Einführung in die supraleitende magnetische Energiespeicherung (KMU): Prinzipien und Anwendungen

In dem Artikel wird erläutert, wie Energie in Magnetfeldern durch elektromagnetische Induktion und die damit verbundenen Gleichungen gespeichert wird.Es untersucht auch die fortschrittlichen Designs und Materialien, die zur Erstellung von KMU -Systemen verwendet werden und sich auf Toroid- und Magnetspulen konzentrieren.Diese Systeme werden in verschiedenen Umgebungen verwendet, von medizinischen Einrichtungen bis hin zu Industriestandorten.Der Artikel bietet einen detaillierten Überblick über Komponenten wie supraleitende Materialien wie Niobium-Titanium und Yttrium-Barium-Kupferoxid sowie wichtige Konstruktionsüberlegungen für Spulenkonfigurationen in KMU-Systemen.

Katalog

Abbildung 1: überschreibende magnetische Energiespeicherung

Was ist Supraleitung?

Die Supraleitung ist ein quantenmechanisches Phänomen, bei dem bestimmte Materialien bei der Kühlung unter einer erforderlichen Temperatur den Strom ohne Widerstand leiten.Es beinhaltet:

Null elektrischer Widerstand

Superkonferenzen ermöglichen einen ewigen Stromfluss ohne Energieverlust unter idealen Bedingungen, was ihre definierende Eigenschaft ist.

Meissner -Effekt

Superkonferenzen vertreiben Magnetfelder aus ihrem Innenraum im supraleitenden Zustand aus ihrem Innenraum.Dies ist als Meissner -Effekt bekannt und gut für die Aufrechterhaltung stabiler und effizienter Magnetfelder in KMU -Anwendungen.

Phasenübergang

Die Supraleitung tritt bei einer bestimmten Temperatur auf, die als kritische Temperatur bezeichnet wird.Diese Temperatur ist materialspezifisch und kann von nahezu absolut Null bis zu höheren Temperaturen für Hochtemperatur-Supraleiter reichen.

Abbildung 2:

Abbildung 3: elektromagnetische Kraft

Mechanismus der Energiespeicherung in einem Magnetfeld

In KMU -Systemen wird Energie im Magnetfeld gespeichert, das durch Gleichstrom in einer supraleitenden Spule erzeugt wird.Der Prozess beinhaltet:

Wenn der Strom durch die supraleitende Spule fließt, wird ein Magnetfeld erzeugt.Nach der elektromagnetischen Theorie ist die im Magnetfeld gespeicherte Energie proportional zum Quadrat des Stroms und zur Induktivität der Spule.

Die gespeicherte Energie (e) kann durch die Gleichung quantifiziert werden:

Wo L die Induktivität der Spule ist und ich der Strom.Das Spulendesign konzentriert sich auf die Maximierung der Induktivität und die aktuelle Kapazität zur Erhöhung der Energiespeicherung.

Um Energie effektiv zu speichern und zu nutzen, muss das Magnetfeld enthalten und kontrolliert werden.Dies beinhaltet komplexe Geometrien und Materialtechnik, um Magnetwege zu optimieren und Verluste zu minimieren.

Komponenten einer supraleitenden magnetischen Energiespeicherung (KMU)

Superkonditierende Spulen sind so konstruiert, dass sie die Superkonditionivität optimiert, wodurch der elektrische Strom ohne Widerstand fließen kann.Diese Spulen werden durch Wickeln supraleitender Draht um einen Kern erzeugt oder zu einem Magneten.

• Spulenkonfiguration

Magnetspulen - Diese zylindrischen Spulen erzeugen im Inneren ein gleichmäßiges Magnetfeld und werden in MRT -Maschinen verwendet.

Toroidale Spulen - wie ein Donut geformt, werden diese Spulen in Anwendungen wie Tokamak -Reaktoren für Plasma -Eindämmung in Fusionsforschung verwendet.

Abbildung 4: Magnetspulen und toroidale Spulen

• Kühlsysteme

Fortgeschrittene Kühlsysteme sind nützlich, um die Supraleitung aufrechtzuerhalten.Diese Systeme verwenden flüssiges Helium, flüssiges Stickstoff oder Kryokooler, um die Spulen bei Temperaturen weit unter ihrer Schwelle zu halten.

