การกักเก็บพลังงานแม่เหล็กตัวนำยิ่งยวด

ระบบกักเก็บพลังงานแม่เหล็กตัวนำยิ่งยวด (SMES) จะกักเก็บพลังงานไว้ในสนามแม่เหล็กที่สร้างขึ้นโดยการไหลของกระแสตรงใน ขดลวด ตัวนำยิ่งยวดที่ถูก ทำให้เย็นลง ด้วยวิธีไครโอเจนิกจนถึงอุณหภูมิที่ต่ำกว่าอุณหภูมิวิกฤตของตัวนำยิ่งยวดการใช้ขดลวดตัวนำยิ่งยวดเพื่อกักเก็บพลังงานแม่เหล็กนี้คิดค้นโดย M. Ferrier ในปี 1970 ^{[ 2 ]}

ระบบ SMES ทั่วไปประกอบด้วยสามส่วน ได้แก่ขดลวด ตัวนำยิ่งยวด ระบบปรับสภาพพลังงาน และตู้เย็นที่ใช้ความเย็นจัด เมื่อขดลวดตัวนำยิ่งยวดได้รับพลังงานแล้ว กระแสไฟฟ้าจะไม่ลดลง และพลังงานแม่เหล็กสามารถเก็บไว้ได้ตลอดไป

พลังงานที่เก็บไว้สามารถปล่อยกลับคืนสู่เครือข่ายได้โดยการคายประจุขดลวด ระบบปรับสภาพพลังงานใช้อินเวอร์เตอร์ / เร็กติไฟเออร์เพื่อแปลง พลังงาน กระแสสลับ (AC) เป็นกระแสตรง หรือแปลง DC กลับเป็น AC อินเวอร์เตอร์/เร็กติไฟเออร์ทำให้เกิดการสูญเสียพลังงานประมาณ 2–3% ในแต่ละทิศทาง SMES สูญเสียไฟฟ้า น้อยที่สุด ในกระบวนการเก็บพลังงานเมื่อเทียบกับวิธีการเก็บพลังงานอื่นๆ ระบบ SMES มีประสิทธิภาพสูง ประสิทธิภาพการเดินทางไปกลับมากกว่า 95% ^{[ 3 ]}

เนื่องจากความต้องการพลังงานในการทำความเย็นและต้นทุนที่สูงของลวดตัวนำยิ่งยวดปัจจุบัน SMES จึงถูกใช้สำหรับการจัดเก็บพลังงานในระยะเวลาสั้นๆ ดังนั้น SMES จึงมักถูกนำไปใช้เพื่อปรับปรุงคุณภาพพลังงานเป็น ส่วนใหญ่

มีเหตุผลหลายประการที่ควรใช้ระบบกักเก็บพลังงานแม่เหล็กตัวนำยิ่งยวด (SMES) แทนวิธีการกักเก็บพลังงานแบบอื่น ข้อได้เปรียบที่สำคัญที่สุดของ SMES คือ เวลาหน่วงระหว่างการชาร์จและการคายประจุค่อนข้างสั้น พลังงานพร้อมใช้งานเกือบจะในทันที และสามารถให้กำลังไฟฟ้าสูงมากในช่วงเวลาสั้นๆ วิธีการกักเก็บพลังงานแบบอื่น เช่น พลังงานน้ำแบบสูบกลับ หรืออากาศอัดจะมีเวลาหน่วงมากในการแปลงพลังงานกลที่เก็บไว้กลับไปเป็นไฟฟ้า ดังนั้นหากมีความต้องการทันที SMES จึงเป็นตัวเลือกที่เหมาะสม อีกข้อได้เปรียบหนึ่งคือ การสูญเสียพลังงานน้อยกว่าวิธีการกักเก็บแบบอื่น เนื่องจากกระแสไฟฟ้าไม่พบความต้านทานนอกจากนี้ ชิ้นส่วนหลักใน SMES ยังอยู่นิ่ง ซึ่งส่งผลให้มีความน่าเชื่อถือสูง

มีหน่วย SME ขนาดเล็กหลายหน่วยที่พร้อม ใช้งาน เชิงพาณิชย์และโครงการทดสอบขนาดใหญ่หลายโครงการ หน่วย 1 MW·h หลายหน่วยถูกใช้เพื่อ ควบคุม คุณภาพพลังงานในโรงงานต่างๆ ทั่วโลก โดยเฉพาะอย่างยิ่งเพื่อจัดหาคุณภาพพลังงานในโรงงานผลิตที่ต้องการพลังงานสะอาดเป็นพิเศษ เช่น โรงงานผลิตไมโครชิป^{[ 4 ]}

สิ่งอำนวยความสะดวกเหล่านี้ยังถูกใช้เพื่อให้เกิด เสถียรภาพ ของโครงข่ายในระบบจำหน่าย อีกด้วย ^{[ 5 ]} SMES ยังถูกใช้ในแอปพลิเคชันด้านสาธารณูปโภค ในวิสคอนซิน ตอนเหนือ มีการติดตั้งหน่วย SMES แบบกระจายหลายหน่วยเพื่อเพิ่มเสถียรภาพของวงจรส่งกำลัง^{[ 6 ]} สายส่งไฟฟ้าต้องเผชิญกับการเปลี่ยนแปลงโหลดขนาดใหญ่และฉับพลันเนื่องจากการดำเนินงานของโรงงานกระดาษ ซึ่งอาจนำไปสู่ความผันผวนที่ควบคุมไม่ได้และการยุบตัวของแรงดันไฟฟ้า

