Elektromotory založené na vysokoteplotnej supravodivosti. Ruské "Centrum pre supravodivé elektrické stroje a zariadenia"
Jedným z hlavných smerov rozvoja vedy je teoretický a experimentálny výskum v oblasti supravodivých materiálov a jedným z hlavných smerov rozvoja techniky je vývoj supravodivých turbogenerátorov.
Supravodivé elektrické zariadenia dramaticky zvýšia elektrické a magnetické zaťaženie prvkov zariadenia a tým dramaticky znížia ich veľkosť. V supravodivom drôte je prípustná prúdová hustota, ktorá je 10...50-krát vyššia ako prúdová hustota v konvenčnom elektrickom zariadení. Magnetické polia možno zvýšiť na hodnoty rádovo 10 Tesla, v porovnaní s 0,8...1 Tesla v konvenčných strojoch. Ak vezmeme do úvahy, že rozmery elektrických zariadení sú nepriamo úmerné súčinu prípustnej prúdovej hustoty a indukcie magnetického poľa, potom je jasné, že použitie supravodičov mnohonásobne zníži veľkosť a hmotnosť elektrických zariadení!
Podľa jedného z konštruktérov chladiaceho systému nových typov kryogénnych turbogenerátorov, sovietskeho vedca I.F. Filippov, existuje dôvod považovať problém vytvorenia ekonomických generátorov kryoturbíny so supravodičmi za vyriešený. Predbežné výpočty a výskum nám umožňujú dúfať, že nielen veľkosť a hmotnosť, ale aj účinnosť nových strojov bude vyššia ako u najmodernejších generátorov tradičnej konštrukcie.
Tento názor zdieľajú vedúci práce na vytvorení nového supravodivého turbogenerátora série KTG-1000, akademik I.A. Glebov, doktor technických vied V.G. Novitsky a V.N. Šachtarin. V lete 1975 bol testovaný generátor KTG-1000, po ňom nasledoval modelový kryogénny turbogenerátor KT-2-2, ktorý vytvorilo združenie Elektrosila v spolupráci s vedcami z Fyzikálno-technického inštitútu nízkych teplôt Ukrajinskej akadémie vied. Výsledky testov umožnili začať s konštrukciou supravodivého agregátu podstatne väčšieho výkonu.
Uvedieme niekoľko údajov o 1200 kW supravodivom turbogenerátore vyvinutom vo VNIIelektromash. Supravodivé poľné vinutie je vyrobené z drôtu s priemerom 0,7 mm s 37 supravodivými nióbovo-titánovými jadrami v medenej matrici. Odstredivé a elektrodynamické sily vo vinutí sú vnímané nerezovým obväzom. Medzi vonkajším hrubostenným nerezovým plášťom a bandážou je medené elektrotermické sito, chladené prúdom studeného héliového plynu prechádzajúceho kanálom (potom sa vracia do skvapalňovača).
Ložiská pracujú pri izbovej teplote. Vinutie statora je vyrobené z medených vodičov (chladiaca kvapalina je voda) a je obklopené feromagnetickým štítom z vrstvenej ocele. Rotor sa otáča vo vákuovom priestore vnútri plášťa z izolačného materiálu. Zachovanie vákua v plášti zaručujú tesnenia.
Experimentálny generátor KTG-1000 bol svojho času rozmerovo najväčší kryoturbínový generátor na svete. Účelom jeho vytvorenia je vyvinúť návrh veľkých rotačných kryostatov, zariadení na privádzanie hélia do vinutia supravodivého rotora, štúdium tepelného okruhu, činnosť vinutia supravodivého rotora a jeho chladenie.
A vyhliadky sú jednoducho fascinujúce. Stroj s výkonom 1300 MW bude mať dĺžku asi 10 m a hmotnosť 280 ton, zatiaľ čo bežný stroj podobného výkonu má dĺžku 20 m a hmotnosť 700 ton! Napokon, konvenčný stroj s výkonom viac ako 2000 MW je ťažké vytvoriť, ale s použitím supravodičov možno skutočne dosiahnuť jednotkový výkon 20 000 MW!
Zisk v materiáloch teda predstavuje približne tri štvrtiny nákladov. Výrobné procesy sú zjednodušené. Pre každý strojársky závod je jednoduchšie a lacnejšie vyrobiť niekoľko veľkých elektrických strojov ako veľké množstvo malých: je potrebných menej pracovníkov, strojový park a ďalšie zariadenia nie sú tak zaťažené.
Na inštaláciu výkonného turbogenerátora je potrebná relatívne malá plocha elektrárne. To znamená, že náklady na výstavbu strojovne sa znížia a stanica sa môže rýchlejšie uviesť do prevádzky. A nakoniec, čím väčší je elektrický stroj, tým vyššia je jeho účinnosť.
Všetky tieto výhody však nevylučujú technické ťažkosti, ktoré vznikajú pri vytváraní veľkých energetických celkov. A čo je najdôležitejšie, ich silu možno zvýšiť len do určitých limitov. Výpočty ukazujú, že nebude možné prekročiť hornú hranicu limitovanú výkonom turbogenerátora 2500 MW, ktorého rotor sa otáča frekvenciou 3000 ot./min., keďže túto hranicu určujú predovšetkým pevnostné charakteristiky: napätia v mechanická konštrukcia stroja s vyšším výkonom sa zväčší natoľko, že odstredivé sily nevyhnutne spôsobia deštrukciu rotora.
Pri preprave vzniká veľa starostí. Na prepravu toho istého turbogenerátora s výkonom 1200 MW bolo potrebné postaviť kĺbový dopravník s nosnosťou 500 ton a dĺžkou takmer 64 m. Každý z jeho dvoch podvozkov spočíval na 16 nápravách vozov.
Mnohé prekážky samy o sebe zmiznú, ak využijete efekt supravodivosti a použijete supravodivé materiály. Potom môžu byť straty vo vinutí rotora prakticky znížené na nulu, pretože jednosmerný prúd v ňom nenarazí na odpor. A ak áno, účinnosť stroja sa zvyšuje. Vysoký prúd pretekajúci supravodivým budiacim vinutím vytvára také silné magnetické pole, že už nie je potrebné používať oceľové magnetické jadro, tradičné pre akýkoľvek elektrický stroj. Odstránenie ocele zníži hmotnosť rotora a zotrvačnosť.
Vytvorenie kryogénnych elektrických strojov nie je poctou móde, ale nevyhnutnosťou, prirodzeným dôsledkom vedeckého a technologického pokroku. A existujú všetky dôvody domnievať sa, že do konca storočia budú v energetických systémoch fungovať supravodivé turbogenerátory s výkonom viac ako 1000 MW.
Prvý elektrický stroj so supravodičmi v Sovietskom zväze bol navrhnutý v Ústave elektromechaniky v Leningrade už v roku 1962...1963. Išlo o jednosmerný stroj s konvenčnou („teplou“) kotvou a supravodivým budiacim vinutím. Jeho výkon bol len niekoľko wattov.
Odvtedy tím ústavu (dnes VNIIelektromash) pracuje na vytvorení supravodivých turbogenerátorov pre energetický sektor. V priebehu minulých rokov bolo možné postaviť experimentálne stavby s výkonom 0,018 a 1 MW a následne 20 MW...
Aké sú vlastnosti tohto duchovného dieťaťa VNIIelektromash?
Supravodivé poľné vinutie je umiestnené v héliovom kúpeli. Kvapalné hélium vstupuje do rotujúceho rotora cez potrubie umiestnené v strede dutého hriadeľa. Odparený plyn sa vracia späť do kondenzačnej jednotky cez medzeru medzi týmto potrubím a vnútornou stenou šachty.
Konštrukcia héliového potrubia, ako aj samotného rotora, má vákuové dutiny, ktoré vytvárajú dobrú tepelnú izoláciu. Krútiaci moment z hlavného pohonu je dodávaný do vinutia poľa cez „tepelné mosty“ - štruktúru, ktorá je mechanicky dosť pevná, ale neprenáša teplo dobre.
Výsledkom je, že konštrukcia rotora je rotačný kryostat so supravodivým budiacim vinutím.
Stator supravodivého turbogenerátora má ako v tradičnej verzii trojfázové vinutie, v ktorom je elektromotorická sila vybudená magnetickým poľom rotora. Výskum ukázal, že je nevhodné použiť v statore supravodivé vinutie, pretože v supravodičoch dochádza pri striedavom prúde k značným stratám. Ale dizajn statora s „bežným“ vinutím má svoje vlastné charakteristiky.
Ukázalo sa, že v zásade je možné umiestniť vinutie do vzduchovej medzery medzi statorom a rotorom a upevniť ho novým spôsobom pomocou epoxidových živíc a konštrukčných prvkov zo sklenených vlákien. Táto konštrukcia umožnila umiestniť do statora viac medených vodičov.
