सुपरकंडक्टिंग मैग्नेटिक एनर्जी स्टोरेज सिस्टम (एसएमईएस)

ऊर्जा भंडारण एक ऐसी प्रक्रिया है जो उपकरणों या भौतिक मीडिया के साथ होती है जो ऊर्जा को संग्रहीत करते हैं ताकि वे इसे बाद में कुशलतापूर्वक उपयोग कर सकें।

ऊर्जा भंडारण प्रणालियों को यांत्रिक, विद्युत, रासायनिक और थर्मल में विभाजित किया जा सकता है। आधुनिक ऊर्जा भंडारण प्रौद्योगिकियों में से एक एसएमईएस सिस्टम है - सुपरकंडक्टिंग मैग्नेटिक एनर्जी स्टोरेज (सुपरकंडक्टिंग मैग्नेटिक एनर्जी स्टोरेज सिस्टम)।

सुपरकंडक्टिंग मैग्नेटिक एनर्जी स्टोरेज (एसएमईएस) सिस्टम एक सुपरकंडक्टिंग कॉइल में डायरेक्ट करंट फ्लो द्वारा बनाए गए चुंबकीय क्षेत्र में ऊर्जा को स्टोर करता है जिसे क्रायोजेनिक रूप से इसके महत्वपूर्ण सुपरकंडक्टिंग तापमान से कम तापमान पर ठंडा किया गया है। जब सुपरकंडक्टिंग कॉइल को चार्ज किया जाता है, तो करंट कम नहीं होता है और चुंबकीय ऊर्जा को अनिश्चित काल तक संग्रहीत किया जा सकता है। संग्रहीत ऊर्जा को कॉइल डिस्चार्ज करके ग्रिड में वापस किया जा सकता है।

सुपरकंडक्टिंग चुंबकीय ऊर्जा भंडारण प्रणाली प्रत्यक्ष धारा के प्रवाह द्वारा उत्पन्न चुंबकीय क्षेत्र पर आधारित है एक सुपरकंडक्टिंग कॉइल में.

सुपरकंडक्टिंग कॉइल लगातार क्रायोजेनिक रूप से ठंडा होता है, इसलिए इसके परिणामस्वरूप यह लगातार महत्वपूर्ण तापमान से नीचे रहता है, अर्थात। सुपरकंडक्टर… कॉइल के अलावा, एसएमईएस सिस्टम में क्रायोजेनिक रेफ्रिजरेटर के साथ-साथ एयर कंडीशनिंग सिस्टम भी शामिल है।

निष्कर्ष यह है कि एक अतिचालक अवस्था में एक आवेशित कुंडली अपने आप में एक सतत धारा को बनाए रखने में सक्षम है, ताकि किसी दिए गए वर्तमान का चुंबकीय क्षेत्र उसमें संग्रहीत ऊर्जा को असीम रूप से लंबे समय तक संग्रहीत कर सके।

सुपरकंडक्टिंग कॉइल में संग्रहीत ऊर्जा, यदि आवश्यक हो, तो ऐसे कॉइल के निर्वहन के दौरान नेटवर्क को आपूर्ति की जा सकती है। डीसी पावर को एसी पावर में बदलने के लिए, इन्वर्टर, और नेटवर्क से कॉइल चार्ज करने के लिए - रेक्टीफायर्स या एसी-डीसी कन्वर्टर्स।

एक दिशा या किसी अन्य में ऊर्जा के अत्यधिक कुशल रूपांतरण के दौरान, एसएमई में नुकसान अधिकतम 3% का प्रतिनिधित्व करता है, लेकिन यहां सबसे महत्वपूर्ण बात यह है कि इस पद्धति से ऊर्जा भंडारण की प्रक्रिया में नुकसान कम से कम अंतर्निहित हैं। ऊर्जा भंडारण और भंडारण के लिए वर्तमान में ज्ञात विधियों में से कोई भी। एसएमई की समग्र न्यूनतम दक्षता 95% है।

सुपरकंडक्टिंग सामग्रियों की उच्च लागत के कारण और इस तथ्य को ध्यान में रखते हुए कि शीतलन के लिए ऊर्जा लागत की भी आवश्यकता होती है, एसएमईएस सिस्टम वर्तमान में केवल वहीं उपयोग किए जाते हैं जहां थोड़े समय के लिए ऊर्जा को स्टोर करना आवश्यक होता है और साथ ही बिजली आपूर्ति की गुणवत्ता में सुधार होता है। . यही है, वे पारंपरिक रूप से केवल तत्काल आवश्यकता के मामलों में उपयोग किए जाते हैं।

एसएमई प्रणाली में निम्नलिखित घटक होते हैं:

• सुपरकंडक्टिंग कॉइल,
• क्रायोस्टेट और वैक्यूम सिस्टम,
• शीतलन प्रणाली,
• ऊर्जा रूपांतरण प्रणाली,
• नियंत्रण उपकरण।