แบบจำลองการทดสอบทางวิศวกรรมเป็น SME ขนาดใหญ่ที่มีกำลังการผลิตประมาณ 20 MW·h ซึ่งสามารถจ่ายพลังงานได้ 40 MW เป็นเวลา 30 นาที หรือ 10 MW เป็นเวลา 2 ชั่วโมง^{[ 7 ]}

โดยทั่วไป ระบบ SME ประกอบด้วยสี่ส่วน

แม่เหล็กตัวนำยิ่งยวดและโครงสร้างรองรับ

ระบบนี้ประกอบด้วยขดลวดตัวนำยิ่งยวด แม่เหล็ก และอุปกรณ์ป้องกันขดลวด โดยพลังงานจะถูกเก็บสะสมไว้ด้วยการตัดการเชื่อมต่อขดลวดออกจากระบบหลัก แล้วใช้การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าจากแม่เหล็กเพื่อเหนี่ยวนำกระแสไฟฟ้าในขดลวดตัวนำยิ่งยวด จากนั้นขดลวดจะรักษากระแสไฟฟ้าไว้จนกว่าจะเชื่อมต่อขดลวดเข้ากับระบบหลักอีกครั้ง หลังจากนั้นขดลวดจะคายประจุบางส่วนหรือทั้งหมด

ระบบทำความเย็น

ระบบทำความเย็นจะรักษาสภาพตัวนำยิ่งยวดของขดลวดโดยการลดอุณหภูมิของขดลวดให้เหลือเท่ากับอุณหภูมิใช้งาน

ระบบปรับสภาพพลังงาน

โดยทั่วไป ระบบปรับสภาพพลังงานจะประกอบด้วยระบบแปลงพลังงานที่แปลงกระแสตรงเป็นกระแสสลับและในทางกลับกัน

ระบบควบคุม

ระบบควบคุมจะตรวจสอบความต้องการพลังงานของโครงข่ายไฟฟ้าและควบคุมการไหลของพลังงานจากและไปยังคอยล์ นอกจากนี้ ระบบควบคุมยังจัดการสภาพของคอยล์ SMES โดยการควบคุมเครื่องทำความเย็นด้วย

จากกฎการเหนี่ยวนำของฟาราเดย์ลวดตัวนำใดๆ ที่สร้างสนามแม่เหล็กเปลี่ยนแปลงไปตามเวลา จะสร้างสนามไฟฟ้า ขึ้นด้วย กระบวนการนี้ดึงพลังงานออกจากลวดผ่านแรงเคลื่อนไฟฟ้า (EMF) EMF ถูกนิยามว่าเป็นงานแม่เหล็กไฟฟ้าที่กระทำต่อประจุหนึ่งหน่วยเมื่อมันเคลื่อนที่ไปรอบหนึ่งของตัวนำ พลังงานนั้นสามารถมองได้ว่าถูกเก็บไว้ในสนามไฟฟ้า กระบวนการนี้ใช้พลังงานจากลวดด้วยกำลังไฟฟ้าเท่ากับศักย์ไฟฟ้าคูณด้วยประจุทั้งหมดหารด้วยเวลา โดยที่ ℰ คือแรงดันไฟฟ้าหรือ EMF เมื่อกำหนดกำลังไฟฟ้าแล้ว เราสามารถคำนวณงานที่จำเป็นในการสร้างสนามไฟฟ้าดังกล่าวได้ เนื่องจากหลักการอนุรักษ์พลังงานปริมาณงานนี้จึงต้องเท่ากับพลังงานที่เก็บไว้ในสนามด้วย

${\displaystyle P=Q{\mathcal {E}}/t}$

สูตรนี้สามารถเขียนใหม่ได้โดยใช้ตัวแปรที่วัดได้ง่ายกว่าอย่างกระแสไฟฟ้า โดยการแทนที่

${\displaystyle P=Q{\mathcal {E}}/t=I{\mathcal {E}},}$

โดยที่Iคือกระแสไฟฟ้าในหน่วยแอมแปร์ EMF ℰ คือค่าความเหนี่ยวนำ ดังนั้นจึงสามารถเขียนใหม่ได้ดังนี้:

${\displaystyle {\mathcal {E}}=L{\frac {dI}{dt}}}$

เมื่อแทนค่าแล้วจะได้ดังนี้:

${\displaystyle P=IL{\frac {dI}{dt}},}$

โดยที่Lคือค่าคงที่เชิงเส้นที่เรียกว่าค่าความเหนี่ยวนำ ซึ่งมีหน่วยเป็นเฮนรี เมื่อหาค่ากำลังได้แล้ว สิ่งที่เหลืออยู่ก็คือการเติมสมการงานเพื่อหาปริมาณงาน

${\displaystyle W=\int _{0}^{T}Pdt=\int _{0}^{I}IL{\frac {dI}{dt}}dt=\int _{0}^{I}ILdI={\frac {LI^{2}}{2}}}$

ดังที่กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ งานจะต้องเท่ากับพลังงานที่เก็บไว้ในสนาม การคำนวณทั้งหมดนี้ขึ้นอยู่กับลวดที่วนเป็นวงเดียว สำหรับลวดที่วนเป็นวงหลายครั้ง ค่าความเหนี่ยวนำLจะเพิ่มขึ้น เนื่องจากLถูกกำหนดให้เป็นอัตราส่วนระหว่างแรงดันไฟฟ้าและอัตราการเปลี่ยนแปลงของกระแสไฟฟ้า สรุปได้ว่าพลังงานที่เก็บไว้ในขดลวดเท่ากับ: ^{[ 8 ]}

${\displaystyle E={\frac {LI^{2}}{2}}}$

ที่ไหน

• E = พลังงานที่วัดเป็นจูล
• L = ค่าความเหนี่ยวนำที่วัดเป็นเฮนรี
• I = กระแสไฟฟ้าที่วัดเป็นแอมแปร์

