Pengenalan kepada Penyimpanan Tenaga Magnetik Superconducting (PKS): Prinsip dan Aplikasi

Artikel ini membincangkan bagaimana tenaga disimpan dalam medan magnet melalui induksi elektromagnet dan persamaan yang berkaitan.Ia juga mengkaji reka bentuk dan bahan canggih yang digunakan dalam mewujudkan sistem PKS, yang memberi tumpuan kepada gegelung toroidal dan solenoid.Sistem ini digunakan dalam pelbagai tetapan, dari kemudahan perubatan ke tapak perindustrian.Artikel ini memberikan gambaran terperinci mengenai komponen, seperti bahan superconducting seperti niobium-titanium dan yttrium barium tembaga oksida, dan pertimbangan reka bentuk penting untuk konfigurasi gegelung dalam sistem PKS.

Katalog

Rajah 1: Penyimpanan tenaga magnet superconducting

Apakah superkonduktiviti?

Superconductivity adalah fenomena mekanikal kuantum di mana bahan -bahan tertentu menjalankan elektrik tanpa rintangan apabila disejukkan di bawah suhu yang diperlukan.Ia termasuk:

Rintangan elektrik sifar

Superconductors membolehkan aliran semasa kekal tanpa kehilangan tenaga di bawah keadaan yang ideal, yang merupakan ciri yang jelas.

Kesan Meissner

Superconductors mengusir medan magnet dari pedalaman mereka ketika dalam keadaan superconducting.Ini dikenali sebagai kesan Meissner dan baik untuk mengekalkan medan magnet yang stabil dan cekap dalam aplikasi PKS.

Peralihan fasa

Superconductivity berlaku pada suhu tertentu yang disebut suhu kritikal.Suhu ini khusus bahan dan boleh berkisar dari sifar mutlak ke suhu yang lebih tinggi untuk superkonduktor suhu tinggi.

Rajah 2:

Rajah 3: Daya elektromagnet

Mekanisme penyimpanan tenaga dalam medan magnet

Dalam sistem PKS, tenaga disimpan dalam medan magnet yang dihasilkan oleh arus langsung dalam gegelung superconducting.Proses ini melibatkan:

Apabila arus mengalir melalui gegelung superconducting, medan magnet dibuat.Menurut teori elektromagnet, tenaga yang disimpan dalam medan magnet adalah berkadar dengan kuadrat arus dan gegelung.

Tenaga (e) yang disimpan boleh diukur dengan persamaan:

di mana l adalah induktansi gegelung, dan saya adalah arus.Reka bentuk gegelung memberi tumpuan kepada memaksimumkan induktansi dan keupayaan semasa untuk meningkatkan penyimpanan tenaga.

Untuk menyimpan dan menggunakan tenaga dengan berkesan, medan magnet mesti terkandung dan dikawal.Ini melibatkan geometri kompleks dan kejuruteraan bahan untuk mengoptimumkan laluan magnet dan meminimumkan kerugian.

Komponen Penyimpanan Tenaga Magnetik Superconducting (PKS)

Gegelung superconducting direka untuk mengoptimumkan superkonduktiviti, yang membolehkan arus elektrik mengalir tanpa rintangan.Gegelung ini dicipta oleh wayar superconducting penggulungan di sekitar teras atau membentuknya menjadi solenoid.

• Konfigurasi gegelung

Solenoid Coils - Gegelung silinder ini menghasilkan medan magnet seragam di dalam dan digunakan dalam mesin MRI.

Gegelung Toroidal - Berbentuk seperti donat, gegelung ini digunakan dalam aplikasi seperti reaktor Tokamak untuk pembendungan plasma dalam penyelidikan fusion.

Rajah 4: Gegelung solenoid dan gegelung toroidal

• Sistem penyejukan

Sistem penyejukan lanjutan berguna untuk mengekalkan superkonduktiviti.Sistem ini menggunakan helium cecair, nitrogen cecair, atau cryocoolers untuk mengekalkan gegelung pada suhu jauh di bawah ambang mereka.

