ระบบกักเก็บพลังงานแม่เหล็กยิ่งยวด (SMES)

การจัดเก็บพลังงานเป็นกระบวนการที่เกิดขึ้นกับอุปกรณ์หรือสื่อทางกายภาพที่เก็บพลังงานเพื่อให้สามารถใช้งานได้อย่างมีประสิทธิภาพในภายหลัง

ระบบกักเก็บพลังงานสามารถแบ่งออกเป็นเครื่องกล ไฟฟ้า เคมี และความร้อน หนึ่งในเทคโนโลยีการจัดเก็บพลังงานสมัยใหม่คือระบบ SMES ซึ่งเป็นระบบจัดเก็บพลังงานแม่เหล็กยิ่งยวด (ระบบจัดเก็บพลังงานแม่เหล็กยิ่งยวด)

ระบบกักเก็บพลังงานแม่เหล็กตัวนำยิ่งยวด (SMES) เก็บพลังงานในสนามแม่เหล็กที่สร้างขึ้นโดยการไหลของกระแสตรงในขดลวดตัวนำยิ่งยวดที่ได้รับการทำให้เย็นลงด้วยการแช่แข็งจนถึงอุณหภูมิที่ต่ำกว่าอุณหภูมิตัวนำยิ่งยวดวิกฤต เมื่อขดลวดตัวนำยิ่งยวดถูกชาร์จ กระแสจะไม่ลดลงและสามารถเก็บพลังงานแม่เหล็กไว้ได้อย่างไม่มีกำหนด พลังงานที่เก็บไว้สามารถคืนสู่กริดได้โดยการคลายขดลวด

ระบบกักเก็บพลังงานแม่เหล็กยิ่งยวดขึ้นอยู่กับสนามแม่เหล็กที่เกิดจากการไหลของกระแสตรง ในขดลวดตัวนำยิ่งยวด.

ขดลวดตัวนำยิ่งยวดถูกทำให้เย็นลงด้วยความเย็นอย่างต่อเนื่อง ดังนั้น ผลที่ได้คืออุณหภูมิต่ำกว่าวิกฤตอย่างต่อเนื่อง นั่นคือ ตัวนำยิ่งยวด… นอกจากคอยล์เย็นแล้ว ระบบ SMES ยังมีตู้เย็นแช่แข็งและระบบปรับอากาศอีกด้วย

สรุปก็คือ ขดลวดที่มีประจุในสถานะตัวนำยิ่งยวดสามารถรักษากระแสต่อเนื่องได้ด้วยตัวมันเอง ดังนั้นสนามแม่เหล็กของกระแสที่กำหนดสามารถเก็บพลังงานที่เก็บไว้ในนั้นได้นานไม่รู้จบ

พลังงานที่เก็บไว้ในขดลวดตัวนำยิ่งยวดสามารถจ่ายให้กับเครือข่ายได้หากจำเป็นในระหว่างการคายประจุของขดลวดดังกล่าว ในการแปลงไฟฟ้ากระแสตรงเป็นไฟฟ้ากระแสสลับ อินเวอร์เตอร์และสำหรับการชาร์จคอยล์จากเครือข่าย — วงจรเรียงกระแสหรือตัวแปลง AC-DC

ในระหว่างการแปลงพลังงานที่มีประสิทธิภาพสูงในทิศทางใดทิศทางหนึ่งการสูญเสียใน SME คิดเป็นสูงสุด 3% แต่สิ่งที่สำคัญที่สุดคือในกระบวนการเก็บพลังงานด้วยวิธีนี้การสูญเสียน้อยที่สุดใน วิธีการใด ๆ ที่รู้จักกันในปัจจุบันสำหรับการจัดเก็บและจัดเก็บพลังงาน ประสิทธิภาพขั้นต่ำโดยรวมของ SMEs คือ 95%

