超伝導磁気エネルギー貯蔵（SMES）の紹介：原則とアプリケーション

この記事では、電磁誘導と関連方程式を通じて、エネルギーが磁場に蓄積される方法について説明します。また、SMESシステムの作成に使用される高度な設計と材料を調べ、トロイドおよびソレノイドコイルに焦点を当てています。これらのシステムは、医療施設から産業サイトまで、さまざまな設定で使用されています。この記事では、ニオビウムチタニウムやYttriumバリウム酸化物などの超伝導材料などのコンポーネントの詳細な概要、およびSMESシステムのコイル構成に関する重要な設計上の考慮事項などを提供します。

カタログ

図1：超伝導磁気エネルギー貯蔵

超伝導とは何ですか？

超伝導は、必要な温度より下で冷却されたときに特定の材料が抵抗なしに電気を伝導する量子機械的現象です。それは以下を含みます：

ゼロ電気抵抗

超伝導体は、理想的な条件下でエネルギー損失のない永続的な電流の流れを可能にします。

Meissner効果

超伝導体は、超伝導状態にあるときに内部から磁場を排出します。これは、Meissner効果として知られており、中小企業アプリケーションで安定した効率的な磁場を維持するのに適しています。

位相遷移

超伝導は、臨界温度と呼ばれる特定の温度で発生します。この温度は材料固有のものであり、高温超伝導体の絶対ゼロから近い温度までの範囲です。

図2：

図3：電磁力

磁場におけるエネルギー貯蔵のメカニズム

SMESシステムでは、エネルギーは、超伝導コイルで直接電流によって生成される磁場に保存されます。プロセスには次のものが含まれます。

電流が超伝導コイルを流れると、磁場が作成されます。電磁理論によれば、磁場に保存されているエネルギーは、電流とコイルのインダクタンスの正方形に比例します。

保存されたエネルギー（e）は、方程式によって定量化できます。

ここで、Lはコイルのインダクタンスであり、Iは電流です。コイルの設計は、インダクタンスの最大化とエネルギー貯蔵を増やすための現在の能力に焦点を当てています。

エネルギーを効果的に保存して利用するには、磁場を封じ込めて制御する必要があります。これには、磁気経路を最適化し、損失を最小化するための複雑な幾何学と材料工学が含まれます。

超伝導磁気エネルギー貯蔵（SMES）のコンポーネント

超伝導コイルは、超伝導を最適化するように設計されており、電流が抵抗なしに流れることができます。これらのコイルは、コアの周りにワイヤーを巻き付けるか、ソレノイドに形作ることによって作成されます。

•コイル構成

ソレノイドコイル - これらの円筒形コイルは、内部に均一な磁場を生成し、MRIマシンで使用されます。

トロイダルコイル - ドーナツのような形をしたこれらのコイルは、融合研究におけるプラズマ封じ込めのためにTokamakリアクターのような用途で使用されます。

図4：ソレノイドコイルとトロイダルコイル

•冷却システム

高度な冷却システムは、超伝導を維持するのに役立ちます。これらのシステムは、液体ヘリウム、液体窒素、または極低温を使用して、コイルを閾値をはるかに下回る温度に保ちます。

超伝導コイルで使用される材料

超伝導コイルの性能は、使用される材料に大きく依存します。超伝導材料の2つの主要なタイプは次のとおりです。

•低温超伝導体（LTS）

ニオビウムチタニウム（NBTI）：MRIシステムおよび研究施設で一般的に使用されているNBTIは、耐久性と比較的単純な極低温要件で評価されています。

ニオビウム-TIN（NB3SN）：NBTIよりも高い温度と磁場のしきい値を持つNB3SNは、より強力な磁場を必要とするアプリケーションに理想的です。

•高温超伝導体（HTS）

Yttrium Barium oxide（YBCO）：この材料は、LTS材料よりも高い温度で動作し、冷却システムのコストを簡素化および削減します。

BSCCOは、テープのような形で知られている酸化ビスマスストロンチウムカルシウム（BSCCO）：柔軟性があり、複雑な形状のコイルに適しています。

図5：イットトリウムバリウム酸化物（YBCO）およびビスマスストロンチウムカルシウム酸化物（BSCCO）

超伝導磁気エネルギー貯蔵システムにおけるエネルギー変換プロセス

中小企業システムの最初のステップは、超伝導コイルがDCで実行されるため、交互の電流（AC）を電流（DC）に誘導することです。

グリッドまたは発電所からのACは、整流器に入ります。整流器の仕事は、方向を変えるACをDCに変えることです。DCは一方向に流れます。これを行うには、ダイオードやサイリスタなどのデバイスを使用します。

