Сверхпроводящие индукционные накопители (СПИН)

При подключении катушки индуктивности L к источнику напряжения U протекающий ток I создает магнитное поле, обладающее энергией

где: L - индуктивность, Гн, I - сила тока, А

В обычных условиях из-за сопротивления контура эта энергия быстро рассеивается, превращаясь в тепло. СПИН используют явление сверхпроводимости, накапливая энергию магнитного поля, созданного током, циркулирующим в сверхпроводящей катушке, практически без потерь. Благодаря явлению сверхпроводимости энергия, заряженная в катушке, хранится длительное время и может практически мгновенно быть выдана в сеть по требованию.

Для СПИН характерен широкий диапазон изменения выходных токов и напряжений: токи в интервале і О3—107 А, напряжения в интервале десятки вольт — единицы мегавольт, и соответственно, мощности до 1012 Вт, энергии до 109 Дж. Удельные энергетические характеристики достаточно высоки и могут достигать значений 100 кДж/кг.

Основными компонентами СПИН являются:

Катушка индуктивности со сверхпроводящей обмоткой - играет роль аккумулятора электрической энергии. Для изготовления обмотки применяются специальные сплавы, интерметаллические соединения TiNb, Nb3 Sn, являющиеся сверхпроводниками второго рода. Эти соединения имеют высокий уровень критической индукции магнитного поля и по ним можно пропускать значительные токи в сверхпроводящем состоянии.

Криостат - специальный термос для хранения холодных жидкостей, изолирующий обмотки находящейся внутри него катушки от притоков тепла извне. В криостат заливают жидкий гелий и чтобы он испарялся не слишком сильно, его окружают азотным экраном - поверх сосуда с жидким гелием. Испаряясь, жидкий азот уменьшает испарение более холодного и дорого гелия.

Рефрижератор - предназначен для поддержания катушки обмотки в сверхпроводящем состоянии при температуре жидкого гелия (< 4.2°К) Потребление энергии на охлаждение составляет около 0.1% в час, что особо не сказывается на эффективности всей системы, Управляемый вентильный преобразователь - предназначен для связи с энергосистемой, работает в режиме, как выпрямителя, так и инвертора. Потери на трансформацию тока 2-3% в каждом направлении. Схема конструкции изображена на рис. 4.6

Работа СПИН сопровождается значительными сжимающими осевыми и распирающими радиальными усилиями, которые возникают под действием мощного электромагнитного поля. Поэтому к надежности конструкции бандажа катушки предъявляются очень жесткие требования. Бандаж, расположенный в зоне криогенных температур выполняют из нержавеющей стали, сохраняющей упругость при таких температурах.

Сверхпроводящие индуктивные накопители энергии (СПИН) имеют широкие перспективы использования, обусловленные возможностью длительного хранения энергии с высоким уровнем времени готовности (время от подачи команды до выдачи энергии в нагрузку -1 мс). Важной в практическом отношении особенностью СПИН является возможность его запитки от источника с малой электрической мощностью и выдаче как активной, так и реактивной мощности. При этом СПИН имеют высочайший кпд - 95-97%, а отсутствие движущихся частей в главных компонентах системы обеспечивает ее высокую надежность.

Основным ограничением, препятствующим получению высокой плотности энергии, является механическая прочность сверхпроводящей катушки. Поскольку магнитные поля и токи здесь громадны, то усилия, действующие на катушку очень велики. Сплавы же применяемые для создания сверхпроводников хрупкие.

Применение СПИН в качестве импульсных энергоисточников ограничивается критичностью сверхпроводников к скорости изменения магнитного поля при накачке и выводе энергии в нагрузку. Особенностью типичных СПИН является сравнительно малое значение рабочего тока (~10кА). Методы электромашинного и электромеханического управления индуктивностью ИНЭ позволяют увеличить значения полного тока в нагрузке, однако другое ограничение (скорость изменения поля не превышает 20 Тл/с) увеличивает время разрядки до десятков миллисекунд.

При аварийной потере сверхпроводимости запасенная в накопителе энергия выделится в виде джоулева тепла на участке обмотки, перешедшем в нормальное состояние. При этом произойдет катастрофический взрыв с выбросом жидкого азота и гелия в окружающую среду. Поэтому самопроизвольное высвобождение такой энергии должно предотвращаться сложной системой защиты. Огромные магнитные поля, возникающие вокруг сверхпроводящих обмоток, могут оказать опасное воздействие на живую природу и человека. Поэтому необходимо создание буферных зон вокруг территории с работающим СПИН, чтобы обеспечить безопасность, как человека, так и живой природы.

Широкому внедрению в энергетику существующих проектов препятствует очень высокая стоимость, обусловленная необходимостью многочисленного вспомогательного оборудования, массивных опорных конструкций, дорогих материалов, и сложным процессом производства.

Из за высоких капиталовложений СПИН в настоящее время экономически выгодно применять только маломощные системы (100- 1000 кВт), обеспечивающие высокую стабильность и качество электроэнергии ответственных потребителей (например, завода по производству микропроцессоров). Время цикла аккумулирования таких систем составляет всего несколько секунд.

Суперконденсаторы

Энергия, накапливаемая в электрическом поле конденсатора с емкостью С, определяется по формуле:

где: U - подведенное напряжение.

К числу важнейших достижений электрохимической технологии относится создание суперконденсаторов (СК), которые представляют собой конденсаторы с двойным электрическим слоем. Они отличаются от обычных конденсаторов тем, что для пространственного разделения разноименных зарядов, создающих рабочее электрическое поле, используются не макроскопический диэлектрический слой между проводящими обкладками, а микроскопический поляризованный слой на границе поверхности раздела двух сред. Исследованиями установлено, что максимальная плотность энергии может быть достигнута, если осуществляется контакт полупроводника или металла с диэлектрической (электронно - изолирующей) молекулярной жидкостью, содержащей парные подвижные ионы.

К настоящему времени исследованы системы СК с удельной энергией до 10-25 кДж/кг, что примерно в 100 раз превышает удельную энергию известных конденсаторов. В технологически освоенных образцах накопителей энергии, испытанных в различных режимах разряда с длительностью импульса до 0,1-100 с, достигнуты значения удельной энергии 1-10 кДж/кг. Удельная средняя мощность СК составляет в зависимости от длительности разряда величину 0,1- ЮкВт/кг, что существенно превышает удельную мощность традиционных накопителей энергии (в том числе и аккумуляторов). Количество допустимых циклов "разряд-заряд" для СК различных типов составляет от 104 до 105.

Принцип работы заключается в следующем: на границе раздела фаз (проводник первого рода - электролит) создается двойной электрохимический слой, в котором электролит имеет один знак заряда, а твердое тело — другой. Емкость двойного слоя лежит в пределах 0,1-1,0 мФ/м2. Площадь поверхности раздела фаз может быть очень большой, поэтому и значения удельной емкости границы раздела фаз также достигают высоких значений. Конденсаторы, состоящие из двух электродов и электролита между ними, в которых реализуется емкость двойного слоя, называются двухслойными (рис.4.7).

Дополнительно эти конденсаторы могут иметь фарадеевскую емкость (псевдоемкость), обусловленную разрядом адсорбированных частиц, например, водорода.

В качестве электродов применяются углеродистые материалы, электронопроводящие полимеры, например полипиррол, политиофен и оксиды, а в качестве электролитов - растворы кислот или неводные растворы. Наибольшая достигнутая удельная емкость составляет 360 Ф/г для углеродистых материалов и 768 Ф/г - для оксида рутения.

Выпускаемые суперконденсаторы, в том числе в России, имеют удельную энергию 1,5...5 Втч/кг, удельную мощность до 10 кВт/кг, ресурс более 105 циклов. В перспективе ожидается увеличение удельной энергии до 12 Вт ч/кг, удельной мощности - до 100 кВт/кг.

Основные преимущества — высокие скорости зарядки и разрядки, слабая деградация после сотен тысяч циклов, малый вес, низкая токсичность материалов, высокая эффективность (более 95 %).

Возможность использования данных накопителей значительно ограничена тем, что минимальная длительность разряда

характеризуется миллисекундными временами, а генерируемые токи - единицами килоампер. Модульный характер конструкции требует значительного числа контактных соединений, что снижает надежность устройства. Также существует необходимость изменения полярности батарей при переключениях из заряда в разряд и напряжение зависит от степени заряжённое™.

Накопители на базе конденсаторов с высокой удельной емкостью можно рассматривать как перспективные устройства, позволяющие комплексно решать проблемы аккумулирования ЭЭ в энергосистемах.

Они могут быть установлены в любой точке сети для выравнивания графиков нагрузки, но на данный момент из-за высокой стоимости широкое использование суперконденсаторов ограничено применением в качестве мобильных источников энергии для бытовой и автомобильной промышленности.