Systeme von Superconducting Magnetic Energy Storage (SMES) versorgen Energie im magnetischen Feld, das durch den Fluss des direkten Stroms in einer Superleiten-Rolle geschaffen ist, die zu einer Temperatur unter seiner superführenden kritischen Temperatur kälteerzeugend abgekühlt worden ist.

Ein typisches SMES System schließt drei Teile ein: Rolle, Macht-Bedingen-System und kälteerzeugend abgekühlten Kühlschrank superführend. Sobald die Superleiten-Rolle beladen wird, wird der Strom nicht verfallen, und die magnetische Energie kann unbestimmt versorgt werden.

Die versorgte Energie kann zurück zum Netz durch die Entladung der Rolle veröffentlicht werden. Das Macht-Bedingen-System verwendet einen inverter/rectifier, um Macht des Wechselstroms (AC) umzugestalten, Strom oder Bekehrter-Gleichstrom zurück zur AC Macht zu leiten. Der inverter/rectifier ist für ungefähr 2-3 % Energieverlust in jeder Richtung verantwortlich. SMES verliert kleinsten Betrag der Elektrizität im Energielagerungsprozess im Vergleich zu anderen Methoden, Energie zu versorgen. SMES Systeme sind hoch effizient; die Rückfahrleistungsfähigkeit ist größer als 95 %.

Wegen der Energievoraussetzungen der Kühlung und der hohen Kosten, Leitung superzuführen, wird SMES zurzeit für die kurze Dauer-Energielagerung verwendet. Deshalb wird SMES meistens der sich verbessernden Macht-Qualität gewidmet. Wenn SMES für Dienstprogramme verwendet werden sollten, würde es ein tägliches Speichergerät sein, das von der baseload Macht bei der Nacht beladen ist und Maximallasten während des Tages entsprechend.

Vorteile gegenüber anderen Energielagerungsmethoden

Es gibt mehrere Gründe dafür, superführende magnetische Energielagerung statt anderer Energielagerungsmethoden zu verwenden. Der wichtigste Vorteil von SMES besteht darin, dass die Verzögerung während der Anklage und Entladung ziemlich kurz ist. Macht ist verfügbare fast sofort und sehr hohe Macht-Produktion kann seit einer kurzen Zeitspanne zur Verfügung gestellt werden. Andere Energielagerungsmethoden, wie gepumpte Wasserdruckprüfung oder Druckluft haben eine wesentliche Verzögerung, die mit der Energiekonvertierung der versorgten mechanischen Energie zurück in die Elektrizität vereinigt ist. So, wenn eine Nachfrage eines Kunden unmittelbar ist, ist SMES eine lebensfähige Auswahl. Ein anderer Vorteil besteht darin, dass der Verlust der Macht weniger ist als andere Lagerungsmethoden, weil elektrische Ströme fast auf keinen Widerstand stoßen. Zusätzlich sind die Hauptrollen in einem SMES unbeweglich, der auf hohe Zuverlässigkeit hinausläuft.

Aktueller Gebrauch

Es gibt mehrere kleine SMES Einheiten, die für den kommerziellen Gebrauch und mehrere größere Testbettprojekte verfügbar sind. Mehrere 1 MW · h Einheiten werden für die Macht-Qualitätskontrolle in Installationen um die Welt verwendet, um besonders Macht-Qualität an Produktionsanlagen zur Verfügung zu stellen, die ultrasaubere Macht wie Mikrochip-Herstellungsmöglichkeiten verlangen.

Diese Möglichkeiten sind auch verwendet worden, um Bratrost-Stabilität in Verteilersystemen zur Verfügung zu stellen. SMES wird auch in Dienstprogramm-Anwendungen verwendet. In nördlichem Wisconsin wurde eine Reihe von verteilten SMES Einheiten aufmarschiert, um Stabilität einer Übertragungsschleife zu erhöhen. Die Übertragungslinie ist großen, plötzlichen Laständerungen wegen der Operation einer Papiermühle, mit dem Potenzial für nicht kontrollierte Schwankungen und Stromspannungszusammenbruch unterworfen. Entwickler solcher Geräte schließen amerikanischen Supraleiter ein.

