La energía magnética superconductora del almacén de los sistemas (SMES) del almacenaje de energía del en el campo magnético creado por el flujo de la corriente continua en una bobina superconductora que ha sido el criogénico se refrescó a una temperatura debajo de su temperatura crítica superconductora .
Un sistema típico de los SMES incluye tres porciones: bobina superconductora, sistema del condicionamiento de energía y refrigerador criogénico refrescado. La bobina superconductora se carga una vez, la corriente no decaerá y la energía magnética se puede almacenar indefinidamente.
La energía almacenada se puede lanzar de nuevo a la red descargando la bobina. El sistema del condicionamiento de energía utiliza un inversor /el rectificador para transformar energía de la corriente alternada (CA) a la C. de la corriente continua o del convertido de nuevo a la corriente ALTERNA. El inversor/el rectificador explica pérdida de energía cerca de 2-3% en cada dirección. Los SMES pierden la menos cantidad de la electricidad en el proceso del almacenaje de energía comparado a otros métodos de almacenar energía. Los sistemas de los SMES son muy eficientes; la eficacia ida-vuelta es mayor de el 95%.
Debido a las necesidades energéticas de la refrigeración y al alto coste de alambre superconductor, SMES se utiliza actual para el almacenaje de energía de la duración corta. Por lo tanto, los SMES son lo más comúnmente posible devotos a mejorar la calidad de la energía. Si se utilizaran los SMES para las utilidades sería un dispositivo de almacenamiento diurnal, cargado de energía de la carga bá sico en las cargas máximas de la noche y de la reunión durante el día.
Ventajas sobre otros métodos del almacenaje de energía
Hay varias razones de usar almacenaje de energía magnético superconductor en vez de otros métodos del almacenaje de energía. Las ventajas más importantes de SMES son que el de retraso de tiempo durante carga y descarga es absolutamente corto. La energía está disponible casi instantáneamente y mismo la salida del poder más elevado se puede proporcionar por un breve periodo de tiempo. Otros métodos del almacenaje de energía, tales como aire hidráulico o comprimido bombeado tienen un asociado de retraso de tiempo substancial con la conversión de energía de la energía mecánica almacenada nuevamente dentro de electricidad. Así si una demanda de cliente es inmediata, los SMES son una opción viable. Otra ventaja es que la pérdida de energía es menos que otros métodos del almacenaje porque encuentro de las corrientes eléctricas casi ninguna resistencia . Las partes principales en los SMES son además inmóviles, que da lugar a alta confiabilidad.
Uso actual
Hay varias pequeñas unidades de los SMES disponibles para el uso comercial y varios proyectos más grandes de la cama de prueba. Varias unidades de 1 MW se utilizan para el control de la calidad de la energía en instalaciones en todo el mundo, para proporcionar especialmente calidad de la energía en las fábricas que requieren energía ultra-limpia, tal como instalaciones de la fabricación del microchip.
Estas instalaciones también se han utilizado para proporcionar estabilidad de la rejilla en sistemas de distribución. Los SMES también se utilizan en usos para uso general. En el norteño Wisconsin, una cadena de unidades distribuidas de los SMES fue desplegada para realzar estabilidad de un lazo de la transmisión. La línea de transmisión está conforme a los cambios de carga grandes, repentinos debido a la operación de un molino de papel, con el potencial para las fluctuaciones y el derrumbamiento incontrolados del voltaje. Los reveladores de tales dispositivos incluyen el superconductor americano.
El modelo de la prueba de ingeniería es los SMES grandes con una capacidad de aproximadamente 20 MW·h, capaz de proporcionar 400 MW de energía por 100 segundos o 10 MW de energía por 2 horas.
Cálculo de la energía almacenada
La energía magnética almacenada por una bobina que lleva una corriente es dada por una mitad de la inductancia de los tiempos de la bobina el cuadrado de la corriente.
