高温超导储能磁体的研究进展.doc

高温超导储能应用研究的新进展侯炳林 朱学武（核工业西南物理研究院，成都，610041）摘要：简要回顾了用于高温超导储能磁体的高温超导磁体材料的性能。重点介绍了近年来几种类型的高温超导储能磁体的研究新进展。然后分别介绍了Bi-2212和Bi-2223高温超导储能磁体的研究情况。最后简述了将来可能用YBCO(或NdBCO)涂层导体材料设计在液氮温区运行的高温超导储能磁体。关键词：高温超导材料，高温超导磁体，磁储能1引言为了更有效地利用能源，必须设置能量的储存系统。现有电力系统中的电力储存技术主要是抽水储能。抽水储能电厂一般都建在远离负荷地点的山间，必需长距离的送变电设备。在储能效率仅65%70%较为低下的基础上，长距离输送又要损耗不少电能，与分散型电力储存系统相比是极为不利的。超导储能(superconducting magnetic energy storage 简称SMES)是利用超导线圈通过整流逆变器将电网过剩的能量以电磁能形式储存起来，在需要时再通过整流逆变器将能量馈送给电网或作其他用途。由于超导线圈在超导状态下无焦耳热损耗运行，同时其电流密度比一般常规线圈高1-2个数量级。因此它不仅能长时间无损耗地储存能量，而且能达到很高的储能密度。它的储能效率高，响应速度快也是其它类型储能装置无法比拟的。随着高温超导材料研究逐步走向实用化，高温超导储能(简称HTS-SMES)也成为一个研究方向，并有相应的微型样机问世。HTS-SMES储能装置中的高温超导线圈是储能装置的核心部件；因此，本文就HTS-SMES装置中的超导线圈部分的研究作一些介绍。2 目前储能用的高温超导材料目前共出现了五代高温超导材料：镧系、钇系、铋系、铊系和汞系，其中最有实用前途的是钇系YBCO（YBa2Cu3O7-x）和铋系BSCCO（包括Bi2Sr2Ca2Cu3Oy 简称Bi-2223和 Bi2Sr2CaCu2Oy 简称Bi-2212）。Y系高温超导体的磁场特性优于Bi系，但是，其线材制作技术还不成熟。这主要是Y系难以采用包套管法（powder in tube简称PIT）。目前，采用PIT制备、长1.0-2.0km的Ag(或Ag-Alloy)基Bi系多芯复合超导带的技术已比较成熟。工程电流密度达到100Amm2(77K、自场)、长度为100-1000m的Bi-系多芯复合导线已商品化。因此，目前的高温超导磁体的设计和制造多选用铋系材料。铋系材料包括Bi2212和Bi2223材料；其中，Bi2Sr2CaCu2O8临界温度为80K，Bi2Sr2Ca2Cu3O10临界温度为110K。由于高温超导材料的电流密度比低温超导线的低，且价格较高，有关HTS-SMES系统的研究报道不多。Bi系高温超导带材在液氮温度(77K)，其临界电流密度JC易受磁场的影响，即使在较小的磁场下，JC就明显下降。在77K时，Bi系材料的电流密度将随磁场的增加而急剧下降；这将对除电缆（因为高温超导电缆的导体层中相邻共轭层的带材绕向相反，且螺距相等，消除了轴向磁场）以外的应用带来严重的问题。如最近，以色列的研究人员用Bi-2223线材研制了一个工作在液氮温区的HTS-SMES装置，不含磁芯时，在52K、64K和77K时的储能分别是72J、49J和22.2J；含磁芯时在52K、64K和77K时的储能分别为193J、130J和60J1。这证明储能磁体工作在77K时储能效率大大下降。由于目前实用的高温超导材料性能的限制，高温超导磁体应用尚不能工作在液氮温度，一般工作在运行温度为20-40K的范围。液氮温区HTS-SMES装置研制的核心技术是如何解决Bi系超导线（带）材临界电流密度小以及临界电流密度随磁场增大而迅速下降的问题，这个问题在超导线圈的端部显得更为突出，因这里的漏磁场最为集中，且基本上垂直于超导带。目前高温超导材料的性能与超导储能装置的要求尚有一些差距，HTS-SMES装置主要是实验研究，如1998年芬兰Tampere理工大学研制了一台5kJ的HTS-SMES模型。该超导储能的超导磁体由11个双饼Bi2223线圈组成，外径317mm、内径252mm、高66mm、工作于20K、运行电流160A（平均电流密度85A/mm2）、总安匝数160 kAT，磁体系统采用GM制冷机冷却。德国EUS也于1998年研制出一台8kJ的HTS-SMES原型样机。我国的清华大学、华中科技大学等开展了HTS-SMES装置的研究工作2。3高温超导储能磁体研究的现状超导线圈通常是环形和螺管形。