超導線材:改變用電方式

人類在享受現(xiàn)代文明的同時,面臨著日益嚴重的能源危機、資源危機。在被稱為數(shù)字時代的今天,人們卻依賴著昨天設計的電力系統(tǒng),唯一的變化是電纜越來越粗、機組越來越大。一方面,能源供應越來越緊張,另一方面,大量電能卻被浪費在所使用的傳統(tǒng)材料上。當前,我國電網(wǎng)的電能損耗約占總發(fā)電量的9%,其中90%左右是由電纜損耗的。到2010年,按預測的裝機容量,中國在輸配電網(wǎng)上將損失二到三個三峽電站的發(fā)電量;在美國,每年僅在輸電線路上的損失就高達40億美元。如果使用高溫超導線材,不僅可以避免這些損失,而且可以節(jié)約大量的金屬材料。

北京英納超導技術有限公司成立于2000年9月,是我國首家專業(yè)從事高溫超導材料及其應用產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)和銷售的高新技術企業(yè)。英納超導公司致力于在中國實現(xiàn)高溫超導線材的產(chǎn)業(yè)化,推動我國高溫超導線材及其應用產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和創(chuàng)新。公司韓征和董事長在“建設中關村國家自主創(chuàng)新示范區(qū)動員大會”上獲得“中關村二十年特出貢獻個人”榮譽稱號。

早在2001年7月,英納超導和云南電力集團有限公司直屬的云電控股(集團)有限公司合資成立了北京云電英納超導電纜有限公司,致力于高溫超導電纜的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。其主持研制的三相30m、2kA/35kV高溫超導電纜已在云南并網(wǎng)運行,它的運行使我國成為繼美國、丹麥之后的第三個將超導電纜投入電網(wǎng)試運行的國家。標志著我國高溫超導電力應用已躋身世界前列,開始進入實用階段。

緊接著,2001年12月,鉍系高溫超導線材生產(chǎn)線投產(chǎn)的新聞被評為“2001年中國十大科技新聞”。它已申請14項高溫超導線材產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)及高溫超導應用領域核心專利,線材產(chǎn)品綜合水平在世界上居第三位。目前,英納超導產(chǎn)品已銷往韓國、美國、歐洲等國家和地區(qū)。

高溫超導線材在超導領域的地位,很像芯片或晶片在IT業(yè)中的地位,很基礎,也很關鍵。目前,世界上從事鉍系高溫超導線材生產(chǎn)的公司只有五家,除英納公司外,他們分別是美國超導(AMSC)、日本駐友、德國歐洲先進超導公司(EAS)及德國Trithor公司。而英納公司生產(chǎn)的高溫超導線材產(chǎn)品的綜合性能位于世界前三名。

何為超導線材

1911年,荷蘭科學家Onnes發(fā)現(xiàn),在液氦(4.2K)低溫條件下水銀的電阻突降為零。這種在低溫條件下物質電阻突然消失的現(xiàn)象被稱為超導現(xiàn)象,轉變溫度稱為臨界溫度(Tc)。低溫超導材料的臨界溫度是絕對溫度十幾K以下,需要在液氦中工作。由于液氦及其制冷費用昂貴,低溫超導材料的應用受到了很大的限制。目前商品化的低溫超導線材主要有NbTi,Nb3Sn,主要用于核磁共振成像儀、加速器磁體等方面,全世界的市場有十多億美元。高溫超導材料一般是指臨界溫度在絕對溫度77K以上、電阻接近零的超導材料,通?？梢栽诹畠r的液氮(77K)制冷環(huán)境中使用,主要分為兩種:釔鋇銅氧(YBCO)和鉍鍶鈣銅氧(BSCCO)。釔鋇銅氧一般用于制備超導薄膜,應用在電子、通信等領域;鉍鍶鈣銅氧主要用于線材的制造。

