Panimula sa Superconducting Magnetic Energy Storage (SME): Mga Prinsipyo at Aplikasyon

Talakayin ng artikulo kung paano naka -imbak ang enerhiya sa mga magnetic field sa pamamagitan ng electromagnetic induction at ang mga kaugnay na equation.Sinusuri din nito ang mga advanced na disenyo at mga materyales na ginamit sa paglikha ng mga sistema ng SME, na nakatuon sa toroidal at solenoidal coils.Ang mga sistemang ito ay ginagamit sa iba't ibang mga setting, mula sa mga pasilidad ng medikal hanggang sa mga pang -industriya na site.Nagbibigay ang artikulo ng isang detalyadong pangkalahatang-ideya ng mga sangkap, tulad ng mga superconducting na materyales tulad ng Niobium-Titanium at Yttrium Barium Copper Oxide, at mahalagang mga pagsasaalang-alang sa disenyo para sa mga pagsasaayos ng coil sa mga sistema ng SME.

Catalog

Larawan 1: Superconducting magnetic energy storage

Ano ang superconductivity?

Ang superconductivity ay isang dami ng mekanikal na kababalaghan kung saan ang ilang mga materyales ay nagsasagawa ng kuryente nang walang pagtutol kapag pinalamig sa ibaba ng isang kinakailangang temperatura.Kasama dito:

Zero electrical resistance

Pinapayagan ng mga superconductors ang patuloy na kasalukuyang daloy nang walang pagkawala ng enerhiya sa ilalim ng mga perpektong kondisyon, na kung saan ay ang kanilang pagtukoy ng katangian.

Epekto ng meissner

Ang mga superconductors ay nag -expel ng mga magnetic field mula sa kanilang interior kapag nasa superconducting state.Ito ay kilala bilang ang epekto ng Meissner at mabuti para sa pagpapanatili ng matatag at mahusay na magnetic field sa mga aplikasyon ng SMEs.

Phase Transition

Ang superconductivity ay nangyayari sa isang tiyak na temperatura na tinatawag na kritikal na temperatura.Ang temperatura na ito ay tiyak na materyal at maaaring saklaw mula sa malapit sa ganap na zero hanggang sa mas mataas na temperatura para sa mga superconductor na may mataas na temperatura.

Larawan 2:

Larawan 3: Electromagnetic Force

Mekanismo ng pag -iimbak ng enerhiya sa isang magnetic field

Sa mga sistema ng SME, ang enerhiya ay naka -imbak sa magnetic field na nabuo ng direktang kasalukuyang sa isang superconducting coil.Ang proseso ay nagsasangkot:

Kapag ang kasalukuyang dumadaloy sa pamamagitan ng superconducting coil, nilikha ang isang magnetic field.Ayon sa teorya ng electromagnetic, ang enerhiya na nakaimbak sa magnetic field ay proporsyonal sa parisukat ng kasalukuyang at inductance ng coil.

Ang enerhiya (e) nakaimbak ay maaaring ma -rate ng equation:

kung saan ang L ay ang inductance ng coil, at ako ang kasalukuyang.Ang disenyo ng coil ay nakatuon sa pag -maximize ng inductance at kasalukuyang kapasidad upang madagdagan ang pag -iimbak ng enerhiya.

Upang maiimbak at magamit nang epektibo ang enerhiya, ang magnetic field ay dapat na nakapaloob at kontrolado.Ito ay nagsasangkot ng mga kumplikadong geometry at materyales sa engineering upang ma -optimize ang mga magnetic pathway at mabawasan ang mga pagkalugi.

Mga Bahagi ng isang Superconducting Magnetic Energy Storage (SME)

Ang mga superconducting coils ay inhinyero upang ma -optimize ang superconductivity, na nagbibigay -daan sa electric kasalukuyang dumaloy nang walang pagtutol.Ang mga coils na ito ay nilikha sa pamamagitan ng paikot -ikot na superconducting wire sa paligid ng isang core o paghuhubog nito sa isang solenoid.

• Pag -configure ng coil

Solenoid Coils - Ang mga cylindrical coils na ito ay bumubuo ng isang pantay na magnetic field sa loob at ginagamit sa mga MRI machine.