เนื่องจากวัสดุตัวนำยิ่งยวดมีราคาสูงและคำนึงถึงความจริงที่ว่าการทำความเย็นต้องใช้ต้นทุนด้านพลังงานด้วย ปัจจุบันระบบ SMES จึงใช้เฉพาะเมื่อจำเป็นต้องเก็บพลังงานในช่วงเวลาสั้น ๆ และในขณะเดียวกันก็ปรับปรุงคุณภาพของแหล่งจ่ายไฟ . นั่นคือมักใช้เฉพาะในกรณีที่จำเป็นเร่งด่วนเท่านั้น

ระบบ SME ประกอบด้วยองค์ประกอบดังต่อไปนี้:

• ขดลวดยิ่งยวด,
• ระบบแช่แข็งและระบบสุญญากาศ
• ระบบทำความเย็น,
• ระบบแปลงพลังงาน,
• อุปกรณ์ควบคุม.

ข้อได้เปรียบหลักของระบบ SME นั้นชัดเจน ประการแรก มันเป็นช่วงเวลาที่สั้นมากในระหว่างที่ขดลวดตัวนำยิ่งยวดสามารถรับหรือปล่อยพลังงานที่เก็บไว้ในสนามแม่เหล็กได้ ด้วยวิธีนี้ ไม่เพียงแต่จะได้แรงปลดปล่อยมหาศาลในทันทีเท่านั้น แต่ยังรวมถึงการชาร์จขดลวดตัวนำยิ่งยวดใหม่ด้วยความล่าช้าน้อยที่สุด

หากเราเปรียบเทียบ SME กับระบบจัดเก็บอากาศอัดที่มีมู่เล่และตัวสะสมไฮดรอลิก สิ่งหลังนั้นมีลักษณะความล่าช้าอย่างมากระหว่างการแปลงไฟฟ้าเป็นกลไกและในทางกลับกัน (ดู — การเก็บพลังงานฟลายวีล).

การไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวเป็นข้อได้เปรียบที่สำคัญอีกประการหนึ่งของระบบ SMES ซึ่งช่วยเพิ่มความน่าเชื่อถือ และแน่นอนว่าเนื่องจากไม่มีตัวต้านทานที่ใช้งานอยู่ในตัวนำยิ่งยวด การสูญเสียพื้นที่จัดเก็บจึงน้อยมาก พลังงานเฉพาะของ SMES มักจะอยู่ระหว่าง 1 ถึง 10 Wh/kg

ทั่วโลกมีการใช้ SMES 1 MWh เพื่อปรับปรุงคุณภาพไฟฟ้าเมื่อจำเป็น เช่น โรงงานไมโครอิเล็กทรอนิกส์ที่ต้องการพลังงานคุณภาพสูงสุด

นอกจากนี้เอสเอ็มอียังมีประโยชน์ในด้านสาธารณูปโภค ดังนั้นในรัฐหนึ่งของสหรัฐอเมริกาจึงมีโรงงานกระดาษซึ่งในระหว่างการดำเนินการอาจทำให้เกิดไฟกระชากอย่างรุนแรงในสายไฟฟ้า ปัจจุบัน สายไฟของโรงงานมีโมดูล SMES ครบชุดซึ่งรับประกันความเสถียรของโครงข่ายไฟฟ้า โมดูล SMES ที่มีความจุ 20 เมกะวัตต์ชั่วโมงสามารถให้พลังงานได้ 10 เมกะวัตต์เป็นเวลาสองชั่วโมงหรือทั้งหมด 40 เมกะวัตต์เป็นเวลาครึ่งชั่วโมง

ปริมาณพลังงานที่ขดลวดตัวนำยิ่งยวดกักเก็บไว้สามารถคำนวณได้โดยใช้สูตรต่อไปนี้ (โดยที่ L คือความเหนี่ยวนำ E คือพลังงาน I คือกระแส):

