సూపర్ కండక్టింగ్ మాగ్నెటిక్ ఎనర్జీ స్టోరేజ్ సిస్టమ్స్ (SMES)

శక్తి నిల్వ అనేది శక్తిని నిల్వ చేసే పరికరాలు లేదా భౌతిక మాధ్యమాలతో జరిగే ప్రక్రియ, తద్వారా వారు దానిని తర్వాత సమర్థవంతంగా ఉపయోగించుకోవచ్చు.

శక్తి నిల్వ వ్యవస్థలను మెకానికల్, ఎలక్ట్రికల్, కెమికల్ మరియు థర్మల్‌గా విభజించవచ్చు. ఆధునిక శక్తి నిల్వ సాంకేతికతలలో ఒకటి SMES వ్యవస్థలు — సూపర్ కండక్టింగ్ మాగ్నెటిక్ ఎనర్జీ స్టోరేజ్ (సూపర్ కండక్టింగ్ మాగ్నెటిక్ ఎనర్జీ స్టోరేజ్ సిస్టమ్స్).

సూపర్ కండక్టింగ్ మాగ్నెటిక్ ఎనర్జీ స్టోరేజ్ (SMES) సిస్టమ్‌లు ఒక సూపర్ కండక్టింగ్ కాయిల్‌లో డైరెక్ట్ కరెంట్ ప్రవాహం ద్వారా సృష్టించబడిన అయస్కాంత క్షేత్రంలో శక్తిని నిల్వ చేస్తాయి, ఇది క్రయోజెనిక్‌గా దాని క్లిష్టమైన సూపర్ కండక్టింగ్ ఉష్ణోగ్రత కంటే తక్కువ ఉష్ణోగ్రతకు చల్లబడుతుంది. సూపర్ కండక్టింగ్ కాయిల్ ఛార్జ్ అయినప్పుడు, కరెంట్ తగ్గదు మరియు అయస్కాంత శక్తిని నిరవధికంగా నిల్వ చేయవచ్చు. కాయిల్‌ను విడుదల చేయడం ద్వారా నిల్వ చేయబడిన శక్తిని గ్రిడ్‌కు తిరిగి ఇవ్వవచ్చు.

సూపర్ కండక్టింగ్ మాగ్నెటిక్ ఎనర్జీ స్టోరేజ్ సిస్టమ్ డైరెక్ట్ కరెంట్ ప్రవాహం ద్వారా ఉత్పన్నమయ్యే అయస్కాంత క్షేత్రంపై ఆధారపడి ఉంటుంది. సూపర్ కండక్టింగ్ కాయిల్‌లో.

సూపర్ కండక్టింగ్ కాయిల్ నిరంతరం క్రయోజెనిక్‌గా చల్లబడుతుంది, దీని ఫలితంగా ఇది నిరంతరం క్లిష్టమైన ఉష్ణోగ్రత కంటే తక్కువగా ఉంటుంది, అనగా. సూపర్ కండక్టర్… కాయిల్‌తో పాటు, SMES సిస్టమ్‌లో క్రయోజెనిక్ రిఫ్రిజిరేటర్ అలాగే ఎయిర్ కండిషనింగ్ సిస్టమ్ ఉంటుంది.

ముగింపు ఏమిటంటే, సూపర్ కండక్టింగ్ స్థితిలో ఉన్న చార్జ్డ్ కాయిల్ దానికదే నిరంతర ప్రవాహాన్ని కొనసాగించగలదు, తద్వారా ఇచ్చిన కరెంట్ యొక్క అయస్కాంత క్షేత్రం దానిలో నిల్వ చేయబడిన శక్తిని అనంతమైన కాలం పాటు నిల్వ చేయగలదు.

సూపర్ కండక్టింగ్ కాయిల్‌లో నిల్వ చేయబడిన శక్తి, అవసరమైతే, అటువంటి కాయిల్ యొక్క ఉత్సర్గ సమయంలో నెట్‌వర్క్‌కు సరఫరా చేయబడుతుంది. DC పవర్‌ని AC పవర్‌గా మార్చడానికి, ఇన్వర్టర్లు, మరియు నెట్వర్క్ నుండి కాయిల్ ఛార్జింగ్ కోసం - రెక్టిఫైయర్లు లేదా AC-DC కన్వర్టర్లు.

