Superledande magnetisk energilagring - Superconducting magnetic energy storage

Superledande magnetisk energilagring
Specifik energi	1–10 W · h / kg (4–40 kJ / kg)
Energi densitet	mindre än 40 kJ / L
Specifik effekt	~ 10 000–100 000 kW/kg
Laddnings-/urladdningseffektivitet	95%
Självurladdningshastighet	0%
Cykelhållbarhet	Obegränsade cykler

Supraledande magnetisk energilagring (SMES) system lagra energi i det magnetiska fältet som skapas av flödet av likström i en supraledande spole som har kryogeniskt kyld till en temperatur under dess supraledande kritiska temperatur .

Ett typiskt SMES -system innehåller tre delar: supraledande spole , kraftkonditioneringssystem och kryogeniskt kylt kylskåp. När den superledande spolen laddats kommer inte strömmen att förfalla och magnetenergin kan lagras på obestämd tid.

Den lagrade energin kan släppas tillbaka till nätet genom att ladda ur spolen. Strömkonditioneringssystemet använder en växelriktare / likriktare för att omvandla växelström (AC) till likström eller omvandla likström till växelström. Inverteraren/likriktaren står för cirka 2–3% energiförlust i varje riktning. SME tappar minst el i energilagringsprocessen jämfört med andra metoder för lagring av energi. SMES -system är mycket effektiva; tur och retur-effektiviteten är större än 95%.

På grund av energikraven för kylning och de höga kostnaderna för supraledande tråd används SMES för närvarande för energilagring av kort varaktighet. Därför ägnar sig SMES oftast åt att förbättra strömkvaliteten .

Fördelar jämfört med andra energilagringsmetoder

Det finns flera skäl för att använda superledande magnetisk energilagring istället för andra energilagringsmetoder. Den viktigaste fördelen med små och medelstora företag är att tidsfördröjningen under laddning och urladdning är ganska kort. Ström är tillgänglig nästan omedelbart och mycket hög effekt kan tillhandahållas under en kort tid. Andra energilagringsmetoder, såsom pumpad hydro eller tryckluft , har en betydande tidsfördröjning i samband med energiomvandlingen av lagrad mekanisk energi tillbaka till elektricitet. Om efterfrågan är omedelbar är SMF ett lönsamt alternativ. En annan fördel är att energiförlusten är mindre än andra lagringsmetoder eftersom elektriska strömmar möter nästan inget motstånd . Dessutom är huvuddelarna i ett SMES orörliga, vilket resulterar i hög tillförlitlighet.

Nuvarande användning

Det finns flera små SMES -enheter tillgängliga för kommersiellt bruk och flera större testbäddsprojekt. Flera 1 MW · h-enheter används för kvalitetskontroll i installationer runt om i världen, särskilt för att tillhandahålla strömkvalitet vid tillverkningsanläggningar som kräver ultrarent kraft, till exempel tillverkning av mikrochip.

Dessa anläggningar har också använts för att ge grid stabilitet i distributionssystem. SMES används också i verktygsprogram. I norra Wisconsin distribuerades en rad distribuerade SMES -enheter för att förbättra stabiliteten hos en överföringsslinga. Överföringsledningen utsätts för stora, plötsliga belastningsförändringar på grund av driften av ett pappersbruk, med potential för okontrollerade fluktuationer och spänningskollaps.

Engineering Test Model är ett stort SME med en kapacitet på cirka 20 MW · h, som kan ge 40 MW effekt i 30 minuter eller 10 MW effekt i 2 timmar.

System arkitektur

Ett SMES -system består vanligtvis av fyra delar

Superledande magnet och stödstruktur

Detta system inkluderar den superledande spolen, en magnet och spolskyddet. Här lagras energin genom att koppla bort spolen från det större systemet och sedan använda elektromagnetisk induktion från magneten för att inducera en ström i den superledande spolen. Denna spole bevarar sedan strömmen tills spolen återansluts till det större systemet, varefter spolen urladdas helt eller delvis.

Kylsystem

Kylsystemet upprätthåller spolens supraledande tillstånd genom att kyla spolen till arbetstemperaturen.

Strömkonditioneringssystem

Strömkonditioneringssystemet innehåller vanligtvis ett effektomvandlingssystem som omvandlar likström till växelström och tvärtom.

