專利名稱：一種儲能用高溫超導混合磁體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于儲能磁體技木，具體涉及ー種儲能用高溫超導混合磁體。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)電カ系統(tǒng)沒有大容量快速存取電能的器件，一旦系統(tǒng)受到擾動引發(fā)機-電功率失衡就可能對系統(tǒng)構(gòu)成威脅，嚴重時會導致系統(tǒng)崩潰。超導儲能系統(tǒng)(SMES)能為高壓輸電系統(tǒng)提供快速響應(yīng)容量，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性、增大輸電線路的極限輸送功率，并可以抑制電網(wǎng)頻率和電壓的波動、改善供電品質(zhì)。在超導儲能系統(tǒng)中，高溫超導儲能磁體是核心部件之一，其設(shè)計的優(yōu)劣將直接影響超導儲能系統(tǒng)性能的發(fā)揮。按照外形的不同，儲能用的高溫超導磁體主要分為三類單螺 線管磁體、平行軸多螺線管磁體、環(huán)形磁體。單螺線管磁體一般用于小型磁儲能裝置，平行軸多螺線管磁體和環(huán)形磁體主要用于中大型儲能裝置。本實用新型涉及的高溫超導儲能混合磁體屬于其中的單螺線管磁體。臨界電流值是高溫超導磁體最為關(guān)鍵的性能參數(shù)之一，它受到磁場、溫度、應(yīng)カ等多個物理場的影響，而其中磁場對高溫超導磁體臨界電流的影響最為復雜。這是因為用于繞制高溫超導磁體的超導帶材都具有顯著的磁各向異性，即超導帶材的臨界電流不僅與自身所處磁場的強度有關(guān)，而且與磁場的角度關(guān)系密切。通常情況下，在其他物理場參數(shù)一定時，隨著磁場強度的増加超導帶材的臨界電流下降，隨著磁場方向與超導帶材表面的夾角的増加超導帶材的臨界電流下降?；蛘哒f隨著垂直于超導帶材表面的磁場分量的増加，超導帶材的臨界電流下降。對于單螺線管磁體而言，沿中軸線方向從磁體中間到磁體兩端，構(gòu)成磁體的高溫超導帶材所承受的垂直磁場分量逐漸増大，其結(jié)果是采用同種高溫超導帶材繞制而成的單螺線管磁體在工作時中間部分材料的臨界電流大，兩端材料的臨界電流小。受到木桶效應(yīng)的影響，真?zhèn)€儲能磁體的臨界電流與端部材料的臨界電流一致，這嚴重影響了超導材料的利用率。為了提高超導材料的利用率，就需要提高超導磁體端部的臨界電流，目前已有的解決方案包括I、將位于端部的多個超導雙餅并聯(lián)連接(超導雙餅是高溫超導磁體的基本模塊)；2、采用多跟超導帶材并聯(lián)繞制位于端部的超導雙餅；3、采用大截面積的超導帶材繞制位于端部的超導雙餅。這些方案里然都可以提高超導磁體的臨界電流，但都是以增加超導帶材使用量為代價來實現(xiàn)的，超導材料的利用率仍然有提升的空間。目前已經(jīng)投入實用的超導帶材分為BSCCO和YBCO兩大類，而這兩類材料在磁各向異性方面存在差異。例如2(Γ30Κ是高溫超導儲能磁體的經(jīng)濟運行溫區(qū)，在這個溫度范圍內(nèi)BSCCO帶材的在垂直磁場作用下的臨界電流大于YBCO帶材，而在平行磁場作用下，情況恰好相反，利用這ー情況，可以綜合利用兩種材料的性能優(yōu)勢來制造混合儲能磁體，提高高溫超導材料的利用率。
