Inleiding tot supergeleidende magnetische energieopslag (MKB): principes en toepassingen

Het artikel bespreekt hoe energie wordt opgeslagen in magnetische velden door elektromagnetische inductie en de gerelateerde vergelijkingen.Het onderzoekt ook de geavanceerde ontwerpen en materialen die worden gebruikt bij het maken van MKB -systemen, gericht op toroïdale en solenoïde spoelen.Deze systemen worden in verschillende omgevingen gebruikt, van medische voorzieningen tot industriële locaties.Het artikel biedt een gedetailleerd overzicht van componenten, zoals supergeleidende materialen zoals niobium-titanium en yttriumbarium koperoxide, en belangrijke ontwerpoverwegingen voor spoelconfiguraties in MKB-systemen.

Catalogus

Figuur 1: Supergeleidende opslag van magnetische energie

Wat is supergeleiding?

Supergeleiding is een kwantummechanisch fenomeen waarbij bepaalde materialen elektriciteit zonder weerstand leiden wanneer gekoeld onder een vereiste temperatuur.Het omvat:

Nul elektrische weerstand

Supergeleiders laten eeuwige stroomstroom toe zonder energieverlies onder ideale omstandigheden, wat hun bepalende kenmerk is.

Meissner -effect

Supergeleiders verdrijven magnetische velden uit hun interieur in de supergeleidende toestand.Dit staat bekend als het Meissner -effect en goed voor het handhaven van stabiele en efficiënte magnetische velden in MKB -toepassingen.

Fase -overgang

Supergeleiding treedt op bij een specifieke temperatuur die de kritieke temperatuur wordt genoemd.Deze temperatuur is materiaalspecifiek en kan variëren van bijna absolute nul tot hogere temperaturen voor supergeleiders op hoge temperatuur.

Figuur 2:

Figuur 3: Elektromagnetische kracht

Mechanisme van energieopslag in een magnetisch veld

In MKB -systemen wordt energie opgeslagen in het magnetische veld dat wordt gegenereerd door directe stroom in een supergeleidende spoel.Het proces omvat:

Wanneer de stroom door de supergeleidende spoel stroomt, wordt een magnetisch veld gemaakt.Volgens de elektromagnetische theorie is de in het magnetische veld opgeslagen energie evenredig met het kwadraat van de stroom en de inductie van de spoel.

De opgeslagen energie (E) kan worden gekwantificeerd door de vergelijking:

Waar L de inductie van de spoel is en ik de stroom is.Het spoelontwerp richt zich op het maximaliseren van inductantie en de huidige capaciteit om de energieopslag te vergroten.

Om energie effectief op te slaan en te gebruiken, moet het magnetische veld worden opgenomen en gecontroleerd.Dit omvat complexe geometrieën en materiaaltechniek om magnetische paden te optimaliseren en verliezen te minimaliseren.

Componenten van een supergeleidende magnetische energieopslag (MKB)

Supergeleidende spoelen worden ontworpen om supergeleiding te optimaliseren, waardoor elektrische stroom zonder weerstand kan stromen.Deze spoelen worden gemaakt door supergeleidende draad rond een kern te kronkelen of in een solenoïde te vormen.

• Spoelconfiguratie

Solenoïde spoelen - Deze cilindrische spoelen genereren binnen een uniform magnetisch veld en worden gebruikt in MRI -machines.

Toroïdale spoelen - in de vorm van een donut, deze spoelen worden gebruikt in toepassingen zoals Tokamak -reactoren voor plasma -insluiting in fusieonderzoek.

Figuur 4: Solenoïde spoelen en toroïdale spoelen

• Koelsystemen

Geavanceerde koelsystemen zijn nuttig om supergeleiding te behouden.Deze systemen gebruiken vloeibare helium-, vloeibare stikstof of cryocoolers om de spoelen bij temperaturen ver onder hun drempel te houden.

