CN101414781B - 超导储能动力机 - Google Patents

Abstract

本发明为超导储能动力机。属于超导和动力机技术领域。目的是用两个超导线圈将充进的电能有损耗、有补充的循环使用，轮换产生电磁力，用电磁力做机械功，输出能量。在做功过程中有电能损耗、电能补充，技术方案主要包括用隔磁材料制成的外壳，用隔磁材料制成的、将该外壳平分、且伸出外壳的隔磁柱墙，固定在该隔磁柱墙上的杠杆及杠杆两端吊挂的铁块，外壳内设有与铁块相配合的超导线圈，由超导电线连接的互为轮换负载的充放电超导脉冲储能电路，该充放电超导脉冲储能电路的控制电路，与该超导线圈对应的外壳上设有直通的磁力线直接通道。主要用途是为宇宙飞行器、船舶、火车、汽车、家用电器、发电等提供洁净、高效、廉价的工业绿色能源。

Description

超导储能动力机

技术领域

本发明属于超导和动力机技术领域，具体涉及一种二个超导线圈储能的超导储能动力机。

背景技术

在1908年荷兰人昂尼斯把氦气液化，制出了液氦，液氦的温度在摄氏零下269度(4.2K)。1911年人们发现水银在摄氏零下269度电阻消失了，电阻变为零。金属电阻的完全消失，称为超导电性，具有超导电性的金属、化合物、元素称为超导体。

超导体首先得到实际应用是在绕制超导线圈，制造超导储能磁体。近年来超导线圈材料性能研究正在提高，并研制出了摄氏零下196度(77K)的高温超导体。

超导体具有导电性能强，产生磁场强度高，比常规磁体储能要高12000倍。

超导电性技术的实用成熟，对国民经济建设，人民日常生活都有密切联系，现已广泛用于原子能研究、高能物理、受控热核反应、宇宙飞船、船舶推进、农业、工业、医学、生物化学领域。

中国发明专利申请公布了一种超导储能动力机，由于其用隔磁材料制成的外壳上未设有磁力线直接通过的通道，而为封闭的外壳，因而将电磁场封闭在外壳内，不能吸引到外部吊挂的铁块，不能对外作功。

发明内容

本发明的目的在于提供一种通过二个超导线圈，充进的电能，有电损、有电补充的循环使用，转换产生电磁能，用电磁能做机械功，输出能量的超导储能动力机。

本发明的技术方案是：一种超导储能动力机，包括一个用隔磁材料制成的外壳，一个用隔磁材料制成的将该外壳平分、且伸出外壳的隔磁柱墙，固定在该隔磁柱墙上的杠杆及杠杆两端吊挂的铁块；外壳内设有分别与铁块相配合的超导线圈，由超导电线连接的互为轮换负载的充放电超导脉冲储能电路，该充放电超导脉冲储能电路的控制电路；其特征是：与该超导线圈对应的外壳上设有能使磁力线直接通过的通道及铁块的磁力线。

本发明技术方案中所述的互为轮换负载的充放电超导脉冲储能电路均包括一个由调节电阻、超导开关、超导线圈构成的回路，分别与该超导线圈并联连接的由超导开关构成的支路和由超导开关、负载串联构成的支路，且两个回路的输入端分别与另一个回路的负载端连接。

本发明技术方案中所述的超导线圈可以用高强度的不锈钢或玻璃复合材料制成的支架做支撑。

本发明技术方案中所述的超导线圈还可以用岩石或岩石隧道中的岩石做支架。

本发明技术方案中所述的超导线圈转换做功一次损耗电能10％，要从电网中补充10％电能。

本发明由于采用超导线圈作为储能磁体，用超导线将超导线圈、超导开关、调节电阻连接成互为轮换负载的充放电超导脉冲储能电路，因而，当将外部的电能充进其中一个超导脉冲储能电路中时，该超导脉冲储能电路中的超导线圈将其电能储存起来，然后保持，并向另一个超导脉冲储能电路的超导线圈放电，同理，该超导线圈也将电能储存起来，保持并向前一个超导脉冲储能电路的超导线圈放电，轮换产生电磁力，用电磁力对外做机械功，输出能量，每次电能充、放转换，超导开关不停的开关要造成电能损耗、要补充电能。由于在外壳上设有能使磁力线直接通过的通道，因而超导线圈产生的电磁力可以将杠杆上的铁块吸引，对外做机械功。本发明主要用于宇宙飞行器、船舶、火车、汽车、家用电器动力，和发电动力的洁净、高效、廉价的工业绿色能源。

