Introduzione al superconduttore di accumulo di energia magnetica (PMI): principi e applicazioni

L'articolo discute di come l'energia viene immagazzinata nei campi magnetici attraverso l'induzione elettromagnetica e le equazioni correlate.Esamina inoltre i progetti e i materiali avanzati utilizzati nella creazione di sistemi PMI, concentrandosi su bobine toroidali e solenoidali.Questi sistemi sono utilizzati in diversi contesti, dalle strutture mediche ai siti industriali.L'articolo fornisce una panoramica dettagliata dei componenti, come materiali superconduttori come il niobio-titanio e l'ossido di rame del bario ittrio e importanti considerazioni di progettazione per le configurazioni della bobina nei sistemi PMI.

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Figura 1: accumulo di energia magnetica superconduttiva

Cos'è la superconduttività?

La superconduttività è un fenomeno meccanico quantistico in cui alcuni materiali conducono elettricità senza resistenza se raffreddati al di sotto di una temperatura richiesta.Include:

Zero resistenza elettrica

I superconduttori consentono un flusso di corrente perpetui senza perdita di energia in condizioni ideali, che è la loro caratteristica che definisce.

Effetto Meissner

I superconduttori espelleranno i campi magnetici dai loro interni quando si trovano nello stato superconduttore.Questo è noto come effetto Meissner e buono per mantenere campi magnetici stabili ed efficienti nelle applicazioni PMI.

Transizione di fase

La superconduttività si verifica a una temperatura specifica chiamata temperatura critica.Questa temperatura è specifica per il materiale e può variare da zero quasi assolute a temperature più elevate per i superconduttori ad alta temperatura.

Figura 2:

Figura 3: forza elettromagnetica

Meccanismo di accumulo di energia in un campo magnetico

Nei sistemi PMI, l'energia viene immagazzinata nel campo magnetico generato dalla corrente continua in una bobina superconduttiva.Il processo prevede:

Quando la corrente scorre attraverso la bobina superconduttiva, viene creato un campo magnetico.Secondo la teoria elettromagnetica, l'energia immagazzinata nel campo magnetico è proporzionale al quadrato della corrente e all'induttanza della bobina.

L'energia (e) immagazzinata può essere quantificata dall'equazione:

dove l è l'induttanza della bobina e io è la corrente.Il design della bobina si concentra sulla massimizzazione dell'induttanza e della capacità attuale di aumentare lo stoccaggio di energia.

Per conservare e utilizzare l'energia in modo efficace, il campo magnetico deve essere contenuto e controllato.Ciò comporta geometrie complesse e ingegneria dei materiali per ottimizzare i percorsi magnetici e ridurre al minimo le perdite.

Componenti di un superconduttore di energia magnetica (PMI)

Le bobine di superconduttore sono progettate per ottimizzare la superconduttività, che consente alla corrente elettrica di fluire senza resistenza.Queste bobine sono create con avvolgimento del filo superconduttore attorno a un nucleo o modellandolo in un solenoide.

• Configurazione della bobina

Sollenoidi bobine - Queste bobine cilindriche generano un campo magnetico uniforme all'interno e sono utilizzate nelle macchine MRI.

Bobine toroidali - a forma di ciambella, queste bobine sono utilizzate in applicazioni come i reattori tokamak per il contenimento del plasma nella ricerca di fusion.

Figura 4: bobine del solenoide e bobine toroidali

• Sistemi di raffreddamento

I sistemi di raffreddamento avanzati sono utili per mantenere la superconduttività.Questi sistemi utilizzano elio liquido, azoto liquido o criocooler per mantenere le bobine a temperature ben al di sotto della loro soglia.

Materiali utilizzati nelle bobine superconduttori

Le prestazioni delle bobine superconduttori dipendono pesantemente dai materiali utilizzati.I due tipi principali di materiali superconduttori sono:

• Superconduttori a bassa temperatura (LTS)

Niobium-Titanio (NBTI): comunemente usato nei sistemi di risonanza magnetica e nelle strutture di ricerca, NBTI è valutato per la sua durata e requisiti criogenici relativamente semplici.

Niobium-tin (NB3SN): con una soglia di campo magnetica più elevata rispetto a NBTI, NB3SN è ideale per applicazioni che necessitano di campi magnetici più forti.

• Superconduttori ad alta temperatura (HTS)

Ossido di rame del bario di ittrio (YBCO): questo materiale funziona a temperature più elevate rispetto ai materiali LTS, semplificando e riducendo il costo dei sistemi di raffreddamento.

Bismuthut Strontium Calcio Ossido di rame (BSCCO): noto per la sua forma simile a un nastro, BSCCO è flessibile e adatto per bobine con forme complesse.

