Giới thiệu về lưu trữ năng lượng từ siêu dẫn (SMEs): Nguyên tắc và ứng dụng

Bài báo thảo luận về cách năng lượng được lưu trữ trong từ trường thông qua cảm ứng điện từ và các phương trình liên quan.Nó cũng kiểm tra các thiết kế và vật liệu tiên tiến được sử dụng trong việc tạo ra các hệ thống nhỏ, tập trung vào các cuộn dây hình xuyến và điện từ.Các hệ thống này được sử dụng trong các cài đặt khác nhau, từ các cơ sở y tế đến các trang web công nghiệp.Bài báo cung cấp một cái nhìn tổng quan chi tiết về các thành phần, chẳng hạn như các vật liệu siêu dẫn như Niobium-Titanium và Yttri Barium Copper Oxide, và các cân nhắc thiết kế quan trọng cho cấu hình cuộn dây trong các hệ thống DM.

Danh mục

Hình 1: Lưu trữ năng lượng từ siêu dẫn

Superconductivity là gì?

Siêu dẫn là một hiện tượng cơ học lượng tử trong đó một số vật liệu dẫn điện không có điện trở khi được làm mát dưới nhiệt độ yêu cầu.Nó bao gồm:

Không điện trở bằng điện

Superconductor cho phép dòng chảy vĩnh viễn mà không mất năng lượng trong điều kiện lý tưởng, đó là đặc tính xác định của chúng.

Hiệu ứng Meissner

Chất siêu dẫn trục xuất từ ​​trường từ bên trong của chúng khi ở trạng thái siêu dẫn.Điều này được gọi là hiệu ứng Meissner và tốt để duy trì từ trường ổn định và hiệu quả trong các ứng dụng DNNST.

Chuyển pha

Độ siêu dẫn xảy ra ở nhiệt độ cụ thể được gọi là nhiệt độ tới hạn.Nhiệt độ này là đặc trưng cho vật liệu và có thể dao động từ nhiệt độ gần như tuyệt đối đến cao hơn cho các chất siêu dẫn nhiệt độ cao.

Hình 2:

Hình 3: Lực điện từ

Cơ chế lưu trữ năng lượng trong từ trường

Trong các hệ thống nhỏ, năng lượng được lưu trữ trong từ trường được tạo ra bởi dòng điện trực tiếp trong một cuộn dây siêu dẫn.Quá trình liên quan đến:

Khi dòng điện chảy qua cuộn dây siêu dẫn, một từ trường được tạo ra.Theo lý thuyết điện từ, năng lượng được lưu trữ trong từ trường tỷ lệ thuận với bình phương của dòng điện và cuộn cảm của cuộn dây.

Năng lượng (E) được lưu trữ có thể được định lượng bằng phương trình:

trong đó L là độ tự cảm của cuộn dây, và tôi là dòng điện.Thiết kế cuộn dây tập trung vào tối đa hóa độ tự cảm và khả năng hiện tại để tăng lưu trữ năng lượng.

Để lưu trữ và sử dụng năng lượng một cách hiệu quả, từ trường phải được chứa và kiểm soát.Điều này liên quan đến hình học phức tạp và kỹ thuật vật liệu để tối ưu hóa các con đường từ tính và giảm thiểu tổn thất.

Các thành phần của lưu trữ năng lượng từ siêu dẫn (SMEs)

Các cuộn dây siêu dẫn được thiết kế để tối ưu hóa tính siêu dẫn, cho phép dòng điện chảy mà không có điện trở.Các cuộn dây này được tạo ra bằng cách cuộn dây siêu dẫn quanh lõi hoặc định hình nó thành một điện từ.

• Cấu hình cuộn dây

Cuộn dây điện từ - Các cuộn hình trụ này tạo ra một từ trường đồng nhất bên trong và được sử dụng trong các máy MRI.

