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

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。

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。

谢谢大家！