Donde el E del = energía midió en los julios : El L = inductancia midió en el I del
de los Henrios = corriente medida en los amperios
Ahora dejarnos consideran un bobina cilíndrica de con los conductores de un rectangular seccionado transversalmente . El radio del medio de la bobina es el R . el un y el b son anchura y profundidad del conductor. el f se llama la función de la forma que es diferente para diversas formas de la bobina. el ξ del (XI) y el δ (delta) del son dos parámetros para caracterizar las dimensiones de la bobina. Podemos por lo tanto escribir la energía magnética almacenada en una bobina tan cilíndrica como se muestra abajo. Esta energía es una función de las dimensiones de la bobina, del número de vueltas y de la corriente que lleva.
Donde el E del = energía midió en el I del
de los julios = corriente medida en el f (ξ, δ) del
de los amperios = función de la forma, los julios por el N amperímetro = número de vueltas de la bobina
Solenoide contra toroide
Además de las características del alambre, la configuración de la bobina sí mismo es una edición importante de un aspecto de la ingeniería industrial . Hay tres factores que afectan al diseño y a la forma de la bobina. Son la tolerancia inferior de la tensión, contracción termal sobre las fuerzas del enfriamiento y de Lorentz en una bobina cargada. Entre ellos, la tolerancia de la tensión es crucial no debido a cualquier efecto eléctrico, pero porque determina cuánto material estructural es necesario guardar los SMES de la fractura. Para los pequeños sistemas de los SMES, el valor optimista de 0.3% tolerancias de la tensión se selecciona. El que la geometría toroidal de puede ayudar a disminuir las fuerzas magnéticas externas y por lo tanto que reduce el tamaño de la ayuda mecánica necesario. También, debido al campo magnético externo bajo, los SMES toroidales se pueden situar cerca de una utilidad o de una carga del cliente.
Para los pequeños SMES, los solenoides se utilizan generalmente porque son fáciles de arrollar y no hay precompresión necesaria. En SMES toroidales, la bobina está siempre bajo compresión al lado de los aros externos y de dos discos, uno cuyo está en la tapa y el otro está en la parte inferior para evitar fractura. Actual, hay poco necesidad de la geometría toroidal para los pequeños SMES, pero como el tamaño aumenta, las fuerzas mecánicas llegan a ser más importantes y la bobina toroidal es necesaria.
Los más viejos conceptos grandes de los SMES ofrecieron generalmente un solenoide bajo del cociente de aspecto aproximadamente 100 m de diámetro enterrado en tierra. En el extremo bajo del tamaño está el concepto de solenoides de los micro-SMES, para la gama del almacenaje de energía cerca de 1 MJ.
A baja temperatura contra los superconductores des alta temperatura
Bajo condiciones de estado estacionario y en el estado superconductor, la resistencia de bobina es insignificante. Sin embargo, el refrigerador necesario mantener el superconductor fresco requiere energía eléctrica y esta energía de la refrigeración debe ser considerada al evaluar la eficacia de SMES como dispositivo de almacenamiento de la energía.
Aunque el superconductor de alta temperatura (HTSC) tenga temperatura crítica más alta, el enrejado del flujo que derrite ocurre en campos magnéticos moderados alrededor de una temperatura más bajo que esta temperatura crítica. Las cargas de calor que se deben quitar por el sistema de enfriamiento incluyen la conducción a través del sistema de apoyo, radiación del calentador a superficies más frías, a pérdidas de la CA en el conductor (durante carga y descarga), y a pérdidas de los plomos frío-a-calientes de la energía que conectan la bobina fría con el sistema del condicionamiento de energía. La conducción y las pérdidas de radiación son reducidas al mínimo por el diseño apropiado de superficies termales. Las pérdidas del plomo se pueden reducir al mínimo por el buen diseño de los plomos. Las pérdidas de la CA dependen del diseño del conductor, del ciclo de deber del dispositivo y del grado de energía.
Los requisitos de la refrigeración para HTSC y las bobinas toroidales a baja temperatura del superconductor (LTSC) para las temperaturas de la línea de fondo de 77 K, 20 K y 4.2 K, aumentan de esa orden. Los requisitos de la refrigeración aquí se definen como corriente eléctrica de gestionar el sistema de refrigeración. Mientras que la energía almacenada aumenta en un factor de 100, la refrigeración costada sube solamente por un factor de 20. También, los ahorros en la refrigeración para un sistema de HTSC son más grandes (por el 60% a el 70%) que para los sistemas de un LTSC.