Cuộn dây Toroidal - Có hình dạng như một chiếc bánh rán, các cuộn dây này được sử dụng trong các ứng dụng như lò phản ứng tokamak để ngăn chặn huyết tương trong nghiên cứu hợp nhất.

Hình 4: cuộn dây điện từ và cuộn dây hình xuyến

• Hệ thống làm mát

Các hệ thống làm mát tiên tiến là hữu ích để duy trì tính siêu dẫn.Các hệ thống này sử dụng helium lỏng, nitơ lỏng hoặc máy lạnh để giữ các cuộn dây ở nhiệt độ dưới ngưỡng của chúng.

Vật liệu được sử dụng trong cuộn dây siêu dẫn

Hiệu suất của các cuộn dây siêu dẫn phụ thuộc rất nhiều vào các vật liệu được sử dụng.Hai loại vật liệu siêu dẫn chính là:

• Chất siêu dẫn nhiệt độ thấp (LTS)

Niobium-titanium (NBTI): Thường được sử dụng trong các hệ thống MRI và các cơ sở nghiên cứu, NBTI được đánh giá cao về độ bền và các yêu cầu gây lạnh tương đối đơn giản.

Niobium-Tin (NB3SN): Với ngưỡng nhiệt độ và từ trường cao hơn NBTI, NB3SN là lý tưởng cho các ứng dụng cần từ trường mạnh hơn.

• Chất siêu dẫn nhiệt độ cao (HTS)

Yttri Barium Copper Oxide (YBCO): Vật liệu này hoạt động ở nhiệt độ cao hơn vật liệu LTS, đơn giản hóa và giảm chi phí của các hệ thống làm mát.

Bismuth Strontium Canxi Oxide (BSCCO): Được biết đến với dạng giống như băng, BSCCO linh hoạt và phù hợp cho các cuộn dây có hình dạng phức tạp.

Hình 5: Oxit đồng Barium Yttri (YBCO) và Bismuth Strontium Canxi Oxide (BSCCO)

Quá trình chuyển đổi năng lượng trong hệ thống lưu trữ năng lượng từ siêu dẫn

Bước đầu tiên trong hệ thống doanh nghiệp vừa và nhỏ là thay đổi dòng điện xoay chiều (AC) thành dòng điện trực tiếp (DC) vì cuộn dây siêu dẫn chạy trên DC.

AC, xuất phát từ lưới điện hoặc một nhà máy điện, đi vào một bộ chỉnh lưu.Công việc của bộ chỉnh lưu là biến AC, thay đổi hướng, thành DC, chảy theo một hướng.Nó sử dụng các thiết bị như điốt hoặc thyristors để làm điều này.

Sau khi chuyển đổi này, DC vẫn có thể có một số gợn sóng giống như AC.Để làm mịn những thứ này, chúng tôi sử dụng các bộ lọc với tụ điện và cuộn cảm.Điều này làm cho DC ổn định, cho hiệu quả và an toàn của hệ thống doanh nghiệp vừa và nhỏ.

Với DC trơn tru đã sẵn sàng, DC chảy vào một cuộn dây siêu dẫn, không có điện trở. Điều này cho phép dòng điện chảy mà không mất năng lượng.

DC trong cuộn dây tạo ra một từ trường mạnh mẽ xung quanh nó, chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng từ được lưu trữ trong trường này.

Để giữ cho cuộn dây siêu dẫn, cuộn dây được giữ ở nhiệt độ rất thấp bằng cách sử dụng chất làm mát lạnh như helium lỏng hoặc nitơ. Điều này rất quan trọng vì bất kỳ sự gia tăng nhiệt độ nào cũng có thể khiến cuộn dây mất khả năng siêu dẫn, dẫn đến mất năng lượng.

Khi chúng ta cần năng lượng được lưu trữ, năng lượng được lưu trữ trong từ trường điều khiển dòng DC trong cuộn dây. DC này cần được biến trở lại thành AC để hữu ích cho hầu hết các hệ thống điện.Một biến tần thực hiện điều này bằng cách thay đổi hướng của dòng điện ở tần số phù hợp với lưới AC.

