一种超导磁储能系统

1.本发明属于超导电力技术领域，更具体地，涉及一种超导磁储能系统。


背景技术：

2.随着化石能源的枯竭和环境污染的加重，实现可再生能源的大量并网和能量的优化控制是电力系统领域未来要面对的重大课题。储能技术的发展是可再生能源大量并网的根本前提，超导磁储能系统作为一种储能密度高，使用寿命长，清洁高效的储能装置，其广泛应用将加速实现可再生能源的大量并网。
3.超导磁体作为超导磁储能系统的核心部分，保证其安全可靠的运行对于整个储能系统而言至关重要。超导磁体在工作过程中常常受到各种电磁扰动、机械扰动和热扰动，这些扰动可能导致超导磁体失去超导特性，严重时还可能导致超导磁体烧毁，进而破坏整个超导磁储能系统。机械扰动可以通过前期的工艺加工加以限制，电磁扰动和热扰动则难以避免，这两类扰动可能会致使超导磁体所处的环境温度超过其正常工作时的临界温度，最终导致超导磁体失去超导电性。
4.超导磁储能系统的制冷系统用于提供超导磁体工作时所需的低温环境，超导磁体工作时的安全性和可靠性与制冷系统密切相关，制冷系统能够提供的冷却功率越高，超导磁体的安全可靠性就越好，但是考虑到整个储能系统的经济性，并不能一味提高制冷系统的冷却功率。超导磁储能系统中的超导磁体主要有两种冷却方式：液氦浸泡冷却和制冷机冷头传导冷却，前者的冷却功率较高，但液氦的价格昂贵，且挥发的氦气会破坏低温杜瓦内的真空环境，导致安全性问题，后者虽然成本较低，但制冷机在低温环境下的冷却功率较小，导致超导磁体在工作时的安全性和可靠性较差。


技术实现要素：

5.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种超导磁储能系统，用以解决现有技术无法以较低的成本提高超导磁体工作时的安全性和可靠性的技术问题。
6.为了实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种超导磁储能系统，包括：超导磁体、真空系统和制冷系统；
7.超导磁体放置于低温杜瓦内；制冷系统包括液氢管道，液氢管道缠绕在超导磁体上；液氢管道内通入液氢；
8.真空系统用于抽走低温杜瓦内的空气，为超导磁体提供其工作时所需的真空环境；
9.制冷系统用于基于液氢管道以传导冷却的方式将超导磁体冷却至工作温区；
10.超导磁体基于其在低温环境下的高载流特性，实现电磁能量的存储。
11.进一步优选地，上述超导磁体上方或/和下方紧贴放置有金属导冷片；液氢管道还缠绕在金属导冷片上。
12.进一步优选地，上述制冷系统包括：液氢储罐、上述液氢管道和液氢回收装置；
13.液氢储罐用于存储液氢；
14.液氢管道用于将液氢储罐内的液氢输入至低温杜瓦内，以传导冷却的方式将超导磁体冷却至工作温区，并将热交换后的液氢输送至液氢回收装置；
15.液氢回收装置用于回收液氢管道中热交换后的液氢。
16.进一步优选地，上述制冷系统还包括：液氢注入管道；
17.液氢注入管道用于将液氢输送至液氢储罐。
18.进一步优选地，上述真空系统包括：真空泵和空气管道；
19.空气管道一端与真空泵相连，另一端插入低温杜瓦内，以抽走低温杜瓦内的空气。
20.进一步优选地，上述超导磁储能系统还包括：供电系统；
21.供电系统用于对超导磁体进行励磁充能，从而为上述超导磁储能系统提供能量来源。
22.进一步优选地，上述供电系统通过供电电源对超导磁体进行励磁充能。
23.进一步优选地，上述超导磁储能系统还包括：数据采集系统；
