專利名稱：一種儲(chǔ)能用高溫超導(dǎo)混合磁體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于儲(chǔ)能磁體技木，具體涉及ー種儲(chǔ)能用高溫超導(dǎo)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(dòng)引發(fā)機(jī)-電功率失衡就可能對(duì)系統(tǒng)構(gòu)成威脅，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。超導(dǎo)儲(chǔ)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(dòng)、改善供電品質(zhì)。在超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)中，高溫超導(dǎo)儲(chǔ)能磁體是核心部件之一，其設(shè)計(jì)的優(yōu)劣將直接影響超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)性能的發(fā)揮。按照外形的不同，儲(chǔ)能用的高溫超導(dǎo)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(chǔ)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(chǔ)能裝置。本實(shí)用新型涉及的高溫超導(dǎo)儲(chǔ)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(dǎo)磁體最為關(guān)鍵的性能參數(shù)之一，它受到磁場(chǎng)、溫度、應(yīng)カ等多個(gè)物理場(chǎng)的影響，而其中磁場(chǎng)對(duì)高溫超導(dǎo)磁體臨界電流的影響最為復(fù)雜。這是因?yàn)橛糜诶@制高溫超導(dǎo)磁體的超導(dǎo)帶材都具有顯著的磁各向異性，即超導(dǎo)帶材的臨界電流不僅與自身所處磁場(chǎng)的強(qiáng)度有關(guān)，而且與磁場(chǎng)的角度關(guān)系密切。通常情況下，在其他物理場(chǎng)參數(shù)一定時(shí)，隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的増加超導(dǎo)帶材的臨界電流下降，隨著磁場(chǎng)方向與超導(dǎo)帶材表面的夾角的増加超導(dǎo)帶材的臨界電流下降?；蛘哒f隨著垂直于超導(dǎo)帶材表面的磁場(chǎng)分量的増加，超導(dǎo)帶材的臨界電流下降。對(duì)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(dǎo)帶材所承受的垂直磁場(chǎng)分量逐漸増大，其結(jié)果是采用同種高溫超導(dǎo)帶材繞制而成的單螺線管磁體在工作時(shí)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(chǔ)能磁體的臨界電流與端部材料的臨界電流一致，這嚴(yán)重影響了超導(dǎo)材料的利用率。為了提高超導(dǎo)材料的利用率，就需要提高超導(dǎo)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(gè)超導(dǎo)雙餅并聯(lián)連接(超導(dǎo)雙餅是高溫超導(dǎo)磁體的基本模塊)；2、采用多跟超導(dǎo)帶材并聯(lián)繞制位于端部的超導(dǎo)雙餅；3、采用大截面積的超導(dǎo)帶材繞制位于端部的超導(dǎo)雙餅。這些方案里然都可以提高超導(dǎo)磁體的臨界電流，但都是以增加超導(dǎo)帶材使用量為代價(jià)來實(shí)現(xiàn)的，超導(dǎo)材料的利用率仍然有提升的空間。目前已經(jīng)投入實(shí)用的超導(dǎo)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(dǎo)儲(chǔ)能磁體的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行溫區(qū)，在這個(gè)溫度范圍內(nèi)BSCCO帶材的在垂直磁場(chǎng)作用下的臨界電流大于YBCO帶材，而在平行磁場(chǎng)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(shì)來制造混合儲(chǔ)能磁體，提高高溫超導(dǎo)材料的利用率。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供一種儲(chǔ)能用高溫超導(dǎo)混合磁體，目的是在相同超導(dǎo)帶材用量的情況下提高磁體的儲(chǔ)能量及穩(wěn)定性。