सुपरकंडक्टिंग मॅग्नेटिक एनर्जी स्टोरेज सिस्टम (SMES)

ऊर्जा संचय ही एक प्रक्रिया आहे जी उपकरणे किंवा भौतिक माध्यमांसह होते जी ऊर्जा संचयित करते जेणेकरून ते नंतर कार्यक्षमतेने वापरू शकतील.

ऊर्जा साठवण प्रणाली यांत्रिक, विद्युत, रासायनिक आणि थर्मल मध्ये विभागली जाऊ शकते. आधुनिक ऊर्जा संचयन तंत्रज्ञानांपैकी एक म्हणजे SMES प्रणाली — सुपरकंडक्टिंग मॅग्नेटिक एनर्जी स्टोरेज (सुपरकंडक्टिंग मॅग्नेटिक एनर्जी स्टोरेज सिस्टम).

सुपरकंडक्टिंग मॅग्नेटिक एनर्जी स्टोरेज (SMES) सिस्टीम एका सुपरकंडक्टिंग कॉइलमध्ये डायरेक्ट करंट फ्लोद्वारे तयार केलेल्या चुंबकीय क्षेत्रात ऊर्जा साठवते जी त्याच्या गंभीर सुपरकंडक्टिंग तापमानापेक्षा कमी तापमानात क्रायोजेनिकली थंड केली जाते. जेव्हा सुपरकंडक्टिंग कॉइल चार्ज केली जाते तेव्हा विद्युत प्रवाह कमी होत नाही आणि चुंबकीय ऊर्जा अनिश्चित काळासाठी साठवली जाऊ शकते. कॉइल डिस्चार्ज करून साठवलेली ऊर्जा ग्रीडमध्ये परत केली जाऊ शकते.

सुपरकंडक्टिंग मॅग्नेटिक एनर्जी स्टोरेज सिस्टम डायरेक्ट करंटच्या प्रवाहामुळे निर्माण होणाऱ्या चुंबकीय क्षेत्रावर आधारित आहे. सुपरकंडक्टिंग कॉइलमध्ये.

सुपरकंडक्टिंग कॉइल सतत क्रायोजेनिकली थंड होते, परिणामी ते सतत गंभीर तापमानाच्या खाली असते, म्हणजे. सुपरकंडक्टर… कॉइल व्यतिरिक्त, SMES प्रणालीमध्ये क्रायोजेनिक रेफ्रिजरेटर तसेच वातानुकूलन प्रणाली समाविष्ट आहे.

निष्कर्ष असा आहे की सुपरकंडक्टिंग अवस्थेतील चार्ज केलेली कॉइल स्वतः सतत सतत विद्युत प्रवाह टिकवून ठेवण्यास सक्षम असते, ज्यामुळे दिलेल्या विद्युत् प्रवाहाचे चुंबकीय क्षेत्र त्यात साठवलेली ऊर्जा अमर्याद काळासाठी साठवू शकते.

सुपरकंडक्टिंग कॉइलमध्ये साठवलेली ऊर्जा, आवश्यक असल्यास, अशा कॉइलच्या डिस्चार्ज दरम्यान नेटवर्कला पुरवली जाऊ शकते. डीसी पॉवरचे एसी पॉवरमध्ये रूपांतर करण्यासाठी, इन्व्हर्टर, आणि नेटवर्कवरून कॉइल चार्ज करण्यासाठी — रेक्टिफायर्स किंवा AC-DC कन्व्हर्टर.

एका दिशेने किंवा दुसर्‍या दिशेने ऊर्जेचे अत्यंत कार्यक्षम रूपांतरण करताना, SME मधील तोटा जास्तीत जास्त 3% दर्शवितो, परंतु येथे सर्वात महत्त्वाची गोष्ट अशी आहे की या पद्धतीद्वारे ऊर्जा साठवण्याच्या प्रक्रियेत, तोटा कमीत कमी अंतर्भूत असतो. ऊर्जा साठवण आणि संचयनासाठी सध्या ज्ञात असलेल्या कोणत्याही पद्धती. SMEs ची एकूण किमान कार्यक्षमता 95% आहे.

