“超導輸電”實(shí)現零電阻 有望跨國協(xié)調電力
“超導輸電”的關(guān)鍵——輸電電纜的技術(shù)開(kāi)發(fā)已基本結束。輸電的電力損耗將會(huì )伴隨超導輸電的運用而銳減。商用運行將在5年內啟動(dòng)。作為節能的撒手锏，這項技術(shù)還將在跨越國境的遠程電力協(xié)調中發(fā)揮作用。
研究始于20多年前的“超導輸電”終于進(jìn)入了實(shí)用化的最終階段。
所謂超導是指特定金屬或化合物冷卻到超低溫時(shí)，電阻變?yōu)榱愕默F象。而超導電纜則是把利用這項技術(shù)制造的線(xiàn)材收納在保溫管中制成的電纜。保溫管內通入液氮等制冷劑，維持超導所需低溫狀態(tài)，這種輸電方式的電力損耗遠遠低于一般的銅線(xiàn)。
日本國內2011年度總發(fā)電量為8574億千瓦時(shí)，其中，從發(fā)電站輸往家庭途中的損耗約5%，相當于6座100萬(wàn)千瓦級核電站1年的發(fā)電量，有數據表明，電線(xiàn)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(mǎn)了期待。
“超導”驅動(dòng)電車(chē)
位于東京都國分寺市的鐵道綜合技術(shù)研究所俗稱(chēng)“鐵道綜研”。在研究所內鋪設的實(shí)驗軌道上，跑著(zhù)貨真價(jià)實(shí)的電車(chē)。軌道的旁邊，設置著(zhù)長(cháng)約31m的黑色電纜。這就是用于輸電的超導電纜。
鐵道綜研開(kāi)發(fā)的超導電纜支持直流輸電，使用稀有金屬鉍制成的超導材料線(xiàn)材封裝在約10cm粗的管中。工作時(shí)，-196度的液氮在內部循環(huán)，對線(xiàn)材進(jìn)行冷卻，使電阻歸零。
因為超導輸電需要讓液氮循環(huán)，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(kāi)發(fā)推進(jìn)室擔當部長(cháng)兼超導應用研究室長(cháng)富田優(yōu)博士說(shuō)：“不只是削減輸電損耗，超導電纜對于有效利用再生能源也效果明顯�！�
在電車(chē)停車(chē)時(shí)，馬達發(fā)揮發(fā)電機的作用，把動(dòng)能轉化成電能回收，這就是再生能源。
今后，再生能源將能夠通過(guò)電線(xiàn)傳輸給其他的電車(chē)�，F在，由于輸電線(xiàn)的電阻大，再生能源只能供應給附近的電車(chē)。而使用超導電纜的話(huà)，在原理上，電車(chē)無(wú)論身在何處，都可以互通電能。富田博士推算，“如果是鐵路，節能效果將達到5%”。
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(dòng)車(chē)輛的驗證實(shí)驗已于6月開(kāi)始。按照預定，使用310m電纜的全面驗證實(shí)驗將于秋季展開(kāi)。富田博士充滿(mǎn)自信地表示，“這次實(shí)驗以在實(shí)際鐵路網(wǎng)中的運用為目標，將成為一項重大突破”。實(shí)用化預計將在5～10年內實(shí)現。
日本率先量產(chǎn)電纜
北海道石狩市也在推進(jìn)使用超導電纜的輸電項目。
地點(diǎn)是石狩灣新港地區。按照項目的計劃，太陽(yáng)能電池板生產(chǎn)的電能將以直流電的形式，經(jīng)由500m長(cháng)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(kāi)始。2014年以后，該市將重新鋪設2km長(cháng)的電纜，對遠程輸電的電力損耗和維護費用等進(jìn)行驗證。
數據中心中運行著(zhù)大量的服務(wù)器，而且需要冷卻，因此電力需求龐大。高效利用電能有助于大幅壓縮運行成本。
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。對于實(shí)驗的意義，在該項目中發(fā)揮核心作用的中部大學(xué)超導及可持續能源研究中心教授山口作太郎說(shuō)：“通過(guò)結合超導輸電，可以高效利用太陽(yáng)能發(fā)電”。
