Introducción al almacenamiento de energía magnética superconductor (PYME): Principios y aplicaciones
El artículo discute cómo se almacena la energía en los campos magnéticos a través de la inducción electromagnética y las ecuaciones relacionadas.También examina los diseños y materiales avanzados utilizados en la creación de sistemas de PYME, centrándose en bobinas toroidales y solenoidales.Estos sistemas se utilizan en diferentes entornos, desde instalaciones médicas hasta sitios industriales.El artículo proporciona una descripción detallada de los componentes, como materiales superconductores como Niobium-titanium y óxido de cobre de bario de itrio, y consideraciones de diseño importantes para configuraciones de bobinas en los sistemas de PYME.
Catalogar
Figura 1: Almacenamiento de energía magnética superconductor
¿Qué es la superconductividad?
La superconductividad es un fenómeno mecánico cuántico donde ciertos materiales conducen electricidad sin resistencia cuando se enfrían por debajo de una temperatura requerida.Incluye:
Resistencia eléctrica cero
Los superconductores permiten el flujo de corriente perpetua sin pérdida de energía en condiciones ideales, que es su característica definitoria.
Efecto de meissner
Los superconductores expulsan los campos magnéticos desde su interior cuando están en el estado superconductor.Esto se conoce como el efecto Meissner y es bueno para mantener campos magnéticos estables y eficientes en aplicaciones de PYME.
Transición de fase
La superconductividad ocurre a una temperatura específica llamada temperatura crítica.Esta temperatura es específica del material y puede variar de temperaturas casi absolutas a cero a más altas para superconductores de alta temperatura.
Figura 2:
Figura 3: Fuerza electromagnética
Mecanismo de almacenamiento de energía en un campo magnético
En los sistemas PYME, la energía se almacena en el campo magnético generado por la corriente continua en una bobina superconductor.El proceso implica:
Cuando la corriente fluye a través de la bobina superconductor, se crea un campo magnético.Según la teoría electromagnética, la energía almacenada en el campo magnético es proporcional al cuadrado de la corriente y la inductancia de la bobina.
La energía (e) almacenada puede cuantificarse por la ecuación:
donde l es la inductancia de la bobina, y yo es la corriente.El diseño de la bobina se centra en maximizar la inductancia y la capacidad actual para aumentar el almacenamiento de energía.
Para almacenar y utilizar la energía de manera efectiva, el campo magnético debe estar contenido y controlado.Esto implica geometrías complejas y ingeniería de materiales para optimizar las vías magnéticas y minimizar las pérdidas.
Componentes de un almacenamiento de energía magnética superconductor (PYME)
Las bobinas superconductoras están diseñadas para optimizar la superconductividad, lo que permite que la corriente eléctrica fluya sin resistencia.Estas bobinas se crean mediante alambre superconductor de alambre alrededor de un núcleo o que lo dan forma a un solenoide.
• Configuración de la bobina
Bobinas solenoides: estas bobinas cilíndricas generan un campo magnético uniforme en el interior y se usan en máquinas de resonancia magnética.
Bobinas toroidales: con forma de dona, estas bobinas se usan en aplicaciones como reactores de tokamak para contención de plasma en la investigación de fusión.
Figura 4: bobinas solenoides y bobinas toroidales
• Sistemas de enfriamiento
Los sistemas de enfriamiento avanzados son útiles para mantener la superconductividad.Estos sistemas usan helio líquido, nitrógeno líquido o criocooladores para mantener las bobinas a temperaturas muy por debajo de su umbral.
Materiales utilizados en bobinas superconductoras
El rendimiento de las bobinas superconductoras depende en gran medida de los materiales utilizados.Los dos tipos principales de materiales superconductores son:
• Superconductores de baja temperatura (LTS)
Niobium-titanium (NBTI): comúnmente utilizado en sistemas de resonancia magnética e instalaciones de investigación, NBTI se valora por su durabilidad y requisitos criogénicos relativamente simples.
Niobium-Tin (NB3SN): con una temperatura más alta y un umbral de campo magnético que NBTI, NB3SN es ideal para aplicaciones que necesitan campos magnéticos más fuertes.
• Superconductores de alta temperatura (HTS)
Óxido de cobre de bario ytrio (YBCO): este material funciona a temperaturas más altas que los materiales LTS, simplificando y reduciendo el costo de los sistemas de enfriamiento.
Bismuth Stroncium Calcium Cobper óxido (BSCCO): conocido por su forma de cinta, BSCCO es flexible y adecuado para bobinas con formas complejas.