Kontrollsystem

Styrsystemet övervakar nätbehovet och styr effektflödet från och till spolen. Styrsystemet hanterar också tillståndet hos SMES -spolen genom att styra kylskåpet.

Arbetsprincip

Som en konsekvens av Faradays induktionslag genererar varje trådslinga som genererar ett föränderligt magnetfält i tid också ett elektriskt fält. Denna process tar ut energi från tråden genom elektromotorisk kraft (EMF). EMF definieras som elektromagnetiskt arbete som utförs på en enhetsladdning när den har färdats en runda av en ledande slinga. Energin kan nu ses som lagrad i det elektriska fältet. Denna process använder energi från tråden med effekt lika med den elektriska potentialen gånger den totala laddningen dividerat med tid. Var Ɛ är spänningen eller EMF. Genom att definiera effekten kan vi beräkna det arbete som behövs för att skapa ett sådant elektriskt fält. På grund av energibesparing måste denna mängd arbete också vara lika med energin som lagras i fältet.

${\ displaystyle P = Q \ epsilon /t}$

Denna formel kan skrivas om i den lättare att mäta variabeln för elektrisk ström genom substitutionen.

${\ displaystyle P = Q \ epsilon /t = I \ epsilon}$

Där jag är den elektriska strömmen i Ampere. EMF Ɛ är en induktans och kan således skrivas om som:

${\ displaystyle \ epsilon = L {\ frac {dI} {dt}}}$

Ersättning ger nu:

${\ displaystyle P = IL {\ frac {dI} {dt}}}$

Där L bara är en linearitetskonstant som kallas induktansen mätt i Henry. Nu när kraften hittats är det bara att fylla i arbetsekvationen för att hitta arbetet.

${\ displaystyle W = \ int _ {0}^{T} Pdt = \ int _ {0}^{I} IL {\ frac {dI} {dt}} dt = \ int _ {0}^{I} ILdI = {\ frac {LI^{2}} {2}}}$

Som tidigare sagt måste arbetet vara lika med energin som lagras i fältet. Hela denna beräkning är baserad på en enda slinga. För ledningar som slingas flera gånger ökar induktionen L, eftersom L helt enkelt definieras som förhållandet mellan spänningen och förändringstakten för strömmen. Sammanfattningsvis är den lagrade energin i spolen lika med:

${\ displaystyle E = {\ frac {LI^{2}} {2}}}$

Var

E = energi mätt i joule

L = induktans mätt i henries

I = ström mätt i ampere

Låt oss nu överväga en cylindrisk spole med ledare med ett rektangulärt tvärsnitt . Den genomsnittliga radien hos spolen är R. a och b är bredden och djupet hos ledaren. f kallas formfunktion som är olika för olika former av spole. ξ (xi) och δ (delta) är två parametrar för att karakterisera spolens dimensioner. Vi kan därför skriva magnetenergin lagrad i en sådan cylindrisk spole som visas nedan. Denna energi är en funktion av spiraldimensioner, antal varv och bärström.

${\ displaystyle E = RN^{2} I^{2} f (\ xi, \ delta)/2}$

Var

E = energi mätt i joule

I = ström mätt i ampere

f (ξ, δ) = formfunktion, joule per ampere-meter

N = antal varv av spole

Solenoid kontra toroid

Förutom trådens egenskaper är konfigurationen av själva spolen en viktig fråga ur maskinteknisk aspekt. Det finns tre faktorer som påverkar spolens konstruktion och form - de är: Sämre spänningstolerans , termisk sammandragning vid kylning och Lorentz -krafter i en laddad spole. Bland dem är töjningstoleransen avgörande inte på grund av någon elektrisk effekt, utan för att den avgör hur mycket konstruktionsmaterial som behövs för att förhindra att små och medelstora företag går sönder. För små SMES -system väljs det optimistiska värdet på 0,3% töjningstolerans. Toroidal geometri kan hjälpa till att minska de yttre magnetiska krafterna och minskar därför storleken på det mekaniska stöd som behövs. På grund av det låga externa magnetfältet kan också toroidala SMES placeras nära ett verktyg eller kundbelastning.