Das Techniktestmodell ist ein großer SMES mit einer Kapazität von etwa 20 MW · h, fähig dazu, 400 MW der Macht seit 100 Sekunden oder 10 MW der Macht seit 2 Stunden zur Verfügung zu stellen.

Berechnung der versorgten Energie

Die magnetische Energie, die durch eine Rolle versorgt ist, die einen Strom trägt, wird durch eine Hälfte der Induktanz der Rolle-Zeiten das Quadrat des Stroms gegeben.

:

Wo

:E = hat Energie in Joule gemessen

:L = Induktanz hat in henries gemessen

:I = Strom hat in Ampere gemessen

Wollen jetzt wir eine zylindrische Rolle mit Leitern einer rechteckigen bösen Abteilung denken. Der Mittelradius der Rolle ist R. a, und b sind Breite und Tiefe des Leiters. f wird Form-Funktion genannt, die für verschiedene Gestalten der Rolle verschieden ist. ξ (xi) und δ (Delta) sind zwei Rahmen, um die Dimensionen der Rolle zu charakterisieren. Wir können deshalb die magnetische in solch einer zylindrischen Rolle versorgte Energie, wie gezeigt, unten schreiben. Diese Energie ist eine Funktion von Rolle-Dimensionen, Zahl von Umdrehungen und tragendem Strom.

:Wo:E = hat Energie in Joule gemessen:I = Strom hat in Ampere gemessen

:f (ξ,δ) = bilden Funktion, Joule pro Ampere-Meter

:N = Zahl von Umdrehungen der Rolle

Solenoid gegen den Toroid

Außer den Eigenschaften der Leitung ist die Konfiguration der Rolle selbst ein wichtiges Problem von einem Maschinenbau-Aspekt. Es gibt drei Faktoren, die das Design und die Gestalt der Rolle betreffen - sind sie: Untergeordnete Beanspruchungstoleranz, Thermalzusammenziehung nach dem Abkühlen und lorentz zwingen in einer beladenen Rolle. Unter ihnen ist die Beanspruchungstoleranz nicht wegen jeder elektrischen Wirkung entscheidend, aber weil es bestimmt, wie viel Strukturmaterial erforderlich ist, um den SMES vom Brechen abzuhalten. Für kleine SMES Systeme wird der optimistische Wert der 0.3-%-Beanspruchungstoleranz ausgewählt. Geometrie von Toroidal kann helfen, die magnetischen Außenkräfte zu vermindern, und reduziert deshalb die Größe der mechanischen erforderlichen Unterstützung. Außerdem wegen des niedrigen magnetischen Außenfeldes toroidal kann SMES in der Nähe von einem Dienstprogramm oder Kundenlast gelegen werden.

Für kleinen SMES wird Solenoid gewöhnlich verwendet, weil sie leicht sind sich zusammenzurollen und keine Vorkompression erforderlich ist. In toroidal SMES ist die Rolle immer unter der Kompression durch die Außenreifen und zwei Platten, von denen eine auf der Spitze und dem anderen ist, ist auf dem Boden, um Brechung zu vermeiden. Zurzeit gibt es wenig Bedürfnis nach der toroidal Geometrie für kleinen SMES, aber weil die Größe zunimmt, werden mechanische Kräfte wichtiger, und die Toroidal-Rolle ist erforderlich.

Die älteren großen SMES Konzepte haben gewöhnlich ein niedriges Aspekt-Verhältnis-Solenoid in der Erde im Durchmesser begrabene etwa 100 M gezeigt. Am niedrigen Extrem der Größe ist das Konzept des micro-SMES Solenoides für die Energielagerungsreihe in der Nähe von 1 MJ.

Niedrige Temperatur gegen Hoch-Temperatursupraleiter

Unter unveränderlichen Zustandbedingungen und im Superleiten-Staat ist der Rolle-Widerstand unwesentlich. Jedoch verlangt der Kühlschrank, der notwendig ist, um den Supraleiter zu halten, kühl elektrische Macht, und diese Kühlungsenergie muss betrachtet werden, wenn man die Leistungsfähigkeit von SMES als ein Energiespeichergerät bewertet.

