高溫超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

李萬(wàn)杰， 張國(guó)民， 艾立旺， 劉國(guó)樂(lè)， 余志強(qiáng)， 邱清泉

(1. 中國(guó)科學(xué)院電工研究所， 北京 100190； 2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049； 3. 中國(guó)科學(xué)院應(yīng)用超導(dǎo)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100190； 4. 西安西電電氣研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710075； 5. 石家莊鐵道大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院， 河北 石家莊 050043)

高溫超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

李萬(wàn)杰1,2,3,4， 張國(guó)民1,3， 艾立旺1,2,3， 劉國(guó)樂(lè)1,2,3， 余志強(qiáng)5， 邱清泉1,3

(1. 中國(guó)科學(xué)院電工研究所， 北京 100190； 2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049； 3. 中國(guó)科學(xué)院應(yīng)用超導(dǎo)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100190； 4. 西安西電電氣研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710075； 5. 石家莊鐵道大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院， 河北 石家莊 050043)

高溫超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)具有功率密度高、控制簡(jiǎn)單、效率高、壽命長(zhǎng)、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn), 未來(lái)在可再生能源發(fā)電、地鐵制動(dòng)能量回收、大功率脈沖電源、電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定等方面具有廣闊應(yīng)用前景。本文介紹了高溫超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)、國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀、亟需解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題及未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

高溫超導(dǎo)； 磁懸浮軸承； 飛輪儲(chǔ)能； 自穩(wěn)定

1 引言

隨著化石能源的短缺、環(huán)境污染以及氣候變化等問(wèn)題的日益突出，世界各國(guó)對(duì)可再生能源的發(fā)展和高效利用給予了高度重視。隨著風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源的大規(guī)模發(fā)展和并網(wǎng)，其間歇性和隨機(jī)性對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成了嚴(yán)重不利影響。因此先進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)成為以新能源變革為核心的智能大電網(wǎng)的重要環(huán)節(jié)[1]。儲(chǔ)能可分為機(jī)械、電化學(xué)、電磁、熱力四種方式。技術(shù)較為成熟、應(yīng)用較多的是抽水蓄能和電池儲(chǔ)能，壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能和熔鹽儲(chǔ)能在國(guó)外也已有商業(yè)化應(yīng)用。目前，儲(chǔ)能技術(shù)在向多種儲(chǔ)能方式集成(復(fù)合儲(chǔ)能或集成儲(chǔ)能)的方向發(fā)展。表1為常見儲(chǔ)能方式的比較[2-4]。

相比其他儲(chǔ)能方式，飛輪儲(chǔ)能具有功率密度高、能量轉(zhuǎn)換效率高、使用壽命長(zhǎng)、充電時(shí)間短、維護(hù)周期長(zhǎng)、對(duì)環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)。目前全球至少有3000套基于飛輪儲(chǔ)能的大功率綠色電源在安全運(yùn)行[5]。飛輪儲(chǔ)能技術(shù)根據(jù)支撐軸承的方式分為機(jī)械軸承飛輪儲(chǔ)能和磁懸浮軸承飛輪儲(chǔ)能兩種方式。機(jī)械軸承存在機(jī)械摩擦，其儲(chǔ)能效率偏低，軸承壽命短，維護(hù)頻率偏高。電磁懸浮軸承需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)飛輪轉(zhuǎn)子的位置并調(diào)節(jié)磁場(chǎng)大小，具有控制系統(tǒng)復(fù)雜、可靠性低、成本高等缺點(diǎn)。而超導(dǎo)軸承具有能夠?qū)崿F(xiàn)自穩(wěn)定懸浮、無(wú)需控制、能耗小、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，使得高溫超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)成為飛輪儲(chǔ)能技術(shù)一個(gè)新的重要研究方向，受到國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注[6]。

2 高溫超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的原理和結(jié)構(gòu)

2.1基本工作原理

高溫超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)是利用超導(dǎo)磁懸浮軸承的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)。儲(chǔ)能階段，利用高速電動(dòng)/發(fā)電機(jī)將飛輪轉(zhuǎn)子加速至額定轉(zhuǎn)速，將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能儲(chǔ)存；能量釋放階段，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換為發(fā)電機(jī)工作模式，機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，并通過(guò)電力電子變換裝置得到相應(yīng)的頻率和電壓等級(jí)以實(shí)現(xiàn)電能供給。

飛輪儲(chǔ)能的能量E可表示為：

(1)

式中，J為飛輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ω為飛輪轉(zhuǎn)子角速度。

由式(1)可知，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)存的能量與飛輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的平方和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量成正比。轉(zhuǎn)速越高，儲(chǔ)存的能量越大。

表1 常見儲(chǔ)能方式的比較Tab.1 Comparison of common energy storage patterns

2.2主要結(jié)構(gòu)

高溫超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。高溫超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)主要由飛輪、高溫超導(dǎo)磁懸浮軸承、電動(dòng)/發(fā)電機(jī)、電力電子裝置、真空腔及低溫裝置等主要部件組成。

圖1 高溫超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of HTS FESS

2.2.1 飛輪

飛輪是儲(chǔ)能的載體，在轉(zhuǎn)速很高時(shí)需要承受很大的離心力。飛輪結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則是滿足旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度的同時(shí)，盡可能提高飛輪的儲(chǔ)能密度。對(duì)于結(jié)構(gòu)和形狀確定的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，考慮離心力引起結(jié)構(gòu)破壞對(duì)飛輪轉(zhuǎn)速的限制，飛輪儲(chǔ)能密度DoE如下：

(2)

式中，K為形狀系數(shù)；σ為材料許用強(qiáng)度；ρ為材料密度。為提高儲(chǔ)能密度，在設(shè)計(jì)飛輪時(shí)應(yīng)選取強(qiáng)度高、密度低即比強(qiáng)度高的材料，并盡可能提高飛輪的形狀系數(shù)[7]。飛輪轉(zhuǎn)子的材料目前主要有金屬和復(fù)合材料兩大類，由于復(fù)合材料比強(qiáng)度高，可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，是目前國(guó)內(nèi)外制作飛輪的首選材料。飛輪形狀主要有單層和多層圓柱狀、環(huán)狀、紡錘狀、傘狀、實(shí)心圓盤等[8]。