ఒక దిశలో లేదా మరొక దిశలో శక్తి యొక్క అత్యంత సమర్థవంతమైన మార్పిడి ప్రక్రియలో, SMEలో నష్టాలు గరిష్టంగా 3% ప్రాతినిధ్యం వహిస్తాయి, అయితే ఇక్కడ చాలా ముఖ్యమైన విషయం ఏమిటంటే, ఈ పద్ధతి ద్వారా శక్తి నిల్వ ప్రక్రియలో, నష్టాలు అంతర్లీనంగా ఉంటాయి. శక్తి నిల్వ మరియు నిల్వ కోసం ప్రస్తుతం తెలిసిన ఏదైనా పద్ధతులు. SMEల మొత్తం కనీస సామర్థ్యం 95%.

సూపర్ కండక్టింగ్ మెటీరియల్స్ యొక్క అధిక ధర మరియు శీతలీకరణకు శక్తి ఖర్చులు కూడా అవసరమనే వాస్తవాన్ని పరిగణనలోకి తీసుకుంటే, SMES వ్యవస్థలు ప్రస్తుతం తక్కువ సమయం పాటు శక్తిని నిల్వ చేయడానికి మరియు అదే సమయంలో విద్యుత్ సరఫరా నాణ్యతను మెరుగుపరచడానికి అవసరమైన చోట మాత్రమే ఉపయోగించబడుతున్నాయి. . అంటే, వారు సాంప్రదాయకంగా అత్యవసరమైన సందర్భాలలో మాత్రమే ఉపయోగిస్తారు.

SME వ్యవస్థ క్రింది భాగాలను కలిగి ఉంటుంది:

• సూపర్ కండక్టింగ్ కాయిల్,
• క్రియోస్టాట్ మరియు వాక్యూమ్ సిస్టమ్,
• శీతలీకరణ వ్యవస్థ,
• శక్తి మార్పిడి వ్యవస్థ,
• నియంత్రణ పరికరం.

SME వ్యవస్థల యొక్క ప్రధాన ప్రయోజనాలు స్పష్టంగా ఉన్నాయి. అన్నింటిలో మొదటిది, ఇది చాలా తక్కువ సమయం, ఈ సమయంలో సూపర్ కండక్టింగ్ కాయిల్ దాని అయస్కాంత క్షేత్రంలో నిల్వ చేయబడిన శక్తిని అంగీకరించగలదు లేదా వదులుకోగలదు. ఈ విధంగా, భారీ తక్షణ ఉత్సర్గ శక్తులను పొందడం మాత్రమే కాకుండా, అతి తక్కువ సమయం ఆలస్యంతో సూపర్ కండక్టింగ్ కాయిల్‌ను రీఛార్జ్ చేయడం కూడా సాధ్యమవుతుంది.

మేము SMEని కంప్రెస్డ్ ఎయిర్ స్టోరేజ్ సిస్టమ్‌లతో, ఫ్లైవీల్స్ మరియు హైడ్రాలిక్ అక్యుమ్యులేటర్‌లతో పోల్చినట్లయితే, రెండోది విద్యుత్‌ను మెకానికల్‌గా మరియు వైస్ వెర్సాగా మార్చే సమయంలో భారీ జాప్యం ద్వారా వర్గీకరించబడుతుంది (చూడండి — ఫ్లైవీల్ శక్తి నిల్వ).

కదిలే భాగాలు లేకపోవడం SMES వ్యవస్థల యొక్క మరొక ముఖ్యమైన ప్రయోజనం, ఇది వారి విశ్వసనీయతను పెంచుతుంది. మరియు, వాస్తవానికి, సూపర్ కండక్టర్‌లో క్రియాశీల నిరోధకత లేకపోవడం వల్ల, ఇక్కడ నిల్వ నష్టాలు తక్కువగా ఉంటాయి. SMES యొక్క నిర్దిష్ట శక్తి సాధారణంగా 1 మరియు 10 Wh/kg మధ్య ఉంటుంది.

