氧化钇钡铜(YBCO)高温超导带材在超导储能装置的应用

彭思思蔡传兵郑军郭树强徐颖周迪帆

(1.上海大学理学院,上海 200444;2.武汉船用电力推进装置研究所,湖北 武汉 430064;3.华中科技大学电气与电子工程学院,湖北 武汉 430074)

在“双碳”目标的推动下,我国以风电、光伏为代表的新能源发电技术迅速发展.国家发展和改革委员会和国家能源局在《加快推动新型储能发展的指导意见》中提到,预计到2025年,我国新型储能装机规模将达到3 000万千瓦以上.发展新型储能技术对推动国家能源绿色转型、保障能源安全、促进能源高质量发展、助力实现“双碳”目标具有重要意义.然而,新能源发电存在间歇性、波动性、随机性等问题,严重影响新能源的电能质量,新能源并网消纳利用面临严峻考验[1].引入储能系统,可以有效抑制新能源电网的波动程度,维持电网电压和功率稳定,提高新能源电网的稳定性,改善电能质量.超导储能是一种利用超导线圈将能量转换成电磁能进行存储的储能技术,通过变流器进行能量的充放,具有效率高、功率密度大、响应快和寿命长等优势,在新能源电网和新能源电动船舶等领域具有潜在的应用前景[2-4].

1 氧化钇钡铜(YBCO)高温超导带材特性

第二代高温超导材料YBCO(YBa2Cu3O7−x)的超导临界转变温度约为90 K.图1为Y(钇)系超导带材的典型结构,其中超导层的厚度为微米数量级,约为带材整体厚度的1‰.YBCO带材临界电流受磁场影响小,适合应用于高磁场环境.图2为典型商用Y系超导带材的临界电流在不同温度下随磁场的变化曲线.可以观察到:相较于平行,垂直磁场对Y系超导带材的临界电流影响较大;在20 K的情况下,2 T的平行场对临界电流的影响几乎可以忽略,而同等大小的垂直场则使得临界电流下降约50%.目前,主流厂商一般采用激光溅射、化学沉积等方法来制备YBCO带材[5],图3为3种Y系超导带材的临界电流随应力和应变的变化曲线,可以看出,YBCO带材的最小允许应力高达700 MPa,允许应变达到0.45%.但此时的应力和应变仅仅指沿带材长度方向,由于YBCO超导带材为涂层导体,在设计线圈过程中,垂直于带材表面的允许应力应重点关注,因为线圈沿半径方向的电磁力恰好是垂直于超导带材表面[6].

图1 Y系超导带材的典型结构Fig.1 Typical structure of the Y-series superconducting tape

图2 Y系超导带材的临界电流的变化曲线Fig.2 Critical current of the Y-series superconducting tape

图3 Y系超导带材的临界电流随应力和应变的变化曲线[7]Fig.3 Critical current versus stress and strain on the Y-series superconducting tape[7]

表1为YBCO带材在各种受力情况时的允许应力大小[8].由表1可知,沿YBCO带材长度方向的允许拉应力大于700 MPa,垂直于带材横断面的允许拉应力为10∼100 MPa,垂直于带材横断面的允许压应力大于100 MPa,沿带材面的允许剪切应力大于19 MPa,沿带材侧边的劈应力小于1 MPa.

表1 Y系超导带材在不同受力情况下的允许应力Table 1 Allowed stress of the Y series superconducting tape under different conditions

2 超导储能装置中超导材料的性能要求

超导储能系统superconducting energy storage system(SEMS)是利用超导线圈将能量转换成电磁能进行存储,需要时可直接返回电网或其它负载的一种电力设备,本质上是一种电感储能技术.超导储能系统的组成如图4所示,主要包括超导磁体、变流器、监控系统和低温制冷系统等[9].超导储能磁体是整个系统最为核心的部件,承担了能量的存储;变流器控制能量的流向,实现电能的存储与释放;监控系统实时监测新能源电网的电压波动和功率状态,根据需求情况向变流器发出控制指令;低温制冷系统为超导磁体冷却提供冷量,并保障超导磁体的低温环境.