Toroidal Coils - Hugis tulad ng isang donut, ang mga coils na ito ay ginagamit sa mga application tulad ng Tokamak Reactors para sa paglalagay ng plasma sa pagsasaliksik ng pagsasanib.

Larawan 4: Solenoid coils at toroidal coils

• Mga sistema ng paglamig

Ang mga advanced na sistema ng paglamig ay kapaki -pakinabang upang mapanatili ang superconductivity.Ang mga sistemang ito ay gumagamit ng likidong helium, likidong nitrogen, o mga cryocooler upang mapanatili ang mga coil sa mga temperatura na maayos sa ibaba ng kanilang threshold.

Mga materyales na ginamit sa superconducting coils

Ang pagganap ng mga superconducting coils na mabigat ay nakasalalay sa mga materyales na ginamit.Ang dalawang pangunahing uri ng mga materyales na superconducting ay:

• Mga Superconductors ng Mababang-Temperatura (LTS)

Niobium-titanium (NBTI): Karaniwang ginagamit sa mga sistema ng MRI at mga pasilidad ng pananaliksik, ang NBTI ay pinahahalagahan para sa tibay nito at medyo simpleng mga kinakailangan sa cryogenic.

Niobium-Tin (NB3SN): na may mas mataas na temperatura at magnetic field threshold kaysa sa NBTI, ang NB3SN ay mainam para sa mga aplikasyon na nangangailangan ng mas malakas na magnetic field.

• Mga superconductor na may mataas na temperatura (HTS)

Yttrium barium tanso oxide (YBCO): Ang materyal na ito ay nagpapatakbo sa mas mataas na temperatura kaysa sa mga materyales ng LTS, pinasimple at binabawasan ang gastos ng mga sistema ng paglamig.

Bismuth Strontium Calcium Copper Oxide (BSCCO): Kilala sa form na tulad ng tape nito, ang BSCCO ay nababaluktot at angkop para sa mga coil na may mga kumplikadong hugis.

Larawan 5: Yttrium Barium Copper Oxide (YBCO) at Bismuth Strontium Calcium Copper Oxide (BSCCO)

Proseso ng Pag -convert ng Enerhiya sa isang Superconducting Magnetic Energy Storage System

Ang unang hakbang sa isang sistema ng SMES ay nagbabago ng alternating kasalukuyang (AC) upang idirekta ang kasalukuyang (DC) dahil ang superconducting coil ay tumatakbo sa DC.

Ang AC, na nagmula sa grid o isang planta ng kuryente, ay pumapasok sa isang rectifier.Ang trabaho ng rectifier ay upang i -on ang AC, na nagbabago ng direksyon, sa DC, na dumadaloy sa isang direksyon.Gumagamit ito ng mga aparato tulad ng mga diode o thyristors upang gawin ito.

Matapos ang pagbabagong ito, ang DC ay maaaring magkaroon pa rin ng ilang mga tulad ng AC.Upang makinis ang mga ito, gumagamit kami ng mga filter na may mga capacitor at inductors.Ginagawa nitong matatag ang DC, para sa kahusayan at kaligtasan ng system ng SMEs.

Gamit ang makinis na DC na handa, ang DC ay dumadaloy sa isang superconducting coil, na walang pagtutol sa kuryente. Pinapayagan nito ang kasalukuyang dumaloy nang hindi nawawala ang enerhiya.

Ang DC sa coil ay lumilikha ng isang malakas na magnetic field sa paligid nito, na nagko -convert ng elektrikal na enerhiya sa magnetic energy na nakaimbak sa larangang ito.

Upang mapanatili ang coil superconductive, ang coil ay pinananatiling napakababang temperatura gamit ang cryogenic coolants tulad ng likidong helium o nitrogen. Mahalaga ito dahil ang anumang pagtaas ng temperatura ay maaaring maging sanhi ng pagkawala ng coil nito na superconductivity, na humahantong sa pagkawala ng enerhiya.

Kapag kailangan namin ang naka -imbak na enerhiya, ang enerhiya na nakaimbak sa magnetic field ay nagtutulak sa kasalukuyang DC sa likid. Ang DC na ito ay kailangang ibalik sa AC upang maging kapaki -pakinabang para sa karamihan ng mga sistema ng kuryente.Ginagawa ito ng isang inverter sa pamamagitan ng pagbabago ng direksyon ng kasalukuyang sa isang dalas na tumutugma sa AC grid.

