氧化釔鋇銅(YBCO)高溫超導帶材在超導儲能裝置的應用

彭思思蔡傳兵鄭軍郭樹強徐穎周迪帆

(1.上海大學理學院,上海 200444;2.武漢船用電力推進裝置研究所,湖北 武漢 430064;3.華中科技大學電氣與電子工程學院,湖北 武漢 430074)

在“雙碳”目標的推動下,我國以風電、光伏為代表的新能源發電技術迅速發展.國家發展和改革委員會和國家能源局在《加快推動新型儲能發展的指導意見》中提到,預計到2025年,我國新型儲能裝機規模將達到3 000萬千瓦以上.發展新型儲能技術對推動國家能源綠色轉型、保障能源安全、促進能源高質量發展、助力實現“雙碳”目標具有重要意義.然而,新能源發電存在間歇性、波動性、隨機性等問題,嚴重影響新能源的電能質量,新能源并網消納利用面臨嚴峻考驗[1].引入儲能系統,可以有效抑制新能源電網的波動程度,維持電網電壓和功率穩定,提高新能源電網的穩定性,改善電能質量.超導儲能是一種利用超導線圈將能量轉換成電磁能進行存儲的儲能技術,通過變流器進行能量的充放,具有效率高、功率密度大、響應快和壽命長等優勢,在新能源電網和新能源電動船舶等領域具有潛在的應用前景[2-4].

1 氧化釔鋇銅(YBCO)高溫超導帶材特性

第二代高溫超導材料YBCO(YBa2Cu3O7?x)的超導臨界轉變溫度約為90 K.圖1為Y(釔)系超導帶材的典型結構,其中超導層的厚度為微米數量級,約為帶材整體厚度的1‰.YBCO帶材臨界電流受磁場影響小,適合應用于高磁場環境.圖2為典型商用Y系超導帶材的臨界電流在不同溫度下隨磁場的變化曲線.可以觀察到:相較于平行,垂直磁場對Y系超導帶材的臨界電流影響較大;在20 K的情況下,2 T的平行場對臨界電流的影響幾乎可以忽略,而同等大小的垂直場則使得臨界電流下降約50%.目前,主流廠商一般采用激光濺射、化學沉積等方法來制備YBCO帶材[5],圖3為3種Y系超導帶材的臨界電流隨應力和應變的變化曲線,可以看出,YBCO帶材的最小允許應力高達700 MPa,允許應變達到0.45%.但此時的應力和應變僅僅指沿帶材長度方向,由于YBCO超導帶材為涂層導體,在設計線圈過程中,垂直于帶材表面的允許應力應重點關注,因為線圈沿半徑方向的電磁力恰好是垂直于超導帶材表面[6].

圖1 Y系超導帶材的典型結構Fig.1 Typical structure of the Y-series superconducting tape

圖2 Y系超導帶材的臨界電流的變化曲線Fig.2 Critical current of the Y-series superconducting tape

圖3 Y系超導帶材的臨界電流隨應力和應變的變化曲線[7]Fig.3 Critical current versus stress and strain on the Y-series superconducting tape[7]

表1為YBCO帶材在各種受力情況時的允許應力大小[8].由表1可知,沿YBCO帶材長度方向的允許拉應力大于700 MPa,垂直于帶材橫斷面的允許拉應力為10～100 MPa,垂直于帶材橫斷面的允許壓應力大于100 MPa,沿帶材面的允許剪切應力大于19 MPa,沿帶材側邊的劈應力小于1 MPa.

表1 Y系超導帶材在不同受力情況下的允許應力Table 1 Allowed stress of the Y series superconducting tape under different conditions

2 超導儲能裝置中超導材料的性能要求

超導儲能系統superconducting energy storage system(SEMS)是利用超導線圈將能量轉換成電磁能進行存儲,需要時可直接返回電網或其它負載的一種電力設備,本質上是一種電感儲能技術.超導儲能系統的組成如圖4所示,主要包括超導磁體、變流器、監控系統和低溫制冷系統等[9].超導儲能磁體是整個系統最為核心的部件,承擔了能量的存儲;變流器控制能量的流向,實現電能的存儲與釋放;監控系統實時監測新能源電網的電壓波動和功率狀態,根據需求情況向變流器發出控制指令;低溫制冷系統為超導磁體冷卻提供冷量,并保障超導磁體的低溫環境.

