Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Энергияны сақтау техникасы
Energy storage technique
(4–40 кДж/кг)
|EtoS=40 кДж/л-ден кем
(4–40 kJ/kg)
|EtoS=less than 40 kJ / L
Типикалық SMES жүйесі үш бөліктен тұрады: суперөткізгіш катушка, қуатты кондиционирлеу жүйесі және криогендік салқындатылған тоңазытқыш. Суперөткізгіш катушка зарядталғаннан кейін, ток ыдырамайды және магниттік энергия шексіз сақталуы мүмкін. Сақталған энергияны катушканы разрядтау арқылы желіге қайтаруға болады. Қуатты кондиционирлеу жүйесі инвертор/түзетушіні пайдаланып, айнымалы ток (AC) қуатын тікелей токқа түрлендіреді немесе тікелей токты қайтадан айнымалы токқа айналдырады. Инвертор/түзетуші әр бағытта шамамен 2–3% энергия жоғалтады. Энергияны сақтау процесінде SMES энергияны сақтаудың басқа әдістерімен салыстырғанда ең аз электр энергиясын жоғалтады. SMES жүйелері жоғары тиімді; кері тиімділігі 95%-дан асады. Салқындату үшін қажетті энергия және суперөткізгіш сымның жоғары құнына байланысты, SMES қазіргі уақытта қысқа мерзімді энергия сақтау үшін қолданылады. Сондықтан, SMES көбінесе қуат сапасын жақсартуға бағытталған.
A typical SMES system includes three parts: superconducting coil, power conditioning system and cryogenically cooled refrigerator. Once the superconducting coil is charged, the current will not decay and the magnetic energy can be stored indefinitely. The stored energy can be released back to the network by discharging the coil. The power conditioning system uses an inverter/rectifier to transform alternating current (AC) power to direct current or convert DC back to AC power. The inverter/rectifier accounts for about 2–3% energy loss in each direction. SMES loses the least amount of electricity in the energy storage process compared to other methods of storing energy. SMES systems are highly efficient; the round trip efficiency is greater than 95%. Due to the energy requirements of refrigeration and the high cost of superconducting wire, SMES is currently used for short duration energy storage. Therefore, SMES is most commonly devoted to improving power quality.
Басқа энергия сақтау әдістеріне қарағанда артықшылықтары
Басқа энергия сақтау әдістерінің орнына суперөткізгіш магниттік энергия сақтауды пайдаланудың бірнеше себебі бар. СМЕС-тің ең маңызды артықшылығы – зарядтау және разрядтау кезіндегі уақыттың өте қысқа болуы. Электр қуаты дерлік бірден қолжетімді болады және қысқа мерзім ішінде өте жоғары қуаттылықпен қамтамасыз етуге болады. Басқа энергия сақтау әдістері, мысалы, су электр станциялары немесе қысылған ауа, сақталған механикалық энергияны электр энергиясына қайта айналдыру кезінде айтарлықтай уақыт кешіктіруге ұшырайды. Сондықтан, егер сұраныс дереу болса, СМЕС қолдануға лайықты нұсқа болып табылады. Тағы бір артықшылығы – электр тогының басқа сақтау әдістерімен салыстырғанда электр қуатын аз жоғалтуы, себебі электр тоқтары дерлік кедергіге тап болмайды. Сонымен қатар, СМЕС-тің негізгі бөліктері қозғалмайды, бұл жоғары сенімділікті қамтамасыз етеді.
There are several reasons for using superconducting magnetic energy storage instead of other energy storage methods. The most important advantage of SMES is that the time delay during charge and discharge is quite short. Power is available almost instantaneously and very high power output can be provided for a brief period of time. Other energy storage methods, such as pumped hydro or compressed air, have a substantial time delay associated with the energy conversion of stored mechanical energy back into electricity. Thus if demand is immediate, SMES is a viable option. Another advantage is that the loss of power is less than other storage methods because electric currents encounter almost no resistance. Additionally the main parts in a SMES are motionless, which results in high reliability.
Қазіргі қолданылуы
Кәсіптік пайдалануға арналған бірнеше шағын және орта кәсіпкерлік субъектілерінің (SMES) бірліктері және бірнеше ірі сынақ жобалары бар. Әлемдегі орналымдарда, әсіресе микрочип өндіру сияқты өте таза қуатты қажет ететін өндіріс орындарында қуат сапасын бақылау үшін бірнеше 1 МВт·сағ бірліктері қолданылады. Бұл құрылғылар тарату жүйелерінде желінің тұрақтылығын қамтамасыз ету үшін де пайдаланылды. SMES коммуналдық салаларда да қолданылады. Висконсин штатының солтүстігінде беріліс желісінің тұрақтылығын арттыру үшін таратылған SMES бірліктері орналастырылды.