2.2.2 超導(dǎo)磁懸浮軸承系統(tǒng)

超導(dǎo)磁懸浮軸承(SMB)是超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的核心部件，其作用是支撐飛輪轉(zhuǎn)子實(shí)現(xiàn)自穩(wěn)定懸浮，從而保證其無(wú)摩擦高速旋轉(zhuǎn)。超導(dǎo)磁懸浮軸承通常由超導(dǎo)定子和永磁轉(zhuǎn)子構(gòu)成，一般設(shè)計(jì)為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)。超導(dǎo)定子主要由超導(dǎo)塊材、低溫杜瓦等構(gòu)成，永磁轉(zhuǎn)子主要由永磁材料、聚磁軟鐵等構(gòu)成。超導(dǎo)磁懸浮軸承按照超導(dǎo)定子和永磁轉(zhuǎn)子的位置關(guān)系分為軸向型和徑向型。軸向型超導(dǎo)軸承超導(dǎo)定子和永磁轉(zhuǎn)子在軸向位置相對(duì)布置，結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單。徑向型超導(dǎo)軸承的定轉(zhuǎn)子采用以主軸為中心軸的環(huán)繞布置方式，永磁轉(zhuǎn)子采用層疊方式，層間采用軟鐵聚磁增強(qiáng)磁場(chǎng)，超導(dǎo)定子也采用多層布置方式，每層由多個(gè)超導(dǎo)塊拼接成圓環(huán)，由高導(dǎo)冷材料封裝，以起到傳導(dǎo)冷卻和保護(hù)的作用。典型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 典型徑向型SMB結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Typical structure of radial SMB

為了提高飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)軸承的載荷能力和剛度，必要時(shí)需要附加永磁軸承或電磁軸承。為了在飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)啟動(dòng)和停止運(yùn)行時(shí)對(duì)飛輪主軸進(jìn)行支撐并在運(yùn)行過(guò)程中進(jìn)行限位保護(hù)，需要在飛輪主軸的上下端部附加機(jī)械軸承。

2.2.3 電動(dòng)/發(fā)電機(jī)

電動(dòng)/發(fā)電機(jī)是高溫超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換的部件。充電時(shí)運(yùn)行于電動(dòng)機(jī)模式，放電時(shí)運(yùn)行于發(fā)電機(jī)模式，一臺(tái)電機(jī)兼容兩種運(yùn)行模式，減小了飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的體積和重量。飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)電機(jī)的要求是高速性能好，效率高，空載損耗極低，體積小，易維護(hù)，并且能夠在較大的轉(zhuǎn)速范圍運(yùn)行。目前應(yīng)用于飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的電機(jī)主要有永磁同步電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)、異步電機(jī)、永磁無(wú)刷直流電機(jī)，近年來(lái)還有基于混合轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的磁懸浮電機(jī)、盤式電機(jī)被應(yīng)用[9]。永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)速范圍寬，效率高，轉(zhuǎn)子損耗低，在儲(chǔ)能系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛。

2.2.4 電力電子裝置

電力電子裝置是飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵裝置。儲(chǔ)能階段對(duì)電網(wǎng)交流電進(jìn)行變頻、整流等變換，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)/發(fā)電機(jī)加速飛輪實(shí)現(xiàn)電能向機(jī)械能轉(zhuǎn)換；電機(jī)加速至額定轉(zhuǎn)速后，電力電子裝置輸出低壓保持電機(jī)空載損耗為最低水平；釋能階段將電機(jī)發(fā)出的電能變換為與電網(wǎng)頻率、相位、幅值一致的交流電供給負(fù)荷。電力電子裝置需滿足可靠性好，轉(zhuǎn)換效率高，控制簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)。

此外，高溫超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)還包括真空腔、低溫制冷裝置、監(jiān)控裝置等。真空腔為飛輪高速運(yùn)轉(zhuǎn)提供低風(fēng)阻環(huán)境，同時(shí)起到安全防護(hù)作用。低溫制冷裝置為超導(dǎo)軸承穩(wěn)定工作提供低溫環(huán)境。監(jiān)控裝置用于實(shí)時(shí)了解飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，以便更好地進(jìn)行控制。綜上所述，高溫超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)涉及機(jī)械、電磁、低溫、真空等多因素，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，元部件眾多，對(duì)加工精度及安裝要求極高。

3 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

目前，常規(guī)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化應(yīng)用，美國(guó)的Active Power公司、VYCON公司及國(guó)內(nèi)的北京奇峰聚能科技公司、盾石磁能科技公司、北京泓慧能源科技公司等在全球都已有業(yè)績(jī)，受到了客戶的較高評(píng)價(jià)。高溫超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)方面，美國(guó)、德國(guó)、日本、韓國(guó)等多個(gè)國(guó)家已經(jīng)投入大量資金和人力開展樣機(jī)的研制工作，并取得顯著成績(jī)。代表性的有美國(guó)波音公司、德國(guó)ATZ公司、日本國(guó)際超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究中心、韓國(guó)電力研究院等。國(guó)內(nèi)有中國(guó)科學(xué)院電工研究所、西南交通大學(xué)、上海大學(xué)、華中科技大學(xué)等單位[10-12]。

3.1美國(guó)

波音公司于1997年開始與美國(guó)能源部電力輸送及能源可靠性辦公室合作開發(fā)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，主要應(yīng)用于不間斷電源(UPS)和離網(wǎng)混合應(yīng)用[13]。截至目前，波音公司已經(jīng)完成設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試的高溫超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)產(chǎn)品容量范圍為1～10kW·h，輸出功率為3～100kW[14-17]。其典型的高溫超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)額定容量為5kW·h/100kW，額定轉(zhuǎn)速15000r/min，滿充電情況下，該系統(tǒng)可在4ms內(nèi)快速做出響應(yīng)，為數(shù)據(jù)中心等關(guān)鍵負(fù)荷提供不間斷保護(hù)[18,19]。圖3為5kW·h/100kW高溫超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖3 波音公司5kW·h/100kW高溫超導(dǎo)飛輪系統(tǒng)Fig.3 Boeing company 5kW·h/100kW HTS FESS