För små och medelstora företag används vanligtvis solenoider eftersom de är lätta att spola och ingen förkomprimering behövs. I toroidala SMES är spolen alltid under komprimering av de yttre ringarna och två skivor, varav en på toppen och den andra på botten för att undvika brott. För närvarande finns det lite behov av toroidal geometri för små SME, men när storleken ökar blir mekaniska krafter viktigare och toroidspolen behövs.

De äldre stora SMES -koncepten innehöll vanligtvis en solenoid med låg bildförhållande, cirka 100 m i diameter begravd i jorden. Vid den låga extrema storleken finns konceptet med mikro-SMES-solenoider för energilagringsområde nära 1 MJ.

Lågtemperatur kontra högtemperatur superledare

Under steady state -förhållanden och i supraledande tillstånd är spolmotståndet försumbart. Det kylskåp som är nödvändigt för att hålla superledaren svalt kräver dock elektrisk kraft och denna kylenergi måste beaktas vid utvärdering av SME: s effektivitet som energilagringsenhet.

Även om högtemperatursupraledare (HTS) har högre kritisk temperatur, flödesgitter smältning sker i måttliga magnetiska fält runt en temperatur som är lägre än denna kritiska temperatur. Värmebelastningarna som måste avlägsnas av kylsystemet inkluderar ledning genom stödsystemet, strålning från varmare till kallare ytor, AC-förluster i ledaren (under laddning och urladdning) och förluster från de kall-till-värmeledningarna som ansluts den kalla spolen till effektkonditioneringssystemet. Lednings- och strålningsförluster minimeras genom korrekt utformning av termiska ytor. Blyförluster kan minimeras genom bra utformning av elektroderna. AC-förluster beror på utformningen av ledaren, den arbetscykel hos anordningen och märkeffekten.

Kylkraven för HTSC och lågtemperatur supraledare (LTSC) toroidspolar för baslinjetemperaturerna 77 K, 20 K och 4,2 K, ökar i den ordningen. Kylkraven definieras här som elektrisk kraft för att driva kylsystemet. Eftersom den lagrade energin ökar med en faktor 100, ökar kylkostnaden bara med en faktor 20. Dessutom är besparingarna i kylning för ett HTSC -system större (med 60% till 70%) än för ett LTSC -system.

Kosta

Om HTSC- eller LTSC -system är mer ekonomiska beror på att det finns andra stora komponenter som bestämmer kostnaden för små och medelstora företag: Ledare bestående av superledare och kopparstabilisator och kallstöd är stora kostnader i sig. De måste bedömas med enhetens totala effektivitet och kostnad. Andra komponenter, såsom isolering av vakuumkärl , har visat sig vara en liten del jämfört med den stora spolkostnaden. De kombinerade kostnaderna för ledare, struktur och kylskåp för toroidspolar domineras av kostnaden för superledaren. Samma trend gäller för magnetspolar. HTSC -spolar kostar mer än LTSC -spolar med en faktor 2 till 4. Vi räknar med att se en billigare kostnad för HTSC på grund av lägre kylbehov, men så är inte fallet.

För att få en inblick i kostnaderna överväga en fördelning av huvudkomponenter i både HTSC- och LTSC -spolar motsvarande tre typiska lagrade energinivåer, 2, 20 och 200 MW · h. Konduktorkostnaden dominerar de tre kostnaderna för alla HTSC -fall och är särskilt viktig vid små storlekar. Den främsta orsaken ligger i den jämförande strömtätheten för LTSC- och HTSC -material. Den kritiska strömmen för HTSC -tråd är lägre än LTSC -ledningen i allmänhet i det magnetiska driftfältet, cirka 5 till 10 teslas (T). Antag att trådkostnaderna är desamma i vikt. Eftersom HTSC -tråd har lägre ( J _c ) -värde än LTSC -tråd, kommer det att ta mycket mer tråd för att skapa samma induktans. Därför är kostnaden för tråd mycket högre än LTSC -tråd. Eftersom SMES -storleken går upp från 2 till 20 till 200 MW · h, ökar LTSC -ledarkostnaden också cirka en faktor 10 vid varje steg. HTSC -konduktorkostnaden stiger lite långsammare men är fortfarande den överlägset dyraste varan.

