초전도 자기 에너지 저장 (SMES) 소개 : 원리 및 응용

이 기사는 전자기 유도 및 관련 방정식을 통해 자기장에 에너지가 어떻게 저장되는지에 대해 논의합니다.또한 Toroidal 및 Solenoidal 코일에 중점을 둔 SMES 시스템을 만드는 데 사용되는 고급 설계 및 재료를 조사합니다.이 시스템은 의료 시설에서 산업 현장에 이르기까지 다양한 환경에서 사용됩니다.이 기사는 Niobium-Titanium 및 Yttrium Barium Oxide와 같은 초전도 재료 및 SMES 시스템의 코일 구성을위한 중요한 설계 고려 사항과 같은 구성 요소에 대한 자세한 개요를 제공합니다.

목록

그림 1 : 초전도 자기 에너지 저장

초전도 란 무엇입니까?

초전도성은 특정 재료가 필요한 온도 이하로 냉각 될 때 저항없이 전기를 전이하는 양자 기계적 현상입니다.포함 :

제로 전기 저항

초전도기는 이상적인 조건에서 에너지 손실없이 영구적 인 전류 흐름을 허용합니다.

Meissner Effect

초전도체는 초전도 상태에있을 때 내부에서 자기장을 내부에서 배출시킨다.이것은 Meissner 효과로 알려져 있으며 SMES 애플리케이션에서 안정적이고 효율적인 자기장을 유지하는 데 좋습니다.

위상 전이

초전도성은 임계 온도라고하는 특정 온도에서 발생합니다.이 온도는 재료 별이며 고온 초전도체의 절대 0에서 더 높은 온도에 이르기까지 다양합니다.

그림 2 : 그림 2.

그림 3 : 전자기 힘

자기장의 에너지 저장 메커니즘

SMES 시스템에서, 에너지는 초전도 코일에서 직류에 의해 생성 된 자기장에 저장된다.프로세스에는 다음이 포함됩니다.

초전도 코일을 통해 전류가 흐르면 자기장이 생성됩니다.전자기 이론에 따르면, 자기장에 저장된 에너지는 전류의 제곱과 코일의 인덕턴스에 비례합니다.

저장된 에너지 (e)는 방정식에 의해 정량화 될 수 있습니다.

여기서 l은 코일의 인덕턴스이고, 나는 현재이다.코일 설계는 에너지 저장을 증가시키기위한 인덕턴스 및 전류 용량을 최대화하는 데 중점을 둡니다.

에너지를 효과적으로 저장하고 활용하려면 자기장을 포함하고 제어해야합니다.여기에는 복잡한 형상 및 재료 공학이 포함되어 자기 경로를 최적화하고 손실을 최소화합니다.

초전도 자기 에너지 저장의 구성 요소 (SMES)

초전도 코일은 초전도성을 최적화하도록 설계되어 전류가 저항없이 흐르도록합니다.이 코일은 코어 주위에 초전도 와이어를 감거나 솔레노이드로 형성하여 생성됩니다.

• 코일 구성

솔레노이드 코일 -이 원통형 코일은 내부에 균일 한 자기장을 생성하며 MRI 기계에 사용됩니다.

토 로이드 코일 - 도넛 모양 의이 코일은 융합 연구에서 플라즈마 격리를위한 Tokamak 반응기와 같은 응용 분야에 사용됩니다.

그림 4 : 솔레노이드 코일 및 토로이드 코일

• 냉각 시스템

고급 냉각 시스템은 초전도성을 유지하는 데 유용합니다.이 시스템은 액체 헬륨, 액체 질소 또는 냉동안제를 사용하여 코일을 온도에서 임계 값 아래로 유지합니다.

초전도 코일에 사용되는 재료

초전도 코일의 성능은 사용 된 재료에 크게 의존합니다.초전도 재료의 두 가지 주요 유형은 다음과 같습니다.

• 저온 초전도체 (LTS)

Niobium-Titanium (NBTI) : MRI 시스템 및 연구 시설에서 일반적으로 사용되는 NBTI는 내구성과 비교적 간단한 극저온 요구 사항으로 평가됩니다.

Niobium-Tin (NB3SN) : NBTI보다 온도가 높고 자기장 임계 값이 더 높은 NB3SN은 더 강한 자기장이 필요한 응용 분야에 이상적입니다.

• 고온 초전도체 (HTS)

YTTRIUM BARIUM 산화 구리 (YBCO) :이 재료는 LTS 재료보다 고온에서 작동하여 냉각 시스템의 비용을 단순화하고 줄입니다.

Bismuth Strontium 칼슘 구리 산화 구리 (BSCCO) : 테이프 형태로 알려진 BSCCO는 유연하고 복잡한 모양의 코일에 적합합니다.