Figura 5: ossido di rame del bario ytttrium (YBCO) e ossido di rame del calcio di stronzio di bismuto (BSCCO)

Processo di conversione dell'energia in un sistema di accumulo di energia magnetico superconduttore

Il primo passo in un sistema PMI sta cambiando la corrente alternata (AC) in corrente continua (DC) perché la bobina superconduttiva funziona su DC.

L'AC, che viene dalla griglia o da una centrale elettrica, entra in un raddrizzatore.Il lavoro del raddrizzatore è quello di trasformare l'AC, che cambia direzione, in DC, che scorre in una direzione.Utilizza dispositivi come diodi o tiristi per farlo.

Dopo questa conversione, il DC potrebbe avere ancora alcune increspature simili ad AC.Per appianare questi, utilizziamo filtri con condensatori e induttori.Ciò rende stabile il DC, per l'efficienza e la sicurezza del sistema PMI.

Con DC liscio pronto, la CC scorre in una bobina superconduttiva, che non ha resistenza elettrica. Ciò consente alla corrente di fluire senza perdere energia.

La DC nella bobina crea un forte campo magnetico attorno ad esso, convertendo l'energia elettrica in energia magnetica immagazzinata in questo campo.

Per mantenere la bobina superconduttiva, la bobina viene mantenuta a temperature molto basse usando refrigeranti criogenici come elio liquido o azoto. Ciò è importante perché qualsiasi aumento della temperatura può far perdere la superconduttività alla bobina, portando alla perdita di energia.

Quando abbiamo bisogno dell'energia immagazzinata, l'energia immagazzinata nel campo magnetico guida la corrente DC nella bobina. Questo DC deve essere trasformato in AC per essere utile per la maggior parte dei sistemi di alimentazione.Un inverter lo fa cambiando la direzione della corrente a una frequenza che corrisponde alla griglia CA.

L'uscita CA è sincronizzata con la tensione, la frequenza e la fase della griglia prima di essere inviato, assicurando che funzioni bene con la griglia e altri carichi elettrici.

Figura 6: diagramma schematico del sistema di accumulo di energia magnetica superconduttiva

Progettazione di sistemi di accumulo di energia magnetica superconduttiva

La progettazione della bobina nei sistemi PMI richiesto per l'efficienza, i costi e la capacità di accumulo di energia.I due disegni della bobina principale sono toroidali e solenoidali.

Tipo di bobina	Geometria e funzione	Vantaggi	Svantaggi
Bobine toroidali	A forma di ciambella, progettata per mantenere quasi tutto Il campo magnetico all'interno della bobina, minimizzando le perdite.Questa forma aiuta Ridurre le forze elettromagnetiche che agiscono sulla struttura della bobina.	Contenuto del campo magnetico: il magnetico Il campo rimane all'interno della bobina, portando a campi magnetici randagi più bassi.	Complessità manifatturiera: costruzione Le forme toroidali sono complesse e costose.
		Sicurezza: questo design è più sicuro e riduce l'interferenza con dispositivi elettronici vicini e altre apparecchiature sensibili.	Sfide di manutenzione: accedere al Le parti interne di queste bobine sono difficili, complicando la manutenzione e ispezione.
Bobine solenoidali	Cilindrico, con corrente che corre lungo la lunghezza del cilindro.Questo design è più semplice e più semplice rispetto alla configurazione toroidale.	Facilità di produzione: le bobine solenoidali sono più facile e meno costoso da produrre a causa della loro semplice geometria. Accessibilità di manutenzione: il design a tempo indeterminato li rende più facili per mantenere e ispezionare.	Perdita di campo magnetico: il magnetico Perdite di campo ad entrambe le estremità del cilindro, che possono colpire l'elettronica nelle vicinanze dispositivi e richiedono una schermatura aggiuntiva.

Fattori che influenzano la scelta del design della bobina

Figura 7: bobina solenoidale e bobina toroidale

Applicazione prevista: l'applicazione detta la scelta della bobina.Ad esempio, sono preferite le bobine toroidali in cui le interferenze elettromagnetiche devono essere ridotte al minimo, ad esempio nelle strutture mediche o nelle attrezzature scientifiche quasi sensibili.

Requisiti di accumulo di energia: la quantità di energia da immagazzinare influisce sulla progettazione della bobina.Le bobine solenoidali possono adattarsi a applicazioni su scala ridotta a causa della loro efficacia in termini di costi, mentre le bobine toroidali potrebbero essere utilizzate per lo stoccaggio su scala industriale più ampia a causa dell'efficienza e della minima perdita magnetica.