พิจารณา ขดลวด ทรงกระบอกที่มีตัวนำหน้าตัดเป็นรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้า รัศมีเฉลี่ยของขดลวดคือR a และ b คือ ความกว้างและความลึกของตัวนำfเรียกว่าฟังก์ชันรูปร่าง ซึ่งแตกต่างกันไปตามรูปร่างของขดลวดξ ( xi) และδ (delta) เป็นพารามิเตอร์สองตัวที่ใช้บ่งบอกขนาดของขดลวด ดังนั้นเราจึงสามารถเขียนพลังงานแม่เหล็กที่เก็บไว้ในขดลวดทรงกระบอกดังกล่าวได้ดังแสดงด้านล่าง พลังงานนี้เป็นฟังก์ชันของขนาดของขดลวด จำนวนรอบ และกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่าน

${\displaystyle E=RN^{2}I^{2}f(\xi ,\delta )/2}$

ที่ไหน

• E = พลังงานที่วัดเป็นจูล
• I = กระแสไฟฟ้าที่วัดเป็นแอมแปร์
• f ( ξ , δ ) = ฟังก์ชันรูปแบบ, จูลต่อแอมแปร์-เมตร
• N = จำนวนรอบของขดลวด

นอกจากคุณสมบัติของลวดแล้ว รูปทรงของขดลวดเองก็เป็นประเด็นสำคัญใน แง่ของ วิศวกรรมเครื่องกลมีปัจจัยสามประการที่ส่งผลต่อการออกแบบและรูปทรงของขดลวด ได้แก่ ความทนทาน ต่อแรงดึง ที่ต่ำ การหดตัวจากความร้อนเมื่อเย็นตัวลง และแรงลอเรนซ์ในขดลวดที่มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน ในบรรดาปัจจัยเหล่านี้ ความทนทานต่อแรงดึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง ไม่ใช่เพราะผลกระทบทางไฟฟ้าใดๆ แต่เพราะมันเป็นตัวกำหนดปริมาณวัสดุโครงสร้างที่จำเป็นเพื่อป้องกันไม่ให้ SMES เสียหาย สำหรับระบบ SMES ขนาดเล็ก ค่าความทนทานต่อแรงดึงที่เหมาะสมที่สุดคือ 0.3% รูปทรง วงแหวนสามารถช่วยลดแรงแม่เหล็กภายนอกและลดขนาดของโครงสร้างรองรับทางกลที่จำเป็นได้ นอกจากนี้ เนื่องจากสนามแม่เหล็กภายนอกต่ำ SMES รูปทรงวงแหวนจึงสามารถติดตั้งใกล้กับระบบไฟฟ้าหรือโหลดของลูกค้าได้

สำหรับ SMES ขนาดเล็ก มักใช้ โซลินอยด์เนื่องจากม้วนง่ายและไม่จำเป็นต้องอัดล่วงหน้า ใน SMES แบบวงแหวน ขดลวดจะอยู่ภายใต้แรงอัด เสมอ โดยห่วงด้านนอกและแผ่นดิสก์สองแผ่น โดยแผ่นหนึ่งอยู่ด้านบนและอีกแผ่นอยู่ด้านล่างเพื่อป้องกันการแตกหัก ปัจจุบัน ความต้องการรูปทรงวงแหวนสำหรับ SMES ขนาดเล็กยังน้อย แต่เมื่อขนาดใหญ่ขึ้น แรงทางกลจะมีความสำคัญมากขึ้นและจำเป็นต้องใช้ขดลวดแบบวงแหวน

แนวคิด SMES ขนาดใหญ่แบบเก่ามักใช้ โซลินอยด์ที่ มีอัตราส่วนความยาวต่อเส้นผ่านศูนย์กลาง ต่ำ โดยมีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 100 เมตร ฝังอยู่ในดิน ส่วนในขนาดที่เล็กที่สุดคือแนวคิดของโซลินอยด์ไมโคร SMES สำหรับการเก็บพลังงานในช่วงใกล้เคียง 1 เมกะจูล

ภายใต้สภาวะคงที่และในสถานะตัวนำยิ่งยวด ความต้านทานของขดลวดนั้นน้อยมากจนสามารถละเลยได้ อย่างไรก็ตาม ตู้เย็นที่จำเป็นในการรักษาอุณหภูมิของตัวนำยิ่งยวดให้เย็นนั้นต้องการพลังงานไฟฟ้า และพลังงานทำความเย็นนี้จะต้องนำมาพิจารณาเมื่อประเมินประสิทธิภาพของ SMES ในฐานะอุปกรณ์จัดเก็บพลังงาน

แม้ว่าตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูง (HTS) จะมีอุณหภูมิวิกฤตสูงกว่า แต่การหลอมละลายของโครงสร้างฟลักซ์จะเกิดขึ้นในสนามแม่เหล็กปานกลางที่อุณหภูมิต่ำกว่าอุณหภูมิวิกฤตนี้ ภาระความร้อนที่ต้องกำจัดออกโดยระบบระบายความร้อน ได้แก่การนำความร้อนผ่านระบบรองรับการแผ่รังสีจากพื้นผิวที่อุ่นกว่าไปยังพื้นผิวที่เย็นกว่า การสูญเสียกระแสสลับในตัวนำ (ระหว่างการชาร์จและการคายประจุ) และการสูญเสียจากสายไฟที่เชื่อมต่อขดลวดเย็นกับระบบปรับสภาพพลังงานจากเย็นไปยังอุ่น การสูญเสียจากการนำความร้อนและการแผ่รังสีจะลดลงได้ด้วยการออกแบบพื้นผิวระบายความร้อนที่เหมาะสม การสูญเสียจากสายไฟสามารถลดลงได้ด้วยการออกแบบสายไฟที่ดี การสูญเสียกระแสสลับขึ้นอยู่กับการออกแบบของตัวนำรอบการทำงานของอุปกรณ์ และพิกัดกำลังไฟฟ้า

