CN107645212B - 一种超导储能装置及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种超导储能装置及其控制方法，其中超导储能装置包括：第一壳体、超导线圈和超导发电机，所述超导发电机的超导部件和所述超导线圈均设置于所述第一壳体内的超导环境中，所述超导发电机的电能输出端与所述超导线圈电连接。所述超导线圈和所述超导发电机的超导部件均设置于所述第一壳体的超导环境中，使得所述超导发电机和所述超导线圈均处于超导状态。所述超导发电机的电能输出端与所述超导线圈电连接，处于超导状态的超导发电机受驱动装置驱动发电，将产生的电能储存在超导线圈内。超导发电机和超导线圈均处于超导状态，不会对超导线圈的储能密度造成限制，提高超导储能装置的储能效率。
Description
技术领域
本发明涉及能量存储领域，特别涉及一种超导储能装置及其控制方法。
背景技术
目前比较常用的移动端电能的储能方式主要有电池储能、超级电容储能。电池充放电速度慢，不能满足瞬时大功率交换，且充放电次数有限，并存在环境污染问题；超级电容能量密度过低，储能容量小。二者均有比较明确的局限性。
1908年荷兰人卡表林·温纲斯把氦气液化，制出了液氦，液氦的温度在摄氏零下269度(4.2K)。铌、钛、铌三锡在摄氏零下269度时，电阻突然消失。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。超导体经过近百年的曲折发展，超导线材的性能正在提高，并研制出了摄氏零下196度(77K)的高温超导体，而还在研究更高转变温度的超导体。
由超导体线圈组成的超导储能器具有储能寿命长，无污染，导电性能强，功率密度高，储能密度大的特点，理论上，超导体的储能密度可以达到接近无限大，并特别适合长时间储能和大功率充放。然而，现有技术中，超导体储能密度却仅为108J/m3，约为27.8kWh/m3，其主要原因是外部充电装置具有电阻，限制了超导储能器线圈内的电流密度，进而降低了应用设备的系统整体的储能密度，导致储能效率较差。
可见，现有的储能装置存在储能效率较差的技术问题。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种超导储能装置及其控制方法，解决了现有储能装置的储能效率较差的问题。
为了达到上述目的，本发明提供的具体方案如下：
第一方面，本发明实施例提供了一种超导储能装置，所述超导储能装置包括第一壳体、超导线圈和超导发电机，所述第一壳体内为超导环境，所述超导发电机的超导部件和所述超导线圈均设置于所述第一壳体内，所述超导发电机的电能输出端与所述超导线圈电连接。
优选的，所述第一壳体内填充有冷却媒介，以使所述第一壳体内形成所述超导环境。
优选的，所述超导储能装置还包括冷却媒介循环系统，所述冷却媒介循环系统与所述第一壳体连通，用于调节所述第一壳体内的冷却媒介的温度。
优选的，所述超导储能装置还包括控制系统，所述冷却媒介循环系统包括温度传感器、制冷循环泵、冷却媒介储存罐和制冷系统总成；
所述制冷循环泵、所述冷却媒介储存罐和所述制冷系统总成通过管路依次连通，所述制冷循环泵与所述第一壳体连通，所述制冷系统总成与所述第一壳体连通，所述制冷循环泵的供电端和所述制冷系统总成的供电端均与所述超导线圈电连接；
所述第一壳体设置有所述温度传感器，所述温度传感器、所述制冷循环泵的控制端和所述制冷系统总成的控制端均与所述控制系统连接。
优选的，所述冷却媒介循环系统还包括叶轮和离合器，所述叶轮设置于所述第一壳体内，所述叶轮和所述超导发电机的转轴通过所述离合器连接，所述离合器的控制端与所述控制系统连接，所述控制系统控制所述叶轮与所述超导电动机的转轴连接。
优选的，所述超导储能装置还包括保护装置，所述保护装置包括熔断器和地线保护装置，所述熔断器设置于所述第一壳体外，所述熔断器与所述超导线圈电连接，所述地线保护装置设置于所述第一壳体的外壁，所述熔断器的控制端和所述地线保护装置的控制端均与所述控制系统连接。
优选的，所述第一壳体的侧壁由保温材料制成，和/或，所述第一壳体的侧壁设置有真空保温层。
优选的，所述第一壳体内还设置有用于分离气态和液态冷却媒介的气液分离膜。
第二方面，本发明实施例提供了一种超导储能装置的控制方法，应用于第一方面所述的超导储能装置。所述超导储能装置的控制方法包括：
所述超导发电机通过驱动装置驱动发电；
所述超导发电机的电能输出端将产生的电能传导给所述超导线圈；
所述超导线圈将所接收的电能储存。
优选的，所述超导储能装置还包括冷却媒介循环系统，所述冷却媒介循环系统包括温度传感器、制冷循环泵、冷却媒介储存罐、制冷系统总成和控制系统；
所述超导储能装置的控制方法还包括：
若所述控制系统监测到所述温度传感器采集的所述第一壳体内的温度超过预定值，控制所述超导线圈向所述制冷循环泵和所述制冷系统总成供电；
所述控制系统控制所述制冷循环泵将所述冷却媒介储存罐内的冷却媒介泵入到所述第一壳体内；
所述控制系统控制所述制冷系统总成将从所述第一壳体进入所述制冷系统总成内的高温冷却媒介冷却，将冷却后的冷却媒介输送至所述冷却媒介储存罐。
优选的，所述冷却媒介循环系统还包括叶轮和离合器，所述叶轮设置于所述第一壳体内，所述叶轮通过所述离合器和所述超导发电机的转轴连接，所述离合器的控制端与所述控制系统连接；