Strukturkostnaderna för antingen HTSC eller LTSC går upp jämnt (en faktor 10) för varje steg från 2 till 20 till 200 MW · h. Men HTSC -strukturkostnaden är högre eftersom HTSC -töjningstoleransen (keramik inte kan bära mycket drag) är lägre än LTSC, till exempel Nb ₃ Ti eller Nb ₃ Sn , vilket kräver mer strukturmaterial. Således kan HTSC -kostnaden i de mycket stora fallen inte kompenseras genom att helt enkelt minska spolstorleken vid ett högre magnetfält.

Det är värt att notera här att kylskåpskostnaden i alla fall är så liten att det finns mycket små procentuella besparingar i samband med minskade kylbehov vid hög temperatur. Detta innebär att om en HTSC, BSCCO till exempel fungerar bättre vid en låg temperatur, säg 20K, kommer den säkert att drivas där. För mycket små SME kommer den reducerade kylskåpskostnaden att få en mer betydande positiv inverkan.

Det är uppenbart att volymen av supraledande spolar ökar med den lagrade energin. Vi kan också se att LTSC torus maximala diameter alltid är mindre för en HTSC -magnet än LTSC på grund av högre magnetfältdrift. När det gäller magnetspolar är höjden eller längden också mindre för HTSC -spolar, men fortfarande mycket högre än i en toroidal geometri (på grund av lågt externt magnetfält).

En ökning av toppmagnetfält ger en minskning av både volym (högre energitäthet) och kostnad (minskad ledarlängd). Mindre volym innebär högre energitäthet och kostnader minskas på grund av minskningen av ledarlängden. Det finns ett optimalt värde för toppmagnetfältet, cirka 7 T i detta fall. Om fältet ökas förbi det optimala är ytterligare volymminskningar möjliga med minimal kostnadshöjning. Gränsen till vilken fältet kan ökas är vanligtvis inte ekonomiskt utan fysiskt och det hänför sig till omöjligheten att föra toroidens inre ben närmare varandra och ändå lämna utrymme för slagcylindern.

Superledarmaterialet är en nyckelfråga för små och medelstora företag. Supraledande utvecklingsinsatser fokuserar på att öka Jc och stam område och på att minska trådtillverkningskostnaden .

Ansökningar

Energitätheten, effektiviteten och den höga urladdningshastigheten gör SMF till användbara system att integrera i moderna energinät och gröna energinitiativ. SMES -systemets användningsområden kan indelas i tre kategorier: strömförsörjningssystem, styrsystem och nöd-/beredskapssystem.

FAKTA

FAKTA -enheter ( flexibelt AC -överföringssystem ) är statiska enheter som kan installeras i elnät . Dessa enheter används för att förbättra styrbarheten och kraftöverföringsförmågan hos ett elnät. Tillämpningen av SMES i FACTS -enheter var den första tillämpningen av SMES -system. Den första insikten av SMES med FACTS -enheter installerades av Bonneville -kraftmyndigheten 1980. Detta system använder SMES -system för att dämpa de låga frekvenserna, vilket bidrar till stabilisering av elnätet. År 2000 introducerades SMES -baserade FACTS -system vid nyckelpunkter i norra Winston -elnätet för att förbättra nätets stabilitet.

Lastutjämning

Användningen av elektrisk kraft kräver en stabil energiförsörjning som levererar en konstant effekt. Denna stabilitet beror på mängden ström som används och mängden effekt som skapas. Strömförbrukningen varierar under dagen och varierar också under säsongerna. SMES -system kan användas för att lagra energi när den genererade effekten är högre än efterfrågan/belastningen och släpper ut effekten när belastningen är högre än den genererade effekten. Därigenom kompenseras för effektfluktuationer. Genom att använda dessa system är det möjligt för konventionella generatorer att arbeta med en konstant effekt som är mer effektiv och bekväm. Men när maktobalansen mellan utbud och efterfrågan varar länge kan små och medelstora företag bli helt urladda.

