CN110190675A - 一种基于超导材料的瞬时储能方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于超导材料的瞬时储能方法：初始时，应用连接驱动装置，使磁体在外力作用下靠近超导线圈，将机械能存储为电磁能；在连接驱动装置的控制下，当磁体的几何中心与超导线圈的几何中心重合时，磁体与超导线圈处于自平衡状态，停止运动，完成一次储能过程；当外部环境需要能量释放或需要运动助推时，应用连接驱动装置，使磁体在外力作用下离开平衡位置，一旦磁体偏离中心位置，这时存储的能量对外做功，电磁能转换为机械能，助推磁体移动，完成一次释能过程；重复上述，应用连接驱动装置完成磁体在超导线圈中往复运动以实现能量的存储释放。本发明具有能量转换效率高、储能密度高、自身能量损耗低的特点。
Description
技术领域
本发明涉及节能、储能技术领域，更具体的说，是涉及一种基于超导材料的瞬时储能方法。
背景技术
传统的“落磁法”演示楞次定律时，应用一个磁体和一个金属长管，通过观察、分析磁体在管中利用重力下落时的速度变化证明楞次定律“来拒去留”的物理特征。也可以利用两种材料不同，但几何尺寸相同的金属长管进行实验，在展示楞次定律的同时，通过观察、分析磁体在不同管中的下落速度的差异，展示材料的电阻率对管壁中感生电流大小的影响，如图1所示。
近来，我们应用超导材料代替传统金属材料做类似的实验，发现了有趣且给人以启发的现象：(1)磁体在通过超导线圈时所受到的力几十倍于通过常规金属环时所受的力；(2)对于常规金属环，磁体在沿金属环的轴线运动时，在整个过程中都受到一个与运动方向相反的阻力；(3)对于超导线圈，磁体沿线圈的轴线运动时，在磁体到达超导线圈轴向中心位置之前受到一个与其运动方向相反的阻力。而通过这个中心位置之后，磁体受到一个与其运动方向相同的推力。也就是说磁体与超导线圈之间的相互作用不再具有“来拒去留”的特征，相关实验曲线如图4、5、6所示，图4中应用圆柱形NdFeB永磁体(直径＝20mm，高＝20mm) 与铜环、铝环(尺寸相同，内径＝30mm，外径＝105mm，高＝10mm)进行相对运动，图5中应用圆柱形NdFeB永磁体(直径＝20mm，高＝20mm)与超导绕组(内径＝60mm，外径＝80mm)，高＝10mm，由宽4.2mm厚2.3mm的Bi-2223带材绕制)进行相对运动，图6中应用圆柱形NdFeB永磁体(直径＝20mm，高＝20mm) 与超导绕组(内径＝60mm，外径＝80mm)，高＝10mm，由宽4.2mm厚2.3mm的 Bi-2223带材绕制)进行相对运动。
经过反复试验和分析，我们确认：在上述实验过程中，超导线圈因磁体磁场的作用产生一个永恒的感应电流。这个电流与磁体磁场的相对角度在磁体通过线圈的轴向中点时发生了方向性变化，从而两者之间的相互作用力随之发生了方向的变化。从能量转化的角度分析，在磁体到达超导线圈轴向中点之前，外力推动磁体做功，所产生的能量以超导永恒电流的形式储存在超导线圈中。当磁体移动至超导线圈轴向中心位置时，磁体与超导线圈的相互作用力为零，此时磁体与超导线圈之间呈现自平衡状态。当磁体由于某种原因在平衡点重新启动，向前或向后再次移动时，超导线圈对磁体都会产生一个推力对磁体做功。
也就是说，超导线圈和磁体可以构成这样一个储能-释能循环：磁体在外力作用下靠近超导线圈，将机械能存储为电磁能；在磁体的几何中心与超导线圈的几何中心重合时(这个重合的点可被称作平衡点)，磁体和超导线圈停止相互作用，存储在超导线圈里的能量以电流的方式保持下来；当磁体在某种外部因素的作用下离开平衡点后，磁体将受到一个推力的作用，电磁能开始对磁体做功，转化为机械能。而磁体获得的机械能可以通过机械传递装置转移到其它物体上，得到实际应用。
