સુપરકન્ડક્ટીંગ મેગ્નેટિક એનર્જી સ્ટોરેજ સિસ્ટમ્સ (SMES)

એનર્જી સ્ટોરેજ એ એવી પ્રક્રિયા છે જે ઉપકરણો અથવા ભૌતિક માધ્યમો સાથે થાય છે જે ઊર્જાનો સંગ્રહ કરે છે જેથી તેઓ પછીથી તેનો અસરકારક રીતે ઉપયોગ કરી શકે.

એનર્જી સ્ટોરેજ સિસ્ટમ્સને યાંત્રિક, વિદ્યુત, રાસાયણિક અને થર્મલમાં વિભાજિત કરી શકાય છે. આધુનિક ઊર્જા સંગ્રહ તકનીકોમાંની એક SMES સિસ્ટમ્સ છે — સુપરકન્ડક્ટિંગ મેગ્નેટિક એનર્જી સ્ટોરેજ (સુપરકન્ડક્ટિંગ મેગ્નેટિક એનર્જી સ્ટોરેજ સિસ્ટમ્સ).

સુપરકન્ડક્ટિંગ મેગ્નેટિક એનર્જી સ્ટોરેજ (SMES) સિસ્ટમ્સ સુપરકન્ડક્ટિંગ કોઇલમાં ડાયરેક્ટ કરંટ ફ્લો દ્વારા બનાવવામાં આવેલા ચુંબકીય ક્ષેત્રમાં ઊર્જાનો સંગ્રહ કરે છે જેને ક્રાયોજેનિકલી તેના નિર્ણાયક સુપરકન્ડક્ટિંગ તાપમાનથી નીચેના તાપમાને ઠંડુ કરવામાં આવે છે. જ્યારે સુપરકન્ડક્ટીંગ કોઇલ ચાર્જ થાય છે, ત્યારે વર્તમાનમાં ઘટાડો થતો નથી અને ચુંબકીય ઉર્જા અનિશ્ચિત સમય માટે સંગ્રહિત કરી શકાય છે. સંગ્રહિત ઊર્જા કોઇલને ડિસ્ચાર્જ કરીને ગ્રીડમાં પાછી આપી શકાય છે.

સુપરકન્ડક્ટીંગ મેગ્નેટિક એનર્જી સ્ટોરેજ સિસ્ટમ પ્રત્યક્ષ પ્રવાહના પ્રવાહ દ્વારા પેદા થતા ચુંબકીય ક્ષેત્ર પર આધારિત છે. સુપરકન્ડક્ટીંગ કોઇલમાં.

સુપરકન્ડક્ટીંગ કોઇલ સતત ક્રાયોજેનિકલી ઠંડુ થાય છે, પરિણામે તે સતત નિર્ણાયક તાપમાનથી નીચે રહે છે, એટલે કે. સુપરકન્ડક્ટર… કોઇલ ઉપરાંત, SMES સિસ્ટમમાં ક્રાયોજેનિક રેફ્રિજરેટર તેમજ એર કન્ડીશનીંગ સિસ્ટમનો સમાવેશ થાય છે.

નિષ્કર્ષ એ છે કે સુપરકન્ડક્ટીંગ અવસ્થામાં ચાર્જ થયેલ કોઇલ સતત સતત પ્રવાહને ટકાવી રાખવા સક્ષમ હોય છે, જેથી આપેલ પ્રવાહનું ચુંબકીય ક્ષેત્ર તેમાં સંગ્રહિત ઊર્જાને અનંત લાંબા સમય સુધી સંગ્રહિત કરી શકે છે.

સુપરકન્ડક્ટિંગ કોઇલમાં સંગ્રહિત ઊર્જા, જો જરૂરી હોય તો, આવી કોઇલના વિસર્જન દરમિયાન નેટવર્કને સપ્લાય કરી શકાય છે. ડીસી પાવરને એસી પાવરમાં કન્વર્ટ કરવા માટે, ઇન્વર્ટર, અને નેટવર્કમાંથી કોઇલ ચાર્જ કરવા માટે — રેક્ટિફાયર અથવા AC-DC કન્વર્ટર.

