Superledande magnetisk energilagring

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

System för lagring av supraledande magnetisk energi (SMES) lagrar energi i magnetfältet som skapas av flödet av likström i en supraledande spole som har kylts ned till en temperatur under dess kritiska supraledande temperatur .

Ett typiskt SMES-system innehåller tre delar: supraledande spole , kraftkonditioneringssystem och kryogeniskt kylt kylskåp. När den supraledande spolen väl är laddad kommer strömmen inte att avta och den magnetiska energin kan lagras på obestämd tid.

Den lagrade energin kan frigöras tillbaka till nätverket genom att ladda ur spolen. Effektkonditioneringssystemet använder en växelriktare / likriktare för att omvandla växelström (AC) till likström eller omvandla DC tillbaka till växelström. Växelriktaren/likriktaren står för cirka 2–3 % energiförlust i varje riktning. SMES förlorar minst mängd el i energilagringsprocessen jämfört med andra metoder för att lagra energi. SMES-system är mycket effektiva; effektiviteten tur och retur är större än 95 %.

På grund av energikraven för kylning och de höga kostnaderna för supraledande tråd , används SMES för närvarande för kortvarig energilagring. Därför är SMES oftast ägnat åt att förbättra strömkvaliteten .

Fördelar jämfört med andra energilagringsmetoder

Det finns flera anledningar till att använda supraledande magnetisk energilagring istället för andra energilagringsmetoder. Den viktigaste fördelen med SMES är att tidsfördröjningen under laddning och urladdning är ganska kort. Ström är tillgänglig nästan omedelbart och mycket hög effekt kan tillhandahållas under en kort tidsperiod. Andra energilagringsmetoder, såsom pumpad vattenkraft eller komprimerad luft , har en betydande tidsfördröjning i samband med energiomvandlingen av lagrad mekanisk energi tillbaka till elektricitet. Så om efterfrågan är omedelbar är SMES ett gångbart alternativ. En annan fördel är att strömförlusten är mindre än andra lagringsmetoder eftersom elektriska strömmar nästan inte stöter på något motstånd . Dessutom är huvuddelarna i en SMES orörliga, vilket resulterar i hög tillförlitlighet.

Nuvarande användning

Det finns flera små SMES-enheter tillgängliga för kommersiellt bruk och flera större testbäddsprojekt. Flera enheter på 1 MW·h används för av strömkvalitet i installationer runt om i världen, särskilt för att tillhandahålla strömkvalitet vid tillverkningsanläggningar som kräver ultraren ström, såsom anläggningar för tillverkning av mikrochips.

Dessa anläggningar har också använts för att ge nätstabilitet i distributionssystem. SMES används också i verktygsapplikationer. I norra Wisconsin utplacerades en rad distribuerade SMES-enheter för att förbättra stabiliteten i en transmissionsslinga. Transmissionsledningen utsätts för stora, plötsliga belastningsförändringar på grund av driften av ett pappersbruk, med risk för okontrollerade fluktuationer och spänningskollaps.

Engineering Test Model är en stor SMES 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

Supraledande magnet och bärande struktur

Detta system inkluderar den supraledande 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 supraledande spolen. Denna spole bevarar sedan strömmen tills spolen återansluts till det större systemet, varefter spolen helt eller delvis laddas ur.

Kylsystem

Kylsystemet bibehåller spolens supraledande tillstånd genom att kyla spolen till driftstemperaturen.

Kraftkonditioneringssystem

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

Kontrollsystem

Styrsystemet övervakar nätets effektbehov och styr effektflödet från och till spolen. Styrsystemet hanterar även tillståndet för SMES-spolen genom att styra kylskåpet.

Arbetsprincip

Som en konsekvens av Faradays induktionslag genererar varje trådslinga som genererar ett föränderligt magnetfält i tiden också ett elektriskt fält. Denna process tar energi ut ur tråden genom den elektromotoriska kraften (EMF). EMF definieras som elektromagnetiskt arbete utfört på en enhetsladdning när den har färdats en runda av en ledande slinga. Energin kunde 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 tiden. Där Ɛ är spänningen eller EMF. Genom att definiera kraften kan vi beräkna det arbete som krävs för att skapa ett sådant elektriskt fält. På grund av energibesparing måste denna mängd arbete också vara lika med den energi som lagras i fältet.

$P=Q\epsilon /t$

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

$P=Q\epsilon /t=I\epsilon$

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

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

Byte ger nu:

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

Där L bara är en linjäritetskonstant som kallas induktansen mätt i Henry. Nu när kraften är hittad är det bara att fylla i arbetsekvationen för att hitta verket.

