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    “超導輸電”實現零電阻

    編輯:贛州DET365光電有限公司  字號:
    摘要:“超導輸電”實現零電阻
    所謂超導是指特定金屬或化合物冷卻到超低溫時,電阻變為零的現象。而超導電纜則是把利用這項技術製造的線材收納在保溫管中製成的電纜。保溫管內通入液氮等製冷劑,維持超導所需低溫狀態,這種輸電方式的電力損耗遠遠低於一般的銅線。

    輸電電纜是“超導輸電”的關鍵,該技術開發已基本結束。伴隨著超導輸電的運用,輸電的電力損耗將會銳減。作為節能的撒手鐧,這項技術還將在跨越國境的遠程電力協調中發揮作用。

    日本國內2011年度總發電量為8574億千瓦時,其中,從發電站輸往家庭途中的損耗約5%,相當於6座100萬千瓦級核電站1年的發電量,有數據表明,電線電阻造成的損耗大約占到一半。正因為如此,人們才對零電阻超導電纜充滿了期待。

    “超導”驅動電車

    位於東京都國分寺市的鐵道綜合技術研究所俗稱“鐵道綜研”。在研究所內鋪設的實驗軌道上,跑著貨真價實的電車。軌道的旁邊,設置著長約31m的黑色電纜。這就是用於輸電的超導電纜。

    鐵道綜研開發的超導電纜支持直流輸電,使用稀有 金屬鉍製成的超導材料線材封裝在約10cm粗的管中。工作時,-196度的液氮在內部循環,對線材進行冷卻,使電阻歸零。

    因為超導輸電需要讓液氮循環,所以一般采用的是平行設置往返兩條電纜的方式。但考慮到遠程使用和設置的自由度,鐵道綜研采用多層構造的保溫管,設計出了可讓液氮在一根保溫管中往返的構造。

    鐵道綜研研究開發推進室擔當部長兼超導應用研究室長富田優博士說:“不隻是削減輸電損耗,超導電纜對於有效利用再生能源也效果明顯。”

    使用31m電纜的性能測試現已基本結束。世界首次使用超導電纜供電驅動車輛的驗證實驗已於6月開始。按照預定,使用310m電纜的全麵驗證實驗將於秋季展開。富田博士充滿自信地表示,“這次實驗以在實際鐵路網中的運用為目標,將成為一項重大突破”。實用化預計將在5~10年內實現。

    日本率先量產電纜

    北海道石狩市也在推進使用超導電纜的輸電項目。

    地點是石狩灣新港地區。按照項目的計劃,太陽能電池板生產的電能將以直流電的形式,經由500m長的超導電纜,輸送到SAKURAInternet的石狩數據中心。輸電預定在2年內開始。2014年以後,該市將重新鋪設2km長的電纜,對遠程輸電的電力損耗和維護費用等進行驗證。

    數據中心中運行著大量的服務器,而且需要冷卻,因此電力需求龐大。高效利用電能有助於大幅壓縮運行成本。

    這一次,借助寒冷的氣候與直流化的效果,石狩數據中心的耗電量減少到了以往的一半以下。對於實驗的意義,在該項目中發揮核心作用的中部大學超導及可持續能源研究中心教授山口作太郎說:“通過結合超導輸電,可以高效利用太陽能發電”。

    人類發現超導現象要追溯到100多年前的1911年。但當初發現的超導體必須在溫度降至絕對零度(-273.15度)附近的時候,才能達到超導狀態。冷卻需要使用昂貴的液氦,難以應用於輸電。

    但是,隨著在較高溫度下就能達到超導狀態的“高溫超導體”於1986年開發成功,超導電纜的研發日漸興盛。

    高溫超導包括不少種類。比方說,使用稀有金屬鉍的超導是在-160度左右達到超導狀態。使用稀土釔、在-180度也可達到超導狀態的超導材料也已經開發成功。

    冷卻這些超導體可以使用溫度比液氦高,但價格便宜許多,而且容易保存的液氮。因為高溫超導體能夠實現穩定利用,所以商業利用的價值也逐漸顯現了出來。

    住友電氣工業超導產品開發部長林和彥說:“電纜性能已經達到了實用水平。”在超導電纜的量產化技術上麵,日本企業位於世界最前列。

    而住友電氣工業則是日本企業之中的先鋒。2003年,該公司在全世界率先成功實現了高溫超導電纜材料的量產化。向國內外眾多超導輸電實驗供應使用鉍製作的線材和電纜。

    另一方麵,古河電氣工業、藤倉等其他日本電線企業開發的則是釔係電纜。有看法認為,釔係電纜銀的用量少,在成本方麵有利,但就量產化技術而言,鉍係一馬當先,距離實用化最近。

    超導電纜雖說有助於節能,但並非萬能。

    超導電纜的電阻的確為零,但維持超導狀態需要在液氮的循環過程中對其進行不斷冷卻,這就需要使用冷凍機和泵。而冷凍機和泵會耗電,因此,嚴格來說,輸電損耗並不為零。

    目前,電力損耗大的遠程輸電、向用電規模大的大型設施的輸電估計會是超導輸電的主要用途。今後,隨著高效率冷凍機的開發,應用範圍將一舉得到擴大。

    另外,對於上麵介紹的鐵路與數據中心的事例,直流輸電是一個重點。超導輸電要與直流輸電網相結合才能發揮出真正的價值。山口教授說:“直流的損耗遠低於交流。”

    交流超導電纜采用一根管中通入3條芯線的構造。因為線材間相互影響,所以會產生名為“交流損耗”的電力損耗。而直流則沒有這種損耗。況且,直流電纜隻需1條芯線,粗細可以小於交流,具備冷卻成本低的特點。

    但是現有的輸電網以交流為主。直流接入電網需要變電設備。

    但在今後,直流有可能得到推廣。現在,鐵路已經率先開展了直流化。日本全國的普通鐵路(JR、民間鐵路)約70%的電化區間已經實現了直流化,新線路也基本采用直流係統。

    在大量用電的數據中心,直流化預計也將普及。

    SAKURAInternet公司社長田中邦裕說:“直流輸電效率高,而且有望降低初期成本。今後,我們將不斷增加直流設備。”

    向地球的另一麵輸電

    超導直流輸電還能跨國家、跨大陸協調電力。在超遠程輸電的應用領域值得期待,例如,從自然能源生產效率高的國家輸送到電力消費大的國家。或者是從夜間電力剩餘的國家,輸送到地球另一麵正苦於電力短缺的國家。

    現在,各地區都在提倡跨國境協調電力的智能電網(新一代輸電網)的構想。以歐洲為中心開展的“沙漠項目”(Desertec Project)就是其中之一。

    沙漠項目計劃在非洲的沙漠地區設置太陽能電池板,在沿海地區設置大型風車,把這些設備產生的電能輸送到歐洲和北非等地。山口教授介紹說,在項目的推進過程中,“也出現了采用超導直流電纜的動向”。

    超導輸電能夠為節能做出貢獻,在今後,全世界對於超導輸電的需求估計會越來越大。在該領域領跑世界的日本企業也隨之迎來了巨大的商機。
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