सुपरकंडक्टिंग मटेरियलच्या उच्च किमतीमुळे आणि कूलिंगसाठी देखील ऊर्जा खर्चाची आवश्यकता असते हे लक्षात घेऊन, SMES प्रणाली सध्या फक्त तिथेच वापरली जातात जिथे थोड्या काळासाठी ऊर्जा साठवणे आवश्यक असते आणि त्याच वेळी वीज पुरवठ्याची गुणवत्ता सुधारते. . म्हणजेच, ते पारंपारिकपणे केवळ तातडीच्या गरजेच्या बाबतीत वापरले जातात.

SME प्रणालीमध्ये खालील घटक असतात:

• सुपरकंडक्टिंग कॉइल,
• क्रायोस्टॅट आणि व्हॅक्यूम सिस्टम,
• कूलिंग सिस्टम,
• ऊर्जा रूपांतरण प्रणाली,
• नियंत्रण यंत्र.

SME प्रणालीचे मुख्य फायदे स्पष्ट आहेत. सर्व प्रथम, हा एक अत्यंत कमी कालावधी आहे ज्या दरम्यान सुपरकंडक्टिंग कॉइल त्याच्या चुंबकीय क्षेत्रामध्ये साठवलेली ऊर्जा स्वीकारण्यास किंवा सोडण्यास सक्षम असते. अशाप्रकारे, केवळ प्रचंड तात्काळ डिस्चार्ज फोर्स मिळवणे शक्य नाही तर कमीतकमी वेळेच्या विलंबाने सुपरकंडक्टिंग कॉइल रिचार्ज करणे देखील शक्य आहे.

जर आपण एसएमईची तुलना कॉम्प्रेस्ड एअर स्टोरेज सिस्टीम, फ्लायव्हील्स आणि हायड्रॉलिक संचयकांसह केली, तर नंतरचे विद्युत यांत्रिकीमध्ये रूपांतर करताना प्रचंड विलंबाने वैशिष्ट्यीकृत केले जाते (पहा — फ्लायव्हील ऊर्जा साठवण).

हलवलेल्या भागांची अनुपस्थिती हा SMES सिस्टमचा आणखी एक महत्त्वाचा फायदा आहे, ज्यामुळे त्यांची विश्वासार्हता वाढते. आणि, अर्थातच, सुपरकंडक्टरमध्ये सक्रिय प्रतिकाराच्या अनुपस्थितीमुळे, येथे स्टोरेजचे नुकसान कमी आहे. SMES ची विशिष्ट ऊर्जा सामान्यतः 1 ते 10 Wh/kg दरम्यान असते.

1 MWh SMES चा वापर जगभरात वीज गुणवत्ता सुधारण्यासाठी केला जातो, जसे की मायक्रोइलेक्ट्रॉनिक कारखाने ज्यांना उच्च दर्जाची उर्जा आवश्यक असते.

याव्यतिरिक्त, SMEs देखील उपयुक्तता मध्ये उपयुक्त आहेत. तर, यूएसएच्या एका राज्यात कागदाचा कारखाना आहे, जो त्याच्या ऑपरेशन दरम्यान पॉवर लाईन्समध्ये जोरदार वाढ होऊ शकतो. आज, कारखान्याची पॉवर लाइन SMES मॉड्यूल्सच्या संपूर्ण साखळीने सुसज्ज आहे जी पॉवर ग्रिडच्या स्थिरतेची हमी देते. 20 MWh क्षमतेचे SMES मॉड्यूल दोन तासांसाठी 10 MW किंवा अर्ध्या तासासाठी सर्व 40 MW शाश्वतपणे प्रदान करू शकते.

