Dar mažiausiai pusę amžiaus laivai savo išvaizdos pastebimai nepakeis. Tačiau jau dabar mokslininkai ir dizaineriai svajoja apie visiškai kitokius, superlaidžius laivus, su kuriais palyginus dabartiniai, varomi anglimi ir nafta, su įprastais sraigtais atrodys visiškai pasenę.
Naujo tipo laivo judėjimas – kaip parodytas aukščiau – bus pagrįstas superlaidumo reiškiniu, kai kai kurie metalai itin žemoje temperatūroje nustoja priešintis elektros srovei. Jei elektros srovė vieną kartą praleidžiama per superlaidžią medžiagą, ji gali tekėti per superlaidininką beveik neribotą laiką. Todėl superlaidumą naudojantys įrenginiai turi būti itin efektyvūs. Šiuo metu fizikai susiduria su užduotimi surasti medžiagas, kurios kambario temperatūroje arba šalia jos virstų superlaidžia būsena. Tačiau dar prieš sukuriant tokias medžiagas, skystas azotas gali būti naudojamas kaip superlaidžių įrenginių aušinimo skystis.
Aukščiau pateiktame paveikslėlyje parodytas vieno iš siūlomų superlaidžių varomųjų mechanizmų skerspjūvis. Jame superlaidieji magnetai turi milžinišku greičiu išmesti vandenį iš purkštukų, taip sukurdami trauką indo judėjimui. Šio tipo įrenginiai eksploatuodami turėtų sunaudoti labai mažai elektros energijos.
Viršuje pavaizduotas fiktyvus laivas, sklandantis vandeniu daugiau nei 60 mylių per valandą greičiu. Vietoj įprastų degalų tokia greitaeigė transporto priemonė judėjimui naudos ekonomiškus superlaidžius elektromagnetus. Naujo tipo laivai, kurie šiuo metu kuriami, gali pasirodyti ir pradėti eksploatuoti XXI amžiaus pradžioje.
Kai kurie kūrėjai mano, kad superlaidi varomoji jėga ilgainiui pakeis įprastinius jūrų transporto varomuosius įrenginius. Naujajame įrenginyje jūros vanduo teka į centrinį vamzdį. Jo viduje yra daugybė kanalų. Kiekvieno viduje yra du elektrodai, tarp kurių teka elektros srovė. Išorėje kanale sumontuota superlaidi ritė, sukurianti magnetinį lauką. Ritės viduje esančių elektrinių ir magnetinių laukų sąveika sukuria jėgą, kuri išstumia vandenį iš kanalo.
Nuotraukoje:
1 - jūros vandens įsiurbimo vamzdis
2 - Varomasis mechanizmas
3 – jūros vandens pratekėjimo kanalas
4 - elektrodas
5 - Ritė iš superlaidžios medžiagos
6 - Magnetinis srautas
7 - Jūros vandens išleidimo vamzdis
Dvigubiam varikliui elektromagnetų mazgai I gali būti išdėstyti po laivo korpusu. Kiekviename tokiame įrenginyje šeši elektromagnetai sukuria magnetinį lauką. Kiekvienas toks elektromagnetas susideda iš superlaidžios ritės ir dviejų elektrodų.
Nuotraukoje:
1. - Vakuuminė ertmė
2. - Vakuuminė kamera
3. - Skystas helis
4. - Elektrodas
5. - Termoizoliacinis padas
6. Vandens kanalas.
Ši piršto taisyklė rodo, kuria kryptimi atsiranda jėga, veikianti tokioje ritėje, kai sąveikauja elektrinis ir magnetinis laukai. Kairiuoju rodomuoju pirštu nukreipiame išilgai magnetinio lauko, viduriniu – elektros srovės kryptimi, tada atviras nykštys parodys, kuria kryptimi veiks jėga.
Projektas „Inovatyvi energetika/superlaidininkių pramonė“Remiantis ekspertų prognozėmis (WORLD ENERGY OUTLOOK FACTSHEET; IEA), pasaulinis elektros suvartojimas 2011-2035 m. padidės daugiau nei 2/3 Elektros nuostoliai Rusijos energetikos sistemoje, Rusijos energetikos ministerijos duomenimis, siekia 13-15 proc. Valstybinės korporacijos „Rosatom“ projektas „Inovatyvi energetika/superlaidininkių pramonė“ skirtas sukurti inovatyvią techninę bazę šalies ekonomikos energetiniam efektyvumui gerinti.
Projektas buvo patvirtintas komisijoje prie Rusijos Federacijos prezidento dėl Rusijos ekonomikos modernizavimo ir technologinės plėtros prioritetinėje srityje „Energijos vartojimo efektyvumas“ 2009 m. spalio mėn., jo įgyvendinimo laikotarpis – 2010–2015 m.
Siekdama panaikinti antrosios kartos aukštatemperatūrių superlaidininkų (HTSC-2) vidaus plėtros atsilikimą, „Rosatom State Corporation“ įsigijo tokių superlaidininkų gamybos technologiją iš Vokietijos įmonės „Bruker HTS“. Iškeltas uždavinys iki 2015 metų sukurti inovatyvios superlaidininkų pramonės pagrindus, sukurti daugybę prototipų įrenginių, pagrįstų aukštos temperatūros superlaidumo efektu, ir padėjus pagrindus pramoninei antros kartos aukštos temperatūros superlaidininkų gamybai.
Darbe dalyvavo daugiau nei 20 mokslo, pramonės ir dizaino organizacijų, įskaitant: IAE, NIIEFA, IHEP, FIAN, IMET, KIPT, IMP SB RAS, VEI, VNIINM, VNIIKP, NIITFA, Kristall, UMP, ChMZ, Kirskabel, Elektrosila , MEPhI, MAI, SUAI, MISiS ir kt.
1 pav. Projekto etapai 2010-2015 m [Rosatom State Corporation superlaidumo technologijų, pagrįstų HTSP-2, kūrimas, Pantsyrny V.I., Avdienko A.A. UAB „Rusijos superlaidininkas“, V visos Rusijos mokslinis ir gamybinis kompleksas „Nacionalinės inovacijų sistemos formavimo principai ir mechanizmai“, Dubna 2014 m.
Įgyvendinant projektą „Superlaidininkių pramonė“ buvo iškelti šie uždaviniai:
Sukurti buitines technologijas aukštos temperatūros superlaidininkų (HTSC) gamybai naudojant impulsinės lazerinės abliacijos metodą,
HTSC pagrindu sukurti superlaidžių įrenginių prototipą energijos tikslams:
Superlaidūs varžinio ir indukcinio tipo trumpojo jungimo srovės ribotuvai, skirti nuolatinės ir kintamosios srovės tinklams, kurių galia svyruoja nuo 5 iki 35 MW;
200 kW variklis,
1 MW generatorius,
Transformatorius, kurio galia 1000 kVA,
Indukcinis energijos kaupiklis, kurio energijos talpa 1 MJ,
kinetinės energijos kaupimo įrenginys, kurio energijos talpa didesnė kaip 5 MJ,
Srovė patenka į kriogenines sistemas, kurių srovės galia yra 15 kA.
Ateityje svarstoma sukurti aukštos temperatūros superlaidininkų pagrindu pagamintų elektros įrenginių gamybą. Komercinės energetikos požiūriu pagrindinės sritys yra superlaidininkų naudojimas kuriant kabelius ir energetikos elektrotechniką bei elektros energijos kaupimo įrenginius (indukcinius ir kinetinius kaupiklius).
Dėl itin mažų energijos nuostolių ir didelių srovių superlaidūs kabeliai pakelia tinklo įrenginių energijos vartojimo efektyvumą į naują lygį. Atsiranda iš esmės naujos sąlygos elektros energijos gamybos ir eksporto objektų išdėstymui. Superlaidumo efektu paremta elektros įranga ir jėgainės didina efektyvumo rodiklius geležinkelių ir jūrų transporto, energetikos, naftos ir dujų, gamybos ir kt. Superlaidumo sistemose yra superlaidūs magnetiniai įtaisai; kriogeninės saugyklos; kosminės platformos; kinetinės energijos kaupimo įrenginiai. Traukiniai, naudojantys magnetinės levitacijos efektą (MagLev), gali pasiekti iki 1000 km/h greitį. Kitas superlaidumo pritaikymas galėtų būti superlaidus kvantinis kompiuteris.
Pasak UAB „Russian Superconductor“ vadovo V.I.Pantsyrny, superlaidininkų naudojimas leis Rusijai gerokai sutaupyti sumažinant elektros nuostolius.
Fonas
Branduoliniai mokslininkai ilgą laiką dirbo su superlaidžių medžiagų kūrimo technologija. Nuo septintojo dešimtmečio techninius superlaidininkus pradėjo kurti Kurchatovo institutas ir pavadintas institutas. A.A. Bochvara. Nuo 1960 m Techninio superlaidumo problemas sprendžia NIIEFA, pavadinta vardu. D. V. Efremova, kurios pagrindinė kryptis buvo termobranduolinių reaktorių magnetinių sistemų kūrimas. Sukurta VNIINM vardu. A. A. Bochvaros, kompozitinių superlaidžių medžiagų technologijos buvo įdiegtos į pramoninę gamybą. Žemos temperatūros superlaidininkai (LTSC), kurių pagrindą sudaro superlaidus lydinys NbTi ir intermetalinis Nb3Sn, veikiantys 4,2 K (-268,9 °C) skysto helio temperatūroje, SSRS buvo naudojami pirmiesiems pasaulyje dideliems tokamakams (toroidinėms kameroms) sukurti. su magnetinėmis ritėmis) ) T-7 ir T-15 su superlaidžiomis magnetinėmis sistemomis.
40 metų patirtis sudėtinio NTSP srityje leido Rusijai dalyvauti tarptautiniame ITER termobranduolinio reaktoriaus kūrimo projekte. Kartu su pirmaujančiomis įmonėmis Europoje, JAV ir Japonijoje Rusija tapo viena superlaidininkų gamintojų. Siekiant užtikrinti superlaidžių medžiagų tiekimą ITER magnetinei sistemai, Čepetsko mechaninės gamyklos (ChMZ) pagrindu buvo organizuota pramoninė NTSP gamyba, kurios pajėgumas – 60 tonų per metus superlaidžių medžiagų. Nuo gamybos pradžios 2009 m. ITER buvo pagaminta ~99 tonos superlaidžių medžiagų Nb 3 Sn ir ~125 tonos Nb-Ti pagrindu.
Kitas svarbus žemos temperatūros superlaidininkų vartotojas yra medicininių magnetinio rezonanso skenerių gamyba.
1990-aisiais. prasidėjo naujas superlaidumo raidos etapas. Mokslininkai A. Mulleris ir J. Bednorzas iš IBM tyrimų laboratorijos Šveicarijoje 1985–1986 m. sintezuota metalo oksido keramika - lantano, bario, vario ir deguonies junginys (La-Ba-Cu-O ) , kurio superlaidumas buvo 35 K temperatūroje. Pasaulį apėmė naujų superlaidininkų paieškos karštinė. Kritinė La-Sr-Cu-O junginio temperatūra nuo 45 K pakilo iki 52 K La-Ba-Cu-O (esant slėgiui). 1987 m. vasarį amerikietis Paulas Chu susintetino junginį YBa 2 Cu 3 O 7 , kurios kritinė temperatūra siekė 93K, kirsdama „azoto liniją“. Aukštos temperatūros superlaidininkų (HTSC) atradimas padidino superlaidumo temperatūros ribą iki skysto azoto virimo temperatūros (77 K), daug pigesnio kriogeninio skysčio, kuris taip pat turi aukštas dielektrines savybes, panašias į transformatorių alyvą. 2006 m. sausio 1 d. rekordas priklausė keraminiam junginiui Hg-Ba-Ca-Cu-O(F), kurio kritinė temperatūra yra 138 K. Esant 400 kbar slėgiui, tas pats junginys yra superlaidininkas temperatūra iki 166 KJ Bednorzas ir K. Mülleris 1987 metais buvo apdovanoti Nobelio fizikos premija už aukštos temperatūros superlaidumo (HTSC) atradimą.
Kaip komercinis produktas, HTSC juosta pasaulinėje rinkoje pasirodė 2000-ųjų pabaigoje. Sukurti HTSC laidų ir kabelių pavyzdžiai; Superlaidžios keramikos pagrindu buvo gaminami HTSC varikliai, generatoriai, srovės ribotuvai, informacinės sistemos, antenų matricos, superlaidūs guoliai ir kiti gaminiai. 2004 m. buvo sukurti visų elektros prietaisų superlaidūs prototipai.