該系統(tǒng)采用額定功率100kW的永磁無(wú)刷水冷電動(dòng)/發(fā)電機(jī)。飛輪轉(zhuǎn)子重量約為164kg，輪體為碳纖維復(fù)合材料，中心轂為固體金屬，采用該結(jié)構(gòu)可以保證在額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)飛輪不會(huì)產(chǎn)生臨界共振，經(jīng)測(cè)試其最高轉(zhuǎn)速可達(dá)25000r/min。儲(chǔ)能時(shí)，480V三相交流電經(jīng)過(guò)變流器轉(zhuǎn)換為600V直流電供給電機(jī)；發(fā)電時(shí)，電機(jī)輸出直流電經(jīng)變流器變換為三相480V交流電供給負(fù)荷。

磁軸承系統(tǒng)采用復(fù)合結(jié)構(gòu)，主軸上端為永磁軸承，下端為超導(dǎo)軸向軸承。超導(dǎo)軸向軸承包含上永磁轉(zhuǎn)子和下超導(dǎo)定子。永磁轉(zhuǎn)子每個(gè)永磁環(huán)由數(shù)個(gè)弧段組成，以減小離心力造成永磁環(huán)破損的概率。超導(dǎo)定子由六邊形YBCO塊材拼接組成，采用液氮浸泡冷卻方式。采用軸向軸承的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，超導(dǎo)定子和永磁轉(zhuǎn)子之間的間隙較大，缺點(diǎn)在于需要通過(guò)增大超導(dǎo)定子和永磁轉(zhuǎn)子的半徑實(shí)現(xiàn)增大超導(dǎo)軸承的載荷能力，而半徑較大時(shí)永磁轉(zhuǎn)子的機(jī)械強(qiáng)度不能承受高轉(zhuǎn)速下的離心力，后來(lái)逐漸被徑向軸承所取代。

2009年波音公司研制了3kW·h/50kW的儲(chǔ)能樣機(jī)，開展超導(dǎo)軸承冷卻系統(tǒng)功耗的研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用溫差環(huán)流冷卻系統(tǒng)后每小時(shí)功耗為儲(chǔ)能量的0.1%。后來(lái)波音公司又開展了超導(dǎo)徑向軸承、低功耗軸承、高速軸承的研究，并進(jìn)行了高溫超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)轉(zhuǎn)子徑擺軌跡實(shí)驗(yàn)、次同步共振實(shí)驗(yàn)、飛輪轉(zhuǎn)子自由衰減實(shí)驗(yàn)、系統(tǒng)功耗實(shí)驗(yàn)等一系列實(shí)驗(yàn)，獲得了豐富的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。波音公司研發(fā)的高溫超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)具有動(dòng)態(tài)穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)際上處于領(lǐng)先地位[20]。

佛羅里達(dá)州的美國(guó)強(qiáng)磁場(chǎng)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和劍橋大學(xué)聯(lián)合建立的課題組提出將46mm寬二代高溫超導(dǎo)帶材采用水下電火花腐蝕切割技術(shù)切割成圓形(如圖4所示)，將多層超導(dǎo)帶疊加構(gòu)成圓柱體作為外超導(dǎo)定子(如圖5所示)，采用圓柱永磁體作為內(nèi)轉(zhuǎn)子組成超導(dǎo)軸承的方案，并基于COMSOL軟件建立仿真模型，計(jì)算了不同溫度下的懸浮力，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明，20K溫度下由294層超導(dǎo)帶層疊而成的外徑45.5mm超導(dǎo)軸承可以產(chǎn)生549N懸浮力。同時(shí)他們研究了超導(dǎo)帶材鐵磁基底材料對(duì)懸浮力的影響，結(jié)果表明鐵磁基底材料能夠顯著增強(qiáng)超導(dǎo)軸承的懸浮力，在進(jìn)行軸承設(shè)計(jì)時(shí)必須加以考慮。他們還指出采用超導(dǎo)帶材層疊構(gòu)成超導(dǎo)定子的優(yōu)勢(shì)在于商業(yè)化超導(dǎo)帶材具有較好的均勻性及超導(dǎo)特性的可預(yù)測(cè)性，并且基于現(xiàn)有的仿真軟件能夠更加有效地進(jìn)行軸承的設(shè)計(jì)[21]。

圖4 水下采用電火花腐蝕切割技術(shù)加工超導(dǎo)帶Fig.4 Spark erosion machining under water to cut superconducting tapes

圖5 46mm寬超導(dǎo)帶疊加構(gòu)成超導(dǎo)定子Fig.5 Superconducting stator composed of stack of 46mm wide superconducting tapes

3.2德國(guó)

德國(guó)ATZ公司是一家從事高溫超導(dǎo)材料及其相關(guān)產(chǎn)品研發(fā)和生產(chǎn)的高科技公司。2003年，ATZ公司研制了一種能夠承受重負(fù)荷的HTS徑向型軸承，用于電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能等裝置[22-24]。該軸承采用外超導(dǎo)定子內(nèi)永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，定子為6層環(huán)狀結(jié)構(gòu)，液氮傳導(dǎo)冷卻，在溫度68K位移1.2mm時(shí)軸承最大徑向回復(fù)力為3.7kN，徑向剛度達(dá)到3kN/mm。優(yōu)化后徑向回復(fù)力可達(dá)到5kN。

2007年德國(guó)ATZ公司與Magnet-Motor公司合作研制了5kW·h/280kW高溫超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，如圖6所示[25,26]。該樣機(jī)關(guān)鍵部件如圖7所示。系統(tǒng)在整體結(jié)構(gòu)上沿用之前的超導(dǎo)徑向型軸承設(shè)計(jì)，徑向剛度為1.8kN/mm(72K)、1.4kN/mm(79K)，軸向剛度為4.5kN/mm(72K)、3kN/mm(78.5K)，飛輪在自由旋轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)速衰減率為14.5(r/min)/min。系統(tǒng)采用超低溫傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)，承載力為1t時(shí)超導(dǎo)軸承的熱損耗低于2W。

圖6 5kW·h/280kW超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)Fig.6 5kW·h/280kW HTS FESS