Ang output ng AC ay naka -synchronize sa boltahe, dalas, at phase ng grid bago maipadala, tinitiyak na gumagana ito nang maayos sa grid at iba pang mga de -koryenteng naglo -load.

Larawan 6: Schematic Diagram ng Superconducting Magnetic Energy Storage System

Disenyo ng superconducting magnetic energy storage system

Ang disenyo ng coil sa mga sistema ng SME na kinakailangan para sa kahusayan, gastos, at kapasidad ng pag -iimbak ng enerhiya.Ang dalawang pangunahing disenyo ng coil ay toroidal at solenoidal.

Uri ng coil	Geometry at pag -andar	Kalamangan	Mga Kakulangan
Toroidal coils	Ang hugis ng donut, na idinisenyo upang mapanatili ang halos lahat Ang magnetic field sa loob ng coil, na minamaliit ang pagtagas.Tumutulong ang hugis na ito Bawasan ang mga puwersang electromagnetic na kumikilos sa istraktura ng coil.	Magnetic Field Containment: Ang Magnetic Ang patlang ay mananatili sa loob ng likid, na humahantong sa mas mababang mga patlang na magnetic field.	Paggawa ng pagiging kumplikado: Pagtatayo Ang mga hugis ng toroidal ay kumplikado at magastos.
		Kaligtasan: Ang disenyo na ito ay mas ligtas at binabawasan ang pagkagambala na may kalapit na mga elektronikong aparato at iba pang mga sensitibong kagamitan.	Mga Hamon sa Pagpapanatili: Pag -access sa Ang mga panloob na bahagi ng mga coil na ito ay mahirap, kumplikadong pagpapanatili at inspeksyon.
Solenoidal coils	Cylindrical, na may kasalukuyang tumatakbo Ang haba ng silindro.Ang disenyo na ito ay mas simple at mas prangka kaysa sa pagsasaayos ng toroidal.	Dali ng paggawa: Ang mga solenoidal coils ay mas madali at mas mura upang makagawa dahil sa kanilang simpleng geometry. Pag-access sa Pagpapanatili: Ang bukas na disenyo ay ginagawang mas madali upang mapanatili at siyasatin.	Magnetic Field Leakage: Ang Magnetic Ang mga patlang ay tumutulo sa magkabilang dulo ng silindro, na maaaring makaapekto sa kalapit na elektronik mga aparato at nangangailangan ng karagdagang kalasag.

Ang mga salik na nakakaimpluwensya sa pagpili ng disenyo ng coil

Larawan 7: Solenoidal coil at toroidal coil

Inilaan na Application: Ang application ay nagdidikta sa pagpili ng coil.Halimbawa, ang mga toroidal coils ay ginustong kung saan dapat mabawasan ang pagkagambala ng electromagnetic, tulad ng sa mga pasilidad na medikal o malapit sa sensitibong kagamitan sa pang -agham.

Mga Kinakailangan sa Pag -iimbak ng Enerhiya: Ang dami ng enerhiya na maiimbak ay nakakaapekto sa disenyo ng coil.Ang mga solenoidal coils ay maaaring umangkop sa mga mas maliit na scale na aplikasyon dahil sa kanilang pagiging epektibo sa gastos, habang ang mga toroidal coils ay maaaring magamit para sa mas malaki, pang-industriya-scale na imbakan dahil sa kahusayan at kaunting magnetic na pagtagas.

Mga hadlang sa espasyo at kapaligiran: Ang magagamit na pisikal na espasyo at mga kondisyon sa kapaligiran ay pangunahing pagsasaalang -alang.Ang mga toroidal coils, kasama ang kanilang compact at nakapaloob na magnetic field, ay mas mahusay na angkop para sa mga nakakulong na puwang o mga lugar na populasyon.

Mga hadlang sa badyet: Ang mga limitasyon sa badyet ay nakakaapekto sa pagpili ng disenyo ng coil.Ang mga solenoidal coils ay mas mura at maaaring mas gusto sa mga proyekto na sensitibo sa gastos.