本實(shí)用新型提供的一種儲(chǔ)能用高溫超導(dǎo)混合磁體，其特征在于，它包括依次串聯(lián)的頂層高溫超導(dǎo)模塊、中部高溫超導(dǎo)模塊和底層高溫超導(dǎo)模塊，各高溫超導(dǎo)模塊均由ー個(gè)或ー個(gè)以上的高溫超導(dǎo)雙餅串聯(lián)組成。作為上述技術(shù)方案的改進(jìn)，所述高溫超導(dǎo)雙餅由上、下兩層導(dǎo)線組成，上層導(dǎo)線與下層導(dǎo)線的繞行方向相反，上層導(dǎo)線的導(dǎo)線內(nèi)側(cè)引出線與下層導(dǎo)線的導(dǎo)線內(nèi)側(cè)引出線連接在一起，上層導(dǎo)線的導(dǎo)線外側(cè)加工成為第一引線端子，下層導(dǎo)線的導(dǎo)線外側(cè)加工成為第二引線端子。作為上述技術(shù)方案進(jìn)ー步改進(jìn)，用于頂層高溫超導(dǎo)模塊和底層高溫超導(dǎo)模塊的導(dǎo)線為第二代鉍鍶鈣銅氧化物(BSCCO)高溫超導(dǎo)帶材；用于中部高溫超導(dǎo)模塊的導(dǎo)線為釔鋇 銅氧YBCO高溫超導(dǎo)涂層導(dǎo)體帶材。高溫超導(dǎo)雙餅是組成混合磁體的基本模塊，它實(shí)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(dǎo)雙餅異名端相互連接；整個(gè)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(dǎo)模塊和中部超導(dǎo)模塊均由至少ー個(gè)超導(dǎo)雙餅組成；組成端部超導(dǎo)模塊的超導(dǎo)雙餅采用第二代鉍鍶鈣銅氧化物BSCCO高溫超導(dǎo)帶材繞制而成。組成中部超導(dǎo)模塊的超導(dǎo)雙餅采用YBCO帶材繞制而成。組成混合磁體的某一高溫超導(dǎo)雙餅該劃歸與端部模塊還是中部模塊通過計(jì)算來決定，原則為讓每ー個(gè)高溫超導(dǎo)雙餅都具有最大的臨界電流值。本實(shí)用新型中，頂層和底層的高溫超導(dǎo)模塊的主要功能是提高整個(gè)磁體的臨界電流，這提高了超導(dǎo)材料的利用率；中部高溫超導(dǎo)模塊的主要功能是增加整個(gè)磁體的臨界電流裕度，減少磁體溫度不均勻時(shí)發(fā)生失超的可能性，這提高了超導(dǎo)磁體的熱穩(wěn)定性。

圖I為儲(chǔ)能用高溫超導(dǎo)混合磁體模型圖圖2為高溫超導(dǎo)雙餅結(jié)構(gòu)圖圖3為1/4超導(dǎo)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(dǎo)雙餅均采用BSCCO帶材時(shí)臨界電流的分布情況，圖3 (b)所示為所有超導(dǎo)雙餅均采用YBCO帶材時(shí)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(shí)施方式
為了使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，
以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一歩詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)例僅僅用于解釋本實(shí)用新型，并不用于限定本實(shí)用新型。如圖I所示，儲(chǔ)能用高溫超導(dǎo)混合磁體依次由頂層高溫超導(dǎo)模塊I、中部高溫超導(dǎo)模塊2和底層高溫超導(dǎo)模塊3串聯(lián)組成，各高溫超導(dǎo)模塊1、2和3由ー個(gè)或ー個(gè)以上的高溫超導(dǎo)雙餅串聯(lián)組成。在磁體工作時(shí)，磁體不同位置的磁場(chǎng)分布存在差異，對(duì)于螺線管磁體而言，其特點(diǎn)為中部磁場(chǎng)強(qiáng)度較高，磁場(chǎng)方向與磁體的中軸線趨于平行，而在磁體的端部，磁場(chǎng)強(qiáng)度較弱，磁場(chǎng)方向與磁體的中軸線趨于垂直。BSCCO和YBCO兩種材料在磁場(chǎng)下的臨界電流特性不同，在磁體中部的磁場(chǎng)環(huán)境中YBCO的臨界電流值較高，而在磁體端部的磁場(chǎng)環(huán)境中BSCCO的臨界電流值較高。在磁體設(shè)計(jì) 過程中，確定不同模塊的分界點(diǎn)(即確定各模塊超導(dǎo)雙餅的數(shù)目)是很關(guān)鍵的問題，其實(shí)質(zhì)是根據(jù)磁體磁場(chǎng)分布特點(diǎn)來為每個(gè)超導(dǎo)雙餅選材的問題。在設(shè)計(jì)磁體的時(shí)，磁體的尺寸確定以后，磁體的磁場(chǎng)分布也就確定了，對(duì)應(yīng)的每個(gè)超導(dǎo)模塊的臨界電流分布也就確定了，因此，使每ー個(gè)超導(dǎo)雙餅的臨界電流值最大就作為確定不同模塊分界點(diǎn)的依據(jù)。