ב- 2024/07/13 530

מבוא לאחסון אנרגיה מגנטית מוליך -על (SME): עקרונות ויישומים

המאמר דן כיצד מאוחסן אנרגיה בשדות מגנטיים באמצעות אינדוקציה אלקטרומגנטית והמשוואות הקשורות אליו.הוא בוחן גם את העיצובים והחומרים המתקדמים המשמשים ביצירת מערכות SMES, תוך התמקדות בסלילים טורואידיים וסולנואידים.מערכות אלה משמשות במסגרות שונות, ממתקנים רפואיים לאתרי תעשייה.המאמר מספק סקירה מפורטת של רכיבים, כגון חומרים מוליכים-על כמו Niobium-Titanium ו- Yttrium Barium Copper, ושיקולי תכנון חשובים לתצורות סליל במערכות SMES.

קָטָלוֹג

איור 1: אחסון אנרגיה מגנטית מוליך -על

מהי מוליכות -על?

מוליכות -על היא תופעה מכנית קוונטית בה חומרים מסוימים מוליכים חשמל ללא התנגדות כאשר הם מקוררים מתחת לטמפרטורה הנדרשת.זה כולל:

אפס התנגדות חשמלית

מוליכי -על מאפשרים זרימת זרם תמידית ללא אובדן אנרגיה בתנאים אידיאליים, שהם המאפיין המגדיר שלהם.

אפקט מייסנר

מוליכי -על מגרשים שדות מגנטיים מהפנים שלהם כאשר הם במצב מוליך -על.זה מכונה אפקט Meissner וטוב לשמירה על שדות מגנטיים יציבים ויעילים ביישומי SMES.

מעבר שלב

מוליכות -על מתרחשת בטמפרטורה ספציפית הנקראת הטמפרטורה הקריטית.טמפרטורה זו היא ספציפית לחומר ויכולה לנוע בין אפס מוחלט כמעט לטמפרטורות גבוהות יותר עבור מוליכי-על בטמפרטורה גבוהה.

איור 2:

איור 3: כוח אלקטרומגנטי

מנגנון אחסון אנרגיה בשדה מגנטי

במערכות חברות קטנות ובינוניות, האנרגיה מאוחסנת בשדה המגנטי הנוצרת על ידי זרם ישיר בסליל מוליך -על.התהליך כולל:

כאשר הזרם זורם דרך הסליל המוליך -על, נוצר שדה מגנטי.על פי התיאוריה האלקטרומגנטית, האנרגיה המאוחסנת בשדה המגנטי היא פרופורציונלית לכיכר הזרם ולשראות הסליל.

ניתן לכמת את האנרגיה (ה) המאוחסנת על ידי המשוואה:

כאשר L הוא השראות של הסליל, ואני הזרם.תכנון הסליל מתמקד במקסום השראות ובקיבולת הנוכחית להגברת אחסון האנרגיה.

כדי לאחסן ולנצל אנרגיה ביעילות, יש להכיל ולשלט על השדה המגנטי.זה כרוך בגיאומטריות מורכבות והנדסת חומרים כדי לייעל את המסלולים המגנטיים ולמזער הפסדים.

רכיבים של אחסון אנרגיה מגנטית מוליכים -על (SMEs)

סלילי מוליך -על מהונדסים כדי לייעל את מוליכות העל, המאפשרת לזרום זרם חשמלי ללא התנגדות.סלילים אלה נוצרים על ידי חוט מוליך -על מתפתל סביב ליבה או מעצבים אותו לסולנואיד.

• תצורת סליל

סלילי סולנואידים - סלילי הגליליים הללו מייצרים שדה מגנטי אחיד בפנים ומשמשים במכונות MRI.

סלילי טורואידים - בצורת סופגנייה, סלילים אלה משמשים ביישומים כמו כורי Tokamak לצורך הכללת פלזמה במחקר היתוך.

איור 4: סלילי סולנואידים וסלילי טורואיד

• מערכות קירור

מערכות קירור מתקדמות מועילות לשמירה על מוליכות -על.מערכות אלה משתמשות בהליום נוזלי, חנקן נוזלי או בקריוקולרי כדי לשמור על הסלילים בטמפרטורות הרבה מתחת לסף שלהם.