圖4 超導儲能系統組成Fig.4 Schematic construction of a superconducting energy storage system(SEMS)

超導磁體設計的成功與否,與磁體主要參數如額定工作溫度、額定工作電流、額定耐壓值、磁體結構、外形尺寸等的設計是否合理密切相關.而超導磁體的主要參數很大程度上取決于所選帶材的性能參數[10](見圖5).

圖5 超導儲能裝置中超導材料的性能要求Fig.5 Performance Requirements of Superconducting Materials in Superconducting Energy Storage Device

超導帶材的臨界電流與溫度、所受應力及外加磁場的大小和方向有關.在確定了超導磁體運行溫度的基礎上,需要通過計算超導磁體在通流時超導帶材上的磁場分布、所受應力等參數,評估超導磁體在該運行溫度下的通流能力.

由于超導儲能系統中磁體電流不斷變化,會產生交流損耗,為防止過熱導致磁體失超,線圈上都裝配有金屬導冷片進行散熱.而金屬導冷片往往是一個電壓等勢體,導致帶材需要承受較高的電壓,對其絕緣性能提出了挑戰.

帶材受到的應力主要有3個來源:在磁體繞制過程中,為了確保匝間接觸緊密不發生滑動,通常會施加一定的拉緊預應力;在磁體冷卻過程中,帶材會發生收縮,若支架與帶材的收縮率不一致,也會產生一定的熱應力;預應力最主要的來源是磁體充磁時電磁力給帶材所帶來的應力.由于超導帶材強化層采用合金制成,隨著溫度降低其機械強度會有明顯上升.因此,在進行磁體結構設計時,可以忽略拉緊預應力的影響,認為繞制成型的帶材可以承受的最大應力值與產品標稱值一致.

磁體的最小內半徑為超導帶材的最小彎曲半徑.為安全起見,通常在磁體內半徑選取上要保留一定安全裕度,以免造成帶材彎曲角度過大而損壞.

3 二代高溫超導儲能磁體研究現狀

隨著二代高溫超導帶材生產技術的成熟和商業化,國內外開始研制基于二代超導帶材的超導儲能磁體.2011年,中科院電工所利用美國AMSC的二代超導帶材,研制出一臺工作在4.2 K液氦溫區的1 MJ高溫超導儲能系統[11].圖6所示為高溫超導儲能磁體,該磁體包含44個超導雙餅,工作電流為564 A.

圖6 1 MJ高溫超導儲能磁體Fig.6 Photograph of a 1 MJ high temperature superconducting magnetic energy storage system

2013年,湖北省電力公司聯合華中科技大學研制出一臺150 kJ/100 kW的高溫超導磁儲能系統[12].圖7所示為該高溫超導儲能磁體,該儲能磁體同時采用了一代和二代超導帶材,充分利用了兩種超導帶材的特性,包含12個一代超導雙餅和6個二代超導雙餅,電感為9.7 H,采用制冷機傳導冷卻,磁體工作在20 K.

圖7 150 kJ高溫超導儲能磁體Fig.7 Photograph of a 16 kJ high temperature superconducting magnetic energy storage system

國內外高溫超導磁儲能技術的發展現狀如表2所示.從高溫超導儲能磁體容量變化趨勢來看,高溫超導儲能技術已經突破MJ級,開始向10 MJ級發展,且大容量高溫超導儲能磁體多采用環型結構.

表2 國內外高溫超導儲能磁體研究現狀Table 2 Research Status of High Temperature Superconducting Energy Storage Magnets

4 二代高溫超導儲能磁體設計案例分析

磁體儲能目標設置為10 MJ,采用遺傳算法對3種磁體結構導線長度進行了優化,磁體的工作溫度為20 K,磁體的臨界電流是由高溫超導帶材20 K下的Ic?B曲線和磁體電流負載線確定.圖8為高溫超導帶材20 K下的臨界電流數據.在高溫超導磁體臨界電流計算中,考慮磁場和應力對臨界電流的影響.利用電磁耦合分析方法獲得不同磁場下,超導磁體的最大允許通流值.應力分析用于校核機械穩定性要求,若滿足機械穩定性的要求,該電流被定義為超導磁體的初始臨界電流,作為后續分析中磁體工作電流的參考值.否則,在每次迭代過程中,允許工作電流值將減少3%,直到滿足機械穩定性要求.

