ตัวนำยิ่งยวดที่มีอุณหภูมิสูงสุด มีการค้นพบตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูงชนิดใหม่ แผนการในอนาคต

วันนี้ฉันเห็นการอภิปรายภายใต้นั้น เมื่อพิจารณาว่าวันนี้ฉันอยู่ที่การผลิตสายเคเบิลตัวนำยิ่งยวด ฉันต้องการแทรกความคิดเห็นสองสามข้อ แต่อ่านอย่างเดียว... ในท้ายที่สุด ฉันตัดสินใจเขียนบทความสั้น ๆ เกี่ยวกับตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูง

ประการแรก ในกรณีนี้ ฉันอยากจะทราบว่าคำว่า "ตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูง" นั้นหมายถึงตัวนำยิ่งยวดที่มีอุณหภูมิวิกฤตสูงกว่า 77 K (-196 °C) ซึ่งเป็นจุดเดือดของไนโตรเจนเหลวราคาถูก พวกมันมักจะรวมตัวนำยิ่งยวดที่มีอุณหภูมิวิกฤตประมาณ 35 K ด้วย นี่คืออุณหภูมิของคัพเรตตัวนำยิ่งยวดตัวแรก La 2-x Ba x CuO 4 (สารที่มีองค์ประกอบแปรผัน ดังนั้น x) เหล่านั้น. อุณหภูมิ "สูง" ที่นี่ยังคงต่ำมาก

ตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูงสองตัวใช้กันอย่างแพร่หลาย - YBa 2 Cu 3 O 7-x (YBCO, Y123) และ Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 10+x (BSCCO, Bi-2223) นอกจากนี้ยังใช้วัสดุที่คล้ายกับ YBCO โดยที่อิตเทรียมจะถูกแทนที่ด้วยธาตุหายากอื่น เช่น แกโดลิเนียม โดยมีชื่อเรียกทั่วไปว่า ReBCO
YBCO ที่ผลิตและ ReBCO อื่นๆ มีอุณหภูมิวิกฤต 90-95 K BSCCO ที่ผลิตมีอุณหภูมิวิกฤต 108 K

นอกจากอุณหภูมิวิกฤตที่สูงแล้ว ReBCO และ BSCCO ยังโดดเด่นด้วยค่าสูงของสนามแม่เหล็กวิกฤต (ในฮีเลียมเหลว - มากกว่า 100 T) และกระแสไฟฟ้าวิกฤต อย่างไรก็ตาม อย่างหลังทุกอย่างไม่ง่ายนัก...

ในตัวนำยิ่งยวด อิเล็กตรอนจะไม่เคลื่อนที่อย่างอิสระ แต่เป็นคู่ (คู่คูเปอร์) หากเราต้องการให้กระแสไหลผ่านจากตัวนำยิ่งยวดตัวหนึ่งไปยังอีกตัวหนึ่ง ช่องว่างระหว่างพวกมันจะต้องเล็กกว่าขนาดลักษณะของคู่นี้ สำหรับโลหะและโลหะผสม ขนาดนี้คือหลายสิบหรือหลายร้อยนาโนเมตร แต่ใน YBCO และ BSCCO จะมีขนาดเพียงไม่กี่นาโนเมตรและเศษส่วนของนาโนเมตร ขึ้นอยู่กับทิศทางของการเคลื่อนที่ แม้แต่ช่องว่างระหว่างเม็ดคริสตัลโพลีคริสตัลแต่ละเม็ดก็กลายเป็นอุปสรรคที่เห็นได้ชัดเจน ไม่ต้องพูดถึงช่องว่างระหว่างตัวนำยิ่งยวดแต่ละชิ้น เป็นผลให้เซรามิกตัวนำยิ่งยวดสามารถส่งกระแสผ่านตัวมันเองได้ เว้นแต่จะใช้เทคนิคพิเศษ