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

Som tidigare nämnts måste arbetet vara lika med energin som lagras i fältet. Hela denna beräkning är baserad på en enda slingad tråd. För ledningar som slingras flera gånger ökar induktionen L, eftersom L enkelt definieras som förhållandet mellan spänningen och strömförändringshastigheten. Sammanfattningsvis är den lagrade energin i spolen lika med:

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

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 . Medelradien för spolen är R. a och b är ledarens bredd och djup. 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 den magnetiska energin som lagras i en sådan cylindrisk spole som visas nedan. Denna energi är en funktion av spoldimensioner, antal varv och bärström.

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

Var

E = energi mätt i joule

I = ström mätt i ampere

f(ξ,δ) = formfunktion, joule per amperemeter

N = antal spolvarv

Solenoid kontra toroid

Förutom trådens egenskaper är själva spolens konfiguration en viktig fråga ur en maskinteknisk aspekt. Det finns tre faktorer som påverkar designen och formen på spolen - de är: Underlägsen töjningstolerans , termisk kontraktion 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 bestämmer hur mycket strukturellt material som behövs för att hålla SMES från att gå sönder. För små SMES-system väljs det optimistiska värdet på 0,3 % töjningstolerans. Toroidal geometri kan hjälpa till att minska de externa magnetiska krafterna och minskar därför storleken på det mekaniska stödet som behövs. På grund av det låga externa magnetiska fältet kan toroidformade SMES också placeras nära ett verktyg eller kundlast.

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

De äldre stora SMES-koncepten hade vanligtvis en magnet med lågt bildförhållande med en diameter på cirka 100 m nedgrävd i jorden. I den låga ytterligheten av storlek är konceptet med mikro-SMES-solenoider, för energilagringsintervall nära 1 MJ.

Lågtemperatur kontra högtemperatur supraledare

Under stationära förhållanden och i supraledande tillstånd är spolresistansen försumbar. Kylskåpet som krävs för att hålla supraledaren kall kräver dock elektrisk kraft och denna kylenergi måste beaktas när man utvärderar effektiviteten hos SMES som energilagringsenhet.

Även om högtemperatursupraledare (HTS) har högre kritisk temperatur, sker smältning av flödesgitter i måttliga magnetfält runt en temperatur som är lägre än denna kritiska temperatur. De värmebelastningar som måste avlägsnas av kylsystemet inkluderar ledning genom stödsystemet, strålning från varmare till kallare ytor, AC-förluster i ledaren (vid laddning och urladdning) och förluster från kall-till-varma strömledningar som ansluter den kalla spolen till kraftkonditioneringssystemet. Lednings- och strålningsförluster minimeras genom korrekt design av termiska ytor. Blyförluster kan minimeras genom bra design av ledningarna. AC-förluster beror på ledarens design, arbetscykel och märkeffekt.

Kylningskraven för HTSC- och lågtemperatursupraledare (LTSC) ringformade spolar för baslinjetemperaturerna 77 K, 20 K och 4,2 K, ökar i den ordningen. Kylningskraven här definieras 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

Huruvida HTSC- eller LTSC-system är mer ekonomiska beror på att det finns andra huvudkomponenter som bestämmer kostnaden för SMES: Ledare bestående av supraledare och kopparstabilisator och kallstöd är stora kostnader i sig. De måste bedömas utifrån enhetens totala effektivitet och kostnad. Andra komponenter, såsom vakuumkärlsisolering, har visat sig vara en liten del jämfört med den stora spolkostnaden. De sammanlagda kostnaderna för ledare, struktur och kylskåp för ringformade spolar domineras av kostnaden för supraledaren. Samma trend gäller för magnetspolar. HTSC-slingor kostar mer än LTSC-slingor med en faktor på 2 till 4. Vi förväntar oss att se en billigare kostnad för HTSC på grund av lägre kylkrav men så är inte fallet.

För att få en viss inblick i kostnaderna, överväg en uppdelning på huvudkomponenter i både HTSC- och LTSC-spolar motsvarande tre typiska lagrade energinivåer, 2, 20 och 200 MW·h. Ledarkostnaden dominerar de tre kostnaderna för alla HTSC-fall och är särskilt viktig vid små storlekar. Den huvudsakliga orsaken ligger i den jämförande strömtätheten för LTSC- och HTSC-material. Den kritiska strömmen för HTSC-tråd är lägre än LTSC-tråd i allmänhet i det magnetiska fältet som är i drift, cirka 5 till 10 tesla (T). Antag att trådkostnaderna är desamma i vikt. Eftersom HTSC-tråd har lägre ( Jc ) värde än LTSC-tråd, kommer det _att krävas 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 också LTSC-ledarkostnaden med omkring en faktor 10 vid varje steg. HTSC-ledarkostnaden stiger lite långsammare men är fortfarande den i särklass dyraste posten.