Materialien, die in supraleitenden Spulen verwendet werden

Die Leistung von supraleitenden Spulen hängt stark von den verwendeten Materialien ab.Die beiden primären Arten von supraleitenden Materialien sind:

• Lowperature-Superkonferenzen (LTS)

NBTI NiBium-Titanium (NBTI): NBTI wird häufig in MRT-Systemen und Forschungseinrichtungen verwendet und wird für seine Haltbarkeit und relativ einfache kryogene Anforderungen geschätzt.

Niobium-Tin (NB3SN): Mit einer höheren Temperatur und einer Magnetfeldschwelle als NBTI ist NB3SN ideal für Anwendungen, die stärkere Magnetfelder benötigen.

• Hochtemperatur-Supraleiter (HTS)

Yttrium Barium -Kupferoxid (YBCO): Dieses Material arbeitet bei höheren Temperaturen als LTS -Materialien, die die Kosten von Kühlsystemen vereinfachen und verringern.

Wismut Strontium Calcium Kupferoxid (BSCCO): BSCCO ist flexibel und für Spulen mit komplexen Formen geeignet.

Abbildung 5: Yttrium -Barium -Kupferoxid (YBCO) und Bismutstrontium -Calcium -Kupferoxid (BSCCO)

Energieumwandlungsprozess in einem supraleitenden magnetischen Energiespeichersystem

Der erste Schritt in einem KMU -System wechselt den Wechselstrom (AC) in den Gleichstrom (DC), da die supraleitende Spule auf DC ausgeführt wird.

Die AC, die aus dem Netz oder einem Kraftwerk stammt, geht in einen Gleichrichter.Die Aufgabe des Gleichrichters besteht darin, den Wechselstrom, der die Richtung verwandelt, in DC zu verwandeln, das in eine Richtung fließt.Es verwendet Geräte wie Dioden oder Thyristoren, um dies zu tun.

Nach dieser Umwandlung hat der DC möglicherweise noch einige AC-ähnliche Wellen.Um diese zu glätten, verwenden wir Filter mit Kondensatoren und Induktoren.Dies macht den DC für die Effizienz und Sicherheit des KMU -Systems stetig.

Mit glattem DC fließt der Gleichstrom in eine supraleitende Spule, die keinen elektrischen Widerstand aufweist. Dadurch kann der Strom fließen, ohne Energie zu verlieren.

Der Gleichstrom in der Spule erzeugt ein starkes Magnetfeld um sie herum und wandelt in diesem Feld elektrische Energie in magnetische Energie um.

Um die Spulenleiterin überzeugt zu halten, wird die Spule bei sehr niedrigen Temperaturen unter Verwendung kryogener Kühlmittel wie flüssigem Helium oder Stickstoff gehalten. Dies ist wichtig, da jeder Temperaturanstieg dazu führen kann, dass die Spule ihre Supraleitung verliert, was zu Energieverlust führt.

Wenn wir die gespeicherte Energie brauchen, treibt die im Magnetfeld gespeicherte Energie den Gleichstrom in der Spule an. Dieser DC muss wieder in AC verwandelt werden, um für die meisten Stromversorgungssysteme nützlich zu sein.Ein Wechselrichter tut dies, indem sie die Richtung des Stroms in einer Frequenz ändert, die dem Wechselstromnetz entspricht.

Der Wechselstromausgang wird mit der Spannung, Frequenz und Phase des Netzes synchronisiert, bevor er ausgesandt wird, um sicherzustellen, dass er gut mit dem Netz und anderen elektrischen Lasten funktioniert.

Abbildung 6: Schematisches Diagramm des supraleitenden magnetischen Energiespeichersystems

Design von supraleitenden magnetischen Energiespeichersystemen

Das Spulendesign in KMU -Systemen, die für Effizienz, Kosten und Energiespeicherkapazitäten erforderlich sind.Die beiden Hauptspulendesigns sind Toroidal und Magnet.