There are several small SMES units available for commercial use and several larger test bed projects. Several 1 MW·h units are used for power quality control in installations around the world, especially to provide power quality at manufacturing plants requiring ultra clean power, such as microchip fabrication facilities. These facilities have also been used to provide grid stability in distribution systems. SMES is also used in utility applications. In northern Wisconsin, a string of distributed SMES units were deployed to enhance stability of a transmission loop.
Соленоид пен тороидтың айырмашылығы
Сымның қасиеттерінен басқа, катушканың конфигурациясы механикалық инженерлік тұрғысынан маңызды мәселе болып табылады. Катушканың құрылысына және пішініне әсер ететін үш фактор бар: нашар кернеуге төзімділік, салқындағандағы жылулық жиырылу және зарядталған катушкадағы Лоренц күштері. Олардың ішінде кернеуге төзімділік, қандай да бір электрлік әсерінен емес, ШЭЖ-ді (суперөткіштік энергия сақтау жүйесін) бұзу үшін қанша құрылымдық материал қажет екенін анықтайтындықтан маңызды. Кішкентай ШЭЖ жүйелері үшін 0,3% кернеуге төзімділік оптимистік мән ретінде таңдалады. Тороидтік геометрия сыртқы магниттік күштерді азайтуға көмектеседі, демек, қажетті механикалық қолдаудың мөлшерін азайтады. Сонымен қатар, сыртқы магниттік өрістің төмен болуына байланысты, тороидтік ШЭЖ коммуналдық немесе тұтынушы жүктемесіне жақын орналасуы мүмкін. Кішкентай ШЭЖ үшін, әдетте соленоидтар қолданылады, себебі оларды орау оңай және алдын ала қысым қолдану қажет емес. Тороидтік ШЭЖ-де катушка әрқашан сыртқы шеңберлермен және екі дискпен қысылады, олардың біреуі үстіңгі, екіншісі төменгі жағында орналасқан, бұзылуды болдырмау үшін. Қазіргі уақытта кішкентай ШЭЖ үшін тороидтік геометрияға аса қажеттілік жоқ, бірақ көлемі ұлғайған сайын механикалық күштер маңыздырақ болады және тороидтік катушка қажет болады. Ескі үлкен ШЭЖ тұжырымдамаларында көбінесе диаметрі шамамен 100 метр болатын және жерге көмілген төмен аспектілі соленоид қолданылған. Өлшемдердің ең төменгі шегінде 1 МДж шамасындағы энергияны сақтау үшін микро-ШЭЖ соленоидтарының тұжырымдамасы бар.
Besides the properties of the wire, the configuration of the coil itself is an important issue from a mechanical engineering aspect. There are three factors which affect the design and the shape of the coil they are: Inferior strain tolerance, thermal contraction upon cooling and Lorentz forces in a charged coil. Among them, the strain tolerance is crucial not because of any electrical effect, but because it determines how much structural material is needed to keep the SMES from breaking. For small SMES systems, the optimistic value of 0.3% strain tolerance is selected. Toroidal geometry can help to lessen the external magnetic forces and therefore reduces the size of mechanical support needed. Also, due to the low external magnetic field, toroidal SMES can be located near a utility or customer load. For small SMES, solenoids are usually used because they are easy to coil and no pre compression is needed. In toroidal SMES, the coil is always under compression by the outer hoops and two disks, one of which is on the top and the other is on the bottom to avoid breakage. Currently, there is little need for toroidal geometry for small SMES, but as the size increases, mechanical forces become more important and the toroidal coil is needed. The older large SMES concepts usually featured a low aspect ratio solenoid approximately 100 m in diameter buried in earth. At the low extreme of size is the concept of micro SMES solenoids, for energy storage range near 1 MJ.
