超导飞轮储能系统研究综述

超导飞轮储能系统研究综述 N卫3 200O ; INFORMATION 媳ONELEC 报 TRIPOW 辛 ER 综合述评 o0oc-,)超导飞轮储能系统研究综述 型,谢红,ciI] 摘要:采用超导磁力轴承实现磁悬浮的超导飞轮储能系统的研制,是高温超导技术在电力工业中应用研究的又一 热点;介绍了超导b轮储能系统的基本结构,描述了超导磁力轴承的原理与特性,简要介绍了国内外超导飞轮储 能技术的研究开发情况. 关键词:超导技术;飞轮储能;超导磁力轴承;磁悬浮;电力工业 中图分类号:TM917文献标识码:A文章编 号:1006—6705(2000)03—0001—04 目前,用于大容量电力贮存的蓄能发电系统 主要有抽水蓄能系统,压缩空气蓄能系统,超导 储能系统及飞轮储能系统(FES)等.其中,飞轮 储能具有能量存贮,释放迅速,效率高,维护简 单,寿命长,占地面积小,可分散布置等优点,在 电力工业等领域具有广泛的应用前景. 近代FES主要由储存能量用的转子系统(飞 轮本体),支撑转子的轴承系统及动能,电能转换 用的电动机/发电机系统三太部分组成.20世纪90 年代,以下三大技术取得突破使飞轮储能这一存 在已久的储能概念得以重新估价: (1)高温超导磁力轴承为代表的低损耗被动 磁浮轴承的研制; (2)用于制造高速飞轮转子的高强度复合纤维 材料的问世: (3)高教转换电力的电力电子技术的发展 超导飞轮储能系统(sFEs),就是集成了上述先 进技术,特别是采用高温超导体构成磁浮轴承,使 飞轮转子系统实现低损,高速,高效运转的一种新 型电能储存装置. l超导飞轮储能系统的结构 1.1飞轮本体(转子) 飞轮内储存的能量可用下式表示 收稿日期:1999-12-3l:修订日期:2000—04—03 科研项且国家电力公司软科学研究项目(STled0I2—05—22 作者简介:王哲啊(1970--).女,华北电太学馆员. E=士(1) 式中:助飞轮转子轴转动惯量;?为角速度. 飞轮的单位储能密度e表征了飞轮的储能特 性,可表示为 1 e=E/m=枷/=Ks-’加(2) 式中:为飞轮质量;丘为飞轮形状系数,与飞轮 断面形状有关;』,m为飞轮材料利用系数,其数值 随材料各异;/P为飞轮材料比强度:为材料 强度极限:P为材料密度. 可见,应选用密度小,强度极限大的材料制 作飞轮转子.超导飞轮所采用的复台玻璃纤维和 石墨纤维等新型材料均具有低密度,高强度的特 点,石墨纤维复合材料制成的飞轮转子转速高达 klil/$以上. 飞轮转子类型主要有多层空心圆柱体,环形, 实心圆盘,边缘型,边缘加强型,等应力圆盘,近 似等应力圆盘,带式变惯量飞轮等. 1.2轴承系统 SFES采用磁浮,力轴承支撑飞轮转子.磁浮轴 承是运用磁悬浮技术,凭借磁力来支撑转动体(如 飞轮),使其与固定部件脱离接触而实现自由悬浮 的一种高性能轴承.按照其对位移控制的方式可 分为主动/有源磁浮轴承(AMB)和被动/无源磁浮 轴承(PMB).AMB是一套由永磁铁和电磁铁组 成的电磁系统.它利用永磁铁悬浮飞轮转子,并 利用响应极快的伺服系统支持的电磁铁系统对转 子位移,转角进行精密反馈控制,使转子保持在 合适的位置.其主要缺点是结构复杂,运行不可 电力情报 靠,并且需要连续的能量供给,效率不够高.在 PMB中,由高温超导体和永磁体构成的超导磁力 轴承(SMB)利用高温超导体的磁通钉扎性和抗 磁性提供一个稳定的无源磁悬浮.与AMB相比, SMB无需供电,也不需要复杂的位置控制系统, 旋转损耗更小,效率更高,并且可使轴承系统结 构紧凑,实现小型化.其主要缺点是承载能力较 低.在实际应用中,SFES一般采用SMB与其它 类型的轴承,如永磁轴承,AMB等相结台的方式 来构成一个稳定的轴 1.3电动机/发电机 SFES通过电动发电机与外界交换能量.贮 存能量时,系统处于电动机运行状态,飞轮加速i 释放能量时,系统处于发电机运行状态,飞轮减速. 1.4电力转换装置 超导飞轮在贮存和释放能量过程中,转速在 不断变化,电动机/发电机组的转速也随之变化. 因此,必须配备一个电力转换装置使飞轮系统 能和电网相连.输入电能通过转换装置供给电机: 输出电能经过转换装置调频,供给负载 此外,为提供真空环境并屏蔽事故传递,飞 轮主体需在真空室中运转,同时,高温超导体需 要渡氮进行冷却,因此,超导飞轮储能系统还包 括真空泵,渡氪供给装置等辅机. 2超导磁力轴承的原理及特性 超导磁力轴承是sFEs区别于其它类型FES的 关键部件.