Originálny je aj systém chladenia statora: teplo je odvádzané freónom, ktorý zároveň slúži ako izolant. Toto odmietnuté teplo je možné v budúcnosti využiť na praktické účely pomocou tepelného čerpadla.
V motore turbogenerátora s výkonom 20 MW bol použitý medený obdĺžnikový drôt s rozmermi 2,5 x 3,5 mm. Je do nej vylisovaných 3600 nióbovo-titánových žíl. Takýto drôt je schopný prechádzať prúdom až do 2200 A.
Testy nového generátora vypočítané údaje potvrdili. Ukázalo sa, že má polovičnú hmotnosť oproti tradičným strojom rovnakého výkonu a jeho účinnosť je o 1 % vyššia. Teraz tento generátor pracuje v systéme Lenenergo ako synchrónny kompenzátor a vyrába.
Hlavným výsledkom práce sú však obrovské skúsenosti nahromadené v procese vytvárania turbogenerátora. Leningradské elektrostrojárske združenie Elektrosila na jeho základe začalo vytvárať turbogenerátor s výkonom 300 MW, ktorý bude inštalovaný v jednej z rozostavaných elektrární u nás.
Supravodivé poľné vinutie rotora je vyrobené z nióbovo-titánového drôtu. Jeho dizajn je nezvyčajný - najtenšie nióbovo-titánové vodiče sú zalisované do medenej matrice. Toto bolo urobené, aby sa zabránilo prechodu vinutia zo supravodivého stavu do normálneho stavu v dôsledku vystavenia fluktuáciám magnetického toku alebo z iných dôvodov. Ak sa tak stane, medenou matricou pretečie prúd, teplo sa rozptýli a supravodivý stav sa obnoví.
Samotná výrobná technológia rotora si vyžadovala zavedenie zásadne nových technických riešení. Ak je rotor bežného stroja vyrobený z pevného výkovku z magneticky vodivej ocele, potom by v tomto prípade mal pozostávať z niekoľkých valcov vložených do seba, vyrobených z nemagnetickej ocele. Medzi stenami niektorých valcov je tekuté hélium, medzi stenami iných sa vytvára vákuum. Steny valca musia mať, prirodzene, vysokú mechanickú pevnosť a musia byť vákuovo tesné.
Hmotnosť nového turbogenerátora, rovnako ako hmotnosť jeho predchodcu, je takmer 2-krát menšia ako hmotnosť konvenčného turbogenerátora s rovnakým výkonom a účinnosť je zvýšená o ďalších 0,5...0,7 %. Turbogenerátor „žije“ približne 30 rokov a väčšinu času je v prevádzke, takže je celkom zrejmé, že takéto zdanlivo malé zvýšenie účinnosti bude veľmi výrazným ziskom.
Energetickí pracovníci potrebujú viac než len generátory chladu. Bolo vyrobených a otestovaných už niekoľko desiatok supravodivých transformátorov (prvý z nich zostrojil Američan McPhee v roku 1961; transformátor pracoval na úrovni 15 kW). Existujú projekty supravodivých transformátorov s výkonom do 1 milióna kW. Pri dostatočne vysokých výkonoch budú supravodivé transformátory o 40...50% ľahšie ako klasické, s približne rovnakými výkonovými stratami ako klasické transformátory (pri týchto výpočtoch sa bral do úvahy aj výkon skvapalňovača).
Supravodivé transformátory však majú aj značné nevýhody. Sú spojené s potrebou chrániť transformátor pred opustením supravodivého stavu počas preťaženia, skratu, prehriatia, keď magnetické pole, prúd alebo teplota môžu dosiahnuť kritické hodnoty.
Ak sa transformátor nezničí, jeho opätovné ochladenie a obnovenie supravodivosti potrvá niekoľko hodín. V niektorých prípadoch je takéto prerušenie napájania neprijateľné. Preto predtým, než sa začne hovoriť o hromadnej výrobe supravodivých transformátorov, je potrebné vypracovať ochranné opatrenia proti havarijným podmienkam a možnosť poskytnúť spotrebiteľom elektrickú energiu počas odstávky supravodivého transformátora. Dosiahnuté úspechy v tejto oblasti naznačujú, že v blízkej budúcnosti bude vyriešený problém ochrany supravodivých transformátorov, ktoré v elektrárňach zaujmú svoje miesto.
V posledných rokoch sa sen o supravodivých elektrických vedeniach čoraz viac približuje realite. Neustále sa zvyšujúci dopyt po elektrine robí prenos vysokého výkonu na veľké vzdialenosti veľmi atraktívnym. Sovietski vedci presvedčivo ukázali prísľub supravodivých prenosových vedení. Náklady na vedenie budú porovnateľné s nákladmi na konvenčné nadzemné prenosové vedenia (cena supravodiča je vzhľadom na vysokú hodnotu jeho kritickej prúdovej hustoty v porovnaní s ekonomicky životaschopnou prúdovou hustotou v medených alebo hliníkových drôtoch nízka) a nižšie ako náklady na káblové vedenia.
Supravodivé prenosové vedenia sa navrhuje realizovať nasledovne: medzi koncovými prenosovými bodmi je v zemi uložené potrubie s tekutým dusíkom. Vo vnútri tohto potrubia je potrubie s tekutým héliom. Hélium a dusík prúdia potrubím v dôsledku vytvárania tlakového rozdielu medzi zdrojovým a cieľovým bodom. Skvapalňovacie čerpacie stanice tak budú len na koncoch linky.
Ako dielektrikum možno použiť aj tekutý dusík. Héliové potrubie je vo vnútri dusíkového potrubia podopreté dielektrickými vzperami (väčšina izolantov má zlepšené dielektrické vlastnosti pri nízkych teplotách). Héliové potrubie je vákuovo izolované. Vnútorný povrch potrubia kvapalného hélia je pokrytý vrstvou supravodiča.
Straty v takomto vedení, berúc do úvahy nevyhnutné straty na koncoch vedenia, kde musí byť supravodič pripojený k prípojniciam za normálnych teplôt, nepresiahnu niekoľko zlomkov percent a v bežných elektrických vedeniach sú straty 5...10 krát viac!
Vďaka úsiliu vedcov z Energetického inštitútu pomenovaného po G.M. Krzhizhanovsky and All-Union Vedecký výskumný ústav káblového priemyslu už vytvoril sériu experimentálnych sekcií supravodivých AC a DC káblov. Takéto vedenia budú schopné prenášať výkon mnohých tisíc megawattov s účinnosťou vyššou ako 99 %, pri miernych nákladoch a relatívne nízkom (110...220 kV) napätí. Možno ešte dôležitejšie je, že supravodivé elektrické vedenia nebudú vyžadovať drahé zariadenia na kompenzáciu jalového výkonu. Bežné vedenia vyžadujú inštaláciu prúdových tlmiviek a výkonných kondenzátorov na vyrovnanie nadmerných strát napätia pozdĺž trasy, ale supravodivé vedenia sú schopné samy kompenzovať!
Supravodiče sa tiež ukázali ako nepostrádateľné v elektrických strojoch, ktorých princíp činnosti je mimoriadne jednoduchý, ale ktoré ešte nikdy neboli skonštruované, pretože na svoju činnosť vyžadujú veľmi silné magnety. Hovoríme o magnetohydrodynamických (MHD) strojoch, ktoré sa Faraday pokúsil implementovať už v roku 1831.
Myšlienka tejto skúsenosti je jednoduchá. Dve kovové platne boli ponorené do vody Temže na jej protiľahlých brehoch. Ak je rýchlosť rieky 0,2 m/s, potom prirovnaním prúdov vody k vodičom pohybujúcim sa v magnetickom poli Zeme zo západu na východ (jeho vertikálna zložka je približne rovná 5 10-5 T) vznikne napätie Z elektród možno odobrať približne 10 μV/m .
Bohužiaľ, tento experiment skončil neúspechom, „riečny generátor“ nefungoval. Faradayovi sa nepodarilo zmerať prúd v obvode. Ale o niekoľko rokov neskôr Lord Kelvin zopakoval Faradayov experiment a získal malý prúd. Zdalo by sa, že všetko zostalo rovnaké ako Faradayovo: tie isté platne, tá istá rieka, tie isté nástroje. Až na to, že miesto nie je úplne v poriadku. Kelvin postavil svoj generátor ďalej po Temži, kde sa jej vody miešajú so slanou vodou z prielivu.
Tu je riešenie! Voda po prúde bola slanšia, a teda aj vodivejšia! To bolo okamžite zaznamenané prístrojmi. Zvýšenie vodivosti „pracovnej tekutiny“ je všeobecný spôsob, ako zvýšiť výkon generátorov MHD. Ale môžete zvýšiť výkon iným spôsobom - zvýšením magnetického poľa. Výkon generátora MHD je priamo úmerný druhej mocnine sily magnetického poľa.