Төмен температурадағы және жоғары температурадағы суперөткiштер
Тұрақты күйде және суперөткізгіштік күйде орамның кедергісі ескерілмейді. Дегенмен, суперөткізгішті салқындату үшін қажетті тоңазытқыш электр қуатын қажет етеді, және SMES құрылғысының энергия сақтау тиімділігін бағалау кезінде осы тоңазыту энергиясын ескеру қажет. Жоғары температуралы суперөткізгіштердің (ЖТЖ) жоғары критикалық температурасы болғанымен, осы критикалық температурадан төмен температурадағы орташа магниттік өрістерде флюс торларының еруі жүреді. Салқындату жүйесімен алынып тасталуы тиіс жылу жүктемелері: тіреу жүйесі арқылы жылу өткізгіштігі, жылы беттерден суық беттерге сәулелену, өткізгіштегі айнымалы токтан (AC) туындайтын шығындар (зарядтау және разрядтау кезінде), сондай-ақ суық орамды қуаттылықты реттеу жүйесіне қосатын суық-жылу қуат сымдарынан болатын шығындар. Жылу беттерінің дұрыс жобалануы арқылы жылу өткізгіштігі және сәулелену шығындары азайтылады. Сымдардың жоғалуын олардың жақсы жобалануы арқылы азайтуға болады. Айнымалы токтан туындайтын шығындар өткізгіштің құрылымына, құрылғының жұмыс циклына және қуатына байланысты. 77 К, 20 К және 4,2 К бастапқы температуралары үшін ЖТЖ және төмен температуралы суперөткізгіш (LTSC) тороидтық орамдарға қажетті салқындату талаптары осы ретпен артады. Мұндағы салқындату талаптары – салқындату жүйесін жұмыс істетуге қажетті электр қуаты ретінде анықталады. Сақталатын энергия 100 есеге артқанда, салқындату шығындары тек 20 есеге ғана артады. Сонымен қатар, ЖТЖ жүйесіндегі салқындатудан үнемдеу LTSC жүйесіне қарағанда 60%-дан 70%-ға дейін жоғары.
Under steady state conditions and in the superconducting state, the coil resistance is negligible. However, the refrigerator necessary to keep the superconductor cool requires electric power and this refrigeration energy must be considered when evaluating the efficiency of SMES as an energy storage device. Although high temperature superconductors (HTS) have higher critical temperature, flux lattice melting takes place in moderate magnetic fields around a temperature lower than this critical temperature. The heat loads that must be removed by the cooling system include conduction through the support system, radiation from warmer to colder surfaces, AC losses in the conductor (during charge and discharge), and losses from the cold–to warm power leads that connect the cold coil to the power conditioning system. Conduction and radiation losses are minimized by proper design of thermal surfaces. Lead losses can be minimized by good design of the leads. AC losses depend on the design of the conductor, the duty cycle of the device and the power rating. The refrigeration requirements for HTSC and low temperature superconductor (LTSC) toroidal coils for the baseline temperatures of 77 K, 20 K, and 4.2 K, increases in that order. The refrigeration requirements here is defined as electrical power to operate the refrigeration system. As the stored energy increases by a factor of 100, refrigeration cost only goes up by a factor of 20. Also, the savings in refrigeration for an HTSC system is larger (by 60% to 70%) than for an LTSC systems.
Құны