그림 5 : YTTRIUM BARIUM 산화 구리 (YBCO) 및 비스무트 스트론튬 칼슘 구리 산화 구리 (BSCCO)

초전도 자기 에너지 저장 시스템의 에너지 변환 공정

SMES 시스템의 첫 번째 단계는 초전도 코일이 DC에서 실행되기 때문에 교대 전류 (AC)를 직류 (DC)로 변경하는 것입니다.

그리드 나 발전소에서 나오는 AC는 정류기로 들어갑니다.정류기의 작업은 방향을 변경하는 AC를 한 방향으로 흐르는 DC로 바꾸는 것입니다.다이오드 또는 사이리스터와 같은 장치를 사용하여이를 수행합니다.

이 변환 후, DC는 여전히 AC와 같은 잔물결을 가질 수 있습니다.이를 부드럽게하기 위해 커패시터 및 인덕터가있는 필터를 사용합니다.이로 인해 SMES 시스템의 효율성과 안전을 위해 DC를 꾸준히합니다.

부드러운 DC 준비를 통해 DC는 전기 저항이없는 초전도 코일로 흐릅니다. 이것은 에너지를 잃지 않고 전류가 흐를 수있게한다.

코일의 DC는 그 주위에 강한 자기장을 생성하여 전기 에너지를이 필드에 저장된 자기 에너지로 변환합니다.

코일의 초전도를 유지하기 위해 코일은 액체 헬륨 또는 질소와 같은 극저온 냉각제를 사용하여 매우 낮은 온도로 유지됩니다. 이는 온도 상승으로 코일이 초전도성을 잃어 에너지 손실을 초래할 수 있기 때문에 중요합니다.

저장된 에너지가 필요할 때, 자기장에 저장된 에너지는 코일의 DC 전류를 구동합니다. 이 DC는 대부분의 전력 시스템에 유용하기 위해 AC로 다시 전환해야합니다.인버터는 AC 그리드와 일치하는 주파수에서 전류 방향을 변경하여이를 수행합니다.

AC 출력은 전송되기 전에 그리드의 전압, 주파수 및 위상과 동기화되어 그리드 및 기타 전기 하중과 잘 어울립니다.

그림 6 : 초전도 자기 에너지 저장 시스템의 개략도

초전도 자기 에너지 저장 시스템 설계

효율성, 비용 및 에너지 저장 용량에 필요한 중소기업 시스템의 코일 설계.두 가지 주요 코일 설계는 토로이드와 솔레노이드입니다.

코일 유형	기하학과 기능	장점	단점
토로이드 코일	거의 모든 것을 유지하도록 설계된 도넛 모양 코일 내부의 자기장으로 누출을 최소화합니다.이 모양이 도움이됩니다 코일 구조에 작용하는 전자기력을 줄입니다.	자기장 격리 : 자기 필드는 코일 내에 머무르며 길게 길이의 자기장을 초래합니다.	제조 복잡성 : 구성 토 로이드 모양은 복잡하고 비용이 많이 듭니다.
		안전 :이 디자인은 더 안전하고 간섭을 줄입니다 근처의 전자 장치 및 기타 민감한 장비.	유지 보수 문제 : 액세스 이 코일의 내부 부분은 어렵고 복잡한 유지 보수 및 점검.
솔레노이드 코일	원통형, 전류가 달리고 있습니다 실린더의 길이.이 디자인은 더 간단하고 간단합니다 토로이드 구성보다.	제조 용이성 : 솔레노이드 코일은입니다 간단한 지오메트리로 인해 생산하기가 쉽고 저렴합니다. 유지 보수 접근성 : 개방형 디자인을 사용하면 더 쉬워집니다 유지하고 검사합니다.	자기장 누출 : 자기 근처의 전자에 영향을 줄 수있는 실린더의 양쪽 끝에서 필드 누출 장치는 추가 차폐가 필요합니다.

코일 설계의 선택에 영향을 미치는 요인

그림 7 : 솔레노이드 코일 및 토로이드 코일

의도 된 응용 프로그램 : 응용 프로그램은 코일 선택을 지시합니다.예를 들어, 의료 시설이나 거의 민감한 과학 장비와 같이 전자기 간섭을 최소화 해야하는 토 로이드 코일이 선호됩니다.

에너지 저장 요구 사항 : 저장 될 에너지의 양은 코일 설계에 영향을 미칩니다.솔레노이드 코일은 비용 효율성으로 인해 소규모 적용에 적합 할 수있는 반면, 토로이드 코일은 효율성과 최소 자기 누출로 인해 더 큰 산업 규모의 저장에 사용될 수 있습니다.

공간 및 환경 제약 : 사용 가능한 물리적 공간 및 환경 조건이 주요 고려 사항입니다.소형 및 밀폐 된 자기장을 갖춘 Toroidal Coils는 제한된 공간이나 인구가 많은 지역에 더 적합합니다.

