SMES(초전도 자기 에너지 저장 시스템)
에너지 저장은 나중에 효율적으로 사용할 수 있도록 에너지를 저장하는 장치 또는 물리적 매체에서 발생하는 프로세스입니다.
에너지 저장 시스템은 기계, 전기, 화학 및 열로 나눌 수 있습니다. 최신 에너지 저장 기술 중 하나는 초전도 자기 에너지 저장(초전도 자기 에너지 저장 시스템)인 SMES 시스템입니다.
초전도 자기 에너지 저장(SMES) 시스템은 임계 초전도 온도 이하의 온도로 극저온으로 냉각된 초전도 코일의 직류 흐름에 의해 생성된 자기장에 에너지를 저장합니다. 초전도 코일이 충전되면 전류가 감소하지 않고 자기 에너지를 무한정 저장할 수 있습니다. 저장된 에너지는 코일을 방전하여 그리드로 반환할 수 있습니다.
초전도 자기 에너지 저장 시스템은 직류의 흐름에 의해 생성되는 자기장을 기반으로 합니다. 초전도 코일에서.
초전도 코일은 지속적으로 극저온으로 냉각되므로 결과적으로 지속적으로 임계 온도, 즉 초전도체… SMES 시스템에는 코일 외에도 극저온 냉장고와 공조 시스템이 포함되어 있습니다.
결론은 초전도 상태의 대전된 코일은 자체적으로 지속적인 전류를 유지할 수 있기 때문에 주어진 전류의 자기장이 저장된 에너지를 무한히 오랫동안 저장할 수 있다는 것입니다.
초전도 코일에 저장된 에너지는 필요에 따라 그러한 코일이 방전되는 동안 네트워크에 공급될 수 있습니다. DC 전원을 AC 전원으로 변환하려면, 인버터, 그리고 네트워크에서 코일을 충전하기 위해 - 정류기 또는 AC-DC 변환기.
한 방향 또는 다른 방향으로 에너지를 매우 효율적으로 변환하는 과정에서 SME의 손실은 최대 3%를 나타내지만 여기서 가장 중요한 것은 이 방법으로 에너지를 저장하는 과정에서 손실이 가장 적다는 것입니다. 현재 알려진 에너지 저장 및 저장 방법 중 하나. 중소기업의 전반적인 최소 효율성은 95%입니다.
초전도 재료의 높은 비용과 냉각에도 에너지 비용이 필요하다는 사실을 고려하여 SMES 시스템은 현재 짧은 시간 동안 에너지를 저장하고 동시에 전원 공급 장치의 품질을 개선해야 하는 경우에만 사용됩니다. . 즉, 전통적으로 긴급한 경우에만 사용됩니다.
SME 시스템은 다음 구성 요소로 구성됩니다.
- 초전도 코일,
- 저온 유지 장치 및 진공 시스템,
- 냉각 시스템,
- 에너지 변환 시스템,
- 제어 장치.
중소기업 시스템의 주요 이점은 분명합니다. 우선, 초전도 코일이 자기장에 저장된 에너지를 받아들이거나 포기할 수 있는 시간은 극히 짧습니다. 이러한 방식으로 엄청난 순간 방전력을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 최소한의 시간 지연으로 초전도 코일을 재충전할 수 있습니다.
SME를 압축 공기 저장 시스템, 플라이휠 및 유압 어큐뮬레이터와 비교하면 후자는 전기를 기계로 변환하거나 그 반대로 변환하는 동안 막대한 지연이 특징입니다(참조 — — 플라이휠 에너지 저장).
움직이는 부품이 없다는 점은 SMES 시스템의 또 다른 중요한 이점으로 신뢰성이 높아집니다. 물론 초전도체에는 활성 저항이 없기 때문에 저장 손실이 최소화됩니다. SMES의 비에너지는 일반적으로 1 ~ 10 Wh/kg입니다.
1MWh SMES는 최고 품질의 전력이 필요한 마이크로전자 공장과 같이 필요한 곳에서 전력 품질을 개선하기 위해 전 세계적으로 사용됩니다.
또한 중소기업은 유틸리티에서도 유용합니다. 따라서 미국의 한 주에는 작동 중에 전력선에 강한 서지가 발생할 수있는 제지 공장이 있습니다. 오늘날 공장의 전력선에는 전력망의 안정성을 보장하는 전체 SMES 모듈 체인이 장착되어 있습니다. 20MWh 용량의 SMES 모듈은 2시간 동안 10MW 또는 30분 동안 40MW를 모두 지속적으로 제공할 수 있습니다.
초전도 코일에 저장된 에너지의 양은 다음 공식을 사용하여 계산할 수 있습니다(여기서 L은 인덕턴스, E는 에너지, I는 전류).