所述超导储能装置的控制方法还包括：
若所述控制系统监测到所述温度传感器采集的所述第一壳体内的温度超过预定值，同时所述制冷循环泵和/或所述制冷系统总成的工作状态异常，所述控制系统控制所述驱动装置停机；
所述控制系统控制所述离合器将所述叶轮与所述超导发电机的转轴连接；
所述控制系统控制所述超导线圈向所述超导发电机供电，以使所述超导发电机的转轴带动所述叶轮旋转，对所述第一壳体进行抽气解压。
优选的，所述超导储能装置的控制方法还包括：
所述控制系统控制所述超导线圈向所述超导发电机供电；
所述控制系统监测到所述制冷循环泵和/或所述制冷系统总成状态异常，且所述驱动装置出现燃油耗尽的异常状态，所述控制系统控制所述叶轮和所述超导发电机空转，和/或带动所述驱动装置的转轴空转，以使所述超导线圈内存储的电量消耗至安全值。
优选的，所述超导储能装置还包括保护装置，所述保护装置包括熔断器和地线保护装置，所述熔断器设置于所述第一壳体外，所述熔断器与所述超导线圈电连接，所述地线保护装置设置于所述第一壳体的外壁，所述熔断器的控制端和所述地线保护装置的控制端均与所述控制系统连接；
若所述控制系统监控到所述温度传感器采集的所述第一壳体内的温度达到预设值，所述控制系统控制所述保护装置启动；
所述控制系统控制所述地线保护装置的地线弹出并触地，以使所述超导线圈所储存的电能流向大地；
在所述地线保护装置故障或者无法触地时，所述控制系统启动所述熔断器，以使所述超导线圈所储存的电能流向所述熔断器。
优选的，所述超导储能装置还包括电量测量装置；
所述超导储能装置的控制方法包括：
所述控制系统根据所述电量检测装置的测量值和应用所述超导储能装置的应用设备的运行状态数据，生成目标供电模式；
所述控制系统根据所述目标供电模式，控制所述超导发电机向所述超导线圈和/或应用所述超导储能装置的应用设备供电。
有益效果：上述本发明实施例提供的超导储能装置及其控制方法，所述超导储能装置包括第一壳体、超导线圈和超导发电机，所述超导发电机的超导部件和所述超导线圈均设置于所述第一壳体内的超导环境中，使得所述超导发电机和所述超导线圈均处于超导状态。所述超导发电机的电能输出端与所述超导线圈电连接，处于超导状态的超导发电机受外界驱动发电，将产生的电能储存在超导线圈内储存。
本发明提供的超导储能装置及其控制方法，超导发电机和超导线圈均处于超导状态，不会对超导线圈的储能密度造成限制，提高超导储能装置的储能效率。储能密度高、功率大、充电速度快，无充放电次数限制、无环境污染且具有通用性。
本发明提供的超导储能装置及其控制方法，设置用于维持超导环境不被轻易破坏，以及在超导环境被破坏时进行恢复或者减缓破坏的保护装置及方法，为超导储能装置的安全提供多重保险，大幅度提高了超导储能装置的安全性能。
本发明提供的超导储能装置及其控制方法，增设泄电控制策略，以实现存储电量的自动控制，进一步提高超导储能装置的安全性能。
本发明提供的超导储能装置及其控制方法，复合式结构的保温层在具有较强结构的同时，具有极低的热导率，在满足固定作用的同时，达到了绝热需求，解决了传统保温材料在绝热性、结构强度、减震、厚度以及清洁性等方面不能很好兼顾的技术问题。
本发明提供的超导储能装置及其控制方法，壳体壁采用机械强度高及抗冲击性能好的非金属材料制备，相比金属材料，所采用的非金属材料普遍热导率较低，并且更适宜在高温和低温等极端恶劣的环境下服役。
本发明提供的超导储能装置及其控制方法，成本低、制作简单，可实现量产。
本发明提供的超导储能装置及其控制方法，储能密度大幅提高，所以体积小，节省空间，也易于实现轻量化。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种超导储能装置的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的另一种超导储能装置的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的另一种超导储能装置的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的超导储能装置的第一壳体的侧壁的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的超导储能装置的第一壳体的侧壁的结构示意图之一；
图6为本发明实施例提供的超导储能装置的气液分离膜的结构示意图；
图7为本发明实施例提供的超导储能装置的控制方法的流程示意图。
附图标记汇总：
超导储能装置10，超导线圈11，超导发电机12，第一壳体13，第一壳体的侧壁131，保温层132，真空层133；
驱动装置20，驱动装置的转轴21，油箱22；
冷却媒介循环系统30，制冷循环泵31，冷却媒介储存罐32，制冷系统总成33，换热器331，膨胀机332，叶轮34；
熔断器41，地线保护装置42；
气液分离膜50，气孔51。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参见图1，为本发明实施例提供的超导储能装置10的结构示意图。如图1所示，一种超导储能装置10，包括第一壳体13、超导线圈11和超导发电机12，所述第一壳体13内为超导环境，所述超导线圈11和所述超导发电机12的超导部件均设置于所述第一壳体13的超导环境内，以使所述超导线圈和所述超导发电机均处于超导状态。所述超导发电机12的电能输出端与所述超导线圈11电连接。