Strukturkostnaderna för antingen HTSC eller LTSC ökar jämnt (en faktor 10) med varje steg från 2 till 20 till 200 MW·h. Men HTSC-strukturkostnaden är högre eftersom töjningstoleransen för HTSC (keramer kan inte bära mycket dragbelastning) är mindre än LTSC, såsom Nb ₃ Ti eller Nb ₃ Sn , som kräver mer strukturmaterial. Således, i de mycket stora fallen, kan HTSC-kostnaden 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 är mycket små procentuella besparingar förknippade med minskat kylbehov vid hög temperatur. Det betyder att om en HTSC, BSCCO till exempel, fungerar bättre vid en låg temperatur, säg 20K, kommer den säkert att användas där. För mycket små små och medelstora företag kommer den minskade kostnaden för kylskåp att ha en mer betydande positiv inverkan.

Det är klart 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 magnetfältsdrift. När det gäller magnetspolar är höjden eller längden också mindre för HTSC-spolar, men fortfarande mycket högre än i en toroidformad geometri (på grund av lågt yttre magnetfält).

En ökning av det maximala magnetfältet ger en minskning av både volym (högre energitäthet) och kostnad (minskad ledarlängd). Mindre volym innebär högre energitäthet och kostnaden minskar på grund av minskningen av ledarlängden. Det finns ett optimalt värde för toppmagnetfältet, ca 7 T i detta fall. Om fältet utökas förbi det optimala är ytterligare volymminskningar möjliga med minimal kostnadsökning. Gränsen till vilken fältet kan ökas är vanligtvis inte ekonomisk utan fysisk och den hänför sig till omöjligheten att föra toroidens inre ben närmare varandra och ändå lämna utrymme för bucklingscylindern.

Supraledarmaterialet är en nyckelfråga för SMES. Utvecklingsinsatser för supraledare fokuserar på att öka Jc- och töjningsräckvidden och på att minska tillverkningskostnaden för trådar .

Ansökningar

Energitätheten, effektiviteten och den höga utsläppshastigheten gör SMES användbara system att integrera i moderna energinät och initiativ för grön energi. SMES-systemets användningsområden kan kategoriseras i tre kategorier: kraftförsörjningssystem, styrsystem och nöd-/beredskapssystem.

FAKTA

FAKTA ( flexibla AC transmissionssystem ) enheter 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 realiseringen av SMES med hjälp av FACTS-enheter installerades av Bonnevilles kraftmyndighet 1980. Detta system använder SMES-system för att dämpa de låga frekvenserna, vilket bidrar till stabiliseringen av elnätet. År 2000 introducerades SMES-baserade FACTS-system på nyckelpunkter i det norra Winstons elnät 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 ström som skapas. Strömförbrukningen varierar under dygnet och varierar även under säsongerna. SMES-system kan användas för att lagra energi när den genererade effekten är högre än efterfrågan/belastningen, och släppa ut kraft när belastningen är högre än den genererade effekten. Därmed kompenseras för effektfluktuationer. Att använda dessa system gör det möjligt för konventionella generatorenheter att arbeta med en konstant effekt, vilket är mer effektivt och bekvämt. Men när kraftobalansen mellan utbud och efterfrågan varar under en lång tid, kan SMES bli helt urladdat.

Belastningsfrekvenskontroll

När belastningen inte uppfyller den genererade uteffekten, på grund av en laststörning, kan detta göra att lasten blir större än generatorernas märkeffekt . Detta kan till exempel hända när vindgeneratorer inte snurrar på grund av en plötslig brist på vind. Denna belastningsstörning kan orsaka ett belastnings-frekvenskontrollproblem . Detta problem kan förstärkas i DFIG -baserade vindkraftsgeneratorer. Denna belastningsskillnad kan kompenseras av effekt från SMES-system som lagrar energi när produktionen är större än belastningen. SMES-baserade belastningsfrekvensstyrsystem har fördelen av snabb respons jämfört med moderna styrsystem.

Avbrottsfri strömförsörjning

Avbrottsfri strömförsörjning (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 strömmen för att fortsätta driften av viktiga system. SMES-baserade UPS är mest användbara i system som måste hållas vid vissa kritiska belastningar.

Återstängande effektbrytare

När effektvinkelskillnaden över en strömbrytare är för stor, förhindrar skyddsreläer att brytarna åter stängs. SMES-system kan användas i dessa situationer för att minska effektvinkelskillnaden över strömbrytaren. Därigenom tillåts återstängning av strömbrytaren. Dessa system möjliggör snabb återställning av systemström efter större överföringsledningsavbrott.

Spinnreserv

Spinnreserv är den extra genereringskapacitet som finns tillgänglig genom att öka kraftgenereringen av system som är anslutna till nätet. Denna kapacitet reserverad av systemoperatören för kompensation av störningar i elnätet. På grund av de snabba laddningstiderna och snabba växelström till likström omvandlingsprocessen för SMES-system, kan dessa system användas som en snurrande reserv när ett större nät av transmissionsledningar är ur drift.