सुपरकंडक्टिंग कॉइलद्वारे साठवलेल्या ऊर्जेचे प्रमाण खालील सूत्र वापरून मोजले जाऊ शकते (जेथे L इंडक्टन्स आहे, E ऊर्जा आहे, I विद्युत् आहे):

सुपरकंडक्टिंग कॉइलच्या स्ट्रक्चरल कॉन्फिगरेशनच्या दृष्टिकोनातून, हे खूप महत्वाचे आहे की ते विकृतीला प्रतिरोधक आहे, थर्मल विस्तार आणि आकुंचनचे किमान निर्देशक आहेत आणि लॉरेन्ट्झ फोर्ससाठी कमी संवेदनशीलता देखील आहे, जी अपरिहार्यपणे उद्भवते. प्रतिष्ठापन कार्य (इलेक्ट्रोडायनामिक्सचे सर्वात महत्वाचे नियम). स्थापनेच्या गुणधर्मांची आणि बांधकाम सामग्रीची गणना करण्याच्या टप्प्यावर विंडिंगचा नाश रोखण्यासाठी हे सर्व महत्वाचे आहे.

लहान प्रणालींसाठी, 0.3% चा एकंदर ताण दर स्वीकार्य मानला जातो. याव्यतिरिक्त, कॉइलची टोरॉइडल भूमिती बाह्य चुंबकीय शक्ती कमी करण्यास योगदान देते, ज्यामुळे सहाय्यक संरचनेची किंमत कमी करणे शक्य होते आणि लोड ऑब्जेक्ट्सच्या जवळ इन्स्टॉलेशन ठेवण्याची परवानगी देखील मिळते.

जर SMES इन्स्टॉलेशन लहान असेल, तर सोलनॉइड कॉइल देखील योग्य असू शकते, ज्याला टॉरॉइडच्या विपरीत, विशेष सपोर्ट स्ट्रक्चरची आवश्यकता नसते. तथापि, हे लक्षात घेतले पाहिजे की टॉरॉइडल कॉइलला प्रेस हूप्स आणि डिस्कची आवश्यकता असते, विशेषत: जेव्हा ऊर्जा-केंद्रित रचना येते.

वर नमूद केल्याप्रमाणे, थंड केलेल्या सुपरकंडक्टर रेफ्रिजरेटरला चालवण्यासाठी सतत ऊर्जा लागते, जी अर्थातच SMES ची एकूण कार्यक्षमता कमी करते.

तर, इन्स्टॉलेशनची रचना करताना ज्या थर्मल भारांचा विचार करणे आवश्यक आहे त्यात हे समाविष्ट आहे: सहाय्यक संरचनेची थर्मल चालकता, तापलेल्या पृष्ठभागाच्या बाजूने थर्मल रेडिएशन, तारांमधील जूल तोटा ज्याद्वारे चार्जिंग आणि डिस्चार्जिंग करंट वाहतात, तसेच नुकसान काम करताना फ्रीजमध्ये.

परंतु हे नुकसान साधारणपणे इंस्टॉलेशनच्या नाममात्र शक्तीच्या प्रमाणात असले तरी, SMES सिस्टीमचा फायदा असा आहे की ऊर्जा क्षमता 100 पट वाढल्याने, शीतकरण खर्च केवळ 20 पट वाढतो. याव्यतिरिक्त, उच्च-तापमान सुपरकंडक्टरसाठी, कमी-तापमान सुपरकंडक्टर वापरण्यापेक्षा थंड बचत जास्त असते.

असे दिसून येते की उच्च-तापमान सुपरकंडक्टरवर आधारित सुपरकंडक्टिंग ऊर्जा संचयन प्रणाली थंड होण्यासाठी कमी मागणी करते आणि त्यामुळे त्याची किंमत कमी असावी.

व्यवहारात, तथापि, असे नाही, कारण इन्स्टॉलेशन इन्फ्रास्ट्रक्चरची एकूण किंमत सामान्यतः सुपरकंडक्टरच्या किमतीपेक्षा जास्त असते आणि उच्च-तापमान सुपरकंडक्टरच्या कॉइल्स कमी-तापमानाच्या सुपरकंडक्टरच्या कॉइलपेक्षा 4 पट जास्त महाग असतात. .