Bahan yang digunakan dalam gegelung superconducting

Prestasi gegelung superconducting sangat bergantung kepada bahan yang digunakan.Dua jenis utama bahan superconducting adalah:

• Superconductor suhu rendah (LTS)

Niobium-Titanium (NBTI): Biasa digunakan dalam sistem MRI dan kemudahan penyelidikan, NBTI dinilai untuk ketahanannya dan keperluan kriogenik yang agak mudah.

Niobium-tin (NB3SN): Dengan ambang medan suhu dan magnet yang lebih tinggi daripada NBTI, NB3SN sangat sesuai untuk aplikasi yang memerlukan medan magnet yang lebih kuat.

• Superconductor suhu tinggi (HTS)

Yttrium barium tembaga oksida (YBCO): Bahan ini beroperasi pada suhu yang lebih tinggi daripada bahan LTS, memudahkan dan mengurangkan kos sistem penyejukan.

Bismuth strontium kalsium oksida tembaga (BSCCO): Dikenali dengan bentuk seperti pita, BSCCO adalah fleksibel dan sesuai untuk gegelung dengan bentuk kompleks.

Rajah 5: Yttrium barium tembaga oksida (YBCO) dan bismut strontium kalsium oksida tembaga (BSCCO)

Proses penukaran tenaga dalam sistem penyimpanan tenaga magnet superconducting

Langkah pertama dalam sistem PKS mengubah arus berselang (AC) untuk mengarahkan arus (DC) kerana gegelung superconducting berjalan pada DC.

AC, yang berasal dari grid atau loji kuasa, masuk ke penerus.Tugas penerus adalah untuk menghidupkan AC, yang mengubah arah, ke DC, yang mengalir dalam satu arah.Ia menggunakan peranti seperti diod atau thyristors untuk melakukan ini.

Selepas penukaran ini, DC mungkin masih mempunyai beberapa riak seperti AC.Untuk melicinkan ini, kami menggunakan penapis dengan kapasitor dan induktor.Ini menjadikan DC mantap, untuk kecekapan dan keselamatan sistem PKS.

Dengan Smooth DC siap, DC mengalir ke dalam gegelung superconducting, yang tidak mempunyai rintangan elektrik. Ini membolehkan arus mengalir tanpa kehilangan tenaga.

DC dalam gegelung mewujudkan medan magnet yang kuat di sekelilingnya, menukar tenaga elektrik ke dalam tenaga magnet yang disimpan dalam bidang ini.

Untuk mengekalkan gegelung superkonduktif, gegelung disimpan pada suhu yang sangat rendah menggunakan penyejuk kriogenik seperti helium cecair atau nitrogen. Ini penting kerana kenaikan suhu boleh menyebabkan gegelung kehilangan superkonduktiviti, yang membawa kepada kehilangan tenaga.

Apabila kita memerlukan tenaga yang disimpan, tenaga yang disimpan dalam medan magnet memacu arus DC dalam gegelung. DC ini perlu dihidupkan semula menjadi AC untuk berguna untuk kebanyakan sistem kuasa.Penyongsang melakukan ini dengan mengubah arah semasa pada frekuensi yang sepadan dengan grid AC.

Output AC disegerakkan dengan voltan, kekerapan, dan fasa grid sebelum dihantar, memastikan ia berfungsi dengan baik dengan grid dan beban elektrik lain.

Rajah 6: Skema gambarajah sistem penyimpanan tenaga magnet superconducting

Reka bentuk sistem penyimpanan tenaga magnet superconducting

Reka bentuk gegelung dalam sistem PKS diperlukan untuk kecekapan, kos, dan kapasiti penyimpanan tenaga.Dua reka bentuk gegelung utama adalah toroidal dan solenoid.