24.数据采集系统用于采集超导磁体的电气数据和温度数据，以监测超导磁体的工作状态。
25.进一步优选地，上述数据采集系统包括：上位机和传感器；
26.传感器用于将采集到的超导磁体的电气数据和温度数据转换成电信号，并传输至上位机；
27.上位机用于将电信号转换成对应的物理量，进行储存和显示，实时监测超导磁体的工作状态。
28.第二方面，本发明提供了一种超导磁储能系统，包括：超导磁体、真空系统和制冷系统；
29.超导磁体放置于低温杜瓦内；超导磁体上方或/和下方紧贴放置有金属导冷片；制冷系统包括液氢管道，液氢管道缠绕在金属导冷片上；液氢管道内通入液氢；
30.真空系统用于抽走低温杜瓦内的空气，为超导磁体提供其工作时所需的真空环境；
31.制冷系统用于基于液氢管道以传导冷却的方式将超导磁体冷却至工作温区；
32.超导磁体基于其在低温环境下的高载流特性，实现电磁能量的存储。
33.进一步优选地，上述制冷系统包括：液氢储罐、上述液氢管道和液氢回收装置；
34.液氢储罐用于存储液氢；
35.液氢管道用于将液氢储罐内的液氢输入至低温杜瓦内，以传导冷却的方式将超导磁体冷却至工作温区，并将热交换后的液氢输送至液氢回收装置；
36.液氢回收装置用于回收液氢管道中热交换后的液氢。
37.进一步优选地，上述制冷系统还包括：液氢注入管道；
38.液氢注入管道用于将液氢输送至液氢储罐。
39.进一步优选地，上述真空系统包括：真空泵和空气管道；
40.空气管道一端与真空泵相连，另一端插入低温杜瓦内，以抽走低温杜瓦内的空气。
41.进一步优选地，上述超导磁储能系统还包括：供电系统；
42.供电系统用于对超导磁体进行励磁充能，从而为上述超导磁储能系统提供能量来
源。
43.进一步优选地，上述供电系统通过供电电源对超导磁体进行励磁充能。
44.进一步优选地，上述超导磁储能系统还包括：数据采集系统；
45.数据采集系统用于采集超导磁体的电气数据和温度数据，以监测超导磁体的工作状态。
46.进一步优选地，上述数据采集系统包括：上位机和传感器；
47.传感器用于将采集到的超导磁体的电气数据和温度数据转换成电信号，并传输至上位机；
48.上位机用于将电信号转换成对应的物理量，进行储存和显示，实时监测超导磁体的工作状态。
49.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
50.1、本发明提供了一种超导磁储能系统，其通过液氢管道缠绕超导磁体和/或金属导冷片，利用液氢的冷量将超导磁体冷却至工作温区。由于液氢的价格相比液氦更加便宜，并且相较于制冷机冷头传导冷却，液氢管道缠绕冷却能够提供更高的冷却功率，冷却效果较好，同时液氢也不会在低温杜瓦内发生泄漏，因此该制冷方式下的超导磁储能系统不仅制冷成本较低，同时具有较高的安全性和可靠性，大大提高了超导磁体工作时的安全裕度。
51.2、本发明所提供的超导磁储能系统还包括数据采集系统，数据采集系统实时采集超导磁体的电气和温度数据，待超导磁体冷却至液氢温区后，供电系统以较低的电流上升速度，将超导磁体的工作电流升至安全水平，从而完成超导磁体的励磁过程，实现了超导磁储能系统的能量存储，整个过程实现了对超导磁体工作状态的实时监测，并且安全可控，能量存储的安全性和可靠性均较高。
附图说明
52.图1为本发明实施例1提供的超导磁储能系统的结构示意图；
53.图2为本发明实施例2提供的超导磁储能系统的结构示意图；
54.图3为本发明一种可选实施方式提供的超导磁储能系统的结构示意图；
