直接冷卻高溫超導磁儲能磁體熱穩(wěn)定性分析與優(yōu)化.pdf

1、直接冷卻高溫超導磁體的熱穩(wěn)定性是關系到超導磁儲能(SuperconductingMagnetic Energy Storage,縮寫為SMES)實際應用的重要問題之一。在SMES對電力網(wǎng)絡進行功率補償時，磁體及其導冷結構所產(chǎn)生的動態(tài)負荷對高溫超導磁體形成較大的熱擾動，降低了SMES系統(tǒng)的穩(wěn)定性，為了提高超導磁體動態(tài)熱穩(wěn)定性，完善磁體低溫冷卻系統(tǒng)的設計，本文在863國家高技術項目（2002AA306331-4）、國家自然科學基金（5017

2、6013）和教育部博士學科專項基金（20040487039）項目的資助下，基于超導磁體穩(wěn)態(tài)、動態(tài)負荷及其熱傳輸性能，對直接冷卻超導磁體熱穩(wěn)定性進行了理論分析和實驗研究，并對磁體熱穩(wěn)定性進行了優(yōu)化研究。
　　 為了提高超導磁體熱穩(wěn)定性和低溫冷卻系統(tǒng)熱效率，基于傳熱學和電磁學理論對磁體穩(wěn)態(tài)和動態(tài)負荷進行了分析計算，研究了磁體負荷熱傳輸及與冷卻特性的關系，基于磁體的熱穩(wěn)定性和低溫系統(tǒng)熱力系統(tǒng)完善度考慮，進行了直接冷卻磁體運行工況的優(yōu)化

3、研究，通過研究得出了磁體熱穩(wěn)定與勵磁電流速度及幅值的優(yōu)化結果。
　　 SMES勵退磁時磁體動態(tài)熱負荷具有非線性、耦合性和瞬變特性。基于有限元理論本研究建立了磁體瞬態(tài)熱分析的數(shù)學和物理模型，確定了單元類型及其泛函、形函數(shù)，構建了插值函數(shù)，以變分計算求解溫度場矩陣，為磁體動態(tài)熱傳輸特性分析提供了有效的方法。利用有限元軟件ANSYS對SMES磁體在直流加載、動態(tài)加載、局部熱擾動等情況下的溫度變化進行了瞬態(tài)數(shù)值模擬，研究了穩(wěn)態(tài)負荷、局部

4、負荷、間斷勵磁和連續(xù)勵磁對磁體的熱擾動及其熱傳輸特性，數(shù)值求解了各種工況下磁體的最高溫度和軸向溫差，得出了不同負荷情況下磁體溫度場云圖和響應曲線，分析了熱穩(wěn)定性變化機理，給出了各種工況勵磁電流的優(yōu)化值?；谧钚§禺a(chǎn)和數(shù)值模擬的研究表明，磁體及其導冷結構之間的界面熱阻不僅造成磁體溫升，而且增加了制冷機的功耗。
　　 構建了SMES低溫實驗和測試系統(tǒng)，進行了真空絕熱實驗、磁體降溫實驗、恒流源加載實驗和SMES動態(tài)模擬實驗的低溫性能測

5、量和實驗研究。實驗結果表明，所建立的低溫系統(tǒng)具有良好的真空絕熱性能；在靜態(tài)降溫階段溫度達到109K時磁體進入超導態(tài),磁體最低溫度達到13.5K；恒流源加載所能承受的最大電流幅值為150A；SMES對電力網(wǎng)絡補償時勵磁的動態(tài)熱負荷造成磁體溫度上升，10A/s勵磁速度情況下磁體平均溫升為6.7K；動態(tài)實驗數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結果的誤差在4%以內(nèi)。實驗數(shù)據(jù)為今后SMES磁體和導冷結構的設計以及系統(tǒng)安全運行提供了依據(jù)。
　　 針對影響直接冷卻