小型及数十MW.h的中型储能磁体比较适合采用漏磁场小的环形线圈。螺管形的漏磁场较大，但其结构简单，实用于大型的超导储能及需要现场绕制的超导储能。3.1环形超导线圈图1 200kJ高温超导储能磁体结构使用环形线圈的优点是磁场完全约束在线圈内；因此，不存在漏磁问题和屏蔽要求。环形线圈的制造有两种方式：一种为连续的螺旋圆环绕组；另一种为由数个短螺线管线圈组成圆环，如图1所示的德国制造的200kJ HTS储能线圈3。对于螺旋圆环绕组线圈，日本的研究小组提出了两种新的概念4：力平衡式线圈（Force-Balanced Coil）和应力平衡式线圈（Stress-Balanced Coil）。力平衡式线圈被Sato等人运用在储能磁体上。应力平衡式线圈在力平衡式线圈基础上的改进且用来优化设计大环径比的超导线圈。图2 圆形和D形线圈交替的环形线圈对于由数个短螺线管线圈组成的环形线圈，螺线管线圈的数目优化是设计时首要考虑的问题。线圈的数量和尺寸将影响整个磁体的尺寸，而且也影响制造的难易程度；制造的难易程度反过来又决定磁体设计的可行性。另一需要考虑的问题是螺线管线圈的形状；它可以是圆形线圈，也可以是“普林斯顿D”形线圈。D形线圈比单个的圆形线圈更有效，但D形结构复杂，制造费用增加。虽然环形线圈有完全封闭磁场的优点，但这仅仅只限适用于螺旋圆环绕组线圈。由数个短螺线管线圈组成的环形线圈磁体存在着漏磁问题。为了解决漏磁问题，Vincat-ving等人提出了两种储能线圈形式。一种形式为由n个D形线圈组成封闭的圆环；另一种形式为由圆形短螺线管线圈和D形短螺线管线圈交替排列组成的环形线圈，D形线圈填充在圆形线圈的“间隙”里面，如图2所示。3.2螺线管超导线圈4斯洛伐克一研究小组对HTS-SMES磁体做了广泛的研究，尤其是对单螺线管的优化。Pitel等人进行了饼式磁体线圈数量对临界电流影响的理论研究。研究发现：饼的数目大于10时，系统的临界电流仍然保持不变；当温度从77K降到4.2K时，临界电流增加一个数量级。Pitel等人还进行了另外一种研究，即当超导带材长度不变时，研究运行电流与绕组几何参数的影响。结果发现：在不同的温度条件下，所得到的优化绕组参数不同；对于给定的带材，改变螺线管内径对磁体的最大储能几乎没有影响；增加饼的数量，最大储能下降。螺线管的轴截面传统形状是矩形截面；但Noguchi等人设计了一种轴向截面为阶梯形的螺线管，用这种阶梯形截面的方法，磁体的体积能减小到矩形截面线圈体积的67%。这种阶梯截面线圈还能减小线圈端部磁场对高温超导体临界电流的影响，因此使临界电流增加。4 Bi系高温超导储能磁体的研究展望目前的HTS-SMES装置主要是实验研究，所研制出来的HTS-SMES样机储存能量都比较小，一般在1MJ级以下。大容量的HTS-SMES磁体正处于理论研究与设计阶段，还没有大容量的储能样机问世。4.1 10MJ的Bi2212高温超导储能磁体的研究5为了研究高温超导储能磁体等装置，自从1988年以来，日本的研究者们对Bi2212进行了广泛的研究，他们用Bi2212研制了多种类型的卢瑟福电缆（Rutherford cable）,尤其是对规格为617颇有研究。当导体的直径为0.8mm时，规格617的电缆超导股线约为15um。各种卢瑟福电缆的截面图如图3所示。图3 Bi-2212卢瑟福电缆横截面与常规超导体相比，Bi2212导体可靠性高且温度裕度大，能承受扰动引起的大的温升。利用Bi2212导体设计储能磁体存在着一系列的优点：Bi2212超导储能线圈能解决常规超导体线圈的大功率电绝缘问题；能承受高电压和高输出功率。在高磁场强度时Bi2212导体非常稳定且能承受大电流；大电流产生高的磁场。而储能密度正比于磁场的平方，结构紧凑的储能磁体能产生高的磁场，因而高磁场的储能磁体在小的空间储存大能量。虽然超导线圈在直流的情况下的电损耗很小可以忽略不计；但线圈在储能和释放能量时处于交流状态，通过交流损耗，如磁滞损耗或涡流损耗，将产生电损耗。因此储能线圈必须用动力冷却。Bi2212超导储能线圈能承受大的温升；而且能用在超导体和冷却剂之间有相对大的温度梯度的间接冷却系统的传导方式冷却。图4 10MJ-MW Bi2212储能磁体鸟瞰图为了利用所研制Bi2212超导材料设计10MJHTS-SMES磁体，他们预先用Bi2212材料研制了一个小线圈并进行了测试。所研制的小线圈；匝数145；电感11.8mH；储能为5.5kJ（电流为1000A）；最大磁场1.299T。