วิธีที่ง่ายที่สุดในการแก้ปัญหาคือใน BSCCO: เมล็ดข้าวของมันมีขอบเรียบตามธรรมชาติ และการบีบอัดทางกลที่ง่ายที่สุดทำให้สามารถสั่งเมล็ดข้าวเหล่านี้เพื่อให้ได้ค่ากระแสวิกฤติสูง ทำให้สามารถสร้างสายเคเบิลตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูงรุ่นแรกหรือเทปตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูงรุ่นแรกได้อย่างรวดเร็วและง่ายดาย เป็นเมทริกซ์เงินที่ประกอบด้วยหลอดบางๆ จำนวนมากที่เต็มไปด้วย BSCCO เมทริกซ์นี้ถูกทำให้เรียบและเม็ดของตัวนำยิ่งยวดจะได้ลำดับที่ต้องการ เราได้รับเทปยืดหยุ่นบางที่ประกอบด้วยแกนตัวนำยิ่งยวดแบบแบนจำนวนมาก

อนิจจา วัสดุ BSCCO นั้นยังห่างไกลจากอุดมคติ: กระแสวิกฤตของมันจะลดลงอย่างรวดเร็วเมื่อสนามแม่เหล็กภายนอกเพิ่มขึ้น สนามแม่เหล็กวิกฤตของมันค่อนข้างสูง แต่ก่อนที่จะถึงขีดจำกัดนี้ ก็จะสูญเสียความสามารถในการผ่านกระแสขนาดใหญ่ใดๆ ไปได้ สิ่งนี้จำกัดการใช้เทปตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูงอย่างมาก ไม่สามารถทดแทนโลหะผสมไนโอเบียม-ไทเทเนียมและไนโอเบียม-ดีบุกเก่าที่ใช้งานในฮีเลียมเหลวได้

ReBCO เป็นเรื่องที่แตกต่างอย่างสิ้นเชิง แต่การสร้างการวางแนวเกรนที่ถูกต้องนั้นเป็นเรื่องยากมาก เมื่อไม่นานมานี้พวกเขาได้เรียนรู้ที่จะทำเทปตัวนำยิ่งยวดจากวัสดุนี้ เทปดังกล่าวเรียกว่ารุ่นที่สอง ผลิตขึ้นโดยการสปัตเตอร์วัสดุตัวนำยิ่งยวดลงบนพื้นผิวที่มีพื้นผิวพิเศษที่ระบุทิศทางการเติบโตของผลึก อย่างที่คุณอาจเดาได้ว่าพื้นผิวมีขนาดนาโนเมตร ดังนั้นนี่คือนาโนเทคโนโลยีที่แท้จริง ในบริษัท SuperOx ในมอสโก ซึ่งฉันอยู่จริงๆ เพื่อให้ได้โครงสร้างดังกล่าว จะต้องพ่นชั้นกลาง 5 ชั้นลงบนพื้นผิวโลหะ ซึ่งชั้นหนึ่งถูกพ่นด้วยกระแสไอออนเร็วที่ตกกระทบในมุมหนึ่งพร้อมกัน เป็นผลให้ผลึกของชั้นนี้เติบโตในทิศทางเดียวเท่านั้น ซึ่งไอออนจะพ่นออกมาได้ยากที่สุด ผู้ผลิตรายอื่นซึ่งมีอยู่สี่รายในโลกอาจใช้เทคโนโลยีอื่น อย่างไรก็ตามเทปในประเทศใช้แกโดลิเนียมแทนอิตเทรียมซึ่งมีความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีมากกว่า