חומרים המשמשים בסלילים מוליכים -על

הביצועים של סלילי מוליכים -על תלויים מאוד בחומרים המשמשים.שני הסוגים העיקריים של חומרי מוליך -על הם:

• מוליכי-על בטמפרטורה נמוכה (LTS)

NIOBIUM-TITANIUM (NBTI): נפוץ במערכות MRI ומתקני מחקר, NBTI מוערך בעמידותו ודרישות קריוגניות פשוטות יחסית.

Niobium-Tin (NB3SN): עם טמפרטורה גבוהה יותר וסף שדה מגנטי מאשר NBTI, NB3SN הוא אידיאלי ליישומים הזקוקים לשדות מגנטיים חזקים יותר.

• מוליכי-על בטמפרטורה גבוהה (HTS)

תחמוצת הנחושת של yttrium barium (YBCO): חומר זה פועל בטמפרטורות גבוהות יותר מחומרי LTS, מפשט ומפחית את עלות מערכות הקירור.

BSCCO, BSCCO, BSCCO, BSCCO, גמישה ומתאימה לסלילים עם צורות מורכבות.

איור 5: תחמוצת הנחושת הנחושת של yttrium barium (YBCO) ו- Bismuth Strontium סידן תחמוצת נחושת (BSCCO)

תהליך המרת אנרגיה במערכת אחסון אנרגיה מגנטית מוליכה -על

השלב הראשון במערכת SMES הוא שינוי זרם חילופין (AC) לכיוון זרם (DC) מכיוון שהסליל מוליך -על פועל ב- DC.

ה- AC, שמגיע מהרשת או מתחנת כוח, נכנס למיישר.תפקידו של המיישר הוא להפוך את ה- AC, שמשנה כיוון, ל- DC, הזורם לכיוון אחד.הוא משתמש במכשירים כמו דיודות או תיריסטורים כדי לעשות זאת.

לאחר ההמרה הזו, ה- DC עדיין יתכן שיש כמה אדוות דמויי AC.כדי להחליק את אלה אנו משתמשים במסננים עם קבלים ומשרנים.זה הופך את ה- DC יציב, ליעילות ובטיחות מערכת SMES.

כאשר DC חלק מוכן, ה- DC זורם לסליל מוליך -על, שאין לו התנגדות חשמלית. זה מאפשר לזרם לזרום מבלי לאבד אנרגיה.

ה- DC בסליל יוצר סביבו שדה מגנטי חזק, וממיר אנרגיה חשמלית לאנרגיה מגנטית המאוחסנת בשדה זה.

כדי לשמור על הסליל מוליך סופר, הסליל נשמר בטמפרטורות נמוכות מאוד באמצעות נוזלי קירור קריוגניים כמו הליום נוזלי או חנקן. זה חשוב מכיוון שכל עליית טמפרטורה יכולה לגרום לסליל לאבד את מוליכות העל שלו, מה שמוביל לאובדן אנרגיה.

כאשר אנו זקוקים לאנרגיה המאוחסנת, האנרגיה המאוחסנת בשדה המגנטי מניעה את זרם ה- DC בסליל. DC זה צריך להפנות חזרה ל- AC כדי להיות שימושי עבור מרבית מערכות החשמל.מהפך עושה זאת על ידי שינוי כיוון הזרם בתדר המתאים לרשת AC.

פלט ה- AC מסונכרן עם מתח, תדר ושלב של הרשת לפני שנשלח, מבטיח שהוא עובד טוב עם הרשת ועומסים חשמליים אחרים.

איור 6: תרשים סכמטי של מערכת אחסון אנרגיה מגנטית מוליך -על

תכנון מערכות אחסון אנרגיה מגנטיות מוליכות -על

תכנון הסליל במערכות SMES הנדרשות ליעילות, עלות ואחסון אנרגיה.שני עיצובי הסליל העיקריים הם טורואידים וסולנואידים.