圖7 5kW·h/250kW樣機(jī)關(guān)鍵部件Fig.7 Main components of 5kW·h/250kW HTS FESS prototype

隨后ATZ公司又研制了一臺(tái)5kW·h/250kW樣機(jī)，用于不間斷電源和電能質(zhì)量調(diào)節(jié)研究[27]。該系統(tǒng)電機(jī)為無(wú)鐵心高功率永磁電機(jī)，飛輪本體為石墨纖維，采用超導(dǎo)永磁混合軸承系統(tǒng)。軸承軸向和徑向載荷能力分別為1t和0.47t。此外，ATZ公司還為韓國(guó)開發(fā)了一套15kW·h/400kW 工業(yè)用UPS超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)。

總之，ATZ公司的高溫超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)主要采用超導(dǎo)徑向型軸承，它的優(yōu)勢(shì)在于場(chǎng)冷條件下懸浮力和回復(fù)力相比軸向軸承能夠同時(shí)得到提升，旋轉(zhuǎn)損耗也較軸向軸承小，缺點(diǎn)是超導(dǎo)定子與永磁轉(zhuǎn)子之間的氣隙較小，為了有效地抑制飛輪轉(zhuǎn)子徑向擺動(dòng)并保護(hù)超導(dǎo)軸承，需要附加電磁軸承或永磁軸承以提高徑向剛度。此外，ATZ公司還設(shè)計(jì)了超導(dǎo)軸承超低溫傳熱結(jié)構(gòu)，大大提高了傳導(dǎo)冷卻效率，降低了運(yùn)行成本。

3.3日本

日本國(guó)際超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究中心(International Superconductivity Technology Center，ISTEC)受新能源產(chǎn)業(yè)開發(fā)機(jī)構(gòu)(New Energy and Industrial Technology Development Organization，NEDO)資助，開展高溫超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)研究[28]。該項(xiàng)目分為兩個(gè)階段：第一階段為1995～1999年，主要工作是對(duì)超導(dǎo)軸向和徑向軸承進(jìn)行性能比較，確定適用于大容量超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的超導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)；第二階段為2000～2004年，主要是開展100kW·h量級(jí)超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)用徑向型超導(dǎo)磁軸承的基礎(chǔ)技術(shù)研究，并研制10kW·h高溫超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)樣機(jī)。

2004年ISTEC開發(fā)了10kW·h/400kW超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)(如圖8所示)，用于超導(dǎo)軸承及整個(gè)超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行工況下的特性評(píng)估[29,30]。超導(dǎo)軸承為徑向型內(nèi)定子外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，配置上下2個(gè)電磁軸承以實(shí)現(xiàn)飛輪轉(zhuǎn)子運(yùn)行于高速狀態(tài)，電機(jī)功率為400kW，飛輪重量為425kg，額定轉(zhuǎn)速為15860r/min。超導(dǎo)軸承的最大懸浮力密度為9.0N/cm2(77K),最大徑向擺動(dòng)為300μm，轉(zhuǎn)速為7500r/min時(shí)儲(chǔ)能為2.24kW·h。并采用過(guò)冷法和預(yù)載法有效抑制了飛輪轉(zhuǎn)子在運(yùn)行過(guò)程中由于懸浮力弛豫而逐步下降的現(xiàn)象。

圖8 10kW·h超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能測(cè)試系統(tǒng)Fig.8 Test system of 10kW·h HTS FESS

在完成10kW·h飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)各項(xiàng)特性測(cè)試后，ISTEC又研制了100kW·h超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)用超導(dǎo)磁軸承[31]。經(jīng)測(cè)試懸浮力密度可達(dá)11N/cm2(77K)、17N/cm2(67K)。為減小超導(dǎo)軸承的旋轉(zhuǎn)損耗，采用將超導(dǎo)定子沿徑向分為厚度不同的兩層，將永磁環(huán)設(shè)計(jì)為多層結(jié)構(gòu)，并在層間添加絕緣層等優(yōu)化設(shè)計(jì)(見圖9)，轉(zhuǎn)速為6000r/min時(shí)旋轉(zhuǎn)損耗為0.55mW/N，優(yōu)于2mW/N的預(yù)期目標(biāo)，降損效果顯著。

圖9 超導(dǎo)軸承旋轉(zhuǎn)損耗減小設(shè)計(jì)方案Fig.9 Rotational loss reduction schemes of SMB

2006年ISTEC聯(lián)合日本鐵路中心與東京大學(xué)共同研制一臺(tái)50kW·h/1MW飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，其原理圖如圖10所示[32]。最高轉(zhuǎn)速為2000r/min，飛輪直徑為2m,重量為25t。系統(tǒng)采用超導(dǎo)軸承和電磁軸承的混合軸承結(jié)構(gòu)。超導(dǎo)軸承采用超導(dǎo)線圈和固定鋼心組成定子，可移動(dòng)鋼心作為轉(zhuǎn)子。其工作原理為在固定鋼心內(nèi)放置超導(dǎo)線圈，固定鋼心和可移動(dòng)鋼心組成閉合主磁路，超導(dǎo)線圈通電產(chǎn)生磁場(chǎng)，可移動(dòng)鋼心在軸向具有位移時(shí)在固定鋼心與可移動(dòng)鋼心轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生很大的軸向懸浮力。同時(shí)研制了超導(dǎo)軸承懸浮力測(cè)試裝置，如圖11所示。經(jīng)測(cè)試，在6mm位移時(shí)能夠產(chǎn)生8000N的穩(wěn)定懸浮力。該超導(dǎo)軸承的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，超導(dǎo)軸承的懸浮力主要作用于鋼心，超導(dǎo)線圈承受的作用力極小，增大超導(dǎo)線圈中的電流能夠產(chǎn)生很高的懸浮力，儲(chǔ)存相同能量時(shí)能夠增大飛輪質(zhì)量進(jìn)而降低轉(zhuǎn)速，降低飛輪的材料及制作工藝要求，使得整體成本降低；缺點(diǎn)在于飛輪轉(zhuǎn)子產(chǎn)生徑向偏離時(shí)會(huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定徑向力，必須借助電磁軸承加以克服。