55.图4为本发明实施例提供的缠绕液氢管道后的金属导冷片的俯视图。
具体实施方式
56.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
57.实施例1、
58.一种超导磁储能系统，如图1所示，包括：超导磁体、真空系统和制冷系统；
59.超导磁体放置于低温杜瓦内；制冷系统包括液氢管道，液氢管道缠绕在超导磁体上；液氢管道内通入液氢；
60.真空系统用于抽走低温杜瓦内的空气，为超导磁体提供其工作时所需的真空环境；
61.制冷系统用于基于液氢管道以传导冷却的方式将超导磁体冷却至工作温区；
62.超导磁体基于其在低温环境下的高载流特性，实现电磁能量的存储。
63.实施例2、
64.一种超导磁储能系统，如图2所示，包括：超导磁体、真空系统和制冷系统；
65.超导磁体放置于低温杜瓦内；超导磁体上方或/和下方紧贴放置有金属导冷片(图2以金属导冷片紧贴放置在超导磁体上方为例)；制冷系统包括液氢管道，液氢管道缠绕在金属导冷片上；液氢管道内通入液氢；其中，上述金属导冷片为用于导冷的金属片，一般选用导热效果较好的金属材料；对于超导磁体的金属导冷片，通常选用紫铜材料。
66.真空系统用于抽走低温杜瓦内的空气，为超导磁体提供其工作时所需的真空环境；
67.制冷系统用于基于液氢管道以传导冷却的方式将超导磁体冷却至工作温区；
68.超导磁体基于其在低温环境下的高载流特性，实现电磁能量的存储。
69.实施例3、
70.一种超导磁储能系统，包括：超导磁体、真空系统和制冷系统；
71.超导磁体放置于低温杜瓦内；超导磁体上方或/和下方紧贴放置有金属导冷片；制冷系统包括液氢管道，液氢管道缠绕在超导磁体和金属导冷片上；液氢管道内通入液氢；其中，上述金属导冷片为用于导冷的金属片，一般选用导热效果较好的金属材料；对于超导磁体的金属导冷片，通常选用紫铜材料。
72.真空系统用于抽走低温杜瓦内的空气，为超导磁体提供其工作时所需的真空环境；
73.制冷系统用于基于液氢管道以传导冷却的方式将超导磁体冷却至工作温区；
74.超导磁体基于其在低温环境下的高载流特性，实现电磁能量的存储。
75.需要说明的是，在上述实施例1-实施例3中任意一个实施例的基础上有以下优选方式：
76.优选地，上述制冷系统包括：液氢储罐、上述液氢管道和液氢回收装置；液氢储罐用于存储液氢；液氢管道用于将液氢储罐内的液氢输入至低温杜瓦内，通过缠绕超导磁体和/或金属导冷片，以传导冷却的方式将超导磁体冷却至工作温区，并将热交换后的液氢输送至液氢回收装置；液氢回收装置用于回收液氢管道中热交换后的液氢。优选地，上述制冷系统还包括：液氢注入管道；液氢注入管道用于将液氢输送至液氢储罐。
77.优选地，上述真空系统包括：真空泵和空气管道；空气管道一端与真空泵相连，另一端插入低温杜瓦内，以抽走低温杜瓦内的空气。
78.优选地，上述超导磁储能系统还包括：供电系统；供电系统用于对超导磁体进行励磁充能，从而为上述超导磁储能系统提供能量来源。优选地，上述供电系统通过供电电源对超导磁体进行励磁充能。
79.优选地，上述超导磁储能系统还包括：数据采集系统；数据采集系统用于采集超导磁体的电气数据和温度数据，以监测超导磁体的工作状态。优选地，上述数据采集系统包括：上位机和传感器；传感器用于将采集到的超导磁体的电气数据和温度数据转换成电信号，并传输至上位机；上位机用于将电信号转换成对应的物理量，进行储存和显示，实时监测超导磁体的工作状态。
80.下面以实施例2的一种具体实施方式为例进行详述：