Spulenart	Geometrie und Funktion	Vorteile	Nachteile
Toroidale Spulen	Donut-förmlich, so gestaltet, dass er fast alle behält Das Magnetfeld im Inneren der Spule und minimiert die Leckage.Diese Form hilft Reduzieren Sie die auf die Spulenstruktur wirkende elektromagnetische Kräfte.	MAGTETISCHE FALIGE -KONTRIGMENT: Der Magnet Feld bleibt innerhalb der Spule und führt zu niedrigeren Magnetfeldern.	Herstellungskomplexität: Konstruktion Toroidale Formen sind komplex und kostspielig.
		Sicherheit: Dieses Design ist sicherer und reduziert die Störung mit nahe gelegenen elektronischen Geräten und anderen empfindlichen Geräten.	Wartungsherausforderungen: Zugriff auf die Innenteile dieser Spulen sind schwierig, die Wartung erschweren und Inspektion.
Magnetspulen	Zylindrisch, mit Strom läuft entlang Die Länge des Zylinders.Dieses Design ist einfacher und einfacher als die toroidale Konfiguration.	Leichtigkeit der Herstellung: Magnetspulen sind Einfacher und kostengünstigere Produktion aufgrund ihrer einfachen Geometrie. Wartungsanfang: Das Open-End-Design erleichtert sie aufrechtzuerhalten und inspizieren.	Magnetfeldleckage: das Magnet Feldlecks an beiden Enden des Zylinders, die die Elektronik in der Nähe beeinflussen können Geräte und benötigen zusätzliche Abschirmung.

Faktoren, die die Auswahl des Spulendesigns beeinflussen

Abbildung 7: Magnetspule und Toroidalspule

Beabsichtigte Anwendung: Die Anwendung bestimmt die Spulenauswahl.Beispielsweise werden toroidale Spulen bevorzugt, wenn elektromagnetische Störungen minimiert werden müssen, z.

Anforderungen an den Energiespeicher: Die zu gespeicherte Energiewirtschaft beeinflusst das Spulendesign.Solenoidale Spulen können aufgrund ihrer Kosteneffizienz an Anwendungen in kleineren Maßstäben entsprechen, während Toroid-Spulen aufgrund von Effizienz und minimaler magnetischer Leckage möglicherweise für eine größere Speicher im industriellen Maßstab verwendet werden.

Raum- und Umweltbeschränkungen: Der verfügbare physische Raum und Umgebungsbedingungen sind primäre Überlegungen.Toroidale Spulen mit ihrem kompakten und geschlossenen Magnetfeld eignen sich besser für enge Räume oder besiedelte Bereiche.

Budgetbeschränkungen: Budgetbeschränkungen wirken sich auf die Auswahl der Spulendesign aus.Solenoidale Spulen sind günstiger und können in kostenkarätigen Projekten bevorzugt werden.

Wartungs- und betriebliche Überlegungen: Einfache Wartung und betriebliche Zuverlässigkeit sind wichtig.Magnetspulen, die einen leichteren Zugang für Wartung und Inspektion bieten, können ein entscheidender Faktor für ihre Auswahl sein.

Vorteile von supraleitenden magnetischen Energiespeichersystemen

Vorteil	Beschreibung
Hohe Effizienz und schnelle Reaktionszeiten	KMU -Systeme erreichen über 95% Effizienz Durch das Speichern von Energie in einer supraleitenden Spule mit fast null Widerstand.Sie Kann auf Änderungen der Strombedarf in Millisekunden reagieren.
Umweltauswirkungen und Stabilität	Diese Systeme sind umweltfreundlich und emittieren Keine Treibhausgase oder giftige Materialien.Sie halten stabil Leistung unabhängig von externen Bedingungen wie Temperatur oder Wetter.
Zuverlässigkeit und Langlebigkeit	KMU -Systeme haben keine beweglichen Teile und verwenden langlebige supraleitende Materialien, die zu weniger Verschleiß und geringerer Verschleiß und niedrigerer Verschleiß führen Wartungskosten über ihre lange Lebensdauer.
Skalierbarkeit und Vielseitigkeit	In der Lage, Energie von ein paar zu speichern Kilowattstunden zu mehreren Megawattstunden, KMU-Einheiten sind flexibel für verschiedene Anwendungen und können in verschiedenen Umgebungen mit minimaler Installation installiert werden Modifikationen.
Unterstützung des Netzes und erneuerbarer Energien	Sie helfen bei der Regulierung der Spannung, stabilisieren sich Frequenz und reibungslose Ausgabe aus erneuerbaren Quellen, Verbesserung des Gitters Zuverlässigkeit und Unterstützung einer stärkeren Integration erneuerbarer Energien.
Langfristige Kosteneffizienz	Trotz hoher Anfangskosten, KMU Systeme haben niedrige Betriebs- und Wartungskosten und machen sie vor Auf lange Sicht kosteneffizient, insbesondere in bestimmten Anwendungen.
Sicherheit und Sicherheit	KMU -Systeme vermeiden die Risiken von Explosionen oder toxische Lecks im Zusammenhang mit chemischen Speicherlösungen, die Herstellung Sie für verschiedene Umgebungen, einschließlich städtischer Gebiete, sicherer.

