高溫超導飛輪儲能演示實驗

邱靜和，張義邴，朱光華，李 銘，徐克西

（1.上海大學理學院物理實驗中心，上海200444；2.上海西靜華新能源材料有限公司，上海200273）

1 引 言

自從1986年高溫超導材料YBa2Cu3O7－δ（簡稱YBCO）[1]被發現后，掀起了世界性的高溫超導材料研究的熱潮.因為YBCO的臨界轉變溫度首次突破了90K以上，即在液氮溫度下YBCO就可實現超導狀態，這為該類材料的應用帶來了誘人的想象空間，僅替代傳統地下輸電電纜和高壓電纜就有巨大的市場潛力.這促使很多國家不惜成本投入巨額資金、大量人力和先進的技術設備，展開應用開發上的激烈競爭.實驗結果表明，超導技術在能源、交通、醫學、國防等都有重要的應用.目前一些發達國家已試運行地下超導電纜、超導馬達、超導變壓器、研制高溫超導儲能系統的試驗樣機.

超導體除了零電阻特性之外，還有一個重要的性質就是對磁感應線的排斥.當磁通被完全排斥在超導體外時，超導體呈現完全Meissner效應，不過這時永久磁體在超導體上的懸浮為不穩定狀態.當外磁場高于Hc1（下臨界磁場）時，磁感應線能部分進入超導體，進入超導體中的磁感應線被“鎖”稱作釘扎中心的各種晶體缺陷上，由此感應出高臨界電流，結果導致對永磁體產生排斥，克服永磁體自身重力，使其能穩定地懸浮在超導體上.利用該特性，可應用于超導磁懸浮列車、陀螺導航、超導磁軸承和超導飛輪儲能.

飛輪儲能由超導軸承和馬達發電一體機構成，首先外接電源由馬達驅動飛輪到極高轉動速度，然后切斷外接電源.由于超導軸承無物理接觸、摩擦損耗極小，飛輪轉動動能得以儲存.當需要時，系統轉入發電狀態，轉動動能轉化為電能.設計超導飛輪儲能的關鍵技術是基于強釘扎力的超導軸承，自高溫氧化物超導體發現后，人們就開始關注這方面的研究[2－4].一些國家在超導磁懸浮軸承、儲能方面的應用取得了一定的成果，并研制出試驗樣機[5－7].為了讓我國在校大學生盡快了解這一高新技術的應用，同時激發學生的思考能力和創新能力，我們利用高溫氧化物超導塊材的抗磁和磁通釘扎特性研制了高溫超導飛輪儲能演示實驗裝置.

2 高溫超導飛輪儲能演示實驗裝置

高溫超導飛輪儲能演示實驗裝置結構如圖1所示，系統由液氮容器、單疇熔融織構YBCO超導塊材、永久磁體飛輪、直流電源、感應／驅動線圈、發光管陣列和支架組成.螺線管線圈、釹鐵硼磁鐵、光電控制開關組合成飛輪動力的驅動系統.使用外接可調、數顯、開關電源供電，飛輪轉速可達到3 000～3 500r／min.利用磁懸浮飛輪的轉動動能轉換成電能，該電能供給LED發光管，可使LED發光管能連續長時間發光，演示超導飛輪儲能的現象和效果.

圖1 高溫超導飛輪儲能演示實驗裝置示意圖

本實驗裝置的外形尺寸540mm×350mm×200mm，準單疇高溫超導塊材由我校超導塊材研究室提供[8].采用六角型超導塊材，臨界轉變溫度92K，由尺寸38mm×33mm×10mm的7枚塊材拼成，最大磁懸浮力為750N（超導塊材磁懸浮力≥12N／cm2）盤形釹鐵硼磁鐵上疊套鋁制圓盤構成飛輪裝置.實物圖如圖2所示.

圖2 高溫超導飛輪儲能演示實驗裝置

3 演示內容和方法

本實驗裝置結構簡單，操作方便，動態演示可視性強，能直觀展示超導磁懸浮、磁通釘扎和超導磁懸浮飛輪儲能現象和效果.

1）超導磁懸浮和磁通釘扎特性

在不通電的情況下，灌注液氮，YBCO超導體進入超導態，可觀察到永久磁體離開超導體懸浮在上面，推動永久磁體離開平衡位置放手，磁體、飛輪仍然回復到原平衡位置.超導體處于超導態時，會將體內磁通排除體外.當磁通被完全排斥在超導體外時，呈現完全Meissner效應，不過這時永久磁體在超導體上的懸浮為不穩定狀態.當外磁場高于Hc1（下臨界磁場）時，磁感應線能部分進入超導體，進入超導體中的磁感應線被“鎖”稱作釘扎中心的各種晶體缺陷上，由此感應出高臨界電流，結果導致對永磁體產生排斥，克服永磁體自身重力，使其能穩定地懸浮在超導體上.

2）超導飛輪儲能

利用高溫超導特有的自穩定磁懸浮無摩擦的高速旋轉特性，采用外接電源驅動懸浮飛輪旋轉到極高速度，切斷外接電源，因摩擦損耗極小使得旋轉動能得以儲存下來備用.實驗中利用旋轉飛輪側面上的永磁體和2組固定線圈模擬發電系統，永磁體的旋轉使得線圈中磁通量發生變化，產生感應電動勢，點亮LED燈，可觀察到LED持續發光且飛輪轉速無明顯降低，達到演示超導飛輪儲能的目的.

3）電磁感應

本發電系統利用了電磁感應原理，永磁體掃過固定線圈時，線圈中的磁通量隨時間發生變化，產生感生電動勢，除線圈的參數外其值與飛輪的轉速和磁場大小有關.實驗還可以調節固定架上的螺桿，可改變固定線圈與旋轉飛輪側面的距離，不同的距離，導致線圈附近磁場大小和磁場分布的變化，得到不同磁通量的時間變化率，從而產生不同的感應電動勢，可外接電壓表觀察.

4 結束語

高溫超導飛輪儲能演示實驗裝置結構簡單，實驗效果明顯，能直觀展示超導磁懸浮飛輪儲能現象，可用于超導和能源相關課程的配套實驗或課堂演示.

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