圖10 50kW·h/1MW超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.10 Structure of 50kW·h/1MW HTS FESS

圖11 超導(dǎo)軸承測(cè)試裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)和實(shí)物圖Fig.11 Internal structure and prototype photo of SMB test system

2015年NEDO項(xiàng)目完成了100kW·h/300kW高溫超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)(如圖12所示)的研制及吊裝工作，開始測(cè)試運(yùn)行[33,34]。該系統(tǒng)飛輪轉(zhuǎn)子材料為碳纖維增強(qiáng)型塑料，重量為4t，外徑為2m，內(nèi)徑為1.4m，最高轉(zhuǎn)速為6000r/min，采用超導(dǎo)電磁混合軸承系統(tǒng)。全超導(dǎo)軸承采用外定子內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，定子由5個(gè)二代高溫超導(dǎo)雙餅線圈構(gòu)成(見圖13)，轉(zhuǎn)子由YBCO超導(dǎo)塊材構(gòu)成。通過(guò)測(cè)試，當(dāng)電流為74A時(shí)5個(gè)線圈的懸浮合力可達(dá)到40kN，懸浮力最大可達(dá)到100kN。全超導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)在于超導(dǎo)線圈能夠產(chǎn)生數(shù)特斯拉的磁場(chǎng)，極大地提高了軸承的承載力和剛度，在相同儲(chǔ)能容量下能夠提高飛輪質(zhì)量降低飛輪轉(zhuǎn)速，同時(shí)降低了其他關(guān)鍵部件的強(qiáng)度要求，使得系統(tǒng)整體成本得到有效控制；缺點(diǎn)在于超導(dǎo)帶材較為脆弱，在強(qiáng)磁場(chǎng)下匝間受到較大的應(yīng)力，且每個(gè)超導(dǎo)線圈均需要設(shè)計(jì)獨(dú)立的冷卻系統(tǒng)和勵(lì)磁系統(tǒng)。

圖12 100kW·h/300kW高溫超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)Fig.12 100kW·h/300kW HTS FESS

圖13 高溫超導(dǎo)帶材雙餅線圈和懸浮力測(cè)試裝置Fig.13 Double-pancake of HTS tape and levitation force test equipment

3.4韓國(guó)

韓國(guó)電力科學(xué)研究院在超導(dǎo)磁軸承及高溫超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)方面做了較多工作。2010年研制了10kW·h高溫超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)[35,36]， 該系統(tǒng)采用上下兩個(gè)超導(dǎo)徑向磁軸承，軸向懸浮力剛度為235N/mm，徑向回復(fù)力剛度為140N/mm。通過(guò)飛輪轉(zhuǎn)子振動(dòng)與軸承剛度的關(guān)系實(shí)驗(yàn)得出，在0.2～1Hz振動(dòng)頻率范圍內(nèi)對(duì)軸承的剛度影響差別很小，飛輪轉(zhuǎn)子振動(dòng)時(shí)的軸承總剛度等于各超導(dǎo)塊剛度之和。該研究結(jié)果有助于超導(dǎo)軸承剛度的預(yù)測(cè)及軸承結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2012年，該團(tuán)隊(duì)研制了35kW·h/350kW高溫超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)(見圖14)，用于地鐵站電力系統(tǒng)穩(wěn)定[37,38]。系統(tǒng)采用350kW永磁電動(dòng)/發(fā)電機(jī)，在6000～12000r/min范圍加減速運(yùn)行，飛輪轉(zhuǎn)子質(zhì)量為1.6t，系統(tǒng)的能量密度為32(W·h)/kg。軸承系統(tǒng)包括2套高溫超導(dǎo)徑向軸承(見圖15)，1套止推式電磁軸承，1套永磁軸承，2套主動(dòng)磁阻尼器。其中永磁軸承和電磁軸承位于飛輪主軸的中上部，超導(dǎo)軸承和阻尼器位于飛輪主軸的上下兩端。永磁軸承和電磁軸承主要用于卸載飛輪的重力，超導(dǎo)軸承用于抑制額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)飛輪主軸較小的振動(dòng)，阻尼器用于抑制經(jīng)過(guò)臨界轉(zhuǎn)速時(shí)飛輪主軸的異常振動(dòng)。超導(dǎo)軸承的剛度為250kN/m,阻尼器的剛度為1.08×103kN/m。

圖14 35kW·h/350kW高溫超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)Fig.14 35kW·h/350kW HTS FESS

圖15 超導(dǎo)軸承Fig.15 SMB

隨后該團(tuán)隊(duì)又設(shè)計(jì)了一種雙蒸發(fā)溫差環(huán)流系統(tǒng)，用于100kW·h高溫飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的冷卻。該溫差環(huán)流系統(tǒng)僅需要120W制冷機(jī)及雙蒸發(fā)室，以液氮作為工作介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)上下兩個(gè)超導(dǎo)軸承同時(shí)冷卻，省去了之前冷卻系統(tǒng)所需的液氮泵或外部冷卻循環(huán)系統(tǒng)，簡(jiǎn)化了冷卻系統(tǒng)，節(jié)省了空間，使得整個(gè)系統(tǒng)更加緊湊。系統(tǒng)制冷溫度可達(dá)到65K以下，即使在熱負(fù)載變化情況下也能保持冷卻溫度恒定不變，適用于高溫超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)[39]。

韓國(guó)大學(xué)電氣工程學(xué)院和韓國(guó)慶一大學(xué)鐵路與電氣工程學(xué)院嘗試將高溫超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)用于電動(dòng)汽車無(wú)線直流充電系統(tǒng)，以解決包含電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)的直流低壓配電網(wǎng)電壓的跌落問(wèn)題。目前只針對(duì)實(shí)際系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行了仿真分析，仿真結(jié)果表明，接入超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)后每個(gè)充電站的電壓波動(dòng)范圍控制在2%以內(nèi)，并且在很大程度上減小了峰值功率，能夠產(chǎn)生很好的經(jīng)濟(jì)效益[40]。下一步將建立小規(guī)模試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。圖16為集成SFES的電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖。

3.5中國(guó)

圖16 集成SFES的電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖Fig.16 General scheme of electric vehicle charging system integrated with FESS