Sny o MHD generátoroch dostali reálny základ okolo polovice nášho storočia spolu s príchodom prvých sérií supravodivých priemyselných materiálov (niób-titán, niób-zirkónium), z ktorých bolo možné vyrobiť prvé, ešte malé, ale fungujúce modely generátorov, motorov, vodičov, solenoidov . A v roku 1962 na sympóziu v Newcastli Angličania Wilson a Robert navrhli projekt 20 MW MHD generátora s poľom 4 Tesla. Ak je vinutie vyrobené z medeného drôtu, potom za cenu 0,6 mm / USD. Straty joulov v ňom „zožerú“ užitočný výkon (15 MW!). Ale so supravodičmi sa vinutie kompaktne zmestí do pracovnej komory, nebudú v nej žiadne straty a na chladenie bude potrebných iba 100 kW výkonu. Účinnosť sa zvýši z 25 na 99,5 %! Je tu toho veľa na premýšľanie.
Generátory MHD boli v mnohých krajinách brané vážne, pretože v takýchto strojoch je možné v turbínach tepelných elektrární použiť plazmu 8...10 krát teplejšiu ako para a zároveň podľa známeho Carnotovho vzorca , účinnosť už nebude 40, ale celých 60 %. Preto v najbližších rokoch začne pri Rjazani fungovať prvý priemyselný MHD generátor s výkonom 500 MW.
Samozrejme, nie je ľahké vytvoriť a ekonomicky využívať takúto stanicu: nie je jednoduché umiestniť do blízkosti prúd plazmy (2500 K) a kryostat s vinutím v tekutom héliu (4...5 K); horúce elektródy horia a stávajú sa troskou, prísady, ktoré boli do paliva pridané len na ionizáciu plazmy, ale očakávané výhody by mali odôvodniť všetky náklady na prácu.
Viete si predstaviť, ako vyzerá supravodivý magnetický systém generátora MHD. Po stranách plazmového kanála sú umiestnené dve supravodivé vinutia, oddelené od vinutí viacvrstvovou tepelnou izoláciou. Vinutia sú upevnené v titánových kazetách a medzi nimi sú umiestnené titánové rozpery. Mimochodom, tieto kazety a rozpery musia byť extrémne pevné, pretože elektrodynamické sily vo vinutiach s prúdom majú tendenciu ich roztrhnúť a pritiahnuť k sebe.
Keďže v supravodivom vinutí nevzniká žiadne teplo, chladnička potrebná na prevádzku supravodivého magnetického systému musí odoberať iba teplo, ktoré sa dostane do kryostatu s tekutým héliom cez tepelnú izoláciu a prúdové vodiče. Straty v prúdových vedeniach možno znížiť takmer na nulu použitím skratovaných supravodivých cievok napájaných supravodivým jednosmerným transformátorom.
Skvapalňovač hélia, ktorý doplní stratu hélia vyparujúceho sa cez izoláciu, by mal podľa prepočtov vyrobiť niekoľko desiatok litrov tekutého hélia za hodinu.Takéto skvapalňovače vyrába priemysel.
Bez supravodivých vinutí by boli veľké tokamaky nereálne. V inštalácii Tokamak-7 napríklad vinutie s hmotnosťou 12 ton obteká prúd 4,5 kA a vytvára magnetické pole 2,4 Tesla na osi plazmového torusu s objemom 6 m3. Toto pole vytvára 48 supravodivých cievok, spotrebujúcich len 150 litrov tekutého hélia za hodinu, na ktorého opätovné skvapalnenie je potrebný výkon 300...400 kW.
Veľký energetický sektor potrebuje nielen ekonomické, kompaktné a výkonné elektromagnety, ale pre vedcov pracujúcich s rekordne silnými poľami je ťažké sa bez nich zaobísť. Zariadenia na magnetickú separáciu izotopov sa stávajú rádovo produktívnejšími. O projektoch veľkých urýchľovačov bez supravodivých elektromagnetov sa už neuvažuje. Úplne nemožné je zaobísť sa bez supravodičov v bublinových komorách, ktoré sa stávajú mimoriadne spoľahlivými a citlivými detektormi elementárnych častíc. Tak jeden z rekordne veľkých magnetických systémov na supravodičoch (Argonne National Laboratory, USA) vytvára pole 1,8 Tesla s uloženou energiou 80 MJ. Gigantické vinutie s hmotnosťou 45 ton (z toho 400 kg išlo na supravodič) s vnútorným priemerom 4,8 m, vonkajším priemerom 5,3 m a výškou 3 m vyžaduje len 500 kW na chladenie na 4,2 K - zanedbateľný výkon.
Ešte pôsobivejší je supravodivý magnet bublinkovej komory v Európskom stredisku jadrového výskumu v Ženeve. Má nasledujúce vlastnosti: magnetické pole v strede až 3 Tesla, vnútorný priemer „cievky“ 4,7 m, uložená energia 800 MJ.
Koncom roku 1977 bol v Ústave teoretickej a experimentálnej fyziky (ITEP) uvedený do prevádzky jeden z najväčších svetových supravodivých magnetov Hyperon. Jeho pracovná plocha má priemer 1 m, pole v strede systému je 5 Tesla (!). Unikátny magnet je určený na vykonávanie experimentov na protónovom synchrotróne IHEP v Serpuchove.
Po pochopení týchto pôsobivých čísel je akosi nepohodlné povedať, že technický vývoj supravodivosti sa len začína. Ako príklad si môžeme spomenúť kritické parametre supravodičov. Ak teplota, tlak, prúd, magnetické pole prekročí určité limitné hodnoty, nazývané kritické, supravodič stratí svoje nezvyčajné vlastnosti a zmení sa na obyčajný materiál.
Je celkom prirodzené využiť prítomnosť fázového prechodu na kontrolu vonkajších podmienok. Ak existuje supravodivosť, potom je pole menšie ako kritické; ak bol odpor snímača obnovený, pole je nad kritickým. Už bola vyvinutá séria širokej škály supravodivých meračov: bolometer na satelite dokáže „cítiť“ zapálenú zápalku na Zemi, galvanometre sa stávajú niekoľkotisíckrát citlivejšími; V ultrakvalitných rezonátoroch sa kmity elektromagnetického poľa zdajú byť zachované, pretože extrémne dlho neutíchajú.
Teraz je čas pozrieť sa na celú elektrickú časť energetického sektora, aby sme pochopili, ako môže rozptýlenie supravodivých zariadení poskytnúť celkový národný ekonomický efekt. Supravodiče môžu zvýšiť jednotkový výkon jednotiek na výrobu elektrickej energie, vysokonapäťová energia sa môže postupne zmeniť na niekoľkoampérovú energiu, namiesto štvor- až šesťnásobnej premeny napätia medzi elektrárňou a spotrebiteľom je reálne hovoriť o jednej alebo dvoch transformácií so zodpovedajúcim zjednodušením a znížením nákladov na obvod, celková účinnosť elektrických sietí sa nevyhnutne zvýši v dôsledku strát v Joule. To však nie je všetko.
Elektrické systémy nevyhnutne získajú iný vzhľad, keď používajú supravodivé indukčné zariadenia na ukladanie energie (SPIN)! Faktom je, že zo všetkých odvetví len energetika nemá žiadne sklady: vyrobené teplo a elektrinu nie je kam skladovať, musia sa okamžite spotrebovať. So supravodičmi sa spájajú isté nádeje. V dôsledku absencie elektrického odporu v nich môže prúd cirkulovať uzavretým supravodivým obvodom neobmedzene dlhý čas bez útlmu, až kým nepríde čas, aby ho spotrebiteľ stiahol. SPINy sa stanú prirodzenými prvkami elektrickej siete, stačí ich vybaviť regulátormi, spínačmi alebo prúdovými či frekvenčnými meničmi v kombinácii so zdrojmi a spotrebičmi elektriny.
Energetická náročnosť SPINov môže byť veľmi rozdielna – od 10-5 (energia kufríka, ktorý vám vypadol z rúk) až po 1 kWh (10-tonový blok, ktorý spadol z útesu 40 m) alebo 10 miliónov kWh! Takýto výkonný pohon by musel mať veľkosť bežiaceho pásu okolo futbalového ihriska, jeho cena by bola 500 miliónov dolárov a jeho účinnosť by bola 95 %. Ekvivalentná prečerpávacia elektráreň bude o 20 % lacnejšia, no na svoje potreby minie tretinu výkonu! Rozdelenie nákladov na takýto SPIN podľa komponentov je poučné: pre chladničky 2...4 %, pre meniče prúdu 10 %, pre supravodivé vinutie 15...20 %, pre tepelnú izoláciu studenej zóny 25 %, a na obväzy, upevňovacie prvky a rozpery - takmer 50 %.