Coste
¿Son los sistemas de HTSC más económicos que sistemas de LTSC? Depende porque hay otros componentes importantes que determinan el coste de SMES: El conductor que consiste en el estabilizador del superconductor y del cobre y la ayuda fría son costes importantes en sí mismos. Deben ser juzgados con la eficacia total y el coste del dispositivo. Otros componentes, tales como aislamiento del recipiente del vacío, se han demostrado para ser una pequeña parte comparada al coste grande de la bobina. Los costes combinados de conductores, de la estructura y del refrigerador para las bobinas toroidales son dominados por el coste del superconductor. La misma tendencia es verdad para las bobinas del solenoide. HTSC arrolla coste más que bobinas de LTSC por un factor de 2 a 4. Esperamos ver un más barato costar para HTSC debido a requisitos más bajos de la refrigeración pero éste no es el caso. ¿Así pues, por qué es el sistema de HTSC más costoso?Para ganar una cierta penetración considerar una avería por los componentes importantes de las bobinas de HTSC y de LTSC que corresponden a tres niveles de energía almacenada típicos, 2, 20 y 200 MW·h. El coste del conductor domina los tres costes para todos los casos de HTSC y es particularmente importante en los pequeños tamaños. La razón principal miente en la densidad corriente comparativa de los materiales de LTSC y de HTSC. La corriente crítica ( J c) del alambre de HTSC es más baja que el alambre de LTSC generalmente en el campo magnético del funcionamiento, cerca de 5 a 10 teslas (t). Asumir que los costes del alambre son iguales por peso. Porque el alambre de HTSC tiene (el J c) valor más bajo que el alambre de LTSC, tomará mucho más alambre para crear la misma inductancia. Por lo tanto, el coste de alambre es mucho más alto que el alambre de LTSC. También, como el tamaño de los SMES va para arriba a partir el 2 a 20 a 200 MWh, el conductor de LTSC costado también va encima alrededor de un factor de 10 en cada paso. Las subidas del coste del conductor de HTSC un poco más lento pero siguen siendo el artículo en gran medida más costoso.
Los costes de la estructura de HTSC o de LTSC van encima de uniformemente (un factor de 10) con cada paso a partir del 2 a 20 a 200 MW·h. Pero el coste de la estructura de HTSC es más alto porque la tolerancia de la tensión del HTSC (la cerámica no puede llevar la carga mucho extensible) es menos que LTSC, tal como Nb3Ti o Nb3Sn, que exigen más materiales de la estructura. Así, en los casos muy grandes, el coste de HTSC no puede ser compensado simplemente reduciendo el tamaño de la bobina en un campo magnético más alto.
Vale quizá el observar aquí de que el refrigerador costado en todos los casos es tan pequeño que hay ahorros muy pequeños del porcentaje asociados a demandas reducidas de la refrigeración en la temperatura alta. ¿Qué hace este medio? Significa que si un HTSC, BSCCO por ejemplo, los trabajos mejor en una baja temperatura, dice 20K, será funcionado ciertamente allí. Para los SMES muy pequeños, el coste reducido del refrigerador tendrá un impacto positivo más significativo. Claramente, el volumen de bobinas superconductoras aumenta con el aumento de la energía almacenada. También, podemos ver que el diámetro máximo del toro de LTSC es siempre más pequeño para un imán de HTSC que LTSC debido a una operación más alta del campo magnético. En el caso de bobinas del solenoide, la altura o la longitud es también más pequeña para las bobinas de HTSC, pero aún mucho más arriba que en una geometría toroidal (debido al campo magnético externo bajo).