圖17 全超導(dǎo)軸承磁懸浮飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)Fig.17 Fully superconducting magnetic bearings HTS FESS

上海大學(xué)2014年研制了一套全超導(dǎo)磁懸浮軸承的高溫超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，如圖17所示[41]。采用2個(gè)徑向超導(dǎo)軸承和1個(gè)軸向超導(dǎo)軸承的結(jié)構(gòu)。電機(jī)為三相調(diào)頻感應(yīng)電機(jī)，功率為0.5kW。飛輪轉(zhuǎn)子重量為25kg，最高運(yùn)行轉(zhuǎn)速為15000r/min。超導(dǎo)軸承可完全實(shí)現(xiàn)飛輪轉(zhuǎn)子的自穩(wěn)定懸浮，控制簡(jiǎn)單。在共振頻率25Hz時(shí)轉(zhuǎn)子最大徑擺為±170μm，該頻率以上時(shí)最大徑擺為±50μm。懸浮力和徑向回復(fù)力的剛度未給出，系統(tǒng)的儲(chǔ)能容量和功率還有待進(jìn)一步提高。圖18為該系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。

圖18 系統(tǒng)關(guān)鍵部件Fig.18 Main components

中國(guó)科學(xué)院電工研究所于2001年研制了1套基于高溫超導(dǎo)混合軸承的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)[42]。該系統(tǒng)電機(jī)為三相異步電機(jī)，飛輪轉(zhuǎn)子質(zhì)量為3.6kg，采用永磁軸承、電磁軸承、軸向型超導(dǎo)軸承組成的混合軸承系統(tǒng)共同支撐飛輪轉(zhuǎn)子。超導(dǎo)軸承定子由7塊直徑30mm、高13mm的YBCO超導(dǎo)塊材拼成，永磁轉(zhuǎn)子由直徑為75mm的永磁環(huán)和直徑20mm的永磁圓柱體組成。徑向靜態(tài)剛度大于1MN/mm，軸向靜態(tài)剛度大于50N/mm，最高運(yùn)行轉(zhuǎn)速9600r/min。

自2009年起，在配套項(xiàng)目的支持下，該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步開展了高溫超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的研究工作。建立了高溫超導(dǎo)磁懸浮軸承懸浮力仿真模型與超導(dǎo)塊材傳導(dǎo)冷卻仿真模型[43,44]，構(gòu)建軸向懸浮力測(cè)試平臺(tái)。在此基礎(chǔ)上對(duì)測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行改進(jìn)，研制出三軸懸浮力測(cè)試平臺(tái)(見圖19)，并進(jìn)行超導(dǎo)軸承軸向懸浮力和徑向回復(fù)力的測(cè)量實(shí)驗(yàn)(見圖20)。

圖19 三軸懸浮力測(cè)量系統(tǒng)Fig.19 Three-axis levitation force measurement system

圖20 超導(dǎo)定子在3層永磁轉(zhuǎn)子下的懸浮力Fig.20 Measured levitation force with measurement system

2015年研制了30kJ/2kW高溫超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)小樣機(jī)，如圖21所示。電機(jī)采用永磁直流無(wú)刷電機(jī)，額定轉(zhuǎn)速10000r/min，飛輪轉(zhuǎn)子質(zhì)量為9.8kg，比能量為0.81(W·h)/kg。超導(dǎo)軸承采用徑向型結(jié)構(gòu)，其超導(dǎo)定子由3層超導(dǎo)環(huán)構(gòu)成，每層超導(dǎo)環(huán)由8塊28mm×26mm×13mm的瓦片狀超導(dǎo)塊拼接而成，永磁轉(zhuǎn)子由3層φ37mm×φ20mm×8mm永磁環(huán)層疊而成。對(duì)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行了充放電實(shí)驗(yàn)(見圖22)、飛輪轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)特性實(shí)驗(yàn)(見圖23)，經(jīng)測(cè)試，飛輪轉(zhuǎn)子的徑向擺動(dòng)最大幅度不超過(guò)0.2mm。

圖21 30kJ /2kW高溫超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)Fig.21 30kJ /2kW HTS FESS prototype

圖22 放電實(shí)驗(yàn)Fig.22 Discharge experiment

圖23 6000r/min時(shí)飛輪轉(zhuǎn)子徑向擺動(dòng)幅度Fig.23 Swing amplitude of rotor at 6000r/min

為進(jìn)一步提高超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的效率，該團(tuán)隊(duì)開展了基于磁驅(qū)動(dòng)的高溫超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)(見圖24)研究。將磁驅(qū)動(dòng)與超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)相結(jié)合，電機(jī)置于真空腔外，利用磁驅(qū)動(dòng)的軟聯(lián)接實(shí)現(xiàn)電機(jī)軸與飛輪主軸之間扭矩的傳輸，并設(shè)計(jì)一種磁力開斷裝置用于消除電機(jī)空載損耗提高系統(tǒng)效率。當(dāng)系統(tǒng)儲(chǔ)能時(shí)，電機(jī)通過(guò)磁驅(qū)動(dòng)傳輸扭矩加速飛輪，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，磁力開斷裝置不響應(yīng)；當(dāng)系統(tǒng)儲(chǔ)能至額定容量，處于能量保持階段時(shí)，磁力開斷裝置快速響應(yīng)阻斷磁驅(qū)動(dòng)的扭矩傳輸，電機(jī)與飛輪主軸完全分離，此時(shí)將電機(jī)關(guān)閉，飛輪由加速狀態(tài)轉(zhuǎn)換為自由旋轉(zhuǎn)狀態(tài)；系統(tǒng)放電時(shí)，飛輪通過(guò)磁驅(qū)動(dòng)輸出扭矩加速電機(jī)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，磁力開斷裝置不響應(yīng)。

圖24 磁驅(qū)動(dòng)高溫超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)Fig.24 Flywheel energy storage system based on PM eddy-current coupling

該系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于電機(jī)定子無(wú)需水冷系統(tǒng)，真空腔內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，同時(shí)消除了系統(tǒng)的電機(jī)空載損耗，使得系統(tǒng)的儲(chǔ)能比密度和效率得到有效提升，有望實(shí)現(xiàn)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)長(zhǎng)期高效儲(chǔ)能。