图4 超导储能系统组成Fig.4 Schematic construction of a superconducting energy storage system(SEMS)

超导磁体设计的成功与否,与磁体主要参数如额定工作温度、额定工作电流、额定耐压值、磁体结构、外形尺寸等的设计是否合理密切相关.而超导磁体的主要参数很大程度上取决于所选带材的性能参数[10](见图5).

图5 超导储能装置中超导材料的性能要求Fig.5 Performance Requirements of Superconducting Materials in Superconducting Energy Storage Device

超导带材的临界电流与温度、所受应力及外加磁场的大小和方向有关.在确定了超导磁体运行温度的基础上,需要通过计算超导磁体在通流时超导带材上的磁场分布、所受应力等参数,评估超导磁体在该运行温度下的通流能力.

由于超导储能系统中磁体电流不断变化,会产生交流损耗,为防止过热导致磁体失超,线圈上都装配有金属导冷片进行散热.而金属导冷片往往是一个电压等势体,导致带材需要承受较高的电压,对其绝缘性能提出了挑战.

带材受到的应力主要有3个来源:在磁体绕制过程中,为了确保匝间接触紧密不发生滑动,通常会施加一定的拉紧预应力;在磁体冷却过程中,带材会发生收缩,若支架与带材的收缩率不一致,也会产生一定的热应力;预应力最主要的来源是磁体充磁时电磁力给带材所带来的应力.由于超导带材强化层采用合金制成,随着温度降低其机械强度会有明显上升.因此,在进行磁体结构设计时,可以忽略拉紧预应力的影响,认为绕制成型的带材可以承受的最大应力值与产品标称值一致.

磁体的最小内半径为超导带材的最小弯曲半径.为安全起见,通常在磁体内半径选取上要保留一定安全裕度,以免造成带材弯曲角度过大而损坏.

3 二代高温超导储能磁体研究现状

随着二代高温超导带材生产技术的成熟和商业化,国内外开始研制基于二代超导带材的超导储能磁体.2011年,中科院电工所利用美国AMSC的二代超导带材,研制出一台工作在4.2 K液氦温区的1 MJ高温超导储能系统[11].图6所示为高温超导储能磁体,该磁体包含44个超导双饼,工作电流为564 A.

图6 1 MJ高温超导储能磁体Fig.6 Photograph of a 1 MJ high temperature superconducting magnetic energy storage system

2013年,湖北省电力公司联合华中科技大学研制出一台150 kJ/100 kW的高温超导磁储能系统[12].图7所示为该高温超导储能磁体,该储能磁体同时采用了一代和二代超导带材,充分利用了两种超导带材的特性,包含12个一代超导双饼和6个二代超导双饼,电感为9.7 H,采用制冷机传导冷却,磁体工作在20 K.

图7 150 kJ高温超导储能磁体Fig.7 Photograph of a 16 kJ high temperature superconducting magnetic energy storage system

国内外高温超导磁储能技术的发展现状如表2所示.从高温超导储能磁体容量变化趋势来看,高温超导储能技术已经突破MJ级,开始向10 MJ级发展,且大容量高温超导储能磁体多采用环型结构.

表2 国内外高温超导储能磁体研究现状Table 2 Research Status of High Temperature Superconducting Energy Storage Magnets

4 二代高温超导储能磁体设计案例分析

磁体储能目标设置为10 MJ,采用遗传算法对3种磁体结构导线长度进行了优化,磁体的工作温度为20 K,磁体的临界电流是由高温超导带材20 K下的Ic−B曲线和磁体电流负载线确定.图8为高温超导带材20 K下的临界电流数据.在高温超导磁体临界电流计算中,考虑磁场和应力对临界电流的影响.利用电磁耦合分析方法获得不同磁场下,超导磁体的最大允许通流值.应力分析用于校核机械稳定性要求,若满足机械稳定性的要求,该电流被定义为超导磁体的初始临界电流,作为后续分析中磁体工作电流的参考值.否则,在每次迭代过程中,允许工作电流值将减少3%,直到满足机械稳定性要求.

