Системы сверхпроводящего магнитного хранения энергии (SMES) хранят энергию в магнитном поле , созданном потоком постоянного тока в сверхпроводящей катушке, которая была криогенно охлаждена до температуры ниже ее сверхпроводящей критической температуры . Такое использование сверхпроводящих катушек для хранения магнитной энергии было изобретено М. Ферье в 1970 году. [2]
Типичная система SMES включает три части: сверхпроводящую катушку , систему кондиционирования питания и криогенно охлаждаемый холодильник. После подачи питания на сверхпроводящую катушку ток не будет затухать, а магнитная энергия может храниться неограниченно долго.
Сохраненная энергия может быть возвращена обратно в сеть путем разрядки катушки. Система кондиционирования питания использует инвертор / выпрямитель для преобразования переменного тока (AC) в постоянный ток или преобразования постоянного тока обратно в переменный ток. Инвертор/выпрямитель отвечает за потерю энергии около 2–3% в каждом направлении. SMES теряет наименьшее количество электроэнергии в процессе хранения энергии по сравнению с другими методами хранения энергии. Системы SMES высокоэффективны; эффективность за два прохода превышает 95%. [3]
Из-за энергетических потребностей охлаждения и высокой стоимости сверхпроводящего провода , SMES в настоящее время используется для кратковременного хранения энергии. Поэтому SMES чаще всего используется для улучшения качества электроэнергии .
Существует несколько причин для использования сверхпроводящего магнитного накопителя энергии вместо других методов хранения энергии. Самым важным преимуществом SMES является то, что задержка во время заряда и разряда довольно короткая. Мощность доступна почти мгновенно, и очень высокая выходная мощность может быть обеспечена в течение короткого периода времени. Другие методы хранения энергии, такие как перекачиваемая гидроэнергия или сжатый воздух , имеют существенную задержку, связанную с преобразованием энергии сохраненной механической энергии обратно в электричество. Таким образом, если спрос немедленный, SMES является жизнеспособным вариантом. Еще одним преимуществом является то, что потеря мощности меньше, чем у других методов хранения, поскольку электрические токи почти не встречают сопротивления . Кроме того, основные части в SMES неподвижны, что обеспечивает высокую надежность.
Существует несколько небольших блоков SMES, доступных для коммерческого использования, и несколько крупных проектов испытательных стендов. Несколько блоков мощностью 1 МВт·ч используются для контроля качества электроэнергии в установках по всему миру, особенно для обеспечения качества электроэнергии на производственных предприятиях, которым требуется сверхчистая энергия, например, на предприятиях по производству микросхем. [4]
Эти объекты также использовались для обеспечения стабильности сети в распределительных системах. [5] SMES также используется в коммунальных приложениях. В северном Висконсине ряд распределенных блоков SMES был развернут для повышения стабильности контура передачи. [6] Линия передачи подвержена большим внезапным изменениям нагрузки из-за работы бумажной фабрики, что может привести к неконтролируемым колебаниям и падению напряжения.
Инженерная испытательная модель представляет собой большую SMES с мощностью около 20 МВт·ч, способную обеспечивать 40 МВт мощности в течение 30 минут или 10 МВт мощности в течение 2 часов. [7]
Система SMES обычно состоит из четырех частей
Эта система включает в себя сверхпроводящую катушку, магнит и защиту катушки. Здесь энергия сохраняется путем отключения катушки от большей системы, а затем с помощью электромагнитной индукции от магнита для индуцирования тока в сверхпроводящей катушке. Затем эта катушка сохраняет ток до тех пор, пока катушка не будет снова подключена к большей системе, после чего катушка частично или полностью разряжается.
Система охлаждения поддерживает сверхпроводящее состояние катушки, охлаждая ее до рабочей температуры.
Система кондиционирования питания обычно содержит систему преобразования энергии, которая преобразует постоянный ток в переменный и наоборот.
Система управления отслеживает потребность в электроэнергии в сети и управляет потоком электроэнергии от и к катушке. Система управления также управляет состоянием катушки SMES, управляя холодильником.