Anwendungen der supraleitenden magnetischen Energiespeicherung

Abbildung 8: Flexible Wechselstromübertragungssystem, eine der Hauptanwendungen der supraleitenden magnetischen Energiespeicherung

Krankenhäuser

Krankenhäuser verlassen sich auf eine ununterbrochene Stromversorgung (UPS), um lebensrettende Geräte und Pflegesysteme in Betrieb zu halten.KMU -Systeme bieten eine zuverlässige UPS -Lösung, indem sie gespeicherte Energie während der Stromversagen sofort freigeben und Betriebsstörungen minimieren.Sie behalten auch eine qualitativ hochwertige Stromverordnung, die sensible medizinische Geräte vor geringfügigen Stromschwankungen schützt.

Rechenzentren

Rechenzentren, die große Mengen an digitalen Informationen verwalten, reagieren stark empfindlich gegenüber Stromqualitätsproblemen.KMU-Systeme sind ideal zum Schutz vor Kurzdauer-Stromstörungen wie Spannungssäuren und Anständen.Durch die Integration von KMU können Rechenzentren den kontinuierlichen Betrieb von Servern und Netzwerkgeräten sicherstellen und die Verfügbarkeit und Integrität von Datenservices aufrechterhalten.

Integration der erneuerbaren Energien

Erneuerbare Energiequellen wie Wind und Solar führen aufgrund von Wetterbedingungen eine Variabilität der Stromerzeugung ein.KMU -Systeme stabilisieren das Netz, indem sie während der hohen Produktionsperioden schnell überschüssige Elektrizität absorbieren und Energie während der geringen Produktion freisetzen, Schwankungen ausglättet und die Stabilität der Gitter verbessert.

Ladestationen für Elektrofahrzeuge

Mit zunehmender Einführung von Elektrofahrzeugen (EVs) steigt die Nachfrage nach effizienten und schnellen Ladelösungen.KMU-Systeme an EV-Ladestationen verwalten die Lastanforderungen, indem sie Energie in den Absendungen des Spitzenzeitens speichern und sie während der Spitzenbedarf freigeben.Dies reduziert die Dehnung des elektrischen Netzes und ermöglicht schnellere Ladezeiten.

Industrielle Anwendungen

Branchen, die plötzliche Stromausbrüche erfordern, profitieren von KMU -Systemen.Diese Systeme bieten die richtige Energie, ohne sich stark auf das Netz zu stellen, die Herstellung für eine präzise Kontrolle der Maschinen und die Aufrechterhaltung der Produktqualität.

Militär und Luft- und Raumfahrt

Militärbasen und Luft- und Raumfahrtoperationen erfordern zuverlässige und qualitativ hochwertige Energie.KMU-Systeme bieten ein schnelles Netzteil, das ununterbrochene Betriebsvorgänge gewährleistet und die hohen Energiebedarfsanforderungen fortschrittlicher Technologien und Geräte in diesen Sektoren unterstützt.

Nahverkehrssysteme

Schienennetzwerke und städtische Transitsysteme verbessern die Energieeffizienz und die Zuverlässigkeit mit KMU.Diese Einheiten verwalten Energie, die während des Bremens erzeugt werden, und verteilen Sie sie effizient, wodurch die Gesamtenergieeffizienz des Transitsystems verbessert wird.

