淺談高溫超導(dǎo)材料在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

張?zhí)N施

摘要：隨著經(jīng)濟(jì)和科技的不斷發(fā)展，超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，逐漸成為電力科技領(lǐng)域的潛力股。自21世紀(jì)以來(lái)，超導(dǎo)技術(shù)迅速發(fā)展，高溫超導(dǎo)材料也迅速由實(shí)驗(yàn)階段進(jìn)入到實(shí)際的工程應(yīng)用階段，這樣的發(fā)展更是將電力科技帶進(jìn)了一個(gè)新的階段。本文主要介紹了高溫超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展歷程以及高溫超導(dǎo)材料在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，分析各種超導(dǎo)材料在電力系統(tǒng)中的作用。

關(guān)鍵詞：高溫超導(dǎo)材料；電力系統(tǒng)；應(yīng)用

高溫超導(dǎo)材料就是普通超導(dǎo)材料在更高溫度下出現(xiàn)超導(dǎo)效應(yīng)的材料，最早的超導(dǎo)材料是在23k（攝氏零下250℃）以下的溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)超導(dǎo)效應(yīng)的，后來(lái)超導(dǎo)材料的抗溫能力越來(lái)越強(qiáng)，目前的超導(dǎo)材料最高的溫度范圍是130多k（攝氏零下130多℃），在這樣的溫度下還可以出現(xiàn)超導(dǎo)效應(yīng)。

一、高溫超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展

自從2008年出現(xiàn)第一個(gè)高溫超導(dǎo)材料以來(lái)，人們紛紛踏進(jìn)高溫超導(dǎo)材料的研究大軍中，世界上許多國(guó)家上百位科學(xué)家相繼研究高溫超導(dǎo)材料的應(yīng)用狀況。而一旦高溫超導(dǎo)材料取得突破，有所進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)高溫超導(dǎo)的普遍應(yīng)用，人們的生活也會(huì)發(fā)生巨大的變化。

1911年，荷蘭物理學(xué)家Onnes在經(jīng)過(guò)不斷的研究和探索下，終于首先發(fā)現(xiàn)了金屬汞在溫度接近絕對(duì)零度即液態(tài)氦溫度時(shí)（4K=-269.2℃），電阻就會(huì)完全消失超導(dǎo)現(xiàn)象。在這之后，人們開(kāi)始研究和尋找更高溫度下的超導(dǎo)材料，但一直沒(méi)有收獲，直到62年后，即1973年科學(xué)家們才發(fā)現(xiàn)了更高溫度下的超導(dǎo)材料——臨界溫度在23.2k鈮鍺合金（Nb3Ge）超導(dǎo)材料，從4k到23.2k，雖然歷時(shí)62年，但終是有所突破。

自1973年科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)臨界溫度在23.2k鈮鍺合金（Nb3Ge）超導(dǎo)材料后，15年后又有了更加重大的進(jìn)展。1988年，著名科學(xué)家Mueller和Bednorz發(fā)現(xiàn)了一些在溫度達(dá)到130 K（攝氏零下143℃）時(shí)就出現(xiàn)超導(dǎo)效應(yīng)的多元素合金化合物，而要達(dá)到這一高溫特性不再需要液態(tài)氦來(lái)實(shí)現(xiàn)，而使用液態(tài)氮便能實(shí)現(xiàn)。這一發(fā)現(xiàn)打破了高溫特性必須使用液態(tài)氦來(lái)實(shí)現(xiàn)的這一認(rèn)識(shí)，因此成為了諾貝爾獲獎(jiǎng)作品。Mueller和Bednorz的這一發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著超導(dǎo)材料的快速發(fā)展，從1911年4k到1973年的23.2k，再到1988年的130k，超導(dǎo)材料的發(fā)展歷程可謂是突飛猛進(jìn)。歷時(shí)雖久，但是人們還在不斷的挖掘和探索更高溫度的超導(dǎo)材料，因此，更為意想不到的突破和進(jìn)展都有可能。

