پاورپوینت ذخیره سازی انرژی مغناطیسی ابررسانا

بخشی از پاورپوینت

اسلاید 1 :

ذخیره سازی انرژی مغناطیسی ابررسانا
ارائه درس ذخیره سازی انرژی

اسلاید 2 :

ساختار ارائه
اصول پایه ای
تئوری عملکرد
ملاحظات مکانیکی و الکتریکی
اجزای تشکیل دهنده
مگنت ابررسانا
سیستم برودتی
سیستم شایسته سازی توان
سیستم کنترلی
کاربردهای SMES
کاربرد در سیستم قدرت
کاربرد نظامی

اسلاید 3 :

اصول پایهای
مدار RL
هنگامیکه سیمپیچ به یک ولتاژ ثابت متصل شود، جریان الکتریکی با گذشت زمان تغییر کرده و از مقدار صفر به یک مقدار حالت مانا میرسد. اگر کلید بسته شود، فرآیند ذخیره انرژی آغاز شده و جریان الکتریکی i(t) در مدار افزایش مییابد.

اسلاید 4 :

اصول پایهای
انرژی ذخیره شده

انرژی گرفته شده از منبع (Ws) برابر با انرژی ذخیرهشده در میدان مغناطیسی سلف (Wmag) به علاوه انرژی تلفشده در مقاومت مدار (Wres) خواهد بود.

به طریقی مشابه، میتوان یک سیمپیچ ابررسانا را به یک منبع توان ثابت DC متصل کرد. به همان نسبتی که جریان سیمپیچ (که یک سلف خالص با مقاومت درونی برابر با صفر است) افرایش مییابد، میدان مغناطیسی نیز افزایش مییابد و تمامی انرژی الکتریکی در میدان مغناطیسی و جریان گردشی DC ذخیره میشود.
این موضوع، ایده اصلی استفاده از میدان مغناطیسی در ذخیرهسازی انرژی است.

اسلاید 5 :

اصول پایهای
ذخیره سازی انرژی مغناطیسی ابررسانا
مگنت ابررسانا با درگاههای ورودی اتصال کوتاه شده، انرژی را در چگالی شار مغناطیسی B که بوسیله حرکت جریان مستقیم پیوسته ایجادشده است، ذخیره میکند.
هر سیستم SMES از چهار قطعه اصلی تشکیل یافته است:
1- مگنت ابررسانا با ساختار حمایتکننده آن.
2- سیستم برودتی (پمپ خلاء، سرماسنج، خنککن ابررسانا و غیره).
3- سیستم شایستهسازی توان، PCS (حدواسط مابین مگنت ابررسانا و بار یا شبکه الکتریکی).
4- سیستم کنترل (الکترونیک، حفاظت مگنت، سرمازایی و غیره).

اسلاید 6 :

ملاحظات مکانیکی
اگرچه چگالی شار مغناطیسی قابل دسترس، مقدار انرژی بر واحد حجم داده شده بوسیله B2/2μ0 محدود میشود؛ محدوده واقعی انرژی ذخیرهشده در یک SMES مکانیکی است و نه الکتریکی. تئوری ویریال (Virial Theoreom) رابطه بین حداقل جرم ساختار مکانیکی Mmin و انرژی ذخیرهشده Wmax را میدهد.

دو رویکرد برای لحاظکردن نیروی لورنتز پیشنهاد شده است؛ استفاده از زمین (رویکرد گرم) و یا خودحمایتی (رویکرد سرد).

در رویکرد اول نیروهای واردشده بر SMES به یک صخره خارجی منتقل میشود. در این روش مگنت در یک غار زیرزمینی یا در یک سنگر سطحی محکمشده نصب میشود.

در طراحی خودحمایتی، ساختار سردکننده مگنت خود بعنوان حمایتکننده قانون لورنتز عمل میکند. این روش ارزانتر از راهحل حمایتشده زمینی است و میتواند تا میزان انرژی در حد گیگاوات ساعت نیز مورد استفاده قرار گیرد

اسلاید 7 :

ملاحظات الکتریکی
سیستمهای SMES چگالی انرژی پایینی از خود نشان میدهند. باتریها میزان بیشتری انرژی دارند اما در مقابل، چگالی توان بالایی را از خود نشان میدهند.