เทปตัวนำยิ่งยวดรุ่นที่สองที่มีความกว้าง 12 มม. และความหนา 0.1 มม. ในไนโตรเจนเหลวในกรณีที่ไม่มีสนามแม่เหล็กภายนอกจะผ่านกระแสไฟฟ้าได้สูงถึง 500 A ในสนามแม่เหล็กภายนอก 1 T กระแสวิกฤตยังคงอยู่ ถึง 100 A และที่ 5 T - สูงสุด 5 A หากคุณทำให้เทปเย็นลงจนถึงอุณหภูมิของไฮโดรเจนเหลว (โลหะผสมไนโอเบียมที่อุณหภูมินี้จะไม่เข้าสู่สถานะตัวนำยิ่งยวดด้วยซ้ำ) เทปเดียวกันจะสามารถผ่าน 500 ได้ A ในพื้นที่ 8 T และ "บางส่วน" 200-300 A ในพื้นที่ 8 T ระดับของ Tesla สองสามสิบ (กบบิน) ไม่จำเป็นต้องพูดถึงฮีเลียมเหลว: มีโครงการแม่เหล็กบนเทปเหล่านี้ซึ่งมีสนามที่ระดับ 100 เทสลา! ความจริงอยู่ที่นี่แล้ว ความสูงเต็มปัญหาความแข็งแรงทางกลเกิดขึ้น: สนามแม่เหล็กมีแนวโน้มที่จะทำลายแม่เหล็กไฟฟ้าเสมอ แต่เมื่อสนามนี้สูงถึงสิบเทสลา แรงบันดาลใจของมันก็เกิดขึ้นได้อย่างง่ายดาย...

อย่างไรก็ตาม เทคโนโลยีที่ยอดเยี่ยมทั้งหมดนี้ไม่สามารถแก้ปัญหาการเชื่อมต่อตัวนำยิ่งยวดสองชิ้นได้ แม้ว่าคริสตัลจะวางไปในทิศทางเดียว แต่ก็ไม่มีการพูดถึงเรื่องการขัดผิวด้านนอกให้มีความหยาบขนาดต่ำกว่านาโนเมตร ชาวเกาหลีมีเทคโนโลยีในการเผาแถบแต่ละแผ่นเข้าด้วยกัน แต่ก็ยังห่างไกลจากความสมบูรณ์แบบ โดยทั่วไปแล้ว เทปจะเชื่อมต่อถึงกันโดยการบัดกรีแบบธรรมดาโดยใช้การบัดกรีแบบตะกั่วดีบุกแบบธรรมดาหรือวิธีการแบบคลาสสิกอื่น แน่นอนในกรณีนี้ความต้านทานจำกัดจะปรากฏขึ้นที่หน้าสัมผัส ดังนั้นจึงเป็นไปไม่ได้ที่จะสร้างแม่เหล็กยิ่งยวดจากเทปที่ไม่ต้องการพลังงานเป็นเวลาหลายปีและเป็นเพียงสายไฟที่ไม่มีการสูญเสียเป็นศูนย์อย่างแน่นอน แต่ความต้านทานการสัมผัสเป็นเพียงเศษส่วนเล็กน้อยของไมโครโอห์ม ดังนั้นแม้ที่กระแสไฟฟ้า 500 A จะมีเพียงเศษส่วนของมิลลิวัตต์เท่านั้นที่ถูกปล่อยออกมา

แน่นอนว่าในบทความวิทยาศาสตร์ยอดนิยม ผู้อ่านกำลังมองหาความบันเทิงเพิ่มเติม... นี่คือวิดีโอการทดลองของฉันกับเทปตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูงรุ่นที่สอง:

วิดีโอล่าสุดถูกบันทึกภายใต้ความคิดเห็นบน YouTube ซึ่งผู้เขียนแย้งว่าไม่มีตัวนำยิ่งยวดและการลอยของแม่เหล็กเป็นเอฟเฟกต์ที่เป็นอิสระอย่างสมบูรณ์โดยเชิญชวนให้ทุกคนตรวจสอบความถูกต้องของเขาโดยการวัดความต้านทานโดยตรง ดังที่เราเห็นความเป็นตัวนำยิ่งยวดยังคงมีอยู่

ตัวนำยิ่งยวดเป็นปรากฏการณ์ควอนตัมที่แสดงออกในระดับมหภาค ความเป็นตัวนำยิ่งยวดเกิดขึ้นเมื่อสารบางชนิดถูกทำให้เย็นลงถึงอุณหภูมิเฉพาะของสารนั้น อุณหภูมิวิกฤตซึ่งสารจะกระโดดเข้าสู่สถานะตัวนำยิ่งยวดแบบพิเศษ คุณสมบัติพื้นฐานของตัวนำยิ่งยวดคือการไม่มีความต้านทานไฟฟ้าโดยสมบูรณ์