利用超导体对磁场的反应进行工作的 超导磁力轴承是超导技术应用的一个范例. 2.1SMB的原理 SMB的一般构造是在定子一侧装超导体,在 转子侧装永久磁铁(PM).超导材料选取临界电流 大的钇系高温超导体(YBCO),永久磁铁选用表 面磁通密度大的钕系磁铁(Nd_Fe_B等).其原理 如图l所示. 超导体产生的磁悬浮现象可用超导体的特 性——迈斯纳效应来说明.迈斯纳效应是指超导 体在低温下的突然失磁现象.迈斯纳效应使超导 体具有抗磁性.SMB利用抗磁性提供一个静态 悬浮力.将永磁体置于超导体上部时,超导体会 感应出一个屏蔽电流,电流流动方向是阻止磁通 进入超导体内部屏蔽电流如同永磁体的反射映 固1超导磁力轴承原理固 像那样排斥磁通,阻碍外磁场的变化,超导体因 而总能保持磁场的初值和形状,这就是悬浮力稳 定的内在原因.如果永磁体在竖直方向被磁化且 北极朝下,”映像也在竖直方向磁化且北极朝 上,从而对永磁体产生一个排斥力.永磁体越靠 近超导体,排斥力越强;永磁体越远离超导体, 排斥力越弱.SMB利用这一排斥力提供竖直方 向上的稳定悬浮.永磁体与高温超导体之间的 排斥力为 =M((d出)(3) 式中:为超导体内的场强;为超导体的磁化 强度:为超导体的有效磁化体积;为真空磁 导率 迈斯纳效应的极限值只有数百C-s,SMB实际 上利用的是超导体的另一特性——磁通钉扎性.在 超导体内存在一些由杂质,裂缝等结晶缺陷造成 的非超导区域,这些非超导区域被称为钉扎中心, 见图l.钉扎中心是超导体内的常规导电部位(常 导相).由于超导体内钉扎中心周围的超导区域 (超导相)具有非常强的排斥磁通特性,致使穿越 超导体表面的磁力线会被钉扎中心捕获钉扎在 体内.当有足够的磁力线这种方式被捕获后,永 磁体就会被悬浮在固定位置一k.SMB利用磁通钉 扎性提供一个稳定力.磁通钉扎特性使SMB在备 个方向都是无源稳定的. 永磁体和超导体表面之间的磁力线如同连接 二者的机械弹簧,如果永磁体被上下或横向移动, 弹簧”会将其拉回至平衡位置.永磁体总能和超 导体之间保持一个间隙而在非接触状态下被固定 下来,这就是SMB的基本原理. 在液氮温度以上显示超导性的导体(高温超 ?3电力情报 导体)已发现很多,但具有显着磁通钉扎效果的 却只有采用MPMG技术制备的YBaCuO高温超导 材料.所谓MPMG是将高温超导材料YBaCuO融 化后快速冷却.然后粉碎,再次融化,将细微分 散的常导相组织散化进超导相中,以增强材料的 磁通钉扎效果.现有SMB大都采用这种组织的 YBaCuO高温超导材料(将Y用Nd,SmEu,Gd 等置换后的金属氧化物系超导体也有很强的磁通 钉扎效果,已开始研究将其用于轴承). 2.2超导磁力轴承的特性 SMB的特性可用悬浮力,横向恢复力,刚度, 磁性阻尼和旋转阻力矩等参数加以描述.这些参 数主要描述了SMB的承载能力和旋转损耗. SMB的承载能力与刚度有直接关系,刚度越 大.承载能力越高.而刚度大小在很大程度上取 决于超导体和永磁体的性能与轴承构造.提高刚 度,一方面需要通过提高YBaCuO的磁通钉扎力 和磁化强度,加大磁场强度以及改进YBaCuO内 的磁场梯度等来改进超导体性能;另一方面要研 究整个轴承系统,优化其结构. SMB的旋转损耗是由磁场变化引起的.当旋 转轴的偏心,SMB的承载能力变化,刚度不均匀 和轴的弹性位移等引起超导体周围磁场不均匀以 及轴的振动时,磁场的变化导致了超导体的磁滞 损耗和晶格粒子中的涡流损耗通过提高SMB的 刚度以及采用SMB和AMB相结合的方式可减少 旋转损耗. 目前.SMB大多采用立轴旋转结构(竖式转 体),横式或直线运动的轴承也在开发. 3超导飞轮储能系统研究概况 2O世纪9O年代是超导飞轮储能技术发展迅速 的时期.美国,日本,德国等国是开展超导飞轮 储能研究与开发工作的代表性国家. 31美国 美国是飞轮技术应用最为广泛的国家.拥有 多家研究机构,资金雄厚,技术先进.在超导飞 轮储能技术的电力 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 应用方面颇有建树. 1994年,美国阿贡国立实验室和爱迪生电力 公司合作进行了利用SMB的飞轮储能实验在飞 轮转子重032kg的情况下,SMB的摩擦系数仅为 3×1O,,创造了世界记录.目前,这两家机构正在 实施一个验证计划以提高SMB的性能和高教飞轮 储能的总体技术现状计划的近期目标是制造一 台平均储能2kWh的SFES样机并进行实验.