จากมุมมองของการกำหนดค่าโครงสร้างของขดลวดตัวนำยิ่งยวด สิ่งสำคัญคือต้องทนทานต่อการเสียรูป มีตัวบ่งชี้การขยายตัวและการหดตัวทางความร้อนน้อยที่สุด และยังมีความไวต่ำต่อแรง Lorentz ซึ่งเกิดขึ้นอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ในระหว่าง การดำเนินการติดตั้ง (กฎที่สำคัญที่สุดของอิเล็กโทรไดนามิกส์). ทั้งหมดนี้มีความสำคัญเพื่อป้องกันการทำลายของขดลวดในขั้นตอนการคำนวณคุณสมบัติและปริมาณวัสดุก่อสร้างของการติดตั้ง

สำหรับระบบขนาดเล็ก อัตราความเครียดโดยรวม 0.3% ถือว่ายอมรับได้ นอกจากนี้ รูปทรง Toroidal ของขดลวดยังมีส่วนช่วยในการลดแรงแม่เหล็กภายนอก ซึ่งทำให้สามารถลดต้นทุนของโครงสร้างรองรับ และยังช่วยให้สามารถติดตั้งใกล้กับวัตถุที่บรรทุกได้

หากการติดตั้ง SMES มีขนาดเล็ก ขดลวดโซลินอยด์อาจเหมาะสมเช่นกัน ซึ่งไม่ต้องการโครงสร้างรองรับพิเศษ ซึ่งแตกต่างจาก toroid อย่างไรก็ตาม ควรสังเกตว่าขดลวด Toroidal นั้นต้องการห่วงกดและแผ่น โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อมีโครงสร้างที่ค่อนข้างใช้พลังงานมาก

ตามที่ระบุไว้ข้างต้น ตู้เย็นที่มีสารตัวนำยิ่งยวดที่เย็นแล้วต้องใช้พลังงานอย่างต่อเนื่องในการทำงาน ซึ่งแน่นอนว่าจะลดประสิทธิภาพโดยรวมของ SMES

ดังนั้น ภาระความร้อนที่ต้องนำมาพิจารณาเมื่อออกแบบการติดตั้ง ได้แก่ การนำความร้อนของโครงสร้างรองรับ การแผ่รังสีความร้อนจากด้านข้างของพื้นผิวที่ร้อน การสูญเสียจูลในสายไฟที่กระแสชาร์จและคายประจุไหลผ่าน ตลอดจนการสูญเสีย ในตู้เย็นขณะทำงาน

แม้ว่าการสูญเสียเหล่านี้โดยทั่วไปจะเป็นสัดส่วนกับพลังงานเล็กน้อยของการติดตั้ง ข้อดีของระบบ SMES คือเมื่อความจุพลังงานเพิ่มขึ้น 100 เท่า ต้นทุนการทำความเย็นจะเพิ่มขึ้นเพียง 20 เท่า นอกจากนี้ สำหรับตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูง การประหยัดความเย็นจะมากกว่าเมื่อใช้ตัวนำยิ่งยวดที่มีอุณหภูมิต่ำ

ดูเหมือนว่าระบบจัดเก็บพลังงานของตัวนำยิ่งยวดที่ใช้ตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูงนั้นต้องการความเย็นน้อยกว่า ดังนั้นจึงควรมีค่าใช้จ่ายน้อยกว่า

อย่างไรก็ตาม ในทางปฏิบัติกลับไม่เป็นเช่นนั้น เนื่องจากต้นทุนรวมของโครงสร้างพื้นฐานในการติดตั้งมักจะสูงกว่าต้นทุนของตัวนำยิ่งยวด และขดลวดของตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูงนั้นมีราคาแพงกว่าขดลวดของตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิต่ำถึง 4 เท่า .