目前，磁驅(qū)動(dòng)裝置(見圖25)已經(jīng)制作完成，并搭建了高轉(zhuǎn)速下磁驅(qū)動(dòng)傳輸特性測(cè)試平臺(tái)。下一步將開展磁力開斷裝置的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

圖25 磁驅(qū)動(dòng)裝置Fig.25 PM eddy-current coupling

4 高溫超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)待解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題

目前，高溫超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)尚未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用，其儲(chǔ)能容量、懸浮力剛度等性能指標(biāo)與常規(guī)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)相比還有待進(jìn)一步提高，一些關(guān)鍵技術(shù)有待解決：

(1)超導(dǎo)磁懸浮軸承懸浮力及剛度。與永磁軸承、電磁軸承相比，超導(dǎo)磁懸浮軸承的懸浮力和剛度相對(duì)較小。為達(dá)到一定的載荷能力和剛度，需增加超導(dǎo)定子的半徑或?qū)訑?shù)，或采用永磁軸承、電磁軸承與超導(dǎo)軸承的混合軸承系統(tǒng)，這樣使得軸承系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且增大占用空間。為此，需提高超導(dǎo)材料的臨界電流、釘扎能力等性能，改進(jìn)超導(dǎo)軸承的結(jié)構(gòu)進(jìn)一步提高其懸浮力和剛度。如采用超導(dǎo)帶材繞制的雙餅線圈作為磁體替代永磁體，采用寬超導(dǎo)帶層疊成圓柱體作為超導(dǎo)軸承定子替代超導(dǎo)塊。日本ISTEC已經(jīng)研制出采用雙餅超導(dǎo)線圈作為定子、超導(dǎo)塊材作為轉(zhuǎn)子的全超導(dǎo)軸承，單層線圈磁場(chǎng)強(qiáng)度可達(dá)到1T以上，單層懸浮力可達(dá)到20kN，極大地提高了懸浮力和剛度。英國(guó)劍橋大學(xué)采用294層超導(dǎo)帶材層疊成超導(dǎo)定子軸承結(jié)構(gòu)，其懸浮力可達(dá)到549N。

(2)超導(dǎo)軸承的旋轉(zhuǎn)損耗。超導(dǎo)軸承的旋轉(zhuǎn)損耗主要來(lái)自兩個(gè)方面：永磁轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)分布的不均勻性或超導(dǎo)定子由于自身材料或拼接的不一致性。ATZ研究團(tuán)隊(duì)指出，當(dāng)磁場(chǎng)不均勻性由0.5%增加至2%，旋轉(zhuǎn)損耗會(huì)增加至300%[45]。目前采取的減小措施有：①使用具有高度均勻性的永磁材料；②提升超導(dǎo)材料整體的均勻性，如盡量使用整塊的超導(dǎo)材料，盡量減少材料的加工及拼接，在使用前對(duì)每塊超導(dǎo)材料進(jìn)行性能測(cè)試加以篩選等；③對(duì)超導(dǎo)軸承的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，如日本ISTEC將超導(dǎo)定子沿徑向方向分成厚度不等的雙層C型結(jié)構(gòu)，以提高超導(dǎo)定子捕獲磁通的均勻性，將永磁環(huán)分成多層并在層間添加絕緣層以減小聚磁鐵環(huán)的渦流損耗。

(3)超導(dǎo)軸承的懸浮力減小。高溫超導(dǎo)塊材由于俘獲磁通不均勻會(huì)產(chǎn)生力磁滯現(xiàn)象，由于磁通蠕動(dòng)會(huì)產(chǎn)生懸浮力弛豫現(xiàn)象。力磁滯與運(yùn)動(dòng)過(guò)程有關(guān)，而懸浮力隨時(shí)間對(duì)數(shù)弛豫。這些特性均會(huì)導(dǎo)致超導(dǎo)軸承懸浮力隨著時(shí)間減小，飛輪轉(zhuǎn)子失去平衡出現(xiàn)位置下降，將嚴(yán)重影響高溫超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，這也是制約高溫超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用的重要因素之一。磁滯現(xiàn)象與永磁體磁場(chǎng)的均勻性密切相關(guān)。而弛豫現(xiàn)象屬于超導(dǎo)材料的物理特性，早在20世紀(jì)90年代有機(jī)構(gòu)就已經(jīng)展開了研究[46]，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論：增加超導(dǎo)塊材的厚度和降低溫度可減小超導(dǎo)塊材懸浮力的弛豫現(xiàn)象。有文獻(xiàn)報(bào)道采用預(yù)載法、過(guò)冷法[47]或轉(zhuǎn)子高度修正法[48]等可抑制超導(dǎo)軸承懸浮力的弛豫。目前該技術(shù)難題仍未得到較大突破，有待于進(jìn)一步深入研究。

(4)超導(dǎo)材料的制備和加工工藝。通常超導(dǎo)軸承的懸浮力與超導(dǎo)塊材的性能密切相關(guān)，超導(dǎo)塊材的臨界電流密度越大，釘扎中心越多，釘扎能力越強(qiáng)，俘獲的磁通越多，超導(dǎo)軸承的懸浮性能越高。而采用超導(dǎo)帶材繞制線圈作為強(qiáng)磁場(chǎng)源的新型超導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)，則對(duì)超導(dǎo)帶材的熱循環(huán)應(yīng)力耐受度，超導(dǎo)帶材在強(qiáng)磁場(chǎng)下的臨界電流、匝間承受電磁應(yīng)力等提出了更高的要求。此外，由于受到目前制備工藝的限制及應(yīng)用需要，超導(dǎo)材料需經(jīng)過(guò)切割、打磨等工藝后拼接或?qū)盈B構(gòu)成超導(dǎo)定子，要求對(duì)超導(dǎo)材料的損傷最小化。因此，先進(jìn)的超導(dǎo)材料制備和加工工藝是亟需攻克的難題之一。