目前高溫超導(dǎo)材料正在不斷的發(fā)展和進(jìn)步，逐漸應(yīng)用到實(shí)際生活當(dāng)中，電力系統(tǒng)市場(chǎng)將會(huì)向高溫超導(dǎo)材料市場(chǎng)發(fā)展，并且逐步發(fā)展形成具有巨大潛力的超導(dǎo)技術(shù)，在市場(chǎng)上占有重要地位。各個(gè)國(guó)家也相繼將人力、物力投入到超導(dǎo)技術(shù)中，爭(zhēng)相競(jìng)爭(zhēng)。美國(guó)能源部認(rèn)為：超導(dǎo)電力技術(shù)是在21世紀(jì)電力工業(yè)上唯一的高技術(shù)儲(chǔ)備。而日本的新能源開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)則認(rèn)為：發(fā)展高溫超導(dǎo)電力技術(shù)是在21世紀(jì)的高技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)中保持尖端優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵所在。國(guó)際超導(dǎo)科技界和相關(guān)產(chǎn)業(yè)部門(mén)預(yù)測(cè)：2010年，全球超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)將達(dá)到260億美元，到2020年，將達(dá)到2400億美元以上。據(jù)2003年美國(guó)高溫超導(dǎo)材料市場(chǎng)分析與預(yù)測(cè)報(bào)告，全世界高溫超導(dǎo)元器件將會(huì)由2010年的5億美元的市場(chǎng)規(guī)模激增到2020年的100億美元。由此可見(jiàn)，高溫超導(dǎo)電力技術(shù)在國(guó)際上的地位越來(lái)越重要，各國(guó)都將投入更多的精力到高溫超導(dǎo)電力技術(shù)中，高溫超導(dǎo)技術(shù)具有廣闊的市場(chǎng)前景。

二、高溫超導(dǎo)材料的應(yīng)用

超導(dǎo)材料的性能從根本上決定了超導(dǎo)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，與普通的超導(dǎo)材料相比，高溫超導(dǎo)材料具有巨大優(yōu)勢(shì)，主要是它可以應(yīng)用于液氮溫區(qū)，這是高溫超導(dǎo)材料與普通超導(dǎo)材料的本質(zhì)區(qū)別。在電力系統(tǒng)中，高溫超導(dǎo)材料占據(jù)突出地位，具有不可替代的作用。隨著高溫超導(dǎo)材料的快速發(fā)展，低溫制冷技術(shù)也隨之不斷進(jìn)步，超導(dǎo)技術(shù)廣泛應(yīng)用到大眾生活中。

1、 磁懸浮列車(chē)

現(xiàn)代生活中的磁懸浮列車(chē)就是利用高溫超導(dǎo)材料制成的，主要材料是超導(dǎo)磁體，其主要特點(diǎn)是重量輕、磁場(chǎng)強(qiáng)和體積小，主要原理是物理學(xué)中磁鐵的“同性相斥，異性相吸”的性質(zhì)，主要運(yùn)行過(guò)程是利用磁鐵“同性相斥”的性質(zhì)抗拒地心引力，實(shí)現(xiàn)“磁性懸浮”。這種“磁性懸浮”被發(fā)現(xiàn)后便運(yùn)用到交通道路上，使列車(chē)不同于普通鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)中的其他列車(chē)完全脫離軌道而懸浮行使，從而變成“無(wú)軌”列車(chē)，時(shí)速迅速增加至幾百公里以上，便形成傳說(shuō)中的“磁懸浮列車(chē)”。“磁懸浮列車(chē)”上帶有超導(dǎo)材料，這種超導(dǎo)材料即超導(dǎo)磁體由于懸浮而在線(xiàn)圈上急速前進(jìn)，這些線(xiàn)圈被固定在鐵路的底部，感應(yīng)到電磁的引力，在線(xiàn)圈里產(chǎn)生電流，這樣在地面上的線(xiàn)圈產(chǎn)生磁場(chǎng)的極性和列車(chē)上的電磁體極性相同，這樣就會(huì)出現(xiàn)排斥現(xiàn)象，列車(chē)在這種排斥下就會(huì)懸浮起來(lái)。