从理论上讲，这种储能装置的能储容量为1/2LI2,其中L为超导线圈的电感， I为线圈承载的电流。磁体与超导线圈的作用力与磁体的磁通密度成正比，与超导线圈的承载的电流成正比，并与超导线圈的匝数、几何尺寸相关。
我们在实验中发现，超导线圈和磁体的相互作用有如下特点：
1.超导线圈和磁体之间的相互作用力在量值上是很大的(相对线圈和磁体的尺寸而言)；
2.超导线圈和磁体可以在平衡点停留相对较长的一段时间，超导线圈里面的永恒电流几乎无衰减，所以能量可以在相当长(可达几十分钟)时间内储存在超导线圈里；
3.磁体在外力下或任何其它原因向前或向后离开平衡点都会受到超导线圈的推力，这时储存的能量对外做功，助推磁体的移动。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，基于超导材料代替传统金属材料进行“落磁法”实验所得相互作用力及相互作用能关系，提供一种应用超导材料零电阻、载流能力强的优良特性的瞬时储能方法，即一种基于超导材料的瞬时储能方法，可应用于车辆的制动(刹车)与重新启动、助力电磁弹射等，从而实现在不同生产设备，尤其是运动状态频繁发生改变的设备中的节能与储能。同时，相较于其它瞬时储能方法，该方法具有能量转换效率高、储能密度高、自身能量损耗低的特点。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
本发明基于超导材料的瞬时储能方法，包括以下步骤：
第一步：初始时，应用连接驱动装置，使磁体在外力作用下靠近超导线圈，将机械能存储为电磁能；
第二步：在连接驱动装置的控制下，当磁体的几何中心与超导线圈的几何中心重合时，磁体与超导线圈处于自平衡状态，停止运动，完成一次储能过程；
第三步：当外部环境需要能量释放或需要运动助推时，应用连接驱动装置，使磁体在外力作用下离开平衡位置，一旦磁体偏离中心位置，这时存储的能量对外做功，电磁能转换为机械能，助推磁体移动，完成一次释能过程；
第四步：重复第一步至第三步，应用连接驱动装置完成磁体在超导线圈中往复运动以实现能量的存储释放。
所述超导线圈采用由超导导线制作的首尾连接的闭合绕组，或者采用一个超导材料制作的闭合环，或者采用由一个以上的超导闭合环组成的叠加体。
所述磁体采用永磁体或电磁体。
所述超导线圈在工作(能量的存储或释放)时必须通过某种冷却手段使其处于超导状态。
所述连接驱动装置的刚性直杆使用非磁性材料制作，要求杆的直径小于磁体的径向尺寸。
所述磁体、连接驱动装置和超导线圈至少设置一组，彼此间串联或并联使用。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
本发明所提出的基于超导材料的瞬时储能方法，展现了超导材料零电阻、载流能力强的优良特性。通过搭配不同的连接驱动装置，可广泛装设于不同的生产实践设备中，尤其适用于运动状态频繁改变的设备。该装置的推广与应用可大大提高能量的利用率。
附图说明
图1是验证楞次定律的“落磁实验”装置示意图；
图2是超导储能原理图；
图3是超导释能原理图；
图4是磁体与传统金属材料相对运动受力曲线图；
图5是磁体与超导环相对运动受力曲线图(从初始点运动到终点)；
图6是磁体与超导环相对运动受力曲线图(从初始点运动到终点；从初始点运动到平衡点再返回初始点)；
图7是车载超导储能装置充能过程示意图；
图8是车载超导储能装置释能过程示意图；
图9是超导储能弹射器助推装置示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