所述第一壳体13内可以设置冷却媒介，以使所述第一壳体13内形成超导环境。在其他实施方式中，也可以通过其他外界设备使得所述第一壳体处于低温环境中，实现所述第一壳体内的超导环境。所述超导储能装置10的超导线圈11和超导发电机12可以由超导材料制成，设置于所述第一壳体13内的超导环境中，可以使得所述超导线圈11和所述超导发电机12均处于超导状态。所述超导发电机12可以为半导发电机或者全导发电机，即为所述超导发电机12的转子和/或定子为超导材料制成，或者是所述超导发电机整体均为超导材料制成。
所述超导发电机为全导发电机，超导发电机的整体均为超导材料制成。如图1所示，此时可以将整个超导发电机均设置于所述第一壳体内，使得所述超导发电机处于超导状态。
若所述超导发电机为半导发电机，所述发电机的转子，和/或，所述发电机的定子为超导材料制成。此时可以仅将超导发电机的超导部件，即所述超导发电机的转子，和/或定子设置于第一壳体内，以使所述超导发电机处于超导状态。如图2所示，所述超导储能装置10的超导发电机12为半导发电机，所述超导发电机12的转子为超导材料制成，超导发电机12的转子处于第一壳体13内，超导发电机12的其他结构可以不设置于所述第一壳体13内。具体设计过程中，半导发电机可以为仅在励磁绕组中使用超导材料，全导发电机可以为在励磁和电枢绕组中均采用超导线绕制。
于上述实施例中，所应用的超导材料可以为铌三锡、铌钛等铌系、汞钡铜氧、镧钡铜氧体系、钇钡铜氧体系、铋锶钙铜氧体系、铊钡钙铜氧体系、铅锶钇铜氧体系或钡钾铋氧体系等高温超导体和高磁通量超导体。在其他实施方式中，还可以通过其他方式实现所述第一壳体13内超低温的超导环境，其他能实现所述超导线圈11和超导发电机12处于超导状态的方案均可适用于本实施例，在此不作限定。
在上述实施例的基础上，所述第一壳体13内填充的冷却媒介可以包括液氮、液氦、液氢、液化天然气中的一种或几种，在此不做限定。
所述超导发电机12受外界驱动发电，将产生的电能传导至所述超导线圈11储存。超导线圈11储存的电能可以为电动机供电，使得电动机将电能转换为动能为交通工具等应用设备提供动力。所述超导发电机12与所述驱动装置转轴21连接，通过驱动装置20驱动超导发电机12发电。驱动所述超导发电机12发电的驱动装置20可以为柴油机、汽油机、燃气轮机等输出机械功的动力装置。所述驱动装置20的功率可以为1kW至120kW。具体的，所述驱动装置20的功率可以为8kW、12kW、15kW、20kW、65kW和80kW等，可以根据情况选择对应的功率设置，在此不做限定。在其他实施方式中，所述驱动装置20还可以连接有油箱22，所述油箱22的容量可以为10升至120升，具体可以设置40升或者80升，在此不做限定。
在上述实施例的基础上，所述超导储能装置10的超导线圈11内还可以预先存储有一定电量，所述超导线圈11预先存储的电量可以为200kWh至1000kWh。当所述超导线圈11储存的电量低于预设值时，超导储能装置的控制系统控制所述发电机发电，向所述超导线圈11充电。所述超导线圈11内存储的电量可用于为外接用电设备，例如电动交通工具等应用设备提供电能。
本发明实施例提供的超导储能装置，所述超导储能装置的超导线圈和超导发电机均处于超导环境，超导发电机受外界驱动发电，将产生的电能传导给所述超导线圈储存。超导线圈将储存的电能传导给电动机等供电设备。超导发电机和超导线圈均处于超导状态，不会对超导线圈的储能密度造成限制，提高超导储能装置的储能效率。
请参见图2和图3，为本发明实施例提供的另一种超导储能装置10。本发明实施例提供的超导储能装置10与上述实施例提供的超导储能装置10的区别在于，增设冷却媒介循环系统30。如图2和图3所示，一种超导储能装置10，包括第一壳体13、超导线圈11、超导发电机12和冷却媒介循环系统30，所述超导线圈11和所述超导发电机12均设置于所述第一壳体13内，所述冷却媒介循环系统30与所述第一壳体13连通。
所述冷却媒介循环系统30与所述第一壳体13连通，以实现所述第一壳体13内的冷却媒介的循环流动，所述控制系统调节所述第一壳体13内的冷却媒介的温度，维持所述超导线圈11和所述超导发电机12所处的稳定的超导环境。
所述冷却媒介循环系统30可以包括温度传感器、制冷循环泵31、冷却媒介储存罐32和制冷系统总成33，所述控制系统与所述温度传感器、所述制冷循环泵31的控制端和所述制冷系统总成33的控制端均连接，以控制所述冷却媒介循环系统30的运行。
所述制冷循环泵31、所述冷却媒介储存罐32和所述制冷系统总成33通过管路依次连通。所述制冷循环泵31与所述冷却媒介储存罐32连通，控制冷却媒介储存罐32内的冷却媒介泵入和泵出。所述制冷系统总成33与所述冷却媒介储存罐32连通，将制冷后的冷却媒介输送至冷却媒介储存罐32内储存。