2、超導(dǎo)電纜

在電力系統(tǒng)中，超導(dǎo)電纜的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，逐漸成為電力系統(tǒng)中占據(jù)重要地位的應(yīng)用。超導(dǎo)電纜不同于普通的電纜，它的橫截面的載流量大約是普通電纜的3～5倍，主要特點(diǎn)是重量輕、電能損耗小、環(huán)境污染小、使用方式靈活、電力運(yùn)行成本小等，這樣的優(yōu)勢(shì)使得超導(dǎo)電纜具有不斷滿(mǎn)足城市生活中不斷增長(zhǎng)的電力需求的功能。

超導(dǎo)電纜里面的導(dǎo)體既不鋁絲，更不是銅絲，而是鉍系高溫線(xiàn)材生產(chǎn)線(xiàn)。1996年經(jīng)過(guò)我國(guó)高溫超導(dǎo)電線(xiàn)研究組的認(rèn)真研究和辛苦探索，終于制成了第一條地下輸電電纜。2001年，清華大學(xué)應(yīng)用超導(dǎo)研究中心研制成功340米鉍系高溫超導(dǎo)線(xiàn)，同時(shí)，在年末，我國(guó)第一條鉍系高溫線(xiàn)材生產(chǎn)線(xiàn)也成功建成。2009年，美國(guó)科學(xué)家合成物質(zhì)（TI4Ba）Ba2Ca2Cu7O13+，進(jìn)一步將超導(dǎo)材料的溫度提高到254k，成功實(shí)現(xiàn)了突破。

3、超導(dǎo)變壓器

超導(dǎo)變壓器的基本原理是運(yùn)用高溫超導(dǎo)來(lái)提高能效，以此來(lái)減少傳輸過(guò)程中的損失。超導(dǎo)變壓器使用超導(dǎo)材料代替普通的銅絲來(lái)作變壓器繞組，這樣就使得變壓器具有噪聲小、重量輕、不用變壓器油、環(huán)境污染小、壽命長(zhǎng)、損耗小、過(guò)載能力強(qiáng)、對(duì)系統(tǒng)過(guò)流有限制作用等特點(diǎn)，大大的超越了普通變壓器的功效。我國(guó)第一臺(tái)高溫超導(dǎo)變壓器是由中國(guó)科學(xué)院電工研究所成功研制的三相高溫超導(dǎo)變壓器樣機(jī)，這項(xiàng)成果的二次輸出電流位居世界第一，是我國(guó)躋身于高溫超導(dǎo)變壓器研發(fā)國(guó)際先進(jìn)行列的標(biāo)志。

三、總結(jié)

綜上所述，在電力系統(tǒng)中采用超導(dǎo)技術(shù)可以增加電網(wǎng)的輸送容量、降低損耗、提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性、改善電能質(zhì)量，有利于保護(hù)環(huán)境，具有非常廣闊的應(yīng)用前景?，F(xiàn)在超導(dǎo)電纜、超導(dǎo)限流器、超導(dǎo)儲(chǔ)能器和超導(dǎo)變壓器等高溫超導(dǎo)材料已發(fā)展到工程實(shí)用階段，超導(dǎo)發(fā)電機(jī)和超導(dǎo)電動(dòng)機(jī)的研制也取得了重大進(jìn)展，超導(dǎo)技術(shù)在電力系統(tǒng)中大規(guī)模應(yīng)用的現(xiàn)實(shí)離我們并不遙遠(yuǎn)。

我國(guó)的電力科技發(fā)展必須緊跟世界電力科技發(fā)展的步伐，隨著三峽工程的建設(shè)，一個(gè)全國(guó)統(tǒng)一聯(lián)網(wǎng)的格局即將出現(xiàn)。因此建議加強(qiáng)對(duì)超導(dǎo)限流器、超導(dǎo)儲(chǔ)能器等超導(dǎo)材料的應(yīng)用，可改善電網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)，有利于系統(tǒng)穩(wěn)定且結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的超導(dǎo)電力設(shè)備的研制開(kāi)發(fā)工作，爭(zhēng)取在超導(dǎo)材料的研究開(kāi)發(fā)、超導(dǎo)設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、降低成本、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行等方面取得突破。這需要超導(dǎo)研究、電工制造和電力等相關(guān)部門(mén)的共同努力來(lái)實(shí)現(xiàn)。

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