Introdução ao armazenamento de energia magnética supercondutora (PMEs): princípios e aplicações

O artigo discute como a energia é armazenada em campos magnéticos através da indução eletromagnética e das equações relacionadas.Ele também examina os projetos e materiais avançados usados ​​na criação de sistemas de PMEs, com foco nas bobinas toroidais e solenoidais.Esses sistemas são usados ​​em diferentes configurações, desde instalações médicas a locais industriais.O artigo fornece uma visão geral detalhada dos componentes, como materiais supercondutores, como nióbio-titânio e óxido de cobre de bário Yttrium e considerações importantes do projeto para configurações de bobinas nos sistemas de PMEs.

Catálogo

Figura 1: armazenamento de energia magnética supercondutora

O que é supercondutividade?

A supercondutividade é um fenômeno mecânico quântico, onde certos materiais conduzem eletricidade sem resistência quando resfriados abaixo de uma temperatura necessária.Inclui:

Zero resistência elétrica

Os supercondutores permitem o fluxo de corrente perpétuo sem perda de energia em condições ideais, que é sua característica definidora.

Efeito Meissner

Os supercondutores expulsaram os campos magnéticos de seu interior quando no estado supercondutor.Isso é conhecido como efeito Meissner e bom para manter campos magnéticos estáveis ​​e eficientes em aplicações de PMEs.

Transição de fase

A supercondutividade ocorre a uma temperatura específica chamada temperatura crítica.Essa temperatura é específica do material e pode variar de zero quase absoluto a temperaturas mais altas para supercondutores de alta temperatura.

Figura 2:

Figura 3: Força eletromagnética

Mecanismo de armazenamento de energia em um campo magnético

Nos sistemas de PMEs, a energia é armazenada no campo magnético gerado pela corrente direta em uma bobina supercondutora.O processo envolve:

Quando a corrente flui através da bobina supercondutora, um campo magnético é criado.De acordo com a teoria eletromagnética, a energia armazenada no campo magnético é proporcional ao quadrado da corrente e à indutância da bobina.

A energia (e) armazenada pode ser quantificada pela equação:

onde l é a indutância da bobina, e eu é a corrente.O design da bobina se concentra em maximizar a indutância e a capacidade atual de aumentar o armazenamento de energia.

Para armazenar e utilizar energia efetivamente, o campo magnético deve ser contido e controlado.Isso envolve geometrias e engenharia de materiais complexos para otimizar as vias magnéticas e minimizar as perdas.

Componentes de um armazenamento de energia magnética supercondutora (PMEs)

As bobinas de supercondutor são projetadas para otimizar a supercondutividade, o que permite que a corrente elétrica flua sem resistência.Essas bobinas são criadas através do fio supercondutor de enrolamento em torno de um núcleo ou moldando -o em um solenóide.

• Configuração da bobina

Bobinas solenóides - Essas bobinas cilíndricas geram um campo magnético uniforme dentro e são usadas em máquinas de ressonância magnética.

Bobinas toroidais - em forma de donut, essas bobinas são usadas em aplicações como reatores de tokamak para contenção de plasma na pesquisa de fusão.

Figura 4: Bobinas solenóides e bobinas toroidais

• Sistemas de resfriamento

Os sistemas de refrigeração avançados são úteis para manter a supercondutividade.Esses sistemas usam hélio líquido, nitrogênio líquido ou criocoolers para manter as bobinas em temperaturas bem abaixo do limiar.

Materiais utilizados em bobinas supercondutoras

O desempenho de bobinas supercondutoras depende fortemente dos materiais utilizados.Os dois principais tipos de materiais supercondutores são:

• Supercondutores de baixa temperatura (LTS)

Niobium-titanium (NBTI): comumente usado em sistemas de ressonância magnética e instalações de pesquisa, o NBTI é valorizado por sua durabilidade e requisitos criogênicos relativamente simples.

Niobium-Tin (NB3SN): Com um limiar de temperatura mais alta e de campo magnético que o NBTI, o NB3SN é ideal para aplicações que precisam de campos magnéticos mais fortes.

• Supercondutores de alta temperatura (HTS)

Óxido de cobre de bário Yttrio (YBCO): Este material opera em temperaturas mais altas do que os materiais LTS, simplificando e reduzindo o custo dos sistemas de refrigeração.

