超导磁悬浮技术在南极望远镜中的应用（共4篇）
超导磁悬浮技术在南极望远镜中的应用 篇1
超导磁悬浮技术在南极望远镜中的应用
提出了超导磁悬浮望远镜的概念,建立了模型,提出了稳定悬浮方案,并用有限元软件对磁悬浮望远镜的磁场进行了三维静态分析,为南极望远镜水平轴系结构设计提供了新的思路.
作 者：顾伯忠 张向国 GU Bo-zhong ZHANG Xiang-guo 作者单位：顾伯忠,GU Bo-zhong(中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所,江苏,南京,210042)
张向国,ZHANG Xiang-guo(中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所,江苏,南京,210042;中国科学院研究生院,北京,100049)
刊 名：天文研究与技术-国家天文台台刊 PKU英文刊名：ASTRONOMICAL RESEARCH & TECHONOLGY-PUBLICATIONS OF NATIONAL ASTRONOMICAL OBSERVATORIES OF CHINA年，卷(期)：5(3)分类号：P111关键词：磁悬浮 高温超导 南极望远镜 水平轴系 有限元 电磁场
超导磁悬浮技术在南极望远镜中的应用 篇2
1 超导电力技术
从理论上来讲, 超导电力技术就是利用超导体的特殊物理性质与电力工程相结合而发展起来的一门新技术。超导体具有自身电阻突然消失的电阻特性, 超导电力技术主要借助超导体的特性, 将其应用到电力系统中[1]。目前, 超导电力技术的研究已成为我国重点研究项目之一。
2 超导电力技术在未来智能电网中的应用
国际超导技术领域专家普遍认为, 新一代的超导技术, 如钇系高温超导带材, 在未来将很快商品化并全面引入应用。美国的“电网2030计划”已经将超导技术放在了重要位置, 将引发全世界范围内对超导技术的应用创新。继美国之后, 欧洲、日本、韩国等也相继宣布了发展超导技术的相关计划, 全世界正式进入了超导技术竞争态势。面对这一世界形势, 我国应及时部署超导技术应用战略, 充分发掘和利用国内各种资源优势, 鼓励超导技术创新, 加大超导技术科研投入力度, 将其作为关系国计民生的重大战略来看待, 以抢先占领世界超导技术高地。
具体而言, 将超导技术应用于未来电网, 有以下好处。
2.1 降低电力系统线损率
当前我国电网规模和容量正在快速增长, 整个电力系统运行过程中的短路容量也在不断增加。大量的短路电流如果得不到限制, 必将对电气设备产生破坏性影响, 超导电力技术的引入为解决此类问题提供了方向, 使电力系统的安全性得到提高, 线损率得以降低。
智能电网在供电过程中具有高效性、降低运营成本、减少线损等能力, 这是提高电力系统运行水平的关键。尤其是应用超导电力技术后, 智能电网的运行效率得到了提高, 如使用高温超导线材后, 电缆能够超导无阻, 更有效地提高了电流能量的传输能力[2]。
在一些大城市以及一些特殊场合的供电中, 电缆极易产生线损, 线损量过大会对电力系统造成一定的影响。将超导电力技术有效地应用到这些大城市以及一些特殊场合供电中, 能够大幅度降低电缆的损耗率, 同时还能有效地提升电缆的传输功率。而且, 相比于传统电缆, 超导电缆受环境影响极小。从整体上看, 超导电缆更适合大城市以及特殊场合的供电, 不仅能够有效节约土地的占用率和建设资金的消耗量, 更能节约安装空间, 与传统的电缆线路相比安装也极为方便, 有效地节省了人力、物力和财力。
2.2 有效提升电网输送电能的质量