Ang mga pagsasaalang -alang sa pagpapanatili at pagpapatakbo: Ang kadalian ng pagpapanatili at pagiging maaasahan ng pagpapatakbo ay mahalaga.Ang mga solenoidal coils, na nag -aalok ng mas madaling pag -access para sa pagpapanatili at inspeksyon, ay maaaring maging isang tiyak na kadahilanan sa kanilang pagpili.

Mga bentahe ng superconducting magnetic energy storage system

Kalamangan	Paglalarawan
Mataas na kahusayan at mabilis na oras ng pagtugon	Nakamit ng mga SME system ang higit sa 95% na kahusayan Sa pamamagitan ng pag -iimbak ng enerhiya sa isang superconducting coil na may halos zero na pagtutol.Sila maaaring tumugon sa mga pagbabago sa demand ng kapangyarihan sa mga millisecond.
Epekto at katatagan ng kapaligiran	Ang mga sistemang ito ay eco-friendly, naglalabas Walang mga gas ng greenhouse o gumagamit ng mga nakakalason na materyales.Pinapanatili nila ang matatag pagganap anuman ang mga panlabas na kondisyon tulad ng temperatura o panahon.
Pagiging maaasahan at kahabaan ng buhay	Ang mga SME system ay walang gumagalaw na bahagi at paggamit matibay na mga superconducting na materyales, na nagreresulta sa mas kaunting pagsusuot at luha at mas mababa Ang mga gastos sa pagpapanatili sa kanilang mahabang habang buhay.
Scalability at kakayahang umangkop	May kakayahang mag -imbak ng enerhiya mula sa iilan Kilowatt-hour sa maraming megawatt-hour, ang mga yunit ng SME ay may kakayahang umangkop para sa iba-iba mga aplikasyon at maaaring mai -install sa magkakaibang mga kapaligiran na may minimal pagbabago.
Pagsuporta sa grid at nababagong enerhiya	Tumutulong sila sa pag -regulate ng boltahe, magpapatatag Kadalasan, at makinis na output mula sa mga nababagong mapagkukunan, pagpapahusay ng grid pagiging maaasahan at pagsuporta sa higit na pagsasama ng nababagong enerhiya.
Pangmatagalang gastos-pagiging epektibo	Sa kabila ng mataas na paunang gastos, ang mga SME Ang mga system ay may mababang gastos sa pagpapatakbo at pagpapanatili, na ginagawa ang mga ito Cost-effective sa katagalan, lalo na sa mga tiyak na aplikasyon.
Kaligtasan at seguridad	Ang mga sistema ng SME ay maiwasan ang mga panganib ng pagsabog o nakakalason na pagtagas na nauugnay sa mga solusyon sa imbakan ng kemikal, paggawa Mas ligtas ang mga ito para sa iba't ibang mga setting, kabilang ang mga lunsod o bayan.

Mga aplikasyon ng superconducting magnetic energy storage

Larawan 8: nababaluktot na sistema ng paghahatid ng AC, isa sa mga pangunahing aplikasyon ng superconducting magnetic energy storage

Mga ospital

Ang mga ospital ay umaasa sa isang walang tigil na supply ng kuryente (UPS) upang mapanatili ang pagpapatakbo ng mga kagamitan sa pag-save ng buhay at mga sistema ng pangangalaga.Nagbibigay ang mga SME system ng isang maaasahang solusyon sa UPS sa pamamagitan ng agad na paglabas ng naka -imbak na enerhiya sa panahon ng mga pagkabigo ng kuryente, pag -minimize ng mga pagkagambala sa pagpapatakbo.Pinapanatili din nila ang mataas na kalidad na regulasyon ng kuryente, na pinoprotektahan ang sensitibong kagamitan sa medikal mula sa mga menor de edad na pagbabago ng kapangyarihan.

Mga sentro ng data

Ang mga sentro ng data, na namamahala sa malawak na halaga ng digital na impormasyon, ay lubos na sensitibo sa mga isyu sa kalidad ng kapangyarihan.Ang mga sistema ng SME ay mainam para sa pagprotekta laban sa mga kaguluhan sa kuryente tulad ng mga boltahe ng boltahe at surge.Sa pamamagitan ng pagsasama ng mga SME, ang mga sentro ng data ay maaaring matiyak ang patuloy na operasyon ng mga server at kagamitan sa networking, pagpapanatili ng pagkakaroon ng serbisyo ng data at integridad.

