高温超导飞轮储能演示实验

邱静和，张义邴，朱光华，李 铭，徐克西

（1.上海大学理学院物理实验中心，上海200444；2.上海西静华新能源材料有限公司，上海200273）

1 引 言

自从1986年高温超导材料YBa2Cu3O7－δ（简称YBCO）[1]被发现后，掀起了世界性的高温超导材料研究的热潮.因为YBCO的临界转变温度首次突破了90K以上，即在液氮温度下YBCO就可实现超导状态，这为该类材料的应用带来了诱人的想象空间，仅替代传统地下输电电缆和高压电缆就有巨大的市场潜力.这促使很多国家不惜成本投入巨额资金、大量人力和先进的技术设备，展开应用开发上的激烈竞争.实验结果表明，超导技术在能源、交通、医学、国防等都有重要的应用.目前一些发达国家已试运行地下超导电缆、超导马达、超导变压器、研制高温超导储能系统的试验样机.

超导体除了零电阻特性之外，还有一个重要的性质就是对磁感应线的排斥.当磁通被完全排斥在超导体外时，超导体呈现完全Meissner效应，不过这时永久磁体在超导体上的悬浮为不稳定状态.当外磁场高于Hc1（下临界磁场）时，磁感应线能部分进入超导体，进入超导体中的磁感应线被“锁”称作钉扎中心的各种晶体缺陷上，由此感应出高临界电流，结果导致对永磁体产生排斥，克服永磁体自身重力，使其能稳定地悬浮在超导体上.利用该特性，可应用于超导磁悬浮列车、陀螺导航、超导磁轴承和超导飞轮储能.

飞轮储能由超导轴承和马达发电一体机构成，首先外接电源由马达驱动飞轮到极高转动速度，然后切断外接电源.由于超导轴承无物理接触、摩擦损耗极小，飞轮转动动能得以储存.当需要时，系统转入发电状态，转动动能转化为电能.设计超导飞轮储能的关键技术是基于强钉扎力的超导轴承，自高温氧化物超导体发现后，人们就开始关注这方面的研究[2－4].一些国家在超导磁悬浮轴承、储能方面的应用取得了一定的成果，并研制出试验样机[5－7].为了让我国在校大学生尽快了解这一高新技术的应用，同时激发学生的思考能力和创新能力，我们利用高温氧化物超导块材的抗磁和磁通钉扎特性研制了高温超导飞轮储能演示实验装置.

2 高温超导飞轮储能演示实验装置

高温超导飞轮储能演示实验装置结构如图1所示，系统由液氮容器、单畴熔融织构YBCO超导块材、永久磁体飞轮、直流电源、感应／驱动线圈、发光管阵列和支架组成.螺线管线圈、钕铁硼磁铁、光电控制开关组合成飞轮动力的驱动系统.使用外接可调、数显、开关电源供电，飞轮转速可达到3 000～3 500r／min.利用磁悬浮飞轮的转动动能转换成电能，该电能供给LED发光管，可使LED发光管能连续长时间发光，演示超导飞轮储能的现象和效果.

图1 高温超导飞轮储能演示实验装置示意图

本实验装置的外形尺寸540mm×350mm×200mm，准单畴高温超导块材由我校超导块材研究室提供[8].采用六角型超导块材，临界转变温度92K，由尺寸38mm×33mm×10mm的7枚块材拼成，最大磁悬浮力为750N（超导块材磁悬浮力≥12N／cm2）盘形钕铁硼磁铁上叠套铝制圆盘构成飞轮装置.实物图如图2所示.

图2 高温超导飞轮储能演示实验装置

3 演示内容和方法

本实验装置结构简单，操作方便，动态演示可视性强，能直观展示超导磁悬浮、磁通钉扎和超导磁悬浮飞轮储能现象和效果.

1）超导磁悬浮和磁通钉扎特性

在不通电的情况下，灌注液氮，YBCO超导体进入超导态，可观察到永久磁体离开超导体悬浮在上面，推动永久磁体离开平衡位置放手，磁体、飞轮仍然回复到原平衡位置.超导体处于超导态时，会将体内磁通排除体外.当磁通被完全排斥在超导体外时，呈现完全Meissner效应，不过这时永久磁体在超导体上的悬浮为不稳定状态.当外磁场高于Hc1（下临界磁场）时，磁感应线能部分进入超导体，进入超导体中的磁感应线被“锁”称作钉扎中心的各种晶体缺陷上，由此感应出高临界电流，结果导致对永磁体产生排斥，克服永磁体自身重力，使其能稳定地悬浮在超导体上.

2）超导飞轮储能

利用高温超导特有的自稳定磁悬浮无摩擦的高速旋转特性，采用外接电源驱动悬浮飞轮旋转到极高速度，切断外接电源，因摩擦损耗极小使得旋转动能得以储存下来备用.实验中利用旋转飞轮侧面上的永磁体和2组固定线圈模拟发电系统，永磁体的旋转使得线圈中磁通量发生变化，产生感应电动势，点亮LED灯，可观察到LED持续发光且飞轮转速无明显降低，达到演示超导飞轮储能的目的.

3）电磁感应

本发电系统利用了电磁感应原理，永磁体扫过固定线圈时，线圈中的磁通量随时间发生变化，产生感生电动势，除线圈的参数外其值与飞轮的转速和磁场大小有关.实验还可以调节固定架上的螺杆，可改变固定线圈与旋转飞轮侧面的距离，不同的距离，导致线圈附近磁场大小和磁场分布的变化，得到不同磁通量的时间变化率，从而产生不同的感应电动势，可外接电压表观察.

4 结束语

高温超导飞轮储能演示实验装置结构简单，实验效果明显，能直观展示超导磁悬浮飞轮储能现象，可用于超导和能源相关课程的配套实验或课堂演示.

[1] Wu M K，Ashburn J R，Torng C J，et al.Superconductivity at 93Kin a new mixed－phase Y－Ba－Cu－O compound system at ambient pressure[J].Phys.Rev.Lett.，1987，58（9）：908－910.

[2] Komori M，Titamura K.Development of a superconductive levitational mechanism and its application to a superconductive radial bearing[J].Cryogenic Engineering，1990，25：411－413.

[3] Moon F C，Chang P Z.High－speed rotation of magnets on high Tcsuperconducting bearings[J].Ap－pl.Phys.Lett.，1990，56（4）：397－399.

[4] 罗子江，王继红，杨健.关于MgB2超导多层膜间临界厚度的研究[J].2011，31（5）：23－25，32.

[5] Han Y H，Hull J R，Han S C，et al.Design and characteristics of a superconductor bearing[J].IEEE Trans.Appl.Supercond.，2005，15（2）：2249－2252.

[6] Koshizuka N.R ＆D of superconducting bearing technologies for flywheel energy storage systems[J].Physica C，2006，445：1103－1108.

[7] Nagashima K，Seino H，Sakai N，et al.Superconducting magnetic bearing for a flywheel energy storage system using superconducting coils and bulk superconductors[J].Physica C，2009，469（15）：1244－1249.

[8] Wu X D，Xu K X，Fang H，et al.A new seeding approach to the melt texture growth of a large YBCO single domain with diameter above 53mm[J].Supercond.Sci.Technol.，2009，22（12）：125003.