人類(lèi)發(fā)現超導現象要追溯到100多年前的1911年。但當初發(fā)現的超導體必須在溫度降至絕對零度(-273.15度)附近的時(shí)候，才能達到超導狀態(tài)。冷卻需要使用昂貴的液氦，難以應用于輸電。
但是，隨著(zhù)在較高溫度下就能達到超導狀態(tài)的“高溫超導體”于1986年開(kāi)發(fā)成功，超導電纜的研發(fā)日漸興盛。
高溫超導包括不少種類(lèi)。比方說(shuō)，使用稀有金屬鉍的超導是在-160度左右達到超導狀態(tài)。使用稀土釔、在-180度也可達到超導狀態(tài)的超導材料也已經(jīng)開(kāi)發(fā)成功。
冷卻這些超導體可以使用溫度比液氦高，但價(jià)格便宜許多，而且容易保存的液氮。因為高溫超導體能夠實(shí)現穩定利用，所以商業(yè)利用的價(jià)值也逐漸顯現了出來(lái)。
住友電氣工業(yè)超導產(chǎn)品開(kāi)發(fā)部長(cháng)林和彥說(shuō)：“電纜性能已經(jīng)達到了實(shí)用水平�！痹诔瑢щ娎|的量產(chǎn)化技術(shù)上面，日本企業(yè)位于世界最前列。
而住友電氣工業(yè)則是日本企業(yè)之中的先鋒。2003年，該公司在全世界率先成功實(shí)現了高溫超導電纜材料的量產(chǎn)化。向國內外眾多超導輸電實(shí)驗供應使用鉍制作的線(xiàn)材和電纜。
另一方面，古河電氣工業(yè)、藤倉等其他日本電線(xiàn)企業(yè)開(kāi)發(fā)的則是釔系電纜。有看法認為，釔系電纜銀的用量少，在成本方面有利，但就量產(chǎn)化技術(shù)而言，鉍系一馬當先，距離實(shí)用化最近。
超導電纜雖說(shuō)有助于節能，但并非萬(wàn)能。
超導電纜的電阻的確為零，但維持超導狀態(tài)需要在液氮的循環(huán)過(guò)程中對其進(jìn)行不斷冷卻，這就需要使用冷凍機和泵。而冷凍機和泵會(huì )耗電，因此，嚴格來(lái)說(shuō)，輸電損耗并不為零。
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(huì )是超導輸電的主要用途。今后，隨著(zhù)高效率冷凍機的開(kāi)發(fā)，應用范圍將一舉得到擴大。
另外，對于上面介紹的鐵路與數據中心的事例，直流輸電是一個(gè)重點(diǎn)。超導輸電要與直流輸電網(wǎng)相結合才能發(fā)揮出真正的價(jià)值。山口教授說(shuō)：“直流的損耗遠低于交流�！�
交流超導電纜采用一根管中通入3條芯線(xiàn)的構造。因為線(xiàn)材間相互影響，所以會(huì )產(chǎn)生名為“交流損耗”的電力損耗。而直流則沒(méi)有這種損耗。況且，直流電纜只需1條芯線(xiàn)，粗細可以小于交流，具備冷卻成本低的特點(diǎn)。
但是現有的輸電網(wǎng)以交流為主。直流接入電網(wǎng)需要變電設備。
但在今后，直流有可能得到推廣�，F在，鐵路已經(jīng)率先開(kāi)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(jīng)實(shí)現了直流化，新線(xiàn)路也基本采用直流系統。
在大量用電的數據中心，直流化預計也將普及。
SAKURAInternet公司社長(cháng)田中邦裕說(shuō)：“直流輸電效率高，而且有望降低初期成本。今后，我們將不斷增加直流設備�！�
向地球的另一面輸電
超導直流輸電還能跨國家、跨大陸協(xié)調電力。在超遠程輸電的應用領(lǐng)域值得期待，例如，從自然能源生產(chǎn)效率高的國家輸送到電力消費大的國家�；蛘呤菑囊归g電力剩余的國家，輸送到地球另一面正苦于白天電力短缺的國家。
現在，各地區都在提倡跨國境協(xié)調電力的智能電網(wǎng)(新一代輸電網(wǎng))的構想。以歐洲為中心開(kāi)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(yáng)能電池板，在沿海地區設置大型風(fēng)車(chē)，把這些設備產(chǎn)生的電能輸送到歐洲和北非等地。山口教授介紹說(shuō)，在項目的推進(jìn)過(guò)程中，“也出現了采用超導直流電纜的動(dòng)向”。
