ybco材料概述

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应用——高温超导储能装置
PART2 飞轮储能 • 所用性质：超导材料的零电阻特性使其成为电流传输的
理想导体 。 • 运用原理：飞轮储存的能量与其转速和转动惯量成正比。
采用高温超导新材料制成的磁浮式推力轴承，可使飞轮 和转子等转动部分在磁力悬浮状态下无阻力高速旋转。 • 基本概况：飞轮储能发电设备是仅次于抽水蓄能发电设 备的一种大容量储能系统，两者基本原理结构形式类似： 都采用发电电机 。但抽水蓄能是在用 电低谷时将水送 至高处，待到用电高峰再用其发电。而飞轮储能则是在 用电低谷是将发 电电动机作为电动机来驱动飞轮旋转； 电网负荷高峰时，发电机又被飞 轮驱动来发电。
• 基本概况：高温超导电缆具有大容量、低损耗、结构紧 凑 、对环境影响小的特点，可用来远距离大容量输电、 为大负荷特殊场合供电、用于变电站内的大电流传输母 线、替换海底电缆等。能够节约大量金属材料和安装成 本。
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应用——高温超导发电机和电动机
• 所用性质：由于其完全抗磁性，兼备了感应和永磁同步 电机的优点。
• 具有超导性的材料其主要特性是在一定临界温度 下电阻为零即所谓零阻现象。在磁场中其磁感应 强度为零，即抗磁现象。
• 有些材料的电阻率随温度降低逐渐减小，当温度 降低到某一温度时，电阻率突然减小到零。此时 温度称为临界温度（TC）。超导材料研究的难 题是突破“温度障碍”，而YBCO就是我们一直 在寻找的高温超导陶瓷材料。
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YBCO结构
• 具有层状钙钛矿型结构， 含有CuO-CuO2CuO2-CuO交替的层，CuO2层可以有变形和皱 褶。钇原子存在于CuO2和CuO2层中，BaO层 则在CuO与CuO2两层之间。
• 存在二维的Cu-O面，由CuO6八面体，CuO5正 四方锥， CuO4平面四边形组成的铜氧平面。
• 应用背景：早在1978年美国就开始研究存储能量为30M J的超导电磁储能设备，并于1984年并网运行，储存电 能释放时效率达到95％ 。
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应用——高温超导储能装置
PART1 电磁储能 • 基本概况：现在的电力系统内，能够实现大容量的储能
发电系统主要有抽水蓄能、压缩空气蓄能 、飞轮蓄能和 电磁蓄能四种，其中抽水蓄能因其简单安全运用最为广 泛，然而最具有潜能并且效率最高的还是高温超导电磁 储能。
• 应用背景：目前应用较多的感应电机和永磁同步电机都 有许多众所周知的优点，虽然感应电机 启动方便 ，但 运行效率低 ；永磁同步电机运行效率高，可本身启动困 难。
• 基本概况：具有体积小 、效率高 、同步电抗小、 寿命 长 、噪声低等优点。高温超导的完全抗磁性使得在深冷 温度下电阻近乎为零，与铜导体相比，电流密度可提高 十倍 、有效利用率提高3 倍。与普通电机相比，体积减 小一半而效率达到了99．7％。高温超导与普通超导比， 制冷设备更加简化，而液氮的高效排热率也使得发电机 的更可靠，更经济。
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应用——高温超导储能装置
PART1 电磁储能
• 所用性质：超导材料的零电阻特性使其成为电流传输的 理想导体 。
• 运用原理：线圈中通电时，其所存储的能量与电流的平 方和电感的乘积成正比，由于线圈导体有电阻，能量会 以焦耳热的形式消耗，而高温超导在深冷状态下电阻为 零，不存在焦耳热损耗，能量即可永久储 存 。
• 应用背景：适合用于用电负荷大并且安装于室内的闹市 城区，闹市人流量大，更安全。
• 基本概况：高温超导变压器采用超导材料取代铜线，液 氮取代油作为冷却剂，具有诸多优点：体积小重量轻， 特别适合用于用电负荷大并且安装于室内的闹市城区： 节能，虽然高温超导用于交流会产生交流损耗，尽管如 此，其综合效率仍然高于常规变压器。
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超导材料具备的特殊性质→应用与前景
零电阻
完全抗 磁性
宏观量 子效应
YBCO应用与前景
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应用——高温超导电缆
• 所用性质：超导材料的零电阻特性使其成为电流传输的 理想导体 。
• 应用背景：随着经 济和社会 的发展 ，人们对 电量 的需 求越来越大 ，加之我 国能源和负荷分布不均匀，长距 离输电成为必然。
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问题
• 主要有两个问题限制了YBCO在超导方面的应用： • 第一，YBCO单晶有很高的临界电流密度，至于多晶则
很低（保持超导态时仅能通过很小的电流）。这是由材 料的晶粒界面造成：当晶界角大于约5°时，超导电流 就无法越过界面。这个问题可由通过化学气相沉积制备 薄膜或调准晶界得到改善。 • 第二，此类的氧化物材料很脆，以传统方法制成线状并 不能很好地保留其超导性质。 • 另外，很多情况下大规模冷却物体至液氮的温度并不十 分实际。
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应用——高温超导发电机和电动机
• 发展前景：如果在高温超导材料的交流损耗问题取得了 新的突破 ，创造出由超导线材交流电枢绕组和超导转子 绕组构成的新型全超导电机，不仅有普通超导电机的优 点，还使得结构更简单，可靠性更高，更适合于高速 运 转。
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应用——高温超导变压器
• 所用性质：超导材料的零电阻特性使其成为电流传输的 理想导体 。
• 所有的铜氧配位多面体相互连结的方式只能采取 共顶点的形式，而不能共棱或共面。
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当YBCO中氧原子计量小于7时， 根据具体数值的不同，这些非计
量化合物结构可以有差异，可以
化学式中的δ来表示。 δ = 1时 为四方结构，CuO层的O(1)为空， 不显示超导性。 略微增加氧的含 量会增加O(1)的占有率。δ< 0.65时b轴形成Cu-O链，结构变 为正交，晶格参数分别为a=3.82、 b=3.89及其c=11.68Å。当δ ~0.07时超导性最佳。