CN202650758U - 一种储能用高温超导混合磁体 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种储能用高温超导混合磁体，包括端部和中部高温超导模块；高温超导模块均由至少一个超导双饼组成的，其实质为空心电感线圈，在混合磁体内部相邻的超导双饼异名端相互连接。整个混合磁体为内部串联连接的单螺线管形空心电感线圈；组成端部超导模块的超导双饼采用第二代铋锶钙铜氧化物BSCCO高温超导带材绕制而成；组成中部超导模块的超导双饼采用YBCO带材绕制而成；组成混合磁体的某一高温超导双饼该划归与端部模块还是中部模块通过计算来决定，原则为让每一个高温超导双饼都具有最大的临界电流值；本实用新型可以用于充当小型SMES装置的储能磁体，其不仅可以满足小规模储能和能量交换的性能要求，而且材料利用率高，连续工作时热稳定性强。

Description

一种储能用高温超导混合磁体

技术领域

本实用新型属于储能磁体技术，具体涉及一种储能用高温超导混合磁体。

背景技术

传统电力系统没有大容量快速存取电能的器件，一旦系统受到扰动引发机-电功率失衡就可能对系统构成威胁，严重时会导致系统崩溃。超导储能系统（SMES）能为高压输电系统提供快速响应容量，提高系统稳定性、增大输电线路的极限输送功率，并可以抑制电网频率和电压的波动、改善供电品质。

在超导储能系统中，高温超导储能磁体是核心部件之一，其设计的优劣将直接影响超导储能系统性能的发挥。按照外形的不同，储能用的高温超导磁体主要分为三类：单螺线管磁体、平行轴多螺线管磁体、环形磁体。单螺线管磁体一般用于小型磁储能装置，平行轴多螺线管磁体和环形磁体主要用于中大型储能装置。本实用新型涉及的高温超导储能混合磁体属于其中的单螺线管磁体。

临界电流值是高温超导磁体最为关键的性能参数之一，它受到磁场、温度、应力等多个物理场的影响，而其中磁场对高温超导磁体临界电流的影响最为复杂。这是因为用于绕制高温超导磁体的超导带材都具有显著的磁各向异性，即超导带材的临界电流不仅与自身所处磁场的强度有关，而且与磁场的角度关系密切。通常情况下，在其他物理场参数一定时，随着磁场强度的增加超导带材的临界电流下降，随着磁场方向与超导带材表面的夹角的增加超导带材的临界电流下降。或者说随着垂直于超导带材表面的磁场分量的增加，超导带材的临界电流下降。

对于单螺线管磁体而言，沿中轴线方向从磁体中间到磁体两端，构成磁体的高温超导带材所承受的垂直磁场分量逐渐增大，其结果是：采用同种高温超导带材绕制而成的单螺线管磁体在工作时中间部分材料的临界电流大，两端材料的临界电流小。受到木桶效应的影响，真个储能磁体的临界电流与端部材料的临界电流一致，这严重影响了超导材料的利用率。

为了提高超导材料的利用率，就需要提高超导磁体端部的临界电流，目前已有的解决方案包括：

1、将位于端部的多个超导双饼并联连接（超导双饼是高温超导磁体的基本模块）；

2、采用多跟超导带材并联绕制位于端部的超导双饼；

3、采用大截面积的超导带材绕制位于端部的超导双饼。

这些方案虽然都可以提高超导磁体的临界电流，但都是以增加超导带材使用量为代价来实现的，超导材料的利用率仍然有提升的空间。目前已经投入实用的超导带材分为BSCCO和YBCO两大类，而这两类材料在磁各向异性方面存在差异。例如20~30K是高温超导储能磁体的经济运行温区，在这个温度范围内BSCCO带材的在垂直磁场作用下的临界电流大于YBCO带材，而在平行磁场作用下，情况恰好相反，利用这一情况，可以综合利用两种材料的性能优势来制造混合储能磁体，提高高温超导材料的利用率。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种储能用高温超导混合磁体，目的是在相同超导带材用量的情况下提高磁体的储能量及稳定性。

本实用新型提供的一种储能用高温超导混合磁体，其特征在于，它包括依次串联的顶层高温超导模块、中部高温超导模块和底层高温超导模块，各高温超导模块均由一个或一个以上的高温超导双饼串联组成。

作为上述技术方案的改进，所述高温超导双饼由上、下两层导线组成，上层导线与下层导线的绕行方向相反，上层导线的导线内侧引出线与下层导线的导线内侧引出线连接在一起，上层导线的导线外侧加工成为第一引线端子，下层导线的导线外侧加工成为第二引线端子。