Varžinės srovės ribotuvai, pagrįsti HTSP-2 juostomis, pagaminti amerikiečių kompanijos SuperPower, buvo prijungti prie Silicon Valley Power tinklo Kalifornijoje 2013 m. Kitas srovės ribotuvas buvo prijungtas prie Centrinio Hudsono tinklo Niujorko valstijoje 2014 m. birželio mėn. Pirmasis pasaulyje 2014 m. rugsėjį Esene (Vokietija) buvo paleistas pramoninis superlaidus 1 km ilgio kabelis, jungiantis dvi miesto pastotes. Projekto „AmpaCity“ trifazis 10 000 V koncentrinis kabelis buvo skirtas perduoti 40 MW galios.
Projekto „Superlaidininkių pramonė“ tikslai
Patronuojančią įmonę projekto įgyvendinimui patvirtino valstybinė korporacija „Rosatom“, darbų koordinavimas patikėtas UAB „Russian Superconductor“, mokslinis vadovavimas – Nacionaliniam tyrimų centrui Kurchatovo institutui.
Šios programos Nr. 1 buvo „technologijų kūrimas ir bandomosios antrosios kartos ilgos juostos aukštos temperatūros superlaidininkų (HTSC-2) ir tūrinės keramikos HTSC gamybai sukūrimas“. UAB NIIEFA ir UAB NIITFA veikė kaip pagrindiniai HTSP-2 pusgaminių technologijų kūrėjai UAB VNIINM, UAB GIREDMET.
Pramonė gamina dviejų tipų medžiagas, pagrįstas aukštos temperatūros superlaidumu – 1 ir 2 kartos HTSC medžiagas. 1-osios kartos HTSC yra juostelės, sudarytos iš bismuto oksido pagrindu pagamintų superlaidininkų gijų, implantuotų į sidabro matricą. Jų trūkumai yra dideli šilumos srautai ir mechaninis trapumas, taip pat didelė kaina dėl sidabro matricos.
2 kartos HTSC juostos turi sluoksniuotą struktūrą. Ant pagrindo paeiliui uždedamas buferinis sluoksnis, apsaugantis metalinį paviršių, HTSC sluoksnis ir apsauginis sluoksnis – metalinė juosta. 2-os kartos HTSC juostos turi daug privalumų, palyginti su HTSC-1 juostomis:
Mažesnė kaina (pigesnės medžiagos);
Didesnis kritinės srovės tankis ir mažesni kintamosios srovės nuostoliai;
Didesnis mechaninis stiprumas;
Gebėjimas dirbti stipriuose magnetiniuose laukuose.
Iš Vokietijos įmonės Brucker HTS įsigytos bandomosios HTSC-2 juostų gamybos gamyklos pagrindu Kurchatovo instituto tyrimų centre buvo įrengta eksperimentinė 4 mm pločio ir 100 m ilgio HTSC-2 juostų gamybos linija ( 2 pav.).
„Rosatom“ bandomoji aukštos temperatūros superlaidžių medžiagų gamyba buvo organizuota trijose vietose:
UAB VNIINM gamina pagrindo juostą, ant kurios NIITFA užtepamas orientuotas sluoksnis. Ten VNIINM sukūrė technologiją, skirtą visų tipų taikinių buferio ir superlaidžių sluoksnių nusodinimui gaminti;
UAB NIITFA eksploatuoja bandomąją iki 1000 m ilgio substrato juostų su orientuota buferine danga, pagrįstą orientuotu jonų purškimu, gamybos aikštelę;
UAB NIIEFA yra įrengta bandomoji HTSC-2 juostų iki 1000 m ilgio gamybos aikštelė (3 pav.), kur likę sluoksniai, įskaitant superlaidžios oksidinės keramikos sluoksnį, yra padengiami ant juostos purškiant lazeriu.
2015 m. pradėta bandomoji ilgo ilgio HTSC-2 gamyba NIIEFA ir NIITFA. Ši strategija leido Rusijoje sukurti pasaulinio lygio aukštatemperatūrių superlaidininkų medžiagų mokslo centrą, kurti ir gaminti unikalius pramoninius mastelio įranga HTSC-2 juostiniams laidininkams gaminti. Buvo sukurtos buitinės technologijos ir sukurtos bandomosios aikštelės reikalingų pradinių medžiagų gamybai. UAB „Russian Superconductor“ pradėjo bandomąją masinių aukštos temperatūros superlaidininkų gamybą.
2 pav. Iki 100 m ilgio HTSC-2 gamybos linija
Pramoninę HTSP-2 gamybą planuojama sukurti ChMZ pagrindu. Čepetsko mechanikos gamykla turi didelį technologinį potencialą įgyvendinti aukštųjų technologijų projektus įvairiose taikymo srityse, įskaitant superlaidumą aukštoje temperatūroje, todėl 2012 m. TVEL OJSC ir ChMZ OJSC buvo patikėta rinkti pradinius duomenis ir atlikti preliminarų techninį ir ekonominį tyrimą. VTSP-2 naujos pramoninės gamybos sukūrimo įvertinimas.
Sėkmingam HTSC technologijų komercializavimui turi būti sukurti įvairūs elektros prietaisai (varikliai ir generatoriai, srovės ribotuvai, energijos kaupikliai ir kt.), kuriais būtų suinteresuoti vartotojai, nes ateityje jų naudojimas leis sumažinti kilovato kainą. valanda vartotojui.
Palyginti su to paties dydžio varine viela, HTS kabelis gali
perduoda 5 kartus daugiau energijos, nepaisant to, kad yra aušinimo sistema.
Papildomas superlaidžių įrenginių sąnaudas kompensuoja padidėjęs jų energijos vartojimo efektyvumas. 300 MW galios perduoti į
paskirstymo įtampa 10-20 kV, reikia 36 įprastų kabelių, kurie nutiesti iki 8 m pločio kabelio kanale Ta pati galia gali būti perduodama vienu HTSC kabeliu, kurio skersmuo yra 11 cm, atsižvelgiant į vėsinimo sistema.
Remdamasis HTSC kabelio panaudojimo Maskvos tinklo infrastruktūroje pavyzdžiu, „Russian Superconductor“ parodė, kad šie sprendimai yra 20% pigesni, palyginti su tradicinėmis technologijomis. Federalinės elektros tinklų bendrovės (STC FSK) mokslinis ir techninis centras sukūrė naujo formato elektros perdavimo liniją, skirtą Maskvai, Sankt Peterburgui ir kitiems didžiausiems Rusijos miestams - kabelines nuolatinės srovės elektros linijas, pagrįstas aukštos temperatūros superlaidumu (HTSC-). CLPT). HTSC-CLPT naudojami tais atvejais, kai reikia paskirstyti didelius elektros srautus žemoje įtampoje (10 kV arba 20 kV) tiesiai iš šiluminių elektrinių generatorių įtampos magistralių arba maitinimo pastočių magistralių. Tuo pačiu schemoje neįtraukti didinamieji ir žeminamieji transformatoriai, reikalingi didelei galiai perduoti (pavyzdžiui, 20/110 kV ir 110/20 kV), ir panaikinama arba pakeičiama miesto oro linijų statyba. erdvė. Aukštos temperatūros superlaidūs kabeliai leidžia ženkliai sumažinti nuostolius elektros tinkluose, o superlaidūs srovės ribotuvai ženkliai padidina elektros energijos tiekimo patikimumą.
3 pav. Įranga bandomajai VTSP-2 gamybai, kurios ilgis iki 1000 m, remiantis nusodinimu lazeriu (NIIEFA)
Kitas perspektyvus superlaidininkų naudojimo sektorius yra transportas. 2014 m. „Rosatom“ pasirašė susitarimą su Rusijos geležinkeliais dėl mokslinio ir techninio bendradarbiavimo, apimantį HTSC įrenginių kūrimą:
Elektros instaliacijos lokomotyvams,
Traukos pastočių srovės ribotuvai,
Magnetinės levitacijos efekto naudojimas greitiesiems traukiniams.
Miesto transporte svarstoma apie superlaidžių variklių ir energijos kaupimo įrenginių naudojimą elektriniuose autobusuose.
Vykdomi darbai, susiję su aukštos temperatūros superlaidininkų panaudojimu laivų statyboje elektrinėms varomosioms sistemoms ir aviacijoje kuriant visiškai elektrinius orlaivius.
Naujoviškam energijos gamybai, paremtai atsinaujinančiais energijos šaltiniais (AEI), žadama sukurti superlaidžius generatorius, skirtus didelės galios vėjo turbinoms (WPP), kurie, lyginant su tradiciniais generatoriais, gali žymiai sumažinti įrenginių svorį ir matmenis. Geriausias variantas – sukurti autonominius kompleksus – vėjo jėgaines su superlaidžiu generatoriumi ir energijos kaupikliu.
„Russian Superconductor“ plėtros direktoriaus V. I. Pantsyrny skaičiavimais, HTSC rinkos apimtis nuo 1,8 mlrd. USD 2015 m. išaugs iki 5,8 mlrd. USD iki 2022 m. O 2040 m. bendra HTSC technologijos paklausa sieks 6 USD. 17 mlrd.
Superlaidžių elektros mašinų privalumai
Visiems tipams būdingų superlaidžių elektros mašinų pranašumai yra šie:
Sumažėję nuostoliai ir padidėjęs efektyvumas (iki 0,5-1,0%),
Patobulintos svorio ir dydžio charakteristikos (2-3 kartus),
Sumažėjusios reaktyvumo vertės,
Sumažintas energijos suvartojimas gamybos proceso metu (iki 30%),
Lėtesnis elektros izoliacijos senėjimo procesas,
Aplinkos sauga.
Elektriniai prietaisai, pagrįsti HTSC
NIITFA - SOT buvo sukurtas 3,5/10/35 kV tinklų trumpojo jungimo srovės ribotuvo (SOT) prototipas, pagrįstas HTSC-2 varžiniu tipu, nuolatinei 3,5 kV įtampai, vardinei srovei 2 kA. Techninės fizikos ir automatikos tyrimo instituto bandomoji produkcija gali pagaminti 10-15 SOT per metus. SOT, modifikuotas remiantis prototipo bandymų rezultatais, bus naudojamas geležinkelio traukos energijos tiekimo sistemoje.
Diegiant alternatyvius energijos šaltinius reikės specialių sprendimų, kaip juos įtraukti į esamus energijos tinklus, įskaitant energijos kaupimo klausimą. Superlaidieji energijos kaupimo įrenginiai taip pat naudojami kuriant nepertraukiamo maitinimo šaltinius ir kaip transporto energijos sistemų elementai. Kinetinės energijos kaupimo įrenginį (KES) su superlaidžia magnetine pakaba sukūrė Maskvos aviacijos institutas. 2015 m. gruodžio mėn. NIIEM JSC (Istra) bandymų stende buvo išbandytas 5 MJ energijos talpos CNE prototipas su HTSC magnetine pakaba.
MAI taip pat sukūrė superlaidų elektros variklį transporto sistemoms. Elektros prietaisų svorio ir dydžio parametrų sumažinimas naudojant HTSC medžiagas yra labai svarbus privalumas, kai jie naudojami transporte (aviacijoje, jūroje, geležinkelyje, automobiliuose). 4 paveiksle pavaizduotas 200 kW sinchroninio HTSC elektros variklio su HTSC-2 žadinimo apvijomis ant rotoriaus ir besisukančiu kriostatu prototipas. HTSC-2 magnetinės sistemos darbinė temperatūra yra 77K.
4 pav. HTSC elektros variklis, kurio galia 200 kW (MAI)
Vėjo energetikos plėtra įgauna pagreitį visame pasaulyje, įskaitant Rusiją. gavo teisę statyti 15 vėjo jėgainių, kurių bendra įrengtoji galia 360 MW. Vėjo energijos gamybos įrenginius planuojama statyti Krasnodaro teritorijoje ir Adygea, du įrenginiai Kurgano regione. Vėjo energija taip pat bus paklausa ekonominiams objektams Arkties pakrantėje. Bendrovės „Elektrosfera“ padalinys „Vetropark Engineering“ Sankt Peterburgo užtvankos teritorijoje ketino statyti vėjo jėgainę iš 30 vėjo jėgainių. Bendra vėjo jėgainių parko galia turėjo būti 100 MW. Kol kas vėjo jėgainių parkas tebėra projekto stadijoje.