附图说明

图1是本发明的超导储能动力机零部件结构示意图；

图2是本发明的超导储能动力机第一运动状态图；

图3是本发明的超导储能动力机第二运动状态图。

具体实施方式

超导储能动力机各个部位零部件如图1所示，杠杆1、隔磁柱墙2、杠杆中心支承轴3、前两根吊杆4、后两根吊杆5、铁块6、7、外壳8、控制电路9、超导线圈10、21、超导脉冲储能电路11、22、超导开关12～14、23～25、输入端15、26，调节电阻16、27、负载17、28、充电电流箭头18、29、保持电流箭头19、30、放电电流箭头20、31、超导线32～35、磁力线直接通道36、37、磁力线38、39。

超导储能动力机第一储能循环使用电能方法、第二储能循环使用电能方法如图2、图3所示，两个方法联系起来是一个整体循环使用电能方法。

将超导开关12～14、23～25、超导线32～35、超导线圈10、21浸泡在摄氏零下269度液氦里或摄氏零下196度液氮容器里，电阻等于零。

控制电路9为计算机控制电路，控制时间、超导脉冲储能电能11、22，转换电损，补充电损。

超导线圈10、21储能，超导线圈可分为超导环形线圈、超导球形线圈、超导螺管线圈。隔绝车间内外磁辐射，注意超导体的三个临界，绝缘体，盛液氦、盛液氮的容器。

杠杆1用高强度抗磁性复合材料制成，是配合完成能量转换输出能量，杠杆1的长短可根据动力机功率大小而定，是固定在隔磁柱墙2顶上。隔磁柱墙2是在两个充放电超导脉冲储能电路11、22中间竖起来，支撑杠杆1中心重量，由隔磁材料制成，是隔绝杠杆1前后磁辐射干扰和隔绝超导线圈10、21之间磁性干扰的一堵隔磁辐射的墙，其高度可根据车间的高度、宽度而定。隔磁柱墙2伸出外壳8的下面的部分深埋在地底下。杠杆中心轴安在隔磁柱墙2顶上，是杠杆1上下运动用。杠杆1两端的吊杆4、5分别吊铁块6、7，铁块7供磁力线38吸引，铁块6供磁力线39吸引。外壳8是用隔磁材料制成，保护超导脉冲储能电路11、22。控制电路9用于控制监视超导脉冲储能电路11、22中各超导开关12～14、23～25和各部位运动状态。超导线圈10、21固定在外壳8底部，是超导储能磁体，产生电磁力。超导线32～35连接两个超导脉冲储能电路11、22。磁力线直接通道36、37是磁力线38、39无障碍穿出的区域，分别吸引铁块6、7。负载17、28是另一个超导脉冲储能电路，且互为轮换负载。调节电阻16、27是调节电流大小。输入端15、26是电流流进的端口。充电电流箭头18、29、保持电流箭头19、30、放电电流箭头20、31分别表示箭头的流动方向。超导开关12～14、23～25是可控硅三相桥，也可是磁通泵。

超导线圈10、21里的电能是从电网中输入的，使电能在二个或二个以上(四个、六个、八个、十个等)超导线圈之间流动，超导线圈10、21须用坚固的支架支撑，否则，巨大的电磁力将使超导线圈10、21变形、失超。建在岩石下面或岩石隧道中的超导线圈，可借用岩石做支架，这样可降低成本。

控制电路9为常规的计算机控制电路，是按照设计好的程序自动控制监视各个部位的零部件运动状态。控制时间包括超导脉冲储能电路充电、放电时间在几十毫秒，要有计划的把两个超导线圈10、21之间的放电时间控制在1秒、2秒、3秒，要等到一个超导线圈10、21的吸引完成一个杠杆运动状况后再放电。控制电路9控制循环过程，使用时，先把超导开关12合上，使电源对超导线圈10充电，充电完毕，把超导开关13合上，超导开关12打开，这时电流就保持在超导线圈10里，能量也就保持在超导线圈10里，放电的时候，把超导开关14闭合，超导开关13打开，超导线圈10里的电能就通过负载17即另一个超导脉冲储能电路22放电，属于脉冲放电，储能也就称为脉冲储能。长期频繁地启动超导开关12～14、23～25充电、放电，免不了要损耗一部分电能，在一次转换过程中约损耗10％的电能。