Materialen die worden gebruikt in supergeleidende spoelen

De prestaties van supergeleidende spoelen hangt sterk af van de gebruikte materialen.De twee primaire soorten supergeleidende materialen zijn:

• Supergeleiders met lage temperatuur (LTS)

Niobium-titanium (NBTI): vaak gebruikt in MRI-systemen en onderzoeksfaciliteiten, wordt NBTI gewaardeerd vanwege de duurzaamheid en relatief eenvoudige cryogene vereisten.

Niobium-Tin (NB3SN): Met een hogere temperatuur- en magnetische velddrempel dan NBTI is NB3SN ideaal voor toepassingen die sterkere magnetische velden nodig hebben.

• Supergeleiders op hoge temperatuur (HTS)

Yttrium barium koperoxide (YBCO): dit materiaal werkt bij hogere temperaturen dan LTS -materialen, waardoor de kosten van koelsystemen worden vereenvoudigd en vereenvoudigd.

Bismuth Strontium calcium koperoxide (BSCCO): bekend om zijn tape-achtige vorm is BSCCO flexibel en geschikt voor spoelen met complexe vormen.

Figuur 5: Yttrium barium koperoxide (YBCO) en Bismuth Strontium calcium koperoxide (BSCCO)

Energieconversieproces in een supergeleidend systeem voor magnetische energieopslag

De eerste stap in een MKB -systeem verandert de wisselstroom (AC) om de stroom (DC) te sturen omdat de supergeleidende spoel op DC draait.

De AC, die uit het rooster of een energiecentrale komt, gaat in een gelijkrichter.De taak van de gelijkrichter is om de AC te veranderen, die van richting verandert, in DC, die in één richting stroomt.Het gebruikt apparaten zoals diodes of thyristors om dit te doen.

Na deze conversie kan de DC nog steeds een aantal AC-achtige rimpelingen hebben.Om deze glad te strijken, gebruiken we filters met condensatoren en inductoren.Dit maakt de DC stabiel, voor de efficiëntie en veiligheid van het MKB -systeem.

Met gladde DC klaar, stroomt de DC in een supergeleidende spoel, die geen elektrische weerstand heeft. Hierdoor kan de stroom stromen zonder energie te verliezen.

De DC in de spoel creëert een sterk magnetisch veld eromheen, waardoor elektrische energie wordt omgezet in magnetische energie die op dit veld is opgeslagen.

Om de spoel supergeleidend te houden, wordt de spoel bij zeer lage temperaturen gehouden met behulp van cryogene koelmiddelen zoals vloeibaar helium of stikstof. Dit is belangrijk omdat elke temperatuurstijging ertoe kan leiden dat de spoel zijn supergeleiding verliest, wat leidt tot energieverlies.

Wanneer we de opgeslagen energie nodig hebben, drijft de energie die is opgeslagen in het magnetische veld de DC -stroom in de spoel aan. Deze DC moet worden teruggezet in AC om nuttig te zijn voor de meeste energiesystemen.Een omvormer doet dit door de richting van de stroom te wijzigen met een frequentie die overeenkomt met het AC -raster.

De AC -uitgang wordt gesynchroniseerd met de spanning, frequentie en fase van het rooster voordat u wordt verzonden, zodat deze goed werkt met het rooster en andere elektrische belastingen.

Figuur 6: Schematisch diagram van supergeleidend magnetische energieopslagsysteem

Ontwerp van supergeleidende systemen voor magnetische energieopslag

Het spoelontwerp in MKB -systemen die nodig zijn voor efficiëntie, kosten en energieopslagcapaciteit.De twee belangrijkste spoelontwerpen zijn toroidaal en solenoïde.