Вследствие закона индукции Фарадея , любая петля провода, которая генерирует изменяющееся магнитное поле во времени, также генерирует электрическое поле. Этот процесс забирает энергию из провода через электродвижущую силу (ЭДС). ЭДС определяется как электромагнитная работа, совершаемая над единичным зарядом, когда он прошел один виток проводящего контура. Теперь энергию можно рассматривать как запасенную в электрическом поле. Этот процесс использует энергию из провода с мощностью, равной электрическому потенциалу, умноженному на общий заряд, деленный на время. Где ℰ — напряжение или ЭДС. Определив мощность, мы можем вычислить работу, необходимую для создания такого электрического поля. Из-за сохранения энергии этот объем работы также должен быть равен энергии, запасенной в поле.
Эту формулу можно переписать в более простой для измерения переменной электрического тока путем подстановки.
где I — электрический ток в Амперах. ЭДС ℰ является индуктивностью и может быть переписана как:
Замена теперь дает:
где L — это просто константа линейности, называемая индуктивностью, измеряемой в Генри. Теперь, когда мощность найдена, все, что осталось сделать, — это заполнить уравнение работы, чтобы найти работу.
Как было сказано ранее, работа должна быть равна энергии, запасенной в поле. Весь этот расчет основан на одном петлевом проводе. Для проводов, которые закольцованы несколько раз, индуктивность L увеличивается, так как L просто определяется как отношение между напряжением и скоростью изменения тока. В заключение, запасенная энергия в катушке равна: [8]
где
Рассмотрим цилиндрическую катушку с проводниками прямоугольного сечения . Средний радиус катушки равен R. a и b — ширина и глубина проводника. f называется функцией формы, которая различна для разных форм катушки. ξ (xi) и δ (delta) — два параметра, характеризующие размеры катушки. Поэтому мы можем записать магнитную энергию, запасенную в такой цилиндрической катушке, как показано ниже. Эта энергия является функцией размеров катушки, числа витков и несущего тока.
где
Помимо свойств провода, конфигурация самой катушки является важным вопросом с точки зрения машиностроения . На конструкцию и форму катушки влияют три фактора: низкая устойчивость к деформации , тепловое сжатие при охлаждении и силы Лоренца в катушке под напряжением. Среди них устойчивость к деформации имеет решающее значение не из-за какого-либо электрического эффекта, а потому, что она определяет, сколько конструкционного материала необходимо для предотвращения разрушения SMES. Для небольших систем SMES выбирается оптимистичное значение устойчивости к деформации 0,3%. Тороидальная геометрия может помочь уменьшить внешние магнитные силы и, следовательно, уменьшить размер необходимой механической поддержки. Кроме того, из-за низкого внешнего магнитного поля тороидальная SMES может быть расположена вблизи коммунальной или потребительской нагрузки.
Для небольших SMES обычно используются соленоиды , поскольку их легко наматывать, и не требуется предварительное сжатие. В тороидальных SMES катушка всегда сжимается внешними обручами и двумя дисками, один из которых находится сверху, а другой снизу, чтобы избежать поломки. В настоящее время для небольших SMES тороидальная геометрия не так уж и нужна, но по мере увеличения размера механические силы становятся более важными, и требуется тороидальная катушка.
Более старые концепции больших SMES обычно включали соленоид с малым аспектным отношением диаметром около 100 м, зарытый в землю. На самом низком пределе размера находится концепция микро-SMES соленоидов для диапазона хранения энергии около 1 МДж.
В условиях стационарного состояния и в состоянии сверхпроводимости сопротивление катушки пренебрежимо мало. Однако холодильник, необходимый для охлаждения сверхпроводника, требует электроэнергии, и эту энергию охлаждения необходимо учитывать при оценке эффективности SMES как устройства хранения энергии.
Хотя высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП) имеют более высокую критическую температуру, плавление решетки потока происходит в умеренных магнитных полях около температуры ниже этой критической температуры. Тепловые нагрузки, которые должны быть удалены системой охлаждения, включают проводимость через систему поддержки, излучение от более теплых к более холодным поверхностям, потери переменного тока в проводнике (во время заряда и разряда) и потери от холодных-теплых силовых проводов, которые соединяют холодную катушку с системой кондиционирования питания. Потери проводимости и излучения минимизируются за счет правильной конструкции тепловых поверхностей. Потери свинца можно минимизировать за счет хорошей конструкции проводников. Потери переменного тока зависят от конструкции проводника, рабочего цикла устройства и номинальной мощности.