Figura 5: óxido de cobre de itrio bario (YBCO) y óxido de cobre de calcio de stroncio de bismuto (BSCCO)
Proceso de conversión de energía en un sistema superconductor de almacenamiento de energía magnética
El primer paso en un sistema PYME es cambiar la corriente alterna (AC) a la corriente continua (DC) porque la bobina superconductor se ejecuta en DC.
El AC, que proviene de la cuadrícula o una planta de energía, entra en un rectificador.El trabajo del rectificador es convertir el AC, que cambia de dirección, a DC, que fluye en una dirección.Utiliza dispositivos como diodos o tiristores para hacer esto.
Después de esta conversión, el DC aún podría tener algunas ondas de AC.Para suavizarlos, usamos filtros con condensadores e inductores.Esto hace que el DC establezca, para la eficiencia y la seguridad del sistema PYME.
Con DC liso listo, el DC fluye a una bobina superconductora, que no tiene resistencia eléctrica. Esto permite que la corriente fluya sin perder energía.
La DC en la bobina crea un campo magnético fuerte a su alrededor, convirtiendo la energía eléctrica en energía magnética almacenada en este campo.
Para mantener la bobina superconductiva, la bobina se mantiene a temperaturas muy bajas utilizando refrigerantes criogénicos como helio líquido o nitrógeno. Esto es importante porque cualquier aumento de temperatura puede hacer que la bobina pierda su superconductividad, lo que lleva a la pérdida de energía.
Cuando necesitamos la energía almacenada, la energía almacenada en el campo magnético impulsa la corriente de CC en la bobina. Este DC debe volver a convertirse en AC para ser útil para la mayoría de los sistemas de energía.Un inversor hace esto cambiando la dirección de la corriente a una frecuencia que coincide con la cuadrícula de CA.
La salida de CA se sincroniza con el voltaje, la frecuencia y la fase de la cuadrícula antes de ser enviado, asegurando que funcione bien con la cuadrícula y otras cargas eléctricas.
Figura 6: Diagrama esquemático del sistema de almacenamiento de energía magnética superconductor
Diseño de sistemas superconductores de almacenamiento de energía magnética
El diseño de la bobina en los sistemas PYME requeridos para la eficiencia, el costo y la capacidad de almacenamiento de energía.Los dos diseños principales de la bobina son toroidales y solenoidales.
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Tipo de bobina |
Geometría y función |
Ventajas |
Desventajas |
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Bobinas toroidales |
En forma de rosquilla, diseñado para mantener casi todos
El campo magnético dentro de la bobina, minimizando la fuga.Esta forma ayuda
Reduzca las fuerzas electromagnéticas que actúan sobre la estructura de la bobina. |
Contención de campo magnético: el magnético
El campo permanece dentro de la bobina, lo que lleva a campos magnéticos más bajos. |
Complejidad de fabricación: construcción
Las formas toroidales son complejas y costosas. |
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Seguridad: este diseño es más seguro y reduce la interferencia
con dispositivos electrónicos cercanos y otros equipos sensibles. |
Desafíos de mantenimiento: acceder al
Las partes internas de estas bobinas son difíciles, lo que complica el mantenimiento y
inspección. |
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Bobinas solenoidales |
Cilíndrico, con corriente corriendo a lo largo
la longitud del cilindro.Este diseño es más simple y sencillo
que la configuración toroidal. |
Facilidad de fabricación: las bobinas solenoidales son
Más fácil y menos costoso de producir debido a su simple geometría. Accesibilidad de mantenimiento: el diseño abierto los hace más fáciles para mantener e inspeccionar. |
Fuga de campo magnético: el magnético
fugas de campo en ambos extremos del cilindro, lo que puede afectar la electrónica cercana
dispositivos y requieren blindaje adicional. |
Factores que influyen en la elección del diseño de la bobina
Figura 7: bobina solenoidal y bobina toroidal
Aplicación prevista: la aplicación dicta la elección de la bobina.Por ejemplo, se prefieren las bobinas toroidales cuando se debe minimizar la interferencia electromagnética, como en instalaciones médicas o equipos científicos casi sensibles.
Requisitos de almacenamiento de energía: la cantidad de energía a almacenar afecta el diseño de la bobina.Las bobinas solenoidales pueden adaptarse a aplicaciones a menor escala debido a su rentabilidad, mientras que las bobinas toroidales pueden usarse para un almacenamiento más grande a escala industrial debido a la eficiencia y la mínima fuga magnética.
Espacio y restricciones ambientales: el espacio físico disponible y las condiciones ambientales son consideraciones principales.Las bobinas toroidales, con su campo magnético compacto y cerrado, son más adecuados para espacios confinados o áreas pobladas.