1 MWh SMESలు అత్యధిక నాణ్యత గల విద్యుత్ అవసరమయ్యే మైక్రోఎలక్ట్రానిక్స్ ఫ్యాక్టరీల వంటి అవసరమైన చోట విద్యుత్ నాణ్యతను మెరుగుపరచడానికి ప్రపంచవ్యాప్తంగా ఉపయోగించబడుతున్నాయి.

అదనంగా, SMEలు యుటిలిటీలలో కూడా ఉపయోగపడతాయి. కాబట్టి, USA రాష్ట్రంలోని ఒకదానిలో ఒక కాగితం కర్మాగారం ఉంది, దాని ఆపరేషన్ సమయంలో విద్యుత్ లైన్లలో బలమైన పెరుగుదలను కలిగిస్తుంది. నేడు, కర్మాగారం యొక్క పవర్ లైన్ మొత్తం SMES మాడ్యూల్‌లతో అమర్చబడి ఉంది, ఇది పవర్ గ్రిడ్ యొక్క స్థిరత్వానికి హామీ ఇస్తుంది. 20 MWh సామర్థ్యం కలిగిన ఒక SMES మాడ్యూల్ రెండు గంటలకు 10 MW లేదా అరగంటకు మొత్తం 40 MWలను స్థిరంగా అందించగలదు.

సూపర్ కండక్టింగ్ కాయిల్ ద్వారా నిల్వ చేయబడిన శక్తి మొత్తాన్ని క్రింది సూత్రాన్ని ఉపయోగించి లెక్కించవచ్చు (ఇక్కడ L ఇండక్టెన్స్, E అనేది శక్తి, I అనేది ప్రస్తుతము):

సూపర్ కండక్టింగ్ కాయిల్ యొక్క స్ట్రక్చరల్ కాన్ఫిగరేషన్ దృక్కోణం నుండి, ఇది వైకల్యానికి నిరోధకతను కలిగి ఉండటం, ఉష్ణ విస్తరణ మరియు సంకోచం యొక్క కనీస సూచికలను కలిగి ఉండటం మరియు లోరెంజ్ శక్తికి తక్కువ సున్నితత్వాన్ని కలిగి ఉండటం చాలా ముఖ్యం, ఇది అనివార్యంగా ఉత్పన్నమవుతుంది. సంస్థాపన యొక్క ఆపరేషన్ (ఎలక్ట్రోడైనమిక్స్ యొక్క అత్యంత ముఖ్యమైన చట్టాలు) సంస్థాపన యొక్క లక్షణాలు మరియు నిర్మాణ సామగ్రి మొత్తాన్ని లెక్కించే దశలో వైండింగ్ యొక్క నాశనాన్ని నివారించడానికి ఇవన్నీ ముఖ్యమైనవి.

చిన్న వ్యవస్థల కోసం, 0.3% మొత్తం స్ట్రెయిన్ రేటు ఆమోదయోగ్యమైనదిగా పరిగణించబడుతుంది. అదనంగా, కాయిల్ యొక్క టొరాయిడల్ జ్యామితి బాహ్య అయస్కాంత శక్తుల తగ్గింపుకు దోహదపడుతుంది, ఇది సహాయక నిర్మాణం యొక్క వ్యయాన్ని తగ్గించడం సాధ్యం చేస్తుంది మరియు సంస్థాపనను లోడ్ వస్తువులకు దగ్గరగా ఉంచడానికి కూడా అనుమతిస్తుంది.

SMES ఇన్‌స్టాలేషన్ చిన్నదైతే, సోలనోయిడ్ కాయిల్ కూడా అనుకూలంగా ఉండవచ్చు, దీనికి టొరాయిడ్ వలె కాకుండా ప్రత్యేక మద్దతు నిర్మాణం అవసరం లేదు. అయినప్పటికీ, టొరాయిడల్ కాయిల్‌కు ప్రెస్ హోప్స్ మరియు డిస్క్‌లు అవసరమని గమనించాలి, ప్రత్యేకించి ఇది శక్తి-ఇంటెన్సివ్ నిర్మాణం విషయానికి వస్తే.