作为上述技术方案进一步改进，用于顶层高温超导模块和底层高温超导模块的导线为第二代铋锶钙铜氧化物(BSCCO)高温超导带材；用于中部高温超导模块的导线为钇钡铜氧YBCO高温超导涂层导体带材。

高温超导双饼是组成混合磁体的基本模块，它实质上为空心电感线圈，在混合磁体内部相邻的高温超导双饼异名端相互连接；整个混合磁体为内部串联连接的单螺线管形空心电感线圈；端部超导模块和中部超导模块均由至少一个超导双饼组成；组成端部超导模块的超导双饼采用第二代铋锶钙铜氧化物BSCCO高温超导带材绕制而成。组成中部超导模块的超导双饼采用YBCO带材绕制而成。组成混合磁体的某一高温超导双饼该划归与端部模块还是中部模块通过计算来决定，原则为让每一个高温超导双饼都具有最大的临界电流值。

本实用新型中，顶层和底层的高温超导模块的主要功能是提高整个磁体的临界电流，这提高了超导材料的利用率；中部高温超导模块的主要功能是增加整个磁体的临界电流裕度，减少磁体温度不均匀时发生失超的可能性，这提高了超导磁体的热稳定性。

附图说明

图1为储能用高温超导混合磁体模型图

图2为高温超导双饼结构图

图3为1/4超导磁体横截面上临界电流分布示意图，其中图3（a）所示为所有超导双饼均采用BSCCO带材时临界电流的分布情况，图3（b）所示为所有超导双饼均采用YBCO带材时临界电流的分布情况，图3（c）所示为混合磁体的临界电流分布情况。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实例仅仅用于解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图1所示，储能用高温超导混合磁体依次由顶层高温超导模块1、中部高温超导模块2和底层高温超导模块3串联组成，各高温超导模块1、2和3由一个或一个以上的高温超导双饼串联组成。在磁体工作时，磁体不同位置的磁场分布存在差异，对于螺线管磁体而言，其特点为：中部磁场强度较高，磁场方向与磁体的中轴线趋于平行，而在磁体的端部，磁场强度较弱，磁场方向与磁体的中轴线趋于垂直。BSCCO和YBCO两种材料在磁场下的临界电流特性不同，在磁体中部的磁场环境中YBCO的临界电流值较高，而在磁体端部的磁场环境中BSCCO的临界电流值较高。在磁体设计过程中，确定不同模块的分界点（即确定各模块超导双饼的数目）是很关键的问题，其实质是根据磁体磁场分布特点来为每个超导双饼选材的问题。在设计磁体的时，磁体的尺寸确定以后，磁体的磁场分布也就确定了，对应的每个超导模块的临界电流分布也就确定了，因此，使每一个超导双饼的临界电流值最大就作为确定不同模块分界点的依据。

高温超导双饼的基本结构如图2所示，每个高温超导双饼由上、下两层导线组成，上层导线4与下层导线5的绕行方向相反，上层导线4的导线内侧引出线6与下层导线5的导线内侧引出线6’连接在一起，上层导线4的导线外侧加工成为第一引线端子7，下层导线5的导线外侧加工成为第二引线端子8，均用于与外电路连接。

构成顶层高温超导模块1和底层高温超导模块3的高温超导双饼的结构与材料均相同，构成中部高温超导模块2的高温超导双饼的结构一致，但选用的材料不同。用于顶层高温超导模块1和底层高温超导模块3的导线为第二代高温超导带材（铋锶钙铜氧化物（BSCCO）），其在垂直磁场作用下临界电流衰减速度慢，用于提高超导磁体端部的临界电流；用于中部高温超导模块2的导线为钇钡铜氧（YBCO）高温超导涂层导体带材，其在平行磁场作用下临界电流衰减速度慢，用于提高超导磁体中部的临界电流。实例：

以150kJ/100kW方案为实施例对本实用新型加以介绍，设计要求超导磁体电感值为10H，设计误差为±5%，在20K下的磁体的额定最大工作电流为200A，超导磁体临界电流≥250A，超导磁体平均临界电流≥400A。超导电感储能量由式（1）计算。

