超导磁储能

超导磁储能 (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超导临界温度的温度。

典型的超导磁储能系统包括三部分：超导线圈、电源调节系统和低温制冷机。一旦给超导线圈充电，电流就不会衰减，磁能可以无限储存。

储存的能量可以通过线圈放电释放回网络。电源调节系统使用逆变器/整流器将交流 (AC) 电转换为直流电或将直流电转换回交流电。逆变器/整流器在每个方向上约占 2-3% 的能量损失。与其他储能方法相比，SMES 在储能过程中损失的电量最少。SMES 系统非常高效；往返效率大于95%。

由于制冷的能源需求和超导线材的高成本，SMES 目前被用于短期储能。因此，SMES 最常致力于改善电能质量。

使用超导磁储能而不是其他储能方法有几个原因。超导磁储能系统最重要的优点是充放电时的延时非常短。电源几乎是瞬间可用的，并且可以在短时间内提供非常高的功率输出。其他储能方法，例如抽水蓄能或压缩空气，在将存储的机械能转换回电能方面存在大量时间延迟。因此，如果需求是即时的，超导磁储能系统是一个可行的选择。另一个优点是能量损失比其他存储方法少，因为电流几乎没有遇到阻力。此外，超导磁储能系统中的主要部件是静止的，因此具有很高的可靠性。

有几个可用于商业用途的小型超导磁储能系统单元和几个较大的试验台项目。多个 1 MW·h 单元用于世界各地装置的电能质量控制，特别是为需要超清洁电力的制造厂提供电能质量，例如微芯片制造设施。

这些设施还被用于在配电系统中提供电网稳定性。超导磁储能系统也用于实用程序。在威斯康星州北部，部署了一系列分布式 SMES 单元以增强传输环路的稳定性。输电线路会因造纸厂的运行而承受较大的突然负载变化，并可能出现不受控制的波动和电压崩溃。

工程测试模型是一个容量约为 20 MW·h 的大型超导磁储能系统，能够提供 40 MW 的电力持续 30 分钟或 10 MW 的电力持续 2 小时。

一个超导磁储能系统通常由四个部分组成

• 超导磁体及支撑结构

该系统包括超导线圈、磁铁和线圈保护。在这里，通过断开线圈与较大系统的连接，然后使用磁铁的电磁感应在超导线圈中感应电流来存储能量。 然后该线圈保持电流直到线圈重新连接到更大的系统，之后线圈部分或完全放电。

• 制冷系统

制冷系统通过将线圈冷却到工作温度来维持线圈的超导状态。

• 电源调节系统

电源调节系统通常包含一个电源转换系统，可将直流电转换为交流电，反之亦然。

• 控制系统

控制系统监测电网的电力需求并控制进出线圈的功率流。 控制系统还通过控制冰箱来管理超导磁储能系统线圈的状况。

由于法拉第感应定律，任何及时产生变化磁场的导线环也会产生电场。 此过程通过电动势 (EMF) 从电线中获取能量。电动势被定义为当单位电荷通过一个导电环路时对单位电荷所做的电磁功。现在可以将能量视为存储在电场中。这个过程使用来自电线的能量，其功率等于电势乘以总电荷除以时间。其中 Ɛ 是电压或电动势。通过定义功率，我们可以计算出产生这样一个电场所需的功。由于能量守恒，这个工作量也必须等于存储在场中的能量。