آشنایی با ابررسانا ذخیره انرژی مغناطیسی (SME): اصول و برنامه ها

در این مقاله چگونگی ذخیره انرژی در میدان های مغناطیسی از طریق القاء الکترومغناطیسی و معادلات مرتبط بحث می شود.همچنین به بررسی طرح ها و مواد پیشرفته مورد استفاده در ایجاد سیستم های SMES ، با تمرکز بر روی کویل های توروئیدی و solenoidal می پردازد.این سیستم ها در تنظیمات مختلف ، از امکانات پزشکی گرفته تا سایت های صنعتی استفاده می شود.در این مقاله مروری دقیق از مؤلفه ها ، مانند مواد ابررسانا مانند نیوبیوم تیتانیوم و اکسید مس باریوم Yttrium و ملاحظات مهم طراحی برای تنظیمات سیم پیچ در سیستم های SMES ارائه شده است.

کاتالوگ

شکل 1: ذخیره انرژی مغناطیسی ابررسانا

ابررسانا چیست؟

Superconductivity یک پدیده مکانیکی کوانتومی است که در آن مواد خاص در هنگام خنک شدن در زیر دمای مورد نیاز ، برق را بدون مقاومت انجام می دهند.شامل:

مقاومت الکتریکی صفر

ابررساناها اجازه می دهند جریان جریان دائمی بدون از دست دادن انرژی در شرایط ایده آل ، که ویژگی مشخص آنها است.

اثر میسنر

ابررساناها هنگام حضور در حالت ابررسانا ، میدان های مغناطیسی را از فضای داخلی خود بیرون می کشند.این به عنوان اثر میسنر شناخته می شود و برای حفظ میدان های مغناطیسی پایدار و کارآمد در برنامه های SMES مفید است.

انتقال فاز

ابررسانا در دمای خاصی به نام دمای بحرانی رخ می دهد.این دما از مواد خاص است و می تواند از نزدیک به صفر تا دمای بالاتر برای ابررساناهای درجه حرارت بالا باشد.

شکل 2:

شکل 3: نیروی الکترومغناطیسی

مکانیسم ذخیره انرژی در یک میدان مغناطیسی

در سیستم های SMES ، انرژی در میدان مغناطیسی تولید شده توسط جریان مستقیم در یک سیم پیچ ابررسانا ذخیره می شود.این روند شامل:

هنگامی که جریان از طریق سیم پیچ ابررسانا جریان می یابد ، یک میدان مغناطیسی ایجاد می شود.طبق نظریه الکترومغناطیسی ، انرژی ذخیره شده در میدان مغناطیسی متناسب با مربع جریان و القاء سیم پیچ است.

انرژی (ه) ذخیره شده را می توان با معادله اندازه گیری کرد:

جایی که L القاء سیم پیچ است ، و من جریان هستم.طراحی سیم پیچ بر حداکثر رساندن القاء و ظرفیت فعلی برای افزایش ذخیره انرژی متمرکز است.

برای ذخیره و استفاده از انرژی به طور مؤثر ، میدان مغناطیسی باید موجود و کنترل شود.این شامل هندسه های پیچیده و مهندسی مواد برای بهینه سازی مسیرهای مغناطیسی و به حداقل رساندن تلفات است.

اجزای ذخیره انرژی مغناطیسی ابررسانا (SMEs)

سیم پیچ های ابررسانا برای بهینه سازی ابررساناتی مهندسی شده اند ، که اجازه می دهد جریان الکتریکی بدون مقاومت جریان یابد.این کویل ها با سیم کشی سیم ابررسانا در اطراف یک هسته یا شکل دادن آن به یک سولنوئید ایجاد می شوند.

• پیکربندی سیم پیچ

کویل های solenoid - این کویل های استوانه ای یک میدان مغناطیسی یکنواخت را در داخل ایجاد می کنند و در دستگاه های MRI استفاده می شوند.