本发明基于超导材料的瞬时储能方法，主要通过磁体、超导线圈以及相关的连接驱动装置搭配完成实现。即使搭配不同连接驱动装置，只要应用连接驱动装置完成磁体在超导线圈中往复运动以实现能量的存储释放，均在本发明保护之内。在连接驱动装置的控制下，磁体可平稳的沿着超导线圈中心轴线进行往复运行。超导线圈的几何中心点为磁体的上下运动范围的中心点，且磁体运动区间大于超导线圈的几何高度。具体实现过程如下：
第一步：初始时，应用连接驱动装置，使磁体在外力作用下靠近超导线圈，将机械能存储为电磁能。
其中，所述超导线圈可以是由超导导线制作的首尾连接的闭合绕组，也可以是一个超导材料制作的闭合环，也可以是由一个以上的超导闭合环组成的叠加体。所述超导线圈在工作(能量的存储或释放)时必须通过某种冷却手段使其处于超导状态。所述磁体可以是永磁体，也可以是电磁体。所述连接驱动装置的刚性直杆使用非磁性材料制作，一般要求杆的直径远小于磁体的径向尺寸。所述磁体、连接驱动装置和超导线圈至少设置一组，彼此间可以串联或并联使用，串联或并联使用的目的是增加储能的容量或在释能时增加机械力的强度。
当磁体在连接驱动装置的控制下开始平稳运动接近超导线圈，即在外力作用下靠近超导线圈，在未到达超导线圈轴向中心位置之前，运动一定位移时，磁通量不断增加，根据法拉第电磁感应定律将在闭合回路中产生的感生电动势，相应的将产生感应电流，实现将机械能转化为电磁能。该感生电流所激发的磁场将对磁体的继续前进产生一个阻力。对于超导材料，由于超导体处于超导态时电阻为零，其内部所产生的感应电流不会发生衰减，故而，超导线圈与磁体之间的相互作用力在量值上是很大的，且能量将以电流的方式，可以在相当长的时间内储存在超导线圈中。同时，在上述过程中，超导线圈所产生的磁场强度与磁场方向始终保持不变。
第二步：在连接驱动装置的控制下，当磁体的几何中心与超导线圈的几何中心重合时，磁体与超导线圈处于自平衡状态，停止运动，完成一次储能过程。如图2所示。
当磁体运动至超导线圈轴向中心位置时，磁体与超导线圈之间相互作用力为零，此时永磁体与超导线圈之间呈现自平衡状态。其相互作用能随着距离的减小而增大，直到环中心达到最大值，装置完成充能过程。
第三步：当外部环境需要能量释放或需要运动助推时，应用连接驱动装置，使磁体在外力作用下离开平衡位置(远离时对运动路径没有限制，远离初始位置或靠近初始位置均可)，一旦磁体偏离中心位置，这时存储的能量对外做功，电磁能转换为机械能，助推磁体移动，完成一次释能过程。如图3所示。
当磁体在连接驱动装置的控制下，即磁体在某种外部因素的作用下，在平衡点重新启动，远离平衡点，无论向前或向后运动，都会造成磁体与超导线圈之间的相互作用力失衡，且两者之间的作用力均表现为对磁体的推动力，这时储存的能量对外做功。通过连接驱动装置可将该作用力转移到其它物体上，得到传递利用。其相互作用能随着距离的增大而减小，释能过程结束。
第四步：重复上述第一步至第三步，应用连接驱动装置完成磁体在超导线圈中往复运动以实现能量的存储释放。
另外，本发明中磁体、超导线圈、连接驱动装置可以设置若干组，彼此间串联或并联使用，串联或并联使用的目的是增加储能的容量或在释能时增加机械力的强度。
在连接驱动装置的控制下，磁体可平稳的沿着超导线圈中心轴线进行往复运动，进而实现能量的存储与释放。通过将磁体搭配不同的连接驱动装置，该储能方法可广泛应用于不同的实际应用中，使其得以装设于不同的生产实践设备之中，尤其适用于运动状态频繁改变的设备。通过与常规生产装置相配合，可实现相应设备的节能、储能。例如车辆的制动(刹车)与重新启动、助力电磁弹射等。
