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中科院电工所张京业:短期内低温超导储能占优势 未来逐渐以高温超导储能为主

北极星储能网  来源:北极星储能网    2019/8/8 15:42:06  我要投稿  

北极星储能网讯:低温超导线的性能好,并且价格便宜,200多安培的导线只要2-3元,且导线的技术、工艺稳定,机械性能友好,所以短期内低温超导储能还是占优势的。高温超导储能是今后的主要发展方向,逐渐地以高温超导储能为主。

——中国科学院电工研究所副研究员张京业

8月7日-8日由华北电力大学、中国可再生能源学会主办的“第一届中国储能学术论坛暨风光储创新技术大会”在北京召开,北极星储能网对论坛进行全程直播。

在8日“电磁储能”分论坛上,中国科学院电工研究所副研究员张京业作《超导储能系统及发展现状》的主题报告。

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以下为发言实录:

中国科学院电工研究所副研究员张京业:各位专家大家下午好!可再生能源发展迅猛,潜力巨大,对储能技术需求迫切。各种储能技术各有千秋,我与大家汇报另外一种储能方式——超导储能。报告分四部分介绍,首先简单介绍超导电性和超导储能原理,然后超导储能研发现状及趋势,最后是中科院电工所近些年在超导储能方面的研发工作。

首先汇报第一部分。

超导最大的特点就是零电阻。零电阻特性:超导体冷到一定的温度下电阻突然消失。人类发现的第一个超导体是汞,临界温度为4.15K,利用零电阻这个特性可以进行大电流无损输电。完全抗磁性,也叫迈斯纳效应,就是超导体进入超导态后,磁场无法渗透到超导体的内部,利用这个特性可以做超导磁悬浮等应用。此外,超导有三个临界参数:临界温度——只有低于一定的温度以后,超导才具有超导特性,这个转变温度就叫临界温度;再一个临界参数是临界电流密度:超导了以后电流密度是不是可以无限大呢?也不是的,当电流密度达到一定值后也会失去超导电性,这个电流密度就是临界电流密度;临界磁场,磁场高到一定的程度也会失超,这个磁场就是临界磁场。临界电流密度、临界温度和临界磁场这三个临界参量组成一个三维曲面,只有在这曲面以内才是具有超导特性。超导应用都是基于这个曲面做相关的研究,根据不同应用,怎样提高电流密度,产生最高的磁场,让它怎样产生最高的效益。

超导是1911年发现的,至今已经有108年的时间。在历史长河有几个重要的时刻,包括1911年发现超导体,经过了半个世纪后,直到1961年NbTi合金超导体出现,超导体才走向广泛的应用与研究。1986年发现高温超导材料。在超导电性方面,至今全世界有10个人5次获得诺贝尔奖。

到目前为止用的实用化超导材料中,应用最普遍的目前还是NbTi线,因为它像铜线一样,性能非常好,技术也是非常成熟的。医院里应用的核磁共振,主材基本都是NbTi线。

下面汇报第二部分:超导储能原理及主要应用。

利用超导线做出一个线圈,利用电力电阻的装置把线圈与电网进行互联。电能过多的时候迅速地存储到超导线圈里,电网需要补充电能时线圈内的电能迅速反馈给电网。超导储能与其它的储能方式相比,它的响应速度快,功率密度高。它应用主要就是提高电能质量,用于电能质量的治理方面。与传统的电能质量治理技术相比,超导储能具有很多优势,如表所示。

第三部分,超导储能研发现状及趋势。

利用超导线圈产生强磁场,这是人类由来已久的梦想。超导体刚发现的时候,人们就梦想利用超导线做出一个线圈,超导态电流很大,产生的磁场可以很高,于是在超导体发现的第二年,也就是1912年产生了世界上第一个超导线圈。当时通电发现不是那么回事,电流根本通不上去,因为当时还不知道超导体还有一个临界磁场这个限定参数。直到60年代以后,可实用的NbTi线商业化生产,超导的各种应用,包括超导储能才相继被提出来。下面是世界各国典型的超导储能研发实例,欧洲多个国家,德意法,以及亚洲的中日韩都在超导储能方面做了长时间、大量的研发工作,在低温超导储能方面,美国做的是最领先的,它的储能量可以做到100个MJ以上。美国的一个公司——美国超导小型化的储能系统已经商业化,它的用户包括美国的军方、半导体厂和芯片制造厂,14台应用在电网当中。应用在电网里,主要就是提高电能质量,提高电压的稳定性,抑制低频振荡。中国在超导储能方面也做了大量工作,主要是中科院电工所、清华大学和华中科技大学,都做一些很漂亮的工作,尤其是在高温超导储能方面,中国是领先的。清华大学2005年做了300kJ低温超导储能。华中科技大学在2005年和2015年分别研制了35kJ和150kJ的高温超导储能系统。