ปรากฏการณ์นี้ถูกค้นพบในปี 1911 โดย H. Kamerlingh Onnes ความเป็นตัวนำยิ่งยวดสามารถสังเกตได้ในการทดลองต่อไปนี้ วางวงแหวนโลหะไว้ในสนามแม่เหล็ก B ที่อุณหภูมิสูงกว่าค่า Tc วิกฤต จากนั้นอุณหภูมิจะลดลงเหลือค่า T< T с. После этого поле В выключают. По закону электромагнитной индукции изменение магнитного поля вызывает в образце появление тока. Вследствие того, что в образце отсутствует сопротивление, ток может циркулировать бесконечно долго.

หากที่อุณหภูมิ T< T 0 увеличить индукцию В магнитного поля, то при некотором критическом значении В кр, которое называется критическим магнитным полем, сверхпроводящее состояние нарушается. Согласно современным представлениям сверхпроводящее и สภาพปกติแสดงถึงสองเฟสของสารที่สามารถแปลงร่างเป็นกันและกันได้ (รูปที่ 1)

ข้าว. 1.

คุณสมบัติพื้นฐานที่สองของตัวนำยิ่งยวดคือเอฟเฟกต์ Meissner เช่น ตัวนำยิ่งยวดจะกลายเป็นไดแม่เหล็กในอุดมคติและผลักสนามแม่เหล็กภายนอกออกไป ในทางตรงกันข้าม ตัวนำความต้านทานในอุดมคติควรจับฟลักซ์แม่เหล็ก รูปที่ 2 ด้านล่างแสดงพฤติกรรมของทรงกลมตัวนำยิ่งยวดและตัวนำต้านทานที่อุณหภูมิต่างๆ และสนามแม่เหล็กภายนอก ในรูปที่ 2 กรณีที่พิจารณา: 2a) T>T k, 2b) T<Т к, внешнее магнитное поле не равно нулю 2в) Т<Т к, внешнее магнитное поле равно нулю

รูปที่ 2

เอฟเฟกต์ Meissner มีความเกี่ยวข้องกับความจริงที่ว่ากระแสตรงเริ่มไหลเวียนในชั้นใกล้พื้นผิวที่มีความหนาประมาณ 10-6 ซม. ซึ่งมีความแข็งแกร่งที่สนามที่สร้างขึ้นจะชดเชยสนามภายนอกในความหนาของตัวนำยิ่งยวด .

มีตัวนำยิ่งยวดประเภท I และประเภท II

ตัวนำยิ่งยวดประเภทที่ 1 จะเปลี่ยนไปสู่สถานะปกติอย่างกะทันหัน และตัวนำยิ่งยวดประเภทที่ 2 จะค่อยๆ เปลี่ยนเป็นสถานะปกติ รูปด้านล่างแสดงการพึ่งพาของการดึงดูด M กับการเหนี่ยวนำ B ของสนามแม่เหล็กภายนอก เส้นโค้งเริ่มต้นจาก 0 ถึงค่าวิกฤต Bc สำหรับตัวนำยิ่งยวดประเภท I และประเภท II เหมือนกัน พวกมันสอดคล้องกับเอฟเฟกต์ Meissner ตัวนำยิ่งยวดประเภทที่ 1 (รูปที่ ก) ที่ค่าวิกฤตของสนามแม่เหล็กจะเปลี่ยนไปเป็นสถานะปกติทันทีในขณะที่การดึงดูดของพวกมันลดลงอย่างรวดเร็ว

ตัวนำยิ่งยวด Type II (Fig.b) ที่ค่าวิกฤตของสนามแม่เหล็กเริ่มเปลี่ยนไปสู่สถานะปกติได้อย่างราบรื่นในขณะที่การดึงดูดแม่เหล็กลดลงอย่างราบรื่น