圖8 YBCO高溫超導帶材20 K下不同背場下的臨界電流Fig.8 Critical current of YBCO high temperature superconducting tape under different magnetic field at 20 K

根據遺傳算法優化得到的用線量最小的線圈參數,在有限元仿真軟件中建模進行電磁熱力耦合分析.表3為3種方案的設計參數及指標.

表3 3種結構形式磁體的設計方案Table 3 Three different structural design for the magnets of a SMES system

從體積出發,環型磁體和四螺線管磁體的磁體分布較為分散,所以體積較大,尤其是環型磁體的線圈排布使得磁體內部留有很大空隙,因此功率密度較小.

從經濟性角度出發,同等儲能需求,環形磁體的用線量最小,單螺線管磁體和四螺線管磁體的用線量分別為環形磁體的1.25和1.7倍.因此環形磁體更具經濟優勢.此外,環形磁體所需并繞根數更少,技術上難度相對較小.

基于磁場和應力的角度考慮,由圖9可以看到環形磁體的徑向最大磁場為0.22 T,是3種方案中最小的;最大平行磁場則為5.28 T.對于第二代高溫超導帶材來說,垂直磁場對其臨界電流衰減特性影響最大,因此在相同儲能量的情況下,環形磁體的用線量會更有優勢.以上3種方案從應力的角度進行考慮,則四螺線管磁體具有很大優勢,環形磁體則面臨最大的應力.

圖9 10 MJ環形磁體磁場及應力分布Fig.9 Magnetic field and stress distribution of a 10 MJ ring-shaped SMES

針對線圈繞制的工程實際進行分析,單螺管磁體每個雙餅的外半徑為740 mm,采用2根并繞的方式,單根帶材長度需要2 020 m,;四螺管磁體每個雙餅的外半徑為670 mm,采用2根并繞的方式,單根帶材的長度需要1 582 m,環型磁體每個雙餅的外半徑為547.5 mm,采用2根并繞的方式,單根帶材的長度需要1 481 m.目前上海超導公司的制作工藝可以達到單根400 m無接頭,因此單螺管磁體的每個雙餅內至少有10個接頭,四螺管磁體每個雙餅至少有6個接頭,環型磁體每個雙餅至少有6個接頭.

對比來看,單螺線管磁體的線圈外徑最大,線圈內接頭最多;環形磁體的線圈外徑最小,接頭相對單螺管磁體也比較少.所以從線圈的制作來講,環型磁體線圈的制作難度最小,單螺管磁體線圈的制作難度最高,但是環型磁體結構最復雜,磁體的裝配難度最大.

綜上,最終選擇采用環形作為磁體分布方案.對于該10 MJ環形磁體,擬采用制冷機直接冷卻方式使其工作在低溫環境.整個磁體由多臺制冷機進行冷卻,兩個主導冷板放置在環形磁體的上部和下部,超導線圈的支撐結構采用高強度非金屬材料.每一個線圈兩側裝有黃銅導冷板,黃銅導冷板與上下端部導冷板相連,起到傳導冷量的作用.最終超導磁儲能系統結構如圖10所示.

圖10 超導儲能磁體系統結構示意圖Fig.10 Schematic diagram of a SEMS system

5 結論

本工作對YBCO高溫超導帶材特性進行了簡要介紹,分析了超導儲能系統對帶材的性能要求,并結合10 MJ超導儲能磁體進行了具體案例分析.由于二代高溫超導材料具有優越的電磁、機械特性以及低廉的生產原料,加之隨著帶材制備工藝的發展,其實用化價值已初步體現.目前制約超導儲能系統發展的主要因素是二代高溫超導帶材價格較為昂貴,系統研制成本高,但隨著對材料本身和制備工藝更深入的研究,YBCO高溫超導帶材在超導儲能方面將具有廣泛的應用前景.