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة العالية تصل إلى 4 أضعاف تكلفة ملفات الموصلات الفائقة منخفضة الحرارة .

بالإضافة إلى ذلك ، فإن كثافة التيار المحدد للموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة المرتفعة أقل من تلك ذات درجة الحرارة المنخفضة ، وهذا ينطبق على المجالات المغناطيسية العاملة في النطاق من 5 إلى 10 T.

لذلك ، للحصول على بطاريات بنفس المحاثة ، هناك حاجة إلى المزيد من الأسلاك فائقة التوصيل ذات درجة الحرارة العالية. وإذا كان استهلاك الطاقة للتركيب حوالي 200 ميجاوات في الساعة ، فإن الموصل الفائق ذي درجة الحرارة المنخفضة (الموصل) سيكون أغلى عشر مرات.

بالإضافة إلى ذلك ، فإن أحد عوامل التكلفة الرئيسية هو: تكلفة الثلاجة منخفضة للغاية على أي حال بحيث يؤدي تقليل طاقة التبريد باستخدام موصلات فائقة عالية الحرارة إلى توفير نسبة منخفضة جدًا.

من الممكن تقليل الحجم وزيادة كثافة الطاقة المخزنة في المنشآت الصغيرة والمتوسطة عن طريق زيادة ذروة تشغيل المجال المغناطيسي ، مما سيؤدي إلى تقليل طول السلك وتقليل التكلفة الإجمالية. تعتبر القيمة المثلى هي ذروة المجال المغناطيسي لحوالي 7 تسلا.

بالطبع ، إذا تم زيادة الحقل إلى ما بعد الحد الأمثل ، فمن الممكن إجراء مزيد من التخفيضات في الحجم مع الحد الأدنى من الزيادة في التكلفة. لكن عادةً ما يكون حد الحث الميداني محدودًا ماديًا ، نظرًا لاستحالة تجميع الأجزاء الداخلية من الحلقي معًا مع ترك مساحة للأسطوانة التعويضية.

تظل المواد فائقة التوصيل قضية رئيسية في إنشاء منشآت فعالة من حيث التكلفة وفعالة للشركات الصغيرة والمتوسطة. تهدف جهود المطورين اليوم إلى زيادة التيار الحرج ونطاق تشوه المواد فائقة التوصيل ، فضلاً عن تقليل تكلفة إنتاجها.

بتلخيص الصعوبات التقنية في الطريق إلى إدخال أنظمة الشركات الصغيرة والمتوسطة على نطاق واسع ، يمكن التمييز بوضوح فيما يلي. الحاجة إلى دعم ميكانيكي قوي قادر على تحمل قوة لورنتز الكبيرة المتولدة في الملف.

الحاجة إلى قطعة أرض كبيرة ، حيث أن منشأة صغيرة ومتوسطة ، على سبيل المثال بسعة 5 جيجاوات ساعة ، سوف تحتوي على دائرة فائقة التوصيل (دائرية أو مستطيلة) يبلغ طولها حوالي 600 متر. بالإضافة إلى ذلك ، يجب وضع الحاوية المفرغة للنيتروجين السائل (بطول 600 متر) المحيطة بالموصل الفائق تحت الأرض ويجب توفير دعم موثوق به.

العقبة التالية هي هشاشة السيراميك فائق التوصيل عالي الحرارة ، مما يجعل من الصعب سحب الأسلاك للتيارات العالية.يعد المجال المغناطيسي الحرج الذي يدمر الموصلية الفائقة أيضًا عقبة أمام زيادة كثافة الطاقة المحددة في SMES. NS لديها مشكلة حرجة حالية لنفس السبب.