CN113472083A - 一种新型高温超导眼型线圈储能装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型高温超导眼型线圈储能装置，包括：超导眼型线圈、磁通泵、控制电路和壳体；所述超导眼型线圈和所述磁通泵均设置于所述壳体内；所述超导眼型线圈与所述控制电路电连接。本发明该装置完善了储能系统的从储能到放电的全过程，实现了该装置的实际应用；磁通泵装置将杂散的空间磁场以感生电流的形式泵入线圈中实现储能，最终利用持续电流开关Persistent Current Switch，PCS)控制装置实现电能释放。本发明磁场感应方式是利用材料的超导态与常导态的转换来实现，采用磁场感应方式代替电源直接驱动，减少热源产生。

Description

一种新型高温超导眼型线圈储能装置
技术领域
本发明涉及超导储能技术领域，更具体地说是涉及一种新型高温超导眼型线圈储能装置。
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。
随着高温超导带材的迅速发展，超导应用也备受关注。超导储能技术是利用超导线圈将电磁能直接存储起来，需要时再将电磁能回馈给电能装置。由于超导体的零电阻特性，其线圈载流密度能够达到很高，进而可以降低储能系统的体积和重量，具有高能量密度、高功率密度、快速响应和使用寿命长等特点。
传统的螺线管形超导储能结构，导体数量少，支撑少，成本低，适用于kJ级SMES系统；环形结构，储能密度和导体利用率低，适用于更高储能量(MJ)的SMES系统。在空间有限的城市环境中，可能需要更昂贵的环形线圈以降低外部磁场。很明显传统超导储能结构受到空间、磁场等因素影响，导致实际应用受限。经过检索发现，目前尚无针对眼型线圈储能装置的相关设计，亦无公开的专利和文献。
因此，如何提供一种不但能够极大程度上减少了储能线圈的损耗，提高了超导储能装置的能量密度，以及丰富可应用场景；同时实现了装置的存储和放电的功能，完善了储能装置应用的新型高温超导眼型线圈储能装置是本领域亟需解决的技术问题之一。
相对于传统的储能线圈，眼型线圈的材料依赖性低：超导眼型线圈是由单根超导带材切割后撑开而制成的，一个储能线圈由多根短带叠加而成，超导带材沿长度方向的均匀度只会影响到单根带材撑开后形成环流的能力；同时眼型线圈具有尺寸，形状多变的优势：可以根据需求调节切割带材的参数，可容易的获取不同尺寸形状的线圈；
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种新型高温超导眼型线圈储能装置，目的就是为了解决上述之不足而提供。
为解决上述技术问题，本发明采取了如下技术方案：
一种新型高温超导眼型线圈储能装置，包括：超导眼型线圈、磁通泵、控制电路和壳体；所述超导眼型线圈和所述磁通泵均设置于所述壳体内；所述超导眼型线圈与所述控制电路电连接。
优选地，所述超导眼型线圈采用超导带材绕制成眼型线圈结构，形成无接头的电流环路。
优选地，所述超导带材选用第二代高温超导带材YBCO。
优选地，所述磁通泵为磁场感应式超导磁通泵。
上述方案的有益效果是：通过磁通泵技术，将外部离散磁通逐步向超导眼型线圈累积感应电流，以小电流输入为大电流超导眼型线圈供电。同时采用磁场感应方式代替电源直接驱动，能够大大减少热源产生；而磁场感应方式则是利用材料的超导态与常导态的转换来实现。
优选地，所述控制电路为持续电流开关PCS控制电路；通过持续电流开关以实现超导储能装置的放电过程并进行控制。选用磁场控制型PCS，通过施加磁场使眼型线圈失超并形成可控的开关状态。相较于热控制性和电流控制型，磁场控制型PCS响应速度快，对系统制冷的负担小。通过与双向DC-DC电路并联，控制和驱动外接电机释放存储能量。
优选地，所述壳体内设置有冷却媒介，以使所述壳体内形成超导环境。或，通过其他外界设备使得所述壳体处于低温环境中，实现所述壳体内的超导环境。
优选地，采用较高温的工作环境。相较于低温环境，高温环境的临界磁场低，外磁场更容易穿透超导泵桥，实现超导－正常态转换。
优选地，所述超导眼型线圈的制备方法，包括以下几个步骤：
1)通过激光切割的方式，将所述超导带材沿长度方向，且在其宽度方向上的中心对称切割，并在两端各留有一段相同长度的未切割部分；
2)将切割后的超导带材分开，且分别缠绕在两个线轴上；
3)通过旋转线轴，将分裂的两部分超导带材形成线圈饼；
4)将其中一个缠绕好的线圈饼进行翻转，并通过螺丝将两个线圈饼固定在一起，两个线圈饼间通过分道片进行分隔。。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明该装置由超导磁通泵、眼型线圈、控制电路，壳体等组成；该装置完善了储能系统的从储能到放电的全过程，实现了该装置的实际应用；磁通泵装置将杂散的空间磁场以感生电流的形式泵入线圈中实现储能，最终利用磁控型PCS控制装置实现电能释放。本发明磁场感应方式是利用材料的超导态与常导态的转换来实现，采用磁场感应方式代替电源直接驱动，减少热源产生。
附图说明
图1为本发明一种新型高温超导眼型线圈储能装置示意图；
图2为本发明一种新型高温超导眼型线圈储能装置的磁通泵2示意图。
图3为本发明一种新型高温超导眼型线圈储能装置的超导眼型线圈1绕制示意图。
图中：1、超导眼型线圈；2、磁通泵；3、控制电路；4、壳体。
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，所描述的实施例仅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做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。
实施例
参见附图1，一种新型高温超导眼型线圈储能装置，包括：超导眼型线圈1、磁场感应式超导磁通泵2、控制电路3和壳体4；所述超导眼型线圈1和所述磁场感应式超导磁通泵2均设置于所述壳体4内；所述超导眼型线圈1与所述控制电路电连接。所述超导眼型线圈1采用第二代高温超导带材YBCO绕制成眼型线圈结构，形成无接头的电流环路。
本实施例中，所述控制电路为PCS控制电路。
本实施例中，所述壳体4内设置有冷却媒介。
在一些实施例中，通过其他外界设备使得所述壳体4处于低温环境中，实现所述壳体4内的超导环境。
工作原理：
a、通过外界风机的旋转产生变化的磁场。
b、利用变化的磁场，穿透磁场感应式超导磁通泵2，以磁场感应的方式驱动磁场感应式超导磁通泵2进行工作。
c、通过磁场感应式超导磁通泵2，将外界杂散的磁场转化成电流泵入超导眼型线圈1中，完成储能；
d、通过PCS控制电路3进行控制，通过磁控型PCS开关，将原先的闭合线路断开，将存储在超导眼型线圈1中的电磁分量释放，通过双向的DC-DC电路并转化到所需要的用电设备中，完成储能系统的放电。
参见附图2，本发明中利用磁场感应式超导磁通泵2，完成对超导眼型线圈1储能。磁场感应式超导磁通泵2是利用外磁场控制超导和正常态的转换，在超导磁体负载回路中实现累积感应电流的一种供电方式。它由外加运动磁场、超导泵桥以及超导线圈负载等组成。当外加磁场超过超导薄片材料的临界磁场时，磁场穿透薄片，形成常导区。否则，超导薄片处于超导态，并对超导磁体负载闭环。
通过外加磁场周期性地移入闭合回路，超导磁体回路中的感应电流持续累积增大，最终可实现超导磁体的大电流运行。超导泵桥的选材需满足：(1)能够传导较大电流；(2)材料具有较低的临界磁场。
参见附图3，本发明中超导眼型线圈1的制备方法，包括以下几个步骤：
1)通过激光切割的方式，将所述超导带材沿长度方向，且在其宽度方向上的中心对称切割，并在两端各留有一段相同长度的未切割部分；
2)将切割后的超导带材分开，且分别缠绕在两个线轴上；
3)通过旋转线轴，将分裂的两部分超导带材形成线圈饼；
4)将其中一个缠绕好的线圈饼进行翻转，并通过螺丝将两个线圈饼固定在一起，两个线圈饼间通过分道片进行分隔。
本发明该装置由超导磁通泵、眼型线圈、控制电路，壳体等组成；该装置完善了储能系统的从储能到放电的全过程，实现了该装置的实际应用；磁通泵装置将杂散的空间磁场以感生电流的形式泵入线圈中实现储能，最终利用PCS控制装置实现电能释放。本发明磁场感应方式是利用材料的超导态与常导态的转换来实现，采用磁场感应方式代替电源直接驱动，减少热源产生。
以上所述，仅是本发明较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (7)