એક અથવા બીજી દિશામાં ઊર્જાના અત્યંત કાર્યક્ષમ રૂપાંતરણ દરમિયાન, SME માં નુકસાન મહત્તમ 3% દર્શાવે છે, પરંતુ અહીં સૌથી મહત્વની બાબત એ છે કે આ પદ્ધતિ દ્વારા ઊર્જા સંગ્રહની પ્રક્રિયામાં, નુકસાન ઓછામાં ઓછું સહજ છે. ઊર્જા સંગ્રહ અને સંગ્રહ માટે હાલમાં જાણીતી કોઈપણ પદ્ધતિઓ. SMEs ની એકંદર લઘુત્તમ કાર્યક્ષમતા 95% છે.

સુપરકન્ડક્ટીંગ મટિરિયલની ઊંચી કિંમતને કારણે અને ઠંડક માટે પણ ઉર્જા ખર્ચની જરૂર પડે છે તે હકીકતને ધ્યાનમાં લેતા, હાલમાં SMES સિસ્ટમનો ઉપયોગ માત્ર ત્યારે જ થાય છે જ્યાં તેને ટૂંકા સમય માટે ઊર્જા સંગ્રહિત કરવી જરૂરી હોય અને તે જ સમયે વીજ પુરવઠાની ગુણવત્તામાં સુધારો થાય. . એટલે કે, તેઓ પરંપરાગત રીતે ફક્ત તાત્કાલિક જરૂરિયાતના કિસ્સામાં ઉપયોગમાં લેવાય છે.

SME સિસ્ટમમાં નીચેના ઘટકોનો સમાવેશ થાય છે:

• સુપરકન્ડક્ટીંગ કોઇલ,
• ક્રાયોસ્ટેટ અને વેક્યુમ સિસ્ટમ,
• ઠંડક પ્રણાલી,
• ઊર્જા રૂપાંતરણ સિસ્ટમ,
• નિયંત્રણ ઉપકરણ.

SME સિસ્ટમના મુખ્ય ફાયદા સ્પષ્ટ છે. સૌ પ્રથમ, તે ખૂબ જ ટૂંકા સમય છે જે દરમિયાન સુપરકન્ડક્ટીંગ કોઇલ તેના ચુંબકીય ક્ષેત્રમાં સંગ્રહિત ઊર્જાને સ્વીકારવા અથવા છોડી દેવા માટે સક્ષમ છે. આ રીતે, માત્ર પ્રચંડ ત્વરિત ડિસ્ચાર્જ ફોર્સ મેળવવાનું જ નહીં, પણ ન્યૂનતમ સમય વિલંબ સાથે સુપરકન્ડક્ટિંગ કોઇલને રિચાર્જ કરવાનું પણ શક્ય છે.

જો આપણે કોમ્પ્રેસ્ડ એર સ્ટોરેજ સિસ્ટમ્સ સાથે, ફ્લાયવ્હીલ્સ અને હાઇડ્રોલિક એક્યુમ્યુલેટર સાથે એસએમઈની તુલના કરીએ, તો બાદમાં વીજળીના મિકેનિકલમાં રૂપાંતર દરમિયાન ભારે વિલંબ દ્વારા વર્ગીકૃત કરવામાં આવે છે અને તેનાથી વિપરીત (જુઓ — ફ્લાયવ્હીલ ઊર્જા સંગ્રહ).

ફરતા ભાગોની ગેરહાજરી એ SMES સિસ્ટમનો બીજો મહત્વનો ફાયદો છે, જે તેમની વિશ્વસનીયતામાં વધારો કરે છે. અને, અલબત્ત, સુપરકન્ડક્ટરમાં સક્રિય પ્રતિકારની ગેરહાજરીને કારણે, અહીં સ્ટોરેજ નુકસાન ન્યૂનતમ છે. SMES ની ચોક્કસ ઉર્જા સામાન્ય રીતે 1 થી 10 Wh/kg ની વચ્ચે હોય છે.