应用于车辆的制动与重新启动，可以节省车辆全程行驶所消耗的能量。地铁具有运载量大、快速、高效、节省土地等诸多优点是解决大城市交通问题的首选。然而，地铁在运行过程中，由于站间距离较短，列车启动、制动频繁，制动能量可以达到牵引能量的40％～50％。目前，国内地铁车辆普遍采用电制动，使能量大多以热量的形式消耗在制动电阻上。基于该方法设计的储能装置可作为车载储能装置装设于汽车，地铁等设备中，实现在制动时能量的存储，启动时能量的释放，并为地铁启动助力，节约车辆重新启动时所需要外加投入的能量，提高能量的利用率。这种储能方法在车辆制动时通过适当的连接驱动装置将车辆行进的动能转化为电磁能，在车辆重新启动时所储存的电磁能可以帮助车辆启动，节约车辆重新启动时所需要外加投入的能量。该储能方法非常适合在几分钟内就要完成一次制动-重新启动循环的城市轨道交通系统。
应用于助力电磁弹射，可以使同样的弹射平台具有更大的弹射能力。弹射器是航空母舰上推动舰载机增大起飞速度、缩短滑跑距离的装置，全称舰载机起飞弹射器。基于该方法设计的储能装置可作为弹射器助推装置，通过适当的机械连接驱动装置将磁体和弹射平台的推进机构结合起来，在弹射启动前通过机械操作使这种储能装置完成储能并使其处在平衡点位置，在弹射动作启动后其就可以自动地释放能量，对被弹射体附加推力，进一步增大起飞速度，在短距离内，使飞机达到或接近起飞速度实施起飞。
因为超导线圈没有电阻，所以储存其中的能量在非释能条件下以永恒电流 (电流的大小和方向都保持不变)的形式存在，装置自身的能量损耗很低。又因为超导线圈的载流能力是同样几何尺寸常规线圈(如铜或铝线圈)的几十倍，所以其储能密度要高于常规线圈的几十倍。一般来讲，与其它储能方法相比，该种超导电磁储能方法具有能量转换效率高、储能密度高、自身能量损耗低的特点。
现基于该超导材料瞬时储能方法提出两种不同类型连接驱动装置，分别装设于汽车和电磁弹射器——车载超导储能装置、超导储能弹射器助推装置，说明该方法的具体实施方案。
1.车载超导储能装置
车载超导储能装置主要组成部件：变速齿轮箱(连接驱动装置)、超导线圈、永磁体。该储能装置通过变速齿轮箱与列车轮对连接，能够辅助列车提升制动效能以及增加列车启动时的驱动力。其工作原理：
1)如图7所示，初始时，当列车进入制动阶段时，轮对与变速齿轮箱反向驱动齿轮结合，变速齿轮箱驱动永磁体向超导线圈轴向中心位置移动，在永磁体移动程中超导线圈因外界磁场变化产生感应电流，感应电流使超导线圈产生与永磁体极性相反的磁场，在该磁场的作用下，超导线圈与永磁体之间产生相互作用力(斥力)，阻碍永磁体移动。由于超导线圈电阻为零，其内部所产生的感应电流不会发生衰减，超导线圈所产生的磁场强度与磁场方向保持不变。
2)当永磁体移动至超导线圈轴向中心位置后，永磁体与超导线圈两端产生的作用力相互平衡，此时永磁体与超导线圈之间呈现自平衡状态，装置完成充能过程。
此过程中，列车的动能转变为电磁能储存在超导线圈内，并持续保持不变；同时，通过变速齿轮箱将超导线圈对永磁体的反向阻碍作用力传递给轮对，可以辅助列车提升对轮对的制动能力。
3)如图8所示，当列车启动时，轮对与变速齿轮箱正向驱动齿轮结合，车轮转动带动永磁体产生位移，永磁体与超导线圈之间的相互作用力失衡，两者之间的作用力(斥力)延永磁体运动方向逐渐增大，通过变速齿轮箱将该作用力传递给轮对，可增加列车启动时的驱动力。当永磁体移动至充能前的初始位置后，变速齿轮箱正向驱动齿轮与轮对分离，释能过程结束。
2.超导储能弹射器助推装置
如图9(1)所示，超导储能弹射器助推装置主要组成部件：蓄能驱动机构、超导线圈、永磁体。该装置与常规弹射器配合，能够辅助增加弹射器的初始驱动力，使战机在弹射初期能够获得更大的弹射动能。其工作原理：