电能存取是电网输送过程中一个重要的环节, 是确保电网平稳安全可靠运行的关键。目前采用的技术主要是抽水储能技术, 这种技术可提供长时间的大功率, 但反应速度过慢, 难以应对瞬态电能质量与功率失衡造成的冲击, 无法及时对失衡状态进行必要的补偿, 这就使电网输送电能的质量大打折扣。超导技术的引入, 可以较好地解决这个瓶颈问题。
电网输送电质量是一直困扰电力企业的主要问题之一, 电网系统在运行过程中, 输送电质量可能会受到内部和外部因素的影响, 致使电网输送电质量不高, 尤其是一些大功率远距离输变电系统, 输送电质量更是受到极大的影响[3]。将超导电力技术应用于智能电网, 能够有效改善这方面存在的缺陷, 可以利用大型超导储能装置实现大功率远距离输变电系统的稳定运行, 在此过程中超导储能装置能够瞬时吸收或释放能力, 避免了传统电网输送电过程中出现的频率波动现象, 而且超导储能装置还能沟通电压的无功支持, 确保电压的稳定性, 从而有效提高电网输送的电能的质量。
2.3 提高可再生能源的利用性
随着社会经济的不断发展, 能源的开发和利用率也在逐渐提升, 而能源枯竭问题是世界各国所关注的焦点。电力企业的发展虽然能够进一步满足人们对电能的需求, 但是也消耗了大量的能源。为了减缓化石能源消耗, 可以采用可再生能源来进行发电, 这是未来智能电网发展的必然趋势。新技术、新设备、新产品的不断应用, 对提高电网的运行效率有极大的作用[4]。但是, 在可再生能源利用和开发过程中发现, 由于可再生资源具有不稳定性、间歇性等特点, 电力系统的工作状态不稳定, 使得电力系统运行的安全性、高效性、可靠性、灵活性等受到了一定的限制。应用超导储能系统能有效地改善电网的储能备用, 对提高可再生能源的接受和储存率有极大的作用, 可充分提高可再生能源的利用率。而且在利用超导储存装置对配网进行供电的过程中, 也会增加电网供电的稳定性, 进而提高配网系统的运行效率, 确保为客户提供稳定、可靠、安全的用电环境。
2.4 提升电网对外部影响因素的抗性
现有的电力系统存在多电压等级现象和交直流电共存现象, 加上采用传统的铝线铜线作为导材, 设备易老化, 易超载, 受天气等外部因素影响大, 对整个电网的运行安全造成了极大的影响。超导技术的引入可在一定程度上减小这种影响。
智能电网在运行的过程中可能会受到外部因素的影响, 自身线路会受到一定的损伤和破坏, 例如, 暴风雪、不可抗拒自然力的影响, 人为的影响等都会对电网系统的安全运行造成一定的影响。要彻底解决这类问题, 必须从电缆线路的防御能力入手。在输送电过程中, 防御能力较好的电缆能够承受大量电力负荷, 而且在较低的电压下超导电缆的传输效率比普通电缆要高很多。一般情况下, 超导电缆线路主要应用在输电路径较长的路段, 在电力系统输电走廊受到破坏的情况下, 可以保证重要负荷的供电, 进一步提高智能电网运行的可靠性和安全性。
3 结语
超导电力技术在智能电网中的应用是21世纪极具战略意义的大事, 对新世纪我国电力技术的发展与改革起着决定性的作用。超导应用成功, 我国将立即成为世界电力技术领先国, 否则就会落后于人, 处处受制。联系我国电力发展实际, 加大超导技术投入力度及推广应用力度, 是当前我国电力领域的重要工作。
综上所述, 超导电力技术是未来智能电网发展中的主流技术, 对提高电力系统的运行效率也有着极大的作用, 如提升电力系统运行的稳定性、抗性、电能质量等。当然, 现阶段超导电力技术的发展还不成熟, 需要我们不断地去研究、探索, 以期为智能电网的发展提供可靠的帮助, 保障我国电力事业的可持续发展。
参考文献