Đầu ra AC được đồng bộ hóa với điện áp, tần số và pha của lưới trước khi được gửi đi, đảm bảo nó hoạt động tốt với lưới và các tải điện khác.

Hình 6: Sơ đồ của hệ thống lưu trữ năng lượng từ siêu dẫn

Thiết kế hệ thống lưu trữ năng lượng từ siêu dẫn

Thiết kế cuộn dây trong các hệ thống nhỏ cần thiết cho hiệu quả, chi phí và dung lượng lưu trữ năng lượng.Hai thiết kế cuộn chính là hình xuyến và điện từ.

Loại cuộn dây	Hình học và chức năng	Thuận lợi	Bất lợi
Cuộn dây hình xuyến	Hình bánh rán, được thiết kế để giữ gần như tất cả từ trường bên trong cuộn dây, giảm thiểu rò rỉ.Hình dạng này giúp Giảm các lực điện từ hoạt động trên cấu trúc cuộn dây.	Ngăn chặn từ trường: Từ tính Trường ở trong cuộn dây, dẫn đến từ trường đi lạc thấp hơn.	Sự phức tạp sản xuất: Xây dựng Hình dạng hình xuyến rất phức tạp và tốn kém.
		An toàn: Thiết kế này an toàn hơn và giảm nhiễu với các thiết bị điện tử gần đó và các thiết bị nhạy cảm khác.	Thách thức bảo trì: truy cập Các phần bên trong của các cuộn dây này rất khó khăn, làm phức tạp bảo trì và điều tra.
Cuộn dây điện từ	Hình trụ, với dòng điện chạy dọc theo Chiều dài của xi lanh.Thiết kế này đơn giản hơn và đơn giản hơn hơn cấu hình hình xuyến.	Dễ dàng sản xuất: cuộn dây điện từ là Dễ dàng và ít tốn kém hơn để sản xuất do hình học đơn giản của họ. Khả năng tiếp cận bảo trì: Thiết kế kết thúc mở giúp chúng dễ dàng hơn để duy trì và kiểm tra.	Rò rỉ từ trường: từ tính Rò rỉ trường ở cả hai đầu của xi lanh, có thể ảnh hưởng đến điện tử gần đó thiết bị và yêu cầu che chắn bổ sung.

Các yếu tố ảnh hưởng đến việc lựa chọn thiết kế cuộn dây

Hình 7: Cuộn dây điện từ và cuộn dây hình xuyến

Ứng dụng dự định: Ứng dụng ra lệnh cho sự lựa chọn cuộn dây.Ví dụ, các cuộn dây hình xuyến được ưa thích trong đó sự can thiệp điện từ phải được giảm thiểu, chẳng hạn như trong các cơ sở y tế hoặc gần thiết bị khoa học nhạy cảm.

Yêu cầu lưu trữ năng lượng: Lượng năng lượng được lưu trữ ảnh hưởng đến thiết kế cuộn dây.Cuộn dây điện từ có thể phù hợp với các ứng dụng quy mô nhỏ hơn do hiệu quả chi phí của chúng, trong khi các cuộn dây hình xuyến có thể được sử dụng để lưu trữ quy mô công nghiệp lớn hơn do hiệu quả và rò rỉ từ tính tối thiểu.

Các ràng buộc về không gian và môi trường: Không gian vật lý và điều kiện môi trường có sẵn là những cân nhắc chính.Các cuộn dây hình xuyến, với từ trường nhỏ gọn và kèm theo của chúng, phù hợp hơn cho các không gian hạn chế hoặc khu vực đông dân cư.

Hạn chế về ngân sách: Giới hạn ngân sách Tác động đến sự lựa chọn thiết kế cuộn dây.Cuộn dây điện từ ít tốn kém hơn và có thể được ưu tiên trong các dự án nhạy cảm với chi phí.