例如：从电网中充进超导线圈10里100千瓦电能，产生磁场，吸引铁块这个做功过程转换一次损耗10％电能，还剩90％电能，而这个剩余90％电能还要再利用，从外电网中补进损耗掉的10％电能，加上剩余90％电能恢复到100千瓦电能水平，再放流到超导线圈21里使用，产生磁场，吸引铁块，这个做功转换过程同样是损耗10％电能，还剩余90％电能，再从外电网中补进损耗掉的10％电能再加上剩余90％电能恢复到100千瓦电能水平，再放流到超导线圈10里使用，产生磁场，吸引铁块，这样两个超导线圈10、21之间有电损，有电能补充来回循环使用剩余电能，高效节约能源。

超导线圈10、21可采用具有超导电性的铌、钛、铌三锡、铋、钡、铟、铜材料，由单股、多股拧绞成0.028毫米至0.102毫米线材绕制而成，也可用铋系高温超导带材绕制。为了不使电流偏流产生电阻，高温超导线材可由三层铋系薄膜状线材拧绞而成，内层与外层相互交错成带状，用它包裹芯材，这种积层转移结构可以避免电流偏流产生电阻，防止电损。超导螺管线圈10、21储能电流有大有小，可以为100千瓦-500千瓦-1千千瓦-5千千瓦-1万千瓦-10万千瓦-30万千瓦-50万千瓦-100万千瓦-300万千瓦-600万千瓦-1000万千瓦。储能大的产生电磁力大，储能小的产生电磁力小。一个10¹²焦平的超导线圈10、21轴向、径向所产生的电磁力各达300万吨。超导线圈10、21电能大小决定超导储能动力机带动机械做功的大小，也决定带动发电机的大小。超导线圈10、21通了电流以后，在线圈中间和四周都会产生磁场，电流越大，磁场就越大。安装超导储能动力机的车间内外、四周、顶部、基础深部用泡沫金属隔绝磁辐射，因杠杆1上下运动，车间可建成凹形，方便杠杆1上下运动，还可用超导体完全抗磁性的特性全封闭磁辐射。隔磁柱墙2是杠杆1中心一直到两超导线圈10、21底部之间的一堵隔磁墙，避免杠杆1前后磁性干扰，也避免两超导线圈10、21之间磁性干扰。杠杆中心支承轴3要多层交错封闭密封磁辐射。杠杆零部件除铁块6、7是顺磁材料外，其余均为非顺磁材料。超导体的三个临界即临界温度、临界电流和临界磁场都要注意。超导体的一般温度在摄氏零下269度，也有摄氏零下196度的高温超导体，但都要在超导体所要求的温度条件下电阻等于零才行。电流也有临界限制，因电流越大产生的磁场越大，大到一定程度，超导体耐受不住了就要失超，所以电流有一个限制。磁场也有一个临界限制。其它应力、杂质、形状都有所影响超导电性。绝缘体可用橡胶或橡胶复合绝缘材料做超导线的外层绝缘材料，也可用纳米复合金属粒子做绝缘体，减少厚度。盛液氦容器、盛液氮容器有进口、出口，当中有一个真空层，靠真空层的一面壁上涂有防辐射层。为了不使液氦、液氮蒸发多，外面再放上一个液氮装置，以免液氦、液氮蒸发快。

由人工按下电子信号发出指令，控制电路9按照设计好的程序自动控制，把超导线圈10的电流放给超导线圈21里，这时首先把超导开关23合上，而后再把超导开关14闭合，超导开关13打开，这时超导线圈10的电流就通过负载17放电，经过超导线32、33，电流很快进入到超导线圈21里，充电完毕后，把超导开关24合上，超导开关23打开，这时超导线圈21里就保持电能，向外发出巨大的磁力线38，吸下后吊杆5上吊的铁块7，离磁力线直接通道37高30厘米，这时前吊杆4上升，后吊杆5下降，杠杆1一上一下完成了第一个运动方法状况。超导储能动力机的磁力吸引力大于空气阻力。当第一个运动方法状况完成后，超导线圈21不需要电流了，要把电流放回给超导线圈10里，这时首先把超导开关12合上，而后再把超导开关25闭合，超导开关24打开，超导线圈21里的电能就通过负载28放电，经过超导线34、35，电流很快进入到超导线圈10里，充电完毕后，把超导开关13合上，超导开关12打开，这时超导线圈10里就保持电能，向外发出巨大磁力线39，吸下前吊杆4的铁块6，离磁力线直接通道36高30厘米。后吊杆5上升，前吊杆4下降，这样杠杆1又一上一下完成第二个运动方法状况。两个运动方法状况联系起来是一个完整的运动方法状况，杠杆1不停的一上一下，周而复始直线运动，用连杆带动各种不同类型的机械做功、发电。停机时，铁块6停在磁力线直接通道36上面。

