超导储能

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Bi2Sr2Ca2Cu3O y 简称Bi-2223和Bi2Sr2CaCu2O y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100A／mm2(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。

B i系高温超导带材在液氮温度(77K)，其临界电流密度J C易受磁场的影响，即使在较小的磁场下，J C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60J[1]。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

图1 200kJ 高温超导储能磁体结构 图2 圆形和D 形线圈交替的环形线氮温区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Bi —2223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/mm 2

）、总安匝数160 kAT ，磁体系统采用G —M 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

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。

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