高温超导飞轮储能技术发展现状.doc

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1、高温超导飞轮储能技术发展现状在1986年发现可工作在液氮温区(77K)的高温超导材料后，人们很快就发现利用这种材料制备的块材可以稳定地悬浮(悬挂)在永磁体上方(下方)。并且施加给永磁体一个初始的扭矩后，它就会围绕和块材相互作用力的对称轴旋转起来，这就是高温超导磁悬浮轴承(SMB)最基本的模型。SMB以其具有的无机械接触、自稳定、结构简单等优点，很快博得了众多研究者的青睐。在1990年便有了转速100000r／min的SMB报道，而到1992年更有转速高达520000r／min的报道，这也是迄今为止最高的转速记录。SMB的高转速是传统的机械轴承

2、，甚至主动的电磁悬浮轴承(AMB)所不及的。SMB的诞生为以轴承为基础的系统提供了升级换代的新途径，高温超导飞轮储能系统(HTS．FESS)就是在这种背景下应运而生的。HTS—FESS利用SMB的高速无机械摩擦旋转，通过一个飞轮转盘把能量以机械旋转能量的形式储存起来。近年来，随着SMB技术的日益成熟，高强度复合纤维材料的问世以及高效率电力电子转换技术的进步使得HTS．FESS在储能密度、储能时间、响应时间、转换效率等方面均得到了较大的提高，已达到了工业应用的要求。目前美国波音公司、日本国际超导中心(ISTEC)[6-8]、德国ATZ公司[9-

3、121等均在开展大容量HTS—FESS样机的试验研究。美国波音公司在2006年的项目年度总结报告中指出，他们研制的HTS．FESS即将完成最终用户测试，并投入商业运行。HTS．FESS作为一种新型电力储能技术，不仅为缓解当前日益严峻的能源问题提供了新的途径，而且在军民两用上都具有巨大的应用前景。在卫星和航天器的能源供给和姿态控制、电磁发射系统的超大功率电源、战车的能量储备以及电力调峰、通信系统、交通系统等领域均可找到它的应用价值。2HTS．FESS的基本原理及其特点2．1基本原理HTS．FESS的基本原理是利用电动机将悬浮的飞轮转子驱动到高速

4、旋转状态，电能转变为机械能储存。需要时，飞轮减速，电动机作发电机运行，实现机械能到电能的转换，这样就通过飞轮的加速和减速，完成了电能的存入和释放。图1给出了能量的存储与释放过程。                       图1高温超导飞轮储能系统原理示意飞轮是一个作定轴转动的物体，其储存的能量E可以表示为E=1/2Jω2    （1）式中J--飞轮转子的转动惯量；ω--角速度。储能密度(单位质量存储的能量)是表征储能装置性能的一个重要指标，对于结构、几何尺寸一定的飞轮储能系统而言，其储能密度e为e=E/m=ksσ/ρ    （2）式中ks-

5、-飞轮形状系数；σ--飞轮产生的最大周向应力；ρ--飞轮材料的密度；m--飞轮质量。从储存能量的角度来看，E越大越好；而从减轻轴承负荷来看，m越小越好。综合式(1)、式(2)考虑，飞轮转子需要σ/ρ高的材料。HTS．FESS主要由SMB、飞轮转子、电动，发电机、电力电子转换装置和真空／安全保护装置构成。2．1．1SMBSMB是HTS．FESS的核心部件，作用是支撑飞轮转子并保证其无机械摩擦稳定的高速旋转。基本原理是高温超导体和永磁体电磁相互作用的轴对称模型，一般是用高温超导块材(下文简称块材)作定子，常规的永磁体作转子。液氮温度下，块材进入超

6、导混合态后，由于钉扎中心的存在磁通线被其阻滞运动，即被超导体俘获，当超导体俘获了足够的磁通时，便使转子自由悬浮在某一位置上；同时块材特有的磁通钉扎能力阻止俘获磁通运动，保证侧向稳定性，从而实现了转子稳定的悬浮(如图2所示)。研究结果表明，SMB的摩擦系数只有10_，是电磁悬浮轴承的1／1000，最好的机械轴承的1／10000。图2具有钉扎效应的高温超导磁悬浮示意图SMB按照块材与永磁体的排放结构，分为轴向和径向两种类型，其结构示意图如图3所示。在轴向型中，块材与永磁体之间的悬浮力指向旋转轴的方向。其优点是结构简单，制作相对容易。缺点是轴承的承

7、载能力依赖于定子的截面尺寸。在径向型中，块材与永磁体之间的悬浮力指向转子径向。其优点是结构很紧凑，并且可以在不改变主轴大小的情况下通过沿轴向增加定子中块材的数量来提高承载能力。缺点是对块材和永磁体材料性能的均匀性要求高。目前两种类型的轴承均已用于HTS．FESS样机的研制中。图3SMB结构示意图2．1．2飞轮转子飞轮转子作为HTS．FESS的储能载体，其旋转速度一般都是上万转，因此转子工作时要承受很大的离心力，这样就对转子材料的机械强度提出了很高的要求。从式(2)可知，高强度、低密度的材料将是飞轮转子的理想材料。表1给出了几种常用的飞轮转子材

8、料参数，显然碳素纤维复合材料因其极高的强度密度比是飞轮转子材料的理想选择。理论和实验都证明目前的碳素纤维复合材料做成的飞轮转子承受的最大线速度可超过1000m／s。