超导磁能存储系统 (SMES)

能量存储是一个过程，发生在存储能量的设备或物理介质上，以便它们以后可以有效地使用它。

储能系统可分为机械、电气、化学和热能。现代储能技术之一是SMES系统——超导磁储能（superconducting magnetic energy storage systems）。

超导磁能存储 (SMES) 系统将能量存储在由超导线圈中的直流电流产生的磁场中，超导线圈已低温冷却至低于其临界超导温度的温度。超导线圈充电时，电流不减少，磁能可以无限储存。储存的能量可以通过线圈放电返回到电网。

超导磁储能系统基于直流电流动产生的磁场 在超导线圈中.

超导线圈持续低温冷却，因此它始终低于临界温度，即 超导体… 除了线圈，SMES 系统还包括一个低温冰箱和一个空调系统。

结论是处于超导状态的带电线圈本身能够承受持续的电流，从而给定电流的磁场可以无限长时间地储存其中储存的能量。

如有必要，存储在超导线圈中的能量可以在这种线圈放电期间提供给网络。要将直流电转换为交流电， 逆变器，以及从网络为线圈充电——整流器或 AC-DC 转换器。

在一个方向或另一个方向高效转换能量的过程中，SME 的损失最多为 3%，但这里最重要的是，在这种方法的能量存储过程中，损失是最小的任何目前已知的能量存储和存储方法。中小企业整体最低效率为95%。

由于超导材料成本高，考虑到冷却也需要能源成本，SMES系统目前只用于需要短时间储存能量，同时提高供电质量的地方.也就是说，它们传统上只在紧急需要的情况下使用。

SME系统由以下组件组成：

• 超导线圈，
• 低温恒温器和真空系统，
• 冷却系统，
• 能量转换系统，
• 控制装置。

SME系统的主要优势是显而易见的。首先，超导线圈能够接受或放弃存储在其磁场中的能量的时间极短。这样，不仅可以获得巨大的瞬时放电力，而且可以以最小的时间延迟为超导线圈充电。

如果我们将 SME 与压缩空气存储系统、飞轮和液压蓄能器进行比较，那么后者的特点是在将电力转换为机械期间存在巨大的延迟，反之亦然（参见 - 飞轮储能).

没有移动部件是 SMES 系统的另一个重要优势，这提高了它们的可靠性。当然，由于超导体中没有有源电阻，这里的存储损耗很小。 SMES 的比能量通常在 1 到 10 Wh/kg 之间。

1 MWh SMES 在全球范围内用于在需要的地方改善电能质量，例如需要最高质量电能的微电子工厂。

此外，中小企业在公用事业领域也很有用。因此，在美国的一个州有一家造纸厂，在其运营期间可能会导致电力线出现强烈浪涌。今天，工厂的电力线配备了SMES模块的整个链条，保证了电网的稳定性。容量为 20 MWh 的 SMES 模块可以持续提供两个小时的 10 MW 或半小时的全部 40 MW。

超导线圈存储的能量可以使用以下公式计算（其中 L 是电感，E 是能量，I 是电流）：

从超导线圈的结构配置来看，抗变形、热胀冷缩指标极小、对洛伦兹力的敏感性低是非常重要的，洛伦兹力是在超导线圈中不可避免地产生的。安装操作（最重要的电动力学定律).所有这些都是重要的，以防止在计算安装的属性和建筑材料的数量阶段损坏绕组。

对于小型系统，0.3% 的总应变率被认为是可以接受的。此外，线圈的环形几何形状有助于减少外部磁力，从而可以降低支撑结构的成本，还可以将安装位置靠近负载物体。

如果 SMES 安装较小，则电磁线圈也可能适用，与环形线圈不同，它不需要特殊的支撑结构。但需要注意的是，环形线圈需要压箍和压盘，尤其是在涉及到相当耗能的结构时。

如上所述，冷却的超导制冷机持续需要能量来运行，这当然会降低 SMES 的整体效率。

因此，在设计安装时必须考虑的热负荷包括：支撑结构的热导率、受热表面一侧的热辐射、充放电电流流过的电线中的焦耳损耗，以及损耗工作时在冰箱里。

但是，尽管这些损失通常与装置的标称功率成正比，但 SMES 系统的优势在于，随着能量容量增加 100 倍，冷却成本仅增加 20 倍。此外，对于高温超导体，冷却节省比使用低温超导体时更大。

看来，基于高温超导体的超导储能系统对冷却的要求较低，因此成本应该更低。

然而实际上，情况并非如此，因为安装基础设施的总成本通常超过超导体的成本，而且高温超导体线圈比低温超导体线圈贵 4 倍.

此外，高温超导体的极限电流密度低于低温超导体，这适用于5至10T范围内的工作磁场。

所以要得到相同电感的电池，需要更多的高温超导线材。如果装置的能耗约为 200 MWh，那么低温超导体（导体）的价格将高出十倍。

此外，关键的成本因素之一是：冰箱的成本在任何情况下都非常低，以至于通过使用高温超导体来减少冷却能量所节省的百分比非常低。

可以通过增加峰值工作磁场来减小体积并增加存储在 SMES 中的能量密度，这将导致导线长度的减少和总体成本的降低。最佳值被认为是大约 7 T 的峰值磁场。

当然，如果场增加到超过最佳值，则可以在成本增加最少的情况下进一步减小体积。但是场感应限制通常在物理上受到限制，因为不可能将环形线圈的内部部件放在一起，同时仍然为补偿圆柱体留出空间。

超导材料仍然是为中小企业创建具有成本效益和高效装置的关键问题。当今开发人员的努力旨在提高超导材料的临界电流和变形范围，并降低其生产成本。

总结中小企业系统广泛引入的技术难点，可以明确区分如下。需要能够承受线圈中产生的显着洛伦兹力的坚固机械支撑。

需要大片土地，因为 SME 装置（例如容量为 5 GWh）将包含一个长约 600 米的超导电路（圆形或矩形）。此外，围绕超导体的液氮真空容器（600米长）必须位于地下，并提供可靠的支撑。

下一个障碍是超导高温陶瓷的脆性，这使得难以为大电流拉线。破坏超导性的临界磁场也是提高SMES比能量强度的障碍。出于同样的原因，NS 也存在严重的电流问题。