本发明的超导储能动力机，具有利用循环使用剩余电能的特点，是一个高效节能减排的动力机器。

在低温下，由于本发明的超导线圈10、21、都是装在摄氏零下269度或196度制冷容器里、超导线路都是固定不动的，没有高速旋转，车间四周全密封磁辐射，不产生废气、废料，废液不污染环境，为人类提供一种能作为宇宙飞行器、船舶、火车、汽车、家用电器动力，和发电动力的洁净、高效、廉价的工业绿色能源。

实施例1：一个普通有电阻的线圈，是用0.38毫米漆包线绕成的，匝数10.030匝。按其匝数和外形尺寸，高100厘米、外径85厘米，内径30厘米，可以测量或计算出，其电感约为1.8亨利，电阻也可测量或计算出为270欧姆，按它的线径截面，最大约通过0.3安培，根据公式：

能量(焦耳)＝

电感(亨利)×电流(安培)²

可算出这个普通有电阻的线圈最大储能0.081焦耳。因线圈有电阻、通过的电流大了，要发热，就会烧坏线圈，只能通过0.3安培电流。为了维持0.081焦耳，这样一小点储能量，而需要一直通过0.3安培的电流。由于线圈有电阻，流过电流时就会产生损耗，其损耗功率与电阻成正比，与电流平方成正比。按电流为0.3安培，电阻为270欧姆计算，损耗功率为25瓦的灯泡，即一秒钟要损耗25焦耳的能量。这是一个很不合理的现象，为了维持0.081焦耳的储存能量，每秒要损耗25焦耳的能量，在一般情况下并没有人用有电阻的漆包线圈来储能。

实例2：一个电阻为零的超导线圈，超导线的直径和漆包线一样，仍为0.38毫米，超导线圈的尺寸不变，匝数也是10.030匝，根据测量或计算，其电感不变仍为1.8亨利。因超导线圈电阻为零，这时能通过的电流比有电阻的漆包线圈大大增加，原来只能通过0.3安培左右的电流，这时却能通过33安培电流，即按33安培计算，储存的能量达1000焦耳，是原来0.081焦耳的12000倍。

从有电阻的漆包线圈或电阻为零的超导线圈比较看，有电阻的漆包线圈储存0.081焦耳电能，一秒钟还亏损25焦耳电能。用有电阻的漆包线圈储能，产生磁力做功太不合算。而用电阻为零的超导线圈，储能产生磁力做功合算，储存电能大，产生磁力强，输出功率大。但是超导线圈在储能过程中连接的超导开关会造成电损。

Claims (3)

1.一种超导储能动力机，包括一个用隔磁材料制成的外壳(8)，一个用隔磁材料制成的将该外壳(8)平分、且伸出外壳(8)的隔磁柱墙(2)，固定在该隔磁柱墙(2)上的杠杆(1)及杠杆(1)两端吊挂的铁块(6、7)；外壳(8)内设有分别与铁块(6、7)相配合的第一超导线圈(10)和第二超导线圈(21)，由超导电线连接的互为轮换负载的充放电超导脉冲储能电路，以及该充放电超导脉冲储能电路的控制电路(9)；其特征是：与该第一、第二超导线圈对应的外壳上设有能使超导线圈磁力线直接通过的通道(36、37)，该磁力线能够吸引对应的铁块；该充放电超导脉冲储能电路包括一个由第一调节电阻(16)、第一超导开关(12)、第一超导线圈(10)构成的第一回路，以及由第二调节电阻(27)、第二超导开关(23)、第二超导线圈(21)构成的第二回路；在第一、第二回路中分别具有与该第一、第二超导线圈并联连接的由支路超导开关(13、24)构成的支路、和分别与该第一、第二超导线圈并联连接的由负载超导开关(14、25)、负载(17、28)串联构成的支路；且第一、第二两个回路中的一个回路的输入端(15、26)分别与另一个回路的负载端连接；所述的第一、第二超导线圈转换做功一次损耗电能10％，要从电网中补充10％电能。

2.根据权利要求1所述的一种超导储能动力机，其特征是：所述的第一、第二超导线圈用高强度的不锈钢或玻璃复合材料制成的支架支撑。

3.根据权利要求1所述的一种超导储能动力机，其特征是：所述的第一、第二超导线圈用岩石做支架。

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