Obwohl der Hoch-Temperatursupraleiter (HTSC) höhere kritische Temperatur hat, findet das Fluss-Gitter-Schmelzen in gemäßigten magnetischen Feldern um eine Temperatur tiefer statt als diese kritische Temperatur. Die Hitzelasten, die durch das Kühlsystem entfernt werden müssen, schließen Leitung durch das Unterstützungssystem, die Radiation vom wärmeren bis kältere Oberflächen, AC Verluste im Leiter (während der Anklage und Entladung) ein, und Verluste von der Macht der Kälte-zu-warm führen, die die kalte Rolle mit dem Macht-Bedingen-System verbinden. Leitung und Strahlenverluste werden durch das richtige Design von Thermaloberflächen minimiert. Leitungsverluste können durch das gute Design des Führens minimiert werden. AC Verluste hängen vom Design des Leiters, dem Aufgabe-Zyklus des Geräts und der Macht-Schätzung ab.

Die Kühlungsvoraussetzungen für HTSC und Supraleiter der niedrigen Temperatur (LTSC) toroidal rollen sich für die Grundlinie-Temperaturen von 77 K, 20 K, und 4.2 K, Zunahmen in dieser Ordnung zusammen. Die Kühlungsvoraussetzungen hier werden als elektrische Leistung definiert, das Kühlungssystem zu bedienen. Als die versorgte Energie durch einen Faktor 100 zunimmt, hat Kühlung gekostet nur steigt durch einen Faktor 20. Außerdem sind die Ersparnisse in der Kühlung für ein HTSC System (durch 60 % bis 70 %) größer als für LTSC Systeme.

Kosten

Entweder HTSC oder LTSC Systeme sind mehr wirtschaftlich hängt ab, weil es andere Hauptbestandteile gibt, die die Kosten von SMES bestimmen: Leiter, der aus Supraleiter und Kupferausgleicher und kalter Unterstützung besteht, ist Hauptkosten in sich. Sie müssen mit der gesamten Leistungsfähigkeit und den Kosten des Geräts beurteilt werden. Wie man gezeigt hat, sind andere Bestandteile, wie Vakuumbehälter-Isolierung, ein kleiner Teil im Vergleich zu den großen Rolle-Kosten gewesen. Die vereinigten Kosten von Leitern, Struktur und Kühlschrank für Toroidal-Rollen werden durch die Kosten des Supraleiters beherrscht. Dieselbe Tendenz ist für Solenoidrollen wahr. HTSC Rollen kosten mehr als LTSC-Rollen durch einen Faktor 2 bis 4. Wir nehmen an, preiswertere Kosten für den HTSC zu sehen, der erwartet ist, Kühlungsvoraussetzungen zu senken, aber das ist nicht der Fall. Also, warum ist das HTSC System teurer?

Um etwas Scharfsinnigkeit zu gewinnen, denken eine Depression durch Hauptbestandteile sowohl von HTSC als auch von LTSC-Rollen entsprechend drei typischen versorgten Energieniveaus, 2, 20 und 200 MW · h. Der Leiter hat gekostet beherrscht die drei Kosten für alle HTSC Fälle und ist an kleinen Größen besonders wichtig. Der Hauptgrund liegt in der vergleichenden aktuellen Dichte von LTSC und HTSC Materialien. Der kritische Strom (J) der HTSC-Leitung ist niedriger als LTSC-Leitung allgemein im magnetischen Betriebsfeld, ungefähr 5 bis 10 teslas (T). Nehmen Sie an, dass die Leitungskosten dasselbe durch das Gewicht sind. Weil HTSC-Leitung tiefer (J) Wert hat als LTSC-Leitung, wird man viel mehr Leitung brauchen, um dieselbe Induktanz zu schaffen. Deshalb sind die Kosten der Leitung viel höher als LTSC-Leitung. Außerdem, weil die SMES Größe von 2 bis 20 bis 200 MW steigt · h hat der LTSC Leiter gekostet auch steigt über einen Faktor 10 an jedem Schritt. Der HTSC Leiter hat Anstiege ein wenig langsamer gekostet, aber ist noch bei weitem der kostspieligste Artikel.