จนถึงคริสต์ทศวรรษ 1980 อุณหภูมิวิกฤติสูงสุดสำหรับตัวนำยิ่งยวดคือ 23 K

ในปี 1986 มีการค้นพบตัวนำยิ่งยวดที่มีอุณหภูมิวิกฤต 35 เคลวิน ปัจจุบันมีการค้นพบวัสดุที่มีอุณหภูมิวิกฤติ 135 เคลวิน ก่อนการค้นพบเหล่านี้ ฮีเลียมเหลวถูกใช้เป็นสารหล่อเย็น (จุดเดือดที่ความดันปกติ 4.2 เคลวิน) หลังจากการค้นพบตัวนำยิ่งยวดที่มีอุณหภูมิวิกฤตเกิน 77.3 K (จุดเดือดของไนโตรเจน) ไนโตรเจนที่ราคาถูกกว่าและเข้าถึงได้ง่ายกว่าจึงเริ่มถูกนำมาใช้เป็นสารหล่อเย็น ดังนั้น ตัวนำยิ่งยวดที่มีอุณหภูมิต่ำจึงเริ่มถูกเรียกว่าตัวนำยิ่งยวดของระดับอุณหภูมิฮีเลียม และตัวนำยิ่งยวดที่มีอุณหภูมิสูงจึงถูกเรียกว่าตัวนำยิ่งยวดของระดับอุณหภูมิไนโตรเจน

ข้อเท็จจริงจากการทดลองสองประการนำไปสู่ความเข้าใจธรรมชาติของตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิต่ำ

1. โลหะที่เป็นตัวนำที่ดีที่อุณหภูมิห้อง (เงิน, ทองแดง) ไม่มีคุณสมบัติเป็นตัวนำยิ่งยวด ตัวนำที่ไม่ดี (ปรอท) จะกลายเป็นตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิต่ำ ค่าการนำไฟฟ้าที่ดีของเงินและทองแดงบ่งบอกถึงปฏิกิริยาที่อ่อนแอของอิเล็กตรอนกับโครงตาข่ายคริสตัล ในทางตรงกันข้าม ในปรอท อิเล็กตรอนจะมีปฏิกิริยากับโครงตาข่ายอย่างเข้มข้นมากขึ้น

2. สำหรับตัวนำยิ่งยวดส่วนใหญ่ ความสัมพันธ์จะเป็นที่พอใจ โดยที่ M คือมวลของอะตอมไอโซโทป ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าผลของไอโซโทป ความสัมพันธ์นี้บ่งชี้ถึงปฏิสัมพันธ์ของอิเล็กตรอนกับไอออนของโครงตาข่ายคริสตัล

ในเชิงคุณภาพ ปรากฏการณ์ของตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิต่ำสามารถอธิบายได้ดังต่อไปนี้ สนามไฟฟ้าของอิเล็กตรอนที่กำลังเคลื่อนที่ส่งผลต่อโครงตาข่ายคริสตัล ทำให้เกิดการเสียรูป (โพลาไรซ์) ในกรณีนี้ อิเล็กตรอนพบว่าตัวเองถูกล้อมรอบด้วยเมฆประจุบวกที่บริเวณโครงตาข่ายคริสตัล หากประจุรวมของบริเวณอิเล็กตรอนและไอออนโพลาไรซ์กลายเป็นบวก บริเวณนี้สามารถดึงดูดอิเล็กตรอนตัวอื่นได้ ในกรณีนี้ จากการมีปฏิสัมพันธ์กับตำแหน่งบวกของโครงตาข่ายคริสตัล อิเล็กตรอนที่มีการหมุนและโมเมนตาในทิศทางตรงกันข้ามจะรวมกันเป็นคู่ คู่ดังกล่าวเรียกว่าคู่คูเปอร์ตามชื่อของนักวิทยาศาสตร์แอล. คูเปอร์ผู้พัฒนาทฤษฎีนี้ คู่คูเปอร์มีการหมุนเป็น 0 และเป็นไปตามสถิติของโบส-ไอน์สไตน์ ดังนั้นที่อุณหภูมิต่ำ การเปลี่ยนแปลงเป็นคู่คูเปอร์จึงแพร่หลาย อิเล็กตรอนแต่ละตัวที่มีโมเมนตัมสามารถโต้ตอบได้เฉพาะกับอิเล็กตรอนที่มีโมเมนตัมเท่ากับ สถานะของอิเล็กตรอนในคริสตัลมีการเปลี่ยนแปลงตลอดเวลา ดังนั้นเซตของคู่จึงเปลี่ยนแปลงตลอดเวลา กระบวนการนี้ช่วยให้มั่นใจได้ถึงการเชื่อมต่อระหว่างคู่คูเปอร์ทั้งหมด ชุดคู่คูเปอร์ดังกล่าวถือได้ว่าเป็นคอนเดนเสทของ Bose