SFCL

Superconducting Fault Current Limiters (SFCL) används för att begränsa strömmen under ett fel i nätet. I detta system släcks en supraledare (höjs i temperatur) när ett fel i rutnätet upptäcks. Genom att släcka supraledaren stiger motståndet och strömmen avleds till andra nätlinjer. Detta görs utan att störa det större nätet. När felet är åtgärdat sänks SFCL-temperaturen och blir osynlig för det större nätet.

Elektromagnetiska bärraketer

Elektromagnetiska utskjutare 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 med hjälp av snabbkopplingskapaciteten och den höga effekttätheten hos SMES-systemet.

Framtida utveckling för SMES-system

Framtida utveckling av komponenterna i SMES-system kan göra dem mer lönsamma för andra tillämpningar. Framför allt utvecklingen av supraledare. Fysiker av kondenserad materia letar alltid efter supraledare med högre kritiska temperaturer. 2013 hittade en grupp forskare till och med en supraledare som fungerar vid rumstemperatur. Detta var stabilt i pikosekunder, vilket gjorde det opraktiskt men bevisade ändå att supraledning vid rumstemperatur är möjlig. Behovet av kylning är en kostnad. Att eliminera den kostnaden genom att använda en supraledare i rumstemperatur eller till och med en supraledare i nära rumstemperatur skulle göra SMES-systemet mer lönsamt och effektivare.

Den kritiska temperaturen hos en supraledare 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 höja energilagringen exponentiellt. Detta kommer att avsevärt öka användningen av ett SMES-system.

Tekniska utmaningar

Energiinnehållet i nuvarande SMES-system är vanligtvis ganska litet. Metoder för att öka den energi som lagras i SMES använder sig ofta av storskaliga lagringsenheter. Som med andra supraledande tillämpningar 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 SMES är supraledaren, 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 magnetfält som genereras av spolen på den större strukturen.
Storlek: För att uppnå kommersiellt användbara lagringsnivåer, cirka 5 GW·h (18 TJ ), skulle en SMES-installation behöva en slinga på cirka 0,5 miles (800 m). Detta är traditionellt avbildat som en cirkel, men i praktiken kan det vara mer som en rundad rektangel. I båda fallen skulle det krävas tillgång till en betydande mängd mark för att hysa installationen.
Tillverkning: Det finns två tillverkningsproblem kring SMES. Den första är tillverkningen av bulkkabel som är lämplig för att bära strömmen. De HTSC supraledande materialen som hittills hittats är relativt ömtåliga keramik, vilket gör det svårt att använda etablerade tekniker för att dra långa längder av supraledande tråd. Mycket forskning har fokuserat på skiktavsättningstekniker, applicering av en tunn film av material på ett stabilt substrat, men detta är för närvarande endast lämpligt för småskaliga elektriska kretsar.
Infrastruktur: Det andra problemet är den infrastruktur som krävs för en installation. Tills rumstemperatursupraledare hittas måste den 800 m långa trådslingan finnas i en vakuumkolv med flytande kväve . Detta i sin tur skulle kräva stabilt stöd, oftast föreställs genom att gräva ner installationen.
Kritiskt magnetfält: Över en viss fältstyrka, känt som det kritiska fältet, förstörs det supraledande tillståndet. Detta innebär att det finns en maximal laddningshastighet för det supraledande materialet, givet att magnituden på magnetfältet bestämmer flödet som fångas upp av den supraledande spolen.
Kritisk ström: Generellt ser kraftsystem ut att maximera den ström de kan hantera. Detta gör att eventuella förluster på grund av ineffektiviteter i systemet är relativt obetydliga. Tyvärr kan stora strömmar generera magnetiska fält 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 lönsam.

Flera problem i början av tekniken har hindrat dess spridning:

Dyra kylaggregat och hög effektkostnad för att upprätthålla 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 när det gäller prestanda för supraledande material. Dessutom har tillförlitligheten och effektiviteten hos kylsystem förbättrats avsevärt.

Lång förkylningstid

För närvarande tar det fyra månader att kyla batteriet från rumstemperatur till dess driftstemperatur . 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. Den snabba frigöringen av energi vid spolfel kan skada omgivande system. Vissa konceptuella konstruktioner föreslår att införliva en supraledande kabel i konstruktionen med som mål absorption av energi efter spolfel. Systemet måste också hållas i utmärkt elektrisk isolering för att förhindra förlust av energi.

Se även

Bibliografi

Sheahen, T., P. (1994). Introduktion till högtemperatursupraledning. 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 framtidsutsikter för svänghjul och SMES som innehåller HTS. Physica C 372–376, s. 1 495–1 499.
Hassenzahl, WV (mars 2001). "Superledning, en möjliggörande teknik för 2000-talets kraftsystem?". IEEE-transaktioner på 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 .

externa länkar