将 来计划把飞轮单机储能容量扩大到l,5Mwh的 规模. Texas超导中心是另一家超导飞轮储能研究较 活跃的机构.1994年”中心”制作了一台采用混 合超导磁力轴承(HSMB)的FES样机,并一直 对其进行研究改进至今.这台样机的特点体现在 HSMB上.HSMB一般是由SMB和永磁轴承相结 合而成的无源磁力轴承组合,这种混合结构较之 永磁体一高温超导体直接作用的SMB可提供更强 的悬浮力. 3.2日本 2O世纪9O年代初,日本超导工程研究所报 道了其利用世界上第一个超导磁悬浮飞轮所贮存 的电能点亮了100W灯泡的公开实验.此后,日 本逐年扩大超导飞轮的储能规模,并为超导飞轮 储能装置的商业化制订了相应的研究计划1993 年,日本四国综合研究所完成了采用高温超导磁 浮轴承的立式飞轮蓄能发电系统的基本 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 ,该 装置存贮能量为8Mw’h级,可作为日负荷电平 衡用蓄电4h,放电4h,待机16h,每日蓄能 效率为84%.1994年四国综合研究所与三菱 电机公司等合作研制成功0.1kW’h级飞轮储能 装置.到1997年3月末,该装置累积运行3800h, 起停机790次,SMB升降温次数达1lO次.飞轮 转子浮动性能,SMB间隙等指标均正常光洋 精工与四国综合研究所合作,于1997年研制成功 的02kW.h级的超导飞轮储能实验装置至今仍 在运行.1994年,中部电力公司和三菱重工业公 司合作进行了lkW’h级超导飞轮储能系统的设 计.并于1996年对飞轮及SMB部分进行了试制 与分析. 以上超导飞轮储能机组的一个共同特点是采 用AMB与SMB组成HSMB来实现系统的磁悬浮. 在总结各中间机组的设计,制造,运行经验基础 上.日本新能源与产业技术开发机构(NEDO)利 用通产省的资助金,从1995年开始实施大型国家 计划”高温超导飞轮电力贮藏的研究开发”,于 1999年完成10kWh级SFES的设计.并预定于 2000年完成迄今最大量级(10Mw’h)SFES的 设计,将超导飞轮储能作为一项跨世纪技术.加 电力情报 速推进其实用化,高教化 3.3德国 德国专家Bomemann等人于1994年制作了一一 台SFES实验样机,并验证飞轮系统衰减率取决于 真空室中的压力和轴承气隙宽度;轴承损耗主要 源于转子不平衡和SMB的滞后特性. 1997年.Bomemann等又提出了5MW’h/ 100Mw超导飞轮储能电站的概念设计.电站由10 个飞轮模块组成,每个模块储能0.5MW’h,功率10 M1l?,重30t,直径3.5m,高6.5m,用同步电盂匀/ 发电机进行电能输入输出,用SMB提供相当于20t 的无摩擦悬浮力.每个模块包括1个电动/发电机子 模块,4个碳纤维复合材料制成的转子子模块和6个 SMB子模块.每个飞轮转子储能125kW’h,重3t 能量密度42W’h/kg,运行转速2250,4500r/min, 最大轮缘速度600m/s,最大拉应力810MPa.SMB 由YBCO块材和稀土铁硼型高强度永磁材料构成.整 个电站需10t的YBCO块材和5t的永磁材料预 计总耗资7000万马克,系统效率达96%. 3.4其它国家 法国,英国,意大利的一些专家也在进行应 用SMB的飞轮储能系统的研究 中国科学院电工研究所是我国从事超导技术 应用的主要机构.近年来,研究所在超导磁悬浮 领域取得了一些成果.设计并制造了一个用HSMB 实现的,永磁卸载,SMB提供稳定的立轴旋转结 构,并对其进行了实验研究.此外还利用SMB 设计了一台飞轮储能系统样机. 4结束语 超导飞轮储能目前正处于广泛实验阶段,其 主要构造和运行方法已基本明确,今后需在逐步 实现大型化的同时研究可能遇到的问题.与世界 先进国家相比.我国在超导飞轮储能研究方面还 显不足,国家应对超导飞轮储能这一新兴技术予 重视,加大资金投入,并促进机电各部门之间 的合作,以尽快缩小差距,早日实现国内超导飞 轮储能系统的实用化,商品化. 参考文献: 【1】邢光荣,郭玉民飞轮蓄能发电技术发展动向_J_电 工技术,1998(I21c1—2. _2】金能强,夏平畴.飞轮电力储能系统【】1_电工技术杂 志.1997f11:37-38,40. 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