在此基础上于2002年进行了10MJ的储能磁体设计。为了减小漏磁场，储能磁体由相邻线圈电流方向相反的4个螺线管构成。图4为10MJ HTS-SMES磁体的鸟瞰图。磁体的设计参数如表1所示。4.2 1GJ的Bi2223高温超导储能磁体的研究6日本九州电力公司和九州大学等单位用Bi2223材料进行了储能为1GJ的设计研究。储能磁体示意图如图5所示，储能磁体由12个单元线圈组成，每3个单元线圈为一组。单元线圈的结构示意图如图6所示。单根Bi2223带材的尺寸为0.2483.145mm2。磁体用CICC形导体绕制；CICC形导体（1414mm2）由100根Bi2223带材组成，77K时，临界电流为7500A。磁体用氦气冷却，运行温度为20K。储能容量为1GJ，额定输出功率为100MW。单元线圈的平均半径Rm、内半径Ri、外半径Ro和线圈宽度a以及线圈厚度d对磁体的磁场都有影响。改变这些参数能使磁体的磁场达到最优。通过改变线圈所计算的a和d的值，最大磁场、磁体尺寸、磁体图5 1GJ/100MW Bi-2223储能磁体示意图体积以及作用在HTS带材和支撑结构上的应力就确定了。通过所确定的单元线圈Ri，a和d的值，可以计算出电感。图6 单个储能磁体线圈示意图研究结果表明：磁体的体积和磁场有一定的约束关系；磁场增加得越多，线圈体积变得越小。这有助于所需超导体材料用量的减少。在低磁场范围，随着磁体直径的增加，磁体体积可能增加。然而在10T或大于10T的高磁场范围里，线圈的体积也可能随着临界电流的降低而增加。在14T或大于14T磁场范围，由于导体的临界电流降低，磁体的体积变大了。线圈尺寸a对磁体的体积影响较小。线圈的环径比几乎不影响线圈的体积。根据这些研究，认为10T14T的磁场能有效地减小磁体的尺寸和体积以及作用在HTS带材和支撑结构上的应力。1GJ的HTS-SMES磁体设计结果如表2所示。表1储能磁体10MJ-10MW设计参数 表2 高温超导储能磁体1GJ的设计结果名称单位或数量线圈数量12临界电流密度51A/mm2环形线圈半径7050mm最大磁场13.4T带材的最大周向应力250Mpa单元线圈内半径719mm单元线圈外半径1055mm单元线圈宽度504mm单元线圈厚度336mm单元线圈导体长度4.8km单元线圈匝数864名称单位或数量线圈形状4螺线管额定电压6kV电感8.9H4储能10MJ最大磁场8.94T内半径0.157m外半径0.270m高0.700m4.3高温超导储能制冷系统由于目前实用的高温超导材料性能的限制，高温超导磁体应用尚不能工作在液氮温度（77K），一般选用低温制冷机直接冷却高温超导磁体。这种用制冷机直接传导冷却超导磁体技术，已引起了人们很大的兴趣。国外有许多单位正在对制冷机传导冷却固氮保护高温超导磁体系统进行研究7；这项研究可用于高温超导储能磁体。国内华中科技大学等单位已开始研制制冷机直接冷却中小型高温超导系统8。4.4高温超导材料的新进展最近两年来，YBCO(或NdBCO)涂层导体(也称第2代带材)已成为高温超导带材发展的重要方向。由于YBCO带材在77K和外磁场下具有比Bi-系超导带材更为良好的载流性能，YBCO带材的实用化将使工作于液氮温区的高温超导电力设备成为现实。根据美国加速涂层导体发展计划(ACCl)2007年长度为千米量级的第2代带材将可以实现商业化。第2代高温超导带材成为各国竞相研究开发的焦点和发展趋势。最具实力的美国超导公司计划在五年内完全放弃第1代带材的生产，将材料研究开发的全部精力投入到第2代带材的研究开发和产业化中。根据ACCI的计划，美国超导公司计划将高温超导带材的价格降低到10-25$/kAm。届时高温超导储能应用将完全具备实用化推广的可能。我国在第1代高温超导带材的研究开发方面已取得了很大的进步，临界电流水平达到世界最高水平的80以上。在第2代带材研究开发方面，我国总体上还处于起步阶段，与国际水平差距极为悬殊。5结束语低温SMES在我国电力系统尚未投入实际应用的主要障碍是液氦的来源和价格问题，我国的氦资源不足，在很大程度上依赖于进口，价格十分昂贵。高温超导体将来可以在液氮温度下运行。如何挖掘这一潜力，不用或部分使用制冷机，对于研制性价比适合我国电力系统的分布式SMES系统具有重要意义。研制并不断完善仅使用液氮的高温SMES系统可能更加适合我国国情。参考文献1 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