در طول شارژ و دشارژ، برخی از انرژی به علت تلفات AC و همچنین تلفات سیمپیچ ابررسانا و جریان سرگردان در سرماسنج تلف میشود. این اتلافها میتوانند در حد چند درصد از کل انرژی ذخیرهشده است.
SMES بازده تبدیل انرژی بالایی بیش از 95% را از خود نشان میدهند. بازده بالای انرژی آنها ذاتاً به علت عدم حضور تبدیل انرژی از شکلی به شکل دیگر، مکانیکی یا شیمیایی است.

اسلاید 8 :

SMES
به صورت خلاصه، ویژگیهای اصلی SMES را میتوان به شرح زیر بیان نمود:
چگالی توان بالا، اما چگالی انرژی نسبتاً پایین (بیشتر یک منبع توانی است تا یک وسیله ذخیرهسازی)
زمان پاسخ بسیار سریع
تعداد شارژ و دشارژهای بسیار زیاد
هیچگونه بخش متحرکی ندارد/تعمیرات کمی میخواهد
امکان شارژ بسیار سریع
بازده تبدیل انرژی بسیار بالا

اسلاید 9 :

نمونه SMES

اسلاید 10 :

اجزای تشکیل دهنده
مگنت ابررسانا
در ارئه این موضوع، بررسی دو قسمت عمده ضروری است:
هادی ابررسانا
پیکرهبندی مگنت

هادی ابررسانا
 ابررساناها قادر به به حمل جریانهای بسیار بالا در حضور میدان مغناطیسی بالا در دماهای پایین با مقاومت الکتریکی برابر با صفر هستند که این امر، شارش دائمی جریان الکتریکی در آنها را تضمین مینماید. تا قبل اینکه از مقادیر بحرانی آنها (دمای Tc، میدان القایی Bc و چگالی جریان Sc) تخطی صورت گیرد، ابررساناها هیچ گونه مقاومت الکتریکی را از خود نشان نمیدهند.
چگالی بالای جریان، به تجهیزات مختلفی که برای یک کاربرد خاص طراحی شدهاند نسبت به حالت عادی، اجازه ساخته شدن به صورت بسیار جمعوجورتر را میدهند.

اسلاید 11 :

اجزای تشکیل دهنده - مگنت
هادی ابررسانا
ابررساناهای تخصصی معمولاٌ از فیلامانهای چندگانه NbTi یا Nb3Sn جادهی شده در یک ماتریکس پایدارسازی آلومینیومی یا مسی ساخته میشوند (شکل زیر).

اگر ابررسانا به صورت عادی هادی شود، جریان الکتریکی به ماتریکس پایدارسازی منتقل میشود که این امر سبب جلوگیری از نابودی ابررسانا به وسیله اضافه گرمای ایجادشده میشود.

اسلاید 12 :

اجزای تشکیل دهنده - مگنت
هادی ابررسانا
به مرور با تولید ابررساناهای دما بالا (HTS)، امیدواری ها برای کاهش هزینه سیستم برودتی و عملکرد در دمای بالاتر، یا حمل مقادیر بیشتری جریان ایجاد گردیده است.
سودمندی در سیستم برودتی
پایداری بیشتر
حساسیتپذیری کمتر به اختلالات خارجی برای مگنت
افزایش زیاد گرمای ویژه با دما
عایقبندی الکتریکی میتواند ضخیمتر باشد
افزایش توان در ولتاژ بالاتر عملیاتی شود
اختلاف دمایی مجاز بین هادی و منبع سرد به وضوح میتواند افزایش یابد

اسلاید 13 :

اجزای تشکیل دهنده - مگنت
پیکره بندی مگنت
دو تکنولوژی مگنت اساسی وجود دارد؛ سلونوئید و توروئید. سیمپیچ توروئید عموماً برای SMESهای کوچک و متوسط مناسب است. ساختار ایدهآل آن با ساختار چندمرحلهای سازگار است و مزیت این روش کاهش شار نشتی مغناطیسی و فضای کف است. سیمپیچ سلونوئید برای SMESهای بزرگ مناسب بوده و مزیت آن داشتن ساختار ساده است. در ساختار توروئید نیروهای الکترومغناطیسی به سمت درون و در ساختار سلونوئید، به سمت بیرون هستند.