Требования к охлаждению для тороидальных катушек HTSC и низкотемпературного сверхпроводника (LTSC) для базовых температур 77 К, 20 К и 4,2 К увеличиваются в этом порядке. Требования к охлаждению здесь определяются как электроэнергия для работы системы охлаждения. При увеличении запасаемой энергии в 100 раз стоимость охлаждения увеличивается только в 20 раз. Кроме того, экономия на охлаждении для системы HTSC больше (на 60–70%), чем для систем LTSC.
Являются ли системы HTSC или LTSC более экономичными, зависит от того, что существуют другие основные компоненты, определяющие стоимость SMES: Проводник, состоящий из сверхпроводника и медного стабилизатора, и холодная опора сами по себе являются основными расходами. Их следует оценивать с учетом общей эффективности и стоимости устройства. Было показано, что другие компоненты, такие как изоляция вакуумного сосуда , составляют небольшую часть по сравнению со стоимостью большой катушки. Совокупные расходы на проводники, структуру и холодильник для тороидальных катушек определяются стоимостью сверхпроводника. Та же тенденция справедлива для соленоидных катушек. Катушки HTSC стоят дороже катушек LTSC в 2–4 раза. Ожидалось, что HTSC будет дешевле из-за меньших требований к охлаждению, но это не так.
Чтобы получить некоторое представление о стоимости, рассмотрим разбивку по основным компонентам катушек HTSC и LTSC, соответствующих трем типичным уровням запасенной энергии: 2, 20 и 200 МВт·ч. Стоимость проводника доминирует над тремя затратами для всех случаев HTSC и особенно важна при малых размерах. Основная причина кроется в сравнительной плотности тока LTSC и HTSC материалов. Критический ток провода HTSC ниже, чем у провода LTSC, как правило, в рабочем магнитном поле, примерно на 5–10 тесла (Тл). Предположим, что стоимость провода одинакова по весу. Поскольку провод HTSC имеет более низкое значение ( J c ), чем провод LTSC, для создания той же индуктивности потребуется гораздо больше провода. Следовательно, стоимость провода намного выше, чем у провода LTSC. Кроме того, по мере увеличения размера SMES с 2 до 20 и до 200 МВт·ч стоимость проводника LTSC также увеличивается примерно в 10 раз на каждом шаге. Стоимость ВТСП-проводника растет немного медленнее, но по-прежнему остается самым дорогим товаром.
Стоимость конструкции как HTSC, так и LTSC увеличивается равномерно (в 10 раз) с каждым шагом от 2 до 20 и до 200 МВт·ч. Но стоимость конструкции HTSC выше, поскольку допустимая деформация HTSC (керамика не может выдерживать большую растягивающую нагрузку) меньше, чем у LTSC, таких как Nb 3 Ti или Nb 3 Sn , что требует больше структурных материалов. Таким образом, в очень больших случаях стоимость HTSC не может быть компенсирована простым уменьшением размера катушки при более высоком магнитном поле.
Здесь стоит отметить, что стоимость холодильника во всех случаях настолько мала, что процент экономии, связанной с уменьшением потребности в охлаждении при высокой температуре, очень невелик. Это означает, что если HTSC, например BSCCO , работает лучше при низкой температуре, скажем, 20K, он, безусловно, будет там эксплуатироваться. Для очень малых SMES уменьшение стоимости холодильника будет иметь более существенное положительное влияние.
Очевидно, что объем сверхпроводящих катушек увеличивается с накопленной энергией. Также мы видим, что максимальный диаметр тора LTSC всегда меньше для магнита HTSC, чем LTSC из-за более сильного действия магнитного поля. В случае соленоидных катушек высота или длина также меньше для катушек HTSC, но все равно намного больше, чем в тороидальной геометрии (из-за слабого внешнего магнитного поля).
Увеличение пикового магнитного поля приводит к уменьшению как объема (более высокая плотность энергии), так и стоимости (уменьшенная длина проводника). Меньший объем означает более высокую плотность энергии, а стоимость снижается из-за уменьшения длины проводника. Существует оптимальное значение пикового магнитного поля, в данном случае около 7 Тл. Если поле увеличивается сверх оптимального, возможно дальнейшее уменьшение объема с минимальным увеличением стоимости. Предел, до которого может быть увеличено поле, обычно не экономический, а физический, и он связан с невозможностью сблизить внутренние ножки тороида и при этом оставить место для упругого цилиндра.
Сверхпроводниковый материал является ключевым вопросом для SMES. Усилия по разработке сверхпроводников сосредоточены на увеличении Jc и диапазона деформации, а также на снижении стоимости производства проводов .