實用新型內(nèi)容本實用新型的目的在于提供一種儲能用高溫超導混合磁體，目的是在相同超導帶材用量的情況下提高磁體的儲能量及穩(wěn)定性。本實用新型提供的一種儲能用高溫超導混合磁體，其特征在于，它包括依次串聯(lián)的頂層高溫超導模塊、中部高溫超導模塊和底層高溫超導模塊，各高溫超導模塊均由ー個或ー個以上的高溫超導雙餅串聯(lián)組成。作為上述技術(shù)方案的改進，所述高溫超導雙餅由上、下兩層導線組成，上層導線與下層導線的繞行方向相反，上層導線的導線內(nèi)側(cè)引出線與下層導線的導線內(nèi)側(cè)引出線連接在一起，上層導線的導線外側(cè)加工成為第一引線端子，下層導線的導線外側(cè)加工成為第二引線端子。作為上述技術(shù)方案進ー步改進，用于頂層高溫超導模塊和底層高溫超導模塊的導線為第二代鉍鍶鈣銅氧化物(BSCCO)高溫超導帶材；用于中部高溫超導模塊的導線為釔鋇 銅氧YBCO高溫超導涂層導體帶材。高溫超導雙餅是組成混合磁體的基本模塊，它實質(zhì)上為空心電感線圈，在混合磁體內(nèi)部相鄰的高溫超導雙餅異名端相互連接；整個混合磁體為內(nèi)部串聯(lián)連接的單螺線管形空心電感線圈；端部超導模塊和中部超導模塊均由至少ー個超導雙餅組成；組成端部超導模塊的超導雙餅采用第二代鉍鍶鈣銅氧化物BSCCO高溫超導帶材繞制而成。組成中部超導模塊的超導雙餅采用YBCO帶材繞制而成。組成混合磁體的某一高溫超導雙餅該劃歸與端部模塊還是中部模塊通過計算來決定，原則為讓每ー個高溫超導雙餅都具有最大的臨界電流值。本實用新型中，頂層和底層的高溫超導模塊的主要功能是提高整個磁體的臨界電流，這提高了超導材料的利用率；中部高溫超導模塊的主要功能是增加整個磁體的臨界電流裕度，減少磁體溫度不均勻時發(fā)生失超的可能性，這提高了超導磁體的熱穩(wěn)定性。
圖I為儲能用高溫超導混合磁體模型圖圖2為高溫超導雙餅結(jié)構(gòu)圖圖3為1/4超導磁體橫截面上臨界電流分布示意圖,其中圖3(a)所示為所有超導雙餅均采用BSCCO帶材時臨界電流的分布情況，圖3 (b)所示為所有超導雙餅均采用YBCO帶材時臨界電流的分布情況，圖3 (C)所示為混合磁體的臨界電流分布情況。
具體實施方式
為了使本實用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，
以下結(jié)合附圖及實施例，對本實用新型進行進一歩詳細說明。應(yīng)當理解，此處所描述的具體實例僅僅用于解釋本實用新型，并不用于限定本實用新型。如圖I所示，儲能用高溫超導混合磁體依次由頂層高溫超導模塊I、中部高溫超導模塊2和底層高溫超導模塊3串聯(lián)組成，各高溫超導模塊1、2和3由ー個或ー個以上的高溫超導雙餅串聯(lián)組成。在磁體工作時，磁體不同位置的磁場分布存在差異，對于螺線管磁體而言，其特點為中部磁場強度較高，磁場方向與磁體的中軸線趨于平行，而在磁體的端部，磁場強度較弱，磁場方向與磁體的中軸線趨于垂直。BSCCO和YBCO兩種材料在磁場下的臨界電流特性不同，在磁體中部的磁場環(huán)境中YBCO的臨界電流值較高，而在磁體端部的磁場環(huán)境中BSCCO的臨界電流值較高。在磁體設(shè)計 過程中，確定不同模塊的分界點(即確定各模塊超導雙餅的數(shù)目)是很關(guān)鍵的問題，其實質(zhì)是根據(jù)磁體磁場分布特點來為每個超導雙餅選材的問題。在設(shè)計磁體的時，磁體的尺寸確定以后，磁體的磁場分布也就確定了，對應(yīng)的每個超導模塊的臨界電流分布也就確定了，因此，使每ー個超導雙餅的臨界電流值最大就作為確定不同模塊分界點的依據(jù)。