35kJ高温超导磁储能(SMES)的热输运实验研究

    1 引 言

    超导磁储能是高温超导技术在电力系统应用中的一个重要方面,超导技术的发展离不开低温技术的支持,低温技术的发展直接关系到超导设备的运行效率和安全可靠 性。随着GM制冷机研究取得进展,高温超导材料的加工工艺不断改善, GM制冷机直接冷却高温超导磁体成为高温超导体在电力系统应用中的一个重要发展方向。与传统的单一低温液体的冷却模式相比,它是一种以导热为主的新的冷却 模式,有以下优点[1]:低温系统结构简化,操作方便,长时间运行不需要补液,经济性、安全性好,还可以根据电力系统的需求,灵活的选择安装地点。

    华中科技大学、西北有色金属研究院、浙江大学、中国科学院等离子所等在国家/8630计划的支持下,成功的研制了国内首台直接冷却35 kJ高温超导磁储能系统(SMES)。该系统能高效储能,快速响应电力系统功率变化,不但可以提高电力系统的稳定性,还可以改善电力系统的供电品质,能作 为不间断电源。该项研究的成功,标志着中国在高温超导电力应用技术上取得了新突破。

    2 实验装置

    高温超导磁储能(SMES)低温系统主要由高温超导磁体圈,电流引线, 2台GM制冷机,真空系统和低温杜瓦装置等组成。高温超导磁储能低温系统由华中科技大学设计研发,杜瓦装置尺寸为5800 mm@1900 mm,由四川空分集团制造。直接冷却磁体导致冷结构由华中科技大学设计,中国科学院等离子所研制。SMES低温装置的结构示意图由图1所示。

    2. 1 磁体

    磁体由国产高温超导线材Bi2223绕制而成,每根线材在绕制之前都进行短样测试,剔除不合格样品。最终绕制成的磁体是双饼磁体,由32块饼串联叠加而 成,每块磁饼的外径为272 mm,内径为150mm。磁体在用环氧树脂固化前在液氮中77 K的温度环境下进行实验, 22 A的电流达到了0. 68 T的磁场。

    2. 2 电流引线

    低温装置的电流引线采用由铜引线和高温超导电流引线组合而成二元电流引线结构,西北有色金属院提供的高温超导电流引线由Bi2223材料制成,该材料具有 临界电流密度高、热稳定性好,柔软等特性。当高温超导电流引线工作在临界温度Tc以下时,与常规的铜引线相比,可以消去焦耳热。Bi2223作为陶瓷材料 热导率很低,从而极大的减少从高温区向低温区的热传导漏热。与传统的气冷电流引线相比,完全靠沿引线长度方向的热传导来散热。

    2. 3 GM制冷机

    低温冷却系统有两台GM制冷机提供,一台二级的GM制冷机一级冷头温度为77 K,冷却辐射屏和铜电流引线,二级冷头温度为20 K,冷却高温超导引线。另一台单级GM制冷机冷头温度为20 K,用来冷却高温超导磁体。