예산 제약 : 예산 제한은 코일 설계 선택에 영향을 미칩니다.솔레노이드 코일은 저렴하며 비용에 민감한 프로젝트에서 선호 될 수 있습니다.

유지 보수 및 운영 고려 사항 : 유지 보수 및 운영 안정성의 용이성이 중요합니다.유지 보수 및 검사를 쉽게 접근 할 수있는 솔레노이드 코일은 선택에 결정적인 요소가 될 수 있습니다.

초전도 자기 에너지 저장 시스템의 장점

이점	설명
고효율 및 빠른 응답 시간	SMES 시스템은 95% 이상의 효율을 달성합니다 저항이 거의없는 초전도 코일에 에너지를 저장함으로써.그들 밀리 초의 전력 수요 변화에 대응할 수 있습니다.
환경 영향과 안정성	이 시스템은 친환경적이고 방출됩니다 온실 가스가 없거나 독성 물질을 사용하지 않습니다.그들은 안정적으로 유지합니다 온도 나 날씨와 같은 외부 조건에 관계없이 성능.
신뢰성과 장수	SMES 시스템에는 움직이는 부품이 없으며 사용이 없습니다 내구성이 뛰어난 초전도 재료, ​​마모가 줄어들고 더 낮게 유지 보수 비용 장기 수명 동안 비용.
확장 성과 다양성	몇 가지에서 에너지를 저장할 수 있습니다 킬로와트시에서 몇 메가 와트 시간까지 중소기업 단위는 다양한 용도로 유연합니다. 애플리케이션 및 최소한의 다양한 환경에 설치할 수 있습니다. 수정.
그리드 및 재생 에너지 지원	그들은 전압을 조절하고 안정화하는 데 도움이됩니다 재생 가능한 소스의 주파수 및 원활한 출력, 그리드 향상 재생 에너지의 신뢰성과 지원.
장기 비용 효율성	초기 비용이 높지만 중소기업 시스템은 운영 및 유지 보수 비용이 낮아서 특히 특정 응용 프로그램에서 장기적으로 비용 효율적입니다.
안전 및 보안	중소기업 시스템은 위험을 피합니다 화학 저장 솔루션과 관련된 폭발 또는 독성 누출 도시 지역을 포함한 다양한 환경에서 더 안전합니다.

초전도 자기 에너지 저장의 응용

그림 8 : 유연한 AC 전송 시스템, 초전도 자기 에너지 저장의 주요 응용 중 하나

병원

병원은 생명을 구하는 장비 및 관리 시스템을 유지하기 위해 중단되지 않은 전원 공급 장치 (UPS)에 의존합니다.SMES 시스템은 전력 고장 중에 저장된 에너지를 즉시 방출하여 운영 중단을 최소화함으로써 신뢰할 수있는 UPS 솔루션을 제공합니다.또한 고품질 전력 규제를 유지하여 민감한 의료 장비를 경미한 전력 변동으로부터 보호합니다.

데이터 센터

방대한 양의 디지털 정보를 관리하는 데이터 센터는 전력 품질 문제에 매우 민감합니다.SMES 시스템은 전압 처짐 및 서지와 같은 단기 전력 교란을 방지하는 데 이상적입니다.SME를 통합함으로써 데이터 센터는 서버 및 네트워킹 장비의 지속적인 작동을 보장하여 데이터 서비스 가용성 및 무결성을 유지할 수 있습니다.

재생 가능한 에너지 통합

풍력 및 태양과 같은 재생 가능한 에너지 원은 기상 조건으로 인한 발전의 다양성을 도입합니다.SMES 시스템은 높은 생산 기간 동안 초과 전기를 빠르게 흡수하고 낮은 생산 중에 에너지를 방출하여 변동을 평활화하고 그리드 안정성을 향상시켜 그리드를 안정화시킵니다.

전기 자동차 충전소

전기 자동차 (EV)의 채택이 증가함에 따라 효율적이고 빠른 충전 솔루션에 대한 수요가 증가합니다.EV 충전소의 SMES 시스템은 피크 외 시간 동안 에너지를 저장하고 피크 수요 중에 방출하여 부하 수요를 관리합니다.이것은 전기 그리드의 변형을 줄이고 더 빠른 충전 시간을 가능하게합니다.

산업 응용 분야

갑작스런 파열이 필요한 산업은 중소기업 시스템의 혜택을받습니다.이 시스템은 그리드를 크게 끌어 들이지 않고 올바른 에너지를 제공하고 기계의 정확한 제어를 위해 제조에 필요하며 제품 품질을 유지합니다.

