一种基于多层螺旋型超导集束缆线的高温超导储能磁体制造技术

本发明专利技术公开了一种基于多层螺旋型超导集束缆线的高温超导储能磁体，包括中心螺线管骨架和储能线圈，中心螺线管骨架为中空的筒状结构，在筒状结构的外侧面上刻有螺旋形的轨道，储能线圈由多层螺旋型集束缆线绕制而成，多层螺旋型集束缆线设置于轨道内；多层螺旋型集束缆线包括中心铜管和超导带材，超导带材以给定的入射角、节距和张力缠绕在中心铜管上。本发明专利技术能够实现大幅提升储能磁体的载流能力。明能够实现大幅提升储能磁体的载流能力。明能够实现大幅提升储能磁体的载流能力。

【技术实现步骤摘要】
一种基于多层螺旋型超导集束缆线的高温超导储能磁体


[0001]本专利技术涉及一种用于超导储能领域的基于多层螺旋型超导集束缆线的高温超导储能磁体。

技术介绍

[0002]当今世界的能源缺口和限制温室气体排放的挑战对整合更多的可再生能源提出了需求，同时要求提高不可再生能源及能量传输系统的效率和运营能力。为了实现这些目标，电网的安全性和稳定性亟待提升，而储能系统对确保电力系统的高可靠性，鲁棒性和弹性至关重要。现有储能技术中，超导储能(superconducting magnetic energy storage,SMES)是一种频繁，快速，高效充放电的高功率存储技术，具有充放电效率高(超过95％)，快速响应(毫秒级别)，充放电循环次数不受限制等优点。
[0003]第二代高温超导带材因具有高载流能力和优秀的外界磁场下电磁特性的优点，成为了当前绕制超导储能磁体的主流方案。但是，超导储能能够存储的最大能量W取决于储能磁体的电感L和电流I，如下式所示：
[0004][0005]想要提升超导储能的容量，需要进一步提高超导储能磁体的载流能力，并增大磁体的电感。然而，单根第二代高温超导带材的载流能力有限，因此将多根超导带材组合绕制成具有更高的载流能力、更强的机械性能和更好的外界磁场下电磁特性的高温超导集束缆线，并使用高温超导集束缆线来绕制储能磁体是提升高温超导储能磁体工业化应用可行性的重要发展趋势。
[0006]同时，高温超导储能磁体对制冷系统提出了极高的要求，超导储能磁体处于高频充放电工况中，导致超导带材产生不可忽视的交流损耗。交流损耗的存在会导致设备发热，加重系统制冷负担，进而影响储能磁体的稳定性。因此，需要选用交流损耗更小的集束缆线绕制高温超导储能磁体。
[0007]经过检索发现，目前没有基于多层螺旋型超导集束缆线的高温超导储能磁体的公开专利，但有专利涉及了从其他方面优化储能磁体的设计，例如不同类型的高温超导导体设计的储能磁体，其主要内容如下：
[0008]专利：张馨丹等人，一种高温超导储能磁体，申请公布号CN 114743752A，申请公布日2022.07.12，该专利使用准各向同性导体(QIS)绕制高温超导储能磁体，具有较高的工程电流密度。但该储能磁体采用铜骨架，会产生额外的交流损耗。同时，准各向同性导体没有额外的制冷通道，具有应用上的缺陷和安全隐患。
[0009]专利：余欣等人，YBCO高温超导储能线圈绕制方法及装置，申请公布号CN 114464445A，申请公布日2022.05.10，该专利使用超导带材绕制“双饼”线圈，将储能磁体的磁场分为不同区域，为不同区域匹配不同宽度的带材，充分利用了超导带材的性能，一定程度上降低了储能磁体的成本。但是该储能磁体仍受到超导带材载流能力的制约，在载流能
力和交流损耗上均不具优势。