Keďže správa G.M. Krzhizhanovsky, podľa plánu GOELRO na VIII. Všeruskom zjazde sovietov uplynulo viac ako pol storočia. Realizácia tohto plánu umožnila zvýšiť kapacitu elektrární krajiny z 1 na 200...300 miliónov kW. Teraz je tu zásadná príležitosť niekoľkokrát posilniť energetické systémy krajiny ich presunom na supravodivé elektrické zariadenia a zjednodušením samotných princípov výstavby takýchto systémov.
Základom energetiky na začiatku 21. storočia môžu byť jadrové a termonukleárne stanice s mimoriadne výkonnými elektrickými generátormi. Elektrické polia generované supravodivými elektromagnetmi budú môcť prúdiť ako mohutné rieky pozdĺž supravodivých elektrických vedení do supravodivých zariadení na uchovávanie energie, odkiaľ ich budú podľa potreby odoberať spotrebitelia. Elektrárne budú schopné vyrábať energiu rovnomerne vo dne aj v noci a ich oslobodenie od plánovaných režimov by malo zvýšiť účinnosť a životnosť hlavných blokov.
Vesmírne solárne stanice môžu byť pridané k pozemným elektrárňam. Vznášajúc sa nad pevnými bodmi na planéte by museli premieňať slnečné lúče na krátkovlnné elektromagnetické žiarenie, aby posielali sústredené prúdy energie do pozemných meničov na priemyselné prúdy. Všetky elektrické zariadenia pozemných elektrických systémov musia byť supravodivé, inak budú straty vo vodičoch konečnej elektrickej vodivosti zjavne neprijateľne veľké.
Vladimír KARTSEV "Magnet na tri tisícročia"
Ide o zaujímavú tému, na ktorej momentálne pracuje American Superconductor. Táto spoločnosť ešte v roku 2003 zostrojila a otestovala experimentálny 5-megawattový elektromotor s použitím vysokoteplotných supravodičov (tzv. HTS motor, synchrónny, striedavý prúd). Teraz však v spolupráci s Northrop Grumman zostrojila pre americké námorníctvo skutočný monster engine.
Motor 36,5 HTS má výkon na hriadeli 36,5 megawattov (49 tisíc koní), vyvinutý pri 120 otáčkach za minútu (zodpovedajúci monštruózny krútiaci moment si môžete vypočítať sami).
Vinutie rotora tu využíva supravodiče BSCCO a Bi-2223 (komplexný oxid na báze bizmutu), ktoré pracujú pri teplote 35-40 stupňov Kelvina. Sú chladené plynným héliom privádzaným cez dutý hriadeľ k rotoru stroja.
Vinutie statora tohto motora nie je supravodivé - je vyrobené z medi a má jednoduché kvapalinové chladenie. Odlišuje sa však aj od vinutia bežných elektromotorov. Napríklad vo vnútri nie je žiadne obvyklé železné jadro. Supervýkonné pole rotora už dokonale „nasýti“ stator, cez ktorý, mimochodom, prechádza veľmi malý zlomok celkového prúdu spotrebovaného týmto obrom.
Motor HTS bol špeciálne navrhnutý pre ďalšiu generáciu amerických vojnových lodí, pre ktoré je plánovaný plne elektrický pohonný systém.
Účinnosť HTS motora pri plnom výkone presahuje 97% a pri jednej tretine zaťaženia sa blíži k 99%.
Všimnite si, že bežné elektromotory niektorých typov môžu tiež vykazovať účinnosť okolo 95-97%. Aký je rozdiel? Faktom je, že nemajú takú vysokú účinnosť v celom rozsahu otáčok a zaťaženia a v mnohých jazdných režimoch „padajú“ na skromnejšie hodnoty účinnosti - približne 85-88%.
Supravodivý motor vykazuje takú slušnú účinnosť od 5% maximálnej rýchlosti až po svoju maximálnu rýchlosť (a teda rýchlosť lode).
Pri nízkom zaťažení teda HTS motor poháňajúci lodnú vrtuľu ušetrí lodi viac ako 10 % paliva spáleného v generátoroch plynových turbín alebo dieselových generátorov alebo 10 % elektrickej energie spotrebovanej z lodnej siete, ak má loď jadrovú energiu. elektráreň. Dodajme, že vyššie uvedená účinnosť HTS motora už zohľadňuje energetické náklady na prevádzku kryogénneho chladiaceho systému.
American Superconductor však považuje za hlavnú výhodu svojich lodných elektromotorov ani nie hospodárnosť, ale malú veľkosť a hmotnosť. Model s výkonom 36,5 megawattov váži 69 ton a je hrubý 3,4 metra, široký 4,6 metra a vysoký 4,1 metra. Tradičný „medený“ elektromotor s rovnakými výstupnými parametrami by mal hmotnosť okolo 200 – 300 ton a rozmery by boli približne dvojnásobné.
Pre stredne veľké plavidlo nie je tento rozdiel maličkosťou. Zmenšením veľkosti strojovne môžete prideliť extra objem pre náklad, cestujúcich alebo muníciu (ak hovoríme o vojnovej lodi). A úspora hmotnosti 130-230 ton sa dá využiť na niečo užitočné.
HTS motor je navyše oveľa tichší ako bežný elektromotor s rovnakým výkonom. 25-megawattová 60-tonová verzia motora HTS je teda podľa spoločnosti hlučná v plnej rýchlosti so silou len 48 decibelov – ostatné stolné počítače sú hlasnejšie.
Porovnanie bežného 36,5 megawattového elektromotora (vľavo) a motora typu HTS s rovnakým výkonom. Tvorcovia posledného tvrdia, že okrem mnohých iných výhod je supravodivý elektromotor takéhoto výkonu aj lacnejší ako klasický a má lepšiu udržiavateľnosť (ilustrácia od American Superconductor).
Čo bude ďalej? Nedávno boli objavené nové supravodiče s ešte úžasnejšími vlastnosťami. Napríklad komplexné zloženie na báze ortuti, ktorá má prechodovú teplotu do supravodivého stavu 134 stupňov Kelvina (mínus 139 Celzia).
"Keď sme na tento materiál aplikovali tlak, zvýšili sme teplotu prechodu na 164 Kelvinov (mínus 109 Celzia) - to je rekord," povedal autor tohto objavu profesor Paul Chu z University of Houston. Poznamenávame, že Chu bol prvý, kto našiel materiály, ktoré prekročili bar prechodovej teploty 77 Kelvinov (bod varu dusíka pri atmosférickom tlaku). Objavil zlúčeniny, ktoré sa stali supravodičmi pri 93 Kelvinoch. A teraz vidíme pôsobivé číslo 164...
Aj keď je praktické využitie zloženia ortuti ešte veľmi vzdialené, objav stále dáva nádej. Možno čoskoro vytvoria pohodlnejší a pokročilejší supravodič?
„Nevidíme žiadne zásadné obmedzenia,“ povedali vedci Dennis Newns a Chang Tsuei z IBM, ktorí svoju prácu o mechanizme vysokoteplotnej supravodivosti publikovali v časopise Nature Physics.
Foundation for Advanced Research / Foto: novomoskov.ru
Nadácia pre pokročilý výskum a spoločnosť SuperOx usporiadali seminár venovaný vývoju nového elektromotora založeného na vysokoteplotných supravodičoch s vysokou hustotou výkonu.
Na podujatí sa zúčastnili odborníci a zástupcovia Federálnej štátnej rozpočtovej inštitúcie „Národné výskumné centrum „Kurchatov inštitút“, JSC „Výskumný ústav elektrofyzikálnych zariadení pomenovaný po. Efremov“, JSC „High-Tech Research Institute pomenovaný po. Bochvar", Rosatom State Corporation, Russian Superconductor JSC, Moskovský letecký inštitút, PJSC United Aircraft Corporation, United Shipbuilding Corporation JSC, Ministerstvo obrany Ruska, ako aj Vojensko-priemyselná komisia Ruskej federácie. V rámci seminára prebehla prezentácia technologickej linky na výrobu HTSC drôtov druhej generácie s demonštráciou najnovších ruských technológií na vytváranie vysokoteplotných supravodičov.
Vytvorenie demonštračného motora je plánované na rok 2018. Vďaka novej technológii bude motor zbavený tradičných nevýhod elektromotorických systémov a stane sa východiskom pre vytvorenie širokej škály pohonných zariadení fungujúcich na princípoch supravodivosti. Vytvorenie kompaktného elektromotora tohto typu bude ďalším krokom vo vývoji supravodičových technológií v Rusku.
