Bevezetés a szupravezető mágneses energiatároláshoz (kkv -k): alapelvek és alkalmazások

A cikk megvitatja, hogy az energiát hogyan tárolják a mágneses mezőkben az elektromágneses indukció és a kapcsolódó egyenletek révén.Megvizsgálja továbbá a kkv -k rendszerek létrehozásához használt fejlett mintákat és anyagokat, a toroid és mágnesszális tekercsekre összpontosítva.Ezeket a rendszereket különböző körülmények között használják, az orvosi létesítményektől az ipari helyekig.A cikk részletes áttekintést nyújt az alkatrészekről, például a szupravezető anyagokról, mint például a niobium-titánium és az yttrium bárium-réz-oxid, valamint a kkv-k rendszerekben a tekercskonfigurációk fontos tervezési szempontjai.

Katalógus

1. ábra: A szupravezető mágneses energiatárolás

Mi az a szupravezetés?

A szupravezetés olyan kvantummechanikai jelenség, ahol egyes anyagok ellenállás nélkül vezetnek villamos energiát, ha a szükséges hőmérséklet alatt lehűtik.Ez magában foglalja:

Nulla elektromos ellenállás

A szupravezetők ideális körülmények között lehetővé teszik az állandó áram áramlását energiaveszteség nélkül, ami meghatározó tulajdonságuk.

Meissner -effektus

A szupravezetők kiürítik a mágneses mezőket a belső teréből, amikor szupravezető állapotban vannak.Ezt a Meissner -effektusnak nevezik, és jó a stabil és hatékony mágneses mezők fenntartásához a kkv -k alkalmazásában.

Fázisátmenet

A szupravezetés a kritikus hőmérsékletnek nevezett meghatározott hőmérsékleten fordul elő.Ez a hőmérséklet anyag-specifikus, és az abszolút nullától a magasabb hőmérsékletig terjedhet a magas hőmérsékletű szupravezetőknél.

2. ábra:

3. ábra: Elektromágneses erő

Az energiatárolás mechanizmusa mágneses mezőben

A kkv -k rendszerekben az energiát a szupravezető tekercsben közvetlen áram által generált mágneses mezőben tárolják.A folyamat magában foglalja:

Amikor az áram átfolyik a szupravezető tekercsen, mágneses mező jön létre.Az elektromágneses elmélet szerint a mágneses mezőben tárolt energia arányos az áram négyzetével és a tekercs induktivitásával.

A tárolt energiát az egyenlet alapján lehet számszerűsíteni:

ahol L a tekercs induktivitása, és i az áram.A tekercs kialakítása az induktivitás és az áramkapacitás maximalizálására összpontosít az energiatárolás növelése érdekében.

Az energia hatékony tárolásához és felhasználásához a mágneses mezőt tartalmazni és ellenőrizni kell.Ez magában foglalja a komplex geometriákat és az anyagok tervezését a mágneses útvonalak optimalizálása és a veszteségek minimalizálása érdekében.

A szupravezető mágneses energiatárolás (kkv -k) alkotóelemei

A szupravezető tekercseket a szupravezetés optimalizálására tervezték, amely lehetővé teszi az elektromos áram áramlását ellenállás nélkül.Ezeket a tekercseket úgy állítják elő, hogy szupravezető huzalt keltenek egy mag körül, vagy mágnesszelepré alakítják.

• tekercskonfiguráció

Szolenoid tekercsek - Ezek a hengeres tekercsek egységes mágneses mezőt generálnak, és az MRI gépekben használják.

Toroidális tekercsek - fánk alakúak, ezeket a tekercseket olyan alkalmazásokban használják, mint a Tokamak reaktorok a plazma elszigetelésére a fúziós kutatásban.

4. ábra: Mágnesszelep és toroid tekercsek

• Hűtési rendszerek

A fejlett hűtőrendszerek hasznosak a szupravezetés fenntartásához.Ezek a rendszerek folyékony héliumot, folyékony nitrogént vagy kriokoolereket használnak, hogy a tekercseket jó hőmérsékleten tartsák a küszöbérték alatt.