技术实现思路

[0010]本专利技术的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种基于多层螺旋型超导集束缆线的高温超导储能磁体，能够实现大幅提升储能磁体的载流能力。
[0011]实现上述目的的一种技术方案是：一种基于多层螺旋型超导集束缆线的高温超导储能磁体，包括中心螺线管骨架和储能线圈；
[0012]中心螺线管骨架为中空的筒状结构，在筒状结构的外侧面上刻有螺旋形的轨道，储能线圈由多层螺旋型集束缆线绕制而成，多层螺旋型集束缆线设置于轨道内；
[0013]多层螺旋型集束缆线包括中心铜管和超导带材，超导带材以给定的入射角、节距和张力缠绕在中心铜管上。
[0014]进一步的，所述中心铜管外侧以给定的入射角、节距和张力螺旋缠绕有两条高温超导带材，一条高温超导带材覆盖于另一条超温超导带材表面。
[0015]进一步的，两条高温超导带材的绕制方向相反。
[0016]进一步的，在最外层高温超导带材的外侧以半叠包方式螺旋缠绕有绝缘胶带。
[0017]进一步的，多层螺旋型集束缆线设置于轨道内后，在多层螺旋型集束缆线表面涂抹导热环氧胶，通过固化导热环氧胶将多层螺旋型集束缆线固定在中心螺线管上。
[0018]进一步的，中心铜管内侧预留了制冷通道。
[0019]进一步的，中心螺线管骨架使用G10玻璃纤维环氧树脂绝缘材料。
[0020]进一步的，多个不同内径的中心螺线管骨架相互套接设置。
[0021]进一步的，，套接在内侧的中心螺线管骨架的外径小于套接在外侧的中心螺线管骨架的内径。
[0022]本专利技术的具有如下优势技术效果：
[0023]一，本专利技术用于绕制高温超导储能磁体的多层螺旋型超导集束缆线具有极高载流量，可以大幅提升储能磁体的载流能力。
[0024]二，多层螺旋型集束缆线通过换位结构使得超导带材受到更低的垂直磁场和更高的平行磁场，从而拥有更低的交流损耗，极大降低了制冷系统的负担。
[0025]三，多层螺旋型集束缆线的中心骨架圆管预留了制冷通道，降低了磁体的制冷难度，提高了磁体运行的安全性和稳定性。
[0026]总体上，基于多层螺旋型集束缆线的高温超导储能磁体的设计提高了未来实用化储能磁体的经济性、安全性和工业可行性。
附图说明
[0027]图1为基于多层螺旋型超导集束缆线的高温超导储能磁体结构示意图；
[0028]图2为多层螺旋型集束缆线结构示意图；
[0029]图3为中心螺线管骨架剖面示意图；
[0030]图4为基于多层螺旋型超导集束缆线的高温超导储能磁体剖面示意图；
[0031]图5为储能磁体组合示意图；
[0032]图6为大容量组合式储能磁体剖面示意图。
具体实施方式
[0033]为了能更好地对本专利技术的技术方案进行理解，下面通过具体地实施例进行详细地说明：
[0034]请参阅图1，本专利技术的一种基于多层螺旋型超导集束缆线的高温超导储能磁体，由多层螺旋型集束缆线1绕制在中心螺线管骨架2上构成。
[0035]多层螺旋型集束缆线的结构如图2所示。101是中心铜管，提供支撑作用和制冷通道。102和103是以给定的入射角、节距和张力，螺旋缠绕在中心铜管上的第二代高温超导带材。通常相邻两层的超导带材的绕制方向相反。104是以半叠包方式螺旋缠绕在最外层超导带材上的绝缘胶带。
[0036]请参阅图3，中心螺线管骨架为中空的筒状结构，在筒状结构的外侧面上刻有螺旋形的轨道。中心螺线管骨架的内径为Φ
in
，外径为Φ
out
。
[0037]请参阅图4，多层螺旋型集束缆线1设置于中心螺线管骨架2的轨道内，然后在轨道内喷涂导热环氧胶3。等待导热环氧胶3固化，将多层螺旋型集束缆线1固定在中心螺线管骨架2的U形轨道内，完成储能线圈的绕制。优选的，导热环氧胶可选择热膨胀系数低、导热性能好、电绝缘强度高的Stykast 2850。
[0038]可选地，完成多个储能线圈的绕制后，如图5所示，以两个不同直径的储能线圈为例，将外径Φ1
out
的储能线圈401本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于多层螺旋型超导集束缆线的高温超导储能磁体，包括中心螺线管骨架和储能线圈，其特征在于：中心螺线管骨架为中空的筒状结构，在筒状结构的外侧面上刻有螺旋形的轨道，储能线圈由多层螺旋型集束缆线绕制而成，多层螺旋型集束缆线设置于轨道内；多层螺旋型集束缆线包括中心铜管和超导带材，超导带材以给定的入射角、节距和张力缠绕在中心铜管上。2.根据权利要求1所述的一种基于多层螺旋型超导集束缆线的高温超导储能磁体，其特征在于，所述中心铜管外侧以给定的入射角、节距和张力螺旋缠绕有两条高温超导带材，一条高温超导带材覆盖于另一条超温超导带材表面。3.根据权利要求2所述的一种基于多层螺旋型超导集束缆线的高温超导储能磁体，其特征在于，两条高温超导带材的绕制方向相反。4.根据权利要求2所述的一种基于多层螺旋型超导集束缆线的高温超导储能磁体，其特征在于，在最外层高温超导带材的外侧以半叠包方式螺旋缠...

【专利技术属性】
技术研发人员：宗明，陈妍君，储琳琳，李沁愉，段若晨，陆超，盛杰，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：