HTSC немесе LTSC жүйелерінің экономикалық тиімділігі ШОБ құнына әсер ететін басқа да маңызды компоненттерге байланысты: суперөткізгіштен және мыс тұрақтандырғыштан тұратын өткізгіш және суық тіреу өзіндік құны жоғары болып табылады. Оларды жалпы тиімділігі мен құнына қарай бағалау қажет. Басқа компоненттер, мысалы, вакуумдік ыдыстың жылу оқшаулауы, үлкен катушка құнымен салыстырғанда шамалы бөлігін құрайды. Тороидтік катушкалар үшін өткізгіштер, құрылым және тоңазытқыштың жиынтық құны басым болып табылады. Сол сияқты, соленоидтік катушкалар үшін де. HTSC катушкалары LTSC катушкаларынан 2-4 есе қымбатқа түседі. HTSC үшін төмендетілген тоңазыту талаптарына байланысты төмен құн күтілгенімен, бұл орын алмайды. Құн туралы түсінік алу үшін HTSC және LTSC катушкаларының негізгі компоненттеріне сәйкес келетін үш стандартты сақталған энергия деңгейін, яғни 2, 20 және 200 МВт·сағ қарастырайық. Барлық HTSC жағдайларында өткізгіш құны үш құнның басым бөлігін құрайды және кіші өлшемдерде ерекше маңызды. Бұл себептің бастысы LTSC және HTSC материалдарының салыстырмалы ток тығыздығында. HTSC сымының критикалық тогы, әдетте, жұмыс істейтін магнит өрісінде (шамамен 5-10 Тесла) LTSC сымынан төмен болады. Сым құны салмағы бойынша бірдей деп есептесек, HTSC сымының LTSC сымына қарағанда төмен Jc мәні болғандықтан, бірдей индуктивтілікке қол жеткізу үшін одан көп сым қажет болады. Сондықтан, сымның құны LTSC сымынан жоғары. Сонымен қатар, ШОБ мөлшері 2-ден 20-ға, содан кейін 200 МВт·сағ-қа дейін өскенде, LTSC өткізгіш құны да әр қадамда шамамен 10 есе артады. HTSC өткізгіш құны аздап баяу өседі, бірақ әлі де ең қымбат элемент болып табылады. HTSC немесе LTSC құрылысының құны әр қадамда (10 еселенген) 2-ден 20-ға, содан кейін 200 МВт·сағ дейін біркелкі өседі. Бірақ HTSC құрылысының құны жоғары, себебі HTSC-нің (керамика көп тартылу жүктемесін көтере алмайды) кернеуге төзімділігі LTSC-ден (мысалы, Nb3Ti немесе Nb3Sn) төмен, бұл көбірек құрылымдық материалдарды талап етеді. Осылайша, өте үлкен жағдайларда HTSC құнын жоғары магнит өрісінде катушка мөлшерін азайту арқылы толық өтеуге болмайды. Барлық жағдайларда тоңазытқыш құны өте аз екенін атап өткен жөн, сондықтан жоғары температурада тоңазыту талаптарының төмендеуіне байланысты үнемдеудің пайыздық көрсеткіші өте төмен. Яғни, егер HTSC (мысалы, BSCCO) төмен температурада, мысалы 20 К-де жақсы жұмыс істесе, ол міндетті түрде сол температурада жұмыс істейді. Кішкентай ШОБ үшін тоңазытқыш құнының төмендеуі оң әсер етеді. Анық көрініп тұрғанындай, суперөткізгіш катушкалардың көлемі сақталған энергияға байланысты өседі. Сондай-ақ, жоғары магнит өрісінде жұмыс істеуге байланысты LTSC торының максималды диаметрі HTSC магнит үшін LTSC магнитінен әрқашан кішірек болады. Соленоидтік катушкалар үшін биіктігі немесе ұзындығы HTSC катушкалары үшін де кішірек, бірақ тороидтік геометрияға қарағанда әлдеқайда жоғары (сыртқы магнит өрісінің төмендігіне байланысты). Магнит өрісінің жоғарылауы көлемді (энергия тығыздығының жоғарылауы) және құнды (өткізгіш ұзындығының қысқаруы) азайтуға мүмкіндік береді. Көлемнің кішірек болуы жоғары энергия тығыздығын білдіреді және өткізгіш ұзындығының қысқаруына байланысты құн төмендейді. Бұл жағдайда магнит өрісінің ең қолайлы мәні шамамен 7 Т. Егер өріс ең қолайлы мәннен жоғары болса, шығындарды аздап арттырып, көлемді одан әрі азайтуға болады. Өрістің ұлғайтылу шегі әдетте экономикалық емес, физикалық және тороидтың ішкі аяқтарын бір-біріне жақындату мүмкін болмауымен байланысты, сондай-ақ бұрандалы цилиндрге орын қалдыру қажеттігімен байланысты. Суперөткізгіш материал ШОБ үшін маңызды мәселе болып табылады. Суперөткізгіштерді дамыту жұмыстары Jc және деформация диапазонын арттыруға, сондай-ақ сымдарды өндіру құнын төмендетуге бағытталған.