A szupravezető tekercsekben használt anyagok

A szupravezető tekercsek teljesítménye erősen függ a felhasznált anyagoktól.A szupravezető anyagok két elsődleges típusa:

• Alacsony hőmérsékletű szupravezetők (LTS)

Niobium-titán (NBTI): Az MRI rendszerekben és kutatási létesítményekben általánosan használják az NBTI-t tartósságának és viszonylag egyszerű kriogén követelményeinek.

Niobium-tin (NB3SN): Magasabb hőmérsékleten és mágneses mező küszöbértékkel, mint az NBTI, az NB3SN ideális az erősebb mágneses mezők igénylésére szolgáló alkalmazásokhoz.

• Magas hőmérsékletű szupravezetők (HTS)

Yttrium bárium réz -oxid (YBCO): Ez az anyag magasabb hőmérsékleten működik, mint az LTS anyagok, egyszerűsítve és csökkentve a hűtőrendszerek költségeit.

Bismuth stroncium kalcium-réz-oxid (BSCCO): A szalagos formájáról ismert, a BSCCO rugalmas és komplex alakú tekercsekhez alkalmas.

5. ábra: Yttrium bárium réz -oxid (YBCO) és bizmut stroncium kalcium -réz -oxid (BSCCO)

Energia -átalakítási folyamat egy szupravezető mágneses energiatároló rendszerben

A kkv -k rendszerének első lépése a váltakozó áram (AC) egyenáramra (DC) változtatása, mivel a szupravezető tekercs DC -n fut.

Az AC, amely a hálózatból vagy egy erőműből származik, egy egyenirányítóba kerül.Az egyenirányító feladata az, hogy az irányt, amely az irányt változtatja, DC -re, amely egy irányba áramlik.Ehhez olyan eszközöket használ, mint a diódák vagy a tirisztorok.

Az átalakítás után a DC-nek még mindig lehetnek AC-szerű hullámok.Ezek simításához szűrőket használunk kondenzátorokkal és induktorokkal.Ez a DC -t állandóvá teszi a kkv -k rendszer hatékonysága és biztonsága érdekében.

Sima DC készen állva a DC egy szupravezető tekercsbe áramlik, amelynek nincs elektromos ellenállása. Ez lehetővé teszi az áram áramlását az energia elvesztése nélkül.

A tekercsben lévő DC erős mágneses mezőt hoz létre körülötte, és az elektromos energiát az ezen a mezőben tárolt mágneses energiává alakítja.

A tekercs szupravezető megőrzése érdekében a tekercset nagyon alacsony hőmérsékleten tartják kriogén hűtőfolyadékok, például folyékony hélium vagy nitrogén felhasználásával. Ez azért fontos, mert a hőmérséklet -emelkedés miatt a tekercs elveszíti szupravezetési képességét, ami energiaveszteséget eredményez.

Amikor szükségünk van a tárolt energiára, a mágneses mezőben tárolt energia meghajtja a tekercs DC áramát. Ezt a DC -t vissza kell állítani AC -ként, hogy a legtöbb energiarendszer számára hasznos legyen.Egy inverter ezt úgy végzi, hogy az áram irányát megváltoztatja az AC rácsnak megfelelő frekvencián.

Az AC kimenet szinkronizálva van a rács feszültségével, frekvenciájával és fázisával, mielőtt elküldik, biztosítva, hogy jól működik a rács és az egyéb elektromos terhelések.

6. ábra: A szupravezető mágneses energiatároló rendszer vázlatos diagramja

A szupravezető mágneses energiatároló rendszerek tervezése

A tekercs kialakítása a kkv -k rendszerekben, amelyek szükségesek a hatékonysághoz, a költségekhez és az energiatárolókapacitáshoz.A két fő tekercs -kialakítás toroid és mágnesszális.