การค้นพบตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูงเป็นเรื่องที่น่าประหลาดใจสำหรับฟิสิกส์เชิงทฤษฎี เนื่องจาก ทฤษฎีตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิต่ำไม่ได้ให้ค่าอุณหภูมิวิกฤตที่สูง

ในกลุ่มตัวนำยิ่งยวดที่มีอุณหภูมิสูง คัพเรตซึ่งเป็นสารประกอบที่มีโครงสร้างเป็นชั้นที่ซับซ้อนจะรวมตัวกันเป็นกลุ่มพิเศษ คริสตัลถ้วยเตรตสามารถเปรียบเทียบเป็นรูปเป็นร่างได้กับ "แซนวิช" ที่มีองค์ประกอบต่างๆ วี.แอล. Ginzburg ถือเป็นแบบจำลองของตัวนำยิ่งยวดที่ประกอบด้วยฟิล์มโลหะที่อยู่ระหว่างชั้นของอิเล็กทริกหรือเซมิคอนดักเตอร์ อิเล็กตรอนของชั้นเหล่านี้ถูกผลักไสโดยอิเล็กตรอนของโลหะซึ่งเป็นผลมาจากการที่เมฆประจุบวกปรากฏขึ้นรอบ ๆ ชั้นหลังซึ่งก่อให้เกิดการก่อตัวของคู่คูเปอร์ ตามที่ V.L. Ginzburg แบบจำลองดังกล่าวช่วยให้สามารถดำรงอยู่ของอุณหภูมิวิกฤติได้สูงถึง 200 K

ในปัจจุบัน ยังไม่มีทฤษฎีเกี่ยวกับความเป็นตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูงที่ได้รับการพัฒนามาอย่างดี

ตัวนำยิ่งยวดใช้ในอุปกรณ์และเครื่องมือต่างๆ ผลิตภัณฑ์ตัวนำยิ่งยวดที่ระดับอุณหภูมิฮีเลียม ได้แก่ เครื่องเอกซเรย์ เครื่องแยก และอุปกรณ์กักเก็บพลังงาน เครื่องเอกซ์เรย์ตัวนำยิ่งยวดให้การวินิจฉัยอวัยวะภายในที่มีคุณภาพสูงขึ้น เครื่องแยกใช้สำหรับเสริมสมรรถนะแร่ และอุปกรณ์จัดเก็บให้พลังงานสำรองประมาณหลายกิโลวัตต์-ชั่วโมง

การแทนที่ฮีเลียมเหลวด้วยไนโตรเจนเป็นสารหล่อเย็นจะช่วยลดต้นทุนในการสร้างการติดตั้งได้หลายร้อยครั้ง

การเปลี่ยนตัวนำแบบเดิมด้วยตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูงช่วยลดน้ำหนักได้อย่างมากและเพิ่มเวลาการทำงานได้อย่างมาก ปัจจุบันมีการใช้ในระบบสื่อสารผ่านดาวเทียมและโทรศัพท์มือถือ อุปกรณ์ที่มีความแม่นยำในการวัดกระแสเล็กน้อยและการเปลี่ยนแปลงของฟลักซ์แม่เหล็ก

ในระบบอิเล็กทรอนิกส์ที่มีตัวนำยิ่งยวดแบบดิจิทัล อุปกรณ์จะถูกสร้างขึ้นโดยมีองค์ประกอบจำนวนมากบนชิปตัวเดียว