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超导磁悬浮技术在南极望远镜中的应用 篇3
磁悬浮技术的发展始于上世纪,恩思霍斯(Eamshanws)发现了抗磁物体可以在磁场中自由悬浮,此现象于1939年由布鲁贝克(Braunbeck)进行了严格的理论证明,但是它的实际应用研究直到最近二十年才广泛开展。近年来,磁悬浮技术得到了迅速发展,并得到越来越广泛的应用。由于现代科学技术的发展,如传感器、控制技术(尤其是数字控制技术)、低温和高温超导技术,使得磁悬浮技术迅速崛起,各国都投入大量的人力、物力、进行研究。
磁悬浮由于无接触的特点,避免了物体之间的摩擦和磨损,能延长设备的使用寿命,改善设备的运行条件,因而在交通、冶金、机械、电器、材料等各个方面有着广阔的应用前景。
二、磁悬浮的应用
磁悬浮技术的应用范围从高速磁轴承到高速悬浮列车,以及大气隙的风洞磁悬浮模型等各个领域。磁悬浮轴承的研究是国外一个非常活跃的研究方向,典型对象是发电机的磁悬浮轴承(又称磁力轴承)。主动式磁悬浮轴承(AMB)以其无机械磨损、无噪声、寿命长、无润滑油污染等特点而广泛应用于航空、航天、核反应堆、真空泵、超洁净环境、飞轮储能等领域。
高速磁悬浮电机(Bearingless Motors)是近年提出的一个新研究方向,集磁悬浮轴承和电动机于一体,具有自悬浮和驱动能力,不需要任何独立的轴承支撑,具有体积小、临界转速高等特点,更适合于超高速运行的场合,也适合小型乃至超小型结构。国外自上世纪90年代中期开始进行研究,相继出现了永磁同步型磁悬浮电机、开关磁阻型磁悬浮电机、感应型磁悬浮电机等各种类型。其中感应型磁悬浮电机具有结构简单、成本低、可靠性高、气隙均匀、易于弱磁升速,是最有前途的方案之一。传统的电机由定子和转子组成,定子与转子之间通过机械轴承连接,在转子运动过程中存在机械摩擦,增加了转子的摩擦阻力,佼运动部件磨损,产生机械振动和噪声,使运动部件发热,润滑剂性能变差,甚至会使电机气隙不均匀,绕组发热,温升增大,从而降低电机效能,最终缩短电机使用寿命。磁悬浮电机利用定子和转子励磁磁场间“同性相斥,异性相吸”的原理使转子悬浮起来,同时产生推进力驱使转子在悬浮状态下运动。磁悬浮电机的研究越来越受到重视,并有一些成功的报道。如磁悬浮电机应用在生命科学领域,国外已研制成功的离心式和振动式磁悬浮人工心脏血泵,采用无机械接触式磁悬浮结构不仅效率高,而且可以防止血细胞破损引起溶血、凝血和血栓等问题。磁悬浮血泵的研究不仅可以解除心血管病患者的疾苦,提高患者生活质量,而且对人类延续生命具有深远意义。
三、磁悬浮球控制系统的工作原理
图1 磁悬浮球控制系统功能图
电磁铁绕组中通以一定的电流,产生电磁力,只要控制电磁铁绕组中的电流,使产生的电磁力与钢球的重量相平衡,钢球就可以悬浮在空中,处于不稳定的平衡状态。这是由于电磁铁与钢球之间的电磁力大小与相互之间的距离成反比,只要平衡状态稍微受扰动,就会导致钢球掉下来或被电磁铁吸住,为此必须实现闭环控制。采用电光源和传感器组成的测量装置测量钢球与电磁之间的距离y的变化,当钢球受到扰动下降,与电磁铁之间的距离增大时,控制电磁铁控制绕组中的控制电流相应增大,则钢球又被吸回到品衡状态,反之亦然。
以上讨论的是钢球在垂直方向的控制,为了使钢球能稳定地在空中悬浮,钢球在水平方向上也应有一定的稳定范围。为了解决这个问题,将电磁铁铁心指向钢球的一端呈锥体形,如图1示。当钢球在水平方向上偏离中心平衡位置时,电磁力重新指向钢球表面的发向方向。此力可分解为垂直方向和水平方向两个分量,水平方向分量使钢球恢复到原中心平衡位置。
四、对磁悬浮球控制器进行理论设计
首先建立数学模型得到钢球的数学模型为:
选取模型参数
通过对磁悬浮球控制系统的性能分析最终确立系统数学模型。
所以,磁悬浮球控制器校正后的传递函数为:
五、传递函数G(s)的性能分析
由图2示可以知道,该系统由较宽的带宽,截至频率比较大,所以控制系统有较快的快速性;相角裕度越小,系统的阻尼特性越好,动态过程较为平稳;高频斜率大,控制系统有较强的抗干扰能力,钢球能稳定地悬浮。
(作者单位:王丽茹,山东省青岛科技大学;
超导磁悬浮技术在南极望远镜中的应用 篇4
社会发展中对于电能需求越来越大, 促进了电力企业的长足发展, 当前的技术还不能满足电力工业的发展。电力企业开始尝试使用新技术设备, 其中超导电力技术的应用具有显著成效, 对于提高电力系统的运行效率、提升运行的安全稳定性发挥了不可替代的重要作用。
1 超导电力技术概述
超导电力技术是应用物理学中的电力原理, 利用超导体材料的物理性质, 与电力工程相结合的一门新技术。近些年来超导电力技术得到了西方国家的高度重视, 美国把这门技术纳入到制定的电网规划当中, 计划借助其技术在全美进行骨干电网的建设, 由此将其技术摆在了突出位置。众多学者一致认可在21 世纪中超导电力技术会成为电力工业一种为数不多的高新技术储备, 一些发达国家也一致认为高温超导电力技术将会是未来电力工业发展的一大趋势, 具有重要的经济战略意义[1]。
我国对于超导电力技术同样给予了高度重视, 各大高校极力研究超导技术, 并取得了很大进步, 但是仍然与发达的国家在技术水平上有很大的差距。但是无论怎样, 发展超导电力技术已经成为电力工业的发展趋势, 无论如何我国都不会放弃对这项技术的研究。
超导电力技术研究内容纷繁复杂, 与多种学科领域有着紧密的联系, 对于研究工作还存在着很大的困难。在未来高温超导产品是在其技术发展而来的主要产品, 对于保证供电系统的安全可靠性, 提高电网电能质量都有着意义深远的作用。
2 超导电力技术在未来智能电网中的应用
2.1 提高系统小干扰稳定性
尽管在未来可再生能源是世界工业生产最主要的使用方向, 将会有更多的可再生能源应用到智能电网当中, 我国还是按照大电网、大机组的发展方向, 远距离大容量的电能输送是我国智能电网主要处理的建设工作, 使得系统运行的动态安全性大为降低。
小干扰是否稳定与在一定区域内联络线的功率振荡有着很大关系。如果超出功率限制的部分在输电系统中能够得到实时补偿, 能够做到当过低的功率时释放一定的功率, 当过高的功率时吸收一定的功率, 这样就可以使得联络线功率达到平稳状态, 小干扰稳定性也就会得到相应的提高。在大规模互联系统中有储能系统的设置, 储能系统起到在短时间内快速充电和放电的作用, 支持有功与无功功率的提供, 可以实时地对线路功率通过附加阻尼控制器来完成, 阻尼系统振荡[2]。
增强互联系统中的电气联系同样能够提高系统动态稳定性, 通常采用大于500k V的特高压输电系统来增强电气联系。但是特高压输电系统的设计制造较为困难, 特别是在电缆上设计制造的要求极为严格苛刻, 因此超导材料制成的电缆为增强电气联系, 从而提高系统动态稳定性发挥了重要作用。由超导材料制成的电缆具有损耗小、传输容量大等优点, 是提高电能传输切实可行的解决方法。在超导情况下超导电缆技术的阻抗很小, 由此增强了互联系统的电气联系, 大大提高了小干扰安全性。
2.2 提高系统暂态稳定性
智能电网的“智能”重点体现在针对影响电力系统的不安全因素具有自治与自我治愈的能力, 能够从根本上保证安全稳定可靠的电网运行。在未来为了更好地促进电网发展, 要求在智能电网中能量流动具有双向性, 这就要求新技术设备能够对电力系统扰动起到良好地缓解消除作用。