Technologická linka na výrobu HTSC drôtov / Foto: fpi.gov.ru
Jedinečné vlastnosti supravodičov – nulový odpor a ultra vysoká prúdová hustota – z nich robia kľúčový prvok pre implementáciu prelomových elektrických riešení, ktoré otvárajú nové príležitosti pre elektroenergetiku, dopravné systémy, medicínu a vesmír. Motory s vysokou hustotou výkonu a účinnosťou sú žiadané v letectve a stavbe lodí.
Základom technológie sú HTSC drôty, ktoré podobne ako iné supravodivé materiály nemajú elektrický odpor. Použitie takéhoto drôtu umožňuje dosiahnuť veľmi vysokú prúdovú hustotu pri použití káblov s relatívne malým prierezom.
Nadácia pre pokročilý výskum v súčasnosti organizuje otvorenú súťaž o najlepší inovatívny vedecký a technický nápad alebo pokrokové konštrukčné a technologické riešenie pre vývoj pokročilých elektrických systémov a zariadení založených na princípoch vysokoteplotnej supravodivosti, uvádza Advanced Research Foundation .
referenčné informácie
Základ pre pokročilé štúdium- štátny fond, ktorého účelom je podporovať vedecký výskum a vývoj v záujme ruskej obrany a bezpečnosti štátu, spojený s vysokou mierou rizika dosiahnutia kvalitatívne nových výsledkov vo vojensko-technickej, technologickej a sociálno-ekonomickej oblasti, vrátane záujmy modernizácie ozbrojených síl Ruskej federácie, vývoja a tvorby inovatívnych technológií a výroby high-tech vojenských, špeciálnych a dvojakých produktov.
Foto: fbcdn-sphotos-d-a.akamaihd.ne
História stvorenia
História nadácie sa začala písať 22. septembra 2010, keď na Prezidentskej komisii pre modernizáciu a technologický rozvoj ruského hospodárstva dostalo ministerstvo obrany za úlohu predložiť návrhy na vytvorenie samostatnej štruktúry v oblasti objednávania a podpory prelomový, vysoko rizikový výskum a vývoj v záujme obrany a bezpečnosti štátu, modernizácia ozbrojených síl Ruskej federácie, ako aj tvorba technológií a produktov dvojakého použitia vrátane zohľadnenia zahraničných skúseností. V tom istom roku bolo z iniciatívy námestníka ministra obrany Dmitrija Chuškina vo Voentelecom OJSC vytvorené oddelenie na zhromažďovanie a skúmanie návrhov v záujme Ozbrojených síl Ruskej federácie - Výskumné centrum „Bureau of Defense Solutions“. ".
Iniciatívu na vytvorenie samostatnej organizácie opäť iniciovala vláda koncom roka 2011, keď bol do funkcie podpredsedu vlády vymenovaný Dmitrij Rogozin. Spracovanie dovtedy zozbieraných návrhov pre projekt Nadácie národnej bezpečnosti a rozvoja, ktorý inicioval, vyvrcholilo prípravou federálneho zákona „O nadácii pre pokrokový výskum“, ktorý bol predložený Štátnej dume (r. návrh zákona a sprievodné dokumenty, odôvodnenia a revízie federálneho zákona).
V skutočnosti nadácia začala svoju činnosť začiatkom roka 2013, keď bol schválený rozpočet, personál a hospodárenie nadácie. Smery výskumu nadácie boli schválené neskôr – 7. augusta 2013, kedy bolo na zasadnutí správnej rady schválených prvých 8 podporených projektov.
Štruktúra fondu pozostáva z troch oblastí:
- Informačný výskum
- Fyzikálny a technický výskum
- Chemický, biologický a medicínsky výskum
Inštrukcie
Projekt "Inovatívny energetický/supravodičový priemysel"
Podľa prognóz expertov (WORLD ENERGY OUTLOOK FACTSHEET; IEA) je celosvetová spotreba elektriny na obdobie rokov 2011-2035. sa zvýši o viac ako 2/3. Straty elektriny v ruskej energetickej sústave sa podľa ruského ministerstva energetiky odhadujú na 13 – 15 %. Projekt štátnej korporácie Rosatom „Inovatívny energetický/supravodičový priemysel“ je zameraný na vytvorenie inovatívnej technickej základne na zlepšenie energetickej účinnosti ekonomiky krajiny.
Projekt bol schválený v rámci Komisie pod vedením prezidenta Ruskej federácie pre modernizáciu a technologický rozvoj ruskej ekonomiky v prioritnej oblasti „Energetická efektívnosť“ v októbri 2009 s obdobím realizácie 2010-2015.
Aby sa eliminovalo zaostávanie domáceho vývoja v oblasti vysokoteplotných supravodičov druhej generácie (HTSC-2), štátna korporácia Rosatom získala technológiu na výrobu takýchto supravodičov od nemeckej spoločnosti Bruker HTS. Úlohou bolo do roku 2015 vytvoriť základy inovatívneho supravodičového priemyslu, vyvinúť množstvo prototypových zariadení založených na efekte vysokoteplotnej supravodivosti a položiť základy priemyselnej výroby vysokoteplotných supravodičov druhej generácie.
Na práci sa podieľalo viac ako 20 vedeckých, priemyselných a dizajnérskych organizácií vrátane: IAE, NIIEFA, IHEP, FIAN, IMET, KIPT, IMP SB RAS, VEI, VNIINM, VNIIKP, NIITFA, Kristall, UMP, ChMZ, Kirskabel, Elektrosila , MEPhI, MAI, SUAI, MISiS atď.
Obr.1 Etapy projektu 2010-2015 [Vývoj supravodivých technológií založených na HTSP-2 v štátnej korporácii Rosatom, Pantsyrny V.I., Avdienko A.A. JSC "Ruský supravodič", V Celoruský vedecký a výrobný komplex "Princípy a mechanizmy formovania národného inovačného systému", Dubna 2014]
V rámci projektu „Supravodičový priemysel“ boli stanovené tieto úlohy:
Vyvíjať domáce technológie na výrobu vysokoteplotných supravodičov (HTSC) metódou pulznej laserovej ablácie,
Vývoj prototypov supravodivých zariadení na energetické účely založených na HTSC:
Supravodivé obmedzovače skratového prúdu odporového a indukčného typu pre siete jednosmerného a striedavého prúdu s výkonom v rozsahu od 5 do 35 MW;
200 kW motor,
1 MW generátor,
Transformátor s výkonom 1000 kVA,
Indukčný zásobník energie s energetickou kapacitou 1 MJ,
Zásobník kinetickej energie s energetickou kapacitou viac ako 5 MJ,
Prúd vedie do kryogénnych systémov s prúdovou znášanlivosťou 15 kA.
V budúcnosti sa uvažuje o vytvorení výroby elektrických zariadení na báze vysokoteplotných supravodičov. Kľúčovými oblasťami z pohľadu komerčnej energetiky je využitie supravodičov na tvorbu káblov a silnoprúdovej elektrotechniky a zásobníkov elektrickej energie (indukčné a kinetické zásobníky).
Vďaka ultra nízkym energetickým stratám a vysokým prúdom posúvajú supravodivé káble energetickú účinnosť sieťových zariadení na novú úroveň. Vznikajú zásadne nové podmienky pre umiestnenie zariadení na výrobu a export elektriny. Elektrické zariadenia a elektrárne založené na efekte supravodivosti zvyšujú ukazovatele účinnosti v železničnej a námornej doprave, energetike, rope a plyne, výrobe atď. Systémové aplikácie supravodivosti zahŕňajú supravodivé magnetické zariadenia; kryogénne skladovacie zariadenia; vesmírne platformy; zariadenia na uchovávanie kinetickej energie. Vlaky využívajúce efekt magnetickej levitácie (MagLev) môžu dosiahnuť rýchlosť až 1000 km/h. Ďalšou aplikáciou supravodivosti by mohol byť supravodivý kvantový počítač.
Tvrdí to šéf spoločnosti JSC Russian Superconductor V.I. Pantsyrnyho, použitie supravodičov umožní Rusku výrazne ušetriť znížením strát elektriny.
Pozadie
Jadroví vedci pracujú na technológii vytvárania supravodivých materiálov už dlho. Od 70. rokov 20. storočia začali technické supravodiče vyvíjať Kurchatov inštitút a inštitút pomenovaný po ňom. A.A. Bochvara. Od 60. rokov 20. storočia Problémom technickej supravodivosti sa zaoberá NIIEFA pomenovaná po. D. V. Efremova, ktorej hlavným smerom bolo vytvorenie magnetických systémov pre termonukleárne reaktory. Vyvinuté vo VNIINM pomenované po. A. A. Bochvara boli do priemyselnej výroby zavedené technológie kompozitných supravodivých materiálov. Nízkoteplotné supravodiče (LTSC) na báze supravodivej zliatiny NbTi a intermetalického Nb 3 Sn, pracujúce pri teplote tekutého hélia 4,2 K (-268,9 °C), boli použité v ZSSR na vytvorenie prvých veľkých tokamakov na svete (toroidné komory s magnetickými cievkami) ) T-7 a T-15 so supravodivými magnetickými systémami.