Die Struktur-Kosten entweder von HTSC oder von LTSC steigen gleichförmig (ein Faktor 10) mit jedem Schritt von 2 bis 20 bis 200 MW · h. Aber HTSC Struktur-Kosten sind höher, weil die Beanspruchungstoleranz des HTSC (kann Keramik nicht viel dehnbare Last tragen), weniger ist als LTSC, wie NbTi oder NbSn, der mehr Struktur-Materialien fordert. So, in den sehr großen Fällen, können die HTSC-Kosten nicht durch das einfache Reduzieren der Rolle-Größe an einem höheren magnetischen Feld ausgeglichen werden.

Es lohnt sich, hier zu bemerken, dass die Kühlschrank-Kosten in allen Fällen so klein sind, dass es sehr kleine Prozentsatz-Ersparnisse gibt, die mit reduzierten Kühlungsanforderungen bei der hohen Temperatur vereinigt sind. Das bedeutet, dass, wenn ein HTSC, BSCCO zum Beispiel, besser bei einer niedrigen Temperatur sagen wir 20K arbeitet, es sicher dort bedient wird. Für sehr kleinen SMES werden die reduzierten Kühlschrank-Kosten einen bedeutenderen positiven Einfluss haben.

Klar, das Volumen, Rolle-Zunahmen mit der versorgten Energie superzuführen. Außerdem können wir sehen, dass das LTSC Ring-Maximum-Diameter immer für einen HTSC Magnet kleiner ist als LTSC wegen der höheren magnetischen Feldoperation. Im Fall von Solenoidrollen, der Höhe oder Länge ist auch für HTSC-Rollen, aber noch viel höher kleiner als in einer toroidal Geometrie (wegen des niedrigen magnetischen Außenfeldes).

Eine Zunahme im magnetischen Maximalfeld gibt die Verminderung beides Volumens (höhere Energiedichte) und Kosten (reduzierte Leiter-Länge) nach. Kleineres Volumen bedeutet höhere Energiedichte, und Kosten werden wegen der Abnahme der Leiter-Länge reduziert. Es gibt einen optimalen Wert des magnetischen Maximalfeldes, ungefähr 7 T in diesem Fall. Wenn das Feld vorbei an den optimalen, weiteren Volumen-Verminderungen vergrößert wird, sind mit der minimalen Zunahme in Kosten möglich. Die Grenze, zu der das Feld vergrößert werden kann, ist gewöhnlich nicht wirtschaftlich, aber physisch, und es bezieht sich auf die Unmöglichkeit, die inneren Beine des Toroids etwas näher zusammen zu bringen, und verlassen Sie noch Zimmer für den sich sträubenden Zylinder.

Das Supraleiter-Material ist ein Schlüsselproblem für SMES. Supraleiter-Entwicklungsaufwand konzentriert sich darauf, Jc und Beanspruchungsreihe und beim Reduzieren der Leitungsproduktionskosten zu vergrößern.

Technische Herausforderungen

Der Energieinhalt von SMES aktuellen Systemen ist gewöhnlich ziemlich klein. Methoden, die Energie zu vergrößern, die in SMES häufig versorgt ist, suchen groß angelegte Lagerungseinheiten auf. Als mit anderen Superleiten-Anwendungen ist Kryogenik eine Notwendigkeit. Eine robuste mechanische Struktur ist gewöhnlich erforderlich, die sehr großen Kräfte von Lorentz zu enthalten, die durch und auf den Magnet-Rollen erzeugt sind. Die dominierenden Kosten für SMES sind der Supraleiter, der vom Kühlsystem und dem Rest der mechanischen Struktur gefolgt ist.