1.一种新型高温超导眼型线圈储能装置，其特征在于，包括：超导眼型线圈(1)、磁通泵(2)、控制电路(3)和壳体(4)；所述超导眼型线圈(1)和所述磁通泵(2)均设置于所述壳体(4)内；所述超导眼型线圈(1)与所述控制电路电连接。
2.根据权利要求1所述的一种新型高温超导眼型线圈储能装置，其特征在于，所述超导眼型线圈(1)采用超导带材绕制成眼型线圈结构，形成无接头的电流环路。
3.根据权利要求2所述的一种新型高温超导眼型线圈储能装置，其特征在于，所述超导带材选用第二代高温超导带材YBCO。
4.根据权利要求1所述的一种新型高温超导眼型线圈储能装置，其特征在于，所述磁通泵(2)为磁场感应式超导磁通泵。
5.根据权利要求1所述的一种新型高温超导眼型线圈储能装置，其特征在于，所述控制电路为持续电流开关PCS控制电路。
6.根据权利要求1所述的一种新型高温超导眼型线圈储能装置，其特征在于，所述壳体(4)内设置有冷却媒介。
7.根据权利要求1所述的一种新型高温超导眼型线圈储能装置，其特征在于，所述超导眼型线圈(1)的制备方法，包括以下几个步骤：
1)通过激光切割的方式，将所述超导带材沿长度方向，且在其宽度方向上的中心对称切割，并在两端各留有一段相同长度的未切割部分；
2)将切割后的超导带材分开，且分别缠绕在两个线轴上；
3)通过旋转线轴，将分裂的两部分超导带材形成线圈饼；
4)将其中一个缠绕好的线圈饼进行翻转，并通过螺丝将两个线圈饼固定在一起，两个线圈饼间通过分道片进行分隔。
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