Плотность энергии, эффективность и высокая скорость разряда делают SMES полезными системами для включения в современные энергосети и инициативы в области зеленой энергетики. Использование системы SMES можно разделить на три категории: системы электроснабжения, системы управления и аварийные/непредвиденные системы.
Устройства FACTS ( гибкая система передачи переменного тока ) представляют собой статические устройства, которые могут быть установлены в электрических сетях . Эти устройства используются для повышения управляемости и возможностей передачи мощности электрической сети. Применение SMES в устройствах FACTS было первым применением систем SMES. Первая реализация SMES с использованием устройств FACTS была установлена энергетическим управлением Бонневиля в 1980 году. Эта система использует системы SMES для гашения низких частот, что способствует стабилизации электросети. [9] [6] [10] В 2000 году системы FACTS на основе SMES были введены в ключевых точках северной электросети Уинстона для повышения стабильности сети.
Использование электроэнергии требует стабильного энергоснабжения, которое обеспечивает постоянную мощность. Эта стабильность зависит от количества потребляемой мощности и количества вырабатываемой мощности. Потребление мощности меняется в течение дня, а также меняется в зависимости от сезона. Системы SMES могут использоваться для хранения энергии, когда вырабатываемая мощность выше, чем спрос/нагрузка, и высвобождать мощность, когда нагрузка выше, чем вырабатываемая мощность. Таким образом, компенсируя колебания мощности. [11] Использование этих систем позволяет обычным генерирующим установкам работать с постоянной мощностью, что более эффективно и удобно. [12] Однако, когда дисбаланс мощности между спросом и предложением длится долгое время, SMES может полностью разрядиться. [13]
Когда нагрузка не соответствует генерируемой выходной мощности из-за возмущения нагрузки, это может привести к тому, что нагрузка будет больше номинальной выходной мощности генераторов. Например, это может произойти, когда ветровые генераторы не вращаются из-за внезапного отсутствия ветра. Это возмущение нагрузки может вызвать проблему управления частотой нагрузки . Эта проблема может быть усилена в ветровых генераторах на основе DFIG . [14] Это несоответствие нагрузки может быть компенсировано выходной мощностью от систем SMES, которые хранят энергию, когда генерация больше нагрузки. [15] Системы управления частотой нагрузки на основе SMES имеют преимущество быстрого реагирования по сравнению с современными системами управления.
Источники бесперебойного питания (ИБП) используются для защиты от скачков и перебоев питания путем обеспечения бесперебойного питания. Эта компенсация осуществляется путем переключения с неисправного источника питания на системы SMES, которые могут практически мгновенно поставлять необходимую мощность для продолжения работы важных систем. ИБП на базе SMES наиболее полезны в системах, которые необходимо поддерживать на определенных критических нагрузках. [16] [17]
Когда разница угла мощности на выключателе слишком велика, защитные реле предотвращают повторное включение выключателей. Системы SMES могут использоваться в таких ситуациях для уменьшения разницы угла мощности на выключателе. Тем самым позволяя повторное включение выключателя. Эти системы позволяют быстро восстанавливать питание системы после крупных отключений линии электропередачи. [12]
Вращающийся резерв — это дополнительная генерирующая мощность, которая доступна за счет увеличения выработки электроэнергии системами, подключенными к сети. Эта мощность резервируется системным оператором для компенсации сбоев в электросети. Благодаря быстрому времени перезарядки и быстрому процессу преобразования переменного тока в постоянный в системах SMES, эти системы могут использоваться в качестве вращающегося резерва, когда основная сеть линий электропередачи выходит из строя. [18] [19]
Сверхпроводящие ограничители тока короткого замыкания (SFCL) используются для ограничения тока при коротком замыкании в сети. В этой системе сверхпроводник гасится (температура повышается) при обнаружении короткого замыкания в линии сети. При гашении сверхпроводника сопротивление увеличивается, и ток перенаправляется в другие линии сети. Это делается без прерывания большей сети. После устранения короткого замыкания температура SFCL понижается и становится невидимой для большей сети. [20] [15]
Электромагнитные пусковые установки — это электрическое метательное оружие, которое использует магнитное поле для ускорения снарядов до очень высокой скорости. Для работы этих пусковых установок требуются высокомощные импульсные источники. Эти пусковые установки могут быть реализованы с использованием возможности быстрого выпуска и высокой плотности мощности системы SMES. [21]
