CC BY
2УДК 621.319.53
АНАЛИЗ ПРИМЕНЕНИЯ СВЕРХПРОВОДЯЩИХ ИНДУКТИВНЫХ НАКОПИТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ ДЛЯ БЕСПЕРЕБОЙНОГО ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ ОБЪЕКТОВ ЦИФРОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ 1Дьячков Юрий Анатольевич, 2Чынгызбек кызы Зияда
1 старший преподаватель ОшТУ, 2аспирант ОшТУ г. Ош, Кыргызская Республика
https://doi.org/10.5281/zenodo.10721343
Аннотация. В статье рассмотрен вопрос применения сверхпроводящих индуктивных накопителей энергии для бесперебойного энергообеспечения объектов цифровых технологий, произведен анализ их достоинств и недостатков.
Ключевые слова: энергия, накопитель, сверхпроводимость, электрический ток, индуктивность, катушка, магнитное поле, источник бесперебойного питания.
Abstract. The article discusses the issue of using superconducting inductive energy storage devices for uninterrupted power supply of digital technology objects, and analyzes their advantages and disadvantages.
Keywords: energy, storage, superconductivity, electric current, inductance, coil, magnetic field, uninterruptible power supply.
Annotatsiya. Maqolada raqamli texnologiya ob'ektlarini uzluksiz elektr energiyasi bilan ta'minlash uchun o'ta o'tkazuvchan induktiv energiya saqlash qurilmalaridan foydalanish masalasi ko'rib chiqiladi va ularning afzalliklari va kamchiliklari tahlil qilinadi.
Kalit so'zlar: energiya, saqlash, o'ta o'tkazuvchanlik, elektr toki, induktivlik, lasan, magnit maydon, uzluksiz quvvat manbai.
В современном мире цифровые технологии твердо вошли во все сферы жизни общества. Процесс цифровизации глубоко проник во все области развития общества благодаря таким преимуществам, как способность повышать производительность различных процессов и открывать новые возможности для развития. В частности, процесс цифровизации занимает особое место в обеспечении экономической безопасности, как национальной экономики, так и её отдельных отраслей.
Сегодня цифровые технологии сбора, хранения, обработки, представления, управления и передачи информации, а так же системы объединения данных и искусственный интеллект используются во всех сферах человеческой деятельности. Поэтому проблема бесперебойного энергообеспечения всех объектов цифровых технологий, с целью недопущения потери информации вследствие перебоев энергоснабжения является жизненно-важной и сохраняет свою актуальность.
Для бесперебойного энергообеспечения промышленных объектов используют источники бесперебойного питания (ИБП), которые представляют собой аккумуляторные устройства, работающие в автоматических режимах. Эти устройства применяются при возникновении аварий в сетях электроснабжения, при возникновении высоковольтных импульсных помех значительной продолжительности, при систематических кратковременных и долговременных всплесках и падениях напряжения, при возникновении высокочастотных шумов, при значительных отклонениях питающей сети от стандартных параметров.
Накопители электрической энергии (НЭЭ) - это системы, способные одновременно и синхронно производить и потреблять ресурс, а также хранить энергию в различных формах с применением аккумуляторов, конденсаторов, супермагнитов и т.д.
Можно выделить три основные сферы применения таких НЭЭ:
- крупные центры обработки информации, где необходимо исключить риски сбоя процессов обработки;
- «легкие промышленные системы», сбои в электропитании которых не приводят к тяжелым и необратимым последствиям;
- защита производственных процессов на предприятиях, сбои в электроснабжении которых могут привести к потере продукции и полному нарушению технологических процессов.
К НЭЭ относятся индуктивные накопители энергии (ИНЭ) [4, с. 160], которые характеризуются высокими выходными параметрами электрической энергии, а также высокими удельными и экономическими показателями. Для накачки энергии в ИНЭ используются источники тока с большой электрической мощностью, чтобы уменьшить время зарядки до единиц секунд.
Энергия, запасаемая в индуктивном (электромагнитном) накопителе, сохраняется в виде энергии электромагнитного поля, которое непосредственно связано с величиной электрического тока, который протекает в обмотке накопителя и определяется выражением:
где I - величина тока, протекающего в катушке, Ь - индуктивность самой катушки. Удельная энергия катушки определяется следующим выражением:
где В - коэффициент пропорциональности, зависящий от геометрических размеров катушки, р - удельная плотность проводника катушки, г - внутренний радиус катушки, N - число витков катушки [1, с. 13]
Проанализировав выражения (1) и (2) можно заключить, что, запасаемая данной катушкой энергия, пропорциональна квадрату силы тока, протекающего по ней.
Следовательно, чтобы увеличить объём запасенной энергии в катушке, необходимо увеличение силы тока в ней, что влечет за собой резкое увеличение габаритных размеров и массы катушки. Использование сверхпроводящих материалов (сверхпроводников) в конструкциях индуктивных накопителей позволило решить эту проблему. Индуктивное накопление энергии наиболее эффективно в сверхпроводящих магнитах, поскольку в них накопление и вывод энергии практически не сопровождаются потерями, поэтому большинство современных разработок базируются на индуктивных накопителях, в которых индуктивный контур L помещен в криостат, обеспечивающий режим сверхпроводимости.
