Юрий Почанин – Энергетика и экология (страница 11)
Таким образом, использование материалов с нулевым или пониженным активным сопротивлением позволяет удовлетворить практически все требования потребителей, не прибегая к промежуточному повышению напряжений. Понижение активных сопротивлений обычных проводниковых материалов высокой чистоты (гиперпроводники) или достижение бесконечно большой электропроводности (сверхпроводники) имеет место при очень низких температурах до 4 – 70оК.
На данный момент, конечно, можно говорить о значительных успехах в плане продвижения к получению высокотемпературных сверхпроводников. Однако большинство подобных решений связано с тем, что получаемые образцы хрупки и нестабильны, посему в технике по-прежнему остаются актуальными упомянутые выше сплавы ниобия.
Реализация этих возможностей позволяет значительно усовершенствовать существующую конструкцию электротехнических устройств, в частности электрических машин. Так, если использовать эффект сверхпроводимости и применить сверхпроводящие материалы для обмотки ротора (обмотки возбуждения), то потери в роторной обмотке можно практически свести к нулю, так как постоянный ток не будет встречать в ней сопротивления. Вследствие этого, повысится КПД машины. Протекающий по сверхпроводящей обмотке возбуждения ток большой силы создает столь сильное магнитное поле, что уже не будет необходимости применять стальной магнитопровод, традиционный для любой электрической машины. Устранение стали снизит массу ротора и его иннерционность.
Сделан анализ и определены ожидаемые технические показатели сверхпроводящих электроэнергетических устройств по сравнению с обычными, таблица 3.2.
Таблица 3.2, Ожидаемые технические показатели сверхпроводящих электроэнергетических устройств по сравнению с обычными.
Характеристика объекта
Предел по обычному исполнению
Предел по сверхпроводящему варианту
Электрические генераторы, номинальная мощность, Гва
2 – 6*
10
Электропередачи:рабочие напряжения, кв передаваемая мощность, Гва
1 200 – 1500 6 – 10
300 – 500
100
Токопроводы:рабочие токи, КА
150 – 200
500
Трансформаторы, номинальная мощность, Гва
6 – 8
6 – 8
Выключатели, разрывная мощность, Гва
35 – 40
40 – 50
Накопители электроэнергии, Мвт ч
–
30 000
В России, в 80-егоды, были построены крупные электромагнитные системы. Была запущена первая в мире экспериментальная установка Т-7, предназначенная для изучения возможности инициирования реакции термоядерного синтеза, где для создания тороидального магнитного поля требовались сверхпроводящие катушки. В больших укорителях элементарных частиц сверхпроводящие катушки также применяются – в пузырьковых камерах для жидкого водорода.
Расходомеры, измерители уровня, барометры, термометры – для всех этих высокоточных приборов отлично подходят сверхпроводники. Главными же крупными направлениями промышленного применения сверхпроводников остаются два: магнитные системы и электрические машины.
Раз сверхпроводник не пропускает магнитного потока, значит изделие такого рода экранирует магнитное излучение. Данное свойство сверхпроводников применяется в точных микроволновых устройствах, а также при защите от столь опасного поражающего фактора ядерного взрыва, как мощное электромагнитное излучение.
В результате низкотемпературные сверхпроводники остаются незаменимыми при создании магнитов в таком научно-исследовательском оборудовании, как ускорители частиц и установки термоядерного синтеза.
Сверхпроводники также используются в магнитных левитационных системах, которые позволяют транспортировать грузы без трения и сопротивления. Магнитные левитационные системы используются, например, в магнитных поездах, где сверхпроводящие магниты создают сильное магнитное поле, которое поддерживает поезд в воздухе и позволяет ему двигаться без трения. Это позволяет достичь очень высоких скоростей и снизить энергопотребление.
По расчетам американских специалистов сверхпроводящие магниты позволяют поднять над трассой 100-местные поезда весом приблизительно 22 т, для привода которых в движение со скоростью 300 миль/ч потребуется мощность около 5500 л. с. Основным преимуществом поездов на магнитной подушке перед высокоскоростными .поездами обычного типа будет являться практически полная бесшумность при движении. Поезда на магнитной подушке, активно эксплуатируемые сегодня в Японии, уже способны двигаться со скоростью 600 км/ч и давно доказали свою реализуемость и эффективность.