Óxido de cobre de cálcio de estrôncio bismuto (BSCCO): conhecido por sua forma de fita, o BSCCO é flexível e adequado para bobinas com formas complexas.

Figura 5: Óxido de cobre de bário Yttrium (YBCO) e óxido de cobre de cálcio de estrôncio bismuto (BSCCO)

Processo de conversão de energia em um sistema de armazenamento de energia magnética supercondutora

A primeira etapa de um sistema PMES está alterando a corrente alternada (AC) para corrente direta (CC) porque a bobina supercondutora é executada no DC.

O AC, que vem da grade ou da usina, entra em um retificador.O trabalho do retificador é transformar o CA, que transforma a direção, em DC, que flui em uma direção.Ele usa dispositivos como diodos ou tiristores para fazer isso.

Após essa conversão, o DC ainda pode ter algumas ondulações do tipo AC.Para suavizá -los, usamos filtros com capacitores e indutores.Isso torna o DC estável, para a eficiência e a segurança do sistema de PMEs.

Com CD suave pronto, o DC flui para uma bobina supercondutora, que não possui resistência elétrica. Isso permite que a corrente flua sem perder energia.

O DC na bobina cria um forte campo magnético ao redor, convertendo energia elétrica em energia magnética armazenada neste campo.

Para manter o supercondutor da bobina, a bobina é mantida a temperaturas muito baixas usando refrigerantes criogênicos como hélio líquido ou nitrogênio. Isso é importante porque qualquer aumento de temperatura pode fazer com que a bobina perca sua supercondutividade, levando à perda de energia.

Quando precisamos da energia armazenada, a energia armazenada no campo magnético aciona a corrente CC na bobina. Este DC precisa ser transformado de volta ao CA para ser útil para a maioria dos sistemas de energia.Um inversor faz isso alterando a direção da corrente em uma frequência que corresponde à grade CA.

A saída CA é sincronizada com a tensão, a frequência e a fase da grade antes de ser enviada, garantindo que funcione bem com a grade e outras cargas elétricas.

Figura 6: Diagrama esquemático do sistema de armazenamento de energia magnética supercondutora

Projeto de sistemas de armazenamento de energia magnética supercondutora

O design da bobina nos sistemas de PMEs necessários para eficiência, custo e capacidade de armazenamento de energia.Os dois projetos principais da bobina são toroidais e solenoidais.

Tipo de bobina	Geometria e função	Vantagens	Desvantagens
Bobinas toroidais	Em forma de rosquinha, projetado para manter quase todos O campo magnético dentro da bobina, minimizando o vazamento.Esta forma ajuda Reduza as forças eletromagnéticas que atuam na estrutura da bobina.	Contenção de campo magnético: o magnético O campo permanece dentro da bobina, levando a campos magnéticos perdidos.	Complexidade de fabricação: construindo As formas toroidais são complexas e caras.
		Segurança: este design é mais seguro e reduz a interferência com dispositivos eletrônicos próximos e outros equipamentos sensíveis.	Desafios de manutenção: acessar o Partes internas dessas bobinas são difíceis, complicando a manutenção e Inspeção.
Bobinas solenoidais	Cilíndrico, com corrente de funcionamento atual o comprimento do cilindro.Este design é mais simples e mais direto do que a configuração toroidal.	Facilidade de fabricação: as bobinas solenoidais são mais fácil e mais barato de produzir devido à sua geometria simples. Acessibilidade à manutenção: o design aberto os torna mais fáceis para manter e inspecionar.	Vazamento de campo magnético: o magnético Vazamentos de campo nas duas extremidades do cilindro, o que pode afetar as proximidades eletrônicas dispositivos e requer blindagem adicional.

Fatores que influenciam a escolha do design da bobina

Figura 7: Bobina solenoidal e bobina toroidal

Aplicação pretendida: o aplicativo determina a escolha da bobina.Por exemplo, as bobinas toroidais são preferidas onde a interferência eletromagnética deve ser minimizada, como em instalações médicas ou equipamentos científicos quase sensíveis.

Requisitos de armazenamento de energia: A quantidade de energia a ser armazenada afeta o design da bobina.As bobinas solenoidais podem atender a aplicações de menor escala devido à sua relação custo-benefício, enquanto as bobinas toroidais podem ser usadas para armazenamento maior em escala industrial devido à eficiência e ao vazamento magnético mínimo.