סוג סליל	גיאומטריה ופונקציה	יתרונות	חסרונות
סלילי טורואיד	בצורת סופגנייה, שנועדו לשמור כמעט על כולם השדה המגנטי בתוך הסליל, ומזער את הדליפה.צורה זו עוזרת הפחיתו כוחות אלקטרומגנטיים הפועלים על מבנה הסליל.	הכלה בשדה מגנטי: המגנטי שדה נשאר בתוך הסליל, מה שמוביל לשדות מגנטיים תועים נמוכים יותר.	מורכבות ייצור: בנייה צורות טורואידיות מורכבות ויקרות.
		בטיחות: תכנון זה בטוח יותר ומפחית את הפרעות עם מכשירים אלקטרוניים סמוכים וציוד רגיש אחר.	אתגרי תחזוקה: גישה ל חלקים פנימיים של סלילים אלה קשה, מסבך את התחזוקה ו בְּדִיקָה.
סלילי סולנואיד	גלילי, עם זרם פועל לאורך אורך הצילינדר.העיצוב הזה פשוט יותר ופשוט יותר מאשר התצורה הטורואידית.	קלות הייצור: סלילי סולנואיד הם קל יותר ויקר פחות לייצור בגלל הגיאומטריה הפשוטה שלהם. נגישות לתחזוקה: העיצוב הפתוח הופך אותם לקלים יותר לתחזק ולבדוק.	דליפת שדה מגנטי: המגנטי דליפות שדה בשני קצוות הצילינדר, שיכולים להשפיע על האלקטרוניקה הסמוכה מכשירים ודורשים מיגון נוסף.

גורמים המשפיעים על בחירת עיצוב הסלילים

איור 7: סליל סולנואיד וסליל טורואיד

יישום מיועד: היישום מכתיב את בחירת הסליל.לדוגמה, עדיפים לסלילים טורואידיים כאשר יש למזער הפרעות אלקטרומגנטיות, כמו במתקנים רפואיים או ציוד מדעי רגיש קרוב.

דרישות לאחסון אנרגיה: כמות האנרגיה שיש לאחסן משפיעה על תכנון סליל.סלילי סולנואיד עשויים להתאים ליישומים בקנה מידה קטן יותר בגלל יעילות העלות שלהם, ואילו סלילי טורואידים עשויים לשמש לאחסון גדול יותר, בקנה מידה תעשייתי בגלל יעילות ודליפה מגנטית מינימלית.

אילוצי שטח וסביבה: מרחב פיזי זמינים ותנאי סביבה הם שיקולים ראשוניים.סלילי טורואידים, עם השדה המגנטי הקומפקטי והסגור שלהם, מתאימים יותר לחללים מוגבלים או לאזורים מאוכלסים.

אילוצי תקציב: מגבלות תקציב משפיעות על בחירת תכנון סליל.סלילי סולנואיד הם פחות יקרים ויכולים להעדיף בפרויקטים רגישים בעלויות.

שיקולי תחזוקה ותפעול: קלות התחזוקה והאמינות התפעולית חשובה.סלילי סולנואיד, המציעים גישה קלה יותר לתחזוקה ובדיקה, יכולים להוות גורם מכריע בבחירתם.

יתרונות של מערכות אחסון אנרגיה מגנטיות מוליכות -על

יִתרוֹן	תֵאוּר
יעילות גבוהה וזמני תגובה מהירים	מערכות SMEs משיגות מעל 95% יעילות על ידי אחסון אנרגיה בסליל מוליך -על עם התנגדות כמעט אפסית.הֵם יכול להגיב לשינויי דרישת חשמל באלפיות השנייה.
השפעה ויציבות סביבתית	מערכות אלה ידידותיות לסביבה, פולטות אין גזי חממה או שימוש בחומרים רעילים.הם שומרים על יציבה ביצועים ללא קשר לתנאים חיצוניים כמו טמפרטורה או מזג אוויר.
אמינות ואריכות חיים	למערכות SMES אין חלקים נעים ושימוש חומרים מוליכים -על עמידים, וכתוצאה מכך פחות בלאי ונמוך יותר עלויות תחזוקה לאורך אורך החיים הארוך שלהם.
מדרגיות ורבגוניות	מסוגל לאחסן אנרגיה מכמה קילוואט שעות לכמה מגה-וואט שעות, יחידות SMES גמישות עבור שונות יישומים וניתן להתקין אותם בסביבות מגוונות במינימום שינויים.
תומך ברשת ובאנרגיה מתחדשת	הם עוזרים בוויסות המתח, מתייצב תדר ופלט חלק ממקורות מתחדשים, שיפור הרשת אמינות ותמיכה בשילוב רב יותר של אנרגיה מתחדשת.
יעילות עלות ארוכת טווח	למרות עלויות ראשוניות גבוהות, חברות קטנות ובינוניות למערכות הוצאות תפעוליות ותחזוקה נמוכות, מה שהופך אותן חסכוני בטווח הרחוק, במיוחד ביישומים ספציפיים.
בטיחות וביטחון	מערכות SMES נמנעות מהסיכונים של פיצוצים או דליפות רעילות הקשורות לפתרונות אחסון כימיים, מייצרים הם בטוחים יותר להגדרות שונות, כולל אזורים עירוניים.