Whether HTSC or LTSC systems are more economical depends because there are other major components determining the cost of SMES: Conductor consisting of superconductor and copper stabilizer and cold support are major costs in themselves. They must be judged with the overall efficiency and cost of the device. Other components, such as vacuum vessel insulation, has been shown to be a small part compared to the large coil cost. The combined costs of conductors, structure and refrigerator for toroidal coils are dominated by the cost of the superconductor. The same trend is true for solenoid coils. HTSC coils cost more than LTSC coils by a factor of 2 to 4. We expect to see a cheaper cost for HTSC due to lower refrigeration requirements but this is not the case. To gain some insight into costs consider a breakdown by major components of both HTSC and LTSC coils corresponding to three typical stored energy levels, 2, 20 and 200 MW·h. The conductor cost dominates the three costs for all HTSC cases and is particularly important at small sizes. The principal reason lies in the comparative current density of LTSC and HTSC materials. The critical current of HTSC wire is lower than LTSC wire generally in the operating magnetic field, about 5 to 10 teslas (T). Assume the wire costs are the same by weight. Because HTSC wire has lower (Jc) value than LTSC wire, it will take much more wire to create the same inductance. Therefore, the cost of wire is much higher than LTSC wire. Also, as the SMES size goes up from 2 to 20 to 200 MW·h, the LTSC conductor cost also goes up about a factor of 10 at each step. The HTSC conductor cost rises a little slower but is still by far the costliest item. The structure costs of either HTSC or LTSC go up uniformly (a factor of 10) with each step from 2 to 20 to 200 MW·h. But HTSC structure cost is higher because the strain tolerance of the HTSC (ceramics cannot carry much tensile load) is less than LTSC, such as Nb3Ti or Nb3Sn, which demands more structure materials. Thus, in the very large cases, the HTSC cost can not be offset by simply reducing the coil size at a higher magnetic field. It is worth noting here that the refrigerator cost in all cases is so small that there is very little percentage savings associated with reduced refrigeration demands at high temperature. This means that if a HTSC, BSCCO for instance, works better at a low temperature, say 20K, it will certainly be operated there. For very small SMES, the reduced refrigerator cost will have a more significant positive impact. Clearly, the volume of superconducting coils increases with the stored energy. Also, we can see that the LTSC torus maximum diameter is always smaller for a HTSC magnet than LTSC due to higher magnetic field operation. In the case of solenoid coils, the height or length is also smaller for HTSC coils, but still much higher than in a toroidal geometry (due to low external magnetic field). An increase in peak magnetic field yields a reduction in both volume (higher energy density) and cost (reduced conductor length). Smaller volume means higher energy density and cost is reduced due to the decrease of the conductor length. There is an optimum value of the peak magnetic field, about 7 T in this case. If the field is increased past the optimum, further volume reductions are possible with minimal increase in cost. The limit to which the field can be increased is usually not economic but physical and it relates to the impossibility of bringing the inner legs of the toroid any closer together and still leave room for the bucking cylinder. The superconductor material is a key issue for SMES. Superconductor development efforts focus on increasing Jc and strain range and on reducing the wire manufacturing cost.
ШОБ жүйелерінің болашақ дамуы
ШОБЖ жүйелерінің компоненттерінің болашақтағы дамуы оларды басқа да қолданулар үшін оңтайлырақ етуі мүмкін. Ең бастысы – суперөткізгіштердің дамуы. Конденсирленген заттар физиктері үнемі жоғары сыни температурасы бар суперөткізгіштерді іздеп жүреді. 2013 жылы зерттеушілер тобы тіпті бөлме температурасында жұмыс істейтін суперөткізгішті тапты. Ол пикосекундтар бойы тұрақты болды, ол оны қолдануға ыңғайсыз етеді, бірақ бөлме температурасында суперөткізгіштік мүмкін екенін дәлелдеді. Салқындату қажеттілігі – шығын. Бөлме температурасында немесе бөлме температурасына жақын суперөткізгішті пайдалану арқылы осы шығынды жою ШОБЖ жүйесін оңтайлырақ және тиімдірек етеді. Суперөткізгіштің сыни температурасы сыни токпен де тығыз байланысты. Жоғары сыни температурасы бар зат жоғары сыни токқа да ие болады. Бұл жоғары сыни ток энергия сақтауды квадратически арттырады. Бұл ШОБЖ жүйесінің қолданылу аясын едәуір кеңейтеді.
Future developments in the components of SMES systems could make them more viable for other applications. Most notably the development of superconductors. Condensed matter physicists are always looking for superconductors with higher critical temperatures. In 2013 a group of researchers even found a superconductor that works at room temperature. This was stable for picoseconds, making it impractical but nevertheless proving that room temperature superconductivity is possible. The need for refrigeration is a cost. Eliminating that cost by the use of a room temperature superconductor or even a near room temperature superconductor would make the SMES system more viable and more efficient. The critical temperature of a superconductor also has a strong correlation with the critical current. A substance with a high critical temperature will also have a high critical current. This higher critical current will raise the energy storage quadratically. This will massively increase the use of a SMES system.