1 MWh SMES નો ઉપયોગ વિશ્વભરમાં જ્યાં જરૂર હોય ત્યાં પાવર ગુણવત્તા સુધારવા માટે થાય છે, જેમ કે માઇક્રોઇલેક્ટ્રોનિક્સ ફેક્ટરીઓ કે જેને ઉચ્ચતમ ગુણવત્તાની શક્તિની જરૂર હોય છે.

વધુમાં, ઉપયોગિતાઓમાં પણ SME ઉપયોગી છે. તેથી, યુએસએના એક રાજ્યમાં કાગળની ફેક્ટરી છે, જે તેના ઓપરેશન દરમિયાન પાવર લાઇનમાં મજબૂત ઉછાળો લાવી શકે છે. આજે, ફેક્ટરીની પાવર લાઇન SMES મોડ્યુલોની સંપૂર્ણ સાંકળથી સજ્જ છે જે પાવર ગ્રીડની સ્થિરતાની ખાતરી આપે છે. 20 MWh ની ક્ષમતા ધરાવતું SMES મોડ્યુલ ટકાઉ રીતે બે કલાક માટે 10 MW અથવા અડધા કલાક માટે તમામ 40 MW પ્રદાન કરી શકે છે.

સુપરકન્ડક્ટિંગ કોઇલ દ્વારા સંગ્રહિત ઊર્જાના જથ્થાની ગણતરી નીચેના સૂત્રનો ઉપયોગ કરીને કરી શકાય છે (જ્યાં L ઇન્ડક્ટન્સ છે, E ઊર્જા છે, I વર્તમાન છે):

સુપરકન્ડક્ટિંગ કોઇલના માળખાકીય રૂપરેખાંકનના દૃષ્ટિકોણથી, તે ખૂબ જ મહત્વપૂર્ણ છે કે તે વિરૂપતા માટે પ્રતિરોધક છે, તેમાં થર્મલ વિસ્તરણ અને સંકોચનના ન્યૂનતમ સૂચકાંકો છે, અને લોરેન્ટ્ઝ બળ પ્રત્યે ઓછી સંવેદનશીલતા પણ છે, જે અનિવાર્યપણે ઉદભવે છે. સ્થાપનની કામગીરી (ઇલેક્ટ્રોડાયનેમિક્સના સૌથી મહત્વપૂર્ણ નિયમો). ગુણધર્મો અને ઇન્સ્ટોલેશનની બાંધકામ સામગ્રીની માત્રાની ગણતરીના તબક્કે વિન્ડિંગના વિનાશને રોકવા માટે આ બધું મહત્વપૂર્ણ છે.

નાની સિસ્ટમો માટે, 0.3% નો એકંદર તાણ દર સ્વીકાર્ય માનવામાં આવે છે. વધુમાં, કોઇલની ટોરોઇડલ ભૂમિતિ બાહ્ય ચુંબકીય દળોના ઘટાડા માટે ફાળો આપે છે, જે સહાયક માળખાની કિંમત ઘટાડવાનું શક્ય બનાવે છે, અને ઇન્સ્ટોલેશનને લોડ ઑબ્જેક્ટ્સની નજીક મૂકવાની પણ મંજૂરી આપે છે.

જો SMES ઇન્સ્ટોલેશન નાનું હોય, તો સોલેનોઇડ કોઇલ પણ યોગ્ય હોઈ શકે છે, જેને ટોરોઇડથી વિપરીત, ખાસ સપોર્ટ સ્ટ્રક્ચરની જરૂર નથી. જો કે, એ નોંધવું જોઇએ કે ટોરોઇડલ કોઇલને પ્રેસ હૂપ્સ અને ડિસ્કની જરૂર છે, ખાસ કરીને જ્યારે તે ઉર્જા-સઘન રચનાની વાત આવે છે.