MAI specialistų komanda, vadovaujama K. L. Kovaliovo (bendradarbiaudama su NIIEM, AKB „Yakor“, GUAP, NIF „Cryomagnet“ darbuotojais), sukūrė kompaktišką HTSC sinchroninį generatorių vėjo jėgainėms, kurios galia yra 1 MVA su HTSP-. 2 žadinimo apvijos ant rotoriaus ir besisukantis kriostatas. HTSC-2 sistemos darbinė temperatūra yra 77K.
Kiekvieno 6 MW generatoriaus energijos nuostoliai sumažės 170 kW. Eksploatuojant 6000 valandų per metus, sutaupoma 3 mln. rublių per metus kiekvienam generatoriui. Vienodos galios superlaidžių generatorių svoris ir matmenys yra 3-4 kartus mažesni nei tradicinių.
Sankt Peterburge „NIIEFA pavadintas. D.V. Efremova“ buvo sukurtas indukcinis energijos kaupiklis (SPIN) su HTSC-2 magnetine sistema, kurios energijos talpa 1 MJ ir galia 1 MVA (5 pav.).
Indukciniai superlaidūs kaupikliai kaupia energiją magnetinio lauko pavidalu solenoidinėse arba toroidinėse magnetinėse sistemose. Ir jie leidžia greitai pašalinti sukauptą energiją, kuri yra svarbi specialioms impulsų sistemoms.
Nuo aštuntojo dešimtmečio NIIEFA buvo kuriami SPIN kaip perjungimo maitinimo šaltiniai įrenginiams, kurių galia yra 10 11 -10 12 W, esant 1-6 MA srovėms, kurių impulso trukmė yra 1-100 ms. Šiuolaikinės technologijos leido sukurti solenoidus, kurių sukaupta energija yra 12-17 MJ. Galima gaminti iki 30 MJ sukauptos energijos ir 1-5 MW galios srovės šaltinius, skirtus naudoti vietiniuose tinkluose. .
5 pav. HTSC SPIN 1 MJ
Įdomi superlaidininkų technologijos kryptis yra levitacijos efekto panaudojimas greitam transportui. Kinija ir Japonija tai daro. Po stipraus žemės drebėjimo, per kurį buvo labai pažeistas vienbėgis bėgis eksperimentinėje grandinėje Osakoje, japonai pirmenybę teikė transportavimui ant aukštos temperatūros superlaidininko (HTSC) pakabos. Pats traukinys su HTSC pakaba yra elektrinė mašina, o traukinio bėgiai iš tikrųjų yra statoriaus apvija. Tai, kas buvo sugadinta bandymo žiede Japonijoje po žemės drebėjimo, buvo greitai pataisyta.
Tarptautinio forumo „ATOMEXPO 2017“ parodos ekspozicijoje (Maskva, 2017 m. birželio mėn.) tarp inovatyvių branduolinės pramonės produktų ir technologijų lankytojams buvo pristatytas veikiantis magnetinės levitacijos sistemų su sumažintu energijos suvartojimu modelis, veikiantis principu. superlaidumo, taip pat sukurta UAB NIIEFA specialistų.
Projekto „Superlaidininkių pramonė“ rėmuose Energetikos institutas pavadintas. G.M. Krzhizhanovsky (JSC ENIN) sukūrė superlaidaus transformatoriaus prototipą.
Nėra izoliacijos senėjimo; trumpalaikės dvigubos perkrovos galimybė; galimybė gauti mažesnę trumpojo jungimo įtampos vertę; lengvesnis svoris ir matmenys, palyginti su įprastais transformatoriais, yra akivaizdūs HTSC medžiagų pagrindu pagamintų galios transformatorių pranašumai. HTSC transformatorių apkrovos nuostoliai esant vardinei srovei yra 80-90% mažesni, bendras svoris ~2 kartus mažesnis, o matmenys 2-3 kartus mažesni, todėl tokius transformatorius galima montuoti transporto paskirties elektros sistemose.
Sukurtas 1 MVA galios, 10/0,4 kV įtampos klasės trifazio HTSC transformatoriaus prototipas su HTSC-2 apvijomis ir magnetine šerdimi iš amorfinio plieno. HTSC-2 apvijų darbinė temperatūra yra 77K.
HTS transformatoriai labiausiai domina šalis, kuriose yra geležinkelių transporto sistema su tuneliais, tai yra matmenų apribojimai (Korėja, Japonija, Šveicarija).
Viena iš perspektyvių branduolinės energetikos plėtros sričių yra termobranduoliniai reaktoriai su magnetine plazma, kurių magnetinėje sistemoje naudojami ir žemos, ir aukštos temperatūros superlaidininkai. Srovės laidai, pagaminti iš HTSC medžiagų, naudojami kaip srovės laidai, skirti praleisti dešimčių kA sroves.
HTSC srovės laidus NTSC sistemoms sukūrė Kurchatovo NBICS komanda, vadovaujama V.E.Keilino (1933-02-26 - 2014-11-24). Pastaraisiais metais V.E.Keilinas aktyviai dalyvavo kuriant HTSC pramonės įrenginius: galingus aukštos temperatūros srovės laidus, superlaidžias elektros linijas, srovės laidus NICA greitintuvui Dubnoje. Jo darbas su superlaidžių magnetų ir aukštos srovės laidų kriostatais buvo plačiai pripažintas ir vis dar laikomas klasikiniu.
Buvo sukurti keli HTSC srovės laidų tipai:
Dėl greitintuvo technologijos,
Termobranduolinės sintezės įrenginiams,
Elektros energijos pritaikymas (HTSP kabelių jungtys),
Didelės srovės lankstūs HTSP-2 srovės laidai.
Sankt Peterburgo valstybinio aviacijos administracijos universiteto specialistų komanda, vadovaujama L. I. Chubraeva Buvo sukurtas kompaktiškas plūduriuojančios atominės elektrinės aukštos temperatūros superlaidininkų įrangos komplekso projektas, kuriam pritarė „Rosatom“ vadovybė. Rengiant projektą buvo atsižvelgta ir į plūduriuojančios atominės elektrinės vietą. Metalurgijos gamykla ir ligoninė, esanti netoli plūduriuojančios atominės elektrinės vietos, galėtų gauti skystojo azoto gamybos procese susidarantį deguonį, reikalingą plūduriuojančios atominės elektrinės aukštatemperatūriniams superlaidininkams. Darbas su projektu parodė, kad efektyviai superlaidininkių technologijai svarbu sukurti ne atskirus gaminius, o HTSC kompleksus, kuriuose atskirų įrenginių silpnąsias vietas padengtų bendras visos sistemos efektas, kuris gali turėti uždarą aušinimo kilpą. . Integruotas sprendimas leidžia sumažinti ne tik visos sistemos matmenis, bet ir sutaupyti išlaidas jos priežiūrai.
6 pav. Plaukiojančios atominės elektrinės HTSC įrangos kompleksas.
2014 m. gruodį Federalinės elektros tinklų bendrovės (FGC UES) moksliniame ir techniniame centre buvo pradėtas eksploatuoti superlaidžių įrenginių kriogeninių bandymų kompleksas. Suskaidyta kriogeninių stendų bazė Rusijoje stabdo superlaidininkų pramonės plėtrą. Kai kurias iš šių problemų išspręs modernizavus vieną iš pagrindinių šalies kriogeninių tyrimų įrenginių.
2015 m. lapkričio mėn. Rusijos mokslų akademijos Mechanikos, energetikos, mechanikos inžinerijos ir valdymo procesų katedros (EMPPU) Mokslinės tarybos posėdyje dėl taikomojo superlaidumo energetikos sektoriuje buvo pristatyti projekto „Superlaidininkių pramonė“ rezultatai. buvo pristatyti.
2015 m. pabaigoje buvo tęsiamos perspektyvios HTSC-2 gamybos kūrimo ir tobulinimo bei HTSC įrangos elektros energijos pritaikymo darbų programos.
Projektas „Superlaidininkių pramonė“ 2016-2020 m. (įvairios paskirties HTSC sistemos) prisiėmė SP sistemų sukūrimą elektros gamybos ir perdavimo įrenginiuose (hidroelektrinėse, atominėse elektrinėse, šiluminėse atominėse elektrinėse, vėjo jėgainėse) - elektrinių, naudojančių HTSC, elektros energijos gamybos komplekso statybą. viena sistema: kriosistema - generatorius - kabelis - transformatorius - SOT - SPIN (saugykla) - elektros linijos.
HTSC taikymas kosmose, jūroje, aviacijoje, automobiliuose, geležinkeliuose, įskaitant MAGLEV transportą, medicinoje (tomografai, ciklotronai), moksle (akceleratoriai) ir kt.
Šiandien susiformavo techninė superlaidumo infrastruktūra, vienijanti mokslo centrus, universitetus, pramonės įmones. Norint suformuoti superlaidžių gaminių rinką Rusijoje, reikalinga vyriausybės parama, dalyvaujant finansuojant darbus kuriant bendros įmonės energijos įrenginių, pagamintų iš vietinių superlaidininkų, superlaidininkų pramonės grupes.
Šiuo metu tęsiamas kito Superlaidininkų pramonės projekto programos etapo formavimas. Specialistų teigimu, norint pasiekti reikiamus HTSC parametrus, nereikėtų atsisakyti žemos temperatūros superlaidumo. Tyrimai šia kryptimi turėtų būti tęsiami. Taip pat reikalingas šuolis ieškant naujų superlaidžių medžiagų. Nepaprasto II tipo superlaidininko magnio diborido kritinė temperatūra yra 39 K, o tai reiškia, kad jį reikia aušinti neonu.
Sudėtingos aušinimo sistemos, reikalingos stabiliam helio lygio superlaidžių prietaisų veikimui, sutrukdė plačiai taikyti superlaidumo reiškinį. HTSC etape juos pakeitė kompaktiški ir patikimi įvairių tipų krio šaldikliai. Naujų medžiagų, galinčių išlaikyti superlaidžią būseną be aušinimo, sukūrimas bus revoliucinis ateities technologijoms. Tokių medžiagų naudojimas radikaliai padidins energijos skirstymo tinklų efektyvumą, o energetikos sektorių taps daug ekonomiškesnis.
Projekto „Superlaidininkių pramonė“ dalyviai pranešimus apie savo darbą pristatė Nacionalinėje taikomojo superlaidumo konferencijoje (NKPS-2015) Nacionaliniame tyrimų centre „Kurchatovo institutas“, Tarptautinėje mokslinėje konferencijoje „AtomTech-2015. Elektrofizika“, SPIEF 2015-2017 tarptautiniame forume „ATOMEXPO 2017“.
Konferencijoje „AtomTech-2015. Elektrofizika" UAB "Russian Superconductor" atstovai suskaitė pranešimus apie projekto metu atlikto darbo HTSC-2 technologijų ir pritaikymo energetikai ir transportui srityje rezultatus. UAB „Russian Superconductor“ plėtros direktorius V.I.Pantsyrny pranešė apie superlaidžių medžiagų ir technologijų, pagrįstų HTSC-2, panaudojimo perspektyvas Sankt Peterburge vykusiame tarptautiniame forume „Branduolinė energija darniam vystymuisi“ ir visos Rusijos moksliniame ir praktiniame renginyje. Konferencija „Nacionalinės inovacijų sistemos formavimo principai ir mechanizmai“ Dubnoje 2014 m. Eilė vardinių Mokslininkų namų posėdžių. Gorkis Sankt Peterburge.
Medžiagą apie kalbas minėtose konferencijose parengė T. A. Devyatova
Viena iš pagrindinių mokslo plėtros krypčių yra teoriniai ir eksperimentiniai tyrimai superlaidžių medžiagų srityje, o viena pagrindinių technologijų plėtros krypčių – superlaidžių turbogeneratorių kūrimas.
Superlaidi elektros įranga smarkiai padidins prietaiso elementų elektrines ir magnetines apkrovas ir taip smarkiai sumažins jų dydį. Superlaidžioje laidoje leistinas srovės tankis, 10...50 kartų didesnis už įprastų elektros įrenginių srovės tankį. Magnetinius laukus galima padidinti iki 10 Tesla dydžio, palyginti su 0,8...1 Tesla įprastose mašinose. Jei atsižvelgsime į tai, kad elektros prietaisų matmenys yra atvirkščiai proporcingi leistino srovės tankio ir magnetinio lauko indukcijos sandaugai, tai akivaizdu, kad superlaidininkų naudojimas leis daug kartų sumažinti elektros įrangos dydį ir svorį!