Spoeltype	Geometrie en functie	Voordelen	Nadelen
Toroïdale spoelen	Donutvormig, ontworpen om bijna alles te houden Het magnetische veld in de spoel, waardoor lekkage wordt geminimaliseerd.Deze vorm helpt Verminder elektromagnetische krachten die op de spoelstructuur werken.	Magnetische veldverbittingen: de magnetische Veld blijft in de spoel, wat leidt tot lagere verdwaalde magnetische velden.	Productiecomplexiteit: construeren Toroïdale vormen zijn complex en duur.
		Veiligheid: dit ontwerp is veiliger en vermindert interferentie met nabijgelegen elektronische apparaten en andere gevoelige apparatuur.	Onderhoudsuitdagingen: toegang tot de Innerlijke delen van deze spoelen zijn moeilijk, complicerend onderhoud en inspectie.
Solenoïde spoelen	Cilindrisch, met stroom loopt mee de lengte van de cilinder.Dit ontwerp is eenvoudiger en eenvoudiger dan de toroïdale configuratie.	Gemakkelijk de productie: Solenoïde spoelen zijn gemakkelijker en goedkoper om te produceren vanwege hun eenvoudige geometrie. Onderhoudstoegankelijkheid: het open ontwerp maakt ze eenvoudiger om te onderhouden en te inspecteren.	Magnetische veldlekkage: de magnetische Veldlekken aan beide uiteinden van de cilinder, die in de buurt van elektronische invloed kunnen treffen apparaten en vereisen extra afscherming.

Factoren die de keuze van het spoelontwerp beïnvloeden

Figuur 7: Solenoïde spoel en toroïdale spoel

De beoogde toepassing: de applicatie bepaalt de spoelkeuze.Toroïdale spoelen hebben bijvoorbeeld de voorkeur waar elektromagnetische interferentie moet worden geminimaliseerd, zoals in medische voorzieningen of bijna gevoelige wetenschappelijke apparatuur.

Vereisten voor energieopslag: de hoeveelheid te bewaren energie beïnvloedt het ontwerpen van spoel.Solenoïdale spoelen kunnen kleinschalige toepassingen passen vanwege hun kosteneffectiviteit, terwijl toroïdale spoelen kunnen worden gebruikt voor grotere opslag op industriële schaal vanwege efficiëntie en minimale magnetische lekkage.

Ruimte en omgevingsbeperkingen: beschikbare fysieke ruimte en omgevingscondities zijn primaire overwegingen.Toroïdale spoelen, met hun compacte en ingesloten magnetische veld, zijn beter geschikt voor beperkte ruimtes of bevolkte gebieden.

Budgetbeperkingen: budgetbeperkingen beïnvloeden de keuze van het ontwerppracschap van spoel.Solenoïde spoelen zijn minder duur en kunnen de voorkeur hebben in kostengevoelige projecten.

Onderhoud en operationele overwegingen: onderhoudsgemak en operationele betrouwbaarheid zijn belangrijk.Solenoïde spoelen, die gemakkelijker toegang bieden voor onderhoud en inspectie, kunnen een beslissende factor zijn in hun selectie.

Voordelen van supergeleidende systemen voor magnetische energieopslag

Voordeel	Beschrijving
Hoog rendement en snelle responstijden	MKB -systemen bereiken meer dan 95% efficiëntie door energie op te slaan in een supergeleidende spoel met bijna nul weerstand.Zij kan reageren op veranderingen in milliseconden in de macht.
Milieu -impact en stabiliteit	Deze systemen zijn milieuvriendelijk, uitstoten Geen broeikasgassen of het gebruik van giftige materialen.Ze handhaven stabiel prestaties ongeacht externe omstandigheden zoals temperatuur of weer.
Betrouwbaarheid en levensduur	MKB -systemen hebben geen bewegende delen en gebruiken duurzame supergeleidende materialen, resulterend in minder slijtage en lager Onderhoudskosten gedurende hun lange levensduur.
Schaalbaarheid en veelzijdigheid	In staat om energie van een paar op te slaan kilowattuur tot verschillende megawatt-uren, kmo's-eenheden zijn flexibel voor verschillende Toepassingen en kunnen worden geïnstalleerd in diverse omgevingen met minimaal wijzigingen.
Ondersteuning van het raster en hernieuwbare energie	Ze helpen spanning te reguleren, stabiliseren Frequentie en soepele output van hernieuwbare bronnen, het verbeteren van het rooster Betrouwbaarheid en ondersteuning van een grotere integratie van hernieuwbare energie.
Langdurige kosteneffectiviteit	Ondanks hoge initiële kosten, MKB Systemen hebben lage operationele en onderhoudskosten, waardoor ze worden Kosteneffectief op de lange termijn, vooral in specifieke toepassingen.
Veiligheid en beveiliging	MKB -systemen vermijden de risico's van explosies of giftige lekken geassocieerd met oplossingen voor chemische opslag, waardoor ze veiliger voor verschillende omgevingen, inclusief stedelijke gebieden.