Jenis gegelung	Geometri dan fungsi	Kelebihan	Kekurangan
Gegelung Toroidal	Berbentuk donat, direka untuk menjaga hampir semua Medan magnet di dalam gegelung, meminimumkan kebocoran.Bentuk ini membantu Kurangkan daya elektromagnet yang bertindak ke atas struktur gegelung.	Pembendungan medan magnet: magnet Bidang kekal di dalam gegelung, yang membawa kepada medan magnet yang lebih rendah.	Kerumitan pembuatan: Membina Bentuk toroidal adalah kompleks dan mahal.
		Keselamatan: Reka bentuk ini lebih selamat dan mengurangkan gangguan dengan peranti elektronik berdekatan dan peralatan sensitif yang lain.	Cabaran Penyelenggaraan: Mengakses bahagian dalaman gegelung ini sukar, merumitkan penyelenggaraan dan pemeriksaan.
Gegelung solenoid	Silinder, dengan semasa berjalan bersama Panjang silinder.Reka bentuk ini lebih mudah dan lebih mudah daripada konfigurasi toroidal.	Kemudahan pembuatan: gegelung solenoid adalah Lebih mudah dan kurang mahal untuk menghasilkan kerana geometri mudah mereka. Kebolehcapaian Penyelenggaraan: Reka bentuk terbuka menjadikannya lebih mudah untuk mengekalkan dan memeriksa.	Kebocoran medan magnet: magnet kebocoran medan di kedua -dua hujung silinder, yang boleh menjejaskan elektronik berdekatan peranti dan memerlukan pelindung tambahan.

Faktor yang mempengaruhi pilihan reka bentuk gegelung

Rajah 7: Gegelung solenoid dan gegelung toroidal

Permohonan yang dimaksudkan: Permohonan menentukan pilihan gegelung.Sebagai contoh, gegelung toroidal lebih disukai di mana gangguan elektromagnet mesti diminimumkan, seperti dalam kemudahan perubatan atau peralatan saintifik yang sensitif.

Keperluan penyimpanan tenaga: Jumlah tenaga yang akan disimpan mempengaruhi reka bentuk gegelung.Gegelung solenoid mungkin sesuai dengan aplikasi berskala yang lebih kecil kerana keberkesanan kos mereka, sementara gegelung toroidal mungkin digunakan untuk penyimpanan skala industri yang lebih besar disebabkan oleh kecekapan dan kebocoran magnet minimum.

Ruang dan kekangan alam sekitar: Ruang fizikal dan keadaan persekitaran yang tersedia adalah pertimbangan utama.Gegelung toroidal, dengan medan magnet yang padat dan tertutup, lebih sesuai untuk ruang terkurung atau kawasan penduduk.

Kekangan belanjawan: Batasan belanjawan memberi kesan kepada pilihan reka bentuk gegelung.Gegelung solenoid adalah lebih murah dan mungkin lebih disukai dalam projek sensitif kos.

Pertimbangan Penyelenggaraan dan Operasi: Kemudahan penyelenggaraan dan kebolehpercayaan operasi adalah penting.Gegelung solenoid, yang menawarkan akses yang lebih mudah untuk penyelenggaraan dan pemeriksaan, boleh menjadi faktor penentu dalam pemilihan mereka.

Kelebihan sistem penyimpanan tenaga magnet superconducting

Kelebihan	Penerangan
Kecekapan tinggi dan masa tindak balas yang pantas	Sistem PKS mencapai lebih daripada 95% kecekapan Dengan menyimpan tenaga dalam gegelung superconducting dengan rintangan hampir sifar.Mereka boleh bertindak balas terhadap perubahan permintaan kuasa dalam milisaat.
Kesan dan kestabilan alam sekitar	Sistem ini mesra alam, memancarkan Tiada gas rumah hijau atau menggunakan bahan toksik.Mereka mengekalkan stabil prestasi tanpa mengira keadaan luaran seperti suhu atau cuaca.
Kebolehpercayaan dan umur panjang	Sistem PKS tidak mempunyai bahagian dan penggunaan yang bergerak bahan superconducting tahan lama, mengakibatkan kurang haus dan lusuh dan lebih rendah kos penyelenggaraan sepanjang hayat mereka yang panjang.
Skalabiliti dan fleksibiliti	Mampu menyimpan tenaga dari beberapa Kilowatt-jam ke beberapa jam megawatt, unit PKS fleksibel untuk pelbagai aplikasi dan boleh dipasang di persekitaran yang pelbagai dengan minimum pengubahsuaian.
Menyokong grid dan tenaga boleh diperbaharui	Mereka membantu mengawal voltan, menstabilkan kekerapan, dan output lancar dari sumber yang boleh diperbaharui, meningkatkan grid Kebolehpercayaan dan menyokong integrasi tenaga boleh diperbaharui yang lebih besar.
Keberkesanan kos jangka panjang	Walaupun kos awal yang tinggi, PKS Sistem mempunyai perbelanjaan operasi dan penyelenggaraan yang rendah, menjadikannya Kos efektif dalam jangka masa panjang, terutamanya dalam aplikasi tertentu.
Keselamatan dan keselamatan	Sistem PKS mengelakkan risiko letupan atau kebocoran toksik yang dikaitkan dengan penyelesaian penyimpanan kimia, membuat Mereka lebih selamat untuk tetapan yang berbeza, termasuk kawasan bandar.