Pasak vieno iš naujų tipų kriogeninių turbogeneratorių aušinimo sistemos projektuotojų, sovietų mokslininkas I.F. Filippovo, yra pagrindo apsvarstyti ekonomiškų krioturbinų generatorių su superlaidininkais sukūrimo problemą spręstina. Preliminarūs skaičiavimai ir tyrimai leidžia tikėtis, kad naujų mašinų ne tik dydis ir svoris, bet ir efektyvumas bus didesnis nei pažangiausių tradicinės konstrukcijos generatorių.
Šiai nuomonei pritaria ir naujo superlaidaus KTG-1000 serijos turbogeneratoriaus kūrimo darbų vadovai, akademikas I.A. Glebovas, technikos mokslų daktaras V.G. Novitsky ir V.N. Šachtarinas. 1975 m. vasarą buvo išbandytas generatorius KTG-1000, vėliau – modelio kriogeninis turbogeneratorius KT-2-2, kurį sukūrė asociacija „Elektrosila“, bendradarbiaudama su Mokslų akademijos Fizikinio-techninio Žemų temperatūrų instituto mokslininkais. Ukrainos SSR. Bandymų rezultatai leido pradėti statyti žymiai didesnės galios superlaidų bloką.
Pateikiame kai kuriuos duomenis apie VNIIelektromash sukurtą 1200 kW superlaidų turbogeneratorių. Superlaidi lauko apvija pagaminta iš 0,7 mm skersmens vielos su 37 superlaidžiomis niobio-titano šerdimis varinėje matricoje. Išcentrinės ir elektrodinaminės jėgos apvijoje suvokiamos nerūdijančio plieno tvarsčiu. Tarp išorinio storasienio nerūdijančio plieno apvalkalo ir tvarsčio yra varinis elektroterminis ekranas, aušinamas šaltų helio dujų srautu, einančių per kanalą (po to jis grįžta į skystintuvą).
Guoliai veikia kambario temperatūroje. Statoriaus apvija pagaminta iš varinių laidininkų (aušinimo skystis yra vanduo) ir yra apsuptas feromagnetiniu skydu, pagamintu iš laminuoto plieno. Rotorius sukasi išsiurbtoje erdvėje izoliacinės medžiagos apvalkalo viduje. Vakuumo išsaugojimą korpuse garantuoja sandarikliai.
Eksperimentinis generatorius KTG-1000 vienu metu buvo didžiausias krioturbino generatorius pasaulyje pagal matmenis. Jo sukūrimo tikslas – sukurti didelių besisukančių kriostatų, helio tiekimo į superlaidaus rotoriaus apviją įtaisų konstrukciją, ištirti šiluminę grandinę, superlaidžio rotoriaus apvijos veikimą, aušinimą.
O perspektyvos tiesiog žavios. 1300 MW galios mašinos ilgis sieks apie 10 m, o svoris – 280 tonų, o įprastinės panašios galios mašinos ilgis – 20 m, o svoris – 700 tonų! Galiausiai sunku sukurti įprastą mašiną, kurios galia didesnė nei 2000 MW, tačiau naudojant superlaidininkus, iš tikrųjų galima pasiekti 20 000 MW vienetinę galią!
Taigi, medžiagų prieaugis sudaro maždaug tris ketvirtadalius išlaidų. Gamybos procesai yra supaprastinti. Bet kuriai mašinų gamyklai pagaminti kelias dideles elektrines mašinas yra lengviau ir pigiau nei daug mažų: reikia mažiau darbuotojų, mašinų parkas ir kita įranga nėra taip stipriai apkrauta.
Norint sumontuoti galingą turbogeneratorių, reikia palyginti nedidelio elektrinės ploto. Tai reiškia, kad sumažėja mašinų skyriaus statybos sąnaudos, o stotis gali būti pradėta eksploatuoti greičiau. Ir galiausiai kuo didesnė elektrinė mašina, tuo didesnis jos efektyvumas.
Tačiau visi šie pranašumai neatmeta techninių sunkumų, kylančių kuriant didelius energijos vienetus. Ir, svarbiausia, jų galią galima padidinti tik iki tam tikrų ribų. Skaičiavimai rodo, kad nebus įmanoma peržengti viršutinės ribos, kurią riboja 2500 MW turbogeneratoriaus, kurio rotorius sukasi 3000 aps./min. dažniu, galios, nes šią ribą pirmiausia lemia stiprumo charakteristikos: įtempiai Didesnės galios mašinos mechaninė konstrukcija padidėja tiek, kad išcentrinės jėgos neišvengiamai sugadins rotorių.
Daug rūpesčių kyla transportuojant. Norint gabenti tą patį 1200 MW galingumo turbogeneratorių, reikėjo pastatyti 500 tonų keliamosios galios ir beveik 64 m ilgio šarnyrinį konvejerį. Kiekvienas iš dviejų jo vežimėlių rėmėsi po 16 automobilių ašių.
Daugelis kliūčių savaime išnyksta, jei naudojate superlaidumo efektą ir naudojate superlaidžias medžiagas. Tada nuostoliai rotoriaus apvijoje gali būti praktiškai sumažinti iki nulio, nes nuolatinė srovė joje nepatirs pasipriešinimo. Ir jei taip, mašinos efektyvumas didėja. Didelė srovė, tekanti per superlaidžią sužadinimo apviją, sukuria tokį stiprų magnetinį lauką, kad nebereikia naudoti plieninės magnetinės šerdies, tradicinės bet kuriai elektrinei mašinai. Panaikinus plieną, sumažės rotoriaus masė ir inercija.
Kriogeninių elektrinių mašinų kūrimas – ne duoklė madai, o būtinybė, natūrali mokslo ir technologijų pažangos pasekmė. Ir yra pagrindo manyti, kad iki amžiaus pabaigos energetikos sistemose veiks superlaidūs turbogeneratoriai, kurių galia viršys 1000 MW.
Pirmoji Sovietų Sąjungoje elektrinė mašina su superlaidininkais buvo suprojektuota Leningrado Elektromechanikos institute dar 1962...1963 m. Tai buvo nuolatinės srovės mašina su įprastine („šilta“) armatūra ir superlaidžia sužadinimo apvija. Jo galia buvo vos keli vatai.
Nuo tada instituto (dabar VNIIelektromash) komanda dirba kurdama superlaidžius turbogeneratorius energetikos sektoriui. Per pastaruosius metus buvo galima pastatyti 0,018 ir 1 MW galios eksperimentinius statinius, o vėliau 20 MW...
Kokie yra šio VNIIelektromash sumanymo bruožai?
Superlaidi lauko apvija yra helio vonioje. Skystas helis patenka į besisukantį rotorių per vamzdį, esantį tuščiavidurio veleno centre. Išgarintos dujos per tarpą tarp šio vamzdžio ir vidinės šachtos sienelės grąžinamos atgal į kondensacinį įrenginį.
Helio vamzdyno konstrukcijoje, kaip ir pačiame rotoriuje, yra vakuuminės ertmės, kurios sukuria gerą šilumos izoliaciją. Variklio sukimo momentas į lauko apviją tiekiamas per „šiluminius tiltelius“ – konstrukciją, kuri yra mechaniškai gana tvirta, tačiau prastai perduoda šilumą.
Dėl to rotoriaus konstrukcija yra besisukantis kriostatas su superlaidžia sužadinimo apvija.
Superlaidaus turbogeneratoriaus statorius, kaip ir tradicinėje versijoje, turi trifazę apviją, kurioje rotoriaus magnetinis laukas sužadina elektrovaros jėgą. Tyrimai parodė, kad statoriuje nedera naudoti superlaidžios apvijos, nes esant kintamajai srovei superlaidininkuose patiriami dideli nuostoliai. Tačiau statoriaus su „įprasta“ apvija konstrukcija turi savo ypatybes.
Paaiškėjo, kad iš principo galima apviją įstatyti į oro tarpą tarp statoriaus ir rotoriaus ir pritvirtinti nauju būdu, naudojant epoksidines dervas ir konstrukcinius elementus iš stiklo pluošto. Ši konstrukcija leido į statorių įdėti daugiau varinių laidininkų.
Statoriaus aušinimo sistema taip pat yra originali: šilumą pašalina freonas, kuris kartu tarnauja ir kaip izoliatorius. Ateityje ši atmesta šiluma gali būti panaudota praktiniais tikslais naudojant šilumos siurblį.
20 MW turbogeneratoriaus variklyje buvo panaudota stačiakampė 2,5 x 3,5 mm varinė viela. Į jį įspausta 3600 niobio-titano gyslų. Toks laidas gali praleisti srovę iki 2200 A.
Naujojo generatoriaus bandymai patvirtino apskaičiuotus duomenis. Paaiškėjo, kad jis yra perpus mažesnis nei tradicinės tokios pat galios mašinos, o jo efektyvumas yra 1% didesnis. Dabar šis generatorius veikia Lenenergo sistemoje kaip sinchroninis kompensatorius ir gamina.
Tačiau pagrindinis darbo rezultatas – didžiulė patirtis, sukaupta kuriant turbogeneratorių. Juo remdamasi Leningrado elektros mašinų gamybos asociacija „Elektrosila“ pradėjo kurti 300 MW galingumo turbogeneratorių, kuris bus montuojamas vienoje iš mūsų šalyje statomų elektrinių.
Superlaidaus rotoriaus lauko apvija pagaminta iš niobio-titano vielos. Jo konstrukcija neįprasta – ploniausi niobio-titano laidininkai įspausti į vario matricą. Tai buvo padaryta siekiant užkirsti kelią apvijai pereiti iš superlaidžios būsenos į normalią būseną dėl magnetinio srauto svyravimų ar kitų priežasčių. Jei taip atsitiks, srovė tekės per vario matricą, šiluma išsisklaidys ir bus atkurta superlaidumo būsena.
Pati rotoriaus gamybos technologija pareikalavo iš esmės naujų techninių sprendimų. Jei paprastos mašinos rotorius pagamintas iš kieto magnetiškai laidžio plieno kaltinio, tai šiuo atveju jį turėtų sudaryti keli vienas į kitą įkišti cilindrai, pagaminti iš nemagnetinio plieno. Tarp kai kurių cilindrų sienelių yra skystas helis, o tarp kitų susidaro vakuumas. Natūralu, kad cilindro sienelės turi turėti didelį mechaninį stiprumą ir būti nelaidžios vakuumui.
Naujojo turbogeneratoriaus masė, kaip ir pirmtako, beveik 2 kartus mažesnė už įprasto tokios pat galios masę, o efektyvumas padidinamas dar 0,5...0,7%. Turbogeneratorius „gyvena“ apie 30 metų ir didžiąją laiko dalį buvo eksploatuojamas, tad visiškai akivaizdu, kad toks, atrodytų, nedidelis efektyvumo padidėjimas bus labai didelis laimėjimas.
Energetikos darbuotojams reikia ne tik šalčio generatorių. Jau pagaminta ir išbandyta kelios dešimtys superlaidžių transformatorių (pirmąjį iš jų 1961 m. pastatė amerikietis McPhee; transformatorius veikė 15 kW galia). Yra superlaidžių transformatorių, kurių galia iki 1 mln. kW, projektai. Esant pakankamai didelėms galioms superlaidūs transformatoriai bus 40...50% lengvesni už įprastinius, jų galios nuostoliai bus maždaug tokie pat kaip ir įprasti transformatoriai (atliekant šiuos skaičiavimus buvo atsižvelgta ir į skystintuvo galią).
Tačiau superlaidieji transformatoriai turi ir reikšmingų trūkumų. Jie siejami su būtinybe apsaugoti transformatorių nuo superlaidžios būsenos perkrovų, trumpųjų jungimų, perkaitimo metu, kai magnetinis laukas, srovė ar temperatūra gali pasiekti kritines reikšmes.
Jei transformatorius nebus sunaikintas, prireiks kelių valandų, kol jis vėl atvės ir atkurs superlaidumą. Kai kuriais atvejais toks maitinimo nutraukimas yra nepriimtinas. Todėl prieš kalbant apie masinę superlaidžių transformatorių gamybą, būtina parengti apsaugos priemones nuo avarinių sąlygų ir galimybę aprūpinti vartotojus elektra superlaidaus transformatoriaus prastovų metu. Šioje srityje pasiekta sėkmė rodo, kad artimiausiu metu superlaidžių transformatorių apsaugos problema bus išspręsta ir jie užims vietą elektrinėse.