Xem xét bảo trì và hoạt động: Dễ bảo trì và độ tin cậy hoạt động là rất quan trọng.Cuộn dây điện từ, cung cấp quyền truy cập dễ dàng hơn để bảo trì và kiểm tra, có thể là một yếu tố quyết định trong lựa chọn của họ.

Ưu điểm của hệ thống lưu trữ năng lượng từ siêu dẫn

Lợi thế	Sự miêu tả
Hiệu quả cao và thời gian phản hồi nhanh	Các hệ thống SMES đạt được hiệu quả hơn 95% Bằng cách lưu trữ năng lượng trong một cuộn dây siêu dẫn với điện trở gần như bằng không.Họ Có thể đáp ứng với sự thay đổi nhu cầu năng lượng trong mili giây.
Tác động và ổn định môi trường	Các hệ thống này thân thiện với môi trường, phát ra Không có khí nhà kính hoặc sử dụng vật liệu độc hại.Họ duy trì ổn định Hiệu suất bất kể điều kiện bên ngoài như nhiệt độ hoặc thời tiết.
Độ tin cậy và tuổi thọ	Các hệ thống nhỏ không có bộ phận chuyển động và sử dụng Vật liệu siêu dẫn bền, dẫn đến ít hao mòn hơn và thấp hơn Chi phí bảo trì trong tuổi thọ dài của họ.
Khả năng mở rộng và linh hoạt	Có khả năng lưu trữ năng lượng từ một vài Kilowatt-giờ đến vài giờ, các đơn vị của các doanh nghiệp vừa và nhỏ linh hoạt cho nhiều loại khác nhau các ứng dụng và có thể được cài đặt trong các môi trường khác nhau với tối thiểu sửa đổi.
Hỗ trợ lưới điện và năng lượng tái tạo	Chúng giúp điều chỉnh điện áp, ổn định Tần suất và đầu ra mịn từ các nguồn tái tạo, nâng cao lưới Độ tin cậy và hỗ trợ tích hợp nhiều hơn của năng lượng tái tạo.
Hiệu quả chi phí dài hạn	Mặc dù chi phí ban đầu cao, các doanh nghiệp vừa và nhỏ Các hệ thống có chi phí hoạt động và bảo trì thấp, khiến chúng Hiệu quả về chi phí trong thời gian dài, đặc biệt là trong các ứng dụng cụ thể.
An toàn và an ninh	Các hệ thống doanh nghiệp vừa và nhỏ tránh được những rủi ro của vụ nổ hoặc rò rỉ độc hại liên quan đến các giải pháp lưu trữ hóa học, làm cho Chúng an toàn hơn cho các cài đặt khác nhau, bao gồm cả khu vực đô thị.

Các ứng dụng lưu trữ năng lượng từ siêu dẫn

Hình 8: Hệ thống truyền AC linh hoạt, một trong những ứng dụng chính của lưu trữ năng lượng từ siêu dẫn

Bệnh viện

Các bệnh viện dựa vào nguồn cung cấp điện không bị gián đoạn (UPS) để giữ cho các thiết bị cứu sinh và hệ thống chăm sóc hoạt động.Các hệ thống nhỏ cung cấp một giải pháp UPS đáng tin cậy bằng cách giải phóng năng lượng được lưu trữ ngay lập tức trong các lỗi năng lượng, giảm thiểu sự gián đoạn hoạt động.Họ cũng duy trì quy định năng lượng chất lượng cao, bảo vệ các thiết bị y tế nhạy cảm khỏi các biến động năng lượng nhỏ.