40 rokov skúseností v oblasti kompozitných NTSP umožnilo Rusku zúčastniť sa na medzinárodnom projekte vytvorenia termonukleárneho reaktora ITER. Spolu s poprednými spoločnosťami v Európe, USA a Japonsku sa Rusko stalo jedným z výrobcov supravodičov. Pre zabezpečenie dodávok supravodivých materiálov pre magnetický systém ITER bola zorganizovaná priemyselná výroba NTSP s kapacitou 60 ton/rok supravodivých materiálov na báze Chepetsk Mechanical Plant (ChMZ). Od spustenia výroby v roku 2009 sa pre ITER vyrobilo ~99 ton supravodivých materiálov na báze Nb3Sn a ~125 ton na báze Nb-Ti.
Ďalším kľúčovým spotrebiteľom nízkoteplotných supravodičov je výroba lekárskych skenerov magnetickej rezonancie.
V 90. rokoch 20. storočia. začala nová etapa vo vývoji supravodivosti. Vedci A. Muller a J. Bednorz z výskumného laboratória IBM vo Švajčiarsku v rokoch 1985-1986. syntetizovaná kovová oxidová keramika - zlúčenina lantánu, bária, medi a kyslíka (La-Ba-Cu-O ) , ktorý vykazoval supravodivosť pri teplote 35 K. Svet zachvátila horúčka hľadania nových supravodičov. Kritická teplota zo 45 K pre zlúčeninu La-Sr-Cu-O vzrástla na 52 K pre La-Ba-Cu-O (pod tlakom). Vo februári 1987 Američan Paul Chu syntetizoval zlúčeninu YBa2Cu307 , ktorej kritická teplota dosiahla 93 K, pričom prekročila „čiaru dusíka“. Objav vysokoteplotných supravodičov (HTSC) posunul teplotnú hranicu supravodivosti na bod varu tekutého dusíka (77 K), oveľa lacnejšej kryogénnej kvapaliny, ktorá má tiež vysoké dielektrické vlastnosti porovnateľné s transformátorovým olejom. K 1. januáru 2006 patril rekord keramickej zlúčenine Hg—Ba—Ca—Cu—O(F), pre ktorú je kritická teplota 138 K. Pri tlaku 400 kbar je tá istá zlúčenina supravodičom pri teploty do 166 kJ. Bednorz a K. Müller získali v roku 1987 Nobelovu cenu za fyziku za objav vysokoteplotnej supravodivosti (HTSC).
Ako komerčný produkt sa páska HTSC objavila na svetovom trhu koncom 21. storočia. Boli vytvorené vzorky HTSC drôtov a káblov; HTSC motory, generátory, obmedzovače prúdu, informačné systémy, anténne polia, supravodivé ložiská a ďalšie produkty boli vyrobené na báze supravodivej keramiky. V roku 2004 vznikli supravodivé prototypy všetkých elektrických zariadení.
Odporové prúdové obmedzovače na báze pások HTSP-2 vyrábané americkou spoločnosťou SuperPower boli pripojené do siete Silicon Valley Power v Kalifornii v roku 2013. Ďalší prúdový obmedzovač bol pripojený do siete Central Hudson v štáte New York v júni 2014 ako prvý na svete priemyselný supravodivý kábel, dlhý 1 km, spájajúci dve mestské rozvodne, bol spustený v Essene v Nemecku v septembri 2014. Trojfázový 10 000 V koncentrický kábel projektu AmpaCity bol navrhnutý na prenos výkonu 40 MW.
Ciele projektu „Supravodičový priemysel“.
Materská spoločnosť na realizáciu projektu bola schválená Štátnou korporáciou Rosatom, koordináciou prác bola poverená spoločnosť JSC Russian Superconductor, vedecké riadenie bolo zverené Národnému výskumnému centru Kurčatovov inštitút.
Číslo 1 v tomto programe bol „vývoj technológií a vytvorenie pilotnej výroby dlhých páskových vysokoteplotných supravodičov druhej generácie (HTSC-2) a hromadnej keramiky na výrobu HTSC.“ Hlavnými dodávateľmi boli JSC NIIEFA a JSC NIITFA, vývojármi technológií pre polotovary HTSP-2 boli JSC VNIINM, JSC GIREDMET.
Priemysel vyrába dva typy materiálov na báze vysokoteplotnej supravodivosti – HTSC materiály 1. a 2. generácie. HTSC 1. generácie sú pásky pozostávajúce zo supravodivých vlákien na báze oxidu bizmutu implantovaných do striebornej matrice. Ich nevýhodou je prítomnosť veľkých tepelných tokov a mechanická krehkosť, ako aj vysoká cena v dôsledku striebornej matrice.
HTSC pásky 2. generácie majú vrstvenú štruktúru. Na podklad - kovovú pásku sa postupne nanáša nárazníková vrstva na ochranu kovového povrchu, vrstva HTSC a ochranná vrstva. Pásky HTSC druhej generácie majú v porovnaní s páskami HTSC-1 množstvo výhod:
Nižšie náklady (lacnejšie materiály);
Vyššia kritická prúdová hustota a nižšie AC straty;
Väčšia mechanická pevnosť;
Schopnosť pracovať v silných magnetických poliach.
Na základe poloprevádzkového závodu na výrobu pások HTSC-2 zakúpeného od nemeckej spoločnosti Brucker HTS bola vo Výskumnom centre Kurchatovovho inštitútu inštalovaná experimentálna linka na výrobu pások HTSC-2 šírky 4 mm a dĺžky 100 m ( Obr. 2).
Pilotná výroba vysokoteplotných supravodivých materiálov spoločnosťou Rosatom bola organizovaná na troch miestach:
JSC VNIINM vyrába podkladovú pásku, na ktorú sa v NIITFA nanáša orientovaná vrstva. Tam VNIINM vyvinul technológiu na výrobu všetkých typov terčov na nanášanie tlmivých a supravodivých vrstiev;
JSC NIITFA prevádzkuje pilotné výrobné miesto pre substrátové pásky s dĺžkou do 1000 m s orientovaným tlmivým povlakom na báze orientovaného iónového rozprašovania;
V JSC NIIEFA je miesto pre poloprevádzkovú výrobu pások HTSC-2 v dĺžke až 1000 m (obr. 3), kde sa zvyšné vrstvy vrátane vrstvy supravodivej oxidovej keramiky nanášajú na pásku laserovým nástrekom.
Pilotná výroba dlhého HTSC-2 v NIIEFA a NIITFA bola spustená v roku 2015. Táto stratégia umožnila vytvoriť v Rusku vedecké centrum svetovej triedy pre materiálové vedy vysokoteplotných supravodičov, vyvinúť a vyrobiť unikátne priemyselné- váhové zariadenie na výrobu páskových vodičov HTSC-2. Boli vyvinuté domáce technológie a vytvorené pilotné miesta na výrobu potrebných východiskových materiálov. Spoločnosť JSC Russian Superconductor spustila pilotnú výrobu hromadných vysokoteplotných supravodičov.
Obr. 2 Linka na výrobu HTSC-2 do dĺžky 100 m Obr
Priemyselná výroba HTSP-2 sa plánuje vytvoriť na základe ChMZ. Chepetsk Mechanical Plant má vysoký technologický potenciál na realizáciu high-tech projektov v rôznych oblastiach použitia, vrátane vysokoteplotnej supravodivosti, preto boli v roku 2012 TVEL OJSC a ChMZ OJSC poverené zberom prvotných údajov a vykonaním predbežného technického a ekonomického posúdenie vzniku novej priemyselnej výroby VTSP-2.
Pre úspešnú komercializáciu HTSC technológií musia byť vyvinuté rôzne elektrické zariadenia (motory a generátory, obmedzovače prúdu, zariadenia na ukladanie energie atď.), o ktoré budú mať spotrebitelia záujem, pretože ich použitie v budúcnosti zníži náklady na kilowatt- hodinu pre spotrebiteľa.
V porovnaní s medeným drôtom rovnakej veľkosti môže HTS kábel
prenášať 5-krát viac energie, napriek prítomnosti chladiaceho systému.
Dodatočné náklady na supravodivé zariadenia sú kompenzované ich zvýšenou energetickou účinnosťou. Na prenos 300 MW výkonu do
distribučné napätie 10-20 kV, potrebujete 36 bežných káblov, ktoré sú uložené v káblovom kanáli šírky až 8 m. Rovnaký výkon je možné prenášať jedným HTSC káblom, ktorého priemer je 11 cm, berúc do úvahy chladiaci systém.