کویل های توروئیدی - به شکل دونات ، این کویل ها در برنامه هایی مانند راکتورهای توکاماک برای مهار پلاسما در تحقیقات فیوژن استفاده می شوند.

شکل 4: کویل های سولنوئید و کویل های توروئیدی

• سیستم های خنک کننده

سیستم های خنک کننده پیشرفته برای حفظ ابررسانا مفید هستند.این سیستم ها از هلیوم مایع ، نیتروژن مایع یا کرایووکلرها استفاده می کنند تا سیم پیچ ها را در دمای بسیار پایین تر از آستانه خود نگه دارند.

مواد مورد استفاده در کویل های ابررسانا

عملکرد کویل های ابررسانا به شدت به مواد مورد استفاده بستگی دارد.دو نوع اصلی مواد ابررسانا عبارتند از:

• ابررساناهای درجه حرارت پایین (LTS)

Niobium-Titanium (NBTI): معمولاً در سیستم های MRI و مراکز تحقیقاتی مورد استفاده قرار می گیرد ، NBTI به دلیل دوام و نیازهای کرایوژنیک نسبتاً ساده آن ارزش دارد.

Niobium-tin (NB3SN): با آستانه دمای بالاتر و میدان مغناطیسی نسبت به NBTI ، NB3SN برای کاربردهایی که به میدان های مغناطیسی قوی تر نیاز دارند ایده آل است.

• ابررساناهای درجه حرارت بالا (HTS)

اکسید مس باریوم Yttrium (YBCO): این ماده در دماهای بالاتر از مواد LTS کار می کند ، و هزینه سیستم های خنک کننده را ساده و کاهش می دهد.

بیسموت استرانسیوم کلسیم مس اکسید (BSCCO): به دلیل شکل نوار مانند آن شناخته شده است ، BSCCO انعطاف پذیر و مناسب برای کویل هایی با اشکال پیچیده است.

شکل 5: اکسید مس باریوم Yttrium (YBCO) و اکسید مس کلسیم استرانسیوم استرانسیوم (BSCCO)

فرآیند تبدیل انرژی در یک سیستم ذخیره انرژی مغناطیسی ابررسانا

اولین قدم در یک سیستم SMES در حال تغییر جریان متناوب (AC) برای هدایت جریان (DC) است زیرا سیم پیچ ابررسانا بر روی DC اجرا می شود.

AC که از شبکه یا نیروگاه می آید ، به یکسو کننده می رود.کار یکسو کننده این است که AC را که جهت تغییر می کند ، به DC تبدیل کند که از یک جهت جریان دارد.برای انجام این کار از دستگاه هایی مانند دیود یا تریستورها استفاده می کند.

پس از این تبدیل ، DC ممکن است هنوز برخی از موج های AC مانند داشته باشد.برای صاف کردن این موارد ، ما از فیلترهایی با خازن و سلف استفاده می کنیم.این باعث می شود DC ثابت باشد ، برای کارآیی و ایمنی سیستم SMES.

DC با آماده سازی DC ، به یک سیم پیچ ابررسانا ، که مقاومت الکتریکی ندارد ، جریان می یابد. این اجازه می دهد تا جریان بدون از دست دادن انرژی جریان یابد.

DC در سیم پیچ یک میدان مغناطیسی قوی در اطراف آن ایجاد می کند و انرژی الکتریکی را به انرژی مغناطیسی ذخیره شده در این زمینه تبدیل می کند.

برای نگه داشتن سیم پیچ ابررسانه ای ، سیم پیچ در دماهای بسیار کم با استفاده از خنک کننده های کرایوژنیک مانند هلیوم مایع یا نیتروژن نگه داشته می شود. این مهم است زیرا هرگونه افزایش دما می تواند باعث شود سیم پیچ ابررساناتی خود را از دست بدهد و منجر به از بین رفتن انرژی شود.