(5)大功率高速電機(jī)和高強(qiáng)度飛輪的研制。隨著超導(dǎo)磁懸浮、真空、低溫等技術(shù)的不斷發(fā)展，高轉(zhuǎn)速大容量是未來(lái)高溫超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。高速大功率電機(jī)和高強(qiáng)度飛輪則是實(shí)現(xiàn)這一技術(shù)目標(biāo)的關(guān)鍵因素之一。先進(jìn)的電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、電磁與機(jī)械等多參數(shù)綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)等是目前高速電機(jī)研究的熱點(diǎn)方向。采用高強(qiáng)度的復(fù)合材料和先進(jìn)的纏繞工藝增強(qiáng)飛輪的徑向強(qiáng)度，克服飛輪超高速旋轉(zhuǎn)時(shí)的徑向脫層開裂是目前需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

5 高溫超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)

隨著高溫超導(dǎo)材料的發(fā)展以及新技術(shù)的應(yīng)用，高溫超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)將呈現(xiàn)出新的技術(shù)特點(diǎn)：

(1)新型超導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)。采用超導(dǎo)帶材繞制超導(dǎo)線圈作為定子，采用超導(dǎo)塊材作為轉(zhuǎn)子，超導(dǎo)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)可達(dá)到數(shù)特斯拉級(jí)，在相同超導(dǎo)轉(zhuǎn)子情況下懸浮力和剛度將得到很大提升。有研究人員將寬超導(dǎo)帶應(yīng)用先進(jìn)工藝切割后層疊起來(lái)構(gòu)成超導(dǎo)定子，并對(duì)該結(jié)構(gòu)下的懸浮力進(jìn)行了仿真計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明，懸浮力也有較大提升。也有相關(guān)研究人員使用超導(dǎo)線圈和固定鋼心作為定子磁體，使用可移動(dòng)鋼心作為轉(zhuǎn)子，利用轉(zhuǎn)子位移時(shí)定轉(zhuǎn)子鋼心間產(chǎn)生的巨大回復(fù)力作為懸浮力，目前樣機(jī)的最大承載力可達(dá)到24t。

(2)全超導(dǎo)軸承系統(tǒng)。目前，受到超導(dǎo)軸承懸浮力和剛度的限制，通常采用超導(dǎo)軸承、永磁軸承、電磁軸承等構(gòu)成混合軸承系統(tǒng)。隨著超導(dǎo)軸承性能的提升，將來(lái)可采用全部由超導(dǎo)軸向軸承或徑向軸承構(gòu)成的全超導(dǎo)軸承系統(tǒng)，在保證懸浮性能的前提下，完全實(shí)現(xiàn)自穩(wěn)定懸浮，充分體現(xiàn)超導(dǎo)軸承無(wú)需控制的優(yōu)勢(shì)。有機(jī)構(gòu)已經(jīng)開發(fā)出全超導(dǎo)軸承系統(tǒng)的高溫超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，但目前容量和功率較小，有待進(jìn)一步的研究。

(3)改進(jìn)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。通常超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)采用將電機(jī)內(nèi)置于真空腔的一體化軸承設(shè)計(jì)，存在電機(jī)空載損耗和電機(jī)定子散熱的問(wèn)題。日本NEDO項(xiàng)目組采用磁流體密封技術(shù)將電機(jī)置于真空腔外，解決了電機(jī)定子散熱問(wèn)題，便于電機(jī)定期維護(hù)和增加電機(jī)容量，目前該系統(tǒng)正處于測(cè)試運(yùn)行中。中國(guó)科學(xué)院院電工研究所團(tuán)隊(duì)提出基于磁驅(qū)動(dòng)的高溫超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，利用磁驅(qū)動(dòng)的軟聯(lián)接作用實(shí)現(xiàn)電機(jī)外置于真空腔以及電機(jī)軸與飛輪主軸分離，有望攻克電機(jī)定子散熱和空載損耗等技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)高溫超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的長(zhǎng)期高效儲(chǔ)能。

6 結(jié)論

高溫超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能作為一種新型的儲(chǔ)能技術(shù)，由于具有功率密度高、效率高、響應(yīng)迅速、低噪音、對(duì)環(huán)境友好、維護(hù)周期長(zhǎng)、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，受到國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注。目前，高溫超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能技術(shù)已經(jīng)取得了較大進(jìn)步，但仍存在亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。隨著科技的進(jìn)步，高溫超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能技術(shù)將呈現(xiàn)出新的發(fā)展趨勢(shì)，在電力、國(guó)防、航空航天、軌道交通等領(lǐng)域?qū)⒌玫綇V泛的應(yīng)用。

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Developmentstatusofhigh-temperaturesuperconductingflywheelenergystoragesystem

LI Wan-jie1,2,3,4, ZHANG Guo-min1,3, AI Li-wang1,2,3, LIU Guo-le1,2,3, YU Zhi-qiang5, QIU Qing-quan1,3

(1. Institute of Electrical Engineering, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3. Key Laboratory of Applied Superconductivity, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China; 4. Xi’an XD Electrical Research Institute Co. Ltd., Xi’an 710075, China; 5. School of Electrical and Electronic Engineering, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043, China)

High-temperature superconducting (HTS) magnetic levitation flywheel energy storage system (FESS) utilizes the superconducting magnetic levitation bearing (SMB), which can realize the self-stable levitation of the rotor without control. With the advantages of high power density, high efficiency, longevity of service, environment-friendly and so on, the HTS FESS will have broad application prospect in renewable energy power generation, braking energy recovery in the subway, high-power pulse power supply as well as the voltage stability in power system in the future. This paper introduces its basic operating principle and main configuration, the latest progress at home and abroad, the key technical issues, and its development trend in the future.

high-temperature superconductor; magnetic levitation bearing; flywheel energy storage system; self-stable

10.12067/ATEEE1707063

1003-3076(2017)10-0019-13

TM26

2017-07-18

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51377155)、中國(guó)科學(xué)院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目(QYZDJ-SSW-JSC025)

李萬(wàn)杰(1985-)， 男， 陜西籍， 博士研究生， 研究方向?yàn)槌瑢?dǎo)電力應(yīng)用；張國(guó)民(1964-)， 男， 河南籍， 研究員， 博士， 研究方向?yàn)楦邷爻瑢?dǎo)的物理特性與應(yīng)用技術(shù)研究、 新材料的電工應(yīng)用探索(通訊作者)。