ความต้องการพลังงานในการทำความเย็นสำหรับ ขดลวดทอรอยด์ ของตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูง (HTSC) และตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิต่ำ (LTSC) สำหรับอุณหภูมิพื้นฐานที่ 77 K, 20 K และ 4.2 K จะเพิ่มขึ้นตามลำดับ ความต้องการพลังงานในการทำความเย็นในที่นี้หมายถึงกำลังไฟฟ้าที่ใช้ในการทำงานของระบบทำความเย็น เมื่อพลังงานที่เก็บไว้เพิ่มขึ้น 100 เท่า ต้นทุนการทำความเย็นจะเพิ่มขึ้นเพียง 20 เท่าเท่านั้น นอกจากนี้ การประหยัดพลังงานในการทำความเย็นสำหรับระบบ HTSC ยังมากกว่า (60% ถึง 70%) เมื่อเทียบกับระบบ LTSC

ระบบ HTSC หรือ LTSC ระบบไหนประหยัดกว่ากันนั้น ขึ้นอยู่กับส่วนประกอบหลักอื่นๆ ที่กำหนดต้นทุนของ SMES ด้วย เช่น ตัวนำซึ่งประกอบด้วยตัวนำยิ่งยวดและสารกันความร้อนทองแดง รวมถึงตัวรองรับความเย็น ซึ่งเป็นต้นทุนหลักที่ต้องพิจารณาควบคู่ไปกับประสิทธิภาพโดยรวมและต้นทุนของอุปกรณ์ ส่วนประกอบอื่นๆ เช่นฉนวน ของภาชนะสุญญากาศ นั้น มีส่วนน้อยเมื่อเทียบกับต้นทุนของขดลวดที่สูงมาก ต้นทุนรวมของตัวนำ โครงสร้าง และตัวทำความเย็นสำหรับขดลวดแบบวงแหวนนั้น ส่วนใหญ่มาจากต้นทุนของตัวนำยิ่งยวด แนวโน้มเดียวกันนี้ก็เกิดขึ้นกับขดลวดแบบโซลินอยด์เช่นกัน ขดลวด HTSC มีต้นทุนสูงกว่าขดลวด LTSC ประมาณ 2-4 เท่า เดิมทีคาดว่า HTSC จะมีราคาถูกกว่าเนื่องจากความต้องการการทำความเย็นต่ำกว่า แต่ในความเป็นจริงแล้วกลับไม่เป็นเช่นนั้น

เพื่อให้เข้าใจถึงต้นทุนได้ดียิ่งขึ้น ลองพิจารณาการแบ่งต้นทุนตามส่วนประกอบหลักของขดลวด HTSC และ LTSC ที่สอดคล้องกับระดับพลังงานสะสมทั่วไป 3 ระดับ ได้แก่ 2, 20 และ 200 เมกะวัตต์ชั่วโมง (MW·h) ต้นทุนของตัวนำเป็นต้นทุนที่สูงที่สุดในสามระดับสำหรับกรณี HTSC ทั้งหมด และมีความสำคัญอย่างยิ่งในขนาดเล็ก เหตุผลหลักอยู่ที่ความหนาแน่นกระแสไฟฟ้าเปรียบเทียบของวัสดุ LTSC และ HTSC กระแสวิกฤตของลวด HTSC ต่ำกว่าลวด LTSC โดยทั่วไปในสนามแม่เหล็กใช้งาน ประมาณ 5 ถึง 10 เทสลา (T) สมมติว่าต้นทุนของลวดเท่ากันตามน้ำหนัก เนื่องจากลวด HTSC มีค่า ( Jc ₎ ต่ำ กว่าลวด LTSC จึงต้องใช้ลวดมากกว่ามากเพื่อสร้างค่าความเหนี่ยวนำเท่ากัน ดังนั้นต้นทุนของลวดจึงสูงกว่าลวด LTSC มาก นอกจากนี้ เมื่อขนาดของ SMES เพิ่มขึ้นจาก 2 เป็น 20 เป็น 200 เมกะวัตต์ชั่วโมง ต้นทุนของตัวนำ LTSC ก็เพิ่มขึ้นประมาณ 10 เท่าในแต่ละขั้นด้วย ต้นทุนของตัวนำ HTSC เพิ่มขึ้นช้ากว่าเล็กน้อย แต่ก็ยังคงเป็นสินค้าที่มีราคาสูงที่สุดอย่างเห็นได้ชัด

ต้นทุนโครงสร้างของ HTSC หรือ LTSC จะเพิ่มขึ้นอย่างสม่ำเสมอ (ประมาณ 10 เท่า) ในแต่ละขั้นจาก 2 เป็น 20 เป็น 200 MW·h แต่ต้นทุนโครงสร้างของ HTSC สูงกว่าเนื่องจากความทนทานต่อแรงดึงของ HTSC (เซรามิกไม่สามารถรับแรงดึงได้มากนัก) น้อยกว่า LTSC เช่น_Nb₃Tiหรือ Nb₃Sn ซึ่งต้องการวัสดุโครงสร้าง มากกว่า ดังนั้น ในกรณีที่มีขนาดใหญ่มาก ต้นทุนของ HTSC _จึงไม่สามารถชดเชยได้ด้วยการลดขนาดขดลวดที่สนามแม่เหล็กสูงขึ้นเพียงอย่างเดียว