هنگامی که به انرژی ذخیره شده نیاز داریم ، انرژی ذخیره شده در میدان مغناطیسی جریان DC را در سیم پیچ هدایت می کند. این DC باید دوباره به AC تبدیل شود تا برای اکثر سیستم های برق مفید باشد.اینورتر این کار را با تغییر جهت جریان در فرکانس مطابق با شبکه AC انجام می دهد.

خروجی AC قبل از ارسال با ولتاژ ، فرکانس و فاز شبکه هماهنگ می شود و اطمینان حاصل می شود که با شبکه و سایر بارهای الکتریکی به خوبی کار می کند.

شکل 6: نمودار شماتیک سیستم ذخیره انرژی مغناطیسی ابررسانا

طراحی سیستم های ذخیره انرژی مغناطیسی ابررسانا

طراحی سیم پیچ در سیستم های SMES مورد نیاز برای کارایی ، هزینه و ظرفیت ذخیره انرژی.دو طرح اصلی سیم پیچ توروئیدی و solenoidal هستند.

نوع سیم پیچ	هندسه و عملکرد	مزایا	معایب
سیم پیچ	دونات شکل ، طراحی شده برای نگه داشتن تقریباً همه میدان مغناطیسی داخل سیم پیچ ، نشت را به حداقل می رساند.این شکل کمک می کند نیروهای الکترومغناطیسی را که بر روی ساختار سیم پیچ عمل می کنند ، کاهش دهید.	مهار میدان مغناطیسی: مغناطیسی میدان در سیم پیچ باقی می ماند و منجر به میدان های مغناطیسی ولگرد پایین می شود.	پیچیدگی تولید: ساخت اشکال توروئیدی پیچیده و پرهزینه است.
		ایمنی: این طرح ایمن تر است و تداخل را کاهش می دهد با دستگاه های الکترونیکی در نزدیکی و سایر تجهیزات حساس.	چالش های نگهداری: دسترسی به قسمت های داخلی این کویل ها دشوار است ، و نگهداری را پیچیده و بازرسی
سیم پیچ	استوانه ای ، با جریان فعلی طول سیلندر.این طرح ساده تر و ساده تر است از پیکربندی توروئیدی.	سهولت تولید: سیم پیچ های solenoidal هستند تولید آسان تر و ارزان تر به دلیل هندسه ساده آنها. دسترسی به تعمیر و نگهداری: طراحی پایان باز باعث آسانتر شدن آنها می شود برای حفظ و بازرسی.	نشت میدان مغناطیسی: مغناطیسی نشت میدانی در هر دو انتهای سیلندر ، که می تواند بر الکترونیکی در این نزدیکی تأثیر بگذارد دستگاه ها و به محافظ اضافی نیاز دارند.

عوامل مؤثر در انتخاب طراحی سیم پیچ

شکل 7: سیم پیچ solenoidal و سیم پیچ توروئیدی

برنامه مورد نظر: برنامه انتخاب سیم پیچ را دیکته می کند.به عنوان مثال ، سیم پیچ های توروئیدی در جایی ترجیح داده می شوند که تداخل الکترومغناطیسی باید به حداقل برسد ، مانند امکانات پزشکی یا تجهیزات علمی حساس.

نیازهای ذخیره انرژی: میزان انرژی ذخیره شده بر طراحی سیم پیچ تأثیر می گذارد.کویل های solenoidal به دلیل مقرون به صرفه بودن آنها ممکن است از کاربردهای در مقیاس کوچکتر استفاده کند ، در حالی که ممکن است از سیم پیچ های توروئیدی برای ذخیره سازی بزرگتر و در مقیاس صنعتی به دلیل کارآیی و حداقل نشت مغناطیسی استفاده شود.

فضا و محدودیت های محیطی: فضای فیزیکی موجود و شرایط محیطی ملاحظات اصلی است.کویل های توروئیدی ، با میدان مغناطیسی جمع و جور و محصور خود ، برای فضاهای محدود یا مناطق پرجمعیت بهتر مناسب هستند.