Na príklade použitia HTSC kábla v moskovskej sieťovej infraštruktúre spoločnosť Russian Superconductor ukázala, že tieto riešenia sú o 20 % lacnejšie v porovnaní s tradičnými technológiami. Vedecké a technické centrum Federálnej rozvodnej spoločnosti (STC FSK) vyvinulo nový formát vedenia na prenos energie určeného pre Moskvu, Petrohrad a ďalšie najväčšie mestá Ruska - káblové jednosmerné elektrické vedenia založené na vysokoteplotnej supravodivosti (HTSC- CLPT). HTSC-CLPT sa používajú v prípadoch, keď je potrebné distribuovať veľké toky elektriny nízkeho napätia (10 kV alebo 20 kV) priamo zo zberníc generátorového napätia tepelných elektrární alebo zo zberníc napájacích staníc. Schéma zároveň nezahŕňa zvyšovacie a znižovacie transformátory potrebné na prenos významného výkonu (napríklad 20/110 kV a 110/20 kV) a eliminuje alebo nahrádza výstavbu nadzemných elektrických vedení v mestách priestor. Vysokoteplotné supravodivé káble umožňujú výrazne znížiť straty v energetických sieťach, zatiaľ čo supravodivé obmedzovače prúdu výrazne zvyšujú spoľahlivosť napájania.
Obr.3 Zariadenie na poloprevádzkovú výrobu VTSP-2 s dĺžkou do 1000 m na báze laserovej depozície (NIIEFA) Obr.
Ďalším perspektívnym odvetvím pre využitie supravodičov je doprava. V roku 2014 podpísal Rosatom s ruskými železnicami dohodu o vedeckej a technickej spolupráci, ktorá zahŕňa vytvorenie zariadení HTSC:
Elektrické inštalácie pre lokomotívy,
Obmedzovače prúdu pre trakčné napájacie stanice,
Využitie efektu magnetickej levitácie pre vysokorýchlostné vlaky.
V mestskej doprave sa uvažuje o využití supravodivých motorov a zariadení na uchovávanie energie na elektrobusoch.
Prebiehajú práce na využití vysokoteplotných supravodičov pri stavbe lodí pre elektrické pohonné systémy a v letectve na vytvorenie plne elektrických lietadiel.
Pre inovatívnu výrobu energie na báze obnoviteľných zdrojov energie (OZE) je perspektívne vytvorenie supravodivých generátorov pre vysokovýkonné veterné turbíny (WPP), ktoré dokážu výrazne znížiť hmotnosť a rozmery inštalácií v porovnaní s tradičnými generátormi. Najlepšou možnosťou je vytvorenie autonómnych komplexov - veterných turbín so supravodivým generátorom a zariadením na ukladanie energie.
Podľa odhadov V.I. Pantsyrnyho, vývojového riaditeľa spoločnosti Russian Superconductor, objem trhu HTSC z 1,8 miliardy USD v roku 2015 vzrastie do roku 2022 na 5,8 miliardy USD. A do roku 2040 bude celkový objem dopytu po technológii HTSC predstavovať 6- 17 miliárd dolárov.
Výhody supravodivých elektrických strojov
Výhody supravodivých elektrických strojov spoločných pre všetky typy sú nasledovné:
Znížené straty a zvýšená účinnosť (až 0,5-1,0%),
Vylepšené charakteristiky hmotnosti a veľkosti (2-3 krát),
Znížené hodnoty reaktancie,
Znížená spotreba energie počas výrobného procesu (až o 30%),
pomalší proces starnutia elektrickej izolácie,
Environmentálna bezpečnosť.
Elektrické zariadenia na báze HTSC
V NIITFA bol vyvinutý prototyp obmedzovača skratového prúdu (SOT) pre siete 3,5/10/35 kV - SOT na báze odporového typu HTSC-2 pre konštantné napätie 3,5 kV, menovitý prúd 2 kA. Pilotná výroba Výskumného ústavu technickej fyziky a automatizácie je schopná vyprodukovať 10-15 SOT ročne. SOT upravený na základe výsledkov skúšok prototypu bude použitý v železničnom trakčnom napájacom systéme.
Zavedenie alternatívnych zdrojov energie si vyžiada špeciálne riešenia ich začlenenia do existujúcich energetických sietí, vrátane problematiky skladovania energie. Supravodivé zariadenia na ukladanie energie sa tiež používajú na vytváranie neprerušiteľných zdrojov energie a ako prvky dopravných energetických systémov. Vývoj zariadenia na uchovávanie kinetickej energie (KES) so supravodivým magnetickým zavesením vykonal Moskovský letecký inštitút. Prototyp CNE s energetickou kapacitou 5 MJ s HTSC magnetickým zavesením bol testovaný v decembri 2015 na skúšobnej stolici NIIEM JSC (Istra).
MAI tiež vyvinula supravodivý elektromotor pre dopravné systémy. Zníženie hmotnostných a rozmerových parametrov elektrických zariadení pomocou HTSC materiálov je veľmi dôležitou výhodou pri použití v doprave (letecká, námorná, železničná, automobilová). Obrázok 4 znázorňuje prototyp synchrónneho elektromotora HTSC s výkonom 200 kW s budiacimi vinutiami HTSC-2 na rotore a rotačným kryostatom. Prevádzková teplota magnetického systému HTSC-2 je 77 K.
Obr.4 Elektromotor HTSC s výkonom 200 kW (MAI) Obr.
Rozvoj veternej energetiky naberá na obrátkach na celom svete, vrátane Ruska.Na základe výsledkov súťaže na výstavbu zariadení na báze obnoviteľných zdrojov energie (OZE) získal VetroOGK (súčasť Rosatom State Corporation) právo vybudovať 15 veterných elektrární s celkovým inštalovaným výkonom 360 MW. Zariadenia na výrobu veternej energie sa plánujú postaviť na území Krasnodar a Adygea, čo sú dve zariadenia v regióne Kurgan. Veterná energia bude tiež dopytom po ekonomických zariadeniach na arktickom pobreží. Divízia spoločnosti Elektrosfera Vetropark Engineering sa chystala na území petrohradskej priehrady postaviť veternú elektráreň pozostávajúcu z 30 veterných turbín. Celková kapacita veternej farmy mala byť 100 MW. Veterná elektráreň je zatiaľ v štádiu projektu.
Tím špecialistov MAI pod vedením K.L.Kovaleva (v spolupráci so zamestnancami NIIEM, AKB "Yakor", GUAP, NIF "Cryomagnet") vytvoril kompaktný HTSC synchrónny generátor pre veterné elektrárne s výkonom 1 MVA s HTSP- 2 budiace vinutia na rotore a otočný kryostat. Prevádzková teplota systému HTSC-2 je 77K.
Zníženie energetických strát na každý 6 MW generátor bude 170 kW. Pri prevádzke 6000 hodín/rok budú úspory 3 milióny rubľov/rok pre každý generátor. Hmotnosť a rozmery supravodivých generátorov s rovnakým výkonom sú 3-4 krát menšie ako tradičné.
V Petrohrade „NIIEFA pomenovaná po. D.V. Efremova“ bol vytvorený indukčný zásobník energie (SPIN) s magnetickým systémom HTSC-2 s energetickou kapacitou 1 MJ a výkonom 1 MVA (obr. 5).
Indukčné supravodivé úložné zariadenia uchovávajú energiu vo forme magnetického poľa v solenoidových alebo toroidných magnetických systémoch. A umožňujú vám rýchlo odstrániť uloženú energiu, čo je dôležité pre špeciálne pulzné systémy.
Vývoj SPINov ako spínaných zdrojov energie pre zariadenia s výkonom 10 11 -10 12 W pri prúdoch 1-6 MA s dobou trvania impulzu 1-100 ms prebieha v NIIEFA od 70. rokov 20. storočia. Moderné technológie umožnili vytvárať solenoidy s uloženou energiou 12-17 MJ. Je možné vyrábať prúdové zdroje s akumulovanou energiou do 30 MJ a výkonom 1-5 MW pre použitie v lokálnych sieťach .
Obr.5 HTSC SPIN 1 MJ
Zaujímavým smerom v supravodičovej technológii je využitie levitačného efektu pre vysokorýchlostnú dopravu. Čína a Japonsko to robia. Po silnom zemetrasení, pri ktorom bola veľmi poškodená jednokoľajka na experimentálnom okruhu v Osake, dali Japonci prednosť preprave na vysokoteplotnej supravodičovej (HTSC) suspenzii. Samotný vlak s HTSC závesom je elektrický stroj a vlaková dráha je vlastne statorové vinutie. Čo sa po zemetrasení poškodilo na testovacom prstenci v Japonsku, bolo rýchlo opravené.