在一种实施方式中，所述制冷循环泵31与所述第一壳体13的内腔连通，所述制冷系统总成33同时与所述第一壳体13的内腔连通。所述冷却媒介储存罐32、所述制冷循环泵31、所述第一壳体13和所述制冷系统总成33依次连通成超导发电机12的冷却媒介循环回路，实现所述超导发电机12内的冷却媒介循环，维持所述超导发电机12的超导环境。所述制冷循环泵31控制所述冷却媒介储存罐32内的冷却媒介泵入所述第一壳体13，维持所述第一壳体13内的超导环境。与所述第一壳体13进行热交换后的高温冷却媒介输送到制冷循环总成内，由所述制冷系统总成33将高温冷却媒介制冷，并将制冷后的低温冷却媒介输送到冷却媒介储存罐32内储存。实现所述第一壳体13内的冷却媒介循环，维持所述第一壳体13的超导环境的稳定。
在上述实施例的基础上，所述制冷循环泵31与所述第一壳体13的内腔之间可以设置第一阀门，所述制冷系统总成33和所述第一壳体13的内腔之间可以设置第二阀门。所述第一阀门和所述第二阀门控制其所在管路的连通和断开。所述控制系统可以与所述第一阀门和所述第二阀门的控制端均连接，根据第一壳体所需冷却媒介的流量，控制相应阀门的开度，以释放相应流量的冷却媒介。既能保证维持第一壳体13的超导环境，又不至于冷却媒介浪费，减少能量消耗。
所述第一壳体13内设置所述温度传感器，所述温度传感器与所述控制系统连接，将采集的温度数据发送至所述控制系统进行监控处理。所述超导线圈11与所述制冷循环泵31的供电端和所述制冷系统总成33的供电端均连接，以实现超导线圈11对所述制冷循环泵31和所述制冷系统总成33的供电。
若所述控制系统监控到所述温度传感器采集的所述第一壳体13内的温度超过预定值，则判定需要控制冷却媒介循环来维持第一壳体13的超导环境。所述控制系统控制设置在所述制冷循环泵31与所述超导线圈11的连接电路上的开关、设置在制冷系统总成33与所述超导线圈11的连接电路上的开关以及相应的阀门开启，控制所述超导线圈11向所述制冷循环泵31和所述制冷系统总成33供电，控制所述制冷循环泵31将所述冷却媒介储存罐32内的冷却媒介泵入到所述第一壳体13。泵入第一壳体13内的低温冷却媒介维持壳体内的超导环境，与环境进行热交换后温度升高，高温冷却媒介输送至所述制冷泵系统总成。所述控制系统控制所述制冷系统总成33将从所述第一壳体13进入所述制冷系统总成33内的高温冷却媒介冷却，将冷却后的冷却媒介输送至所述冷却媒介储存罐32储存，形成制冷循环，直至所述控制系统监测到所述温度传感器采集的温度值达到预定的安全值。所述控制系统控制控制相应开关和阀门关闭，并控制制冷循环泵31和所述制冷系统总成33关闭，即可实现对所述第一壳体13的超导环境维持。
在上述实施例的基础上，所述冷却媒介循环系统30还可以包括叶轮34和离合器，所述叶轮34设置于所述第一壳体13内，所述离合器用于控制所述叶轮34与所述超导发电机12的转轴连接和断开，所述离合器的控制端与所述控制系统连接，所述控制系统控制所述叶轮34与所述超导电动机的转轴连接和断开。正常工况时，所述叶轮34和所述发电机的转轴为断开状态。
所述控制系统在监测到所述温度传感器采集的第一壳体13内的温度值异常，控制所述冷却媒介循环系统30启动保护工况。若所述控制系统监测到所述温度传感器采集的所述第一壳体13的温度超过预设值，并监测到所述制冷循环泵31和/或所述制冷系统总成33的工作状态异常时，所述控制系统先控制所述驱动装置20停机。所述控制系统控制所述离合器启动，将所述叶轮34和所述超导发电机12的转轴固定连接。控制所述超导线圈11向所述超导发电机12供电，以使所述超导发电机12的转轴带动所述叶轮34旋转，对所述第一壳体13进行抽气解压，以降低所述第一壳体13内的温度，直至所述第一壳体13内的温度值为预定的安全值，再控制所述离合器关闭，将所述叶轮34和所述超导发电机12的转轴断开，即可实现异常工况下对动力系统的保护功能。
在上述实施例的基础上，若所述控制系统监测到所述制冷循环泵31和/或所述制冷系统总成33状态异常，且所述驱动装置20也出现燃油耗尽等异常状态，所述控制系统控制动力系统启动应急放电工况。所述控制系统控制所述超导线圈11向所述超导发电机12供电，并控制所述叶轮34和所述超导发电机12空转，以消耗所述超导线圈11内储存的电量至安全值。所述超导发电机12还可以带动与之连接的驱动装置20空转，辅助消耗所述超导线圈11内储存的电量，加快消耗所述超导线圈11电量的速度，以尽快达到安全值。
在上述实施例的基础上，所述冷却媒介循环系统30的制冷系统总成33可以包括膨胀机332和换热器331，所述膨胀机332可以优选为螺杆式膨胀机或者离心式膨胀机332，以便将流入的高温冷却媒介制冷。其他能实现将高温冷却媒介制冷的制冷系统总成33的结构均可适用于本实施例。
在上述实施例的基础上，所述控制系统还可以根据温度传感器采集的所述超导发电机12内的温度值，调整相应阀门的开度，或者调整所述制冷系统总成33和所述制冷泵的功率，使得所述冷却媒介循环系统30根据所述超导发电机12的实时温度状态适当控制冷却媒介循环，在保证所述超导储能装置10所需的超导储能装置10的前提下提高整个超导储能装置10的经济性能。
在上述实施例的基础上，在所述超导储能装置10不需要保持超导状态时，所述控制系统还可以控制相应阀门关闭，以减少冷却媒介的供应，以减少热量损耗。
在上述实施例的基础上，所述超导储能装置10还可以设置第一报警器。在启动保护工况或者应急放电工况时，所述控制系统还可以控制所述第一报警器报警，以提醒用户该动力系统的制冷循环和所述制冷系统总成33的异常工作状态，方便用户及时采取维修或者部件换新等措施，避免不必要的损失。所述第一报警器可以为语音报警器、文字报警器等，其他能实现异常状态报警的结构均可适用于本实施例，在此不做限定。