เป็นที่น่าสังเกตว่าต้นทุนของตู้เย็นในทุกกรณีนั้นต่ำมาก ดังนั้นจึงแทบไม่มีเปอร์เซ็นต์การประหยัดใดๆ ที่เกี่ยวข้องกับการลดความต้องการการทำความเย็นที่อุณหภูมิสูง หมายความว่าหากตู้เย็นแบบ HTSC เช่น BSCCOทำงานได้ดีกว่าที่อุณหภูมิต่ำ เช่น 20K ก็จะถูกใช้งานที่อุณหภูมินั้นอย่างแน่นอน สำหรับ SMEs ขนาดเล็กมาก ต้นทุนตู้เย็นที่ลดลงจะมีผลดีอย่างมีนัยสำคัญมากกว่า

เห็นได้ชัดว่าปริมาตรของขดลวดตัวนำยิ่งยวดเพิ่มขึ้นตามพลังงานที่สะสมไว้ นอกจากนี้ เรายังเห็นได้ว่าเส้นผ่านศูนย์กลางสูงสุดของทอรัส LTSC จะมีขนาดเล็กกว่าเสมอสำหรับแม่เหล็ก HTSC เมื่อเทียบกับ LTSC เนื่องจากสนามแม่เหล็กที่สูงกว่า ในกรณีของขดลวดโซลีนอยด์ ความสูงหรือความยาวก็จะมีขนาดเล็กกว่าสำหรับขดลวด HTSC แต่ก็ยังสูงกว่าในรูปทรงทอรัสมาก (เนื่องจากสนามแม่เหล็กภายนอกต่ำ)

การเพิ่มค่าสนามแม่เหล็กสูงสุดจะส่งผลให้ปริมาตรลดลง ( ความหนาแน่นของพลังงาน สูงขึ้น ) และต้นทุนลดลง (ความยาวของตัวนำลดลง) ปริมาตรที่เล็กลงหมายถึงความหนาแน่นของพลังงานที่สูงขึ้น และต้นทุนลดลงเนื่องจากความยาวของตัวนำลดลง มีค่าสนามแม่เหล็กสูงสุดที่เหมาะสมที่สุด ประมาณ 7 เทสลา ในกรณีนี้ หากเพิ่มสนามแม่เหล็กเกินค่าที่เหมาะสมที่สุด จะสามารถลดปริมาตรลงได้อีกโดยต้นทุนเพิ่มขึ้นเพียงเล็กน้อย ขีดจำกัดในการเพิ่มสนามแม่เหล็กมักไม่ใช่เรื่องทางเศรษฐกิจ แต่เป็นเรื่องทางกายภาพ และเกี่ยวข้องกับความเป็นไปไม่ได้ที่จะทำให้ขาด้านในของทอรอยด์อยู่ใกล้กันมากขึ้นโดยยังคงเหลือพื้นที่สำหรับกระบอกกันกระแทก

วัสดุตัวนำยิ่งยวดเป็นประเด็นสำคัญสำหรับ SMES ความพยายามในการพัฒนาตัวนำยิ่งยวดมุ่งเน้นไปที่การเพิ่มค่า Jc และช่วงความเครียด รวมถึงการลดต้นทุนการผลิตลวด

ความหนาแน่นของพลังงาน ประสิทธิภาพ และอัตราการปล่อยประจุสูง ทำให้ระบบ SMES มีประโยชน์ในการนำไปใช้ในระบบโครงข่ายพลังงานสมัยใหม่และโครงการพลังงานสีเขียว การใช้งานระบบ SMES สามารถแบ่งออกได้เป็นสามประเภท ได้แก่ ระบบจ่ายพลังงาน ระบบควบคุม และระบบฉุกเฉิน/ระบบรองรับเหตุการณ์ไม่คาดฝัน

ข้อเท็จจริง

อุปกรณ์ FACTS ( ระบบส่งกำลังไฟฟ้ากระแสสลับแบบยืดหยุ่น ) เป็นอุปกรณ์คงที่ที่สามารถติดตั้งในโครงข่ายไฟฟ้าได้ อุปกรณ์เหล่านี้ใช้เพื่อเพิ่มความสามารถในการควบคุมและการถ่ายโอนพลังงานของโครงข่ายไฟฟ้า การประยุกต์ใช้ SMES ในอุปกรณ์ FACTS เป็นการประยุกต์ใช้ระบบ SMES ครั้งแรก การใช้งาน SMES ครั้งแรกโดยใช้อุปกรณ์ FACTS ได้รับการติดตั้งโดย หน่วยงานไฟฟ้า Bonnevilleในปี 1980 ระบบนี้ใช้ระบบ SMES เพื่อลดความถี่ต่ำ ซึ่งมีส่วนช่วยในการรักษาเสถียรภาพของโครงข่ายไฟฟ้า^{[ 9 ] [ 6 ] [ 10 ]}ในปี 2000 ระบบ FACTS ที่ใช้ SMES ได้ถูกนำมาใช้ในจุดสำคัญๆ ในโครงข่ายไฟฟ้า Winston ทางตอนเหนือ เพื่อเพิ่มเสถียรภาพของโครงข่าย