1)如图9(2)所示，蓄能驱动机构拖动永磁体移动至超导线圈轴向中心位置。此过程中，超导线圈因外界磁场变化产生感应电流，感应电流使超导线圈产生与永磁体极性相反的磁场，在该磁场的作用下，超导线圈与永磁体之间产生相互作用力(斥力)。由于超导线圈电阻为零，其内部所产生的感应电流不会发生衰减，超导线圈所产生的磁场强度与磁场方向保持不变。
2)当永磁体移动至超导线圈轴向中心位置后，永磁体与超导线圈两端产生的作用力相互平衡，此时永磁体与超导线圈之间呈现自平衡状态，装置完成充能过程。
此过程中，蓄能驱动机构的动能转变为电磁能储存在超导线圈内，并持续保持不变。
3)如图9(3)所示，当战机准备弹射起飞时，蓄能驱动机构挂钩与永磁体助推部件脱钩分离，常规弹射器驱动弹射钩拖拽战机开始滑跑起飞。如图(4) 所示，当永磁体助推部件随弹射钩向前产生位移时，永磁体助推部件与超导线圈之间的相互作用力失衡，两者之间的作用力(斥力)延永磁体运动方向逐渐增大，推动弹射钩向前运动，增加常规弹射装置的初始驱动力，将电磁能转化为机械能。如图(5)、图(6)所示，当超导储能助推装置完成助推工作后，永磁体助推部件与弹射钩分离，常规弹射装置继续推进战机起飞。
尽管上面结合附图对本发明的功能及工作过程进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体功能和工作过程，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
参考文献：
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2.Qian Dong，Ying Xin，Bo Tian，et al.A Distinctive Phenomenon Observedin a Lenz’s Demonstration Experiment with a Superconductor Coil.(unpublished)。
Claims (6)
1.一种基于超导材料的瞬时储能方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步：初始时，应用连接驱动装置，使磁体在外力作用下靠近超导线圈，将机械能存储为电磁能；
第二步：在连接驱动装置的控制下，当磁体的几何中心与超导线圈的几何中心重合时，磁体与超导线圈处于自平衡状态，停止运动，完成一次储能过程；
第三步：当外部环境需要能量释放或需要运动助推时，应用连接驱动装置，使磁体在外力作用下离开平衡位置，一旦磁体偏离中心位置，这时存储的能量对外做功，电磁能转换为机械能，助推磁体移动，完成一次释能过程；
第四步：重复第一步至第三步，应用连接驱动装置完成磁体在超导线圈中往复运动以实现能量的存储释放。
2.根据权利要求1所述的基于超导材料的瞬时储能方法，其特征在于，所述超导线圈采用由超导导线制作的首尾连接的闭合绕组，或者采用一个超导材料制作的闭合环，或者采用由一个以上的超导闭合环组成的叠加体。
3.根据权利要求1所述的基于超导材料的瞬时储能方法，其特征在于，所述磁体采用永磁体或电磁体。
4.根据权利要求1所述的基于超导材料的瞬时储能方法，其特征在于，所述超导线圈在工作(能量的存储或释放)时必须通过某种冷却手段使其处于超导状态。
5.根据权利要求1所述的基于超导材料的瞬时储能方法，其特征在于，所述连接驱动装置的刚性直杆使用非磁性材料制作，要求杆的直径小于磁体的径向尺寸。
6.根据权利要求1所述的基于超导材料的瞬时储能方法，其特征在于，所述磁体、连接驱动装置和超导线圈至少设置一组，彼此间串联或并联使用。
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