在上述实施例的基础上，所述第一壳体13内的维持超导环境的温度值可以为5K～125K。进一步的，安全温度值可以设置多个大小不同的取值范围，例如：10K～110K、20K～90K、35K～40K等，以对应不同的控制精度和不同的工况需求进行设置，在此不做限定。
在上述实施例的基础上，所述超导储能装置10还可以设置定位装置、油箱22的油量检测装置和第二报警装置。所述油箱油量检测装置用于监测所述油箱22内的油量，在监测到所述油箱22内的油量低于预设值时，所述第二报警装置发出报警信号。还可以将油量值低于预设值的信息发送至远程维护中心，以使所述远程维护中心通过所述定位装置获取所述动力系统的当前位置，以便提供现场支援等。所述油箱22的油量预设值可以为1升至5升，进一步优选为3升。在监测到所述油箱22内的油量值低于预设值时，即可报警提醒用户。
在上述实施例的基础上，若所述控制系统监测到所述油箱22油量检测装置采集的油量值为危险值或者为零时，切断所述超导线圈11与外界用电设备的通路，控制超导线圈11仅为所述制冷循环泵31和所述制冷系统总成33或者所述叶轮34供电，控制报警器报警。还可以发送报警信号至远程维护中心，以使所述远程维护中心根据定位装置采集的定位信息提供及时的现场支援。
在上述实施例的基础上，所述超导储能装置10还可以包括保护装置，用于超导环境被破坏时超导储能装置及应用所述超导储能装置的应用设备的保护。所述保护装置可以包括熔断器41和地线保护装置42，所述熔断器41设置于所述第一壳体13外，所述熔断器41与所述超导线圈11电连接，所述熔断器41的控制端和所述地线保护装置42的控制端均与所述控制系统连接。
上述实施例的地线保护装置42可以设置在第一壳体13的外壁上，或者设置在应用本发明的超导储能装置的应用设备的机身上。所述地线保护装置42可以包括地线弹出装置和地线，所述地线可以为接地的柱状物等。所述熔断器41的材料可以为盐酸盐或者碳酸盐，例如碳酸钙等。
所述保护装置保护所述超导储能装置10的过程可以包括：所述控制系统监测到所述温度传感器采集的第一壳体13内的温度达到预设值，所述控制系统控制所述保护装置启动保护工况。所述控制系统控制所述地线保护装置42的连接电路上的开关闭合，并控制所述地线保护装置42的地线弹出装置将地线弹出并触地。电流向电阻小的方向流动，所述超导线圈11所储存的电能释放的电流就会向大地。在所述地线保护装置42故障或者无法触地时，所述控制系统启动所述熔断器41，以使所述超导线圈所储存的电能流向所述熔断器41。流向熔断器41的电流会加热熔断器41熔断，以起到保护作用。
在其他实施方式中，所述控制系统还可以控制报警器报警，以提示用户超导储能装置10的异常状态。
在上述实施例的基础上，所述超导储能装置10还可以设置测量所述超导储能装置10的电量测量装置，所述电量测量装置可以与控制系统连接，将所采集的电量值发送至所述控制系统。
所述控制系统根据所述电量测量装置采集的电量值进行泄电控制的过程可以包括：
若所述控制系统监测到所述电量测量装置测量的电量值异常，所述控制系统控制所述超导线圈11向所述超导发电机12供电，以使所述超导发电机12旋转，还可以带动所述超导发电机12所连接的驱动装置20空转，以消耗所述超导线圈11内储存的电能。
在上述实施例的基础上，所述超导储能装置10储存的电能可以为200kWh至1000kWh，例如500kWh或者800kWh，在此不做限定。
在上述实施例的基础上，所述超导发电机12可以同时与所述超导线圈11和所述超导电动机均电连接，其产生的电能可以流向所述超导线圈11存储，或者流向超导电动机供电。所述超导发电机12可以仅给所述超导线圈11充电，不供应所述超导电动机的电能。所述超导发电机12还可以按照所述控制系统的电控指令，同时将额定功率的电能送至所述超导线圈11和所述超导电动机，为所述超导线圈11充电，为所述超导电动机提供电能。所述超导发电机12还可以仅为所述超导电动机提供全部电能，以使得所述超导电动机可以以较大功率工作，暂时不为超导线圈11提供电能，以保障最强动力性能。
具体的，所述超导储能装置应用于交通工具等应用设备时，可以根据应用设备的工作状态，选择合适的充电方式。所述控制系统可以预先存储有多种供电模式，根据电量测量装置的测量值和应用设备的运行状态数据，选择对应的目标供电模式进行供电。
在一种实施方式中，所述超导储能装置的应用设备为交通工具，所述超导储能装置10的工作模式可以包括静止充电模式、行进充电模式和高速充电模式。
所述静止充电模式可以为，超导电动机不工作，交通工具停止运转的状态下，所述控制系统控制所述超导发电机12仅为所述超导线圈11充电，可以根据用户需求进行缓充或者快充。
所述行进充电模式可以为，所述超导电动机按照标准功率为交通工具提供动力，超导线圈11为所述超导电动机供电，所述超导发电机12为超导线圈11充电。当所述超导电动机按照超高功率工作时，所述超导发电机12和所述超导线圈11同时对超导电动机供电，使得所述电动机为所述交通工具提供较大功率动能，使得交通工具可以瞬间爆发极高整车性能。