Trung tâm dữ liệu

Các trung tâm dữ liệu, quản lý một lượng lớn thông tin kỹ thuật số, rất nhạy cảm với các vấn đề chất lượng năng lượng.Các hệ thống nhỏ là lý tưởng để bảo vệ chống lại các nhiễu điện trong thời gian ngắn như độ lệch và tăng điện áp.Bằng cách tích hợp các doanh nghiệp vừa và nhỏ, các trung tâm dữ liệu có thể đảm bảo hoạt động liên tục của máy chủ và thiết bị mạng, duy trì tính khả dụng và tính toàn vẹn của dịch vụ dữ liệu.

Tích hợp năng lượng tái tạo

Các nguồn năng lượng tái tạo như gió và mặt trời giới thiệu sự thay đổi trong phát điện do điều kiện thời tiết.Các hệ thống nhỏ ổn định lưới điện bằng cách nhanh chóng hấp thụ điện dư thừa trong thời gian sản xuất cao và giải phóng năng lượng trong quá trình sản xuất thấp, làm mịn các dao động và tăng cường độ ổn định lưới.

Trạm sạc xe điện

Với việc áp dụng ngày càng tăng của xe điện (EV), nhu cầu về các giải pháp sạc hiệu quả và nhanh chóng tăng lên.Các hệ thống nhỏ tại các trạm sạc EV quản lý nhu cầu tải bằng cách lưu trữ năng lượng trong thời gian thấp điểm và giải phóng nó trong thời gian nhu cầu cao nhất.Điều này làm giảm căng thẳng trên lưới điện và cho phép thời gian sạc nhanh hơn.

Ứng dụng công nghiệp

Các ngành công nghiệp đòi hỏi sự bùng nổ đột ngột của quyền lực từ các hệ thống các doanh nghiệp vừa và nhỏ.Các hệ thống này cung cấp năng lượng phù hợp mà không cần vẽ rất nhiều trên lưới, cần trong việc sản xuất để kiểm soát chính xác máy móc và duy trì chất lượng sản phẩm.

Quân đội và hàng không vũ trụ

Các cơ sở quân sự và hoạt động hàng không vũ trụ đòi hỏi năng lượng đáng tin cậy và chất lượng cao.Các hệ thống nhỏ cung cấp nguồn cung cấp năng lượng phản ứng nhanh, đảm bảo các hoạt động không bị gián đoạn và hỗ trợ nhu cầu năng lượng cao của công nghệ và thiết bị tiên tiến trong các lĩnh vực này.

Hệ thống vận chuyển hàng loạt

Mạng lưới đường sắt và hệ thống vận chuyển đô thị cải thiện hiệu quả và độ tin cậy năng lượng với các doanh nghiệp vừa và nhỏ.Các đơn vị này quản lý năng lượng được sản xuất trong quá trình phanh và phân phối lại nó một cách hiệu quả, tăng cường hiệu quả năng lượng tổng thể của hệ thống vận chuyển.

Phần kết luận

Bài báo khám phá các hệ thống lưu trữ năng lượng từ tính siêu dẫn (SMEs), làm nổi bật tiềm năng của chúng như một công nghệ lưu trữ năng lượng mang tính cách mạng.Các hệ thống nhỏ cung cấp hiệu quả cao, thời gian phản ứng nhanh và tác động môi trường thấp, khiến chúng trở thành giải pháp cho các thách thức năng lượng hiện tại.Bài báo bao gồm việc sử dụng chúng trong các lĩnh vực khác nhau, bao gồm chăm sóc sức khỏe, năng lượng tái tạo và vận chuyển, cho thấy tính linh hoạt và khả năng mở rộng của chúng.Khi thế giới hướng tới các giải pháp năng lượng bền vững, công nghệ của các doanh nghiệp vừa và nhỏ nổi bật trong việc tăng cường khả năng phục hồi năng lượng toàn cầu.Sự phát triển liên tục trong các doanh nghiệp vừa và nhỏ để tích hợp các nguồn năng lượng tái tạo, cải thiện tính ổn định và hiệu quả của cơ sở hạ tầng năng lượng toàn cầu.