Lastfrekvenskontroll

När belastningen inte uppfyller den genererade effektutmatningen, på grund av en belastningsstörning, kan detta orsaka att belastningen blir större än generatorns märkeffekt . Detta kan till exempel hända när vindgeneratorer inte snurrar på grund av en plötslig brist på vind. Denna belastningsstörning kan orsaka problem med kontroll av lastfrekvenser. Detta problem kan förstärkas i DFIG -baserade vindkraftgeneratorer. Denna belastningsskillnad kan kompenseras av effekt från SMES -system som lagrar energi när produktionen är större än belastningen. SMES -baserade lastfrekvensstyrsystem har fördelen av ett snabbt svar i jämförelse med moderna styrsystem.

Oavbruten strömförsörjning

Uninterruptible Power Supplies (UPS) används för att skydda mot överspänningar och strömavbrott genom att leverera en kontinuerlig strömförsörjning. Denna kompensation görs genom att byta från den felaktiga strömförsörjningen till ett SMES -system som nästan omedelbart kan leverera den nödvändiga kraften för att fortsätta driften av viktiga system. Den SMES -baserade UPS är mest användbar i system som måste hållas vid vissa kritiska belastningar.

Strömbrytare stängs igen

När effektvinkelskillnaden över en effektbrytare är för stor, förhindrar skyddsreläer återkoppling av brytarna. SMES -system kan användas i dessa situationer för att minska effektvinkelskillnaden över effektbrytaren. Därigenom möjliggör återstängning av effektbrytaren. Dessa system möjliggör snabb återställning av systemkraften efter stora överföringslinjeavbrott.

Spinnreserv

Spinningreserv är den extra produktionskapacitet som är tillgänglig genom att öka kraftproduktionen av system som är anslutna till nätet. Denna kapacitet reserveras av systemoperatören för kompensation av störningar i elnätet. På grund av de snabba laddningstiderna och snabba växelström till likströmskonverteringsprocessen för SMES -system kan dessa system användas som en roterande reserv när ett stort nät av överföringslinjer är ur drift.

SFCL

Superledande felströmbegränsare (SFCL) används för att begränsa strömmen vid ett fel i nätet. I detta system släcks en superledare (höjs i temperatur) när ett fel i nätlinjen detekteras. Genom att släcka superledaren stiger motståndet och strömmen avleds till andra nätlinjer. Detta görs utan att det större nätet avbryts. När felet har åtgärdats sänks SFCL -temperaturen och blir osynlig för det större nätet.

Elektromagnetiska bärraketer

Elektromagnetiska bärraketer är elektriska projektilvapen som använder ett magnetfält för att accelerera projektiler till en mycket hög hastighet. Dessa bärraketer kräver högeffektspulskällor för att fungera. Dessa bärraketer kan realiseras genom att använda snabbkopplingsfunktionen och SMES -systemets höga effekttäthet.

Framtida utveckling för små och medelstora företag

Framtida utveckling av komponenterna i SMES -system kan göra dem mer livskraftiga för andra applikationer. Framför allt utvecklingen av supraledare. Fysiker inom kondenserad materia letar alltid efter superledare med högre kritiska temperaturer. År 2013 hittade en grupp forskare till och med en superledare som arbetar vid rumstemperatur. Detta var stabilt för picosekunder, vilket gjorde det opraktiskt men bevisade ändå att supraledning vid rumstemperatur är möjlig. Behovet av kylning är en kostnad. Eliminering av den kostnaden genom användning av en rumsledande superledare eller till och med en superledare nära rumstemperatur skulle göra SMES -systemet mer livskraftigt och effektivare.

En superledares kritiska temperatur har också en stark korrelation med den kritiska strömmen. Ett ämne med hög kritisk temperatur kommer också att ha en hög kritisk ström. Denna högre kritiska ström kommer att öka energilagringen exponentiellt. Detta kommer att öka användningen av ett SMES -system kraftigt.

Tekniska utmaningar

Energiinnehållet i nuvarande SMES -system är vanligtvis ganska litet. Metoder för att öka energin som lagras i små och medelstora företag använder ofta stora lagringsenheter. Som med andra supraledande applikationer är kryogenik en nödvändighet. En robust mekanisk struktur krävs vanligtvis för att innehålla de mycket stora Lorentz -krafterna som genereras av och på magnetspolarna. Den dominerande kostnaden för små och medelstora företag är superledaren, följt av kylsystemet och resten av den mekaniska strukturen.