Pastaraisiais metais svajonė apie superlaidžias elektros linijas vis labiau priartėjo prie realybės. Nuolat didėjantis elektros energijos poreikis daro didelės galios perdavimą dideliais atstumais labai patrauklų. Sovietų mokslininkai įtikinamai parodė superlaidžių perdavimo linijų pažadą. Linijų kaina bus panaši į įprastų oro perdavimo linijų kainą (superlaidininko kaina, atsižvelgiant į didelę jo kritinio srovės tankio vertę, palyginti su ekonomiškai naudingu srovės tankiu variniuose arba aliuminio laiduose, yra nedidelė) ir mažesnė už kabelinių linijų kainą.
Superlaidžias elektros perdavimo linijas siūloma diegti taip: tarp galutinių perdavimo taškų į žemę nutiestas vamzdynas su skystu azotu. Šio dujotiekio viduje yra vamzdynas su skystu heliu. Helis ir azotas teka vamzdynais dėl slėgio skirtumo tarp šaltinio ir paskirties taškų. Taigi skystinimo-siurbimo stotys bus tik linijos galuose.
Skystas azotas taip pat gali būti naudojamas kaip dielektrikas. Helio vamzdynas azoto vamzdyno viduje palaikomas dielektriniais statramsčiais (dauguma izoliatorių turi geresnes dielektrines savybes esant žemai temperatūrai). Helio vamzdynas izoliuotas vakuumu. Skysto helio vamzdyno vidinis paviršius yra padengtas superlaidininko sluoksniu.
Nuostoliai tokioje linijoje, atsižvelgiant į neišvengiamus nuostolius linijos galuose, kur superlaidininkas turi būti prijungtas prie šynų esant normaliai temperatūrai, neviršys kelių procentų dalių, o įprastose elektros linijose nuostoliai yra 5...10 kartų didesnis!
Energetikos instituto, pavadinto G.M., mokslininkų pastangomis. Kržižanovskio ir visos Sąjungos kabelių pramonės mokslinių tyrimų institutas jau sukūrė eksperimentinių superlaidžių kintamosios srovės ir nuolatinės srovės kabelių sekcijų seriją. Tokios linijos galės perduoti daugelio tūkstančių megavatų galią didesniu nei 99% naudingumo koeficientu, esant vidutinėms sąnaudoms ir santykinai žemai (110...220 kV) įtampai. Galbūt dar svarbiau yra tai, kad superlaidžioms elektros linijoms nereikės brangių reaktyviosios galios kompensavimo įrenginių. Įprastoms linijoms reikia įrengti srovės reaktorius ir galingus kondensatorius, kad būtų išlyginti per dideli įtampos nuostoliai maršrute, tačiau superlaidinės linijos gali kompensuoti save!
Nepamainomi superlaidininkai pasirodė ir elektrinėse mašinose, kurių veikimo principas itin paprastas, bet kurios dar niekada nebuvo konstruotos, nes joms veikti reikia labai stiprių magnetų. Kalbame apie magnetohidrodinamines (MHD) mašinas, kurias Faradėjus bandė įdiegti dar 1831 m.
Patirties idėja yra paprasta. Dvi metalinės plokštės buvo panardintos į Temzės vandenį priešinguose jos krantuose. Jei upės greitis yra 0,2 m/s, tai, vandens sroves prilyginus laidininkams, judantiems iš vakarų į rytus Žemės magnetiniame lauke (jo vertikalioji dedamoji apytiksliai lygi 5 10-5 T), įtampa nuo elektrodų galima pašalinti maždaug 10 μV/m .
Deja, šis eksperimentas baigėsi nesėkmingai, „upės generatorius“ neveikė. Faradėjus negalėjo išmatuoti srovės grandinėje. Tačiau po kelerių metų lordas Kelvinas pakartojo Faradėjaus eksperimentą ir gavo nedidelę srovę. Atrodytų, viskas liko taip pat kaip Faradėjaus: tos pačios lėkštės, ta pati upė, tie patys instrumentai. Nebent vieta ne visai tinkama. Kelvinas pastatė savo generatorių toliau Temze, kur jo vandenys susimaišo su sūriu sąsiaurio vandeniu.
Štai sprendimas! Vanduo pasroviui buvo sūresnis ir todėl laidesnis! Tai iškart buvo užfiksuota instrumentais. „Darbo skysčio“ laidumo didinimas yra bendras būdas padidinti MHD generatorių galią. Bet jūs galite padidinti galią kitu būdu – padidindami magnetinį lauką. MHD generatoriaus galia yra tiesiogiai proporcinga magnetinio lauko stiprumo kvadratui.
Svajonės apie MHD generatorius gavo realų pagrindą maždaug mūsų amžiaus viduryje, kai atsirado pirmosios superlaidžių pramoninių medžiagų partijos (niobio-titano, niobio-cirkonio), iš kurių buvo galima pagaminti pirmąsias, vis dar mažas, bet veikiantys generatorių, variklių, laidininkų, solenoidų modeliai . O 1962 m. simpoziume Niukasle anglai Wilsonas ir Robertas pasiūlė 20 MW MHD generatoriaus, kurio laukas būtų 4 Teslos, projektą. Jei apvija pagaminta iš varinės vielos, tai kainuoja 0,6 mm/USD. Džaulio nuostoliai jame „suvalgys“ naudingąją galią (15 MW!). Bet su superlaidininkais apvija kompaktiškai tilps į darbo kamerą, joje nebus nuostolių, o aušinimui reikės tik 100 kW galios. Efektyvumas padidės nuo 25 iki 99,5%! Čia reikia daug galvoti.
Daugelyje šalių į MHD generatorius buvo žiūrima rimtai, nes tokiose mašinose galima panaudoti 8...10 kartų karštesnę plazmą nei šiluminių elektrinių turbinose esantys garai, o pagal gerai žinomą Carnot formulę efektyvumo nebus. ilgiau būti 40, bet visi 60 proc. Būtent todėl artimiausiais metais prie Riazanės pradės veikti pirmasis pramoninis 500 MW galios MHD generatorius.
Žinoma, tokią stotį sukurti ir ekonomiškai panaudoti nelengva: šalia nelengva pastatyti plazmos srautą (2500 K) ir kriostatą su apvija skystame hele (4...5 K). sudegti ir tapti šlakais, kurie buvo dedami į kurą plazmai jonizuoti, tačiau laukiama nauda turėtų pateisinti visas darbo sąnaudas.
Galite įsivaizduoti, kaip atrodo superlaidi MHD generatoriaus magnetinė sistema. Plazminio kanalo šonuose yra dvi superlaidžios apvijos, atskirtos nuo apvijų daugiasluoksne šilumos izoliacija. Apvijos tvirtinamos titano kasetėse, tarp jų dedamos titano tarpinės. Beje, šios kasetės ir tarpikliai turi būti itin tvirti, nes srovę nešančiose apvijose veikiančios elektrodinaminės jėgos yra linkusios jas suplėšyti ir pritraukti viena prie kitos.
Kadangi superlaidžioje apvijoje šiluma nesusidaro, šaldytuvas, reikalingas superlaidžiai magnetinei sistemai veikti, turi pašalinti tik šilumą, kuri per šilumos izoliaciją ir srovės laidus patenka į skysto helio kriostatą. Srovės laidų nuostolius galima sumažinti beveik iki nulio, naudojant trumpai sujungtas superlaidžias rites, maitinamas superlaidaus nuolatinės srovės transformatoriaus.
Helio skystintuvas, kuris papildys per izoliaciją išgaruojančio helio nuostolius, pagal skaičiavimus per valandą turėtų pagaminti kelias dešimtis litrų skysto helio.
Be superlaidžių apvijų dideli tokamakai būtų nerealūs. Pavyzdžiui, įrenginyje Tokamak-7 12 tonų sverianti apvija teka aplink 4,5 kA srovę ir sukuria 2,4 teslos magnetinį lauką 6 m3 tūrio plazminio toro ašyje. Šį lauką sukuria 48 superlaidžios ritės, per valandą sunaudojančios tik 150 litrų skysto helio, kurio pakartotiniam suskystinimui reikia 300...400 kW galios.
Dideliam energetikos sektoriui reikia ne tik ekonomiškų, kompaktiškų, galingų elektromagnetų, be jų sunku išsiversti su rekordiškai stipriais laukais. Magnetinio izotopų atskyrimo įrenginiai tampa daug produktyvesni. Didelių greitintuvų be superlaidžių elektromagnetų projektai jau nesvarstomi. Visiškai neįmanoma apsieiti be superlaidininkų burbulų kamerose, kurie tampa itin patikimais ir jautriais elementariųjų dalelių detektoriais. Taigi viena iš rekordiškai didelių superlaidininkų magnetinių sistemų (Argonne National Laboratory, JAV) sukuria 1,8 teslos lauką su 80 MJ sukaupta energija. Gigantiška apvija, sverianti 45 tonas (iš jų 400 kg atiteko superlaidininkui), kurios vidinis skersmuo yra 4,8 m, išorinis skersmuo 5,3 m ir aukštis 3 m, aušinant iki 4,2 K reikia tik 500 kW - nereikšminga galia.
Dar įspūdingesnis yra burbulų kameros superlaidus magnetas Europos branduolinių tyrimų centre Ženevoje. Jis turi šias charakteristikas: magnetinis laukas centre iki 3 Teslų, vidinis „ritės“ skersmuo 4,7 m, saugoma energija 800 MJ.
1977 metų pabaigoje Teorinės ir eksperimentinės fizikos institute (ITEP) pradėjo veikti vienas didžiausių pasaulyje superlaidžių magnetų Hyperon. Jo darbinis plotas yra 1 m skersmens, laukas sistemos centre yra 5 Teslos (!). Unikalus magnetas skirtas eksperimentams IHEP protonų sinchrotrone Serpuchove.
Suvokus šiuos įspūdingus skaičius, kažkaip nepatogu sakyti, kad superlaidumo techninė raida tik prasideda. Kaip pavyzdį galime prisiminti svarbiausius superlaidininkų parametrus. Jei temperatūra, slėgis, srovė, magnetinis laukas viršija tam tikras ribines vertes, vadinamas kritinėmis, superlaidininkas praras savo neįprastas savybes, virsdamas įprasta medžiaga.
Gana natūralu naudoti fazės perėjimą, kad būtų galima valdyti išorines sąlygas. Jei yra superlaidumas, tada laukas yra mažesnis nei kritinis, jei atkurta jutiklio varža, laukas yra didesnis nei kritinis. Jau sukurta daugybė įvairiausių superlaidžių matuoklių: palydovo bolometras gali „pajusti“ užsidegusią degtuką Žemėje, galvanometrai tampa kelis tūkstančius kartų jautresni; Itin aukštos kokybės rezonatoriuose elektromagnetinio lauko svyravimai tarsi išsaugomi, nes jie nenuslopsta itin ilgai.
Dabar pats laikas pažvelgti į visą energetikos sektoriaus elektros dalį, kad suprastume, kaip superlaidžių įtaisų išsibarstymas gali duoti bendrą nacionalinį ekonominį efektą. Superlaidininkai gali padidinti elektros energijos agregatų vienetinę galią, aukštos įtampos energija pamažu gali virsti kelių amperų energija, vietoj keturių – šešių kartų didesnės įtampos konversijos tarp elektrinės ir vartotojo realu kalbėti apie vieną ar du transformacijos atitinkamai supaprastinus ir sumažinus grandinės kainą, bendras elektros tinklų efektyvumas neišvengiamai padidės dėl Džaulio nuostolių. Bet tai dar ne viskas.
Elektros sistemos neišvengiamai įgaus kitokią išvaizdą, kai jose bus naudojami superlaidūs indukciniai energijos kaupikliai (SPIN)! Faktas yra tas, kad iš visų pramonės šakų tik energetika neturi sandėlių: nėra kur kaupti pagamintą šilumą ir elektrą, jie turi būti nedelsiant suvartoti. Tam tikros viltys siejamos su superlaidininkais. Dėl to, kad juose nėra elektrinės varžos, srovė gali cirkuliuoti per uždarą superlaidžią grandinę neribotą laiką be slopinimo, kol ateis laikas, kai vartotojas ją atšauks. SPIN taps natūraliais elektros tinklo elementais, tik juos derinant su elektros šaltiniais ir vartotojais reikės įrengti reguliatorius, jungiklius arba srovės ar dažnio keitiklius.