Aplikasi penyimpanan tenaga magnet superconducting

Rajah 8: Sistem penghantaran AC yang fleksibel, salah satu aplikasi utama penyimpanan tenaga magnet superconducting

Hospital

Hospital bergantung kepada bekalan kuasa yang tidak terganggu (UPS) untuk memastikan peralatan menyelamatkan nyawa dan sistem penjagaan beroperasi.Sistem PKS menyediakan penyelesaian UPS yang boleh dipercayai dengan melepaskan tenaga tersimpan dengan serta -merta semasa kegagalan kuasa, meminimumkan gangguan operasi.Mereka juga mengekalkan peraturan kuasa berkualiti tinggi, yang melindungi peralatan perubatan sensitif dari turun naik kuasa kecil.

Pusat data

Pusat data, yang menguruskan sejumlah besar maklumat digital, sangat sensitif terhadap isu kualiti kuasa.Sistem PKS sangat sesuai untuk melindungi daripada gangguan kuasa jangka pendek seperti sag voltan dan lonjakan.Dengan mengintegrasikan PKS, pusat data dapat memastikan operasi pelayan dan peralatan rangkaian yang berterusan, mengekalkan ketersediaan dan integriti perkhidmatan data.

Integrasi tenaga boleh diperbaharui

Sumber tenaga boleh diperbaharui seperti angin dan solar memperkenalkan kebolehubahan dalam penjanaan kuasa disebabkan oleh keadaan cuaca.Sistem PKS menstabilkan grid dengan cepat menyerap elektrik yang berlebihan semasa tempoh pengeluaran yang tinggi dan melepaskan tenaga semasa pengeluaran yang rendah, melicinkan turun naik dan meningkatkan kestabilan grid.

Stesen pengisian kenderaan elektrik

Dengan peningkatan penggunaan kenderaan elektrik (EV), permintaan untuk penyelesaian pengecasan yang cekap dan cepat meningkat.Sistem PKS di stesen pengisian EV menguruskan permintaan beban dengan menyimpan tenaga semasa waktu puncak dan melepaskannya semasa permintaan puncak.Ini mengurangkan ketegangan pada grid elektrik dan membolehkan masa pengecasan yang lebih cepat.

Aplikasi perindustrian

Industri yang memerlukan pecahan kuasa secara tiba -tiba mendapat manfaat daripada sistem PKS.Sistem ini menyediakan tenaga yang betul tanpa banyak melukis pada grid, keperluan dalam pembuatan untuk mengawal jentera yang tepat dan mengekalkan kualiti produk.

Tentera dan aeroangkasa

Pangkalan tentera dan operasi aeroangkasa memerlukan tenaga yang boleh dipercayai dan berkualiti tinggi.Sistem PKS menawarkan bekalan kuasa tindak balas cepat yang memastikan operasi yang tidak terganggu dan menyokong permintaan tenaga tinggi teknologi dan peralatan canggih di sektor ini.

Sistem transit massa

Rangkaian kereta api dan sistem transit bandar meningkatkan kecekapan kuasa dan kebolehpercayaan dengan PKS.Unit -unit ini menguruskan tenaga yang dihasilkan semasa brek dan mengagihkan semula dengan cekap, meningkatkan kecekapan tenaga keseluruhan sistem transit.