所述高速充电模式可以为，线圈储能耗尽，需要超导电动机为交通工具提供较大功率动能输出，以保证交通工具可以高性能行驶。所述超导发电机12可以大功率驱动超导电动机输出动能，为交通工具提供动力，此状态下不对超导线圈11充电。至所述交通工具的行驶能量消耗降低时，动力系统可以进入行进充电模式，为所述超导线圈11充电，同时为所述超导电动机提供电能。在所述交通工具停止行进后，动力系统进入静止充电模式，仅为所述超导线圈11充电，不再需要为超导电动机提供电能。
上述本发明实施例提供的超导储能装置，超导发电机发电为所述超导线圈充电。所述冷却媒介循环系统与所述超导储能装置构成冷却媒介流通回路，实现所述超导储能装置的冷却媒介的回流，维持所述超导储能装置所处超导环境的稳定。还可以通过控制系统控制保护装置等在意外时启动保护工况，根据供电需求选择对应的供电模式供电，提高超导储能装置的安全性和适应性。本实施例提供的超导储能装置的储能密度高、功率大，充放电速度快，不限制充放电次数，无环境污染，通用性强。动力系统的功率密度、系统集成度、能效和性价比均有较大提升。超导储能装置的储能密度提高，储能能量接近无限大，仅受限于超导材料的临界电流密度。成本低、制作简单，可量化生产。由于大幅提高了超导储能装置的储能密度，因此，本专利所述的超导储能装置的体积很小，节省空间，同时易于实现轻量化。本发明实施例提供的超导储能装置的具体实施过程可参见上述实施例提供的超导储能装置的实施过程，在此不再一一赘述。
请参见图1至图5，为本发明实施例提供的另一种超导储能装置10。本发明实施例提供的超导储能装置10与上述实施例提供的超导储能装置10的区别在于，所述超导储能装置10的第一壳体13由保温材料制成。如图1至图3所示，一种超导储能装置10，所述超导储能装置10包括第一壳体13、超导线圈11和超导电动机，所述超导线圈11和所述超导发电机12的超导部件均设置于所述第一壳体13内，所述超导线圈11与所述超导发电机12的电能输出端连接。本实施例中，所述超导发电机12的超导部件可以仅为所述超导发电机的转子或者定子，也可以为所述超导发电机的全部部件，即所述超导发电机可以为全导发电机或者半导发电机，不做限定。
第一壳体的侧壁131可以为硬质材料，优选由机械强度高且抗冲击性能较好的非金属材料加工制成。所述第一壳体的侧壁131的构成材料可以为无机绝热泡沫或者气凝胶毡。所述无机绝热泡沫可以采用发泡玻璃或者蜂窝硅胶。所述无机绝热泡沫可以为超低密度泡沫，绝热性能好，质轻、易加工，机械强度高，可以通过割、锯、钉、粘结等工艺制成所需结构。气凝胶毡的绝热性能好，且具有优良的可塑性，可以定制成能完美包裹所述超导储能装置10的壳体，使得壳芯的内表面形状可以与所述超导储能装置10的外部轮廓相似，使得所述第一壳体13可以紧密贴合所述超导储能装置10，解决了矩形壳体死角处换热不充分的问题，进一步提高整体的保温性能。
在上述实施例的基础上，所述第一壳体的侧壁131厚度可以优选为25毫米、30毫米或者35毫米，在保护所述超导储能装置10内部结构的前提下减少第一壳体13的厚度，增大第一壳体13的容积，节约材料。
所述第一壳体13可以由所述保温材料制成，以维持所述第一壳体13内的超低温环境，减少所述第一壳体13与外界进行热交换。所述第一壳体的侧壁131可以为单层保温材料，也可以在所述第一壳体的侧壁131上设置保温层132，使得所述第一壳体的侧壁131为复合式保温结构。在一种实施方式中，如图4所示，为图1中A处的局部放大图。在所述第一壳体13的内壁和外壁上分别设置一层保温材料，内外双层保温层132将所述第一壳体的侧壁131包裹，起到较好的保温效果。在其他实施方式中，还可以仅在所述第一壳体13的内侧壁、外侧壁或者侧壁内设置保温层132。如图5所示，为进一步提高第一壳体13的保温性能，还可以在所述131和保温层132之间设置真空层133，在所述第一壳体的侧壁131内设置保温真空层，以达到更好的保温效果。其他能实现第一壳体13的保温性能的方案均可适用于本实施例，在此不做限定。
在上述实施例的基础上，所述第一壳体的侧壁131上设置的保温层132材料绝热性能良好，具有一定的柔韧性，适用于曲面，可以在较低温度下维持弹性，使得所述第一壳体13具备缓冲吸收内在设备振动和外力冲击的功能。所述保温层132材料可以优选为气凝胶材料或者复合隔热软毡。所述保温层132材料优选为复合隔热软毡时，可以优选为CGZ超级隔热软毡。CGZ超级隔热软毡在较低温度下柔软性较好，不易掉屑，厚度小，以增大第一壳体13的容积。所述保温层132材料的厚度可以为10毫米至40毫米，所述真空层133的厚度可以优选为3毫米至5毫米，在此不做限定。本实施例提供的其他冷却媒介流通装置和管道的侧壁也可以设置保温材料，减少管道内冷却媒介与环境的热交换，减少能量消耗。其他装置的保温材料的设置方案也可以参考上述第一壳体的侧壁131保温结构的设置方案，在此不再赘述。
在上述实施例的基础上，为防止冷却媒介进行热交换后的气液态混合造成爆炸等危险，还可以设置气液分离膜50。如图3所示，所述第一壳体13内填充有冷却媒介，受重力作用，冷却媒介靠近所述第一壳体13的下端放置。在所述冷却媒介与环境进行热交换后，部分冷却媒介受热气化，以气态冷却媒介形式存在于所述第一壳体13的上端。所述第一壳体13内设置气液分离膜50，气液分离膜50可以设置于所述第一壳体13内填充的液体然冷却媒介的上表面或者附近位置，如图3中所示位置。所述气液分离膜50的结构如图6所示，图6为对应图3中B处的局部放大图。图中可以看出，气液分离膜50上设置有气孔51，冷却媒介中的气体可以经由所述气孔51通过所述气液分离膜50，液体无法通过所述气液分离膜50，即可实现将所述第一壳体13内的液态冷却媒介和气态冷却媒介隔离，从而防止应用所述超导储能装置的设备在发生意外时气液混合发生爆炸等事故。
