Introduction au stockage d'énergie magnétique supraconductrice (PME): principes et applications

L'article discute de la façon dont l'énergie est stockée dans les champs magnétiques par l'induction électromagnétique et les équations connexes.Il examine également les conceptions et les matériaux avancés utilisés pour créer des systèmes PME, en se concentrant sur les bobines toroïdales et solénoïdales.Ces systèmes sont utilisés dans différents contextes, des installations médicales aux sites industriels.L'article donne un aperçu détaillé des composants, tels que des matériaux supraconducteurs comme le niobium-titanium et l'oxyde de cuivre barium Yttrium, et des considérations de conception importantes pour les configurations de bobine dans les systèmes PME.

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Figure 1: stockage d'énergie magnétique supraconductrice

Qu'est-ce que la supraconductivité?

La supraconductivité est un phénomène mécanique quantique où certains matériaux conduisent l'électricité sans résistance lorsqu'ils sont refroidis en dessous d'une température requise.Il comprend:

Résistance électrique zéro

Les supraconducteurs permettent un flux de courant perpétuel sans perte d'énergie dans des conditions idéales, ce qui est leur caractéristique déterminante.

Effet Meissner

Les supraconducteurs expulsent les champs magnétiques de leur intérieur lorsqu'ils sont dans l'état supraconducteur.Ceci est connu comme l'effet Meissner et bon pour maintenir des champs magnétiques stables et efficaces dans les applications PME.

Transition de phase

La supraconductivité se produit à une température spécifique appelée température critique.Cette température est spécifique au matériau et peut aller de zéro presque absolu à des températures plus élevées pour les supraconducteurs à haute température.

Figure 2:

Figure 3: force électromagnétique

Mécanisme de stockage d'énergie dans un champ magnétique

Dans les systèmes PME, l'énergie est stockée dans le champ magnétique généré par le courant direct dans une bobine supraconductrice.Le processus implique:

Lorsque le courant traverse la bobine supraconductrice, un champ magnétique est créé.Selon la théorie électromagnétique, l'énergie stockée dans le champ magnétique est proportionnelle au carré du courant et à l'inductance de la bobine.

L'énergie (e) stockée peut être quantifiée par l'équation:

où l est l'inductance de la bobine, et i est le courant.La conception de la bobine se concentre sur la maximisation de l'inductance et de la capacité de courant pour augmenter le stockage d'énergie.

Pour stocker et utiliser efficacement l'énergie, le champ magnétique doit être contenu et contrôlé.Cela implique des géométries complexes et de l'ingénierie des matériaux pour optimiser les voies magnétiques et minimiser les pertes.

Composants d'un stockage d'énergie magnétique supraconductrice (PME)

Des bobines supraconductrices sont conçues pour optimiser la supraconductivité, ce qui permet au courant électrique de s'écouler sans résistance.Ces bobines sont créées en enroulant un fil supraconducteur autour d'un noyau ou en le transformant en solénoïde.

• Configuration de la bobine

Bobines de solénoïde - Ces bobines cylindriques génèrent un champ magnétique uniforme à l'intérieur et sont utilisés dans les machines IRM.

Bobines toroïdales - en forme de beignet, ces bobines sont utilisées dans des applications comme les réacteurs Tokamak pour le confinement du plasma dans la recherche de fusion.

Figure 4: Bobines de solénoïde et bobines toroïdales

• Systèmes de refroidissement

Les systèmes de refroidissement avancés sont utiles pour maintenir la supraconductivité.Ces systèmes utilisent l'hélium liquide, l'azote liquide ou les cryocoolers pour maintenir les bobines à des températures bien en dessous de leur seuil.

Matériaux utilisés dans les bobines supraconductrices

Les performances des bobines supraconductrices dépend fortement des matériaux utilisés.Les deux principaux types de matériaux supraconducteurs sont:

• Superconducteurs à basse température (LTS)

Niobium-Titanium (NBTI): couramment utilisé dans les systèmes d'IRM et les installations de recherche, le NBTI est évalué pour sa durabilité et ses exigences cryogéniques relativement simples.

Niobium-Tin (NB3SN): Avec une température plus élevée et un seuil de champ magnétique que NBTI, NB3SN est idéal pour les applications nécessitant des champs magnétiques plus forts.

• Superconducteurs à haute température (HTS)

Yttrium Barium cuivre oxyde (YBCO): Ce matériau fonctionne à des températures plus élevées que les matériaux LTS, simplifiant et réduisant le coût des systèmes de refroidissement.

Bismuth Strontium Calcium Copper Oxyde (BSCCO): connu pour sa forme de ruban, BSCCO est flexible et adapté aux bobines avec des formes complexes.