1986年高溫超導材料被發(fā)現(xiàn)后,全世界投入數(shù)十億美元的科研經(jīng)費進行高溫超導材料的產(chǎn)業(yè)化研究。經(jīng)過一大批優(yōu)秀科學家十多年的努力工作,在釔鋇銅氧、鉍鍶鈣銅氧等幾種高溫超導材料中,1997年首先實現(xiàn)了鉍系高溫超導線材產(chǎn)業(yè)化。這也是目前唯一產(chǎn)業(yè)化的高溫超導材料。高溫超導線材具有損耗低、通電能力強(是相同截面積普通銅導線的100倍以上)等特點,其在應用領域的研究發(fā)展迅速。

超導線材的應用

超導材料與傳統(tǒng)銅、鋁等金屬材料相比,由于具有零電阻、高通流能力的特性,用其制造的電力設備具有體積小、重量輕、效率高、環(huán)保等優(yōu)點,在能源、電力、交通方面具有重要的應用前景,是推動節(jié)能減排與新能源技術發(fā)展的最有效途徑之一,可在二十一世紀引起電力工業(yè)的技術革命。以下是高溫超導技術應用的一些例子。高溫超導輸電電纜。與相同直徑的常規(guī)電纜相比,高溫超導電纜的輸電能力要大3-5倍,并且不需要通風冷卻的通道,因此占用空間小,開挖鋪設的工作量少。英納超導公司等單位已于2004年研制成了3相、35千伏、2千安、33.5米高溫超導電纜并在云南昆明普吉電站實現(xiàn)了并網(wǎng)運行。這組電纜至今還在運行中,是目前世界上并網(wǎng)運行時間最長的高溫超導電纜。 高溫超導風力發(fā)電機。一個特定的風場的發(fā)電潛能是一定的,風力發(fā)電機的功率越大,其發(fā)電效率(發(fā)揮風場潛力)就越大。當前,英納超導公司參與的100千瓦高溫超導電動機已研制成功,1兆瓦高溫超導電動機的項目也正在進行中。高溫超導限流器。高溫超導限流器可以起到提高了電網(wǎng)的安全性,同時也可提高電網(wǎng)的效率。英納超導電纜技術等單位于2007年研制成了35千伏、1200安培飽和鐵芯式高溫超導限流器并在云南昆明普吉電站實現(xiàn)了并網(wǎng)運行。此外,高溫超導技術在冶煉工業(yè)、磁懸浮列車、高溫超導磁場儲能器、高溫超導調(diào)相器、高溫超導磁粒選礦機等都可起到很好的應用。

超導產(chǎn)品迎來曙光

根據(jù)世界銀行預測,2020年全球超導產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值將達2440億美元以上,正如半導體帶來的資訊時代,以及由光纖帶來的傳訊時代,高溫超導材料將從根本上改變?nèi)祟惖挠秒姺绞?給電力、能源、交通以及其它與電磁有關的科技業(yè)帶來革命性的發(fā)展。

專家認為,2007年以后超導產(chǎn)業(yè)將進入高速增長期。今年5月10日,日本住友電氣宣布將在大阪的工廠大規(guī)模生產(chǎn)鉍系高溫超導線材。為了抓住超導產(chǎn)業(yè)發(fā)展的巨大商機,英納公司計劃融資1億人民幣,進行超導線材和超導應用產(chǎn)品的研發(fā)和推廣。

英納公司在高溫超導線材生產(chǎn)及應用技術領域具有豐富的經(jīng)驗,能夠生產(chǎn)多種類型的Bi-2223高溫超導長線材,并可根據(jù)用戶對線材尺寸、套管材料及表面覆材等不同要求為其定制高質量的線材產(chǎn)品,提供如高溫超導線圈、磁體、電流引線、超導電纜、超導限流器等超導應用半成品或成品。目前,在國內(nèi)高溫超導應用項目領域,英納超導公司產(chǎn)品的市場份額已經(jīng)占到75%以上。

據(jù)了解,2009年將是高溫超導產(chǎn)品大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的曙光之年,關鍵之年。一是奧巴馬上臺后把智能電網(wǎng)列進他的能源改革戰(zhàn)略。這一復興計劃將進一步帶動國內(nèi)高溫超導電力能源的應用及產(chǎn)業(yè)化步伐。第二就是在未來數(shù)年內(nèi),如果高溫超導電纜、風力發(fā)電機和感應加熱器等項目能得到應用,英納超導公司即可進入高速發(fā)展的新階段。