81.在本实施方式下，上述超导磁储能系统包括：超导磁体、真空系统、制冷系统、供电系统和数据采集系统，其结构示意图如图3所示。
82.其中，超导磁体放置在低温杜瓦内，是整个储能系统的核心部分。真空系统包括真空泵和空气管道，空气管道一端连接真空泵，一端伸至低温杜瓦内，将低温杜瓦内部的空气抽走，保证低温杜瓦内部为高真空环境。制冷系统包括液氢注入管道、液氢储罐、液氢管道和液氢回收装置；液氢管道抽出液氢储罐内的液氢，并伸入低温杜瓦内部，且该液氢管道在低温杜瓦内缠绕超导磁体的金属导冷片，通过液氢管道冷却金属导冷片，从而将超导磁体冷却至工作温区；具体地，缠绕液氢管道后的金属导冷片(对应图3低温杜瓦内的虚线包围部分)的俯视图如图4所示。供电系统包括供电电源和电流引线，供电电源通过电流引线连接超导磁体的电流端子。数据采集系统包括上位机、信号线和传感器，上位机通过信号线连接传感器，传感器将需要监测的各种物理量转换成电信号，上位机通过信号线采集传感器转换后的电信号，并将采集到的电信号转换成对应的物理量，进行储存和显示，进而实时监测超导磁体的工作状态。待超导磁体冷却至工作温区后，供电系统对超导磁体进行励磁充能。整个过程完成了对超导磁储能系统的状态监测和能量存储。
83.本实施例的具体操作步骤如下：
84.1、开启真空泵，抽走低温杜瓦内部的空气，将低温杜瓦内部抽至高真空后，仍旧保持真空泵持续工作，保证低温杜瓦内部始终保持高真空环境；
85.2、启动制冷系统，液氢注入管道向液氢储罐内注入液氢，待液氢储罐内的液氢量充足后，液氢管道开始抽取液氢储罐的液氢，抽取的液氢随液氢管道进入低温杜瓦内部，该液氢管道在低温杜瓦内缠绕超导磁体的金属导冷片，通过液氢管道内液氢的冷量冷却金属导冷片，进而将超导磁体冷却至工作温区，热交换后的液氢经由液氢管道输送至液氢回收装置，液氢回收装置在示意图中略去；
86.3、启动数据采集系统中的温度信号监测部分，布置在超导磁体上的温度传感器能够将超导磁体的温度信号转换为电信号，上位机通过信号线采集温度传感器转换后的电信号，并将采集的电信号转换为对应的温度数据，对温度数据进行实时存储和显示，进而实时监测超导磁体的温度变化；
87.4、待超导磁体的温度降至工作温区并维持一段时间后，启动供电系统，对超导磁体进行励磁充能，注意超导磁体的工作电流不能超过其安全稳定运行所允许的最大电流值；
88.5、启动数据采集系统中的电气监测部分，上位机通过布置的电气信号传感器和信号线，实时采集超导磁体的电气信号，并将采集的电气信号转换为对应的电气数据，进行实时存储和显示，进而实时监测超导磁体的工作状态；
89.6、密切关注真空系统、供电系统、制冷系统和数据采集系统的实时显示数据，若发现显示数据异常，应判断超导磁储能系统的正常工作是否会受到威胁，避免超导磁体失超，从而造成不可避免的经济损失。
90.综上所述，本发明提供了一种超导磁储能系统，其通过液氢管道缠绕超导磁体和/或金属导冷片，利用液氢的冷量将超导磁体冷却至工作温区。由于液氢的价格相比液氦更加便宜，并且相较于制冷机冷头传导冷却，液氢管道缠绕冷却能够提供更高的冷却功率，冷
却效果较好，液氢也不会在低温杜瓦内发生泄漏，因此该制冷方式下的超导磁储能系统不仅制冷成本较低，同时具有较高的安全可靠性。且上述超导磁储能系统结构简单，作为一种全新的超导磁体低温冷却技术，本发明的广泛应用，有助于提升超导磁储能系统的经济性和安全性。
91.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。