Одно из основных применений сверхпроводников в энергетике – это создание магнитных сепараторов. Магнитные сепараторы используются для отделения магнитных материалов от немагнитных в процессе добычи полезных ископаемых, таких как железная руда. Сверхпроводящие магниты в магнитных сепараторах создают сильное магнитное поле, которое притягивает магнитные материалы и отделяет их от немагнитных. Это позволяет повысить эффективность процесса добычи и снизить затраты на энергию.
Сверхпроводники также используются в магнитных тормозах для транспортных средств. Магнитные тормоза используются для замедления или остановки движения транспортного средства. Сверхпроводящие магниты в магнитных тормозах создают сильное магнитное поле, которое взаимодействует с магнитными материалами на транспортном средстве и замедляет его движение. Это позволяет достичь более эффективного и безопасного торможения.
Сверхпроводники также используются для создания магнитных хранилищ энергии. Магнитные хранилища энергии позволяют хранить электрическую энергию в магнитном поле, что может быть полезно для сглаживания пиков нагрузки в электросети. Сверхпроводящие магниты в магнитных хранилищах энергии создают сильное магнитное поле, которое сохраняет энергию внутри себя без потерь. Это позволяет эффективно использовать энергию и снизить затраты на электроэнергию.
Сверхпроводниковые турбогенераторы – принципиально новое направление развития турбогенераторов. Охлаждение производится при сверхнизких (криогенных) температурах при достижении явления сверхпроводимости. Криогенными считаются температуры в диапазоне от 120 К (-153°C) до температуры 0,7 K (-272°C).
В сверхпроводящем проводе допустима плотность тока, в 10-50 раз превышающая плотность тока в обычном электрооборудовании. Магнитные поля можно будет довести до значений порядка 10 Тл, по сравнению с 0,8. 1 Тл в обычных машинах.
Использование сверхпроводников может оказаться экономичным при создании в будущем сверхмощных электрических машин, аппаратов, линии электропередачи (ЛЭП), что представляется весьма актуальной проблемой для перспектив развития электроэнергетики. Задачами новых научных исследований на ближайший период являются: изыскание новых сверхпроводящих материалов с повышенными критическими параметрами, пониженными потерями в переменных полях и создание на их основе совершенной технологии изготовления проводников (проволочных и ленточных, – пригодных для обмоток машин и аппаратов; композиционных изделий), удешевление сверхпроводящих материалов, определение областей технико-экономической целесообразности применения сверхпроводников, а также разработка конструкции сверхпроводящих машин, аппаратов, ЛЭП и пр.
В самом деле. научно-технический прогресс электротехники не коснулся основного электротехнического материала – проводника, который оказался неизменным с присущим ему сопротивлением, ограничивающим допустимую плотность тока и мощность машин и аппаратов в заданных габаритах. Снижение активного сопротивления проводника, а тем более применение сверхпроводников позволило бы в принципе существенно повысить мощность электрических машин и аппаратов в тех же габаритах, повысить к.п.д. за счет увеличения рабочей индукции и плотности тока.
Для России с ее огромными пространствами и крайне неравномерным распределением энергоресурсов (в европейской части страны около 12% энергоресурсов, а в азиатской до 88%) первостепенное значение имеет проблема создания мощных и дальних ЛЭП.
Отсутствие электрического сопротивления у сверхпроводников делает процесс передачи электрической энергии более экономичным. Так, единственный сверхпроводящий тонкий кабель, проложенный под землей, принципиально смог бы передавать мощность, для передачи которой традиционным способом понадобился бы толстый жгут проводов – громоздкая линия.
На данный момент остаются актуальными лишь проблемы стоимости и обслуживания, связанные с необходимостью непрерывно прокачивать через систему азот. Тем не менее в 2008 году в Нью-Йорке фирма American Superconductor успешно запустила первую коммерческую сверхпроводящую ЛЭП.
Комбинируя сверхпроводники с полупроводниками, ученые создают сверхбыстрые квантовые компьютеры, являющие миру новое поколение вычислительной техники.
Явление зависимости температуры перехода вещества в сверхпроводящее состояние от величины магнитного поля – положено в основу управляемых резисторов – криотронов.
Сверхпроводники также могут использоваться в магнитных генераторах, которые преобразуют механическую энергию в электрическую. Сверхпроводящие магниты в магнитных генераторах создают сильное магнитное поле, которое вращается вокруг оси и генерирует электрический ток. Это позволяет эффективно использовать энергию и снизить затраты на производство электроэнергии.