Restricciones presupuestarias: Limitaciones del presupuesto Elección de diseño de la bobina de impacto.Las bobinas solenoidales son menos costosas y pueden preferirse en proyectos sensibles a los costos.
Mantenimiento y consideraciones operativas: la facilidad de mantenimiento y la confiabilidad operativa son importantes.Las bobinas solenoidales, que ofrecen un acceso más fácil para el mantenimiento y la inspección, pueden ser un factor decisivo en su selección.
Ventajas de los sistemas superconductores de almacenamiento de energía magnética
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Ventaja |
Descripción |
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Tiempos de respuesta de alta eficiencia y rápidos |
Los sistemas PYME alcanzan más del 95% de eficiencia
Al almacenar energía en una bobina superconductor con casi cero resistencia.Ellos
puede responder a los cambios de demanda de energía en milisegundos. |
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Impacto ambiental y estabilidad |
Estos sistemas son ecológicos, emitiendo
No hay gases de efecto invernadero o utilizando materiales tóxicos.Mantienen estables
rendimiento independientemente de condiciones externas como la temperatura o el clima. |
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Confiabilidad y longevidad |
Los sistemas PYME no tienen piezas móviles y usan
materiales superconductores duraderos, lo que resulta en menos desgaste y más bajo
Costos de mantenimiento durante su larga vida útil. |
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Escalabilidad y versatilidad |
Capaz de almacenar energía de unos pocos
Kilowatt-Hours a varios megavatios-hora, las unidades de PYME son flexibles para varios
aplicaciones y se pueden instalar en entornos diversos con mínimo
Modificaciones. |
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Apoyando la red y la energía renovable |
Ayudan a regular el voltaje, se estabilizan
frecuencia y salida suave de fuentes renovables, mejorando la red
confiabilidad y respaldo de una mayor integración de la energía renovable. |
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Rentabilidad a largo plazo |
A pesar de los altos costos iniciales, las PYME
Los sistemas tienen bajos gastos operativos y de mantenimiento, lo que los hace
rentable a largo plazo, especialmente en aplicaciones específicas. |
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Seguridad y seguridad |
Los sistemas de las PYME evitan los riesgos de
explosiones o fugas tóxicas asociadas con soluciones de almacenamiento químico, haciendo
ellos más seguros para diferentes entornos, incluidas las áreas urbanas. |
Aplicaciones del almacenamiento de energía magnética superconductor
Figura 8: Sistema de transmisión de CA flexible, una de las principales aplicaciones del almacenamiento de energía magnética superconductor
Hospitales
Los hospitales confían en una fuente de alimentación ininterrumpida (UPS) para mantener en funcionamiento de equipos y sistemas de atención que salvan vidas.Los sistemas SME proporcionan una solución UPS confiable al liberar instantáneamente la energía almacenada durante las fallas de energía, minimizando las interrupciones operativas.También mantienen una regulación de energía de alta calidad, lo que protege a los equipos médicos sensibles de las pequeñas fluctuaciones de energía.
Centros de datos
Los centros de datos, que administran grandes cantidades de información digital, son altamente sensibles a los problemas de calidad de potencia.Los sistemas de PYME son ideales para proteger contra perturbaciones de potencia de corta duración como caídas de voltaje y sobretensiones.Al integrar las PYME, los centros de datos pueden garantizar un funcionamiento continuo de servidores y equipos de redes, manteniendo la disponibilidad e integridad del servicio de datos.
Integración de energía renovable
Las fuentes de energía renovables como el eólico y la solar introducen la variabilidad en la generación de energía debido a las condiciones climáticas.Los sistemas PYME estabilizan la cuadrícula absorbiendo rápidamente el exceso de electricidad durante los altos períodos de producción y liberando energía durante la baja producción, suavizando las fluctuaciones y mejorando la estabilidad de la red.
Estaciones de carga de vehículos eléctricos
Con la creciente adopción de vehículos eléctricos (EV), aumenta la demanda de soluciones de carga eficientes y rápidas.Los sistemas de las PYME en las estaciones de carga EV gestionan las demandas de carga almacenando energía durante los tiempos de menor actividad y liberándola durante la demanda máxima.Esto reduce la tensión en la red eléctrica y permite tiempos de carga más rápidos.
Aplicaciones industriales
Las industrias que requieren ráfagas repentinas de energía se benefician de los sistemas de PYME.Estos sistemas proporcionan la energía correcta sin basarse en gran medida en la red, la necesidad en la fabricación para un control preciso de la maquinaria y mantener la calidad del producto.