محدودیت های بودجه: محدودیت های بودجه بر انتخاب طراحی سیم پیچ تأثیر می گذارد.کویل های solenoidal ارزان تر هستند و ممکن است در پروژه های حساس به هزینه ترجیح داده شوند.

نگهداری و ملاحظات عملیاتی: سهولت نگهداری و قابلیت اطمینان عملیاتی از اهمیت برخوردار است.کویل های solenoidal ، ارائه دسترسی آسان تر برای نگهداری و بازرسی ، می تواند یک عامل تعیین کننده در انتخاب آنها باشد.

مزایای سیستم های ذخیره انرژی مغناطیسی ابررسانا

مزیت	شرح
راندمان بالا و زمان پاسخ سریع	سیستم های SMES به بیش از 95 ٪ راندمان می رسند با ذخیره انرژی در یک سیم پیچ ابررسانا با مقاومت تقریبا صفر.آنها می تواند به تغییرات تقاضای برق در میلی ثانیه پاسخ دهد.
تأثیر محیطی و ثبات	این سیستم ها سازگار با محیط زیست هستند و ساطع می شوند بدون گازهای گلخانه ای یا استفاده از مواد سمی.آنها پایدار را حفظ می کنند عملکرد صرف نظر از شرایط خارجی مانند دما یا آب و هوا.
قابلیت اطمینان و ماندگاری	سیستم های SMES هیچ قطعات متحرک و استفاده ندارند مواد ابررسانا با دوام ، در نتیجه سایش و پارگی کمتر و پایین تر هزینه های نگهداری در طول عمر طولانی آنها.
مقیاس پذیری و تطبیق پذیری	قادر به ذخیره انرژی از چند کیلووات ساعت تا چند ساعت مگاوات ساعت ، واحدهای SMES برای مختلف انعطاف پذیر هستند برنامه ها و می توان در محیط های متنوعی با حداقل نصب کرد اصلاحات
حمایت از شبکه و انرژی تجدید پذیر	آنها به تنظیم ولتاژ ، تثبیت کمک می کنند فرکانس و خروجی صاف از منابع تجدید پذیر ، تقویت شبکه قابلیت اطمینان و حمایت از ادغام بیشتر انرژی تجدید پذیر.
مقرون به صرفه بودن	علی رغم هزینه های اولیه بالا ، SMES سیستم ها هزینه های عملیاتی و نگهداری کم دارند و آنها را می سازند مقرون به صرفه در دراز مدت ، به ویژه در برنامه های خاص.
ایمنی و امنیت	سیستم های SMES از خطرات جلوگیری می کنند انفجار یا نشت سمی مرتبط با محلول های ذخیره سازی شیمیایی ، ساخت آنها برای تنظیمات مختلف از جمله مناطق شهری ایمن تر هستند.

کاربردهای ذخیره انرژی مغناطیسی ابررسانا

شکل 8: سیستم انتقال انعطاف پذیر AC ، یکی از مهمترین کاربردهای ذخیره انرژی مغناطیسی ابررسانا

بیمارستان

بیمارستان ها به منبع تغذیه بی وقفه (UPS) تکیه می کنند تا تجهیزات و سیستم های مراقبت از زندگی را نجات دهند.سیستم های SMES با آزاد کردن فوری انرژی ذخیره شده در هنگام خرابی برق ، یک راه حل قابل اعتماد را ارائه می دهند و اختلالات عملیاتی را به حداقل می رساند.آنها همچنین تنظیم انرژی با کیفیت بالا را حفظ می کنند ، که از تجهیزات پزشکی حساس در برابر نوسانات جزئی قدرت محافظت می کند.

مراکز داده

مراکز داده ، که مقادیر زیادی از اطلاعات دیجیتالی را مدیریت می کنند ، نسبت به مسائل مربوط به کیفیت قدرت بسیار حساس هستند.سیستم های SMES برای محافظت در برابر اختلالات قدرت کوتاه مدت مانند ولتاژ و ولتاژ و افزایش ایده آل هستند.با ادغام SME ، مراکز داده می توانند از عملکرد مداوم سرورها و تجهیزات شبکه ، حفظ در دسترس بودن خدمات داده و یکپارچگی اطمینان حاصل کنند.