Vincoli spaziali e ambientali: lo spazio fisico disponibile e le condizioni ambientali sono considerazioni primarie.Le bobine toroidali, con il loro campo magnetico compatto e chiuso, sono più adatte per spazi confinati o aree popolate.

Vincoli di bilancio: limitazioni di budget Impact Coil Choice.Le bobine solenoidali sono meno costose e possono essere preferite in progetti sensibili ai costi.

Considerazioni sulla manutenzione e operative: la facilità di manutenzione e l'affidabilità operativa sono importanti.Le bobine solenoidali, offrendo un accesso più facile per la manutenzione e l'ispezione, può essere un fattore decisivo nella loro selezione.

Vantaggi dei sistemi di accumulo di energia magnetica superconduttiva

Vantaggio	Descrizione
Tempi ad alta efficienza e rapida risposta	I sistemi PMI ottengono oltre il 95% di efficienza Conservando energia in una bobina superconduttiva con resistenza quasi zero.Essi può rispondere alle variazioni della domanda di potere nei millisecondi.
Impatto e stabilità ambientale	Questi sistemi sono ecologici e emessi Nessun gas serra o utilizzando materiali tossici.Mantengono stabili prestazioni indipendentemente da condizioni esterne come temperatura o tempo.
Affidabilità e longevità	I sistemi PMI non hanno parti in movimento e utilizzo Materiali superconduttori durevoli, con conseguente meno usura e inferiore Costi di manutenzione per la loro lunga durata.
Scalabilità e versatilità	Capace di conservare energia da pochi Kilowatt-ore a diverse ore megawatt, le unità PMI sono flessibili per varie applicazioni e possono essere installate in diversi ambienti con minimo modifiche.
Supportare la rete e l'energia rinnovabile	Aiutano a regolare la tensione, stabilizzarsi frequenza e produzione regolare da fonti rinnovabili, migliorando la griglia affidabilità e supporto a una maggiore integrazione delle energie rinnovabili.
Efficacia in termini di costi a lungo termine	Nonostante gli alti costi iniziali, le PMI i sistemi hanno basse spese operative e di manutenzione, rendendoli a lungo termine conveniente, specialmente in applicazioni specifiche.
Sicurezza e sicurezza	I sistemi PMI evitano i rischi di esplosioni o perdite tossiche associate a soluzioni di conservazione chimica, facendo loro più sicuri per diversi contesti, comprese le aree urbane.

Applicazioni di accumulo di energia magnetica superconduttiva

Figura 8: sistema di trasmissione CA flessibile, una delle principali applicazioni di accumulo di energia magnetica superconduttiva

Ospedali

Gli ospedali si affidano a un alimentatore ininterrotto (UPS) per mantenere operative di attrezzature e assistenza salvavita.I sistemi PMI forniscono una soluzione UPS affidabile rilasciando istantaneamente l'energia immagazzinata durante i guasti di potenza, riducendo al minimo le interruzioni operative.Mantengono inoltre una regolamentazione di energia di alta qualità, che protegge le attrezzature mediche sensibili da lievi fluttuazioni di potenza.

Data center

I data center, che gestiscono grandi quantità di informazioni digitali, sono altamente sensibili ai problemi di qualità dell'alimentazione.I sistemi PMI sono ideali per proteggere da disturbi di potenza di breve durata come abbassamenti di tensione e aumenti.Integrando le PMI, i data center possono garantire un funzionamento continuo di server e apparecchiature di networking, mantenendo la disponibilità e l'integrità del servizio di dati.

Integrazione delle energie rinnovabili

Fonti di energia rinnovabile come il vento e il solare introducono variabilità nella generazione di energia a causa delle condizioni meteorologiche.I sistemi PMI stabilizzano la rete assorbendo rapidamente l'elettricità in eccesso durante i periodi di produzione elevati e rilasciando energia durante la bassa produzione, levigando le fluttuazioni e migliorando la stabilità della rete.

Stazioni di ricarica del veicolo elettrico

Con la crescente adozione di veicoli elettrici (EV), aumenta la domanda di soluzioni di ricarica efficienti e rapide.I sistemi PMI nelle stazioni di ricarica EV gestiscono le richieste di carico memorizzando energia durante i tempi non di punta e rilasciandolo durante la domanda di punta.Ciò riduce la deformazione sulla rete elettrica e consente tempi di ricarica più veloci.

Applicazioni industriali

Le industrie che richiedono improvvise esplosioni di potenza beneficiano dei sistemi PMI.Questi sistemi forniscono l'energia giusta senza attingere fortemente alla rete, necessità nella produzione per un controllo preciso dei macchinari e nel mantenimento della qualità del prodotto.