การปรับระดับน้ำหนักบรรทุก

การใช้พลังงานไฟฟ้าจำเป็นต้องมีแหล่งพลังงานที่เสถียรซึ่งให้พลังงานคงที่ ความเสถียรนี้ขึ้นอยู่กับปริมาณพลังงานที่ใช้และปริมาณพลังงานที่ผลิตได้ การใช้พลังงานจะแตกต่างกันไปตลอดทั้งวัน และยังแตกต่างกันไปตามฤดูกาล ระบบ SMES สามารถใช้เพื่อเก็บพลังงานเมื่อพลังงานที่ผลิตได้สูงกว่าความต้องการ/โหลด และปล่อยพลังงานเมื่อโหลดสูงกว่าพลังงานที่ผลิตได้ จึงเป็นการชดเชยความผันผวนของพลังงาน^{[ 11 ]}การใช้ระบบเหล่านี้ทำให้หน่วยผลิตไฟฟ้าแบบดั้งเดิมสามารถทำงานได้ที่เอาต์พุตคงที่ซึ่งมีประสิทธิภาพและสะดวกกว่า^{[ 12 ]}อย่างไรก็ตาม เมื่อความไม่สมดุลของพลังงานระหว่างอุปทานและความต้องการเกิดขึ้นเป็นเวลานาน ระบบ SMES อาจหมดพลังงานโดยสมบูรณ์^{[ 13 ]}

การควบคุมความถี่โหลด

เมื่อโหลดไม่ตรงกับกำลังไฟฟ้าที่ผลิตได้ เนื่องจากการรบกวนของโหลด อาจทำให้โหลดมีขนาดใหญ่กว่า กำลัง ไฟฟ้าที่กำหนดของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ตัวอย่างเช่น อาจเกิดขึ้นเมื่อเครื่องกำเนิดไฟฟ้าพลังงานลมไม่หมุนเนื่องจากลมหยุดพัดกะทันหัน การรบกวนของโหลดนี้อาจทำให้เกิด ปัญหา การควบคุมความถี่ของโหลดปัญหานี้อาจทวีความรุนแรงขึ้นในเครื่องกำเนิดไฟฟ้าพลังงานลมแบบDFIG ^{[ 14 ]}ความไม่สมดุลของโหลดนี้สามารถชดเชยได้ด้วยกำลังไฟฟ้าที่ส่งออกจากระบบ SMES ที่เก็บพลังงานไว้เมื่อการผลิตมีขนาดใหญ่กว่าโหลด^{[ 15 ]}ระบบควบคุมความถี่ของโหลดแบบ SMES มีข้อดีคือตอบสนองได้รวดเร็วเมื่อเทียบกับระบบควบคุมในปัจจุบัน

เครื่องสำรองไฟ

เครื่องสำรองไฟ (UPS) ใช้เพื่อป้องกันไฟกระชากและไฟตกโดยการจ่ายไฟอย่างต่อเนื่อง การชดเชยนี้ทำได้โดยการสลับจากแหล่งจ่ายไฟที่ล้มเหลวไปยังระบบ SMES ซึ่งสามารถจ่ายไฟที่จำเป็นได้เกือบจะในทันทีเพื่อให้ระบบที่สำคัญยังคงทำงานต่อไปได้ UPS ที่ใช้ SMES มีประโยชน์มากที่สุดในระบบที่ต้องรักษาระดับโหลดที่สำคัญไว้^{[ 16 ] [ 17 ]}

การปิดวงจรเบรกเกอร์อีกครั้ง

เมื่อความแตกต่างของมุมกำลังไฟฟ้าคร่อมเบรกเกอร์วงจรมีขนาดใหญ่เกินไป รีเลย์ป้องกันจะป้องกันไม่ให้เบรกเกอร์วงจรปิดลงอีกครั้ง ระบบ SMES สามารถใช้ในสถานการณ์เหล่านี้เพื่อลดความแตกต่างของมุมกำลังไฟฟ้าคร่อมเบรกเกอร์วงจร ทำให้เบรกเกอร์วงจรสามารถปิดลงอีกครั้งได้ ระบบเหล่านี้ช่วยให้สามารถฟื้นฟูพลังงานของระบบได้อย่างรวดเร็วหลังจากเกิดไฟฟ้าดับครั้งใหญ่ในสายส่ง^{[ 12 ]}

สำรองการปั่น

กำลังสำรองหมุนเวียนคือกำลังการผลิตเพิ่มเติมที่มีอยู่โดยการเพิ่มการผลิตพลังงานของระบบที่เชื่อมต่อกับโครงข่าย กำลังการผลิตนี้ถูกสงวนไว้โดยผู้ควบคุมระบบเพื่อชดเชยการหยุดชะงักในโครงข่ายไฟฟ้า เนื่องจากเวลาในการชาร์จที่รวดเร็วและกระบวนการแปลงกระแสสลับเป็นกระแสตรงที่รวดเร็วของระบบ SMES ระบบเหล่านี้จึงสามารถใช้เป็นกำลังสำรองหมุนเวียนได้เมื่อโครงข่ายหลักหรือสายส่งไฟฟ้าขัดข้อง^{[ 18 ] [ 19 ]}

เอสเอฟซีแอล

ตัวจำกัดกระแสไฟฟ้าลัดวงจรแบบตัวนำยิ่งยวด (SFCL) ใช้เพื่อจำกัดกระแสไฟฟ้าภายใต้ความผิดพลาดในโครงข่าย ในระบบนี้ ตัวนำยิ่งยวดจะถูกดับ (อุณหภูมิสูงขึ้น) เมื่อตรวจพบความผิดพลาดในสายส่งไฟฟ้า การดับตัวนำยิ่งยวดจะทำให้ความต้านทานเพิ่มขึ้นและกระแสไฟฟ้าจะถูกเบี่ยงเบนไปยังสายส่งไฟฟ้าอื่น ๆ ซึ่งทำได้โดยไม่รบกวนโครงข่ายไฟฟ้าขนาดใหญ่ เมื่อความผิดพลาดได้รับการแก้ไขแล้ว อุณหภูมิของ SFCL จะลดลงและมองไม่เห็นในโครงข่ายไฟฟ้าขนาดใหญ่^{[ 20 ] [ 15 ]}