高溫超導雙餅的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，每個高溫超導雙餅由上、下兩層導線組成，上層導線4與下層導線5的繞行方向相反，上層導線4的導線內(nèi)側(cè)引出線6與下層導線5的導線內(nèi)側(cè)引出線6’連接在一起，上層導線4的導線外側(cè)加工成為第一引線端子7，下層導線5的導線外側(cè)加工成為第二引線端子8，均用干與外電路連接。構(gòu)成頂層高溫超導模塊I和底層高溫超導模塊3的高溫超導雙餅的結(jié)構(gòu)與材料均相同，構(gòu)成中部高溫超導模塊2的高溫超導雙餅的結(jié)構(gòu)一致，但選用的材料不同。用于頂層高溫超導模塊I和底層高溫超導模塊3的導線為第二代高溫超導帶材(鉍鍶鈣銅氧化物(BSCC0))，其在垂直磁場作用下臨界電流衰減速度慢，用于提高超導磁體端部的臨界電流；用于中部高溫超導模塊2的導線為釔鋇銅氧(YBCO)高溫超導涂層導體帶材，其在平行磁場作用下臨界電流衰減速度慢，用于提高超導磁體中部的臨界電流。實例以150kJ/100kW方案為實施例對本實用新型加以介紹，設(shè)計要求超導磁體電感值為10H，設(shè)計誤差為±5%，在20K下的磁體的額定最大工作電流為200A，超導磁體臨界電流^ 250A，超導磁體平均臨界電流> 400A。超導電感儲能量由式(I)計算。
權(quán)利要求1.一種儲能用高溫超導混合磁體，其特征在于，它包括依次串聯(lián)的頂層高溫超導模塊、中部高溫超導模塊和底層高溫超導模塊，各高溫超導模塊均由ー個或ー個以上的高溫超導雙餅串聯(lián)組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的儲能用高溫超導混合磁體，其特征在于，所述高溫超導雙餅由上、下兩層導線組成，上層導線與下層導線的繞行方向相反，上層導線的導線內(nèi)側(cè)引出線與下層導線的導線內(nèi)側(cè)引出線連接在一起，上層導線的導線外側(cè)加工成為第一引線端子，下層導線的導線外側(cè)加工成為第二引線端子。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的儲能用高溫超導混合磁體，其特征在于，用于頂層高溫超導模塊和底層高溫超導模塊的導線為第二代鉍鍶鈣銅氧化物BSCCO高溫超導帶材；用于中部高溫超導模塊的導線為釔鋇銅氧YBCO高溫超導涂層導體帶材。
專利摘要本實用新型公開了一種儲能用高溫超導混合磁體，包括端部和中部高溫超導模塊；高溫超導模塊均由至少一個超導雙餅組成的，其實質(zhì)為空心電感線圈，在混合磁體內(nèi)部相鄰的超導雙餅異名端相互連接。整個混合磁體為內(nèi)部串聯(lián)連接的單螺線管形空心電感線圈；組成端部超導模塊的超導雙餅采用第二代鉍鍶鈣銅氧化物BSCCO高溫超導帶材繞制而成；組成中部超導模塊的超導雙餅采用YBCO帶材繞制而成；組成混合磁體的某一高溫超導雙餅該劃歸與端部模塊還是中部模塊通過計算來決定，原則為讓每一個高溫超導雙餅都具有最大的臨界電流值；本實用新型可以用于充當小型SMES裝置的儲能磁體，其不僅可以滿足小規(guī)模儲能和能量交換的性能要求，而且材料利用率高，連續(xù)工作時熱穩(wěn)定性強。
文檔編號H01B12/00GK202650758SQ20122020396
公開日2013年1月2日 申請日期2012年5月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月9日
發(fā)明者何清, 周世平, 金濤, 任麗, 焦豐順, 沈石峰 申請人:湖北省電力公司電力科學研究院, 華中科技大學, 國家電網(wǎng)公司