Mekaniskt stöd: Behövs på grund av stora Lorentz -krafter som genereras av det starka magnetfältet som verkar på spolen och det starka magnetfältet som genereras av spolen på den större strukturen.
Storlek: För att uppnå kommersiellt användbara lagringsnivåer, cirka 5 GW · h (3,6 TJ ), skulle en SMES -installation behöva en slinga på cirka 800 m. Detta är traditionellt avbildat som en cirkel, men i praktiken kan det mer likna en rundad rektangel. I båda fallen skulle det kräva tillgång till en betydande mängd mark för att hysa installationen.
Tillverkning: Det finns två tillverkningsproblem kring små och medelstora företag. Den första är tillverkning av bulkkabel som är lämplig för att bära strömmen. HTSC: s superledande material som hittats hittills är relativt känslig keramik, vilket gör det svårt att använda etablerade tekniker för att dra förlängda längder av supraledande tråd. Mycket forskning har fokuserat på skiktavlagringstekniker, applicering av en tunn filmfilm på ett stabilt underlag, men detta är för närvarande endast lämpligt för småskaliga elektriska kretsar.
Infrastruktur: Det andra problemet är den infrastruktur som krävs för en installation. Tills superledare vid rumstemperatur hittas, skulle 800 m trådslinga behöva finnas i en vakuumkolv med flytande kväve . Detta skulle i sin tur kräva stabilt stöd, vanligtvis genom att begrava installationen.
Kritiskt magnetfält: Över en viss fältstyrka, känd som det kritiska fältet, förstörs det superledande tillståndet. Detta innebär att det finns en maximal laddningshastighet för det superledande materialet, med tanke på att magnetfältets storlek bestämmer flödet som fångas av den superledande spolen.
Kritisk ström: Generellt sett strävar energisystem efter att maximera den ström de kan hantera. Detta gör eventuella förluster på grund av ineffektivitet i systemet relativt obetydliga. Tyvärr kan stora strömmar generera magnetfält som är större än det kritiska fältet på grund av Amperes lag . Nuvarande material kämpar därför för att bära tillräckligt med ström för att göra en kommersiell lagringsanläggning ekonomiskt livskraftig.

Flera frågor vid teknikens början har hindrat dess spridning:

Dyra kylenheter och höga energikostnader för att bibehålla driftstemperaturer
Förekomst och fortsatt utveckling av adekvat teknik med normala ledare

Dessa utgör fortfarande problem för supraledande applikationer men förbättras med tiden. Framsteg har gjorts i prestanda för supraledande material. Dessutom har tillförlitligheten och effektiviteten hos kylsystem förbättrats avsevärt.

Lång förkylningstid

För närvarande tar det fyra månader att kyla spolen från rumstemperatur till dess arbetstemperatur . Detta innebär också att SMES tar lika lång tid att återgå till driftstemperatur efter underhåll och vid omstart efter driftfel.

Skydd

På grund av den stora mängden energi som lagras måste vissa åtgärder vidtas för att skydda spolarna från skador vid spolfel. Snabb frigöring av energi vid spolfel kan skada omgivande system. Vissa konceptuella konstruktioner föreslår att införliva en supraledande kabel i designen med målet att absorbera energi efter spolavbrott. Systemet måste också hållas i utmärkt elektrisk isolering för att förhindra energiförlust.

Se även

Referenser

Bibliografi

Sheahen, T., P. (1994). Introduktion till högtemperatur supraledning. Plenum Press, New York. s. 66, 76–78, 425–430, 433–446.
El-Wakil, M., M. (1984). Kraftverksteknik. McGraw-Hill, s. 685–689, 691–695.
Wolsky, A., M. (2002). Status och utsikter för svänghjul och små och medelstora företag som innehåller HTS. Physica C 372–376, s. 1 495–1 499.
Hassenzahl, WV (mars 2001). "Supraledning, en möjliggörande teknik för 2000 -talets kraftsystem?". IEEE -transaktioner om tillämpad supraledning . 11 (1): 1447–1453. Bibcode : 2001ITAS ... 11.1447H . doi : 10.1109/77.920045 . ISSN 1051-8223 .

Vidare läsning

Browne, Malcome W. (6 januari 1988). "Ny jakt på idealiskt energilagringssystem" . New York Times .

Languages

In other projects