పైన పేర్కొన్నట్లుగా, కూల్డ్ సూపర్ కండక్టర్ రిఫ్రిజిరేటర్‌కు నిరంతరం పనిచేయడానికి శక్తి అవసరం, ఇది SMES యొక్క మొత్తం సామర్థ్యాన్ని తగ్గిస్తుంది.

కాబట్టి, ఇన్‌స్టాలేషన్‌ను రూపొందించేటప్పుడు పరిగణనలోకి తీసుకోవలసిన థర్మల్ లోడ్‌లు: సహాయక నిర్మాణం యొక్క ఉష్ణ వాహకత, వేడిచేసిన ఉపరితలాల వైపు నుండి థర్మల్ రేడియేషన్, ఛార్జింగ్ మరియు డిశ్చార్జింగ్ ప్రవాహాలు ప్రవహించే వైర్లలో జూల్ నష్టాలు, అలాగే నష్టాలు పని చేస్తున్నప్పుడు ఫ్రిజ్‌లో.

అయితే ఈ నష్టాలు సాధారణంగా ఇన్‌స్టాలేషన్ యొక్క నామమాత్రపు శక్తికి అనులోమానుపాతంలో ఉన్నప్పటికీ, SMES వ్యవస్థల ప్రయోజనం 100 రెట్లు శక్తి సామర్థ్యం పెరుగుదలతో, శీతలీకరణ ఖర్చులు 20 సార్లు మాత్రమే పెరుగుతాయి. అదనంగా, అధిక-ఉష్ణోగ్రత సూపర్ కండక్టర్ల కోసం, తక్కువ-ఉష్ణోగ్రత సూపర్ కండక్టర్లను ఉపయోగిస్తున్నప్పుడు కంటే శీతలీకరణ పొదుపులు ఎక్కువగా ఉంటాయి.

అధిక-ఉష్ణోగ్రత సూపర్ కండక్టర్‌పై ఆధారపడిన సూపర్ కండక్టింగ్ ఎనర్జీ స్టోరేజ్ సిస్టమ్ శీతలీకరణపై తక్కువ డిమాండ్‌ను కలిగి ఉంది మరియు అందువల్ల తక్కువ ఖర్చు చేయాల్సి ఉంటుంది.

అయితే ఆచరణలో, ఇది అలా కాదు, ఎందుకంటే ఇన్‌స్టాలేషన్ అవస్థాపన మొత్తం ఖర్చు సాధారణంగా సూపర్ కండక్టర్ ధరను మించిపోతుంది మరియు అధిక-ఉష్ణోగ్రత సూపర్ కండక్టర్ల కాయిల్స్ తక్కువ-ఉష్ణోగ్రత సూపర్ కండక్టర్ల కాయిల్స్ కంటే 4 రెట్లు ఎక్కువ ఖరీదైనవి. .

అదనంగా, అధిక-ఉష్ణోగ్రత సూపర్ కండక్టర్ల కోసం పరిమితం చేసే ప్రస్తుత సాంద్రత తక్కువ-ఉష్ణోగ్రత కంటే తక్కువగా ఉంటుంది, ఇది 5 నుండి 10 T పరిధిలో పనిచేసే అయస్కాంత క్షేత్రాలకు వర్తిస్తుంది.

కాబట్టి అదే ఇండక్టెన్స్‌తో బ్యాటరీలను పొందడానికి, ఎక్కువ అధిక-ఉష్ణోగ్రత సూపర్ కండక్టింగ్ వైర్లు అవసరం. మరియు సంస్థాపన యొక్క శక్తి వినియోగం సుమారు 200 MWh అయితే, తక్కువ-ఉష్ణోగ్రత సూపర్ కండక్టర్ (కండక్టర్) పది రెట్లు ఎక్కువ ఖరీదైనదిగా మారుతుంది.

అదనంగా, ముఖ్య వ్యయ కారకాలలో ఇది ఒకటి: రిఫ్రిజిరేటర్ యొక్క ధర ఏ సందర్భంలోనైనా చాలా తక్కువగా ఉంటుంది, అధిక-ఉష్ణోగ్రత సూపర్ కండక్టర్లను ఉపయోగించడం ద్వారా శీతలీకరణ శక్తిని తగ్గించడం వలన చాలా తక్కువ శాతం ఆదా అవుతుంది.