この変換の後、DCにはまだACのような波紋があるかもしれません。これらを滑らかにするために、コンデンサとインダクタでフィルターを使用します。これにより、SMESシステムの効率と安全性のために、DCが安定します。

滑らかなDCの準備が整っていると、DCは電気抵抗がない超伝導コイルに流れます。 これにより、電流がエネルギーを失うことなく流れることができます。

コイル内のDCは、その周りに強い磁場を作成し、電気エネルギーをこのフィールドに保存された磁気エネルギーに変換します。

コイルを超導電性に保つために、コイルは液体ヘリウムや窒素などの極低温クーラントを使用して非常に低温に保たれます。 これは、温度上昇がコイルが超伝導性を失い、エネルギー損失につながる可能性があるため、重要です。

貯蔵されたエネルギーが必要な場合、磁場に保存されているエネルギーはコイルのDC電流を駆動します。 このDCは、ほとんどの電源システムに役立つようにACに戻す必要があります。インバーターは、ACグリッドと一致する周波数で電流の方向を変更することによりこれを行います。

AC出力は、送信する前にグリッドの電圧、周波数、および位相と同期され、グリッドやその他の電気荷重でうまく機能するようにします。

図6：超伝導磁気エネルギー貯蔵システムの概略図

超伝導磁気エネルギー貯蔵システムの設計

効率、コスト、およびエネルギー貯蔵容量に必要なSMESシステムのコイル設計。2つの主要なコイルデザインは、トロイダルとソレノイドです。

コイルタイプ	ジオメトリと機能	利点	短所
トロイダルコイル	ドーナツ型、ほぼすべてを維持するように設計されています コイル内の磁場、漏れを最小限に抑えます。この形状は役立ちます コイル構造に作用する電磁力を減らします。	磁場封じ込め：磁気 フィールドはコイル内にとどまり、低下磁場につながります。	製造の複雑さ：構築 トロイダルの形状は複雑でコストがかかります。
		安全性：この設計はより安全で、干渉を減らします 近くの電子機器やその他の敏感な機器を備えています。	メンテナンスの課題：アクセス これらのコイルの内側部分は困難で、メンテナンスを複雑にし、 検査。
ソレノイドコイル	円筒形、電流が沿って走っています シリンダーの長さ。このデザインはよりシンプルで、より簡単です トロイド構成よりも。	製造の容易さ：ソレノイドコイルはそうです 単純なジオメトリのために生産が簡単で安価です。 メンテナンスのアクセシビリティ：オープンエンドの設計により、それらが簡単になります 維持および検査する。	磁場漏れ：磁気 シリンダーの両端にフィールドリークがあり、近くの電子に影響を与える可能性があります デバイスと追加のシールドが必要です。

コイル設計の選択に影響を与える要因

図7：ソレノイドコイルとトロイダルコイル

意図されたアプリケーション：アプリケーションは、コイルの選択を決定します。たとえば、医療施設や敏感な科学装置など、電磁干渉を最小限に抑える必要がある場合、トロイダルコイルが好まれます。

エネルギー貯蔵要件：保存するエネルギー量は、コイルの設計に影響します。ソレノイドコイルは、費用対効果のために小規模なアプリケーションに適している可能性がありますが、トロイダルコイルは、効率と磁気漏れが最小限のため、より大きな産業規模の保管に使用される場合があります。

空間と環境の制約：利用可能な物理的空間と環境条件が主な考慮事項です。コンパクトで囲まれた磁場を備えたトロイダルコイルは、限られたスペースまたは人口密集地域により適しています。