Nababago na pagsasama ng enerhiya

Ang mga nababagong mapagkukunan ng enerhiya tulad ng hangin at solar ay nagpapakilala ng pagkakaiba -iba sa henerasyon ng kuryente dahil sa mga kondisyon ng panahon.Ang mga sistema ng SME ay nagpapatatag ng grid sa pamamagitan ng mabilis na pagsipsip ng labis na kuryente sa panahon ng mataas na panahon ng paggawa at paglabas ng enerhiya sa panahon ng mababang produksyon, pagpapabagal ng pagbabagu -bago at pagpapahusay ng katatagan ng grid.

Mga istasyon ng pagsingil ng sasakyan

Sa pagtaas ng pag -ampon ng mga de -koryenteng sasakyan (EV), tumataas ang demand para sa mahusay at mabilis na singilin na mga solusyon.Ang mga sistema ng SME sa mga istasyon ng pagsingil ng EV ay namamahala ng mga kahilingan sa pag-load sa pamamagitan ng pag-iimbak ng enerhiya sa mga oras ng off-peak at ilalabas ito sa panahon ng rurok na demand.Binabawasan nito ang pilay sa elektrikal na grid at nagbibigay -daan sa mas mabilis na mga oras ng singilin.

Mga Application sa Pang -industriya

Ang mga industriya na nangangailangan ng biglaang pagsabog ng kapangyarihan ay nakikinabang mula sa mga sistema ng SME.Ang mga sistemang ito ay nagbibigay ng tamang enerhiya nang walang mabigat na pagguhit sa grid, kailangan sa paggawa para sa tumpak na kontrol ng makinarya at pagpapanatili ng kalidad ng produkto.

Militar at aerospace

Ang mga base ng militar at operasyon ng aerospace ay nangangailangan ng maaasahan at de-kalidad na enerhiya.Nag-aalok ang mga SME system ng isang mabilis na pagtugon sa suplay ng kuryente na nagsisiguro na walang tigil na operasyon at sumusuporta sa mataas na hinihingi ng enerhiya ng advanced na teknolohiya at kagamitan sa mga sektor na ito.

Mga Sistema ng Transit ng Mass

Ang mga network ng riles at mga sistema ng transit ng lunsod ay nagpapabuti sa kahusayan ng kapangyarihan at pagiging maaasahan sa mga SME.Ang mga yunit na ito ay namamahala ng enerhiya na ginawa sa panahon ng pagpepreno at muling pamamahagi nang mahusay, pagpapahusay ng pangkalahatang kahusayan ng enerhiya ng sistema ng transit.

Konklusyon

Ang artikulo ay galugarin ang mga superconducting magnetic energy storage (SME) system, na nagtatampok ng kanilang potensyal bilang isang rebolusyonaryong teknolohiya ng imbakan ng enerhiya.Nag -aalok ang mga sistema ng SME ng mataas na kahusayan, mabilis na oras ng pagtugon, at mababang epekto sa kapaligiran, ginagawa silang solusyon para sa kasalukuyang mga hamon sa enerhiya.Sakop ng artikulo ang kanilang paggamit sa iba't ibang larangan, kabilang ang pangangalaga sa kalusugan, nababago na enerhiya, at transportasyon, na nagpapakita ng kanilang kakayahang umangkop at scalability.Habang lumilipat ang mundo patungo sa napapanatiling mga solusyon sa enerhiya, ang teknolohiya ng SME ay nakatayo sa pagpapahusay ng pandaigdigang nababanat na enerhiya.Ang mga patuloy na pag -unlad sa SME para sa pagsasama ng mga nababagong mapagkukunan ng enerhiya, pagpapabuti ng katatagan at kahusayan ng pandaigdigang imprastraktura ng kapangyarihan.