एसएमई सिस्टम के मुख्य लाभ स्पष्ट हैं। सबसे पहले, यह एक अत्यंत कम समय है जिसके दौरान सुपरकंडक्टिंग कॉइल अपने चुंबकीय क्षेत्र में संग्रहीत ऊर्जा को स्वीकार या त्यागने में सक्षम होती है। इस तरह, न केवल विशाल तात्कालिक निर्वहन बल प्राप्त करना संभव है, बल्कि सुपरकंडक्टिंग कॉइल को न्यूनतम समय की देरी से रिचार्ज करना भी संभव है।

यदि हम एसएमई की तुलना कंप्रेस्ड एयर स्टोरेज सिस्टम, फ्लाईव्हील और हाइड्रोलिक संचायक के साथ करते हैं, तो बाद वाले को यांत्रिक और इसके विपरीत बिजली के रूपांतरण के दौरान भारी देरी की विशेषता है (देखें - चक्का ऊर्जा भंडारण).

चलती भागों की अनुपस्थिति एसएमईएस सिस्टम का एक और महत्वपूर्ण लाभ है, जो उनकी विश्वसनीयता को बढ़ाता है। और, ज़ाहिर है, सुपरकंडक्टर में सक्रिय प्रतिरोध की अनुपस्थिति के कारण, यहां भंडारण हानि न्यूनतम है। SMES की विशिष्ट ऊर्जा आमतौर पर 1 और 10 Wh/kg के बीच होती है।

1 MWh SMES का उपयोग दुनिया भर में बिजली की गुणवत्ता में सुधार के लिए किया जाता है, जैसे कि माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक कारखाने जिन्हें उच्चतम गुणवत्ता वाली बिजली की आवश्यकता होती है।

इसके अलावा, एसएमई उपयोगिताओं में भी उपयोगी होते हैं। इसलिए, यूएसए के एक राज्य में एक पेपर फैक्ट्री है, जिसके संचालन के दौरान बिजली लाइनों में तेज उछाल आ सकता है। आज, कारखाने की बिजली लाइन एसएमईएस मॉड्यूल की एक पूरी श्रृंखला से सुसज्जित है जो पावर ग्रिड की स्थिरता की गारंटी देती है। 20 MWh की क्षमता वाला एक SMES मॉड्यूल दो घंटे के लिए 10 MW या आधे घंटे के लिए सभी 40 MW को स्थायी रूप से प्रदान कर सकता है।

सुपरकंडक्टिंग कॉइल द्वारा संग्रहीत ऊर्जा की मात्रा की गणना निम्न सूत्र का उपयोग करके की जा सकती है (जहां L अधिष्ठापन है, E ऊर्जा है, I वर्तमान है):

सुपरकंडक्टिंग कॉइल के संरचनात्मक विन्यास के दृष्टिकोण से, यह बहुत महत्वपूर्ण है कि यह विरूपण के लिए प्रतिरोधी है, थर्मल विस्तार और संकुचन के न्यूनतम संकेतक हैं, और लोरेंत्ज़ बल के प्रति कम संवेदनशीलता भी है, जो अनिवार्य रूप से दौरान उत्पन्न होती है स्थापना का संचालन (इलेक्ट्रोडायनामिक्स के सबसे महत्वपूर्ण कानून). स्थापना के गुणों और निर्माण सामग्री की मात्रा की गणना के चरण में घुमावदार के विनाश को रोकने के लिए यह सब महत्वपूर्ण है।

छोटी प्रणालियों के लिए, 0.3% की समग्र तनाव दर स्वीकार्य मानी जाती है। इसके अलावा, कॉइल की टॉरॉयडल ज्यामिति बाहरी चुंबकीय बलों को कम करने में योगदान करती है, जिससे सहायक संरचना की लागत को कम करना संभव हो जाता है, और स्थापना को लोड ऑब्जेक्ट्स के करीब रखने की भी अनुमति मिलती है।

यदि एसएमईएस की स्थापना छोटी है, तो एक सोलनॉइड कॉइल भी उपयुक्त हो सकता है, जिसे टॉरॉयड के विपरीत विशेष समर्थन संरचना की आवश्यकता नहीं होती है। हालांकि, यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि टॉरॉयडल कॉइल को प्रेस हुप्स और डिस्क की आवश्यकता होती है, खासकर जब यह एक ऊर्जा-गहन संरचना की बात आती है।

जैसा कि ऊपर उल्लेख किया गया है, एक ठंडा सुपरकंडक्टर रेफ्रिजरेटर को संचालित करने के लिए लगातार ऊर्जा की आवश्यकता होती है, जो निश्चित रूप से एसएमईएस की समग्र दक्षता को कम करता है।

इसलिए, स्थापना को डिजाइन करते समय जिन थर्मल भारों को ध्यान में रखा जाना चाहिए उनमें शामिल हैं: सहायक संरचना की तापीय चालकता, गर्म सतहों के किनारे से थर्मल विकिरण, तारों में जूल नुकसान जिसके माध्यम से चार्जिंग और डिस्चार्जिंग धाराएं प्रवाहित होती हैं, साथ ही नुकसान भी काम करते समय फ्रिज में।