Câu hỏi thường gặp [Câu hỏi thường gặp]

1. Làm thế nào để một năng lượng lưu trữ từ trường?

Một từ trường lưu trữ năng lượng thông qua sự liên kết và chuyển động của các lưỡng cực từ hoặc các hạt tích điện.Khi một dòng điện đi qua một cuộn dây, nó tạo ra một từ trường xung quanh cuộn dây.Từ trường này có khả năng lưu trữ năng lượng do công việc được thực hiện để thiết lập trường.Cụ thể, năng lượng được yêu cầu để sắp xếp các khoảnh khắc từ tính của các nguyên tử trong một vật liệu, từ đó tạo ra một trường có thể tác dụng lực và hoạt động trên các vật thể khác.Năng lượng được lưu trữ trong một từ trường tỷ lệ thuận với bình phương của cường độ trường.

2. Thiết bị nào lưu trữ năng lượng trong từ trường?

Thiết bị lưu trữ năng lượng trong từ trường là cuộn cảm hoặc cuộn từ tính.Càng cuộn bao gồm các cuộn dây, thường được quấn quanh lõi từ tính, giúp tăng cường sức mạnh của từ trường.Khi dòng điện chảy qua cuộn dây, một từ trường tích tụ và năng lượng được lưu trữ trong trường này.Khả năng của một cuộn cảm để lưu trữ năng lượng từ tính được sử dụng trong nhiều mạch điện tử, trong công nghệ cung cấp và chuyển đổi điện.

3. Lưu trữ năng lượng từ tính siêu dẫn hiệu quả như thế nào?

Các hệ thống lưu trữ năng lượng từ siêu dẫn (SMEs) có hiệu quả cao, đạt được hiệu quả năng lượng khứ hồi từ 90% đến 95%.Các hệ thống này sử dụng các cuộn dây siêu dẫn có thể dẫn điện mà không có điện trở ở nhiệt độ rất thấp.Việc thiếu điện trở có nghĩa là hầu như không có năng lượng nào bị mất là nhiệt, giúp tăng cường hiệu quả lưu trữ năng lượng.Các hệ thống nhỏ được đánh giá cao về khả năng giải phóng năng lượng được lưu trữ gần như ngay lập tức, điều này tốt cho các ứng dụng yêu cầu xả nhanh, như ổn định lưới điện trong nhu cầu cao nhất.

4. Năng lượng từ tính là một cửa hàng hay chuyển?

Năng lượng từ tính là một hình thức lưu trữ năng lượng.Năng lượng được lưu trữ trong từ trường được tạo ra bởi chuyển động của điện tích, trong một cuộn dây.Khi cần, năng lượng được lưu trữ này có thể được chuyển đổi trở lại thành năng lượng điện hoặc được sử dụng để thực hiện công việc cơ học, do đó chuyển năng lượng từ từ trường sang một dạng khác.Tuy nhiên, vai trò chính của năng lượng từ tính trong các thiết bị như cuộn cảm hoặc hệ thống nhỏ là lưu trữ năng lượng.

5. Một ví dụ về cửa hàng năng lượng từ tính là gì?

Một ví dụ về kho lưu trữ năng lượng từ tính là hệ thống lưu trữ năng lượng bánh đà, mặc dù chủ yếu là cơ học, thường kết hợp các thành phần từ tính để lưu trữ và ổn định năng lượng.Các hệ thống này sử dụng một bánh đà cơ học xoay có chuyển động tạo ra từ trường, trong các phiên bản sử dụng vòng bi từ để giảm ma sát và mất năng lượng.Sự tương tác giữa năng lượng cơ học và từ tính này cho phép hệ thống bánh đà lưu trữ năng lượng hiệu quả và giải phóng nhanh chóng khi được yêu cầu, làm cho nó trở thành một ứng dụng thực tế của việc lưu trữ năng lượng từ tính ở cả hai dạng cơ và điện.