SPIN energijos intensyvumas gali būti labai įvairus – nuo 10-5 (iš rankų iškritusio portfelio energija) iki 1 kWh (10 tonų blokas, nukritęs nuo skardžio 40 m) arba 10 milijonų kWh! Tokia galinga pavara turėtų prilygti bėgimo takeliui aplink futbolo aikštę, jo kaina būtų 500 milijonų dolerių, o efektyvumas – 95%. Lygiavertė hidroakumuliacinė elektrinė kainuos 20% pigiau, tačiau savo reikmėms išleis trečdalį savo galios! Tokio SPIN kainos suskirstymas pagal komponentus yra pamokantis: šaldytuvams 2...4%, srovės keitikliams 10%, superlaidžiai apvijai 15...20%, šaltos zonos šilumos izoliacijai 25%, o. tvarsčiams, tvirtinimams ir tarpikliams - beveik 50 proc.
Kadangi G.M. Kržižanovskis, pagal GOELRO planą VIII visos Rusijos sovietų kongrese, praėjo daugiau nei pusė amžiaus. Šio plano įgyvendinimas leido padidinti šalies elektrinių galią nuo 1 iki 200...300 mln. kW. Dabar atsirado esminė galimybė keliasdešimt kartų stiprinti šalies energetikos sistemas, jas perkeliant į superlaidžius elektros įrenginius ir supaprastinant pačius tokių sistemų konstravimo principus.
Energijos pagrindu XXI amžiaus pradžioje gali būti branduolinės ir termobranduolinės stotys su itin galingais elektros generatoriais. Superlaidžių elektromagnetų generuojami elektriniai laukai kaip galingos upės superlaidžiomis elektros linijomis galės tekėti į superlaidžius energijos kaupiklius, iš kurių juos pagal poreikį pasiims vartotojai. Jėgainės galės gaminti energiją tolygiai tiek dieną, tiek naktį, o jas išlaisvinus iš grafiko režimų, turėtų padidėti pagrindinių blokų efektyvumas ir tarnavimo laikas.
Kosminės saulės stotys gali būti pridedamos prie antžeminių elektrinių. Laikydami pelės žymeklį virš fiksuotų planetos taškų, jie turėtų paversti saulės spindulius trumpųjų bangų elektromagnetine spinduliuote, kad nukreiptų energijos srautus į antžeminius keitiklius į pramonines sroves. Visa žemės erdvės elektros sistemų elektros įranga turi būti superlaidi, kitaip nuostoliai baigtinio elektros laidumo laiduose bus neleistinai dideli.
Vladimiras KARTSEVAS „Magnetas tris tūkstantmečius“
Dar visai neseniai praktinis panaudojimas buvo labai ribotas dėl žemos darbinės temperatūros – mažesnės nei 20K. 1986 m. buvo atrasti aukštos temperatūros superlaidininkai, kurių temperatūra yra kritinė
pasikeitė
situacija,
supaprastinant visas aušinimo problemas (apvijų darbinė temperatūra „padidėjo“, jos tapo mažiau jautrios šiluminiams trikdžiams). Dabar yra galimybių
kūryba
kartos
elektros įranga,
naudoti
žema temperatūra
superlaidininkai
tai paaiškėjo
būtų nepaprastai
brangus,
nepelninga.
Praėjusio amžiaus 90-ųjų antroji pusė yra plataus pradžia
agresyvus
aukštos temperatūros
superlaidumas elektros energijos pramonei. Aukštos temperatūros
superlaidininkai
naudoti
gamyba
transformatoriai,
elektrinis
indukcinis
diskai
neribotas
saugykla), srovės ribotuvai ir kt. Palyginti su įdiegta
yra charakterizuojami
sumažintas
nuostoliai
ir matmenis bei užtikrina didesnį elektros energijos gamybos, perdavimo ir paskirstymo efektyvumą. Taigi superlaidieji transformatoriai turės
nuostoliai,
nei tos pačios galios transformatoriai, turintys įprastas apvijas. Be to, superlaidūs transformatoriai
galintis
riba
perkrova,
nereikalauja mineralinės alyvos, o tai reiškia, kad jie yra ekologiški ir nekelia gaisro pavojaus. Superlaidumo ribotuvai
laikina
charakteristikos, ty mažiau inercinės; Superlaidžių generatorių ir energijos kaupimo įrenginių įtraukimas į elektros tinklą pagerins jo stabilumą. Dabartinė keliamoji galia
po žeme
superlaidūs
gali būti 2-5 kartus didesnis nei įprastų. Superlaidieji kabeliai yra daug kompaktiškesni, o tai reiškia, kad jų įrengimas tankioje miesto/priemiesčio infrastruktūroje yra žymiai paprastesnis.
Orientacinė
techninis ir ekonominis
Pietų Korėjos skaičiavimai
energetikos darbuotojai,
atliko
ilgas terminas
planavimas
elektrinis
Seulo regiono tinklai. Jų rezultatai rodo, kad klojimas esant 154 kV, 1 GW superlaidus
kabeliai
tai kainuos
nei įprastai.
įjungti
kabelių ir vamzdžių projektavimas ir montavimas (atsižvelgiant į reikalingų sriegių skaičiaus sumažėjimą ir atitinkamai bendro kabelių skaičiaus vienam km sumažinimui bei vidinio vamzdžių skersmens sumažinimą). Europos specialistai, nagrinėdami panašias problemas, atkreipia dėmesį į tai, kad kalbant apie superlaidumą
daug
Įtampa.
Vadinasi, sumažės elektromagnetinė aplinkos tarša
tankiai apgyvendinta
atsisakyti itin aukštos įtampos linijų, kurių tiesimo
susitinka
rimtas
visuomenės, ypač žaliųjų, pasipriešinimo. Vilčių teikia ir JAV atliktas įvertinimas: įgyvendinimas
superlaidūs
įranga
ant generatorių, transformatorių ir variklių) ir kabelių į nacionalinį energetikos sektorių sutaupys iki 3% visos elektros energijos. Tuo pačiu metu plačiai paplitęs
naujausias
Akcentuota, kad pagrindines kūrėjų pastangas reikia sutelkti į: 1) kriosistemų efektyvumo didinimą; 2) didinant srovės pralaidumą
superlaidūs
laidai
dinaminius nuostolius ir padidina superlaidininko dalį laido skerspjūvyje); 3) superlaidžių laidų sąnaudų mažinimas (ypač dėl padidėjusio našumo);
4) sumažinti išlaidas kriogeninei įrangai. Atkreipkite dėmesį, kad didžiausias iki šiol pasiektas „inžinerinis“ kritinės srovės tankis (kritinė srovė, padalinta iš viso skerspjūvio ploto) dviejų šimtų metrų ilgio juostos Bi-2223 pagrindu yra 14–16 kA/cm 2 77K temperatūra. Išsivysčiusiose šalyse vyksta planuojama komercializacija
technologijas
aukštos temperatūros superlaidininkai. Amerikiečių programa „Superlaidumas elektros energijos pramonei 1996–2000 m.“ šiuo požiūriu yra orientacinė. Pagal šią programą,
įtraukimas
superlaidūs
komponentas
elektros įranga suteiks pasaulinio strateginio
pranašumas
industrija
XXI amžius Kartu reikia turėti omenyje, kad Pasaulio banko skaičiavimais, per ateinančius 20 metų laikotarpį (tai yra iki 2020 m.) tikimasi 100 kartų padidinti superlaidžių medžiagų pardavimą.
įranga
elektros energija
prietaisai
padidės
32 milijardai dolerių (iš viso
superlaidininkai,
įskaitant
tokios programos kaip transportas, medicina, elektronika ir mokslas sieks 122 mlrd.
Atkreipkite dėmesį, kad Rusija kartu su JAV ir Japonija išlaikė lyderystę
plėtra
superlaidūs
technologijos iki XX amžiaus 90-ųjų pradžios. Kita vertus, interesai
pramoninė ir techninė
Rusijos saugumas neabejotinai reikalauja jų energingo panaudojimo tiek elektros energijos pramonėje, tiek kitose pramonės šakose. Superlaidžių technologijų pažanga ir jos „skatinimas“ pasaulinėje elektros rinkoje yra stipri
rezultatus
demonstracijos
sėkmingas viso dydžio prototipų darbas visų tipų gaminiams. Kas yra
pasiekimus
pasaulis
bendruomenės
šia kryptimi? Japonijoje, globojama Ūkio, prekybos ir pramonės ministerijos, ilgalaikė
programa
plėtros srityse
HTSC įranga,
Visų pirma, maitinimo kabeliai.
Projektas suskirstytas į du etapus: 1 (2001–2004 m.) ir 2 (2005–2009 m.).
Koordinatoriai
yra
Organizacija
Naujų technologijų plėtra energetikoje ir pramonėje (NEDO) ir Superlaidžios įrangos ir medžiagų tyrimų asociacija (Super-GM). IN
dalyvauja
KEPCO, Furukawa, Sumitomo, Fujikura, Hitachi ir kt. (HTS kabeliai); KEPCO, Sumitomo, Toshiba ir kt. (HTSC srovės ribotuvai); TEPCO, KEPCO, Fuji Electric ir kt. (HTSC magnetai). Kabelių srityje daugiausia dėmesio bus skiriama plėtrai
HTSC laidininkas
dinaminiai nuostoliai
aušinimas
galintis
ilgas terminas
parama
temperatūros
kabelis (apie 77K) 500 m ilgio Pagal programą, 1 fazė baigiasi dešimties metrų kabelio 66-77 kV (3 kA), kurio dinaminiai nuostoliai ne didesni kaip 1 W/m, gamyba. 2 baigiasi penkių šimtų metrų kabelio 66-77 kV (5 kA) gamyba su tokiais pat nuostoliais. Veikia
dizainas buvo parengtas
gaminami
išbandyta
pirmuosiuose skyriuose buvo sukurta ir išbandyta aušinimo sistema.
lygiagretus,
Furukawa, Sumitomo vykdo kitą projektą, skirtą elektrinei plėtrai
Tokijas
superlaidus. Šiame projekte buvo analizuojamas 66 kV (trifazis) 130 mm skersmens HTS kabelio (kuris gali būti montuojamas esamuose 150 mm skersmens vamzdžiuose) vietoje įprasto 275 kV vienfazio kabelio požeminio įrengimo galimybė. Paaiškėjo, kad net ir statant naują
vamzdžiai,
superlaidumo linija bus 20% mažesnė (remiantis superlaidžio laido kaina 40 USD už 1 kA m). Projekto etapai vykdomi nuosekliai: iki 1997 m. trisdešimties m.
(vienfazis)
prototipas
su uždaru aušinimo ciklu. Jis buvo bandomas esant 40 kV/1 kA apkrovai 100 valandų. Iki 2000 m. pavasario buvo pagaminta 100 metrų 66 kV (1 kA)/114 MVA kabelio - pilno dydžio prototipas, kurio skersmuo 130 mm (konstrukcija su „šaltu“ dielektriku). Jungtinės Valstijos demonstruoja plataus masto požiūrį į šią problemą. 1989 metais EPRI iniciatyva buvo pradėtas detalus aukštos temperatūros superlaidininkų panaudojimo tyrimas, o jau kitais metais Pirelli
Superconductor Corp. sukūrė superlaidumo gamybos technologiją
"milteliai
vamzdis").
Vėliau American Superconductor nuolat didėjo
gamyba
galia,
pasiekus 100 km juostos per metus skaičių, o artimiausiu metu, pradėjus eksploatuoti naują gamyklą Divense (Minesota), šis skaičius pasieks 10 000 km per metus. Numatoma juostos kaina bus 50 USD už 1 kA m (šiuo metu įmonė siūlo juostą už 200 USD už 1 kA m). Kitas
Svarbiausias
išvaizda
vadinamoji superlaidumo partnerystės iniciatyva (SPI)
paspartėjo
plėtra
įgyvendinimas
energiją taupančios elektros sistemos. Vertikaliai integruota
SPI komandos
įskaitant
partneriai iš
industrija,
nacionalinis
laboratorijos
ir veikiantis
įmonės,
atliko
du rimti projektai. Vienas iš jų yra pilno dydžio prototipas - superlaidi trifazė linija (Pirelli Cavi e Sistemi,
pririštas
žema įtampa
transformatorius 124 kV/24 kV (galia 100 MVA) su 24 kV šynomis dviejų skirstomųjų pastočių, esančių 120 m atstumu (Detroit Edison Frisbee stotis, Detroitas).