लेकिन यद्यपि ये नुकसान आम तौर पर स्थापना की नाममात्र शक्ति के समानुपाती होते हैं, एसएमईएस सिस्टम का लाभ यह है कि 100 गुना ऊर्जा क्षमता में वृद्धि के साथ, शीतलन लागत केवल 20 गुना बढ़ जाती है। इसके अलावा, उच्च तापमान सुपरकंडक्टर्स के लिए, कम तापमान सुपरकंडक्टर्स का उपयोग करते समय शीतलन बचत अधिक होती है।

ऐसा प्रतीत होता है कि एक उच्च तापमान सुपरकंडक्टर पर आधारित एक सुपरकंडक्टिंग ऊर्जा भंडारण प्रणाली को ठंडा करने की कम मांग है और इसलिए इसकी लागत कम होनी चाहिए।

व्यवहार में, हालांकि, यह मामला नहीं है, क्योंकि अधिष्ठापन अवसंरचना की कुल लागत आमतौर पर सुपरकंडक्टर की लागत से अधिक होती है, और उच्च-तापमान सुपरकंडक्टर्स के कॉइल कम तापमान वाले सुपरकंडक्टर्स के कॉइल्स की तुलना में 4 गुना अधिक महंगे होते हैं। .

इसके अलावा, उच्च तापमान वाले सुपरकंडक्टर्स के लिए सीमित वर्तमान घनत्व कम तापमान वाले लोगों की तुलना में कम है, यह 5 से 10 टी की सीमा में ऑपरेटिंग चुंबकीय क्षेत्रों पर लागू होता है।

इसलिए समान अधिष्ठापन वाली बैटरी प्राप्त करने के लिए अधिक उच्च तापमान वाले सुपरकंडक्टिंग तारों की आवश्यकता होती है। और अगर स्थापना की ऊर्जा खपत लगभग 200 मेगावाट है, तो कम तापमान वाला सुपरकंडक्टर (कंडक्टर) दस गुना अधिक महंगा हो जाएगा।

इसके अलावा, प्रमुख लागत कारकों में से एक यह है: रेफ्रिजरेटर की लागत किसी भी मामले में इतनी कम है कि उच्च तापमान वाले सुपरकंडक्टर्स का उपयोग करके शीतलन ऊर्जा को कम करने से बहुत कम प्रतिशत की बचत होती है।

पीक ऑपरेटिंग चुंबकीय क्षेत्र को बढ़ाकर एसएमईएस में संग्रहीत मात्रा को कम करना और ऊर्जा घनत्व को बढ़ाना संभव है, जिससे तार की लंबाई में कमी और समग्र लागत में कमी आएगी। इष्टतम मूल्य को लगभग 7 T का शिखर चुंबकीय क्षेत्र माना जाता है।

बेशक, यदि क्षेत्र को इष्टतम से अधिक बढ़ाया जाता है, तो लागत में न्यूनतम वृद्धि के साथ मात्रा में और कमी संभव है। लेकिन क्षतिपूर्ति सिलेंडर के लिए जगह छोड़ते समय टोरॉयड के आंतरिक हिस्सों को एक साथ लाने की असंभवता के कारण क्षेत्र प्रेरण सीमा आमतौर पर शारीरिक रूप से सीमित होती है।

एसएमई के लिए लागत प्रभावी और कुशल प्रतिष्ठान बनाने में सुपरकंडक्टिंग सामग्री एक प्रमुख मुद्दा बनी हुई है। डेवलपर्स के प्रयासों का उद्देश्य आज महत्वपूर्ण वर्तमान और सुपरकंडक्टिंग सामग्री के विरूपण की सीमा को बढ़ाने के साथ-साथ उनके उत्पादन की लागत को कम करना है।

एसएमई प्रणालियों के व्यापक परिचय के रास्ते में आने वाली तकनीकी कठिनाइयों को सारांशित करते हुए, निम्नलिखित को स्पष्ट रूप से प्रतिष्ठित किया जा सकता है। कॉइल में उत्पन्न महत्वपूर्ण लोरेंत्ज़ बल को सहन करने में सक्षम ठोस यांत्रिक समर्थन की आवश्यकता।

भूमि के एक बड़े टुकड़े की आवश्यकता, चूंकि एक एसएमई स्थापना, उदाहरण के लिए 5 GWh की क्षमता के साथ, लगभग 600 मीटर लंबाई का एक सुपरकंडक्टिंग सर्किट (परिपत्र या आयताकार) होगा। इसके अलावा, सुपरकंडक्टर के आसपास तरल नाइट्रोजन (600 मीटर लंबा) के वैक्यूम कंटेनर को भूमिगत स्थित होना चाहिए और विश्वसनीय समर्थन प्रदान किया जाना चाहिए।

अगली बाधा अतिचालक उच्च-तापमान सिरेमिक की भंगुरता है, जिससे उच्च धाराओं के लिए तारों को खींचना मुश्किल हो जाता है।सुपरकंडक्टिविटी को नष्ट करने वाला महत्वपूर्ण चुंबकीय क्षेत्र भी एसएमईएस की विशिष्ट ऊर्जा तीव्रता को बढ़ाने में एक बाधा है। उसी कारण से एनएस की गंभीर वर्तमान समस्या है।