Toepassingen van supergeleidende magnetische energieopslag

Figuur 8: Flexibel AC -transmissiesysteem, een van de belangrijkste toepassingen van supergeleidende magnetische energieopslag

Ziekenhuizen

Ziekenhuizen vertrouwen op een ononderbroken voeding (UPS) om levensreddende apparatuur en zorgsystemen operationeel te houden.MKB -systemen bieden een betrouwbare UPS -oplossing door opgeslagen energie onmiddellijk vrij te geven tijdens stroomfouten, waardoor operationele verstoringen worden geminimaliseerd.Ze handhaven ook hoogwaardige stroomregulering, die gevoelige medische apparatuur beschermt tegen kleine stroomschommelingen.

Datacenters

Datacenters, die enorme hoeveelheden digitale informatie beheren, zijn zeer gevoelig voor problemen met de stroomkwaliteit.MKB-systemen zijn ideaal voor het beschermen tegen stroomstoornissen op korte duur, zoals spanningsverzaden en pieken.Door MKB -bedrijven te integreren, kunnen datacenters zorgen voor een continue werking van servers en netwerkapparatuur, waarbij de beschikbaarheid en integriteit van gegevensdiensten worden gehandhaafd.

Integratie van hernieuwbare energie

Hernieuwbare energiebronnen zoals wind en zonne -energie introduceren variabiliteit in stroomopwekking als gevolg van weersomstandigheden.MKB -systemen stabiliseren het rooster door snel overtollige elektriciteit te absorberen tijdens hoge productieperioden en energie vrij te geven tijdens de lage productie, schommelingen af ​​te gladmaken en de roosterstabiliteit te verbeteren.

Oplaadstations van elektrische voertuigen

Met de toenemende acceptatie van elektrische voertuigen (EV's) stijgt de vraag naar efficiënte en snelle laadoplossingen.MKB-systemen bij EV-laadstations beheren de belastingvereisten door energie op te slaan tijdens dalingstijden en het vrij te geven tijdens de piekvraag.Dit vermindert de spanning op het elektrische raster en maakt snellere laadtijden mogelijk.

Industriële toepassingen

Industrieën die plotselinge uitbarstingen van macht vereisen, profiteren van het MKB -systemen.Deze systemen bieden de juiste energie zonder zwaar te putten op het raster, behoefte in de productie voor precieze controle van machines en het handhaven van de productkwaliteit.

Militair en ruimtevaart

Militaire bases en ruimtevaartoperaties vereisen betrouwbare en hoogwaardige energie.MKB-systemen bieden een snelle-respons stroomvoorziening die zorgt voor ononderbroken activiteiten en ondersteunt de hoge energie-eisen van geavanceerde technologie en apparatuur in deze sectoren.

Massadoorvoersystemen

Railnetwerken en stedelijke transitsystemen verbeteren de efficiëntie en betrouwbaarheid van de stroom met MKB.Deze eenheden beheren energie die wordt geproduceerd tijdens het remmen en herverdelen deze efficiënt, waardoor de algehele energie -efficiëntie van het transit -systeem wordt verbeterd.