Linija sėkmingai išbandyta
elektros energija vartotojus pasiekė „praeidama“ superlaidžiais kabeliais, kurių pagrindas yra Bi-Sr-Ca-Cu-O. Trys iš šių
(dizainas
"šiltas"
dielektrikas, o kiekvienas laidininkas buvo pagamintas vienodo ilgio
pakeistas
su tuo pačiu
srovės nešančios
pajėgumus
kabelis skirtas 2400 A (nuostoliai 1 W/m fazei) ir klojamas esamuose šimto milimetrų požeminiuose kanaluose. Tuo pačiu metu klojimo trajektorija turi posūkius 90°: kabelis leidžia lenkti 0,94 m spinduliu Pabrėžiame, kad tai pirmoji patirtis klojant superlaidumą
srovė
skirstomojo tinklo, didelio miesto energetikos sektoriuje. Antra
trisdešimties metrų
superlaidūs
esant 12,4 kV/1,25 kA (60 Hz), kuris pradėtas eksploatuoti 2000 m. sausio 5 d. (darbo temperatūra 70-80 K, aušinimas
slėgis).
Linija, vaizduojanti tris trifazius superlaidžius
numato
elektra trys
pramoninis
instaliacijos
„Southwire Company“ būstinė Karoltone, Džordžijos valstijoje. Perdavimo nuostoliai yra apie 0,5%, palyginti su 5-8%, o perduodama galia yra 3-5 kartus didesnė nei naudojant tradicinius tokio pat skersmens kabelius.
šventinis
atmosferą, buvo paminėtas sėkmingo linijos veikimo 100% apkrova 5000 valandų sukaktis. 2003 m. pradėti įgyvendinti dar trys projektai, su jais darbas vyksta
pirminis
įdomus
apima
apie 1 km ilgio 600 MW/138 kV požeminės superlaidžios linijos įrengimas, kuris bus įtrauktas į esamą
apkrova ir keliaus esamais kanalais East Garden City
Ilga sala.
Būtinas
kabelis bus
gaminami
specialistai iš Nexans (Vokietija), paremti superlaidininku, pagamintu jau minėtoje gamykloje Divense, ir kriogeninę įrangą
pristatys
Šiuo atveju JAV Energetikos departamentas šį darbą finansuoja per pusę, investuodamas apie 30 mln. likusią dalį suteikia partneriai. Šią liniją planuojama pradėti eksploatuoti iki 2005 metų pabaigos.
kam
gaminami
trifazis superlaidus kabelis, kurio vardinė įtampa yra 36 kV/2 kA (projektas
"šiltas"
dielektrinis,
aušinimas skystu azotu esant slėgiui; kritinis pasiekia 2,7 kA vienai fazei (T=79K)). Tuo pačiu metu ypatingas dėmesys
buvo suteikta
plėtra
dirigentas
km juostos pagal Bi-2223), galinius įrenginius, taip pat jos
ryšį.
buvo paguldytas,
pastotė Amagerio saloje (pietinė Kopenhagos dalis), aprūpinanti elektra 50 tūkst. vartotojų, įskaitant
apšvietimas
tinklas (išėjimo transformatoriaus galia 100 MVA). Trisdešimties metrų superlaidi linija pradėjo veikti 2001 m. gegužės 28 d.: iš pradžių superlaidus kabelis buvo įjungtas lygiagrečiai su įprastu, o vėliau jis dirbo „vienas“, o vardinis buvo 2 kA, nuostoliai buvo mažesni nei 1 W/m (darbo temperatūra buvo 74–84 K). Kabelis perduoda 50% visos pastotės energijos ir pakeičia varinius kabelius, kurių bendras gyslos skerspjūvis yra 2000 mm 2. Iki 2002 m. gegužės mėn. kabelis buvo eksploatuojamas 1 metus, kol buvo užšaldytas; Per tą laiką jis 25 tūkstančiams danų – privačių namų savininkų „pateikė“ 101 MWh elektros energijos. Nebuvo pastebėta jokių kabelių charakteristikų pokyčių, visos kriogeninės sistemos veikia stabiliai. Be daniškojo, įdomus ir visos Europos projektas
sukurti tarpsisteminį ryšį – specialią trifazę 200 m ilgio superlaidžią liniją, kuri skirta 20 kV/28 kA.
Jai įgyvendinti, organizuota
konsorciumas,
Nexans (Vokietija),
(Prancūzija),
(Belgija),
specialistams
Getingenas
Tamperėje (Tamperės technologijos universitetas). Tarp Europos superlaidžių kabelių gamintojų išsiskiria Pirelli Cavi e Sistemi. Jo gamyba
galia
leisti
paleisti
km superlaidininko per metus. Reikšmingas įvykis – gamyba
dvidešimt metrų
bendraašis superlaidumas
(dizainas
„šaltas“ dielektrikas), skirtas 225 kV įtampai. Pirelli kartu su amerikiečių specialistais (Edison ir CESI) dalyvauja
kūryba
trisdešimties metrų kabelio prototipas prie 132 kV/3 kA (1999-2003). Pereinant nuo kabelių prie stambių elektros įrenginių – transformatorių, pastebime, kad iš visos perdavimo metu prarastos energijos jie sudaro 50–65 proc. Tikimasi, kad pradėjus diegti superlaidžius transformatorius
sumažės
pasiekti
Superlaidieji transformatoriai galės sėkmingai konkuruoti su įprastais tik tuo atveju, jei bus įvykdytas santykis (P s /k)< P c , где Р с - потери в обычном трансформаторе, P s - потери
superlaidūs
transformatorius
darbinės temperatūros), k yra šaldytuvo šaldymo koeficientas. Šiuolaikinės technologijos, ypač kriogenika, leidžia patenkinti šį reikalavimą. Europoje kaip jungties dalis buvo pagamintas pirmasis trifazio transformatoriaus (630 kVA; 18,7 kV/420 V), naudojant aukštos temperatūros superlaidininkus, prototipas.
Prancūzija), amerikietis
de Geneve) ir pradėtas eksploatuoti 1997 m. kovo mėn. - jis buvo įtrauktas į Ženevos elektros tinklą, kuriame dirbo daugiau nei metus,
teikiant
energijos
Transformatoriaus apvijos
baigtas
viela
remiantis Bi-2223,
šaldytuve
Transformatoriaus šerdis yra kambario temperatūros. Nustatyta, kad nuostoliai yra gana dideli (3 W 1 kA m), nes laidininko konstrukcija nebuvo optimizuota kintamosios srovės naudojimui.
Antrasis tų pačių dalyvių – ABB, EdF ir ASC – projektas – 10 MVA transformatorius (63 kV/21 kV), 2001 metais praėjęs visą laboratorinių bandymų ciklą ir 2002 metais įtrauktas į Prancūzijos elektros sistemą. ABB specialistai dar kartą pabrėžė, kad dabar pagrindinis
problema
plėtra
ekonomiškas
superlaidi įranga, ypač transformatoriai, yra laidų su mažais nuostoliais ir dideliu buvimu
kritiškas
tankis
magnetinis
apvijų sukuriamas laukas. Laidas taip pat turi atlikti srovės ribojimo funkciją. Japonijoje (Fuji Electric, KEPCO ir kt.) jie sukonstravo 1 MVA (22 kV (45,5 A) / 6,9 kV (145 A)) superlaidaus transformatoriaus prototipą, kuris 2000 m. birželį buvo įtrauktas į elektros bendrovės tinklą Kyushu. IN
galutinis
esančios
plėtra
(Kyushu universitetas
(Tokijas)) transformatorius
kuri yra skirta
instaliacijos
elektromobilis
kompozicija. Preliminarūs skaičiavimai rodo, kad jo masė turėtų būti 20% mažesnė nei įprasto tos pačios galios transformatoriaus.
JAV sėkmingai pademonstruotas 1 MVA superlaidus transformatorius, pradėti darbai
aparatai
galia
Waukesha Electric
ir elektrinis, taip pat ORNL). Vokiečių specialistai (Siemens) sukūrė transformatoriaus prototipą
perspektyvą
5-10 MVA prietaisų kūrimas) su apvijomis Bi-2223 pagrindu, kuriuos galima montuoti ant elektrinių lokomotyvų
suprojektuoti
eiliniams
transformatorius.
Superlaidus transformatorius yra 35% mažesnis nei įprastiniai, o efektyvumas siekia 99%. Skaičiavimai rodo, kad jo naudojimas leis sutaupyti iki 4 kW vienam traukiniui ir kasmet sumažinti CO 2 emisiją 2200 tonų vienam traukiniui. Su sinchroninėmis elektrinėmis mašinomis, kurių pagrindą sudaro aukštos temperatūros superlaidininkai, padėtis yra sudėtingesnė.
Yra žinoma, kad įprastinė galia yra proporcinga jos tūriui V; nesunku parodyti, kad superlaidžios mašinos galia yra proporcinga V 5/3, todėl matmenų mažinimo padidėjimas pasireikš tik didelės galios mašinoms,
Pavyzdžiui,
generatoriai
laivas
varikliai.
tikėtis superlaidžių technologijų įdiegimo (1 pav.).
liudyti
kad 100 MW generatoriui reikalingas aukštos temperatūros superlaidininkas, kurio kritinis srovės tankis yra 4.5 10 4 A/cm 2 magnetiniame lauke 5 Tesla. Tuo pačiu metu jo mechaninės savybės, taip pat kaina, turėtų būti panašios į Nb 3 Sn. Deja, kol kas ne
egzistuoja
aukštos temperatūros
superlaidininkus, kurie visiškai atitinka šias sąlygas. SU
žemas
Amerikos veikla
Europos
japonų
Ši vieta. Tarp jų – sėkminga demonstracija
kartu
su Rockwell Automation/Reliance Electric (partneriai jau minėtame
sinchroninis
variklis
esant 746 kW, o tolesnis mašinos tobulinimas prie 3730 kW.
specialistams
dizainas
variklis
generatorius.
Vokietijoje „Siemens“ siūlo 380 kW galios sinchroninį variklį, kuriame naudojami aukštos temperatūros superlaidininkai.
Suomija
išbandyta
keturių polių sinchroninė mašina 1,5 kW su bėgių apvijomis iš vielos Bi-2223 pagrindu; jo darbinė temperatūra yra 20K. Be to, elektros inžinerijoje yra daugybė kitų aukštos temperatūros superlaidininkų pritaikymo būdų.
keramika
Aukštos temperatūros superlaidininkai gali būti naudojami gaminant pasyviuosius magnetinius guolius mažiems greitaeigiams varikliams, pavyzdžiui, suskystintųjų dujų siurbliams.
Neseniai Vokietijoje buvo pademonstruotas vieno tokio variklio veikimas, esant 12 000 aps./min. Kaip dalis bendros Rusijos ir Vokietijos programos, histerezės serija
varikliai
(galia
"veikla"
aukštos temperatūros superlaidininkai – įtaisai, ribojantys trumpąjį jungimą iki nominalios vertės. Keramika laikoma tinkamiausia medžiaga superlaidžių ribotuvų gamybai.
ir pokyčius
prietaisai
pagrindinis
elektros inžinerija
Didžioji Britanija,
Vokietija, Prancūzija, Šveicarija, JAV, Japonija ir kitos šalys. Vienas pirmųjų modelių (ABB) buvo 10,5 kV/1,2 MVA indukcinio tipo ribotuvas su Bi-2212 elementu, įdėtu į kriostatą. Ta pati kompanija išleido kompaktišką prototipą – 1,6 MVA varžinio tipo ribotuvą, kuris yra žymiai mažesnis nei pirmasis. Bandymo metu 13,2 kA pirmoje smailėje buvo apribotas iki 4,3 kA. Dėl šildymo 1,4 kA ribojama esant 20 ms, o 1 kA - prie 50 ms.