اسلاید 14 :

اجزای تشکیل دهنده - مگنت

اسلاید 15 :

اجزای تشکیل دهنده – سیستم شایسته سازی توان
سیستم شایسته سازی توان
سیمپیج ابررسانا در واقع منبعی برای جریان مستقیم متغیر است. برای جفت کردن این منبع به یک سیستم ولتاژ ثابت AC، یک سیستم تبدیلکننده توان ویژه نیاز است. سیستمهای یکسوکننده و
متناوبکننده از این نوع در حال حاضر برای جفت کردن خطوط انتقال AC و DC استفاده میشوند. با تنظیم زاویه آتش تریستور، تغییر سریع یا آرام نرخ شارژ و دشارژ ممکن بوده که میتوان حتی در یک سیکل فرکانس سیستم قدرت نیز تنطمیات لازم را اِعمال نمود.

اسلاید 16 :

اجزای تشکیل دهنده – سیستم شایسته سازی توان
هنگامیکه زاویه تأخیر p کمتر از ͦ90 است، پل در حالت یکسوکنندگی عمل میکند و بعنوان یک بار S=P+jQ برای سیستم قدرت AC عمل میکند

اگر این زاویه تأخیر بیش از 90 تنظیم شود، توان اکتیو P تغییر علامت میدهد و پل به صورت یک منبع توان در شبکه ظاهر میشود. در این حالت، پل به صورت یک متناوبکننده ظاهر میشود
کنترل مناسب زاویه تأخیر این پلها، مدیریت مناسب نرخ مصرف و تولید توان اکتیو و رئاکتیو را به صورت سریع و یا آرام در باس محل اتصال سیستم SMES نیز ممکن نموده است.
سیستم شایستهسازی توان، PCS، عموماً در دو نوع وجود دارد: مبدل نوع جریان، CSC، و PCS مبدل نوع ولتاژ، VSC.
Current Source Convertor
Voltage Source Convertor

اسلاید 17 :

اجزای تشکیل دهنده – سیستم شایسته سازی توان
نوع VSC-PCS معمولاً در سیستمهای SMES بزرگ استفاده میشود. این مبدل، یک مبدل منبع ولتاژ است که با یک چاپر DC/DC به صورت سری قرار داده شده است. شارژ و دشارژ SMES از طریق مدار معکوس و چاپر کنترل میشود.

پیکرهبندی یک CSC-PCS در مقایسه با مبدل نوع ولتاژ سادهتر بوده و همچنین کنترل آن نیز سادهتر است. مهمترین خصوصیت آن این است که پاسخ تبادل توان با یک CSC-PCS در مقایسه با VSC-PCS بسیار سریعتر است

اسلاید 18 :

اجزای تشکیل دهنده – سیستم برودتی
سیستم برودتی
سیستم برودتی دستگاه SMES از یک یخچال که در آن یک مایع سردکننده قرار داده میشود و همچنین یک شریان ذخیره سرماسنج که در آن سیمپیچ ابررسانا باید برای عایقشدن گرمایی از محیط و سردسازی جایدهی شود، تشکیل شده است.

دو نوع روش سنتی برای سردسازی سیمپیچ SMES وجود دارد؛ یکی اینکه اجازه دهیم سیمپیچ SMES در هلیم مایع شناور باشد و دیگری سردسازی تحت فشار برای شارش پیدا کردن هلیوم فوق بحرانی از هادی. روش اول از نظر مسئله پایداری مناسبتر است، اما در زمینه تلفات AC و
مقاومت در برابر ولتاژ مناسب نیست. روش دوم عملکرد خوبی، تلفات AC و اضافهولتاژ دارد؛ اما برای پایداری سیستم نیاز به کار بیشتری است.

اسلاید 19 :

اجزای تشکیل دهنده – سیستم برودتی

اسلاید 20 :

اجزای تشکیل دهنده – استراتژی کنترلی

سیستم کنترل

عملکرد سیستم SMES بوسیله نوع کنترلر آن نیز تعیین میشود که در واقع یک تکنیک مهم است که باید در طراحی SMES مورد توجه قرار گیرد. شکل زیر بلوک دیاگرام کنترل یک سیستم SMES را نشان میدهد که در آن متغیرهای سیستم قدرت، انحرافات ولتاژ، فرکانس و جریان، Pd و Qd، تقاضای توان اکتیو و رئاکتیو؛ α1 و α2، زوایای آتش مبدلها و Ps و Qs، خروجیهای توان اکتیو و رئاکتیو برای سیستم SMES هستند