Militar y aeroespacial
Las bases militares y las operaciones aeroespaciales requieren energía confiable y de alta calidad.Los sistemas SME ofrecen una fuente de alimentación de respuesta rápida que garantiza operaciones ininterrumpidas y respalde las altas demandas de energía de tecnología y equipos avanzados en estos sectores.
Sistemas de transporte de masas
Las redes ferroviarias y los sistemas de tránsito urbano mejoran la eficiencia energética y la confiabilidad con las PYME.Estas unidades manejan la energía producida durante el frenado y la redistribuyen de manera eficiente, mejorando la eficiencia energética general del sistema de tránsito.
Conclusión
El artículo explora los sistemas superconductores de almacenamiento de energía magnética (PYME), destacando su potencial como una tecnología revolucionaria de almacenamiento de energía.Los sistemas de las PYME ofrecen alta eficiencia, tiempos de respuesta rápidos y bajo impacto ambiental, lo que los convierte en una solución para los desafíos energéticos actuales.El artículo cubre su uso en varios campos, incluida la atención médica, la energía renovable y el transporte, que muestra su versatilidad y escalabilidad.A medida que el mundo avanza hacia las soluciones de energía sostenible, la tecnología de las PYME se destaca para mejorar la resiliencia de energía global.Desarrollos continuos en las PYME para integrar fuentes de energía renovables, mejorando la estabilidad y la eficiencia de la infraestructura de energía global.
Preguntas frecuentes [Preguntas frecuentes]
1. ¿Cómo un campo magnético almacena energía?
Un campo magnético almacena energía a través de la alineación y movimiento de dipolos magnéticos o partículas cargadas.Cuando una corriente eléctrica pasa a través de una bobina de alambre, crea un campo magnético alrededor de la bobina.Este campo magnético es capaz de almacenar energía debido al trabajo realizado para establecer el campo.Específicamente, se requiere energía para alinear los momentos magnéticos de los átomos en un material, que a su vez crea un campo que puede ejercer fuerzas y trabajar en otros objetos.La energía almacenada en un campo magnético es directamente proporcional al cuadrado de la intensidad del campo.
2. ¿Qué dispositivo almacena energía en un campo magnético?
El dispositivo que almacena energía en un campo magnético es un inductor o una bobina magnética.Los inductores consisten en bobinas de alambre, a menudo envueltas alrededor de un núcleo magnético, lo que mejora la resistencia del campo magnético.Cuando la corriente fluye a través de la bobina, se acumula un campo magnético y se almacena energía en este campo.La capacidad de un inductor para almacenar energía magnética se usa en muchos circuitos electrónicos, en tecnologías de suministro de energía y conversión.
3. ¿Qué tan eficiente es superconducir el almacenamiento de energía magnética?
Los sistemas superconductores de almacenamiento de energía magnética (PYME) son altamente eficientes, lo que alcanza la eficiencia energética de ida y vuelta del 90% al 95%.Estos sistemas utilizan bobinas superconductoras que pueden llevar a la electricidad sin resistencia a temperaturas muy bajas.La falta de resistencia eléctrica significa que casi no se pierde energía como calor, lo que mejora la eficiencia del almacenamiento de energía.Los sistemas de PYME se valoran por su capacidad para liberar energía almacenada casi instantáneamente, lo que es bueno para aplicaciones que requieren descargas rápidas, como estabilizar las redes eléctricas durante la demanda máxima.
4. ¿Es la energía magnética una tienda o transferencia?
La energía magnética es una forma de almacenamiento de energía.La energía se almacena en el campo magnético creado por el movimiento de las cargas eléctricas, en una bobina.Cuando sea necesario, esta energía almacenada se puede convertir en energía eléctrica o usarse para realizar trabajos mecánicos, transfiriendo así la energía del campo magnético a otra forma.Sin embargo, el papel principal de la energía magnética en dispositivos como inductores o sistemas de PYME es almacenar energía.
5. ¿Cuál es un ejemplo de una tienda de energía magnética?
Un ejemplo de una tienda de energía magnética es el sistema de almacenamiento de energía del volante, que, aunque principalmente mecánico, a menudo incorpora componentes magnéticos para el almacenamiento y estabilización de energía.Estos sistemas utilizan un volante mecánico giratorio cuyo movimiento genera un campo magnético, en versiones que usan rodamientos magnéticos para reducir la pérdida de fricción y energía.Esta interacción entre las energías mecánicas y magnéticas permite que el sistema del volante almacene la energía de manera eficiente y la libere rápidamente cuando sea necesario, lo que lo convierte en una aplicación práctica del almacenamiento de energía magnética en formas mecánicas y eléctricas.