Dizainas
ribotuvas
yra
mm (svoris 50 kg). Į jį iškirpti kanalai, o tai leidžia turėti
lygiavertis
superlaidininkas
m. Kitas
prototipas
esant 6,4 MVA. Jau dabar galima sukurti 10 MVA ribotuvą, o komercinių tokio tipo ribotuvų išleidimo galima tikėtis artimiausiu metu. Kitas ABB tikslas yra 100 MVA ribotuvas. Siemens specialistai išbandė indukcinį
ribotuvai:
transformatorius
plieninės šerdies ekranavimas superlaidžia apvija ir antrasis variantas - superlaidininkas pagamintas cilindro pavidalu, ant jo apvyniota varine apvija. Prie ribos
pasipriešinimas
ominis
indukciniai komponentai. Dėl galimo perkaitimo vietose, kuriose yra trumpasis jungimas, jį reikia kuo greičiau išjungti įprastu jungikliu.
Grįžti
superlaidūs
valstybė
kelis
dešimčių sekundžių, po kurio ribotuvas yra paruoštas darbui. IN
toliau
atsparus
ribotuvas,
superlaidininkas yra tiesiogiai prijungtas prie tinklo ir greitai praranda superlaidumą, kai tik įvyksta trumpasis jungimas
viršys
kritiškas
prasmė.
kaitinant superlaidininką, mechaninis jungiklis turi nutrūkti
kelis
pusciklai; aušinimas
superlaidūs
veda
į superlaidžią būseną. Ribotuvo grįžimo laikas yra 1-2 s.
Tokio ribotuvo vienfazis modelis, kurio galia 100 kVA, buvo išbandytas esant 6 kV darbinei įtampai, esant 100 A vardinei srovei.
trumpas
trumpieji jungimai,
kA, buvo apribota iki 300 A per mažiau nei 1 ms. „Siemens“ savo stende Berlyne taip pat demonstravo 1 MVA ribotuvą su 12 MVA prototipu. JAV pirmasis ribotuvas - jis turėjo indukcinį-elektroninį
išvystyta
bendrovės General Atomic, Intermagnetics General Corp. ir kiti, prieš dešimt metų, kaip demonstracinis pavyzdys Pietų Kalifornijos Edisono Norwalk bandymų centre. Esant 100 A vardinei srovei, didžiausias galimas 3 kA trumpasis jungimas ribojamas iki 1,79 kA. 1999 metais buvo suprojektuotas 15 kV įtaisas su 1,2 kA darbine srove, skirtas apriboti 20 kA trumpojo jungimo srovę iki 4 kA. Prancūzijoje GEC Alsthom, Electricite de France ir kitų specialistai išbandė 40 kV ribotuvą: jis per kelias mikrosekundes sumažino trumpąjį jungimą nuo 14 kA (pradinė vertė prieš trumpąjį jungimą buvo 315 A) iki 1 kA. Liekamasis trumpasis jungimas buvo išjungtas per 20 ms naudojant įprastą jungiklį. Limiter parinktys skirtos 50 ir 60 Hz. JK VA TECH ELIN Reyrolle sukūrė hibridinio (rezistinio-indukcinio) tipo ribotuvą, kuris, atliekant bandymus stende (11 kV, 400 A), sumažino trumpuosius jungimus nuo 13 kA iki 4,5 kA. Tuo pačiu metu ribotuvo atsako laikas yra mažesnis nei 5 ms, jau pirmasis pikas yra ribotas; ribotuvo veikimo laikas 100 ms. Ribotyje (trifazis) yra 144 strypai, pagaminti iš Bi-2212, jo matmenys yra 1 x 1,5 x 2 m.
Japonijoje Toshiba ir TEPCO kartu gamino superlaidų srovės ribotuvą – indukcinio tipo, 2,4 MVA; jame yra Bi-2212 kieto keraminio elemento. Visi išvardinti projektai yra „pradinio laikotarpio“ prototipai, kurie skirti pademonstruoti
galimybės
superlaidūs
technologija, jos reikšmė elektros energetikos pramonei, bet vis tiek jos yra
taip
atstovas,
kad galėtum
nedelsiant
pramoninis įgyvendinimas ir sėkminga rinkodara. Pirmoji šio atsargumo priežastis yra ta, kad Bi-Sr-Ca-Cu-O laidininkai vis dar kuriami ir šiuo metu gaminami.
kritiškas
tankis
30 kA/cm 2 lygiu, o ilgis tik apie kilometrą. Tolimesnis šių laidininkų tobulinimas (didinant kaištį, didinant šerdies tankį, aplink juos įvedant kliūtis ir pan.) J c turėtų padidėti iki 100 kA/cm 2 ar daugiau.
esminis
superlaidžių technologijų pažangą ir skatina naujų kūrimą
dizaino
įranga
Tam tikros viltys taip pat siejamos su sėkme gauti laidininkus su superlaidžia danga (tai yra naujos kartos superlaidūs laidai), kurių J c magnetiniame lauke yra iki kelių Teslų. Čia galima pagaminti superlaidžias juostas, galinčias nešti 1 kA srovę už priimtiną gamybos kainą. JAV šios juostos
yra kuriami
„MicroCoating“ technologijos,
Superlaidumas
Oksfordo superlaidininkių technologija.
Antroji priežastis yra ta, kad nėra pakankamai išplėtoti Bi-Sr-Ca-Cu-O laidininkų standartizavimo klausimai ir jų naudojimui būtinos norminės bazės elektros energijos perdavimo ir skirstymo srityje. Paprastai standartai pateikia nurodymus dėl mechaninio, šiluminio ir elektros laidumo
bandymai
medžiagų
įranga.
Kadangi superlaidiesiems įtaisams reikalingos kriogeninės sistemos, jie taip pat turi būti nurodyti. Taigi, prieš diegiant superlaidumą į elektros energetikos pramonę, būtina sukurti ištisą standartų sistemą: jie turi garantuoti aukštą visų superlaidžių gaminių patikimumą (2 pav.).
yra imamasi
įvykius
šia kryptimi. Septynios specialistų grupės iš keturių Europos šalių susivienijo į bendrą kokybės stebėsenos projektą Q-SECRETS (jis subsidijuojamas ES).
superlaidininkai
efektyvus,
kompaktiška
labai patikimas
galios perdavimas
Vienas pagrindinių projekto tikslų – padėti kurti
išplėtimas
"superlaidus"
elektros perdavimo ir skirstymo rinkoje. IN
išvada
Ženklas,
nepaisant
dideliems
potencialus
galimybės
aukštos temperatūros taikymas
superlaidininkai
energetikos pramonei reikės didelių mokslinių tyrimų ir plėtros pastangų, kad superlaidieji produktai taptų gyvybingi šiuolaikinėje rinkos ekonomikoje. Tuo pačiu metu artimiausios ateities skaičiavimai suteikia pagrindo optimizmui.
HTSC varikliai iš MAI (L.K. Kovalev)
Nauji elektros variklių tipai, kurių pagrindą sudaro tūriniai aukštos temperatūros superlaidininkai
Histerezės HTSC variklių serija.
|
|
|||
| HTSC 100 W | Įprastas |
Įprastas |
HTSC variklis |
Krio siurblys su HTSC varikliu |
|
|
|
||
HTSC variklis |
HTSC variklis |
HTSC variklis |
||
Pagrindinės histerezės HTSC elektros variklių techninės charakteristikos
Galimybės |
Mažos galios varikliai |
Vidutinio galingumo varikliai |
|||
| Galia, W | |||||
| Maitinimo įtampa, V | |||||
| Srovės dažnis, Hz | |||||
| Sukimosi greitis, aps./min | |||||
| Matmenys, mm | |||||
| Savitasis svoris, kg/kW | |||||
Galimos histerezės HTSC variklių pritaikymo sritys: kriosiurblių pavara, kompresorių, skystintuvų ir šaldytuvų pavara, greitaeigių centrifugų pavara, tekstilės pramonė, aviacijos ir kosmoso inžinerija, nauja kriogeninė medicinos įranga.
Histerezės HTSC varikliai. HTSC variklio principas pagrįstas histerezės reiškinio panaudojimu masiniuose aukštos temperatūros superlaidininkuose. HTS variklio rotoriaus elementai iš itrio keramikos (YBa 2 Cu 3 O x) gali būti pagaminti plokščių, cilindrų ar strypų pavidalu. Variklio sukimo momentas nustatomas pagal birių HTSC medžiagų histerezės kilpos plotą ir nepriklauso nuo rotoriaus greičio. Teoriškai ir eksperimentiškai įrodyta, kad kada skysto azoto temperatūros(77K) specifiniai histerezės parametrai HTSC mašinos yra 3-4 kartus geresnės nei ne superlaidžių histerezės variklių. Sukurti histerezės HTSC varikliai, kurių galia 100-4000 W, patikimai veikia esant 77K, o tai kol kas nepasiekiama HTSC kompozitinių laidų pagrindu veikiantiems analogams.
HTSC reaktyvinių variklių serija
|
 |
 |
HTSC variklis |
HTSC variklis |
HTSC variklio komponentai |
 |
 |
|
HTSC variklis |
HTSC variklis |
HTSC variklis |
Pagrindinės reaktyviųjų HTSC elektros variklių techninės charakteristikos
Galimybės |
Vidutinio galingumo varikliai |
Didelės galios varikliai (projektas) |
||
| Galia, W | ||||
| Maitinimo įtampa, V | ||||
| Srovės dažnis, Hz | ||||
| Sukimosi greitis, aps./min | ||||
| Matmenys, mm | ||||
| Savitasis svoris, kg/kW | ||||
Galimos HTSC reaktyvinių variklių panaudojimo sritys: galingų kriosiurblių pavara, greitas antžeminis transportas, aviacijos ir kosmoso inžinerija, pramoninė pavara krioenergetikoje.
HTSC reaktyvinių variklių privalumai. Yra žinoma, kad reaktyvinių variklių galią ir galios koeficientą lemia mašinos rotoriaus magnetinių savybių anizotropijos laipsnis. Ne superlaidžiuose reaktyviniuose varikliuose tai pasiekiama naudojant tiek magnetines, tiek nemagnetines medžiagas kompozitiniame rotoriuje. HTSC reaktyviniuose varikliuose nemagnetinės medžiagos pakeičiamos HTSC medžiagomis. HTSC reaktyvinių variklių rotoriai susideda iš kintamų HTSC (YBa 2 Cu 3 O x) plokščių ir feromagnetinių plokščių, pasižymi itin aukštomis anizotropinėmis savybėmis (feromagnetinės savybės viena kryptimi ir diamagnetinės statmenai). Tai leidžia gauti žymiai geresnius mašinų svorio ir matmenų parametrus. Kriogeniniai HTSC reaktyviniai varikliai, dirbantys skysto azoto aplinkoje, turi 2-3 kartus didesnius svorio, dydžio ir energijos parametrus, lyginant su tradiciniais (nesuperlaidžiais) reaktyviniais ir asinchroniniais varikliais, o išėjimo galios diapazone 5-20 kW. a galios koeficientas cosj ~0 ,7- 0,8.
Visuomenės priėmimas. Naujų tipų HTSC variklių kūrimo darbai buvo apdovanoti RAS tarybos prizais dėl HTSC problemų 1994 ir 1995 m. ir Tarptautinės superlaidumo konferencijos diplomai (1995 ir 1997 m. Havajai, JAV), 2000 m. Briuselyje vykusios 49-osios tarptautinės inovacijų, išradimų ir naujų technologijų parodos aukso medalis ir diplomas.
Bendradarbiavimas ir atlikėjai. Tolimesniam darbui su HTSC varikliais, ypač siekiant padidinti galią iki 100–500 kW, remiant ir tiesiogiai dalyvaujant atitinkamam nariui. RAS N.A. Černoplekova sukūrė tarptautinį bendradarbiavimą, į kurį įeina šios organizacijos: MAI- pagrindinis kūrėjas, VNIINM pavadintas Bochvaro vardu, VEI, ITT RAS(Černogolovka), Aukštųjų fizikos technologijų institutas (IPHT, (Jena, Vokietija), elektrotechnikos įmonė "Osvaldas"(Miltenbergas, Vokietija), Elektrotechnikos institutas(Štutgartas, Vokietija), Drezdeno universitetas(Vokietija), Oksfordo universitetas(Anglija).
Prof., technikos mokslų daktaras Kovaliovas Levas Kuzmichas
Adresas: Maskva, A-80, GSP-3, 125993. Maskvos valstybinis aviacijos institutas (technikos universitetas), Volokolamskoe plentas, 4 pastatas, 310 skyrius.
(Dar nėra įvertinimų) 
Įkeliama...