เครื่องยิงแม่เหล็กไฟฟ้า

เครื่องยิงแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นอาวุธยิงไฟฟ้าที่ใช้สนามแม่เหล็กเพื่อเร่งความเร็วของกระสุนให้สูงมาก เครื่องยิงเหล่านี้ต้องการแหล่งกำเนิดพัลส์พลังงานสูงเพื่อใช้งาน เครื่องยิงเหล่านี้สามารถสร้างขึ้นได้โดยใช้ความสามารถในการปล่อยอย่างรวดเร็วและความหนาแน่นพลังงาน สูง ของระบบ SMES ^{[ 21 ]}

การพัฒนาในอนาคตของส่วนประกอบของระบบ SMES อาจทำให้ระบบเหล่านี้มีความเหมาะสมมากขึ้นสำหรับการใช้งานอื่นๆ โดยเฉพาะอย่างยิ่งตัวนำยิ่งยวดที่มีอุณหภูมิวิกฤตและความหนาแน่นกระแสวิกฤตที่สูงขึ้น ข้อจำกัดเหล่านี้เป็นข้อจำกัดเดียวกันกับที่พบในการใช้งานตัวนำยิ่งยวดในอุตสาหกรรมอื่นๆ การพัฒนาล่าสุดของลวด HTS ที่ทำจาก YBCO ซึ่งมีอุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะเป็นตัวนำยิ่งยวดประมาณ 90 K แสดงให้เห็นถึงศักยภาพ โดยทั่วไป ยิ่งอุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะเป็นตัวนำยิ่งยวดสูงเท่าไร ความหนาแน่นกระแสสูงสุดที่ตัวนำยิ่งยวดสามารถทนได้ก่อนที่จะ เกิดการแตกตัว ของคู่คูเปอร์ก็จะยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น สารที่มีอุณหภูมิวิกฤตสูงโดยทั่วไปจะมีกระแสวิกฤตที่อุณหภูมิต่ำกว่าตัวนำยิ่งยวดที่มีอุณหภูมิวิกฤตต่ำกว่า กระแสวิกฤตที่สูงขึ้นนี้จะเพิ่มการเก็บพลังงานเป็นกำลังสอง ซึ่งอาจทำให้ SMES และการใช้งานตัวนำยิ่งยวดในอุตสาหกรรมอื่นๆ มีต้นทุนที่คุ้มค่า^{[ 22 ]}

ปริมาณพลังงานในระบบ SMES ในปัจจุบันมักค่อนข้างน้อย วิธีการเพิ่มพลังงานที่เก็บไว้ใน SMES มักต้องใช้หน่วยจัดเก็บขนาดใหญ่ เช่นเดียวกับการใช้งานตัวนำยิ่งยวดอื่นๆ ระบบทำความเย็นจึงเป็นสิ่งจำเป็น โครงสร้างทางกลที่แข็งแรงมักจำเป็นเพื่อรองรับแรงลอเรนซ์ขนาดใหญ่ที่เกิดขึ้นจากและบนขดลวดแม่เหล็ก ต้นทุนหลักของ SMES คือตัวนำยิ่งยวด ตามด้วยระบบทำความเย็นและโครงสร้างทางกลส่วนที่เหลือ

การรองรับเชิงกล

จำเป็นต้องใช้เนื่องจากแรงลอเรนซ์ ขนาดใหญ่ ที่เกิดจากสนามแม่เหล็กแรงสูงที่กระทำต่อขดลวด และสนามแม่เหล็กแรงสูงที่ขดลวดสร้างขึ้นต่อโครงสร้างขนาดใหญ่

ขนาด

เพื่อให้ได้ระดับการจัดเก็บพลังงานที่มีประโยชน์ในเชิงพาณิชย์ ประมาณ 5 กิกะวัตต์ชั่วโมง (18 เทราจูล ) ระบบผลิตไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ขนาดกลางและขนาดย่อม (SMEs) จะต้องใช้ท่อส่งที่มีความยาวประมาณ 800 เมตร โดยทั่วไปมักวาดเป็นวงกลม แต่ในทางปฏิบัติอาจเป็นรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้าที่มีมุมโค้งมน ไม่ว่าจะเป็นแบบใดก็ตาม จำเป็นต้องมีพื้นที่ดินจำนวนมากเพื่อใช้ในการติดตั้งระบบ

การผลิต

มีประเด็นสำคัญสองประการในการผลิต SMES ประการแรกคือ การผลิตสายเคเบิลขนาดใหญ่ที่เหมาะสมสำหรับการนำกระแสไฟฟ้า วัสดุตัวนำยิ่งยวด HTSC ที่ค้นพบในปัจจุบันเป็นเซรามิกที่ค่อนข้างบอบบาง ทำให้ยากที่จะใช้เทคนิคที่มีอยู่ในการดึงลวดตัวนำยิ่งยวดที่มีความยาวมาก งานวิจัยจำนวนมากมุ่งเน้นไปที่เทคนิคการวางชั้น โดยการใช้ฟิล์มบางๆของวัสดุลงบนพื้นผิวที่มั่นคง แต่ปัจจุบันเทคนิคนี้เหมาะสำหรับวงจรไฟฟ้าขนาดเล็กเท่านั้น

โครงสร้างพื้นฐาน

ปัญหาประการที่สองคือโครงสร้างพื้นฐานที่จำเป็นสำหรับการติดตั้ง จนกว่า จะมีการค้นพบ ตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิห้องวงลวดความยาว 800 เมตรจะต้องถูกบรรจุไว้ภายในกระติกสุญญากาศที่บรรจุไนโตรเจนเหลวซึ่งในทางกลับกันจะต้องมีฐานรองรับที่มั่นคง ซึ่งโดยทั่วไปแล้วมักจะทำโดยการฝังโครงสร้างลงใต้ดิน