Figure 5: Oxyde de cuivre barium Yttrium (YBCO) et Bismuth Strontium Calcium Copper Oxyde (BSCCO)

Processus de conversion d'énergie dans un système de stockage magnétique d'énergie magnétique

La première étape d'un système de PME modifie le courant alternatif (AC) pour diriger le courant (DC) car la bobine supraconductrice s'exécute sur DC.

L'AC, qui provient de la grille ou d'une centrale électrique, va dans un redresseur.Le travail du redresseur consiste à transformer l'AC, qui change la direction, en DC, qui coule dans une direction.Il utilise des appareils comme les diodes ou les thyristors pour ce faire.

Après cette conversion, le DC pourrait encore avoir des ondulations de type AC.Pour les lisser, nous utilisons des filtres avec des condensateurs et des inductances.Cela rend le DC stable, pour l'efficacité et la sécurité du système des PME.

Avec un DC lisse prêt, le CC s'écoule dans une bobine supraconductrice, qui n'a pas de résistance électrique. Cela permet au courant de s'écouler sans perdre de l'énergie.

Le DC dans la bobine crée un champ magnétique fort autour de lui, convertissant l'énergie électrique en énergie magnétique stockée dans ce champ.

Pour garder la bobine supraconductrice, la bobine est maintenue à des températures très basses en utilisant des refroidisseurs cryogéniques comme l'hélium liquide ou l'azote. Ceci est important car toute augmentation de la température peut faire perdre la bobine à perdre sa supraconductivité, entraînant une perte d'énergie.

Lorsque nous avons besoin de l'énergie stockée, l'énergie stockée dans le champ magnétique entraîne le courant CC dans la bobine. Ce DC doit être transformé en AC pour être utile pour la plupart des systèmes d'alimentation.Un onduleur le fait en modifiant la direction du courant à une fréquence correspondant à la grille AC.

La sortie CA est synchronisée avec la tension, la fréquence et la phase de la grille avant d'être envoyées, garantissant qu'il fonctionne bien avec la grille et d'autres charges électriques.

Figure 6: Diagramme schématique du système de stockage d'énergie magnétique supraconducteur

Conception de systèmes de stockage d'énergie magnétique supraconductrice

La conception de la bobine dans les systèmes PME requis pour l'efficacité, le coût et la capacité de stockage d'énergie.Les deux conceptions de bobines principales sont toroïdales et solénoïdales.

Type de bobine	Géométrie et fonction	Avantages	Désavantage
Bobines toroïdales	En forme de beignet, conçu pour garder presque tous Le champ magnétique à l'intérieur de la bobine, minimisant les fuites.Cette forme aide Réduisez les forces électromagnétiques agissant sur la structure de la bobine.	Contintement du champ magnétique: le magnétique Le champ reste dans la bobine, conduisant à des champs magnétiques errants plus bas.	Complexité de la fabrication: construction Les formes toroïdales sont complexes et coûteuses.
		Sécurité: cette conception est plus sûre et réduit les interférences avec des appareils électroniques à proximité et d'autres équipements sensibles.	Défis de maintenance: accéder à la Les parties intérieures de ces bobines sont difficiles, compliquant l'entretien et inspection.
Bobines solénoïdales	Cylindrique, avec le courant courant la longueur du cylindre.Cette conception est plus simple et plus simple que la configuration toroïdale.	Facilité de fabrication: les bobines solénoïdales sont Plus facile et moins cher à produire en raison de leur simple géométrie. Accessibilité de la maintenance: la conception ouverte les rend plus faciles maintenir et inspecter.	Fuite de champ magnétique: le magnétique Les fuites de champ aux deux extrémités du cylindre, qui peuvent affecter l'électronique à proximité appareils et nécessitent un blindage supplémentaire.

Facteurs influençant le choix de la conception de la bobine

Figure 7: bobine solénoïdale et bobine toroïdale

Application prévue: l'application dicte le choix de la bobine.Par exemple, les bobines toroïdales sont préférées lorsque des interférences électromagnétiques doivent être minimisées, comme dans les installations médicales ou sur un équipement scientifique presque sensible.

Exigences de stockage d'énergie: la quantité d'énergie à stocker affecte la conception de la bobine.Les bobines solénoïdales peuvent convenir à des applications à plus petite échelle en raison de leur rentabilité, tandis que les bobines toroïdales peuvent être utilisées pour un stockage plus grand à l'échelle industrielle en raison de l'efficacité et de la fuite magnétique minimale.

Espace et contraintes environnementales: l'espace physique disponible et les conditions environnementales sont des considérations primaires.Les bobines toroïdales, avec leur champ magnétique compact et fermé, sont mieux adaptés aux espaces confinés ou aux zones peuplées.