Madalas na Itinanong [FAQ]

1. Paano ang enerhiya ng magnetic field store?

Ang isang magnetic field ay nag -iimbak ng enerhiya sa pamamagitan ng pagkakahanay at paggalaw ng mga magnetic dipoles o sisingilin na mga particle.Kapag ang isang electric kasalukuyang ay dumadaan sa isang coil ng wire, lumilikha ito ng isang magnetic field sa paligid ng coil.Ang magnetic field na ito ay may kakayahang mag -imbak ng enerhiya dahil sa gawaing ginawa upang maitaguyod ang bukid.Partikular, ang enerhiya ay kinakailangan upang ihanay ang mga magnetic moment ng mga atoms sa isang materyal, na kung saan ay lumilikha ng isang patlang na maaaring magsagawa ng mga puwersa at gumawa ng trabaho sa iba pang mga bagay.Ang enerhiya na nakaimbak sa isang magnetic field ay direktang proporsyonal sa parisukat ng intensity ng patlang.

2. Anong aparato ang nag -iimbak ng enerhiya sa isang magnetic field?

Ang aparato na nag -iimbak ng enerhiya sa isang magnetic field ay isang inductor o isang magnetic coil.Ang mga inductor ay binubuo ng mga coils ng wire, na madalas na nakabalot sa isang magnetic core, na nagpapabuti sa lakas ng magnetic field.Kapag ang kasalukuyang dumadaloy sa likid, ang isang magnetic field ay bumubuo, at ang enerhiya ay naka -imbak sa larangang ito.Ang kakayahan ng isang inductor na mag -imbak ng magnetic energy ay ginagamit sa maraming mga elektronikong circuit, sa mga suplay ng kuryente at mga teknolohiya ng conversion.

3. Gaano kahusay ang superconducting magnetic energy storage?

Ang mga superconducting magnetic energy storage (SME) system ay lubos na mahusay, nakamit ang kahusayan ng enerhiya na round-trip na 90% hanggang 95%.Ang mga sistemang ito ay gumagamit ng mga superconducting coils na maaaring magsagawa ng koryente nang walang pagtutol sa napakababang temperatura.Ang kakulangan ng paglaban sa koryente ay nangangahulugang halos walang enerhiya ay nawala bilang init, na nagpapabuti sa kahusayan ng pag -iimbak ng enerhiya.Ang mga sistema ng SME ay pinahahalagahan para sa kanilang kakayahang palayain ang nakaimbak na enerhiya na halos agad, na mabuti para sa mga aplikasyon na nangangailangan ng mabilis na paglabas, tulad ng pag -stabilize ng mga grids ng kuryente sa panahon ng demand na rurok.

4. Ang Magnetic Energy ba ay isang tindahan o paglipat?

Ang magnetic energy ay isang form ng imbakan ng enerhiya.Ang enerhiya ay naka -imbak sa magnetic field na nilikha ng paggalaw ng mga singil sa kuryente, sa isang likid.Kung kinakailangan, ang naka -imbak na enerhiya na ito ay maaaring ma -convert pabalik sa elektrikal na enerhiya o ginamit upang maisagawa ang gawaing mekanikal, sa gayon ang paglilipat ng enerhiya mula sa magnetic field sa ibang anyo.Gayunpaman, ang pangunahing papel ng magnetic energy sa mga aparato tulad ng mga inductors o SME system ay ang mag -imbak ng enerhiya.

5. Ano ang isang halimbawa ng isang magnetic store store?

Ang isang halimbawa ng isang magnetic store store ay ang sistema ng imbakan ng enerhiya ng flywheel, na, kahit na pangunahing mekanikal, ay madalas na isinasama ang mga magnetic na sangkap para sa pag -iimbak ng enerhiya at pag -stabilize.Ang mga sistemang ito ay gumagamit ng isang umiikot na mekanikal na flywheel na ang paggalaw ay bumubuo ng isang magnetic field, sa mga bersyon na gumagamit ng magnetic bearings upang mabawasan ang pagkawala ng alitan at enerhiya.Ang pakikipag -ugnayan sa pagitan ng mekanikal at magnetic energies ay nagbibigay -daan sa flywheel system na mag -imbak ng enerhiya nang mahusay at ilabas ito nang mabilis kapag kinakailangan, ginagawa itong isang praktikal na aplikasyon ng pag -iimbak ng magnetic enerhiya sa parehong mga mekanikal at elektrikal na form.