超導輸電能夠為節能做出貢獻，在今后，全世界對于超導輸電的需求估計會(huì )越來(lái)越大。在該領(lǐng)域領(lǐng)跑世界的日本企業(yè)也隨之迎來(lái)了巨大的商機。
研究始于20多年前的“超導輸電”終于進(jìn)入了實(shí)用化的最終階段。
所謂超導是指特定金屬或化合物冷卻到超低溫時(shí)，電阻變?yōu)榱愕默F象。而超導電纜則是把利用這項技術(shù)制造的線(xiàn)材收納在保溫管中制成的電纜。保溫管內通入液氮等制冷劑，維持超導所需低溫狀態(tài)，這種輸電方式的電力損耗遠遠低于一般的銅線(xiàn)。
日本國內2011年度總發(fā)電量為8574億千瓦時(shí)，其中，從發(fā)電站輸往家庭途中的損耗約5%，相當于6座100萬(wàn)千瓦級核電站1年的發(fā)電量，有數據表明，電線(xiàn)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(mǎn)了期待。
“超導”驅動(dòng)電車(chē)
位于東京都國分寺市的鐵道綜合技術(shù)研究所俗稱(chēng)“鐵道綜研”。在研究所內鋪設的實(shí)驗軌道上，跑著(zhù)貨真價(jià)實(shí)的電車(chē)。軌道的旁邊，設置著(zhù)長(cháng)約31m的黑色電纜。這就是用于輸電的超導電纜。
鐵道綜研開(kāi)發(fā)的超導電纜支持直流輸電，使用稀有金屬鉍制成的超導材料線(xiàn)材封裝在約10cm粗的管中。工作時(shí)，-196度的液氮在內部循環(huán)，對線(xiàn)材進(jìn)行冷卻，使電阻歸零。
因為超導輸電需要讓液氮循環(huán)，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(kāi)發(fā)推進(jìn)室擔當部長(cháng)兼超導應用研究室長(cháng)富田優(yōu)博士說(shuō)：“不只是削減輸電損耗，超導電纜對于有效利用再生能源也效果明顯�！�
在電車(chē)停車(chē)時(shí)，馬達發(fā)揮發(fā)電機的作用，把動(dòng)能轉化成電能回收，這就是再生能源。
今后，再生能源將能夠通過(guò)電線(xiàn)傳輸給其他的電車(chē)�，F在，由于輸電線(xiàn)的電阻大，再生能源只能供應給附近的電車(chē)。而使用超導電纜的話(huà)，在原理上，電車(chē)無(wú)論身在何處，都可以互通電能。富田博士推算，“如果是鐵路，節能效果將達到5%”。
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(dòng)車(chē)輛的驗證實(shí)驗已于6月開(kāi)始。按照預定，使用310m電纜的全面驗證實(shí)驗將于秋季展開(kāi)。富田博士充滿(mǎn)自信地表示，“這次實(shí)驗以在實(shí)際鐵路網(wǎng)中的運用為目標，將成為一項重大突破”。實(shí)用化預計將在5～10年內實(shí)現。
日本率先量產(chǎn)電纜
北海道石狩市也在推進(jìn)使用超導電纜的輸電項目。
地點(diǎn)是石狩灣新港地區。按照項目的計劃，太陽(yáng)能電池板生產(chǎn)的電能將以直流電的形式，經(jīng)由500m長(cháng)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(kāi)始。2014年以后，該市將重新鋪設2km長(cháng)的電纜，對遠程輸電的電力損耗和維護費用等進(jìn)行驗證。
數據中心中運行著(zhù)大量的服務(wù)器，而且需要冷卻，因此電力需求龐大。高效利用電能有助于大幅壓縮運行成本。
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。對于實(shí)驗的意義，在該項目中發(fā)揮核心作用的中部大學(xué)超導及可持續能源研究中心教授山口作太郎說(shuō)：“通過(guò)結合超導輸電，可以高效利用太陽(yáng)能發(fā)電”。
人類(lèi)發(fā)現超導現象要追溯到100多年前的1911年。但當初發(fā)現的超導體必須在溫度降至絕對零度(-273.15度)附近的時(shí)候，才能達到超導狀態(tài)。冷卻需要使用昂貴的液氦，難以應用于輸電。