在上述实施例的基础上，所述气液分离膜50可以包括多层膜。如图3所示，所述气液过滤膜包括三层，设置从下至上依次为第一过滤膜、第二过滤膜和第三过滤膜。所述第一过滤膜设置于略低于液态冷却媒介的液面位置，用于阻挡液态冷却媒介的大幅度波动。所述第二过滤膜位于所述液态冷却媒介的液面位置，用于将气态冷却媒介和液态冷却媒介分离。所述第三过滤膜设置于所述冷却媒介的液面上方一定位置，用于进一步分离气态冷却媒介和液态冷却媒介。多层气液分离膜50的设置方案，可以达到更好的气液态冷却媒介分离的效果，减少所述气液态冷却媒介混合造成意外事故的可能性。
请参见图7，为本发明实施例提供的一种超导储能装置的控制方法的流程示意图，应用于上述实施例提供的超导储能装置。如图7所示，一种超导储能装置的控制方法，包括：
步骤701、所述超导发电机通过驱动装置驱动发电；
步骤702、所述超导发电机的电能输出端将产生的电能传导给所述超导线圈；
步骤703、所述超导线圈将所接收的电能储存。
所述超导储能装置的超导发电机受外界驱动发电，将产生的电能通过超导发电机的电能输出端传导给所述超导线圈，以使所述超导线圈将接收的电能储存。超导线圈可以为电动机供电，以使电动机实现电能转换，为交通工具等的驱动结构提供动力。
在上述实施例的基础上，所述超导储能装置还可以包括，控制系统和冷却媒介循环系统，所述冷却媒介循环系统包括温度传感器、制冷循环泵、冷却媒介储存罐和制冷系统总成；
所述超导储能装置的控制方法还包括：
若所述控制系统监测到所述温度传感器采集的所述第一壳体内的温度超过预定值，控制所述超导线圈向所述制冷循环泵和所述制冷系统总成供电；
所述控制系统控制所述制冷循环泵将所述冷却媒介储存罐内的冷却媒介泵入到所述第一壳体内；
所述控制系统控制所述制冷系统总成将从所述第一壳体进入所述制冷系统总成内的高温冷却媒介冷却，将冷却后的冷却媒介输送至所述冷却媒介储存罐。
在上述实施例的基础上，所述冷却媒介循环系统还包括叶轮和离合器，所述叶轮设置于所述第一壳体内，所述叶轮和所述超导发电机的转轴通过所述离合器连接，所述叶轮的控制端与所述控制系统连接；
所述超导储能装置的控制方法还包括：
若所述控制系统监测到所述温度传感器采集的所述第一壳体内的温度超过预定值，同时所述制冷循环泵和/或所述制冷系统总成的工作状态异常，所述控制系统控制所述驱动装置停机；
所述控制系统控制所述离合器将所述叶轮与所述超导发电机的转轴连接；
所述控制系统控制所述超导线圈向所述超导发电机供电，以使所述超导发电机的转轴带动所述叶轮旋转，对所述第一壳体进行抽气解压。
在上述实施例的基础上，所述冷却媒介循环系统还包括叶轮，所述叶轮设置于所述第一壳体内，所述叶轮和所述超导发电机的转轴连接，所述叶轮的控制端与所述控制系统连接；
所述超导储能装置的控制方法还包括：
所述控制系统控制所述超导线圈向所述超导发电机供电；
所述控制系统监测到所述制冷循环泵和/或所述制冷系统总成状态异常，且所述驱动装置出现燃油耗尽的异常状态，所述控制系统控制所述叶轮和所述超导发电机空转，和/或带动所述驱动装置的转轴空转，以使所述超导线圈内存储的电量消耗至安全值。
在上述实施例的基础上，所述超导储能装置还包括保护装置，所述保护装置包括熔断器和地线保护装置，所述熔断器设置于所述第一壳体外，所述熔断器与所述超导线圈电连接，所述地线保护装置设置于所述第一壳体的外壁上，所述熔断器的控制端和所述地线保护装置的控制端均与所述控制系统连接；
若所述控制系统监控到所述温度传感器采集的所述第一壳体内的温度达到预设值，所述控制系统控制所述保护装置启动；
所述控制系统控制所述地线保护装置的地线弹出并触地，以使所述超导线圈所储存的电能流向大地；
在所述地线保护装置故障或者无法触地时，所述控制系统控制启动所述熔断器，以使所述超导线圈所储存的电能流向所述熔断器。
在上述实施例的基础上，所述超导储能装置还包括电量测量装置，所述电量测量装置与所述控制系统连接；
所述超导储能装置的控制方法还包括：
若所述控制系统监控到所述电量测量装置测量的电量值异常，所述控制系统控制所述驱动装置停机，并控制所述超导线圈向所述超导发电机供电，以使所述超导发电机旋转，带动所述驱动装置空转。
在上述实施例的基础上，所述超导发电机与所述超导电动机的供电端电连接；
所述超导储能装置的控制方法包括：
所述控制系统根据所述电量检测装置的测量值和所述交通工具的运行状态数据，生成目标供电模式；
所述控制系统根据所述目标供电模式，控制所述超导发电机向所述超导线圈和/或所述超导电动机供电。