แรงผลักเกิดขึ้นระหว่างวงแหวนตัวนำยิ่งยวดกับแม่เหล็ก ปรากฏการณ์นี้สามารถใช้ได้กับมอเตอร์และไจโรสโคป โครงการรถไฟลอยตัวแบบแม่เหล็กกำลังได้รับการพัฒนาในหลายประเทศ กระแสไฟฟ้าถูกส่งผ่านโมโนเรลตัวนำยิ่งยวด แม่เหล็กตัวนำยิ่งยวดถูกวางไว้ในตู้รถไฟ รถต่างๆ แล่นอยู่เหนือรางรถไฟ รถไฟดังกล่าวมีความเร็วเทียบได้กับความเร็วของเครื่องบิน

จนกระทั่งเมื่อเร็วๆ นี้ การใช้งานจริงมีจำกัดมากเนื่องจากมีอุณหภูมิในการทำงานต่ำ - น้อยกว่า 20K ค้นพบตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูงในปี 1986 ซึ่งมีอุณหภูมิวิกฤต

เปลี่ยน

สถานการณ์,

ลดความซับซ้อนของปัญหาการทำความเย็นทั้งหมด (อุณหภูมิการทำงานของขดลวด "เพิ่มขึ้น" และมีความไวต่อการรบกวนจากความร้อนน้อยลง) ตอนนี้ยังมีโอกาสอยู่

การสร้าง

รุ่น

อุปกรณ์ไฟฟ้า,

ใช้

อุณหภูมิต่ำ

ตัวนำยิ่งยวด

มันกลับกลายเป็นว่า

คงจะเป็นอย่างยิ่ง

แพง,

ไม่ได้ผลกำไร

ช่วงครึ่งหลังของทศวรรษที่ 90 ของศตวรรษที่ผ่านมาเป็นจุดเริ่มต้นของวงกว้าง

ก้าวร้าว

อุณหภูมิสูง

ตัวนำยิ่งยวดสำหรับอุตสาหกรรมพลังงานไฟฟ้า อุณหภูมิสูง

ตัวนำยิ่งยวด

ใช้

การผลิต

หม้อแปลงไฟฟ้า,

ไฟฟ้า

อุปนัย

ไดรฟ์

ไม่ จำกัด

ที่เก็บข้อมูล) ตัวจำกัดกระแสไฟ ฯลฯ เมื่อเทียบกับการติดตั้ง

มีลักษณะเฉพาะ

ที่ลดลง

การสูญเสีย

และขนาดและเพิ่มประสิทธิภาพในการผลิต การส่ง และจำหน่ายไฟฟ้า ดังนั้นหม้อแปลงตัวนำยิ่งยวดก็จะมี

การสูญเสีย

กว่าหม้อแปลงไฟฟ้ากำลังเท่ากันที่มีขดลวดธรรมดา นอกจากนี้หม้อแปลงตัวนำยิ่งยวด

สามารถ

ขีด จำกัด

โอเวอร์โหลด,

ไม่ต้องใช้น้ำมันแร่ซึ่งหมายความว่าเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมและไม่เสี่ยงต่อการเกิดเพลิงไหม้ ตัวจำกัดตัวนำยิ่งยวด

ชั่วคราว

ลักษณะนั่นคือเฉื่อยน้อยกว่า การรวมเครื่องกำเนิดไฟฟ้าตัวนำยิ่งยวดและอุปกรณ์กักเก็บพลังงานไว้ในเครือข่ายไฟฟ้าจะช่วยเพิ่มความเสถียร ความสามารถในการรองรับปัจจุบัน

ใต้ดิน

ตัวนำยิ่งยวด

อาจสูงกว่าปกติถึง 2-5 เท่า สายเคเบิลตัวนำยิ่งยวดมีขนาดกะทัดรัดกว่ามาก ซึ่งหมายความว่าการติดตั้งในโครงสร้างพื้นฐานในเมือง/ชานเมืองที่หนาแน่นจะง่ายกว่ามาก

