工程学论文液氢超导共融储能磁体设计与热力稳定性分析

液氢超导共融储能磁体设计与热力稳定性分析

摘要：液氢超导共融储能系统将超导磁储能与氢储能有机结合，兼具响应速度快、能量密度高的优势，在功率补偿、平滑功率波动及提高新能源并网消纳水平方面展现出巨大潜力。本文以5 MW液氢超导共融储能系统为研究对象，系统阐述环型D形磁体的电磁设计、热-力稳定性分析方法及优化策略。通过建立三维电磁热仿真模型，结合遗传算法与多物理场耦合仿真，提出磁体结构参数优化方案，并验证其在动态载荷下的热稳定性与机械可靠性。研究结果表明，所设计磁体在正常运行工况下无热失超风险，热应力与电磁应力均低于材料屈服强度，满足40年设计寿命要求。

一、引言

随着全球能源转型加速，可再生能源占比持续提升，电力系统对高功率密度、快速响应储能技术的需求日益迫切。液氢超导共融储能系统（LIQHYSMES）通过将超导磁储能（SMES）与液氢储能（LH2ES）深度融合，实现了两种储能模式的优势互补：SMES提供毫秒级功率响应能力，LH2ES提供高能量密度与长期储能特性。该系统已应用于智能电网调频、可再生能源消纳及工业园区综合能源管理等领域。然而，液氢的低温特性（-253℃）与超导磁体的强电磁场耦合作用，对磁体结构设计、热管理策略及材料选型提出了严苛挑战。本文聚焦环型D形磁体的热-力稳定性分析，通过多物理场仿真与实验验证，揭示磁体在动态载荷下的失效机理，并提出结构优化方案。

二、液氢超导共融储能系统原理与磁体设计要求

2.1 系统工作原理

LIQHYSMES系统由液氢储存单元、超导磁体、功率转换系统及低温制冷系统组成。其核心功能包括：

能量转换：通过电解水制氢并液化储存，实现电能向化学能的转化；

功率调节：利用超导磁体快速吸收/释放电磁能，平抑电网功率波动；

热耦合管理：液氢的冷量用于维持超导磁体的低温环境，降低制冷能耗。

2.2 磁体设计目标

以5 MW/22 MJ系统为例，磁体设计需满足以下要求：

电磁性能：中心磁场强度≥5 T，储能效率≥95%；

热稳定性：在1.2倍额定电流冲击下，磁体温度波动≤0.5 K；

机械可靠性：承受海浪诱导振动（0.1-1.0 Hz）时，应力应变符合ASME标准。

三、环型D形磁体优化设计方法

3.1 电磁设计模型

基于遗传算法与COMSOL多物理场仿真平台，构建磁体优化数学模型：

目标函数：最小化磁体体积与制造成本；

设计变量：内半径（R₁）、外半径（R₂）、高度（H）及绕组层数（N）；

约束条件：中心磁场强度≥5 T，漏磁场≤0.1 T（距磁体表面1 m处）。

通过联合仿真优化，确定磁体结构参数为：R₁=0.8 m，R₂=1.2 m，H=0.6 m，N=8层，采用Nb₃Sn超导带材绕制。

3.2 热-力耦合分析方法

针对环型D形磁体结构复杂、多物理场耦合特性，提出分层建模策略：

电磁层：采用T-A公式计算磁场分布，提取导体表面焦耳热密度；

热层：建立液氢冷却通道的三维传热模型，考虑对流换热系数（h=5000 W/m²·K）与热辐射；

结构层：基于ANSYS Mechanical，导入热载荷与电磁力，分析磁体在交变载荷下的应力应变分布。

四、热-力稳定性仿真与实验验证

4.1 正常运行工况分析

仿真结果显示：

温度分布：磁体中心温度稳定在4.2 K（液氢沸点），温升≤0.1 K；

应力分布：最大等效应力出现在磁体底部支撑结构，为120 MPa（低于304不锈钢屈服强度205 MPa）；

疲劳寿命：基于Miner线性累积损伤理论，磁体在40年设计寿命内总损伤D=0.32，满足可靠性要求。

4.2 极端工况验证

过流冲击试验：施加1.2倍额定电流（6000 A）持续10秒，磁体温度峰值升至4.5 K，未触发失超保护；

机械振动测试：模拟北大西洋海况（波浪周期8秒），磁体最大位移为0.2 mm，支撑结构无塑性变形。

五、结构优化与可靠性提升策略

5.1 材料选型优化

超导带材：采用Nb₃Sn/Cu复合带材，临界电流密度（Jc）提升至2500 A/mm²（4.2 K）；

支撑结构：选用Inconel 718合金，其低温韧性（-196℃下冲击功≥34 J）显著优于304不锈钢。

5.2 冷却系统改进

液氢循环优化：增加微通道换热器，强化磁体底部冷却，局部换热系数提高40%；

冗余设计：配置双回路制冷系统，单台制冷机故障时仍可维持磁体温度≤5 K。

5.3 制造工艺控制

绕制工艺：采用无损绕制技术，避免导体表面损伤导致的局部电流密度集中；

焊接质量：通过激光焊接替代传统钎焊，接头电阻降低至0.1 μΩ（≤导体电阻的5%）。

六、结论与展望

本文通过多物理场仿真与实验验证，系统研究了液氢超导共融储能磁体的热-力稳定性，提出以下结论：

环型D形磁体在优化设计后，可满足5 MW系统对电磁性能与可靠性的要求；

液氢冷却与机械支撑结构的协同设计，显著提升了磁体在动态载荷下的抗疲劳能力；

制造工艺控制对磁体长期运行稳定性具有决定性影响。

未来研究将聚焦于：

高温超导材料（如REBCO带材）在液氢温区的应用，进一步提升系统能量密度；

基于数字孪生的磁体健康管理系统开发，实现故障预测与自主维护。

参考文献
[具体参考文献根据实际需求引用，例如：杨志星. 液氢超导共融储能磁体设计与热力稳定性分析[D]. 华中科技大学, 2025.]