上述本发明实施例提供的超导储能装置的控制方法，超导发电机发电为所述超导线圈充电。所述冷却媒介循环系统与所述超导储能装置构成冷却媒介流通回路，实现所述超导储能装置的冷却媒介的回流，维持所述超导储能装置所处超导环境的稳定。还可以通过控制系统控制保护装置等在意外时启动保护工况，根据供电需求选择对应的供电模式供电，提高超导储能装置的安全性和适应性。本实施例提供的超导储能装置的储能密度高、功率大，充放电速度快，不限制充放电次数，无环境污染，通用性强。动力系统的功率密度、系统集成度、能效和性价比均有较大提升。超导储能装置的储能密度提高，储能能量接近无限大，仅受限于超导材料的临界电流密度。成本低、制作简单，可量化生产。由于大幅提高了超导储能装置的储能密度，所述超导储能装置的体积也很小，节省空间，同时易于实现轻量化。本发明实施例提供的超导储能装置的控制方法的具体实施过程可参见上述实施例提供的超导储能装置的实施过程，在此不再一一赘述。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种超导储能装置，其特征在于，所述超导储能装置包括第一壳体、超导线圈和超导发电机，所述第一壳体内为超导环境，所述超导发电机的超导部件和所述超导线圈均设置于所述第一壳体内，所述超导发电机的电能输出端与所述超导线圈电连接；
所述第一壳体内填充有冷却媒介，以使所述第一壳体内形成所述超导环境；
所述超导储能装置还包括冷却媒介循环系统，所述冷却媒介循环系统与所述第一壳体连通，用于调节所述第一壳体内的冷却媒介的温度；
所述超导储能装置还包括控制系统，所述冷却媒介循环系统包括温度传感器、制冷循环泵、冷却媒介储存罐和制冷系统总成；
所述制冷循环泵、所述冷却媒介储存罐和所述制冷系统总成通过管路依次连通，所述制冷循环泵与所述第一壳体连通，所述制冷系统总成与所述第一壳体连通，所述制冷循环泵的供电端和所述制冷系统总成的供电端均与所述超导线圈电连接；
所述第一壳体设置有所述温度传感器，所述温度传感器、所述制冷循环泵的控制端和所述制冷系统总成的控制端均与所述控制系统连接；
所述冷却媒介循环系统还包括叶轮和离合器，所述叶轮设置于所述第一壳体内，所述叶轮和所述超导发电机的转轴通过所述离合器连接，所述离合器的控制端与所述控制系统连接，所述控制系统控制所述叶轮与超导电动机的转轴连接；
若所述控制系统监测到所述温度传感器采集的所述第一壳体内的温度超过预定值，同时所述制冷循环泵和/或所述制冷系统总成的工作状态异常，所述控制系统控制驱动装置停机；
所述控制系统控制所述离合器将所述叶轮与所述超导发电机的转轴连接；
所述控制系统控制所述超导线圈向所述超导发电机供电，以使所述超导发电机的转轴带动所述叶轮旋转，对所述第一壳体进行抽气解压；
所述控制系统控制所述超导线圈向所述超导发电机供电；
所述控制系统监测到所述制冷循环泵和/或所述制冷系统总成状态异常，且所述驱动装置出现燃油耗尽的异常状态，所述控制系统控制所述叶轮和所述超导发电机空转，和/或带动所述驱动装置的转轴空转，以使所述超导线圈内存储的电量消耗至安全值。
2.根据权利要求1所述的超导储能装置，其特征在于，所述超导储能装置还包括保护装置，所述保护装置包括熔断器和地线保护装置，所述熔断器设置于所述第一壳体外，所述熔断器与所述超导线圈电连接，所述地线保护装置设置于所述第一壳体的外壁，所述熔断器的控制端和所述地线保护装置的控制端均与所述控制系统连接。
3.根据权利要求1所述的超导储能装置，其特征在于，所述第一壳体的侧壁由保温材料制成，和/或，所述第一壳体的侧壁设置有真空保温层。
4.根据权利要求1所述的超导储能装置，其特征在于，所述第一壳体内还设置有用于分离气态冷却媒介和液态冷却媒介的气液分离膜。
5.一种超导储能装置的控制方法，其特征在于，应用于如权利要求1至4中任一项所述的超导储能装置，所述超导储能装置的控制方法包括：
所述超导发电机通过驱动装置驱动发电；
所述超导发电机的电能输出端将产生的电能传导给所述超导线圈；
所述超导线圈将所接收的电能储存；
若所述控制系统监测到所述温度传感器采集的所述第一壳体内的温度超过预定值，控制所述超导线圈向所述制冷循环泵和所述制冷系统总成供电；
所述控制系统控制所述制冷循环泵将所述冷却媒介储存罐内的冷却媒介泵入到所述第一壳体内；
所述控制系统控制所述制冷系统总成将从所述第一壳体进入所述制冷系统总成内的高温冷却媒介冷却，将冷却后的冷却媒介输送至所述冷却媒介储存罐。
6.根据权利要求5所述的超导储能装置的控制方法，其特征在于，所述超导储能装置还包括保护装置，所述保护装置包括熔断器和地线保护装置，所述熔断器设置于所述第一壳体外，所述熔断器与所述超导线圈电连接，所述地线保护装置设置于所述第一壳体的外壁，所述熔断器的控制端和所述地线保护装置的控制端均与所述控制系统连接；
若所述控制系统监控到所述温度传感器采集的所述第一壳体内的温度达到预设值，所述控制系统控制所述保护装置启动；
所述控制系统控制所述地线保护装置的地线弹出并触地，以使所述超导线圈所储存的电能流向大地；
在所述地线保护装置故障或者无法触地时，所述控制系统启动所述熔断器，以使所述超导线圈所储存的电能流向所述熔断器。
7.根据权利要求5所述的超导储能装置的控制方法，其特征在于，所述超导储能装置还包括电量测量装置；
所述控制系统根据所述电量测量装置的测量值和应用所述超导储能装置的应用设备的运行状态数据，生成目标供电模式；
所述控制系统根据所述目标供电模式，控制所述超导发电机向所述超导线圈和/或应用所述超导储能装置的应用设备供电。
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