יישומים של אחסון אנרגיה מגנטית מוליכים -על

איור 8: מערכת העברת AC גמישה, אחד היישומים העיקריים של אחסון אנרגיה מגנטית מוליך -על

בתי חולים

בתי חולים מסתמכים על אספקת חשמל ללא הפרעה (UPS) כדי לשמור על ציוד מציל חיים ומערכות טיפול.מערכות SMES מספקות פיתרון UPS אמין על ידי שחרור מיידי באנרגיה מאוחסנת במהלך תקלות חשמל, ומזער את שיבושים מבצעיים.הם גם שומרים על ויסות כוח איכותי, המגן על ציוד רפואי רגיש מפני תנודות כוח קלות.

מרכזי נתונים

מרכזי נתונים, המנהלים כמויות אדירות של מידע דיגיטלי, רגישים מאוד לבעיות איכות הכוח.מערכות SMES הן אידיאליות להגנה מפני הפרעות חשמל למשך זמן קצר כמו שקעי מתח וגידולים.על ידי שילוב חברות קטנות ובינוניות, מרכזי נתונים יכולים להבטיח הפעלה רציפה של שרתים וציוד רשת, תוך שמירה על זמינות ושירותי נתונים.

שילוב אנרגיה מתחדשת

מקורות אנרגיה מתחדשים כמו רוח ושמש מציגים שונות בייצור החשמל בגלל תנאי מזג האוויר.מערכות SMES מייצבות את הרשת על ידי ספיגה במהירות של חשמל עודף בתקופות ייצור גבוהות ושחרור אנרגיה במהלך ייצור נמוך, החלקה של תנודות ושיפור יציבות הרשת.

תחנות טעינה לרכב חשמלי

עם האימוץ ההולך וגובר של כלי רכב חשמליים (EVS), הביקוש לפתרונות טעינה יעילים ומהירים עולה.מערכות SMES בתחנות טעינה של EV מנהלות את דרישות העומס על ידי אחסון אנרגיה בזמני שיא ושחרורן במהלך הביקוש לשיא.זה מקטין את המתח על הרשת החשמלית ומאפשר זמני טעינה מהירים יותר.

יישומים תעשייתיים

תעשיות הדורשות פרצים פתאומיים של תועלת מכוח ממערכות חברות קטנות ובינוניות.מערכות אלה מספקות את האנרגיה הנכונה מבלי לצייר בכבדות על הרשת, זקוקים לייצור לצורך שליטה מדויקת על מכונות ושמירה על איכות המוצר.

צבאי וחלל

בסיסים צבאיים ופעולות תעופה וחלל דורשים אנרגיה אמינה ואיכותית.מערכות SMES מציעות אספקת חשמל בתגובה מהירה המבטיחה פעולות ללא הפרעה ותומכות בדרישות האנרגיה הגבוהות של טכנולוגיה וציוד מתקדמים במגזרים אלה.

מערכות מעבר המוניות

רשתות רכבות ומערכות מעבר עירוניות משפרים את יעילות החשמל ואת האמינות עם חברות קטנות ובינוניות.יחידות אלה מנהלות אנרגיה המיוצרת במהלך בלימה ומחלקות אותה מחדש ביעילות, ומשפרות את יעילות האנרגיה הכוללת של מערכת המעבר.

מַסְקָנָה

המאמר בוחן מערכות אחסון אנרגיה מגנטית מוליכות -על (SME), ומדגישות את הפוטנציאל שלהן כטכנולוגיית אחסון אנרגיה מהפכנית.מערכות SMES מציעות יעילות גבוהה, זמני תגובה מהירים והשפעה סביבתית נמוכה, מה שהופך אותם לפיתרון לאתגרי אנרגיה שוטפים.המאמר מכסה את השימוש בהם בתחומים שונים, כולל שירותי בריאות, אנרגיה מתחדשת ותחבורה, ומראה את הרבגוניות שלהם ומדרגיותם.כאשר העולם נע לעבר פתרונות אנרגיה בר -קיימא, טכנולוגיית SMES בולטת בשיפור חוסן האנרגיה העולמי.התפתחויות מתמשכות בחברות קטנות ובינוניות לשילוב מקורות אנרגיה מתחדשת, תוך שיפור היציבות והיעילות של תשתית הכוח העולמית.