Будущие разработки компонентов систем SMES могут сделать их более жизнеспособными для других применений; в частности, сверхпроводников с более высокими критическими температурами и критическими плотностями тока. Эти ограничения те же, что и при другом промышленном использовании сверхпроводников. Недавняя разработка провода HTS из YBCO с температурой сверхпроводящего перехода около 90 К показывает многообещающие результаты. Обычно, чем выше температура сверхпроводящего перехода, тем выше максимальная плотность тока, которую может выдержать сверхпроводник до распада куперовской пары. Вещество с высокой критической температурой, как правило, будет иметь более высокий критический ток при низкой температуре, чем сверхпроводник с более низкой критической температурой. Этот более высокий критический ток увеличит накопление энергии квадратично, что может сделать SMES и другие промышленные применения сверхпроводников экономически эффективными. [22]
Энергоемкость современных систем SMES обычно довольно мала. Методы увеличения энергии, запасаемой в SMES, часто прибегают к крупномасштабным накопителям. Как и в других сверхпроводящих приложениях, криогеника является необходимостью. Обычно требуется прочная механическая конструкция для удержания очень больших сил Лоренца, создаваемых катушками магнита и на них. Доминирующей стоимостью для SMES является сверхпроводник, за которым следует система охлаждения и остальная механическая конструкция.
Необходимо из-за больших сил Лоренца, создаваемых сильным магнитным полем, действующим на катушку, и сильного магнитного поля, создаваемого катушкой на более крупной конструкции.
Для достижения коммерчески полезных уровней хранения, около 5 ГВт·ч (18 ТДж ), установке SMES потребуется петля длиной около 800 м. Традиционно это изображается как круг, хотя на практике это может быть больше похоже на скругленный прямоугольник. В любом случае для размещения установки потребуется доступ к значительному участку земли.
Вот две производственные проблемы, связанные с SMES. Первая — это изготовление объемного кабеля, пригодного для передачи тока. Сверхпроводящие материалы HTSC, обнаруженные на сегодняшний день, представляют собой относительно деликатную керамику, что затрудняет использование устоявшихся методов для вытягивания сверхпроводящего провода большой длины. Многие исследования были сосредоточены на методах послойного осаждения, наносящих тонкую пленку материала на стабильную подложку, но в настоящее время это подходит только для небольших электрических схем.
Вторая проблема — инфраструктура, необходимая для установки. Пока не будут найдены сверхпроводники комнатной температуры , 800-метровая петля провода должна быть заключена в вакуумную колбу с жидким азотом . Это, в свою очередь, потребует стабильной поддержки, чаще всего предполагающей закапывание установки.
Выше определенной напряженности поля, известной как критическое поле, сверхпроводящее состояние разрушается. Это означает, что существует максимальная скорость зарядки для сверхпроводящего материала, учитывая, что величина магнитного поля определяет поток, захватываемый сверхпроводящей катушкой.
В целом энергосистемы стремятся максимизировать ток, который они способны обработать. Это делает любые потери из-за неэффективности системы относительно незначительными. К сожалению, большие токи могут генерировать магнитные поля, превышающие критическое поле из-за закона Ампера . Поэтому современные материалы испытывают трудности с проведением достаточного тока, чтобы сделать коммерческое хранилище экономически жизнеспособным.
Несколько проблем, возникших на начальном этапе развития технологии, препятствовали ее распространению:
Они все еще создают проблемы для сверхпроводящих приложений, но со временем улучшаются. Были достигнуты успехи в производительности сверхпроводящих материалов. Кроме того, надежность и эффективность систем охлаждения значительно улучшились.
В настоящее время охлаждение катушки от комнатной температуры до рабочей температуры занимает четыре месяца . Это также означает, что SMES требуется одинаково много времени для возврата к рабочей температуре после технического обслуживания и при перезапуске после сбоев в работе. [23]
Из-за большого количества накопленной энергии необходимо принять определенные меры для защиты катушек от повреждения в случае отказа катушки. Быстрое высвобождение энергии в случае отказа катушки может повредить окружающие системы. Некоторые концептуальные проекты предлагают включить в конструкцию сверхпроводящий кабель с целью поглощения энергии после отказа катушки. [6] [18] Система также должна находиться в отличной электрической изоляции, чтобы предотвратить потерю энергии. [6]
{{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )