超導磁能存儲系統 (SMES)

能量存儲是一個過程，發生在存儲能量的設備或物理介質上，以便它們以後可以有效地使用它。

儲能係統可分為機械、電氣、化學和熱能。現代儲能技術之一是SMES系統——超導磁儲能（superconducting magnetic energy storage systems）。

超導磁能存儲 (SMES) 系統將能量存儲在由超導線圈中的直流電流產生的磁場中，超導線圈已低溫冷卻至低於其臨界超導溫度的溫度。超導線圈充電時，電流不減少，磁能可以無限儲存。儲存的能量可以通過線圈放電返回到電網。

超導磁儲能係統基於直流電流動產生的磁場 在超導線圈中.

超導線圈持續低溫冷卻，因此它始終低於臨界溫度，即 超導體… 除了線圈，SMES 系統還包括一個低溫冰箱和一個空調系統。

結論是處於超導狀態的帶電線圈本身能夠承受持續的電流，從而給定電流的磁場可以無限長時間地儲存其中儲存的能量。

如有必要，存儲在超導線圈中的能量可以在這種線圈放電期間提供給網絡。要將直流電轉換為交流電， 逆變器，以及從網絡為線圈充電——整流器或 AC-DC 轉換器。

在一個方向或另一個方向高效轉換能量的過程中，SME 的損失最多為 3%，但這裡最重要的是，在這種方法的能量存儲過程中，損失是最小的任何目前已知的能量存儲和存儲方法。中小企業整體最低效率為95%。

由於超導材料成本高，考慮到冷卻也需要能源成本，SMES系統目前只用於需要短時間儲存能量，同時提高供電質量的地方.也就是說，它們傳統上僅在緊急需要的情況下使用。

SME系統由以下組件組成：

• 超導線圈，
• 低溫恆溫器和真空系統，
• 冷卻系統，
• 能量轉換系統，
• 控制裝置。

SME系統的主要優勢是顯而易見的。首先，超導線圈能夠接受或放棄存儲在其磁場中的能量的時間極短。這樣，不僅可以獲得巨大的瞬時放電力，而且可以以最小的時間延遲為超導線圈充電。

如果我們將 SME 與壓縮空氣存儲系統、飛輪和液壓蓄能器進行比較，那麼後者的特點是在電能和機械能之間的轉換過程中存在巨大的延遲（見—— 飛輪儲能).

沒有移動部件是 SMES 系統的另一個重要優勢，這提高了它們的可靠性。當然，由於超導體中沒有有源電阻，這裡的存儲損耗很小。 SMES 的比能量通常在 1 到 10 Wh/kg 之間。

1 MWh SMES 在全球範圍內用於在需要的地方改善電能質量，例如需要最高質量電能的微電子工廠。

此外，中小企業在公用事業領域也很有用。因此，在美國的一個州有一家造紙廠，在其運營期間可能會導致電力線出現強烈浪湧。今天，工廠的電力線配備了SMES模塊的整個鏈條，保證了電網的穩定性。容量為 20 MWh 的 SMES 模塊可以持續提供兩個小時的 10 MW 或半小時的全部 40 MW。

超導線圈存儲的能量可以使用以下公式計算（其中 L 是電感，E 是能量，I 是電流）：

從超導線圈的結構配置來看，抗變形、熱脹冷縮指標極小、對洛倫茲力的敏感性低是非常重要的，洛倫茲力是在超導線圈中不可避免地產生的。安裝的操作（最重要的電動力學定律).所有這些都是重要的，以防止在計算安裝的屬性和建築材料的數量階段損壞繞組。

對於小型系統，0.3% 的總應變率被認為是可以接受的。此外，線圈的環形幾何形狀有助於減少外部磁力，從而可以降低支撐結構的成本，還可以將安裝位置靠近負載物體。

如果 SMES 安裝較小，則電磁線圈也可能適用，與環形線圈不同，它不需要特殊的支撐結構。但需要注意的是，環形線圈需要壓箍和壓盤，尤其是在涉及到相當耗能的結構時。

如上所述，冷卻的超導製冷機持續需要能量來運行，這當然會降低 SMES 的整體效率。

因此，在設計安裝時必須考慮的熱負荷包括：支撐結構的熱導率、受熱表面一側的熱輻射、充放電電流流過的電線中的焦耳損耗，以及損耗工作時在冰箱裡。

但是，儘管這些損失通常與裝置的標稱功率成正比，但 SMES 系統的優勢在於，隨著能量容量增加 100 倍，冷卻成本僅增加 20 倍。此外，對於高溫超導體，冷卻節省比使用低溫超導體時更大。

看來，基於高溫超導體的超導儲能係統對冷卻的要求較低，因此成本應該更低。

然而實際上，情況並非如此，因為安裝基礎設施的總成本通常超過超導體的成本，而且高溫超導體線圈比低溫超導體線圈貴 4 倍.

此外，高溫超導體的極限電流密度低於低溫超導體，這適用於5至10T範圍內的工作磁場。

所以要得到相同電感的電池，需要更多的高溫超導線材。如果裝置的能耗約為 200 MWh，那麼低溫超導體（導體）的價格將高出十倍。

此外，關鍵的成本因素之一是：冰箱的成本在任何情況下都非常低，以至於通過使用高溫超導體來減少冷卻能量所節省的百分比非常低。

可以通過增加峰值工作磁場來減小體積並增加存儲在 SMES 中的能量密度，這將導致導線長度的減少和總體成本的降低。最佳值被認為是大約 7 T 的峰值磁場。

當然，如果場增加到超過最佳值，則可以在成本增加最少的情況下進一步減小體積。但是場感應限制通常在物理上受到限制，因為不可能將環形線圈的內部部件放在一起，同時仍然為補償圓柱體留出空間。

超導材料仍然是為中小企業創建具有成本效益和高效裝置的關鍵問題。當今開發人員的努力旨在提高超導材料的臨界電流和變形範圍，並降低其生產成本。

總結中小企業系統廣泛引入的技術難點，可以明確區分如下。需要能夠承受線圈中產生的顯著洛倫茲力的堅固機械支撐。

需要大片土地，因為 SME 裝置（例如容量為 5 GWh）將包含一個長約 600 米的超導電路（圓形或矩形）。此外，圍繞超導體的液氮真空容器（600米長）必須位於地下，並提供可靠的支撐。

下一個障礙是超導高溫陶瓷的脆性，這使得難以為大電流拉線。破壞超導性的臨界磁場也是提高SMES比能量強度的障礙。出於同樣的原因，NS 也存在嚴重的電流問題。