Restrições espaciais e ambientais: o espaço físico disponível e as condições ambientais são considerações primárias.As bobinas toroidais, com seu campo magnético compacto e fechado, são mais adequadas para espaços confinados ou áreas povoadas.

Restrições orçamentárias: Limitações do orçamento Impacte a escolha do projeto da bobina.As bobinas solenoidais são mais caras e podem ser preferidas em projetos sensíveis a custos.

Manutenção e considerações operacionais: Facilidade de manutenção e confiabilidade operacional são importantes.As bobinas solenoidais, oferecendo acesso mais fácil para manutenção e inspeção, podem ser um fator decisivo em sua seleção.

Vantagens de sistemas de armazenamento de energia magnética supercondutora

Vantagem	Descrição
Alta eficiência e tempos de resposta rápidos	Os sistemas de PMES alcançam mais de 95% de eficiência armazenando energia em uma bobina supercondutora com resistência quase zero.Eles pode responder às mudanças na demanda de energia em milissegundos.
Impacto ambiental e estabilidade	Esses sistemas são ecológicos, emitindo Sem gases de efeito estufa ou usando materiais tóxicos.Eles mantêm estável desempenho, independentemente de condições externas, como temperatura ou clima.
Confiabilidade e longevidade	Os sistemas de SMES não têm peças móveis e usam Materiais supercondutores duráveis, resultando em menos desgaste e baixa custos de manutenção ao longo de sua longa vida útil.
Escalabilidade e versatilidade	Capaz de armazenar energia de alguns quilowatt-hora a vários megawatts-horas, as unidades de PMEs são flexíveis para vários aplicativos e podem ser instalados em diversos ambientes com mínimo modificações.
Apoiando a grade e energia renovável	Eles ajudam a regular a tensão, estabilizar frequência e saída suave de fontes renováveis, melhorando a grade confiabilidade e apoio a maior integração de energia renovável.
Custo-efetividade a longo prazo	Apesar dos altos custos iniciais, as PMEs Os sistemas têm baixas despesas operacionais e de manutenção, tornando -os econômico a longo prazo, especialmente em aplicações específicas.
Segurança e proteção	Os sistemas de PMEs evitam os riscos de explosões ou vazamentos tóxicos associados a soluções de armazenamento químico, fazendo eles mais seguros para diferentes configurações, incluindo áreas urbanas.

Aplicações de armazenamento de energia magnética supercondutora

Figura 8: Sistema de transmissão CA flexível, uma das principais aplicações de armazenamento de energia magnética supercondutora

Hospitais

Os hospitais confiam em uma fonte de alimentação ininterrupta (UPS) para manter o equipamento de salva-se e os sistemas de cuidados operacionais.Os sistemas de PMEs fornecem uma solução confiável da UPS liberando instantaneamente energia armazenada durante falhas de energia, minimizando as interrupções operacionais.Eles também mantêm a regulamentação de energia de alta qualidade, que protege equipamentos médicos sensíveis de pequenas flutuações de energia.

Data centers

Os data centers, que gerenciam grandes quantidades de informações digitais, são altamente sensíveis a problemas de qualidade de energia.Os sistemas de PMEs são ideais para proteger contra distúrbios do poder de curta duração, como queda de tensão e surtos.Ao integrar as PMEs, os data centers podem garantir a operação contínua de servidores e equipamentos de rede, mantendo a disponibilidade e a integridade do serviço de dados.

Integração de energia renovável

Fontes de energia renovável como eólica e solar introduzem variabilidade na geração de energia devido a condições climáticas.Os sistemas de PME estabilizam a grade absorvendo rapidamente o excesso de eletricidade durante os altos períodos de produção e liberando energia durante a baixa produção, suavizando flutuações e melhorando a estabilidade da grade.

Estações de carregamento de veículos elétricos

Com a crescente adoção de veículos elétricos (VEs), a demanda por soluções de carregamento eficiente e rápido aumenta.Os sistemas de PMEs nas estações de carregamento EV gerenciam demandas de carga armazenando energia durante os tempos fora do pico e liberando-a durante a demanda de pico.Isso reduz a tensão na grade elétrica e permite tempos de carregamento mais rápidos.

Aplicações industriais

As indústrias que requerem rajadas repentinas de poder se beneficiam dos sistemas de PMEs.Esses sistemas fornecem a energia certa sem se desenhar na grade, a necessidade de fabricar para o controle preciso das máquinas e manter a qualidade do produto.