군사 및 항공 우주

군사 기지 및 항공 우주 운영에는 신뢰할 수 있고 고품질 에너지가 필요합니다.SMES 시스템은 빠른 응답 전원 공급 장치를 제공하여 중단되지 않은 운영을 보장하고 이러한 부문의 고급 기술 및 장비의 높은 에너지 수요를 지원합니다.

대중 교통 시스템

철도 네트워크 및 도시 대중 교통 시스템은 중소기업과의 전력 효율과 신뢰성을 향상시킵니다.이 장치는 제동 중에 생산 된 에너지를 관리하고 효율적으로 재분배하여 대중 교통 시스템의 전반적인 에너지 효율을 향상시킵니다.

결론

이 기사는 초전도 자기 에너지 저장 (SMES) 시스템을 탐구하여 혁신적인 에너지 저장 기술로서의 잠재력을 강조합니다.SMES 시스템은 고효율, 빠른 응답 시간 및 낮은 환경 영향을 제공하여 현재 에너지 문제에 대한 솔루션을 제공합니다.이 기사는 의료, 재생 에너지 및 운송을 포함한 다양한 분야에서의 사용을 다루고 다목적 성과 확장 성을 보여줍니다.세계가 지속 가능한 에너지 솔루션으로 이동함에 따라 SMES 기술은 글로벌 에너지 복원력을 향상시키는 데 눈에.니다.재생 가능 에너지 원을 통합하기위한 중소기업의 지속적인 발전, 글로벌 전력 인프라의 안정성과 효율성을 향상시킵니다.

자주 묻는 질문 [FAQ]

1. 자기장은 어떻게 에너지를 저장합니까?

자기장은 자기 쌍극자 또는 하전 입자의 정렬 및 이동을 통해 에너지를 저장합니다.전류가 와이어 코일을 통과하면 코일 주위에 자기장이 생성됩니다.이 자기장은 필드를 설립하기 위해 수행 된 작업으로 인해 에너지를 저장할 수 있습니다.구체적으로, 에너지는 원자의 자기 모멘트를 재료로 정렬해야하며, 이는 힘을 발휘하고 다른 물체에 작용할 수있는 필드를 생성합니다.자기장에 저장된 에너지는 필드 강도의 제곱에 직접 비례합니다.

2. 자기장에 에너지를 저장하는 장치는 무엇입니까?

자기장에 에너지를 저장하는 장치는 인덕터 또는 자기 코일입니다.인덕터는 와이어 코일로 구성되며, 종종 자기 코어를 감싸고 자기장의 강도를 향상시킵니다.코일을 통해 전류가 흐르면 자기장이 쌓이고이 필드에 에너지가 저장됩니다.인덕터가 자기 에너지를 저장하는 능력은 많은 전자 회로, 전원 공급 장치 및 변환 기술에서 사용됩니다.

3. 초전도 자기 에너지 저장은 얼마나 효율적입니까?

초전도 자기 에너지 저장 (SMES) 시스템은 매우 효율적이며, 왕복 에너지 효율은 90% ~ 95%입니다.이 시스템은 매우 저온에서 저항없이 전기를 전도 할 수있는 초전도 코일을 사용합니다.전기 저항의 부족은 열로 에너지가 거의 손실되지 않아 에너지 저장의 효율을 향상시킵니다.SMES 시스템은 저장된 에너지를 거의 즉시 방출하는 능력으로 평가되며, 이는 피크 수요 중에 전력망을 안정화하는 것과 같은 빠른 배출이 필요한 응용 분야에 좋습니다.

4. 자기 에너지는 상점입니까 아니면 전송입니까?

자기 에너지는 에너지 저장의 한 형태입니다.에너지는 전기 전하의 움직임에 의해 생성 된 자기장에 코일에 저장됩니다.필요할 때,이 저장된 에너지는 다시 전기 에너지로 전환되거나 기계적 작업을 수행하는 데 사용하여 자기장에서 다른 형태로 에너지를 전달할 수 있습니다.그러나 인덕터 또는 중소기업 시스템과 같은 장치에서 자기 에너지의 주요 역할은 에너지를 저장하는 것입니다.

5. 자기 에너지 저장소의 예는 무엇입니까?

자기 에너지 저장소의 예는 플라이휠 에너지 저장 시스템이며, 주로 기계적이지만 종종 에너지 저장 및 안정화를위한 자기 성분을 통합합니다.이 시스템은 회전하는 기계식 플라이휠을 사용하여 마그네틱 베어링을 사용하여 마찰과 에너지 손실을 줄이는 버전에서 자기장을 생성합니다.기계적 에너지와 자기 에너지 사이의 이러한 상호 작용을 통해 플라이휠 시스템은 에너지를 효율적으로 저장하고 필요할 때 빠르게 방출 할 수 있으므로 기계적 형태와 전기 형태 모두에서 자기 에너지 저장을 실질적으로 적용 할 수 있습니다.