Conclusie

Het artikel onderzoekt supergeleidende systemen voor magnetische energieopslag (MKB) en benadrukt hun potentieel als een revolutionaire energieopslagtechnologie.MKB -systemen bieden een hoge efficiëntie, snelle responstijden en lage impact op het milieu, waardoor ze oplossing zijn voor huidige energie -uitdagingen.Het artikel behandelt hun gebruik op verschillende gebieden, waaronder gezondheidszorg, hernieuwbare energie en transport, met hun veelzijdigheid en schaalbaarheid.Naarmate de wereld op weg is naar oplossingen voor duurzame energie, valt MKB -technologie op in het verbeteren van de wereldwijde energieveerkracht.Lopende ontwikkelingen in het MKB voor het integreren van hernieuwbare energiebronnen, het verbeteren van de stabiliteit en efficiëntie van de wereldwijde vermogensinfrastructuur.

Veelgestelde vragen [FAQ]

1. Hoe bewaart een magnetische veld energie?

Een magnetisch veld slaat energie op door de uitlijning en beweging van magnetische dipolen of geladen deeltjes.Wanneer een elektrische stroom door een draadspoel gaat, creëert deze een magnetisch veld rond de spoel.Dit magnetische veld is in staat om energie op te slaan vanwege het werk dat wordt gedaan om het veld te vestigen.In het bijzonder is energie vereist om de magnetische momenten van atomen in een materiaal uit te lijnen, dat op zijn beurt een veld creëert dat krachten kan uitoefenen en op andere objecten kan werken.De energie die is opgeslagen in een magnetisch veld is recht evenredig met het kwadraat van de intensiteit van het veld.

2. Welk apparaat slaat energie op in een magnetisch veld?

Het apparaat dat energie opslaat in een magnetisch veld is een inductor of een magnetische spoel.Inductoren bestaan ​​uit draadspoelen, vaak gewikkeld rond een magnetische kern, die de sterkte van het magnetische veld verbetert.Wanneer de stroom door de spoel stroomt, bouwt een magnetisch veld zich op en wordt energie op dit gebied opgeslagen.Het vermogen van een inductor om magnetische energie op te slaan wordt gebruikt in veel elektronische circuits, in voeding en conversietechnologieën.

3. Hoe efficiënt is supergeleidende magnetische energieopslag?

Supergeleidende systemen voor magnetische energieopslag (MKB) zijn zeer efficiënt en bereiken retourefficiëntie van 90% tot 95%.Deze systemen gebruiken supergeleidende spoelen die elektriciteit kunnen leiden zonder weerstand bij zeer lage temperaturen.Het gebrek aan elektrische weerstand betekent dat bijna geen energie verloren gaat als warmte, wat de efficiëntie van energieopslag verbetert.MKB -systemen worden gewaardeerd vanwege hun vermogen om opgeslagen energie vrijwel onmiddellijk vrij te geven, wat goed is voor toepassingen die snelle lozingen vereisen, zoals het stabiliseren van vermogensroosters tijdens de piekvraag.

4. Is magnetische energie een winkel of overdracht?

Magnetische energie is een vorm van energieopslag.De energie wordt opgeslagen in het magnetische veld gecreëerd door de beweging van elektrische ladingen, in een spoel.Indien nodig kan deze opgeslagen energie worden omgezet in elektrische energie of worden gebruikt om mechanisch werk uit te voeren, waardoor energie van het magnetische veld naar een andere vorm wordt overgebracht.De primaire rol van magnetische energie in apparaten zoals inductoren of MKB -systemen is echter om energie op te slaan.

5. Wat is een voorbeeld van een magnetische energiewinkel?

Een voorbeeld van een magnetische energiewinkel is het vliegwielopslagsysteem, dat, hoewel voornamelijk mechanisch, vaak magnetische componenten bevat voor energieopslag en stabilisatie.Deze systemen gebruiken een roterend mechanisch vliegwiel waarvan de beweging een magnetisch veld genereert, in versies die magnetische lagers gebruiken om wrijving en energieverlies te verminderen.Met deze interactie tussen mechanische en magnetische energieën kan het vliegwielsysteem energie efficiënt opslaan en snel vrijgeven wanneer dat nodig is, waardoor het een praktische toepassing is van magnetische energieopslag in zowel mechanische als elektrische vormen.