Militar e aeroespacial

Bases militares e operações aeroespaciais requerem energia confiável e de alta qualidade.A SMES Systems oferece uma fonte de alimentação de resposta rápida que garante operações ininterruptas e suporta as altas demandas de energia de tecnologia e equipamento avançado nesses setores.

Sistemas de transporte de massa

Redes ferroviárias e sistemas de trânsito urbano melhoram a eficiência de energia e a confiabilidade com as PME.Essas unidades gerenciam a energia produzida durante a frenagem e a redistribui com eficiência, aumentando a eficiência energética geral do sistema de trânsito.

Conclusão

O artigo explora os sistemas de armazenamento de energia magnética (PMEs) supercondutores, destacando seu potencial como uma tecnologia revolucionária de armazenamento de energia.Os sistemas de PME oferecem alta eficiência, tempos de resposta rápidos e baixo impacto ambiental, tornando -os solução para os desafios energéticos atuais.O artigo cobre seu uso em vários campos, incluindo assistência médica, energia renovável e transporte, mostrando sua versatilidade e escalabilidade.À medida que o mundo se move em direção a soluções de energia sustentável, a tecnologia das PME se destaca ao melhorar a resiliência global da energia.Desenvolvimentos contínuos nas PME para integrar fontes de energia renovável, melhorando a estabilidade e a eficiência da infraestrutura de energia global.

Perguntas frequentes [FAQ]

1. Como é a energia de um campo magnético?

Um campo magnético armazena energia através do alinhamento e movimento de dipolos magnéticos ou partículas carregadas.Quando uma corrente elétrica passa por uma bobina de fio, cria um campo magnético ao redor da bobina.Este campo magnético é capaz de armazenar energia devido ao trabalho realizado para estabelecer o campo.Especificamente, é necessária energia para alinhar os momentos magnéticos dos átomos em um material, que por sua vez cria um campo que pode exercer forças e trabalhar em outros objetos.A energia armazenada em um campo magnética é diretamente proporcional ao quadrado da intensidade do campo.

2. Qual dispositivo armazena energia em um campo magnético?

O dispositivo que armazena energia em um campo magnético é um indutor ou uma bobina magnética.Os indutores consistem em bobinas de fio, geralmente envolvidas em um núcleo magnético, o que aumenta a força do campo magnético.Quando a corrente flui através da bobina, um campo magnético se acumula e a energia é armazenada neste campo.A capacidade de um indutor de armazenar energia magnética é usada em muitos circuitos eletrônicos, nas tecnologias de fonte de alimentação e conversão.

3. Quão eficiente é o armazenamento de energia magnética supercondutora?

Os sistemas de armazenamento de energia magnética (PMEs) supercondutores são altamente eficientes, alcançando a eficiência energética de ida e volta de 90% a 95%.Esses sistemas usam bobinas supercondutoras que podem realizar eletricidade sem resistência a temperaturas muito baixas.A falta de resistência elétrica significa que quase nenhuma energia é perdida como calor, o que aumenta a eficiência do armazenamento de energia.Os sistemas de PMEs são valorizados por sua capacidade de liberar energia armazenada quase instantaneamente, o que é bom para aplicações que exigem descargas rápidas, como estabilizar grades de energia durante a demanda de pico.

4. A energia magnética é uma loja ou transferência?

A energia magnética é uma forma de armazenamento de energia.A energia é armazenada no campo magnético criado pelo movimento de cargas elétricas, em uma bobina.Quando a necessidade, essa energia armazenada pode ser convertida de volta em energia elétrica ou usada para realizar trabalhos mecânicos, transferindo a energia do campo magnético para outra forma.No entanto, o papel principal da energia magnética em dispositivos como indutores ou sistemas de PMEs é armazenar energia.

5. O que é um exemplo de uma loja de energia magnética?

Um exemplo de um armazenamento de energia magnética é o sistema de armazenamento de energia do volante, que, embora principalmente mecânico, geralmente incorpora componentes magnéticos para armazenamento e estabilização de energia.Esses sistemas usam um volante mecânico rotativo cujo movimento gera um campo magnético, em versões que usam rolamentos magnéticos para reduzir o atrito e a perda de energia.Essa interação entre as energias mecânicas e magnéticas permite que o sistema de volante armazene a energia eficientemente e a libere rapidamente quando necessário, tornando -o uma aplicação prática de armazenamento de energia magnética nas formas mecânicas e elétricas.