Un aumento en campo magnético máximo rinde una reducción en el volumen (densidad de una energía más alta) y el coste (reducido longitud del conductor). Un volumen más pequeño significa que la densidad y el coste de una energía más alta es reducido debido a la disminución de la longitud del conductor. Hay un valor óptimo del campo magnético máximo, cerca de 7 T en este caso. Si el campo se aumenta más allá del grado óptimo, reducciones más futuras del volumen son posibles con aumento mínimo en coste. El límite a el cual el campo se puede aumentar no es generalmente económico solamente la comprobación y él se relaciona con la imposibilidad de traer las piernas internas del toroide más cercano juntas y todavía sale del sitio para el cilindro bucking.
El material del superconductor es una cuestión clave para los SMES. Esfuerzos de desarrollo del superconductor se centran en el aumento de Jc y de la gama de la tensión y en la reducción del coste de fabricación del alambre
Limitaciones técnicas
El contenido en energía de los sistemas actuales de los SMES es generalmente absolutamente pequeño. Los métodos para aumentar la energía almacenada en SMES recurren a menudo a las unidades de almacenaje en grande. Como con otros usos superconductores, la criogénica es una necesidad. Una estructura mecánica robusta se requiere generalmente para contener las fuerzas de Lorentz muy grandes generadas por y en las bobinas de imán. El coste dominante para los SMES es el superconductor, seguido por el sistema de enfriamiento y el resto de la estructura mecánica.
ayuda mecánica del
- necesaria debido a fuerzas de lorentz.
tamaño del
- alcanzar niveles comercialmente útiles de almacenaje, alrededor 1 GW·h (3.6 TJ ), una instalación de los SMES necesitaría un lazo de alrededor 100 millas (160 kilómetros). Esto se representa tradicionalmente como círculo, aunque en la práctica podría estar más bién un rectángulo redondeado. En cualquier caso requeriría el acceso a una cantidad significativa de tierra para contener la instalación, y para contener los efectos sobre la salud conocidos abajo.
fabricación del
- hay dos ediciones de fabricación alrededor de los SMES. El primer es la fabricación del cable a granel conveniente llevar la corriente. La mayor parte de los materiales superconductores encontrados hasta la fecha son cerámica relativamente delicada, haciéndolo difícil utilizar establecieron técnicas para dibujar longitudes extendidas del alambre superconductor. Mucha investigación se ha centrado en las técnicas del depósito de la capa, aplicando una película fina del material sobre un substrato estable, pero esto es actual solamente conveniente para los circuitos eléctricos en reducida escala.
infraestructura del
- el segundo problema es la infraestructura requerida para una instalación. Hasta que se encuentren los superconductores de la temperatura ambiente, el lazo de 100 millas (160 kilómetros) del alambre tendría que ser contenido dentro de un frasco de vacío del nitrógeno líquido . Esto alternadamente requeriría la ayuda estable, prevista lo más comúnmente posible enterrando la instalación.
corriente crítica del
- en sistemas eléctricos generales mirar para maximizar la corriente que pueden dirigir. Esto hace cualquier pérdida debido a los inefficiences en el sistema relativamente insignificante. Desafortunadamente las características superconductoras de la mayoría de los materiales analizan aumentos tan actuales, en un nivel conocido como la corriente crítica. Los materiales actuales luchan, por lo tanto, para llevar la suficiente corriente para hacer una facilidad del almacenamiento comercial económicamente viable.
campo magnético crítico del
- relacionado con la corriente crítica, hay una limitación similar a la superconductividad ligada al campo magnético inducido en el alambre, y esto es también un factor en los niveles del almacenamiento comercial
efectos sobre la salud adversos posibles del
- la preocupación más grande con los SMES, más allá de accidentes posibles tales como una rotura en la contención del nitrógeno líquido, es los campos magnéticos muy grandes que serían creados por una instalación comercial, que empequeñecería el campo magnético de la tierra. Poco se sabe sobre los efectos de largo plazo de la exposición a tales campos, así que cualquier instalación es probable requerir una zona tapón significativa alrededor y sobre de ella proteger seres humanos y fauna.
| Random links: | Comunas del departamento del Lot-et-Garonne | Americano (automóvil 1899) | Función de Volterra | George Rodger | Broderick, California |