Contraintes budgétaires: les limitations budgétaires ont un impact sur le choix de conception de la bobine.Les bobines solénoïdales sont moins coûteuses et peuvent être préférées dans les projets sensibles aux coûts.

Entretien et considérations opérationnelles: la facilité d'entretien et la fiabilité opérationnelle sont importantes.Les bobines solénoïdales, offrant un accès plus facile à maintenance et à inspection, peuvent être un facteur décisif dans leur sélection.

Avantages des systèmes de stockage d'énergie magnétique supraconductrice

Avantage	Description
Heure d'efficacité et de réponse rapide	Les systèmes PME obtiennent plus d'efficacité à 95% En stockant l'énergie dans une bobine supraconductrice avec une résistance presque nulle.Ils peut répondre aux changements de demande d'électricité en millisecondes.
Impact et stabilité de l'environnement	Ces systèmes sont respectueux de l'environnement, émettant Pas de gaz à effet de serre ou utilisant des matières toxiques.Ils maintiennent stable Performance indépendamment des conditions externes comme la température ou la météo.
Fiabilité et longévité	Les systèmes PME n'ont pas de pièces mobiles et d'utilisation Matériaux supraconducteurs durables, entraînant moins d'usure et de déchirure coûts de maintenance au cours de leur longue durée de vie.
Évolutivité et polyvalence	Capable de stocker l'énergie de quelques-uns Kilowattheures à plusieurs mégawattheures, les unités PME sont flexibles pour divers applications et peuvent être installées dans des environnements divers avec un minimum modifications.
Soutenir la grille et les énergies renouvelables	Ils aident à réguler la tension, se stabiliser fréquence et sortie lisse de sources renouvelables, améliorer la grille fiabilité et soutenir une plus grande intégration des énergies renouvelables.
Effectif à long terme	Malgré les coûts initiaux élevés, les PME Les systèmes ont de faibles dépenses opérationnelles et de maintenance, ce qui en fait Effectif à long terme, en particulier dans des applications spécifiques.
Struculture et sécurité	Les systèmes PME évitent les risques de explosions ou fuites toxiques associées aux solutions de stockage chimique, fabriquant les plus sûrs pour différents contextes, y compris les zones urbaines.

Applications du stockage d'énergie magnétique supraconductrice

Figure 8: Système de transmission AC flexible, l'une des principales applications du stockage d'énergie magnétique supraconductrice

Hôpitaux

Les hôpitaux s'appuient sur une alimentation électrique ininterrompue (UPS) pour maintenir les équipements et les systèmes de soins vitaux.Les systèmes de PME fournissent une solution UPS fiable en libérant instantanément l'énergie stockée pendant les défaillances de puissance, minimisant les perturbations opérationnelles.Ils maintiennent également une régulation d'énergie de haute qualité, qui protège les équipements médicaux sensibles des fluctuations de puissance mineures.

Centres de données

Les centres de données, qui gèrent de grandes quantités d'informations numériques, sont très sensibles aux problèmes de qualité de l'énergie.Les systèmes de PME sont idéaux pour se protéger contre les perturbations de la puissance de courte durée comme les avis de tension et les surtensions.En intégrant les PME, les centres de données peuvent assurer un fonctionnement continu des serveurs et des équipements de mise en réseau, en maintenant la disponibilité et l'intégrité des services de données.

Intégration d'énergie renouvelable

Les sources d'énergie renouvelables comme l'éolien et l'énergie solaire introduisent une variabilité de la production d'électricité en raison des conditions météorologiques.Les systèmes PME stabilisent la grille en absorbant rapidement l'excès d'électricité pendant les périodes de production élevées et en libérant de l'énergie pendant la faible production, en lissant les fluctuations et en améliorant la stabilité du réseau.

Stations de recharge de véhicules électriques

Avec l'adoption croissante des véhicules électriques (véhicules électriques), la demande de solutions de charge efficaces et rapides augmente.Les systèmes PME des stations de charge EV gèrent les demandes de charge en stockant l'énergie pendant les temps hors pointe et en le libérant pendant la demande de pointe.Cela réduit la tension sur la grille électrique et permet des temps de charge plus rapides.

Applications industrielles

Les industries qui nécessitent des rafales soudaines d'électricité bénéficient des systèmes de PME.Ces systèmes fournissent la bonne énergie sans s'appuyer fortement sur le réseau, besoin de fabrication pour un contrôle précis des machines et le maintien de la qualité des produits.