นอกจากนี้ ความหนาแน่นกระแสที่จำกัดสำหรับตัวนำยิ่งยวดที่มีอุณหภูมิสูงจะต่ำกว่าตัวนำยิ่งยวดที่มีอุณหภูมิต่ำ ซึ่งจะนำไปใช้กับการทำงานของสนามแม่เหล็กในช่วง 5 ถึง 10 T

ดังนั้นเพื่อให้ได้แบตเตอรี่ที่มีค่าความเหนี่ยวนำเท่ากัน จึงจำเป็นต้องใช้สายไฟตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูงมากขึ้น และถ้าการใช้พลังงานของการติดตั้งอยู่ที่ประมาณ 200 MWh ตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิต่ำ (ตัวนำ) จะมีราคาแพงกว่าถึงสิบเท่า

นอกจากนี้ หนึ่งในปัจจัยด้านต้นทุนที่สำคัญก็คือ ต้นทุนของตู้เย็นนั้นต่ำมาก ดังนั้นการลดพลังงานในการทำความเย็นโดยใช้ตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูงทำให้ประหยัดเปอร์เซ็นต์ที่ต่ำมากได้

เป็นไปได้ที่จะลดปริมาตรและเพิ่มความหนาแน่นของพลังงานที่เก็บไว้ใน SMES โดยการเพิ่มสนามแม่เหล็กสูงสุดในการทำงาน ซึ่งจะนำไปสู่การลดความยาวของสายไฟและลดต้นทุนโดยรวม ค่าที่เหมาะสมคือสนามแม่เหล็กสูงสุดประมาณ 7 T

แน่นอนว่าหากพื้นที่เพิ่มขึ้นเกินค่าที่เหมาะสม การลดปริมาณเพิ่มเติมก็เป็นไปได้ด้วยต้นทุนที่เพิ่มขึ้นเพียงเล็กน้อย แต่ขีดจำกัดการเหนี่ยวนำสนามมักจะถูกจำกัดทางกายภาพ เนื่องจากเป็นไปไม่ได้ที่จะนำชิ้นส่วนภายในของ Toroid มารวมกันในขณะที่ยังมีที่ว่างสำหรับกระบอกสูบชดเชย

วัสดุตัวนำยิ่งยวดยังคงเป็นประเด็นสำคัญในการสร้างการติดตั้งที่คุ้มค่าและมีประสิทธิภาพสำหรับธุรกิจขนาดกลางและขนาดย่อม ความพยายามของนักพัฒนาในปัจจุบันมีเป้าหมายเพื่อเพิ่มกระแสวิกฤตและช่วงของการเสียรูปของวัสดุตัวนำยิ่งยวด ตลอดจนลดต้นทุนการผลิต

สรุปความยุ่งยากทางเทคนิคในการนำระบบ SME ไปใช้อย่างแพร่หลาย สามารถแยกแยะได้อย่างชัดเจนดังต่อไปนี้ ความต้องการการสนับสนุนทางกลที่มั่นคงสามารถทนต่อแรง Lorentz ที่เกิดขึ้นในขดลวดได้

ความต้องการพื้นที่ขนาดใหญ่ เนื่องจากการติดตั้ง SME ที่มีกำลังการผลิต 5 GWh จะมีวงจรตัวนำยิ่งยวด (วงกลมหรือสี่เหลี่ยม) ยาวประมาณ 600 เมตร นอกจากนี้ ภาชนะสุญญากาศบรรจุไนโตรเจนเหลว (ยาว 600 เมตร) โดยรอบตัวนำยิ่งยวดจะต้องอยู่ใต้ดินและต้องมีการสนับสนุนที่เชื่อถือได้

อุปสรรคต่อไปคือความเปราะบางของเซรามิกอุณหภูมิสูงที่มีตัวนำยิ่งยวด ซึ่งทำให้ยากต่อการดึงสายไฟสำหรับกระแสสูงสนามแม่เหล็กวิกฤตที่ทำลายตัวนำยิ่งยวดยังเป็นอุปสรรคต่อการเพิ่มความเข้มของพลังงานเฉพาะของ SMES NS มีปัญหาในปัจจุบันที่สำคัญด้วยเหตุผลเดียวกัน