Abschluss

Der Artikel untersucht supraleitende magnetische Energiespeichersysteme (KMU) und zeigt ihr Potenzial als revolutionäre Energiespeicher -Technologie an.KMU -Systeme bieten hohe Effizienz, schnelle Reaktionszeiten und niedrige Auswirkungen auf die Umwelt, wodurch sie zu Lösung für aktuelle Energieherausforderungen führen.Der Artikel deckt ihre Verwendung in verschiedenen Bereichen ab, einschließlich Gesundheitsversorgung, erneuerbarer Energie und Transport, wobei die Vielseitigkeit und Skalierbarkeit zeigt.Während sich die Welt in Richtung nachhaltiger Energielösungen bewegt, stimmt die KMU -Technologie bei der Verbesserung der globalen Energieverlust der Energie.Weitere Entwicklungen in KMU zur Integration erneuerbarer Energiequellen, Verbesserung der Stabilität und Effizienz der globalen Energieinfrastruktur.

Häufig gestellte Fragen [FAQ]

1. Wie speichert ein Magnetfeld Energie?

Ein Magnetfeld speichert Energie durch die Ausrichtung und Bewegung von magnetischen Dipolen oder geladenen Partikeln.Wenn ein elektrischer Strom durch eine Drahtspule fließt, erzeugt er ein Magnetfeld um die Spule.Dieses Magnetfeld kann aufgrund der geleisteten Arbeiten zur Festlegung des Feldes Energie speichern.Insbesondere ist Energie erforderlich, um die magnetischen Momente von Atomen in einem Material auszurichten, das wiederum ein Feld erzeugt, das Kräfte ausüben und an anderen Objekten arbeiten kann.Die in einem Magnetfeld gespeicherte Energie ist direkt proportional zum Quadrat der Feldintensität.

2. Welches Gerät speichert Energie in einem Magnetfeld?

Das Gerät, das Energie in einem Magnetfeld speichert, ist ein Induktor oder eine Magnetspule.Induktoren bestehen aus Drahtspulen, die häufig um einen Magnetkern gewickelt sind, was die Festigkeit des Magnetfeldes verbessert.Wenn der Strom durch die Spule fließt, wird ein Magnetfeld aufgebaut und in diesem Feld Energie gespeichert.Die Fähigkeit eines Induktors, magnetische Energie zu speichern, wird in vielen elektronischen Schaltkreisen, in der Stromversorgungs- und Umwandlungstechnologien verwendet.

3. Wie effizient ist supraleitende magnetische Energiespeicherung?

Superkonditionsmagnetische Energiespeichersysteme (KMU) sind hocheffizient und erreichen eine Rundweg-Energieeffizienz von 90% bis 95%.Diese Systeme verwenden supraleitende Spulen, die Strom ohne Widerstand bei sehr niedrigen Temperaturen leiten können.Das Fehlen eines elektrischen Widerstandes bedeutet fast keine Energie, die die Effizienz der Energiespeicherung erhöht.KMU -Systeme werden für ihre Fähigkeit geschätzt, gespeicherte Energie fast augenblicklich freizusetzen, was für Anwendungen, die schnelle Entladungen erfordern, wie Stabilisierungsnetze während des Spitzenbedarfs erforderlich sind.

4. Ist magnetische Energie ein Geschäft oder Übertragung?

Magnetische Energie ist eine Form der Energiespeicherung.Die Energie wird im Magnetfeld gespeichert, das durch die Bewegung elektrischer Ladungen in einer Spule erzeugt wird.Bei Bedarf kann diese gespeicherte Energie wieder in elektrische Energie umgewandelt werden oder zur Ausführung mechanischer Arbeiten verwendet werden, wodurch Energie aus dem Magnetfeld in eine andere Form übertragen wird.Die Hauptaufgabe der magnetischen Energie in Geräten wie Induktoren oder KMU -Systemen besteht jedoch darin, Energie zu speichern.

5. Was ist ein Beispiel für einen magnetischen Energiespeicher?

Ein Beispiel für einen magnetischen Energiespeicher ist das Schwungrad -Energiespeichersystem, das zwar in erster Linie mechanisch, aber häufig magnetische Komponenten für die Energiespeicherung und -stabilisierung enthält.Diese Systeme verwenden ein rotierendes mechanisches Schwungrad, dessen Bewegung ein Magnetfeld erzeugt, in Versionen, die Magnetlager verwenden, um die Reibung und den Energieverlust zu verringern.Diese Wechselwirkung zwischen mechanischen und magnetischen Energien ermöglicht es dem Schwungradsystem, energie effizient zu speichern und bei Bedarf schnell freizugeben, was es zu einer praktischen Anwendung der magnetischen Energiespeicherung sowohl in mechanischen als auch in elektrischen Formen macht.