ادغام انرژی تجدید پذیر

منابع انرژی تجدید پذیر مانند باد و خورشیدی به دلیل شرایط آب و هوایی ، تنوع در تولید برق را معرفی می کنند.سیستم های SMES با جذب سریع برق اضافی در دوره های تولید بالا و آزاد کردن انرژی در طول تولید کم ، صاف کردن نوسانات و تقویت پایداری شبکه ، شبکه را تثبیت می کنند.

ایستگاه های شارژ وسیله نقلیه الکتریکی

با افزایش اتخاذ وسایل نقلیه برقی (EV) ، تقاضا برای راه حل های شارژ کارآمد و سریع افزایش می یابد.سیستم های SMES در ایستگاه های شارژ EV با ذخیره انرژی در زمان خارج از اوج و آزاد کردن آن در طول تقاضای اوج ، تقاضای بار را مدیریت می کنند.این باعث کاهش فشار بر روی شبکه الکتریکی می شود و زمان شارژ سریعتر را امکان پذیر می کند.

کاربردهای صنعتی

صنایعی که نیاز به انفجار ناگهانی قدرت از سیستم های SMES دارند.این سیستم ها انرژی مناسب را بدون ترسیم زیاد روی شبکه ، نیاز به تولید برای کنترل دقیق ماشین آلات و حفظ کیفیت محصول فراهم می کنند.

نظامی و فضا

پایگاه های نظامی و عملیات هوافضا نیاز به انرژی قابل اعتماد و با کیفیت بالا دارند.سیستم های SMES یک منبع تغذیه با پاسخ سریع را ارائه می دهند که عملیات بدون وقفه را تضمین می کند و از تقاضای بالای انرژی فناوری و تجهیزات پیشرفته در این بخش ها پشتیبانی می کند.

سیستم های حمل و نقل انبوه

شبکه های ریلی و سیستم های حمل و نقل شهری باعث افزایش بهره وری و قابلیت اطمینان با SME می شوند.این واحدها انرژی تولید شده در حین ترمز را مدیریت می کنند و آن را به طور مؤثر توزیع می کنند و باعث افزایش بهره وری کلی انرژی سیستم ترانزیت می شوند.

پایان

در این مقاله به بررسی سیستم های ذخیره انرژی مغناطیسی (SMES) ابررسانا می پردازد و پتانسیل آنها را به عنوان یک فناوری ذخیره انرژی انقلابی برجسته می کند.سیستم های SMES با راندمان بالا ، زمان پاسخ سریع و تأثیرات زیست محیطی پایین ارائه می دهند و آنها را برای چالش های انرژی فعلی راه حل می کند.در این مقاله ، استفاده از آنها در زمینه های مختلف از جمله مراقبت های بهداشتی ، انرژی تجدید پذیر و حمل و نقل ، نشان دهنده تطبیق پذیری و مقیاس پذیری آنها است.با حرکت جهان به سمت راه حل های انرژی پایدار ، فناوری SMES در تقویت مقاومت جهانی انرژی برجسته است.تحولات مداوم در SME ها برای ادغام منابع انرژی تجدید پذیر ، بهبود ثبات و کارآیی زیرساخت های جهانی قدرت.

سوالات متداول [سؤالات متداول]

1. چگونه یک میدان مغناطیسی انرژی ذخیره می کند؟

یک میدان مغناطیسی انرژی را از طریق تراز و حرکت قطرات مغناطیسی یا ذرات بارگذاری شده ذخیره می کند.هنگامی که یک جریان الکتریکی از سیم پیچ سیم عبور می کند ، یک میدان مغناطیسی در اطراف سیم پیچ ایجاد می کند.این میدان مغناطیسی به دلیل کارهایی که برای ایجاد این زمینه انجام می شود ، قادر به ذخیره انرژی است.به طور خاص ، برای تراز کردن لحظات مغناطیسی اتم ها در یک ماده ، انرژی لازم است که به نوبه خود زمینه ای را ایجاد می کند که می تواند نیروها را اعمال کند و روی اشیاء دیگر کار کند.انرژی ذخیره شده در یک میدان مغناطیسی به طور مستقیم با مربع شدت میدان متناسب است.