高溫超導(dǎo)雙餅的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，每個(gè)高溫超導(dǎo)雙餅由上、下兩層導(dǎo)線組成，上層導(dǎo)線4與下層導(dǎo)線5的繞行方向相反，上層導(dǎo)線4的導(dǎo)線內(nèi)側(cè)引出線6與下層導(dǎo)線5的導(dǎo)線內(nèi)側(cè)引出線6’連接在一起，上層導(dǎo)線4的導(dǎo)線外側(cè)加工成為第一引線端子7，下層導(dǎo)線5的導(dǎo)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(dǎo)模塊I和底層高溫超導(dǎo)模塊3的高溫超導(dǎo)雙餅的結(jié)構(gòu)與材料均相同，構(gòu)成中部高溫超導(dǎo)模塊2的高溫超導(dǎo)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(dǎo)模塊I和底層高溫超導(dǎo)模塊3的導(dǎo)線為第二代高溫超導(dǎo)帶材(鉍鍶鈣銅氧化物(BSCC0))，其在垂直磁場(chǎng)作用下臨界電流衰減速度慢，用于提高超導(dǎo)磁體端部的臨界電流；用于中部高溫超導(dǎo)模塊2的導(dǎo)線為釔鋇銅氧(YBCO)高溫超導(dǎo)涂層導(dǎo)體帶材，其在平行磁場(chǎng)作用下臨界電流衰減速度慢，用于提高超導(dǎo)磁體中部的臨界電流。實(shí)例以150kJ/100kW方案為實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型加以介紹，設(shè)計(jì)要求超導(dǎo)磁體電感值為10H，設(shè)計(jì)誤差為±5%，在20K下的磁體的額定最大工作電流為200A，超導(dǎo)磁體臨界電流^ 250A，超導(dǎo)磁體平均臨界電流> 400A。超導(dǎo)電感儲(chǔ)能量由式(I)計(jì)算。
權(quán)利要求1.一種儲(chǔ)能用高溫超導(dǎo)混合磁體，其特征在于，它包括依次串聯(lián)的頂層高溫超導(dǎo)模塊、中部高溫超導(dǎo)模塊和底層高溫超導(dǎo)模塊，各高溫超導(dǎo)模塊均由ー個(gè)或ー個(gè)以上的高溫超導(dǎo)雙餅串聯(lián)組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的儲(chǔ)能用高溫超導(dǎo)混合磁體，其特征在于，所述高溫超導(dǎo)雙餅由上、下兩層導(dǎo)線組成，上層導(dǎo)線與下層導(dǎo)線的繞行方向相反，上層導(dǎo)線的導(dǎo)線內(nèi)側(cè)引出線與下層導(dǎo)線的導(dǎo)線內(nèi)側(cè)引出線連接在一起，上層導(dǎo)線的導(dǎo)線外側(cè)加工成為第一引線端子，下層導(dǎo)線的導(dǎo)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(chǔ)能用高溫超導(dǎo)混合磁體，其特征在于，用于頂層高溫超導(dǎo)模塊和底層高溫超導(dǎo)模塊的導(dǎo)線為第二代鉍鍶鈣銅氧化物BSCCO高溫超導(dǎo)帶材；用于中部高溫超導(dǎo)模塊的導(dǎo)線為釔鋇銅氧YBCO高溫超導(dǎo)涂層導(dǎo)體帶材。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種儲(chǔ)能用高溫超導(dǎo)混合磁體，包括端部和中部高溫超導(dǎo)模塊；高溫超導(dǎo)模塊均由至少一個(gè)超導(dǎo)雙餅組成的，其實(shí)質(zhì)為空心電感線圈，在混合磁體內(nèi)部相鄰的超導(dǎo)雙餅異名端相互連接。整個(gè)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(dǎo)模塊的超導(dǎo)雙餅采用第二代鉍鍶鈣銅氧化物BSCCO高溫超導(dǎo)帶材繞制而成；組成中部超導(dǎo)模塊的超導(dǎo)雙餅采用YBCO帶材繞制而成；組成混合磁體的某一高溫超導(dǎo)雙餅該劃歸與端部模塊還是中部模塊通過計(jì)算來決定，原則為讓每一個(gè)高溫超導(dǎo)雙餅都具有最大的臨界電流值；本實(shí)用新型可以用于充當(dāng)小型SMES裝置的儲(chǔ)能磁體，其不僅可以滿足小規(guī)模儲(chǔ)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(shí)熱穩(wěn)定性強(qiáng)。
文檔編號(hào)H01B12/00GK202650758SQ20122020396
公開日2013年1月2日 申請(qǐng)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(qǐng)人:湖北省電力公司電力科學(xué)研究院, 華中科技大學(xué), 國家電網(wǎng)公司