$W=\frac{1}{2}{\mathrm{LI}}^2---\left(1\right)$

式中L为电感值，I为磁体中流过的电流。超导磁体的电感值由式（2）和式（3）计算。

$L=\frac{{\mathrm{K\π}}^2{N}^2}{4}\frac{{({2a}_1+{2a}_2)}^2}{2b}\×{10}^{-7}---\left(2\right)$

$K={(1+0.225\frac{{2a}_1+{2a}_2}{2b}+0.64\frac{{2a}_2-{2a}_1}{{2a}_1+{2a}_2}+0.42\frac{{2a}_2-{2a}_1}{2b})}^{-1}---(3)$

式中K为结构函数，N为磁体的总匝数，a₁为磁体的内半径，a₂为磁体的外半径，b为磁体的半高度。

本设计中所选用的两种超导带材的结构参数如表1所示。

表1两种超导带材主要结构参数

综合考虑两种超导带材主要结构参数，超导磁体各结构参数选取如下：N＝6400匝，a₁=130mm，a₂=244mm，b=95mm。电感值L=10.4H。超导磁体共包含16个双饼，每个双饼上下两层各有200匝。

超导磁体的临界电流的主要计算流程为：

1）通过有限元计算，求得超导磁体横截面磁场矢量的分布情况。

2）将横截面磁场矢量的分布数据带入方程（4）计算分别采用两种不同类型高温超导带材时，超导磁体横截面各点处的临界电流值I_c。

I_c=f(|B|,θ，I_c0)                     （4）

方程（4）中，|B|为磁场的强度，θ为磁场的角度，I_c0为超导带材在自身磁场环境下的临界电流值。f(|B|,θ,I_c0)的具体公式因所选用的超导带材型号而有明显差异，通常可以通过对超导带材实验数据进行拟合处理得到。

3）分析采用不同类型超导带材时，各超导双饼的临界电流。超导双饼的临界电流是指，其横截面各点处超导带材临界电流的最小值。以各超导双饼临界电流取最大值为目标，选择为各超导双饼选择超导带材的型号。优化选择后，各超导双饼中临界电流的最小值为超导磁体的临界电流，所有超导双饼横截面临界电流的平均值为超导磁体的平均临界电流。

通过计算，组成150kJ储能磁体的16个超导双饼中位于中部的8个双饼采用YBCO带材，位于端部的8个（每侧各4个）双饼选用BSCCO带材，这时超导磁体的临界电流值及平均临界电流值最大。

由于单螺线管磁体具有轴对称和面对称的特点，因此1/4的横截面即可反应整个磁体截面上临界电流的分布特点，如图3所示为1/4超导磁体横截面上临界电流分布示意图，其中图3（a）所示为所有超导双饼均采用BSCCO带材时临界电流的分布情况，图3（b）所示为所有超导双饼均采用YBCO带材时临界电流的分布情况，图3（c）所示为混合磁体的临界电流分布情况。各图中的关键数值如表2所示。图3中，其中三维坐标的含义分别为：x轴坐标“r”表示磁体横截面各点距离磁体中轴线的距离；y轴坐标“z”表示磁体横截面上各点沿磁体中轴线方向的位置，中轴线的中点处z值为0；z坐标“Ic”表示横截面上（“r”,“z”）点处的临界电流。

表2不同材质超导磁体临界电流数据比较

通过分析表2中的数据可以看到，与YBCO磁体相比，混合磁体的临界电流从205A升高至299.2A，上升幅度为46%；与BSCCO磁体相比，混合磁体的平均临界电流从394.1A上升至448.5A，上升幅度为13.8%。混合磁体不仅完全满足设计要求，而且与单一材质的超导磁体相比，其材料利用率和运行可靠性均有明显提高。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (3)

1. 一种储能用高温超导混合磁体，其特征在于，它包括依次串联的顶层高温超导模块、中部高温超导模块和底层高温超导模块，各高温超导模块均由一个或一个以上的高温超导双饼串联组成。

2.根据权利要求1所述的储能用高温超导混合磁体，其特征在于，所述高温超导双饼由上、下两层导线组成，上层导线与下层导线的绕行方向相反，上层导线的导线内侧引出线与下层导线的导线内侧引出线连接在一起，上层导线的导线外侧加工成为第一引线端子，下层导线的导线外侧加工成为第二引线端子。

3.根据权利要求2所述的储能用高温超导混合磁体，其特征在于，用于顶层高温超导模块和底层高温超导模块的导线为第二代铋锶钙铜氧化物BSCCO高温超导带材；用于中部高温超导模块的导线为钇钡铜氧YBCO高温超导涂层导体带材。

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