สนามแม่เหล็กวิกฤต

เมื่อความแรงของสนามแม่เหล็กสูงกว่าค่าหนึ่ง ซึ่งเรียกว่าสนามวิกฤตสถานะตัวนำยิ่งยวดจะถูกทำลาย นั่นหมายความว่ามีอัตราการชาร์จสูงสุดสำหรับวัสดุตัวนำยิ่งยวด โดยที่ขนาดของสนามแม่เหล็กเป็นตัวกำหนดฟลักซ์ที่ถูกจับโดยขดลวดตัวนำยิ่งยวด

กระแสวิกฤต

โดยทั่วไปแล้ว ระบบไฟฟ้าจะพยายามเพิ่มกระแสไฟฟ้าให้มากที่สุดเท่าที่จะทำได้ ซึ่งทำให้การสูญเสียเนื่องจากความไม่ eficiente ในระบบนั้นค่อนข้างไม่มีนัยสำคัญ อย่างไรก็ตาม กระแสไฟฟ้าขนาดใหญ่อาจสร้างสนามแม่เหล็กที่ใหญ่กว่าสนามวิกฤตตามกฎของแอมแปร์ได้ ดังนั้น วัสดุในปัจจุบันจึงไม่สามารถนำกระแสไฟฟ้าได้มากพอที่จะทำให้การสร้างโรงเก็บพลังงานเชิงพาณิชย์มีความคุ้มค่าทางเศรษฐกิจ

ปัญหาหลายประการในช่วงเริ่มต้นของเทคโนโลยีนี้ได้ขัดขวางการแพร่หลายของมัน:

1. ระบบทำความเย็นมีราคาแพงและค่าไฟฟ้าสูงในการรักษาอุณหภูมิการทำงาน
2. การมีอยู่และการพัฒนาอย่างต่อเนื่องของเทคโนโลยีที่เหมาะสมโดยใช้ตัวนำไฟฟ้าทั่วไป

ปัญหาเหล่านี้ยังคงเป็นอุปสรรคต่อการใช้งานตัวนำยิ่งยวด แต่ก็กำลังดีขึ้นเรื่อย ๆ มีการพัฒนาประสิทธิภาพของวัสดุตัวนำยิ่งยวดอย่างมาก นอกจากนี้ ความน่าเชื่อถือและประสิทธิภาพของระบบทำความเย็นก็ได้รับการปรับปรุงอย่างมีนัยสำคัญ

ระยะเวลาการทำความเย็นล่วงหน้าที่ยาวนาน

ในขณะนี้ต้องใช้เวลาสี่เดือนในการทำให้คอยล์เย็นลงจากอุณหภูมิห้องจนถึงอุณหภูมิใช้งานซึ่งหมายความว่า SMES ก็ใช้เวลานานเท่ากันในการกลับสู่อุณหภูมิใช้งานหลังจากการบำรุงรักษาและเมื่อเริ่มต้นใหม่หลังจากเกิดความล้มเหลวในการทำงาน^{[ 23 ]}

การป้องกัน

เนื่องจากมีการเก็บพลังงานไว้เป็นจำนวนมาก จึงจำเป็นต้องมีมาตรการบางอย่างเพื่อป้องกันขดลวดจากความเสียหายในกรณีที่ขดลวดล้มเหลว การปล่อยพลังงานอย่างรวดเร็วในกรณีที่ขดลวดล้มเหลวอาจทำให้ระบบโดยรอบเสียหายได้ การออกแบบเชิงแนวคิดบางอย่างเสนอให้รวมสายเคเบิลตัวนำยิ่งยวดเข้าไว้ในการออกแบบโดยมีเป้าหมายเพื่อดูดซับพลังงานหลังจากขดลวดล้มเหลว^{[ 6 ] [ 18 ]} ระบบยังต้องรักษาการแยกทางไฟฟ้าที่ดีเยี่ยมเพื่อป้องกันการสูญเสียพลังงาน^{[ 6 ]}

• การจัดเก็บพลังงานโครงข่าย

• Sheahen, T., P. (1994). บทนำสู่สภาพนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูง. Plenum Press, นิวยอร์ก. หน้า 66, 76–78, 425–430, 433–446.
• เอล-วากิล, เอ็ม., เอ็ม. (1984). เทคโนโลยีโรงไฟฟ้า. แมคกรอว์-ฮิลล์, หน้า 685–689, 691–695.
• Wolsky, A., M. (2002). สถานะและแนวโน้มของล้อหมุนและ SMES ที่รวม HTS ไว้ด้วย Physica C 372–376, หน้า 1,495–1,499
• Hassenzahl, WV (มีนาคม 2544). "สภาพนำยิ่งยวด เทคโนโลยีที่ช่วยให้ระบบพลังงานในศตวรรษที่ 21 เป็นไปได้หรือไม่?" IEEE Transactions on Applied Superconductivity . 11 (1): 1447– 1453. Bibcode : 2001ITAS...11.1447H . doi : 10.1109/77.920045 .

• บราวน์, มัลคอล์ม ดับเบิลยู. (6 มกราคม 1988). "การค้นหาระบบจัดเก็บพลังงานในอุดมคติครั้งใหม่"เดอะนิวยอร์กไทมส์ .

• การวิเคราะห์ต้นทุนของระบบจัดเก็บพลังงานสำหรับการใช้งานด้านสาธารณูป utilities ไฟฟ้า