పీక్ ఆపరేటింగ్ మాగ్నెటిక్ ఫీల్డ్‌ను పెంచడం ద్వారా SMESలో నిల్వ చేయబడిన వాల్యూమ్‌ను తగ్గించడం మరియు శక్తి సాంద్రతను పెంచడం సాధ్యమవుతుంది, ఇది వైర్ పొడవులో తగ్గింపు మరియు మొత్తం ఖర్చులో తగ్గింపు రెండింటికి దారి తీస్తుంది. సరైన విలువ సుమారు 7 T గరిష్ట అయస్కాంత క్షేత్రంగా పరిగణించబడుతుంది.

వాస్తవానికి, ఫీల్డ్ వాంఛనీయ స్థాయికి మించి పెరిగితే, ఖర్చులో కనిష్ట పెరుగుదలతో వాల్యూమ్‌లో మరింత తగ్గింపులు సాధ్యమవుతాయి. కానీ ఫీల్డ్ ఇండక్షన్ పరిమితి సాధారణంగా భౌతికంగా పరిమితం చేయబడింది, పరిహార సిలిండర్ కోసం స్థలాన్ని వదిలివేసేటప్పుడు టొరాయిడ్ యొక్క అంతర్గత భాగాలను ఒకచోట చేర్చడం అసంభవం.

SMEల కోసం ఖర్చుతో కూడుకున్న మరియు సమర్థవంతమైన ఇన్‌స్టాలేషన్‌లను రూపొందించడంలో సూపర్ కండక్టింగ్ మెటీరియల్ కీలక సమస్యగా మిగిలిపోయింది. ఈరోజు డెవలపర్ల ప్రయత్నాలు క్రిటికల్ కరెంట్ మరియు సూపర్ కండక్టింగ్ మెటీరియల్స్ యొక్క వైకల్యం యొక్క పరిధిని పెంచడం, అలాగే వాటి ఉత్పత్తి వ్యయాన్ని తగ్గించడం లక్ష్యంగా పెట్టుకున్నాయి.

SME వ్యవస్థలను విస్తృతంగా ప్రవేశపెట్టే మార్గంలో సాంకేతిక ఇబ్బందులను సంగ్రహించడం, క్రింది వాటిని స్పష్టంగా గుర్తించవచ్చు. కాయిల్‌లో ఉత్పన్నమయ్యే ముఖ్యమైన లోరెంజ్ శక్తిని తట్టుకోగల ఘనమైన యాంత్రిక మద్దతు అవసరం.

ఒక SME ఇన్‌స్టాలేషన్ నుండి పెద్ద మొత్తం భూమి అవసరం, ఉదాహరణకు 5 GWh సామర్థ్యంతో, సుమారు 600 మీటర్ల పొడవు గల సూపర్ కండక్టింగ్ సర్క్యూట్ (వృత్తాకార లేదా దీర్ఘచతురస్రాకారం) ఉంటుంది. అదనంగా, సూపర్ కండక్టర్ చుట్టూ ఉన్న ద్రవ నైట్రోజన్ (600 మీటర్ల పొడవు) వాక్యూమ్ కంటైనర్ తప్పనిసరిగా భూగర్భంలో ఉండాలి మరియు నమ్మకమైన మద్దతు అందించాలి.

తదుపరి అడ్డంకి అధిక-ఉష్ణోగ్రత సిరామిక్స్ యొక్క సూపర్ కండక్టింగ్ యొక్క పెళుసుదనం, ఇది అధిక ప్రవాహాల కోసం వైర్లను గీయడం కష్టతరం చేస్తుంది.సూపర్ కండక్టివిటీని నాశనం చేసే క్లిష్టమైన అయస్కాంత క్షేత్రం కూడా SMES యొక్క నిర్దిష్ట శక్తి తీవ్రతను పెంచడానికి అడ్డంకిగా ఉంది. అదే కారణంతో NSకి క్లిష్టమైన కరెంట్ సమస్య ఉంది.