Tekercs típus	Geometria és funkció	Előnyök	Hátrányok
Toroid tekercsek	Fánk alakú, szinte mindent megtartva A mágneses mező a tekercs belsejében, minimalizálva a szivárgást.Ez az alak segít Csökkentse a tekercs szerkezetére ható elektromágneses erőket.	Mágneses mező tartálya: a mágneses A mező a tekercsben marad, ami alacsonyabb kóbor mágneses mezőkhöz vezet.	A gyártás bonyolultsága: Építés A toroid alakzatok összetettek és költségesek.
		Biztonság: Ez a kialakítás biztonságosabb és csökkenti az interferenciát közeli elektronikus eszközökkel és más érzékeny berendezésekkel.	Karbantartási kihívások: hozzáférés a Ezeknek a tekercseknek a belső részei nehézek, bonyolítják a karbantartást és ellenőrzés.
Mágnesszál tekercsek	Hengeres, az áram futással együtt A henger hossza.Ez a formatervezés egyszerűbb és egyszerűbb mint a toroid konfiguráció.	Könnyű gyártás: a mágnesszelepek tekercsei Az egyszerű geometria miatt könnyebb és olcsóbb előállítani. Karbantartási akadálymentesség: A nyílt végű kialakítás megkönnyíti őket fenntartani és ellenőrizni.	Mágneses mező szivárgás: a mágneses A mező szivárog a henger mindkét végén, amely befolyásolhatja a közeli elektronust eszközök és további árnyékolás szükséges.

A tekercs kialakításának megválasztását befolyásoló tényezők

7. ábra: mágnesszál tekercs és toroid tekercs

Tervezett alkalmazás: Az alkalmazás diktálja a tekercs választását.Például a toroid tekercseket részesítik előnyben, ha az elektromágneses interferenciát minimalizálni kell, például orvosi létesítményekben vagy közel érzékeny tudományos berendezésekben.

Az energiatárolási követelmények: A tárolandó energia mennyisége befolyásolja a tekercs kialakítását.A mágnesszális tekercsek költséghatékonyságuk miatt a kisebb léptékű alkalmazásoknak felelnek meg, míg a toroid tekercseket a hatékonyság és a minimális mágneses szivárgás miatt nagyobb, ipari méretű tároláshoz lehet használni.

Hely és környezeti korlátozások: A rendelkezésre álló fizikai tér és a környezeti feltételek elsődleges megfontolások.A toroid tekercsek, kompakt és zárt mágneses mezővel, jobban alkalmasak zárt terekhez vagy lakott területekhez.

Költségvetési korlátozások: A költségvetési korlátozások befolyásolják a tekercsek tervezését.A mágnesszál tekercsek olcsóbbak, és a költségérzékeny projektekben előnyben részesíthetők.

Karbantartási és operatív megfontolások: Fontos a karbantartás és az operatív megbízhatóság könnyűsége.A karbantartáshoz és ellenőrzéshez könnyebben hozzáférést kínáló mágnesszelepek tekercsek döntő tényezőt jelenthetnek a kiválasztásukban.

A szupravezető mágneses energiatároló rendszerek előnyei

Előny	Leírás
Nagy hatékonyság és gyors válaszidő	A kkv -k rendszerek több mint 95% -os hatékonyságot érnek el Az energia tárolásával egy szupravezető tekercsben, szinte nulla ellenállással.Azok reagálhat az energiaigény -változásokra ezredmásodóban.
Környezeti hatás és stabilitás	Ezek a rendszerek környezetbarátak, bocsátanak ki Nincs üvegházhatású gázok vagy mérgező anyagok használata.Stabilan tartanak fenn teljesítmény függetlenül a külső körülményektől, például a hőmérséklettől vagy az időjárástól.
Megbízhatóság és hosszú élettartam	A kkv -k rendszerek nincsenek mozgó alkatrészek és használata Tartós szupravezető anyagok, amelyek kevesebb kopást és alacsonyabb kopást eredményeznek A karbantartási költségek hosszú élettartamuk során.
Méretezhetőség és sokoldalúság	Képes néhányból energiát tárolni Kilowattórák több megawattóra, a kkv-egységek rugalmasak a különbözőek számára Alkalmazások és telepíthetők különféle környezetben, minimális módosítások.
A hálózat és a megújuló energia támogatása	Segítenek a feszültség szabályozásában, stabilizálásában Frekvencia és zökkenőmentes kimenet a megújuló energiaforrásokból, javító rács megbízhatóság és a megújuló energia nagyobb integrációjának támogatása.
Hosszú távú költséghatékonyság	A magas kezdeti költségek, a kkv -k ellenére A rendszerek alacsony üzemeltetési és karbantartási költségekkel rendelkeznek, így ezeké Költséghatékony hosszú távon, különösen bizonyos alkalmazásokban.
Biztonság	A kkv -k rendszerek elkerülik a kockázatot Robbanások vagy mérgező szivárgások, amelyek kémiai tárolási oldatokhoz kapcsolódnak, készítenek Biztonságosabbak a különböző körülmények között, ideértve a városi területeket is.