Сверхпроводящим индуктивным накопителем (СПИН) называется устройство, предназначенное для накапливания энергии в магнитном поле катушки, в которой циркуляция тока происходит практически без потерь. Связь СПИН с энергосистемой осуществляется при помощи трансформаторов и управляющих вентильных преобразователей потому что выработка, передача и потребление энергии происходит в виде переменного тока, а запасается она в виде постоянного . Соединение с фидерами осуществляется посредством разрядно-зарядного устройства, выполненного на полупроводниковых приборах - тиристорах или транзисторах. Стоит отметить, что работа
W = 0, 5 • L • I2
(1)
ю = B • (N • I)2 / (р • r2)
(2)
преобразователя СПИН в режиме заряда происходит в режиме выпрямителя, а в режиме выдачи мощности (при разряде СПИН) - в режиме инвертора. Во время заряда работа трансформатора напряжения будет как понижающего, а во время разряда -как повышающего. Энергоемкость определяется индуктивностью контура и максимально допустимым током этой индуктивности. Запасенную энергию магнитного поля СПИНЭ может хранить сколь угодно долго, что позволяет создавать на его основе системы с высоким уровнем готовности, где промежуток времени от момента подачи команды до момента выдачи энергии в нагрузку составляет 1 мс.
СПИНы, энергоемкость которых лежит в пределах 10 000 МВт*ч, являются довольно сложными и дорогостоящими сооружениями, диаметр которых составляет 300 м, а высота - в пределах 100 м с глубиной залегания под землей от 150 до 500 м (в зависимости от прочности пород). Подземное расположение катушек позволяет решить проблему, связанную с устранением вредного воздействия сильных магнитных полей на окружающую среду [2, а 45].
К основным преимуществам СПИН перед другими системами бесперебойного энергоснабжения объектов цифровых технологий можно отнести следующие:
1) наивысший КПД из всех схем преобразования (95—98%);
2) высокая плотность запасаемой энергии (до 108 Дж/м3) и связанная с этим компактность устройства, где удельная энергоемкость увеличивается с ростом абсолютного значения запасаемой энергии, что ведет к снижению удельных затрат при увеличении масштаба системы;
3) запас и накопление энергии происходит в электромагнитной форме, и поэтому отсутствуют физические ограничения на величину мощности СПИН;
4. широкий диапазон изменения времени рабочего цикла (от 108 до 103 с) и высокое быстродействие [переключение режимов заряда — разряда энергии может быть осуществлено за 0, 0,1 с (1/2 периода тока промышленной частоты)]. Исключительно «тонкое» реагирование на изменение графика нагрузки;
5. отсутствие влияния на экологию, позволяющее упростить решение проблемы с выбором мест их установки.
Преимущества СПИН делают их наиболее перспективными среди различных типов НЭ как источники покрытия пиковых суточных нагрузок (с функциями ГАЭС) и вкачестве регулирующего элемента, способного обеспечить динамическую и статическую устойчивость ЭЭС, постоянство частоты, увеличение пропускной способности ЛЭП и т.д.
К основным недостаткам СПИН можно отнести следующие:
1) недостаточная механическая прочность сверхпроводящей катушки, в которой магнитные поля, токи и, как следствие, усилия, действующие на катушку достаточно велики, а сплавы, применяемые для создания сверхпроводников хрупкие;
2) критичность сверхпроводников к скорости изменения магнитного поля при нака чке и выводе энергии в нагрузку и, как следствие, сравнительно малое значение рабочего тока (-10 кА), это обстоятельство ведет к значительному ограничению применения СПИН в качестве импульсных энергоисточников;
3) потеря сверхпроводимости в аварийном режиме, при переходе участка обмотки в нормальное состояние, приведет к выделению энергии, запасенной в накопителе, в виде джоулевой теплоты и приведет к катастрофическому взрыву с выбросом жидкого азота и
гелия в окружающую среду. Это требует наличия сложной системы защиты для предотвращения самопроизвольного высвобождения этой энергии;
4) огромные магнитные поля, возникающие вокруг сверхпроводящих обмоток, могу оказать опасно 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 [3, с. 240].
Широкому внедрению в энергетику существующих проектов препятствует очень высокая стоимость, обусловленная необходимость многочисленного вспомогательного оборудования, массивных опорных конструкций, дорогих материалов, и сложным процессом производства. Выводы:
Метод аккумулирования электрической энергии с помощью СПИН отличается безвредностью по отношению к экологии: отсутствие химических веществ и реакций, отходов. Главное преимущество данного накопителя - быстродействие (единица мс), которое очень важно при самых внезапных авариях в энергосистеме.
С целью повышения качества электроэнергии и высокой стабильности энергообеспечения ответственных потребителей и объектов цифровых технологий (например, заводов по производству микропроцессорной техники) экономическая целесообразность применения СПИН в настоящее время оправдывается только в маломощных системах (100- 1000 кВт) из-за больших капиталовложений.
REFERENCES
1. Накопители энергии в электрических системах: Учеб, пособие для электроэнергетических спец. вузов/ Ю. Н. Астахов, В. А. Веников, А. Г. Тер-Газарян.— Москва: Высш. шк., 1989. - 260 с.
2. Системы электропитания волоконно-оптических систем передачи / Сажнев А.М. -Новосибирск: СибГУТИ, 2016. — 69 с.
3. Электроэнергетические системы и сети / Ушаков В.Я. - Москва: Издательство Юрайт, 2018. — 360 с.
4. Возобновление и ресурсосберегающие источники энергии: Физические основы, практические задачи; применение для электропитания устройств автоматики, телемеханики и связи на железнодорожном транспорте: Учеб. пособие. - Изд. 4-е, перераб. и доп. -Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2003. -175 с.