予算の制約：予算の制限は、コイルの設計の選択に影響します。ソレノイドコイルは安価であり、費用に敏感なプロジェクトで好まれる場合があります。

メンテナンスと運用上の考慮事項：メンテナンスの容易さと運用上の信頼性が重要です。メンテナンスと検査のために簡単にアクセスできるソレノイドコイルは、選択の決定的な要因になる可能性があります。

超伝導磁気エネルギー貯蔵システムの利点

アドバンテージ	説明
高効率と速い応答時間	SMESシステムは95％以上の効率を達成しています エネルギーをほぼゼロ抵抗で超伝導コイルに保存することにより。彼らは ミリ秒単位での電力需要の変化に応答できます。
環境への影響と安定性	これらのシステムは環境にやさしく、放出されます 温室効果ガスや有毒材料の使用。彼らは安定して維持します 温度や天候などの外部条件に関係なくパフォーマンス。
信頼性と長寿	SMESシステムには、可動部品や使用がありません 耐久性のある超伝導材料、摩耗や裂傷が少なくなり、 長寿命にわたるメンテナンスコスト。
スケーラビリティと汎用性	いくつかのエネルギーを保存することができます キロワット時のメガワット時まで、中小企業ユニットはさまざまなものに柔軟です アプリケーションで、最小限の多様な環境にインストールできます 変更。
グリッドと再生可能エネルギーをサポートします	彼らは電圧を調節し、安定化するのに役立ちます 頻度、および再生可能なソースからの滑らかな出力、グリッドの強化 再生可能エネルギーのより大きな統合の信頼性とサポート。
長期的な費用対効果	高い初期コストにもかかわらず、中小企業 システムは運用費用とメンテナンス費用が低いため、 特に特定のアプリケーションでは、長期的には費用対効果が高い。
安全性とセキュリティ	中小企業システムはのリスクを回避します 化学貯蔵溶液に関連する爆発または有毒漏れ、 それらは、都市部を含むさまざまな設定でより安全です。

超伝導磁気エネルギー貯蔵の用途

図8：柔軟なAC伝送システム、超伝導磁気エネルギー貯蔵の主要な用途の1つ

病院

病院は、命を救う機器とケアシステムを運用し続けるために、途切れない電源（UPS）に依存しています。SMESシステムは、電力障害中に貯蔵されたエネルギーを即座に放出し、運用上の混乱を最小限に抑えることにより、信頼できるUPSソリューションを提供します。また、高品質の電力規制を維持しており、敏感な医療機器を軽度の電力変動から保護します。

データセンター

膨大な量のデジタル情報を管理するデータセンターは、電力品質の問題に非常に敏感です。SMESシステムは、電圧のたるみやサージなどの短時間の電力障害から保護するのに最適です。中小企業を統合することにより、データセンターはサーバーとネットワーキング機器の継続的な動作を確保し、データサービスの可用性と完全性を維持できます。

再生可能エネルギー統合

風や太陽光などの再生可能エネルギー源は、気象条件による発電の変動性を導入します。SMESシステムは、生産期間中に過剰な電力を迅速に吸収し、生産量が少ないときにエネルギーを放出し、変動を滑らかにし、グリッドの安定性を高めることにより、グリッドを安定させます。

電気自動車充電ステーション

電気自動車（EV）の採用の増加に伴い、効率的で高速な充電ソリューションの需要が増加します。EV充電ステーションのSMESシステムは、オフピーク時にエネルギーを貯蔵し、ピーク需要中に解放することにより、負荷需要を管理します。これにより、電気グリッドへのひずみが削減され、充電時間が速くなります。

産業用アプリケーション

電力の突然の爆発を必要とする産業は、中小企業システムから利益を得ています。これらのシステムは、グリッドに重度に描画することなく適切なエネルギーを提供し、機械を正確に制御し、製品の品質を維持するために製造に必要です。

軍事および航空宇宙

軍事基地と航空宇宙作戦には、信頼できる高品質のエネルギーが必要です。SMESシステムは、途切れない運用を保証し、これらのセクターの高度な技術と機器の高エネルギー需要をサポートする迅速な応答電源を提供します。