图8 YBCO高温超导带材20 K下不同背场下的临界电流Fig.8 Critical current of YBCO high temperature superconducting tape under different magnetic field at 20 K

根据遗传算法优化得到的用线量最小的线圈参数,在有限元仿真软件中建模进行电磁热力耦合分析.表3为3种方案的设计参数及指标.

表3 3种结构形式磁体的设计方案Table 3 Three different structural design for the magnets of a SMES system

从体积出发,环型磁体和四螺线管磁体的磁体分布较为分散,所以体积较大,尤其是环型磁体的线圈排布使得磁体内部留有很大空隙,因此功率密度较小.

从经济性角度出发,同等储能需求,环形磁体的用线量最小,单螺线管磁体和四螺线管磁体的用线量分别为环形磁体的1.25和1.7倍.因此环形磁体更具经济优势.此外,环形磁体所需并绕根数更少,技术上难度相对较小.

基于磁场和应力的角度考虑,由图9可以看到环形磁体的径向最大磁场为0.22 T,是3种方案中最小的;最大平行磁场则为5.28 T.对于第二代高温超导带材来说,垂直磁场对其临界电流衰减特性影响最大,因此在相同储能量的情况下,环形磁体的用线量会更有优势.以上3种方案从应力的角度进行考虑,则四螺线管磁体具有很大优势,环形磁体则面临最大的应力.

图9 10 MJ环形磁体磁场及应力分布Fig.9 Magnetic field and stress distribution of a 10 MJ ring-shaped SMES

针对线圈绕制的工程实际进行分析,单螺管磁体每个双饼的外半径为740 mm,采用2根并绕的方式,单根带材长度需要2 020 m,;四螺管磁体每个双饼的外半径为670 mm,采用2根并绕的方式,单根带材的长度需要1 582 m,环型磁体每个双饼的外半径为547.5 mm,采用2根并绕的方式,单根带材的长度需要1 481 m.目前上海超导公司的制作工艺可以达到单根400 m无接头,因此单螺管磁体的每个双饼内至少有10个接头,四螺管磁体每个双饼至少有6个接头,环型磁体每个双饼至少有6个接头.

对比来看,单螺线管磁体的线圈外径最大,线圈内接头最多;环形磁体的线圈外径最小,接头相对单螺管磁体也比较少.所以从线圈的制作来讲,环型磁体线圈的制作难度最小,单螺管磁体线圈的制作难度最高,但是环型磁体结构最复杂,磁体的装配难度最大.

综上,最终选择采用环形作为磁体分布方案.对于该10 MJ环形磁体,拟采用制冷机直接冷却方式使其工作在低温环境.整个磁体由多台制冷机进行冷却,两个主导冷板放置在环形磁体的上部和下部,超导线圈的支撑结构采用高强度非金属材料.每一个线圈两侧装有黄铜导冷板,黄铜导冷板与上下端部导冷板相连,起到传导冷量的作用.最终超导磁储能系统结构如图10所示.

图10 超导储能磁体系统结构示意图Fig.10 Schematic diagram of a SEMS system

5 结论

本工作对YBCO高温超导带材特性进行了简要介绍,分析了超导储能系统对带材的性能要求,并结合10 MJ超导储能磁体进行了具体案例分析.由于二代高温超导材料具有优越的电磁、机械特性以及低廉的生产原料,加之随着带材制备工艺的发展,其实用化价值已初步体现.目前制约超导储能系统发展的主要因素是二代高温超导带材价格较为昂贵,系统研制成本高,但随着对材料本身和制备工艺更深入的研究,YBCO高温超导带材在超导储能方面将具有广泛的应用前景.