Militaire et aérospatial

Les bases militaires et les opérations aérospatiales nécessitent une énergie fiable et de haute qualité.Les systèmes de PME offrent une alimentation électrique à réponse rapide qui garantit des opérations ininterrompues et soutient les exigences énergétiques élevées de la technologie et de l'équipement de pointe dans ces secteurs.

Systèmes de transport en commun

Les réseaux ferroviaires et les systèmes de transport en commun urbain améliorent l'efficacité énergétique et la fiabilité avec les PME.Ces unités gèrent l'énergie produite pendant le freinage et la redistribuent efficacement, améliorant l'efficacité énergétique globale du système de transit.

Conclusion

L'article explore les systèmes supraconducteurs de stockage d'énergie magnétique (PME), mettant en évidence leur potentiel en tant que technologie révolutionnaire de stockage d'énergie.Les systèmes de PME offrent une efficacité élevée, des temps de réponse rapides et un faible impact environnemental, ce qui en fait une solution pour les défis énergétiques actuels.L'article couvre leur utilisation dans divers domaines, y compris les soins de santé, les énergies renouvelables et les transports, montrant leur polyvalence et leur évolutivité.Alors que le monde évolue vers des solutions énergétiques durables, la technologie des PME se distingue par l'amélioration de la résilience énergétique mondiale.Développements en cours dans les PME pour intégrer les sources d'énergie renouvelables, améliorant la stabilité et l'efficacité de l'infrastructure d'énergie mondiale.

Questions fréquemment posées [FAQ]

1. Comment un champ magnétique stockait-il l'énergie?

Un champ magnétique stocke l'énergie par l'alignement et le mouvement des dipôles magnétiques ou des particules chargées.Lorsqu'un courant électrique traverse une bobine de fil, il crée un champ magnétique autour de la bobine.Ce champ magnétique est capable de stocker de l'énergie en raison du travail effectué pour établir le champ.Plus précisément, l'énergie est nécessaire pour aligner les moments magnétiques des atomes dans un matériau, ce qui crée à son tour un champ qui peut exercer des forces et travailler sur d'autres objets.L'énergie stockée dans un champ magnétique est directement proportionnelle au carré de l'intensité du champ.

2. Quel appareil stocke l'énergie dans un champ magnétique?

L'appareil qui stocke l'énergie dans un champ magnétique est une inductance ou une bobine magnétique.Les inductances sont constituées de bobines de fil, souvent enroulées autour d'un noyau magnétique, ce qui améliore la résistance du champ magnétique.Lorsque le courant traverse la bobine, un champ magnétique s'accumule et que l'énergie est stockée dans ce champ.La capacité d'une inductance à stocker l'énergie magnétique est utilisée dans de nombreux circuits électroniques, dans les technologies d'alimentation et de conversion.

3. Quelle est l'efficacité du stockage d'énergie magnétique supraconductrice?

Les systèmes de stockage d'énergie magnétique (PME) supraconductrices sont très efficaces, atteignant l'efficacité énergétique aller-retour de 90% à 95%.Ces systèmes utilisent des bobines supraconductrices qui peuvent conduire de l'électricité sans résistance à des températures très basses.Le manque de résistance électrique signifie que presque aucune énergie n'est perdue comme chaleur, ce qui améliore l'efficacité du stockage d'énergie.Les systèmes PME sont évalués pour leur capacité à libérer de l'énergie stockée presque instantanément, ce qui est bon pour les applications nécessitant des décharges rapides, comme la stabilisation des réseaux d'énergie pendant la demande de pointe.

4. L'énergie magnétique est-elle un magasin ou un transfert?

L'énergie magnétique est une forme de stockage d'énergie.L'énergie est stockée dans le champ magnétique créé par le mouvement des charges électriques, dans une bobine.En cas de besoin, cette énergie stockée peut être transformée en énergie électrique ou utilisée pour effectuer des travaux mécaniques, transférant ainsi l'énergie du champ magnétique vers une autre forme.Cependant, le rôle principal de l'énergie magnétique dans des dispositifs comme les inductances ou les systèmes PME est de stocker l'énergie.

5. Quel est un exemple de magasin d'énergie magnétique?

Un exemple de magasin d'énergie magnétique est le système de stockage d'énergie du volant, qui, bien que principalement mécanique, intègre souvent des composants magnétiques pour le stockage et la stabilisation d'énergie.Ces systèmes utilisent un volant mécanique rotatif dont le mouvement génère un champ magnétique, dans les versions qui utilisent des roulements magnétiques pour réduire le frottement et la perte d'énergie.Cette interaction entre les énergies mécaniques et magnétiques permet au système de volant de stocker efficacement l'énergie et de le libérer rapidement en cas de besoin, ce qui en fait une application pratique du stockage d'énergie magnétique sous des formes mécaniques et électriques.