直接冷卻高溫超導(dǎo)磁儲(chǔ)能磁體熱穩(wěn)定性分析與優(yōu)化.pdf

1、直接冷卻高溫超導(dǎo)磁體的熱穩(wěn)定性是關(guān)系到超導(dǎo)磁儲(chǔ)能(SuperconductingMagnetic Energy Storage,縮寫(xiě)為SMES)實(shí)際應(yīng)用的重要問(wèn)題之一。在SMES對(duì)電力網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行功率補(bǔ)償時(shí)，磁體及其導(dǎo)冷結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)負(fù)荷對(duì)高溫超導(dǎo)磁體形成較大的熱擾動(dòng)，降低了SMES系統(tǒng)的穩(wěn)定性，為了提高超導(dǎo)磁體動(dòng)態(tài)熱穩(wěn)定性，完善磁體低溫冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，本文在863國(guó)家高技術(shù)項(xiàng)目（2002AA306331-4）、國(guó)家自然科學(xué)基金（5017

2、6013）和教育部博士學(xué)科專項(xiàng)基金（20040487039）項(xiàng)目的資助下，基于超導(dǎo)磁體穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)負(fù)荷及其熱傳輸性能，對(duì)直接冷卻超導(dǎo)磁體熱穩(wěn)定性進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，并對(duì)磁體熱穩(wěn)定性進(jìn)行了優(yōu)化研究。
　　 為了提高超導(dǎo)磁體熱穩(wěn)定性和低溫冷卻系統(tǒng)熱效率，基于傳熱學(xué)和電磁學(xué)理論對(duì)磁體穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)負(fù)荷進(jìn)行了分析計(jì)算，研究了磁體負(fù)荷熱傳輸及與冷卻特性的關(guān)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(jìn)行了直接冷卻磁體運(yùn)行工況的優(yōu)化

3、研究，通過(guò)研究得出了磁體熱穩(wěn)定與勵(lì)磁電流速度及幅值的優(yōu)化結(jié)果。
　　 SMES勵(lì)退磁時(shí)磁體動(dòng)態(tài)熱負(fù)荷具有非線性、耦合性和瞬變特性?；谟邢拊碚摫狙芯拷⒘舜朋w瞬態(tài)熱分析的數(shù)學(xué)和物理模型，確定了單元類型及其泛函、形函數(shù)，構(gòu)建了插值函數(shù)，以變分計(jì)算求解溫度場(chǎng)矩陣，為磁體動(dòng)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(duì)SMES磁體在直流加載、動(dòng)態(tài)加載、局部熱擾動(dòng)等情況下的溫度變化進(jìn)行了瞬態(tài)數(shù)值模擬，研究了穩(wěn)態(tài)負(fù)荷、局部

4、負(fù)荷、間斷勵(lì)磁和連續(xù)勵(lì)磁對(duì)磁體的熱擾動(dòng)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(fù)荷情況下磁體溫度場(chǎng)云圖和響應(yīng)曲線，分析了熱穩(wěn)定性變化機(jī)理，給出了各種工況勵(lì)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(dǎo)冷結(jié)構(gòu)之間的界面熱阻不僅造成磁體溫升，而且增加了制冷機(jī)的功耗。
　　 構(gòu)建了SMES低溫實(shí)驗(yàn)和測(cè)試系統(tǒng)，進(jìn)行了真空絕熱實(shí)驗(yàn)、磁體降溫實(shí)驗(yàn)、恒流源加載實(shí)驗(yàn)和SMES動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)的低溫性能測(cè)

5、量和實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(dá)到109K時(shí)磁體進(jìn)入超導(dǎo)態(tài),磁體最低溫度達(dá)到13.5K；恒流源加載所能承受的最大電流幅值為150A；SMES對(duì)電力網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償時(shí)勵(lì)磁的動(dòng)態(tài)熱負(fù)荷造成磁體溫度上升，10A/s勵(lì)磁速度情況下磁體平均溫升為6.7K；動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果的誤差在4%以內(nèi)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為今后SMES磁體和導(dǎo)冷結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)安全運(yùn)行提供了依據(jù)。
　　 針對(duì)影響直接冷卻