Kesimpulan

Artikel ini meneroka sistem penyimpanan tenaga magnet (PKS) superconducting, menonjolkan potensi mereka sebagai teknologi penyimpanan tenaga revolusioner.Sistem PKS menawarkan kecekapan yang tinggi, masa tindak balas yang cepat, dan kesan alam sekitar yang rendah, menjadikan mereka penyelesaian untuk cabaran tenaga semasa.Artikel ini meliputi penggunaannya dalam pelbagai bidang, termasuk penjagaan kesihatan, tenaga boleh diperbaharui, dan pengangkutan, menunjukkan kepelbagaian dan skalabiliti mereka.Memandangkan dunia bergerak ke arah penyelesaian tenaga lestari, teknologi PKS menonjol dalam meningkatkan daya tahan tenaga global.Perkembangan berterusan dalam PKS untuk mengintegrasikan sumber tenaga boleh diperbaharui, meningkatkan kestabilan dan kecekapan infrastruktur kuasa global.

Soalan Lazim [Soalan Lazim]

1. Bagaimanakah tenaga kedai medan magnet?

Medan magnet menyimpan tenaga melalui penjajaran dan pergerakan dipoles magnet atau zarah yang dikenakan.Apabila arus elektrik melalui gegelung dawai, ia mewujudkan medan magnet di sekitar gegelung.Medan magnet ini mampu menyimpan tenaga kerana kerja yang dilakukan untuk menubuhkan bidang.Khususnya, tenaga diperlukan untuk menyelaraskan momen -momen magnet atom dalam bahan, yang seterusnya mewujudkan medan yang dapat memaksa dan melakukan kerja pada objek lain.Tenaga yang disimpan dalam medan magnet adalah berkadar terus dengan persegi keamatan medan.

2. Peranti apa yang menyimpan tenaga dalam medan magnet?

Peranti yang menyimpan tenaga dalam medan magnet adalah induktor atau gegelung magnet.Induktor terdiri daripada gegelung dawai, sering dibalut dengan teras magnet, yang meningkatkan kekuatan medan magnet.Apabila arus mengalir melalui gegelung, medan magnet membina, dan tenaga disimpan dalam bidang ini.Keupayaan induktor untuk menyimpan tenaga magnet digunakan dalam banyak litar elektronik, dalam bekalan kuasa dan teknologi penukaran.

3. Seberapa cekap penyimpanan tenaga magnet superconducting?

Sistem penyimpanan tenaga magnetik (PKS) superconducting sangat cekap, mencapai kecekapan tenaga perjalanan sebanyak 90% hingga 95%.Sistem ini menggunakan gegelung superconducting yang boleh menjalankan elektrik tanpa rintangan pada suhu yang sangat rendah.Kekurangan rintangan elektrik bermakna hampir tiada tenaga hilang sebagai haba, yang meningkatkan kecekapan penyimpanan tenaga.Sistem PKS bernilai keupayaan mereka untuk melepaskan tenaga yang disimpan hampir seketika, yang baik untuk aplikasi yang memerlukan pelepasan pesat, seperti menstabilkan grid kuasa semasa permintaan puncak.

4. Adakah Tenaga Magnetik adalah kedai atau pemindahan?

Tenaga magnet adalah satu bentuk penyimpanan tenaga.Tenaga disimpan dalam medan magnet yang dicipta oleh pergerakan caj elektrik, dalam gegelung.Apabila keperluan, tenaga yang disimpan ini dapat ditukar kembali ke dalam tenaga elektrik atau digunakan untuk melakukan kerja mekanikal, dengan itu memindahkan tenaga dari medan magnet ke bentuk lain.Walau bagaimanapun, peranan utama tenaga magnet dalam peranti seperti induktor atau sistem PKS adalah untuk menyimpan tenaga.

5. Apakah contoh kedai tenaga magnet?

Contoh kedai tenaga magnet ialah sistem penyimpanan tenaga flywheel, yang, walaupun terutamanya mekanikal, sering menggabungkan komponen magnet untuk penyimpanan dan penstabilan tenaga.Sistem ini menggunakan roda tenaga mekanikal berputar yang pergerakannya menghasilkan medan magnet, dalam versi yang menggunakan galas magnet untuk mengurangkan geseran dan kehilangan tenaga.Interaksi ini antara tenaga mekanikal dan magnet membolehkan sistem roda tenaga untuk menyimpan tenaga dengan cekap dan melepaskannya dengan cepat apabila diperlukan, menjadikannya aplikasi praktikal penyimpanan tenaga magnet dalam kedua -dua bentuk mekanikal dan elektrik.