초전도 코일의 구조적 구성의 관점에서 볼 때 변형에 강하고 열팽창 및 수축의 지표가 최소이며 필연적으로 발생하는 Lorentz 힘에 대한 감도가 낮은 것이 매우 중요합니다. 설치 작업(전기 역학의 가장 중요한 법칙). 이 모든 것은 설비의 건축 자재의 특성과 양을 계산하는 단계에서 권선의 파괴를 방지하기 위해 중요합니다.
소규모 시스템의 경우 0.3%의 전체 변형률이 허용 가능한 것으로 간주됩니다. 또한 코일의 토로이달 형상은 외부 자기력 감소에 기여하여 지지 구조의 비용을 절감할 수 있으며 하중 물체에 가깝게 설치할 수 있습니다.
SMES 설치가 작은 경우 토로이드와 달리 특별한 지지 구조가 필요하지 않은 솔레노이드 코일도 적합할 수 있습니다. 그러나 토로이달 코일은 특히 에너지 집약적인 구조의 경우 프레스 후프와 디스크가 필요하다는 점에 유의해야 합니다.
위에서 언급한 바와 같이, 냉각된 초전도체 냉장고는 지속적으로 작동하는 데 에너지가 필요하며, 이는 물론 SMES의 전체 효율을 감소시킵니다.
따라서 설치를 설계할 때 고려해야 하는 열 부하에는 지지 구조의 열 전도도, 가열된 표면 측면의 열 복사, 충전 및 방전 전류가 흐르는 전선의 줄 손실 및 손실이 포함됩니다. 일하는 동안 냉장고에
그러나 이러한 손실은 일반적으로 설비의 공칭 전력에 비례하지만 SMES 시스템의 장점은 에너지 용량이 100배 증가해도 냉각 비용은 20배만 증가한다는 것입니다. 또한 고온 초전도체의 경우 저온 초전도체를 사용할 때보다 냉각 절감 효과가 더 큽니다.
고온 초전도체를 기반으로 한 초전도 에너지 저장 시스템은 냉각에 대한 요구가 적기 때문에 비용이 적게 듭니다.
그러나 실제로는 설치 인프라의 총 비용이 일반적으로 초전도체 비용을 초과하고 고온 초전도체 코일이 저온 초전도체 코일보다 최대 4배 더 비싸기 때문에 그렇지 않습니다. .
또한 고온 초전도체의 제한 전류 밀도는 저온 초전도체보다 낮기 때문에 5~10T 범위의 작동 자기장에 적용됩니다.
따라서 동일한 인덕턴스를 갖는 배터리를 얻으려면 더 많은 고온 초전도 전선이 필요합니다. 그리고 설비의 에너지 소비량이 약 200MWh이면 저온 초전도체(도체)가 10배 더 비쌉니다.
또한 주요 비용 요인 중 하나는 냉장고 비용이 너무 낮아서 고온 초전도체를 사용하여 냉각 에너지를 줄이면 절감률이 매우 낮습니다.
피크 작동 자기장을 증가시켜 SMES에 저장되는 부피를 줄이고 에너지 밀도를 높일 수 있습니다. 그러면 와이어 길이가 줄어들고 전체 비용이 절감됩니다. 최적 값은 약 7T의 피크 자기장으로 간주됩니다.
물론 필드가 최적 이상으로 증가하면 최소한의 비용 증가로 추가 볼륨 감소가 가능합니다. 그러나 자기장 유도 한계는 일반적으로 보상 실린더를 위한 공간을 남겨두면서 토로이드의 내부 부품을 하나로 모으는 것이 불가능하기 때문에 물리적으로 제한됩니다.
초전도 재료는 SME를 위한 비용 효과적이고 효율적인 설치를 만드는 데 여전히 중요한 문제입니다. 오늘날 개발자의 노력은 임계 전류와 초전도 재료의 변형 범위를 늘리고 생산 비용을 줄이는 데 목적이 있습니다.
중소기업 제도가 널리 도입되기까지의 기술적 어려움을 요약하면 다음과 같이 명확하게 구분할 수 있다. 코일에서 발생하는 상당한 로렌츠 힘을 견딜 수 있는 견고한 기계적 지지대가 필요합니다.
예를 들어 5GWh 용량의 SME 설치에는 약 600m 길이의 초전도 회로(원형 또는 직사각형)가 포함되므로 넓은 부지가 필요합니다. 또한 초전도체를 둘러싸고 있는 액체질소 진공용기(길이 600m)는 지하에 위치해야 하며 안정적인 지지대가 제공되어야 한다.
다음 장애물은 초전도 고온 세라믹의 부서지기 쉬운 특성으로 인해 고전류용 와이어를 그리기가 어렵습니다.초전도성을 파괴하는 임계 자기장은 SMES의 비에너지 강도를 높이는 데에도 걸림돌이다. NS는 같은 이유로 심각한 전류 문제가 있습니다.