Militare e aerospaziale

Le basi militari e le operazioni aerospaziali richiedono energia affidabile e di alta qualità.I sistemi PMI offrono un alimentatore a risposta rapida che garantisce operazioni ininterrotte e supporta le elevate esigenze energetiche della tecnologia e delle attrezzature avanzate in questi settori.

Sistemi di transito di massa

Le reti ferroviarie e i sistemi di transito urbano migliorano l'efficienza energetica e l'affidabilità con le PMI.Queste unità gestiscono l'energia prodotta durante la frenata e la ridistribuiscono in modo efficiente, migliorando l'efficienza energetica complessiva del sistema di transito.

Conclusione

L'articolo esplora i sistemi di accumulo di energia magnetica superconduttiva (PMI), evidenziando il loro potenziale come tecnologia di accumulo di energia rivoluzionaria.I sistemi PMI offrono un'elevata efficienza, tempi di risposta rapidi e un basso impatto ambientale, rendendoli soluzione per le attuali sfide energetiche.L'articolo copre il loro uso in vari settori, tra cui assistenza sanitaria, energia rinnovabile e trasporti, che mostrano la loro versatilità e scalabilità.Mentre il mondo si sposta verso soluzioni energetiche sostenibili, la tecnologia PMI si distingue nel migliorare la resilienza energetica globale.Sviluppi in corso nelle PMI per l'integrazione di fonti di energia rinnovabile, migliorando la stabilità e l'efficienza dell'infrastruttura di energia globale.

Domande frequenti [FAQ]

1. In che modo un campo magnetico immagazzina l'energia?

Un campo magnetico memorizza energia attraverso l'allineamento e il movimento di dipoli magnetici o particelle cariche.Quando una corrente elettrica passa attraverso una bobina di filo, crea un campo magnetico attorno alla bobina.Questo campo magnetico è in grado di conservare l'energia a causa del lavoro svolto per stabilire il campo.In particolare, è necessaria energia per allineare i momenti magnetici degli atomi in un materiale, che a sua volta crea un campo che può esercitare forze e lavorare su altri oggetti.L'energia immagazzinata in un campo magnetico è direttamente proporzionale al quadrato dell'intensità del campo.

2. Quale dispositivo immagazzina energia in un campo magnetico?

Il dispositivo che immagazzina energia in un campo magnetico è un induttore o una bobina magnetica.Gli induttori sono costituiti da bobine di filo, spesso avvolte attorno a un nucleo magnetico, che migliora la resistenza del campo magnetico.Quando la corrente scorre attraverso la bobina, un campo magnetico si accumula e l'energia viene immagazzinata in questo campo.La capacità di un induttore di archiviare l'energia magnetica viene utilizzata in molti circuiti elettronici, nelle tecnologie di alimentazione e di conversione.

3. Quanto è efficiente la superconduttiva accumulo di energia magnetica?

I sistemi di accumulo di energia magnetica superconduttiva (PMI) sono altamente efficienti, raggiungendo l'efficienza energetica di andata e ritorno dal 90% al 95%.Questi sistemi utilizzano bobine superconduttori in grado di condurre elettricità senza resistenza a temperature molto basse.La mancanza di resistenza elettrica significa che quasi nessuna energia viene persa come calore, il che migliora l'efficienza dello accumulo di energia.I sistemi PMI sono apprezzati per la loro capacità di rilasciare energia immagazzinata quasi istantaneamente, il che è positivo per le applicazioni che richiedono scarichi rapidi, come stabilizzare le griglie elettriche durante il picco della domanda.

4. L'energia magnetica è un negozio o un trasferimento?

L'energia magnetica è una forma di accumulo di energia.L'energia è immagazzinata nel campo magnetico creato dal movimento delle cariche elettriche, in una bobina.Quando è necessaria, questa energia immagazzinata può essere convertita di nuovo in energia elettrica o utilizzata per eseguire lavori meccanici, trasferendo così l'energia dal campo magnetico in un'altra forma.Tuttavia, il ruolo principale dell'energia magnetica in dispositivi come induttori o sistemi PMI è di archiviare l'energia.

5. Qual è un esempio di negozio di energia magnetica?

Un esempio di negozio di energia magnetica è il sistema di accumulo di energia del volano, che, sebbene principalmente meccanico, spesso incorpora componenti magnetici per lo stoccaggio e la stabilizzazione dell'energia.Questi sistemi utilizzano un volano meccanico rotante il cui movimento genera un campo magnetico, in versioni che utilizzano cuscinetti magnetici per ridurre l'attrito e la perdita di energia.Questa interazione tra energie meccaniche e magnetiche consente al sistema del volano di immagazzinare in modo efficiente l'energia e rilasciarlo rapidamente quando richiesto, rendendolo un'applicazione pratica di accumulo di energia magnetica in forme meccaniche ed elettriche.