但是，隨著(zhù)在較高溫度下就能達到超導狀態(tài)的“高溫超導體”于1986年開(kāi)發(fā)成功，超導電纜的研發(fā)日漸興盛。
高溫超導包括不少種類(lèi)。比方說(shuō)，使用稀有金屬鉍的超導是在-160度左右達到超導狀態(tài)。使用稀土釔、在-180度也可達到超導狀態(tài)的超導材料也已經(jīng)開(kāi)發(fā)成功。
冷卻這些超導體可以使用溫度比液氦高，但價(jià)格便宜許多，而且容易保存的液氮。因為高溫超導體能夠實(shí)現穩定利用，所以商業(yè)利用的價(jià)值也逐漸顯現了出來(lái)。
住友電氣工業(yè)超導產(chǎn)品開(kāi)發(fā)部長(cháng)林和彥說(shuō)：“電纜性能已經(jīng)達到了實(shí)用水平�！痹诔瑢щ娎|的量產(chǎn)化技術(shù)上面，日本企業(yè)位于世界最前列。
而住友電氣工業(yè)則是日本企業(yè)之中的先鋒。2003年，該公司在全世界率先成功實(shí)現了高溫超導電纜材料的量產(chǎn)化。向國內外眾多超導輸電實(shí)驗供應使用鉍制作的線(xiàn)材和電纜。
另一方面，古河電氣工業(yè)、藤倉等其他日本電線(xiàn)企業(yè)開(kāi)發(fā)的則是釔系電纜。有看法認為，釔系電纜銀的用量少，在成本方面有利，但就量產(chǎn)化技術(shù)而言，鉍系一馬當先，距離實(shí)用化最近。
超導電纜雖說(shuō)有助于節能，但并非萬(wàn)能。
超導電纜的電阻的確為零，但維持超導狀態(tài)需要在液氮的循環(huán)過(guò)程中對其進(jìn)行不斷冷卻，這就需要使用冷凍機和泵。而冷凍機和泵會(huì )耗電，因此，嚴格來(lái)說(shuō)，輸電損耗并不為零。
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(huì )是超導輸電的主要用途。今后，隨著(zhù)高效率冷凍機的開(kāi)發(fā)，應用范圍將一舉得到擴大。
另外，對于上面介紹的鐵路與數據中心的事例，直流輸電是一個(gè)重點(diǎn)。超導輸電要與直流輸電網(wǎng)相結合才能發(fā)揮出真正的價(jià)值。山口教授說(shuō)：“直流的損耗遠低于交流�！�
交流超導電纜采用一根管中通入3條芯線(xiàn)的構造。因為線(xiàn)材間相互影響，所以會(huì )產(chǎn)生名為“交流損耗”的電力損耗。而直流則沒(méi)有這種損耗。況且，直流電纜只需1條芯線(xiàn)，粗細可以小于交流，具備冷卻成本低的特點(diǎn)。
但是現有的輸電網(wǎng)以交流為主。直流接入電網(wǎng)需要變電設備。
但在今后，直流有可能得到推廣�，F在，鐵路已經(jīng)率先開(kāi)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(jīng)實(shí)現了直流化，新線(xiàn)路也基本采用直流系統。
在大量用電的數據中心，直流化預計也將普及。
SAKURAInternet公司社長(cháng)田中邦裕說(shuō)：“直流輸電效率高，而且有望降低初期成本。今后，我們將不斷增加直流設備�！�
向地球的另一面輸電
超導直流輸電還能跨國家、跨大陸協(xié)調電力。在超遠程輸電的應用領(lǐng)域值得期待，例如，從自然能源生產(chǎn)效率高的國家輸送到電力消費大的國家�；蛘呤菑囊归g電力剩余的國家，輸送到地球另一面正苦于白天電力短缺的國家。
現在，各地區都在提倡跨國境協(xié)調電力的智能電網(wǎng)(新一代輸電網(wǎng))的構想。以歐洲為中心開(kāi)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(yáng)能電池板，在沿海地區設置大型風(fēng)車(chē)，把這些設備產(chǎn)生的電能輸送到歐洲和北非等地。山口教授介紹說(shuō)，在項目的推進(jìn)過(guò)程中，“也出現了采用超導直流電纜的動(dòng)向”。
超導輸電能夠為節能做出貢獻，在今后，全世界對于超導輸電的需求估計會(huì )越來(lái)越大。在該領(lǐng)域領(lǐng)跑世界的日本企業(yè)也隨之迎來(lái)了巨大的商機。
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