A szupravezető mágneses energiatárolás alkalmazásai

8. ábra: Rugalmas AC sebességváltó rendszer, a szupravezető mágneses energiatárolás egyik fő alkalmazása

Kórházak

A kórházak folyamatos áramellátásra (UPS) támaszkodnak, hogy az életmentő berendezések és az ápolási rendszerek működjenek.A kkv -k rendszerek megbízható UPS -megoldást kínálnak azáltal, hogy a tárolt energiát azonnal felszabadítják az energiahibák során, minimalizálva a működési zavarokat.Fenntartják a magas színvonalú teljesítményszabályozást is, amely megvédi az érzékeny orvosi berendezéseket a kisebb energiaingadozásoktól.

Adatközpontok

Az adatközpontok, amelyek hatalmas mennyiségű digitális információt kezelnek, nagyon érzékenyek az energiaminőséggel kapcsolatos kérdésekre.A kkv-k rendszerek ideálisak a rövid távú teljesítmény-zavarok, például a feszültségcseppek és a túlfeszültségek védelmére.A kkv -k integrálásával az adatközpontok biztosíthatják a szerverek és a hálózati berendezések folyamatos működését, fenntartva az adatszolgáltatás rendelkezésre állását és integritását.

Megújulóenergia -integráció

A megújuló energiaforrások, például a szél és a napenergia, az időjárási körülmények miatti energiatermelés változékonyságát vezetik be.A kkv -k rendszerek stabilizálják a rácsot azáltal, hogy gyorsan felszívják a felesleges villamos energiát a magas termelési periódusokban és az energia felszabadításával alacsony termelés során, az ingadozások simításával és a rács stabilitásának fokozásával.

Elektromos jármű töltőállomások

Az elektromos járművek (EV) egyre növekvő elfogadásával növekszik a hatékony és gyors töltési megoldások iránti kereslet.Az EV töltőállomásokon lévő kkv-k rendszerek kezelik a terhelési igényeket azáltal, hogy az energiát a csúcsidőn kívüli időkben tárolják, és felszabadítják azt a csúcsigény alatt.Ez csökkenti az elektromos rács feszültségét és lehetővé teszi a gyorsabb töltési időt.

Ipari alkalmazások

Azok az iparágak, amelyek hirtelen energiát igényelnek a kkv -k rendszereiből.Ezek a rendszerek biztosítják a megfelelő energiát, anélkül, hogy a hálózatra erőteljesen támaszkodnának, a gépek pontos ellenőrzéséhez és a termékminőség fenntartásához szükséges szükségleteket.

Katonai és űrrepülés

A katonai bázisok és a repülőgép-műveletek megbízható és kiváló minőségű energiát igényelnek.A kkv-k rendszerek gyorsválaszos tápegységet kínálnak, amely biztosítja a folyamatos műveleteket, és támogatja a fejlett technológiák és berendezések nagy energiaigényét ezekben az ágazatokban.

Tömegközlekedési rendszerek

A vasúti hálózatok és a városi tranzitrendszerek javítják az energiahatékonyságot és a megbízhatóságot a kkv -kkal.Ezek az egységek kezelik a fékezés során előállított energiát és hatékonyan elosztják azt, javítva a tranzitrendszer általános energiahatékonyságát.