ઉપર નોંધ્યું છે તેમ, કૂલ્ડ સુપરકન્ડક્ટર રેફ્રિજરેટરને ચલાવવા માટે સતત ઊર્જાની જરૂર પડે છે, જે અલબત્ત SMES ની એકંદર કાર્યક્ષમતાને ઘટાડે છે.

તેથી, ઇન્સ્ટોલેશનની રચના કરતી વખતે ધ્યાનમાં લેવામાં આવતા થર્મલ લોડ્સમાં નીચેનાનો સમાવેશ થાય છે: સપોર્ટિંગ સ્ટ્રક્ચરની થર્મલ વાહકતા, ગરમ સપાટીની બાજુમાંથી થર્મલ રેડિયેશન, વાયરમાં જ્યુલ નુકસાન કે જેના દ્વારા ચાર્જિંગ અને ડિસ્ચાર્જિંગ કરંટ વહે છે, તેમજ નુકસાન. કામ કરતી વખતે ફ્રિજમાં.

પરંતુ તેમ છતાં આ નુકસાન સામાન્ય રીતે ઇન્સ્ટોલેશનની નજીવી શક્તિના પ્રમાણસર હોય છે, SMES સિસ્ટમ્સનો ફાયદો એ છે કે 100 ગણી ઉર્જા ક્ષમતામાં વધારો સાથે, ઠંડક ખર્ચ માત્ર 20 ગણો વધે છે. વધુમાં, ઉચ્ચ-તાપમાનના સુપરકન્ડક્ટર માટે, નીચા-તાપમાનના સુપરકન્ડક્ટરનો ઉપયોગ કરતી વખતે ઠંડકની બચત વધુ હોય છે.

એવું લાગે છે કે ઉચ્ચ-તાપમાન સુપરકન્ડક્ટર પર આધારિત સુપરકન્ડક્ટિંગ એનર્જી સ્ટોરેજ સિસ્ટમ ઠંડક માટે ઓછી માંગ કરે છે અને તેથી તેનો ખર્ચ ઓછો હોવો જોઈએ.

વ્યવહારમાં, જો કે, આ કેસ નથી, કારણ કે ઇન્સ્ટોલેશન ઇન્ફ્રાસ્ટ્રક્ચરની કુલ કિંમત સામાન્ય રીતે સુપરકન્ડક્ટરની કિંમત કરતાં વધી જાય છે, અને ઉચ્ચ-તાપમાન સુપરકન્ડક્ટરની કોઇલ નીચા-તાપમાન સુપરકન્ડક્ટરની કોઇલ કરતાં 4 ગણી વધુ મોંઘી હોય છે. .

વધુમાં, ઉચ્ચ-તાપમાન સુપરકન્ડક્ટર્સ માટે મર્યાદિત વર્તમાન ઘનતા નીચા-તાપમાનની તુલનામાં ઓછી છે, આ 5 થી 10 T ની રેન્જમાં કાર્યરત ચુંબકીય ક્ષેત્રોને લાગુ પડે છે.

તેથી સમાન ઇન્ડક્ટન્સ સાથે બેટરી મેળવવા માટે, વધુ ઉચ્ચ-તાપમાન સુપરકન્ડક્ટિંગ વાયરની જરૂર છે. અને જો ઇન્સ્ટોલેશનની ઉર્જાનો વપરાશ લગભગ 200 MWh છે, તો નીચા-તાપમાન સુપરકન્ડક્ટર (કન્ડક્ટર) દસ ગણા વધુ ખર્ચાળ બનશે.

વધુમાં, એક મુખ્ય ખર્ચ પરિબળ આ છે: રેફ્રિજરેટરની કિંમત કોઈ પણ સંજોગોમાં એટલી ઓછી હોય છે કે ઉચ્ચ-તાપમાનના સુપરકન્ડક્ટરનો ઉપયોગ કરીને ઠંડકની ઉર્જા ઘટાડવાથી ખૂબ ઓછી ટકાવારી બચત થાય છે.