Na výstavnej expozícii medzinárodného fóra „ATOMEXPO 2017“ (Moskva, jún 2017), medzi inovatívnymi produktmi a technológiami jadrového priemyslu, návštevníkom predstavili funkčný model magnetických levitačných systémov so zníženou spotrebou energie, fungujúcich na princípe supravodivosti, ktorý vytvorili aj špecialisti z JSC NIIEFA.
V rámci projektu „Supravodičový priemysel“ pomenovaný Energetický inštitút po. G.M. Krzhizhanovsky (JSC ENIN) vyvinul prototyp supravodivého transformátora.
Žiadne starnutie izolácie; možnosť krátkodobého dvojitého preťaženia; možnosť získania nižšej hodnoty skratového napätia; nižšia hmotnosť a rozmery v porovnaní s konvenčnými transformátormi sú zrejmé výhody výkonových transformátorov na báze HTSC materiálov. Straty zaťaženia v transformátoroch HTSC pri menovitom prúde sú o 80-90% nižšie, celková hmotnosť je ~2-krát menšia a rozmery sú 2-3-krát menšie, čo umožňuje inštalovať takéto transformátory do energetických systémov na účely dopravy.
Vznikol prototyp trojfázového HTSC transformátora s výkonom 1 MVA, napäťovou triedou 10/0,4 kV s vinutím HTSC-2 a magnetickým jadrom z amorfnej ocele. Prevádzková teplota vinutí HTSC-2 je 77 K.
HTS transformátory sú najzaujímavejšie pre krajiny so systémom železničnej dopravy s tunelmi, teda s obmedzeniami rozmerov (Kórea, Japonsko, Švajčiarsko).
Jednou z perspektívnych oblastí rozvoja jadrovej energetiky sú termojadrové reaktory s magnetickým plazmovým obmedzením, v ktorých magnetickom systéme sa využívajú nízkoteplotné aj vysokoteplotné supravodiče. Prúdové vodiče na báze HTSC materiálov sa používajú ako prúdové vodiče určené na prechod prúdov desiatok kA.
Prúdové vodiče HTSC pre systémy NTSC vyvinul tím Kurchatov NBICS pod vedením V.E. Keilina (26.02.1933 - 24.11.2014). V.E. Keilin sa v posledných rokoch aktívne podieľal na vytváraní zariadení v priemysle HTSC: výkonné vysokoteplotné prúdové vedenia, supravodivé elektrické vedenia, prúdové vedenia pre zrážač NICA v Dubne. Jeho práca na kryostatoch pre supravodivé magnety a vysokoprúdové vedenia bola široko uznávaná a stále sa považuje za klasickú.
Bolo vytvorených niekoľko typov prúdových vodičov HTSC:
Pre technológiu urýchľovača,
Pre termonukleárne fúzne zariadenia,
Aplikácie elektrickej energie (káblové spojky HTSP),
Vysokoprúdové flexibilné prúdové vodiče HTSP-2.
Tím špecialistov z Petrohradskej štátnej univerzity správy letectva pod vedením L.I.Chubraeva Vznikol kompaktný projekt komplexu vysokoteplotného supravodičového zariadenia pre plávajúcu jadrovú elektráreň, ktorý schválilo vedenie Rosatomu. Pri vypracovaní projektu sa zohľadňovalo aj umiestnenie plávajúcej jadrovej elektrárne. Hutnícky závod a nemocnica nachádzajúce sa v blízkosti miesta plávajúcej jadrovej elektrárne by mohli prijímať kyslík vznikajúci v procese výroby tekutého dusíka pre prevádzku vysokoteplotného supravodivého zariadenia plávajúcej jadrovej elektrárne. Práca na projekte ukázala, že pre efektívnu supravodičovú technológiu je dôležité vytvárať nie jednotlivé produkty, ale HTSC komplexy, v ktorých budú slabé miesta jednotlivých zariadení pokryté celkovým efektom celého systému, ktorý môže mať uzavretú chladiacu slučku. . Integrované riešenie umožňuje zmenšiť nielen rozmery celého systému, ale aj ušetriť náklady na jeho údržbu.
Obr.6 Komplex HTSC zariadenia pre plávajúcu jadrovú elektráreň.
V decembri 2014 bol uvedený do prevádzky kryogénny testovací komplex pre supravodivé zariadenia vo Vedecko-technickom centre Federálnej rozvodnej spoločnosti zjednoteného energetického systému (FGC UES). Fragmentovaná kryogénna základňa v Rusku brzdí rozvoj supravodivého priemyslu. Modernizácia jedného z kľúčových kryogénnych výskumných zariadení v krajine vyrieši niektoré z týchto problémov.
V novembri 2015 boli na zasadnutí Vedeckej rady Katedry mechaniky, energetiky, strojárstva a riadiacich procesov (EMPPU) Ruskej akadémie vied o aplikovanej supravodivosti v energetickom sektore zverejnené výsledky projektu „Supravodičový priemysel“. boli prezentované.
Koncom roka 2015 pokračoval vývoj perspektívnych pracovných programov pre tvorbu a zlepšovanie výroby HTSC-2, ako aj pre elektroenergetické aplikácie HTSC zariadení.
Projekt „Supravodičový priemysel“ na roky 2016-2020. (HTSC systémy na rôzne účely) predpokladalo vytvorenie SP systémov v zariadeniach na výrobu a prenos elektriny (vodné elektrárne, jadrové elektrárne, tepelné jadrové elektrárne, veterné elektrárne) - výstavba elektrárenského komplexu elektrární s využitím HTSC v r. jednotný systém: Kryosystém - Generátor - Kábel - Transformátor - SOT - SPIN (zásobník) - elektrické vedenie.
Aplikácia HTSC vo vesmíre, námorníctve, letectve, automobile, železnici vrátane dopravy MAGLEV, v medicíne (tomografy, cyklotróny), vo vede (urýchľovače) atď.
Dnes sa vytvorila technická infraštruktúra supravodivosti, ktorá spája vedecké centrá, univerzity a priemyselné podniky. Na vytvorenie trhu pre supravodivé produkty v Rusku je potrebná vládna podpora účasťou na financovaní prác na vytvorení klastrov supravodivého priemyslu spoločných energetických zariadení vyrobených z domácich supravodičov.
V súčasnosti pokračuje formovanie ďalšej etapy projektového programu Superconductor Industry. Na dosiahnutie požadovaných parametrov HTSC by sa podľa odborníkov nemalo upustiť od nízkoteplotnej supravodivosti. Výskum v tomto smere by mal pokračovať. Vyžaduje sa tiež skok v hľadaní nových supravodivých materiálov. Diborid horečnatý, pozoruhodný supravodič typu II, má kritickú teplotu 39 K, čo znamená, že je potrebné ho chladiť neónom.
Komplexné chladiace systémy potrebné na stabilnú prevádzku supravodivých zariadení na úrovni hélia brzdili rozšírené používanie fenoménu supravodivosti. V štádiu HTSC ich nahradili kompaktné a spoľahlivé kryochladiče rôznych typov. Vytvorenie nových materiálov, ktoré dokážu udržať supravodivý stav bez chladenia, bude pre budúce technológie revolučné. Použitie takýchto materiálov radikálne zvýši efektívnosť energetických distribučných sietí a urobí energetický sektor oveľa hospodárnejším.
Účastníci projektu „Superconductor Industry“ prezentovali správy o svojej práci na Národnej konferencii o aplikovanej supravodivosti (NKPS-2015) v Národnom výskumnom centre „Kurčatov inštitút“, na medzinárodnej vedeckej konferencii „AtomTech-2015. Elektrofyzika“, na SPIEF 2015-2017, Medzinárodné fórum „ATOMEXPO 2017“.
Na konferencii „AtomTech-2015. Zástupcovia elektrofyziky spoločnosti JSC "Russian Superconductor" vypracovali správy o výsledkoch práce v oblasti technológií a aplikácií HTSC-2 pre energetiku a dopravu vykonaných v rámci Projektu. V.I. Pantsyrny, riaditeľ vývoja spoločnosti JSC Russian Superconductor, informoval o perspektívach využitia supravodivých materiálov a technológií založených na HTSC-2 na medzinárodnom fóre „Jadrová energia pre trvalo udržateľný rozvoj“ v Petrohrade a All-Russian Scientific and Practical Konferencia „Princípy a mechanizmy formovania národného inovačného systému“ v Dubne v roku 2014. Pomenovaných niekoľko stretnutí Domu vedcov. Gorkého v Petrohrade.
Materiál o prejavoch na uvedených konferenciách pripravila T.A. Devyatova