שאלות נפוצות [שאלות נפוצות]

1. כיצד שדה מגנטי מאחסן אנרגיה?

שדה מגנטי מאחסן אנרגיה דרך יישור ותנועה של דיפולות מגנטיות או חלקיקים טעונים.כאשר זרם חשמלי עובר דרך סליל חוט, הוא יוצר שדה מגנטי סביב הסליל.שדה מגנטי זה מסוגל לאחסן אנרגיה בגלל העבודה שנעשתה להקמת השדה.באופן ספציפי, נדרשת אנרגיה כדי ליישר את הרגעים המגנטיים של אטומים בחומר, אשר בתורו יוצר שדה שיכול להפעיל כוחות ולעבוד על חפצים אחרים.האנרגיה המאוחסנת בשדה מגנטי היא פרופורציונלית ישירות לריבוע עוצמת השדה.

2. איזה מכשיר מאחסן אנרגיה בשדה מגנטי?

המכשיר המאחסן אנרגיה בשדה מגנטי הוא משרן או סליל מגנטי.משרנים מורכבים מסלילי חוט, לעיתים קרובות עטופים סביב גרעין מגנטי, מה שמשפר את חוזק השדה המגנטי.כאשר הזרם זורם דרך הסליל, שדה מגנטי מצטבר, ואנרגיה מאוחסנת בשדה זה.היכולת של משרן לאחסן אנרגיה מגנטית משמשת במעגלים אלקטרוניים רבים, בטכנולוגיות אספקת חשמל והמרות.

3. עד כמה יעיל אחסון אנרגיה מגנטית מוליך -על?

מערכות אחסון אנרגיה מגנטית מוליכות-על (SME) יעילות ביותר, ומשיגות יעילות אנרגטית הלוך ושוב של 90% עד 95%.מערכות אלה משתמשות בסלילים מוליכים -על שיכולים לערוך חשמל ללא התנגדות בטמפרטורות נמוכות מאוד.היעדר התנגדות חשמלית פירושו שכמעט שום אנרגיה הולכת לאיבוד כחום, מה שמשפר את היעילות של אחסון אנרגיה.מערכות SMES מוערכות ביכולתן לשחרר אנרגיה מאוחסנת כמעט באופן מיידי, וזה טוב ליישומים הדורשים פריקות מהירות, כמו ייצוב רשתות כוח במהלך ביקוש שיא.

4. האם אנרגיה מגנטית היא חנות או העברה?

אנרגיה מגנטית היא סוג של אחסון אנרגיה.האנרגיה מאוחסנת בשדה המגנטי שנוצר על ידי תנועת מטענים חשמליים, בסליל.במידת הצורך, ניתן להמיר אנרגיה מאוחסנת זו לאנרגיה חשמלית או להשתמש בהם לביצוע עבודה מכנית, ובכך להעביר אנרגיה מהשדה המגנטי לצורה אחרת.עם זאת, התפקיד העיקרי של אנרגיה מגנטית במכשירים כמו משרנים או מערכות SMES הוא לאחסן אנרגיה.

5. מהי דוגמא לחנות אנרגיה מגנטית?

דוגמה לחנות אנרגיה מגנטית היא מערכת אחסון האנרגיה של גלגל התנופה, שלמרות שמכנית בעיקר, משלבת לרוב רכיבים מגנטיים לאחסון וייצוב אנרגיה.מערכות אלה משתמשות בגלגל תנופה מכני מסתובב שתנועתו מייצרת שדה מגנטי, בגרסאות המשתמשות במיסבים מגנטיים כדי להפחית את החיכוך ואובדן האנרגיה.אינטראקציה זו בין אנרגיות מכניות ומגנטיות מאפשרת למערכת גלגל התנופה לאחסן אנרגיה ביעילות ולשחרר אותה במהירות כשנדרש, מה שהופך אותה ליישום מעשי של אחסון אנרגיה מגנטית בצורות מכניות וחשמליות כאחד.