大量輸送システム

鉄道ネットワークと都市交通システムは、中小企業による電力効率と信頼性を向上させます。これらのユニットは、ブレーキング中に生成されたエネルギーを管理し、効率的に再配布し、輸送システムの全体的なエネルギー効率を向上させます。

結論

この記事では、超伝導磁気エネルギー貯蔵（SMES）システムを調査し、革新的なエネルギー貯蔵技術としての可能性を強調しています。SMESシステムは、高効率、迅速な応答時間、および環境への影響の低さを提供し、現在のエネルギーの課題に対する解決策になります。この記事は、ヘルスケア、再生可能エネルギー、輸送など、さまざまな分野での使用をカバーしており、汎用性とスケーラビリティを示しています。世界が持続可能なエネルギーソリューションに向かって移動するにつれて、SMESテクノロジーはグローバルなエネルギー回復力を高める上で際立っています。再生可能エネルギー源を統合し、グローバルパワーインフラストラクチャの安定性と効率を改善するためのSMEの継続的な開発。

よくある質問[FAQ]

1.磁場はエネルギーをどのように保存しますか？

磁場は、磁気双極子または荷電粒子のアライメントと移動を通じてエネルギーを蓄積します。電流がワイヤーのコイルを通過すると、コイルの周りに磁場が作成されます。この磁場は、フィールドを確立するために行われた作業により、エネルギーを蓄えることができます。具体的には、原子の磁気モーメントを材料内の磁気モーメントを整列させるためにエネルギーが必要であり、それが次に力を発揮し、他のオブジェクトで動作することができるフィールドを作成します。磁場に保存されているエネルギーは、フィールドの強度の正方形に直接比例します。

2.磁場にエネルギーを保存するデバイスは何ですか？

磁場にエネルギーを貯蔵するデバイスは、インダクタまたは磁気コイルです。インダクタはワイヤーのコイルで構成され、多くの場合、磁場の強度を高める磁気コアに巻き付けられています。電流がコイルを流れると、磁場が蓄積し、このフィールドにエネルギーが保存されます。インダクタの磁気エネルギーを保存する能力は、多くの電子回路、電源および変換技術で使用されます。

3.超伝導磁気エネルギー貯蔵はどの程度効率的ですか？

超伝導磁気エネルギー貯蔵（SMES）システムは非常に効率的であり、90％から95％の往復エネルギー効率を達成しています。これらのシステムは、非常に低い温度で耐性なしに電気を伝達できる超伝導コイルを使用します。電気抵抗の欠如は、熱としてエネルギーがほとんど失われないことを意味し、これによりエネルギー貯蔵の効率が向上します。SMESシステムは、貯蔵されたエネルギーをほぼ瞬時に放出する能力について評価されています。これは、ピーク需要中のパワーグリッドを安定化するなど、急速な放電を必要とするアプリケーションに適しています。

4.磁気エネルギーは店舗ですか、それとも転送ですか？

磁気エネルギーはエネルギー貯蔵の一種です。エネルギーは、電荷の動きによって作成された磁場にコイルで保存されます。必要に応じて、この保存されたエネルギーは電気エネルギーに戻すか、機械的作業を実行するために使用され、磁場から別の形にエネルギーを伝達することができます。ただし、インダクタやSMESシステムなどのデバイスにおける磁気エネルギーの主な役割は、エネルギーを貯蔵することです。

5.磁気エネルギーストアの例は何ですか？

磁気エネルギーストアの例は、主に機械的ではあるが、エネルギー貯蔵と安定化のための磁気成分を組み込んだフライホイールエネルギー貯蔵システムです。これらのシステムは、磁気ベアリングを使用して摩擦とエネルギーの損失を減らすバージョンで、移動が磁場を生成する回転機械フライホイールを使用します。機械的エネルギーと磁気エネルギーの間のこの相互作用により、フライホイールシステムはエネルギーを効率的に保存し、必要に応じて迅速に放出することができ、機械的および電気形態の両方で磁気エネルギー貯蔵の実用的な用途になります。