大型超导储能装置在大型电网系统中以其反应快速的特点, 对于控制暂态稳定起到了很重要的作用。在发生故障情况下迅速进行有功与无功, 增加了系统的可靠性, 与大电网稳定装置相比, 还具有过剩能量回收的优点, 不至于使过多的资源流失。超导储能系统被看做是一种具有灵活性的交流输电系统, 具有强大的功能, 使暂态稳定性大为提升。
当发生故障的时候, 暂态稳定性能够及时将故障部分隔离, 当故障不能及时得到隔离, 对于暂态稳定性的研究是无稽之谈。短路电流水平随着电网容量逐渐扩大而提高, 如果按照短路水平进行对电气设备的设计, 设计制造的成本将会增加, 严重情况下会影响到选型。现今从运行方式与电网结构方面考虑降低短路电流, 势必会花费一笔巨大的费用, 产生系统运行不稳定的问题。近年来针对短路电流现象的限制, 采用了超导故障限流器进行对其限制, 是一种新兴的技术设备, 可以在短时间内将零电阻转换成高阻值, 使短路电流现象得到有效地控制, 体现出对于保证快速准确性的暂态稳定要求。
所以针对上述对于系统暂态稳定性的论述中可以知道, 超导故障限流器对于保证暂态稳定性具有重要的作用, 该技术设备犹如坚固的天然屏障能够将故障问题很好地隔绝, 以免系统运行不再受故障的打扰, 能够对不平衡的有功功率进行补偿, 极大地促进了系统暂态安全稳定性能的长久性。
2.3 提升电网的抗打击能力
电网系统的正常运行也会受到外界因素的影响, 外界因素包括自然环境与人为因素的影响, 这就要求电网要对外界因素有良好地抵御能力, 在受到外部打击的情况下, 仍然能够保持系统的正常稳定运行。
对于抗打击能力, 重要一点是重要负荷的供电, 中小型的超导储能系统在配电系统中具有很多优势, 如反应速度快等特点, 可以在特殊紧急情况下作为备用的电源保护敏感负载。针对电网的抗打击能力, 在系统受到外部因素的影响下, 重要负荷还能够进行大量电力的输送。超导电缆技术运行电压比较低, 所以运行中低电压的情况下, 超导电缆充当起了搬运工的角色, 将巨大的电能传入城市负荷中心。即使输电走廊受到了较为严重的破坏, 也能够维持重要负荷正常持续的供电。所以超导电缆对突如其来的情况, 对外界因素的抗打击方面有着广阔的应用前景。
2.4 提升电网的电能质量
在信息化技术快速发展的今天, 电网电压不稳定的波动对于信息系统的正常运行, 对工业产品的质量都有着不可小觑的影响。超导储能设备起到了调节有功和无功功率, 通过功率的调节功率因数进行调节, 对瞬时波动起到很好地控制作用, 促使电网频率稳定下来, 电网次谐波振荡达到平衡状态, 这使得供电质量得到了改善, 这是超导储能设备在配电方面发挥重要作用的体现[3]。在输电方面, 大型超导储能装置对于提升大功率远距离输变电系统的电网电能质量也具有重要作用。为了避免频率波动, 其装置进行瞬时吸收与释放能量, 促使电压波动小, 保证电压的稳定性。
3 结束语
综上所述, 文章从两个方面对超导电力技术在未来智能电网应用展开了论述。第一部分是对超导电力技术基本概念的论述, 可以知道超导电力技术是超导材料与电学工程相结合发展而来的一种重要技术。第二部分从四个方面对其技术在未来智能电网中的应用, 可以看出超导电力技术在未来智能电网中的应用体现在提高系统小干扰稳定性等。作为一种经济战略意义的高新技术, 未来在外界因素抵御能力等方面将会有很大的改观。目前其技术的应用还处于探索阶段, 不过对此应抱以十足的信心, 相信通过长期夜以继日的深入研究, 其技术将会更加成熟, 得到更广泛的应用。
参考文献
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