• Mechanische Unterstützung - Erforderlich wegen Lorentz-Kräfte.
• Größe - um gewerblich nützliche Niveaus der Lagerung, ungefähr 1 GW zu erreichen · h (3.6 TJ), eine SMES Installation würde eine Schleife von ungefähr 100 Meilen (160 km) brauchen. Das wird als ein Kreis traditionell geschildert, obwohl in der Praxis er mehr einem rund gemachten Rechteck ähnlich sein konnte. In jedem Fall würde es verlangen, dass Zugang zu einem bedeutenden Betrag des Landes die Installation aufnimmt.
• Herstellung - Es gibt zwei Produktionsprobleme um SMES. Das erste ist die Herstellung des Hauptteil-Kabels, das passend ist, um den Strom zu tragen. Die meisten Superleiten-Materialien gefunden sind bis heute relativ feine Keramik, es schwierig machend, gegründete Techniken zu verwenden, um erweiterte Längen zu ziehen, Leitung superzuführen. Viel Forschung hat sich auf Schicht-Ablagerungstechniken konzentriert, einen dünnen Film des Materials auf ein stabiles Substrat anwendend, aber das ist zurzeit nur für kleine elektrische Stromkreise passend.
• Infrastruktur - Das zweite Problem ist die für eine Installation erforderliche Infrastruktur. Bis Raumtemperatursupraleiter, die 100 Meilen gefunden werden (160 km), würde die Schleife der Leitung innerhalb einer Thermosflasche des flüssigen Stickstoffs enthalten werden müssen. Das würde der Reihe nach stabile Unterstützung verlangen, die meistens durch das Begräbnis der Installation vorgesehen ist.
• Kritischer Strom - In allgemeinen Macht-Systemen achtet, den Strom zu maximieren, den sie im Stande sind zu behandeln. Das macht irgendwelche Verluste wegen der Wirkungslosigkeit im System relativ unbedeutend. Leider brechen die Superleiten-Eigenschaften von den meisten Materialien zusammen, als Strom an einem als der kritische Strom bekannten Niveau zunimmt. Aktueller Material-Kampf, um deshalb genügend Strom zu tragen, um eine kommerzielle Lagerungsmöglichkeit wirtschaftlich lebensfähig zu machen.
• Kritisches magnetisches Feld - Zusammenhängend mit dem kritischen Strom gibt es eine ähnliche Beschränkung zur Supraleitfähigkeit, die mit dem magnetischen Feld verbunden ist, das in der Leitung veranlasst ist, und das ist auch ein Faktor an kommerziellen Lagerungsniveaus

Aktueller Mangel an der Darstellung in der Industrie

Mehrere Probleme am Anfall der Technologie haben seine Proliferation gehindert:

1. Teure Kühlungseinheiten und hohe Macht-Kosten, um Betriebstemperaturen aufrechtzuerhalten
2. Existenz und hat Entwicklung von entsprechenden Technologien mit normalen Leitern fortgesetzt

Diese werfen noch Probleme auf, um Anwendungen superzuführen, aber verbessern sich mit der Zeit. Fortschritte sind in der Leistung gemacht worden, Materialien superzuführen. Außerdem haben sich die Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit von Kühlungssystemen bedeutsam zum Punkt verbessert, dass einige Geräte jetzt im Stande sind, auf Systemen der elektrischen Leistung zu funktionieren

• Sheahen, T., P. (1994). Einführung in die Hoch-Temperatursupraleitfähigkeit. Plenum-Presse, New York. Seiten 66, 76-78, 425-430, 433-446.
• El-Wakil, M., M. (1984). Kraftwerk-Technologie. McGraw-Hügel, Seiten 685-689, 691-695.
• Wolsky, A., M. (2002). Der Status und die Aussichten für Schwungräder und SMES vereinigt das HTS. Physica C 372-376, Seiten 1.495-1.499.
• Hassenzahl, W.V. "Angewandte Supraleitfähigkeit, Supraleitfähigkeit, eine Ermöglichen-Technologie für Macht-Systeme des 21. Jahrhunderts?", IEEE Transaktionen auf Magnetics, Seiten 1447-1453, Volumen: 11, Problem: 1, Mrz 2001
• Energielagerungsgrundlagen und Vergleiche
• Kostenanalyse von Energielagerungssystemen für elektrische Dienstprogramm-Anwendungen
• SMES Präsentation
• Macht, die SMES Einheit Bedingt
• Loyola SMES Zusammenfassung
• Groß angelegte Energielagerungssysteme

Hersteller

• Bruker-EST
• HARC-SMES

Siehe auch

• Bratrost-Energielagerung