પીક ઓપરેટિંગ મેગ્નેટિક ફિલ્ડમાં વધારો કરીને વોલ્યુમ ઘટાડવું અને SMES માં સંગ્રહિત ઊર્જાની ઘનતા વધારવી શક્ય છે, જે વાયરની લંબાઈમાં ઘટાડો અને એકંદર ખર્ચમાં ઘટાડો બંને તરફ દોરી જશે. શ્રેષ્ઠ મૂલ્ય લગભગ 7 Tનું ટોચનું ચુંબકીય ક્ષેત્ર માનવામાં આવે છે.

અલબત્ત, જો ફીલ્ડને મહત્તમ કરતા વધારે વધારવામાં આવે તો, કિંમતમાં ન્યૂનતમ વધારા સાથે વોલ્યુમમાં વધુ ઘટાડો શક્ય છે. પરંતુ ફીલ્ડ ઇન્ડક્શન મર્યાદા સામાન્ય રીતે શારીરિક રીતે મર્યાદિત હોય છે, કારણ કે ટોરોઇડના આંતરિક ભાગોને એકસાથે લાવવાની અશક્યતાને કારણે જ્યારે હજુ પણ વળતર આપનાર સિલિન્ડર માટે જગ્યા છોડવામાં આવે છે.

SMEs માટે ખર્ચ-અસરકારક અને કાર્યક્ષમ સ્થાપનો બનાવવા માટે સુપરકન્ડક્ટિંગ સામગ્રી મુખ્ય મુદ્દો છે. આજે વિકાસકર્તાઓના પ્રયત્નોનો ઉદ્દેશ્ય નિર્ણાયક પ્રવાહ અને સુપરકન્ડક્ટીંગ સામગ્રીના વિકૃતિની શ્રેણીને વધારવા તેમજ તેમના ઉત્પાદનની કિંમતમાં ઘટાડો કરવાનો છે.

SME સિસ્ટમના વ્યાપક પરિચયના માર્ગમાં તકનીકી મુશ્કેલીઓનો સારાંશ આપતાં, નીચેનાને સ્પષ્ટ રીતે ઓળખી શકાય છે. કોઇલમાં ઉત્પન્ન થયેલા નોંધપાત્ર લોરેન્ટ્ઝ બળનો સામનો કરવા સક્ષમ નક્કર યાંત્રિક આધારની જરૂરિયાત.

જમીનના મોટા ટુકડાની જરૂરિયાત, કારણ કે SME ઇન્સ્ટોલેશન, ઉદાહરણ તરીકે 5 GWh ની ક્ષમતા સાથે, લગભગ 600 મીટર લંબાઈનું સુપરકન્ડક્ટિંગ સર્કિટ (ગોળ અથવા લંબચોરસ) ધરાવતું હશે. વધુમાં, સુપરકન્ડક્ટરની આસપાસ પ્રવાહી નાઇટ્રોજન (600 મીટર લાંબુ) ના વેક્યૂમ કન્ટેનર ભૂગર્ભમાં સ્થિત હોવું આવશ્યક છે અને વિશ્વસનીય સમર્થન પ્રદાન કરવું આવશ્યક છે.

આગળનો અવરોધ સુપરકન્ડક્ટિંગ ઉચ્ચ-તાપમાન સિરામિક્સની બરડતા છે, જે ઉચ્ચ પ્રવાહ માટે વાયર દોરવાનું મુશ્કેલ બનાવે છે.નિર્ણાયક ચુંબકીય ક્ષેત્ર જે સુપરકન્ડક્ટિવિટીનો નાશ કરે છે તે પણ SMES ની ચોક્કસ ઉર્જા તીવ્રતા વધારવામાં અવરોધ છે. આ જ કારણસર NS ને વર્તમાનમાં ગંભીર સમસ્યા છે.