2. کدام دستگاه انرژی را در یک میدان مغناطیسی ذخیره می کند؟

دستگاهی که انرژی را در یک میدان مغناطیسی ذخیره می کند ، یک سلف یا سیم پیچ مغناطیسی است.سلف ها از سیم پیچ های سیم تشکیل شده اند که اغلب در اطراف یک هسته مغناطیسی پیچیده می شوند و این باعث افزایش قدرت میدان مغناطیسی می شود.هنگامی که جریان از طریق سیم پیچ جریان می یابد ، یک میدان مغناطیسی ایجاد می شود و انرژی در این زمینه ذخیره می شود.توانایی یک سلف در ذخیره انرژی مغناطیسی در بسیاری از مدارهای الکترونیکی ، در فناوری های منبع تغذیه و تبدیل استفاده می شود.

3. ابررسانا ذخیره انرژی مغناطیسی چقدر کارآمد است؟

سیستم های ذخیره انرژی مغناطیسی ابررسانا (SMEs) بسیار کارآمد هستند و به بهره وری انرژی سفر دور 90 ٪ تا 95 ٪ می رسند.این سیستم ها از کویل های ابررسانا استفاده می کنند که می توانند بدون مقاومت در دمای بسیار کم برق را انجام دهند.عدم مقاومت الکتریکی به معنای تقریباً هیچ انرژی به عنوان گرما از بین نمی رود ، که باعث افزایش کارآیی ذخیره انرژی می شود.سیستم های SMES به دلیل توانایی خود در آزادسازی انرژی ذخیره شده تقریباً فوراً ارزش دارند ، که برای برنامه هایی که نیاز به تخلیه سریع دارند ، مانند تثبیت شبکه های برق در طول تقاضای اوج مناسب است.

4- آیا انرژی مغناطیسی یک فروشگاه یا انتقال است؟

انرژی مغناطیسی نوعی ذخیره انرژی است.انرژی در میدان مغناطیسی ایجاد شده با حرکت بارهای الکتریکی ، در یک سیم پیچ ذخیره می شود.در صورت نیاز ، این انرژی ذخیره شده می تواند به انرژی الکتریکی تبدیل شود یا برای انجام کار مکانیکی استفاده شود ، بنابراین انرژی را از میدان مغناطیسی به شکل دیگری منتقل می کند.با این حال ، نقش اصلی انرژی مغناطیسی در دستگاه هایی مانند سکوها یا سیستم های SMES ذخیره انرژی است.

5- نمونه ای از فروشگاه انرژی مغناطیسی چیست؟

نمونه ای از یک فروشگاه انرژی مغناطیسی سیستم ذخیره انرژی Flywheel است که اگرچه در درجه اول مکانیکی است ، اما اغلب اجزای مغناطیسی را برای ذخیره انرژی و تثبیت کننده شامل می کند.این سیستم ها از یک چرخ فلک مکانیکی چرخشی استفاده می کنند که حرکت آن میدان مغناطیسی ایجاد می کند ، در نسخه هایی که از یاتاقان های مغناطیسی برای کاهش اصطکاک و از دست دادن انرژی استفاده می کنند.این تعامل بین انرژیهای مکانیکی و مغناطیسی به سیستم پرواز پرواز اجازه می دهد تا انرژی را به طور کارآمد ذخیره کند و در صورت لزوم آن را به سرعت آزاد کند و آن را به یک کاربرد عملی از ذخیره انرژی مغناطیسی به هر دو شکل مکانیکی و الکتریکی تبدیل کند.