Következtetés

A cikk a szupravezető mágneses energiatároló (kkv -k) rendszereket vizsgálja, kiemelve azok forradalmi energiatároló technológiájának potenciálját.A kkv -k rendszerek nagy hatékonyságot, gyors válaszidőt és alacsony környezeti hatást kínálnak, így megoldást jelentenek a jelenlegi energia kihívásokra.A cikk különféle területeken, ideértve az egészségügyi ellátást, a megújuló energiát és a szállítást, felhasználásukat fedezi, sokoldalúságukat és méretezhetőségüket megmutatva.Ahogy a világ a fenntartható energiamegoldások felé mozog, a kkv -k technológiája kiemelkedik a globális energia ellenálló képesség fokozásában.A kkv -k folyamatban lévő fejleményei a megújuló energiaforrások integrálására, a globális hatalmi infrastruktúra stabilitásának és hatékonyságának javítására.

Gyakran feltett kérdések [GYIK]

1. Hogyan tárolja a mágneses mező energiát?

A mágneses mező az energiát tárolja a mágneses dipólok vagy a töltött részecskék igazításán és mozgásán keresztül.Amikor egy elektromos áram áthalad egy huzaltekercsen, akkor mágneses mezőt hoz létre a tekercs körül.Ez a mágneses mező képes energiát tárolni a mező megállapítására tett munka miatt.Pontosabban, energiára van szükség az atomok mágneses momentumainak hozzáigazításához egy anyagban, amely viszont olyan mezőt hoz létre, amely erőket gyakorolhat és más tárgyakon dolgozhat.A mágneses mezőben tárolt energia közvetlenül arányos a mező intenzitásának négyzetével.

2. Melyik eszköz tárolja az energiát egy mágneses mezőben?

A mágneses mezőben az energiát tároló eszköz induktor vagy mágneses tekercs.Az induktorok huzaltekercsekből állnak, amelyeket gyakran egy mágneses mag körül csomagolnak, ami javítja a mágneses mező szilárdságát.Amikor az áram átfolyik a tekercsen, egy mágneses mező felhalmozódik, és az energiát ezen a mezőben tárolják.Az induktor azon képessége, hogy tárolják a mágneses energiát, sok elektronikus áramkörben, az áramellátási és konverziós technológiákban használják.

3. Mennyire hatékony a szupravezető mágneses energiatárolás?

A szupravezető mágneses energiatároló (kkv-k) rendszerek rendkívül hatékonyak, és az oda-vissza energiahatékonyságot 90% -ról 95% -ra érik el.Ezek a rendszerek szupravezető tekercseket használnak, amelyek nagyon alacsony hőmérsékleten ellenállás nélkül vezethetnek áramot.Az elektromos ellenállás hiánya azt jelenti, hogy szinte nem veszít el energiát, mint a hő, ami javítja az energiatárolás hatékonyságát.A kkv -k rendszereit úgy értékelik, hogy szinte azonnal felszabadítsák a tárolt energiát, ami jó a gyors kibocsátást igénylő alkalmazásokhoz, például az energiahálózatok stabilizálását a csúcsigény alatt.

4. A mágneses energia bolt vagy átvitel?

A mágneses energia az energiatárolás egyik formája.Az energiát a mágneses mezőben tárolják, amelyet az elektromos töltések mozgása, egy tekercsben hoz létre.Szükség esetén ezt a tárolt energiát vissza lehet alakítani elektromos energiává, vagy felhasználhatjuk a mechanikai munkák elvégzésére, ezáltal az energiát a mágneses mezőből egy másik formába továbbítva.A mágneses energia elsődleges szerepe azonban olyan eszközökben, mint az induktorok vagy a kkv -k rendszerekben az energia tárolása.

5. Mi a példa egy mágneses energiaboltra?

A mágneses energiaszária példája a lendkerék energiatároló rendszere, amely, bár elsősorban mechanikus, gyakran magában foglalja az energiatárolás és a stabilizálás mágneses alkatrészeit.Ezek a rendszerek egy forgó mechanikus lendkeréket használnak, amelynek mozgása mágneses mezőt generál, olyan verziókban, amelyek mágneses csapágyakat használnak a súrlódás és az energiavesztés csökkentése érdekében.Ez a mechanikai és mágneses energiák közötti kölcsönhatás lehetővé teszi a lendkerék rendszerének hatékonyan tárolását és szükség esetén gyorsan felszabadítását, így a mágneses energiatárolás gyakorlati alkalmazása mind mechanikai, mind elektromos formákban.