从世界范围来看,超导储能主要还是以低温超导储能为主,高温超导储能是其主要的发展方向。因为低温储能的应用离不开液氦,液氦是稀有资源,比热小,对热敏感,制冷成本高;且它还有一个特点就是绝缘性能非常差。超导储能磁体频繁充放电的时候产生高电压,这个问也是一个技术难题。低温超导线的性能好,并且价格便宜,200多安培的导线只要2-3元,且导线的技术、工艺稳定,机械性能友好,所以短期内低温超导储能还是占优势的。高温超导储能是今后的主要发展方向,逐渐地以高温超导储能为主。高温超导比较有潜力的发展方向,尤其是螺绕环型高温超导储能磁体,大幅度降低涡流损耗和杂散磁场。目前高温超导线的价格居高不下,性能——尤其是机械性能还有待于进一步提高。给高温超导储能的发展带来很多限制。

下面汇报最后一部分,电工所在超导储能方面所做的工作。2004年前后采用了最成熟的NbTi线,研制了一套低温超导储能系统,储能量100kJ/25kVA。低温超导磁体用液氦浸泡冷却,温度零下269度,2004年完成整个系统的联合调试,这是样机系统照片。

2005年前后采用了第一代的高温超导带——一种陶瓷氧化物材料BSCCO。由于这个材料非常脆弱,大型的超导磁体工艺和制作技术都非常苛刻。由于超导的特性就是温度越低,它的性能越好,有带材昂贵,为了降低造价,磁体运行温度选在了4.2K,液氦浸泡。2006年5月完成磁体的研制,磁体当时是世界上最大的高温超导储能磁体。年底完成了磁体与低温系统集成与性能测试。2007-2008年进行了整个系统的集成与调试。这是2011年在超导变电站的并网运行的情况,超导变电站外貌、室内安装现场,采用四台GM制冷机实现液氦的零挥发运行。这是储能系统的拓扑结构图和储能系统在变电站的接线配置图,储能系统并接在10kV的母线上。运行过程中的测试结果,这是有源滤波测试的结果、这是有功平滑的,这个是谐波治理的。高温1MJ/0.5MVA世界最大并网运行的高温超导储能系统,实现了无功补偿、有源滤波和有功平滑等功能。额定电压10.5千伏,系统储能量1MJ,输出功率0.5MVA。如果不计算制冷的功耗,它的转化效率应该是100%,但制冷系统要耗一部分的能源,所以转换效率低了很多。电压波动小于1%,波形畸变率小于1%。

超导储能与超导故障限流两种功能结合起来,集成到一个装置上,实现一个装置,两种功能,这就是刚研发不久的1MJ/0.5MVA高温超导储能-限流系统。整个系统设计、安装在集装箱内。储能-限流超导磁体以1G高温超导带材为主,应用了少量2G带材,是1G与2G两种高温超导带材的混合高温超导磁体。这个系统刚开始设计的时候,磁体用液氢浸泡冷却,这个温度制冷成本低,且高温超导的性能也得到很好的发挥,是比较理想的。但出于安全考虑,最终没敢用。找了一种替代的制冷剂—液氖,沸点27K。整个系统是电工所与西电合作研发的。在系统完成各个部件测试以后进行了系统的集成,西电质检部门进行现场的性能测试和检验,风电厂测试合格后,在甘肃玉门的低窝铺风电厂进行了并网测试。整个系统的研发历程:2016年6月完成HTS储能限流磁体研制;2016.12完成磁体与低温系统的集成测试完成现场系统集成与联合调试;2017.01实现系统并网测试。示范地方在甘肃玉门市低窝铺风电厂。这是有故障限流的测试结果,这是功平滑的测试结果,这是无功补偿的测试结果,这是选取了超导储能磁体四天运行结果,可见超导磁体在连续运行中电流在200A-400A之间频繁工作,也就是储能量在0.27MJ到1MJ之间频繁充放电。该系统实现了故障限流、无功补偿、有源滤波和有功平滑等功能。主要的技术参数:功率0.5MVA,储能量1MJ,运行电压10KV,响应时间0.8毫秒,效率大于90%。

简要总结一下:我国可再生能源发展迅猛、潜力巨大,由于其间歇性和不稳定性,对储能技术有迫切需求。任何储能技术都有其优点,也存在一定的不足。超导储能技术与抽水蓄能等技术相比,只算微型储能,但有独有的亮点:响应速度快、功率高,超导线圈几乎没有损耗。超导储能与大型储能技术相结合,进行优势互补,比如与抽水蓄能或压缩空气储能结合,可实现削峰填谷、电能质量治理等综合功能,为可再生能源提供综合型解决方案。

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