याव्यतिरिक्त, उच्च-तापमान सुपरकंडक्टरसाठी मर्यादित वर्तमान घनता कमी-तापमान असलेल्यांपेक्षा कमी आहे, हे 5 ते 10 T च्या श्रेणीतील कार्यरत चुंबकीय क्षेत्रांना लागू होते.

म्हणून समान इंडक्टन्ससह बॅटरी मिळविण्यासाठी, अधिक उच्च-तापमान सुपरकंडक्टिंग वायर्स आवश्यक आहेत. आणि जर स्थापनेचा उर्जा वापर सुमारे 200 MWh असेल तर कमी-तापमान सुपरकंडक्टर (कंडक्टर) दहापट जास्त महाग होईल.

याव्यतिरिक्त, मुख्य खर्च घटकांपैकी एक हे आहे: रेफ्रिजरेटरची किंमत कोणत्याही परिस्थितीत इतकी कमी आहे की उच्च-तापमान सुपरकंडक्टर वापरून शीतलक ऊर्जा कमी केल्याने खूप कमी टक्केवारीची बचत होते.

पीक ऑपरेटिंग मॅग्नेटिक फील्ड वाढवून आवाज कमी करणे आणि SMES मध्ये साठवलेली ऊर्जा घनता वाढवणे शक्य आहे, ज्यामुळे वायरची लांबी कमी होईल आणि एकूण खर्चात घट होईल. इष्टतम मूल्य सुमारे 7 T चे शिखर चुंबकीय क्षेत्र मानले जाते.

अर्थात, फील्ड इष्टतम पलीकडे वाढल्यास, कमीत कमी खर्चासह व्हॉल्यूममध्ये आणखी कपात करणे शक्य आहे. परंतु फील्ड इंडक्शन मर्यादा सामान्यतः शारीरिकदृष्ट्या मर्यादित असते, कारण भरपाई देणाऱ्या सिलेंडरसाठी जागा सोडताना टॉरॉइडचे अंतर्गत भाग एकत्र आणणे अशक्य होते.

SMEs साठी किफायतशीर आणि कार्यक्षम स्थापना तयार करण्यासाठी सुपरकंडक्टिंग मटेरियल हा एक कळीचा मुद्दा आहे. आज विकसकांच्या प्रयत्नांचा उद्देश गंभीर प्रवाह आणि सुपरकंडक्टिंग सामग्रीच्या विकृतीची श्रेणी वाढवणे तसेच त्यांच्या उत्पादनाची किंमत कमी करणे आहे.

एसएमई प्रणालींच्या व्यापक परिचयाच्या मार्गातील तांत्रिक अडचणींचा सारांश, खालील स्पष्टपणे ओळखले जाऊ शकतात. कॉइलमध्ये व्युत्पन्न झालेल्या महत्त्वपूर्ण लॉरेंट्झ फोर्सचा सामना करण्यास सक्षम घन यांत्रिक समर्थनाची आवश्यकता.

जमिनीच्या मोठ्या तुकड्याची गरज, कारण SME इंस्टॉलेशन, उदाहरणार्थ 5 GWh क्षमतेसह, सुमारे 600 मीटर लांबीचे सुपरकंडक्टिंग सर्किट (गोलाकार किंवा आयताकृती) असेल. याव्यतिरिक्त, सुपरकंडक्टरच्या सभोवतालचा द्रव नायट्रोजनचा व्हॅक्यूम कंटेनर (600 मीटर लांब) भूमिगत असणे आवश्यक आहे आणि विश्वसनीय समर्थन प्रदान करणे आवश्यक आहे.

पुढील अडथळा म्हणजे सुपरकंडक्टिंग उच्च-तापमान सिरेमिकची ठिसूळपणा, ज्यामुळे उच्च प्रवाहांसाठी तारा काढणे कठीण होते.सुपरकंडक्टिव्हिटी नष्ट करणारे गंभीर चुंबकीय क्षेत्र देखील SMES ची विशिष्ट ऊर्जा तीव्रता वाढवण्यात एक अडथळा आहे. NS ला त्याच कारणास्तव गंभीर वर्तमान समस्या आहे.