บ่งชี้

เทคนิคและเศรษฐกิจ

การคำนวณของเกาหลีใต้

คนงานด้านพลังงาน

ดำเนินการ

ระยะยาว

การวางแผน

ไฟฟ้า

เครือข่ายภูมิภาคโซล ผลลัพธ์ของพวกเขาระบุว่าการวางที่ 154 kV, ตัวนำยิ่งยวด 1 GW

สายเคเบิล

มันจะเสียค่าใช้จ่าย

กว่าปกติ

เปิด

การออกแบบและติดตั้งสายเคเบิลและท่อร้อยสาย (โดยคำนึงถึงการลดจำนวนเกลียวที่ต้องการและดังนั้นการลดจำนวนสายเคเบิลทั้งหมดต่อกม. และการลดเส้นผ่านศูนย์กลางภายในของท่อร้อยสาย) ผู้เชี่ยวชาญชาวยุโรปเมื่อศึกษาประเด็นที่คล้ายกันให้ใส่ใจกับข้อเท็จจริงที่ว่าเกี่ยวกับตัวนำยิ่งยวด

มาก

แรงดันไฟฟ้า.

มลพิษทางแม่เหล็กไฟฟ้าในสิ่งแวดล้อมจะลดลง

ที่มีประชากรหนาแน่น

ละทิ้งสายไฟฟ้าแรงสูงพิเศษซึ่งวางอยู่

ตรงตาม

จริงจัง

การต่อต้านจากสาธารณชนโดยเฉพาะจากกรีน การประเมินที่ทำในประเทศสหรัฐอเมริกาก็น่าสนับสนุนเช่นกัน: การนำไปปฏิบัติ

ตัวนำยิ่งยวด

อุปกรณ์

บนเครื่องกำเนิดไฟฟ้า หม้อแปลง และมอเตอร์) และสายเคเบิลไปยังภาคพลังงานของประเทศจะช่วยประหยัดพลังงานไฟฟ้าได้มากถึง 3% ขณะเดียวกันก็แพร่หลาย

ล่าสุด

มีการเน้นย้ำว่าความพยายามหลักของนักพัฒนาจะต้องมุ่งเน้นไปที่: 1) การเพิ่มประสิทธิภาพของระบบไครโอซิสเต็ม; 2) การเพิ่มความสามารถในการรองรับกระแสไฟ

ตัวนำยิ่งยวด

สายไฟ

การสูญเสียแบบไดนามิกและเพิ่มส่วนแบ่งของตัวนำยิ่งยวดเหนือส่วนตัดลวด) 3) การลดต้นทุนของสายไฟตัวนำยิ่งยวด (โดยเฉพาะเนื่องจากผลผลิตที่เพิ่มขึ้น)

4) การลดต้นทุนสำหรับอุปกรณ์แช่แข็ง โปรดทราบว่าความหนาแน่นกระแสวิกฤติ "ทางวิศวกรรม" สูงสุดที่ทำได้จนถึงปัจจุบัน (กระแสวิกฤตหารด้วยพื้นที่หน้าตัดทั้งหมด) ของเทปที่ใช้ Bi-2223 ความยาวสองร้อยเมตรคือ 14-16 kA/cm 2 ที่ a อุณหภูมิ 77 เคลวิน การค้าตามแผนกำลังดำเนินการในประเทศที่พัฒนาแล้ว

เทคโนโลยี

ตัวนำยิ่งยวดที่มีอุณหภูมิสูง โปรแกรมอเมริกัน "ตัวนำยิ่งยวดสำหรับอุตสาหกรรมพลังงานไฟฟ้าปี 1996-2000" เป็นตัวบ่งชี้จากมุมมองนี้ ตามโปรแกรมนี้

รวม

ตัวนำยิ่งยวด

ส่วนประกอบ

อุปกรณ์ไฟฟ้าจะให้กลยุทธ์ระดับโลก

ข้อได้เปรียบ

อุตสาหกรรม

ศตวรรษที่ 21 ในเวลาเดียวกันควรระลึกไว้ว่าตามการประมาณการของธนาคารโลกในช่วง 20 ปีข้างหน้า (นั่นคือภายในปี 2563) คาดว่าจะมียอดขายวัสดุตัวนำยิ่งยวดเพิ่มขึ้น 100 เท่า

อุปกรณ์

พลังงานไฟฟ้า

อุปกรณ์

จะเพิ่มขึ้น

32 พันล้านดอลลาร์ (รวม

ตัวนำยิ่งยวด,

รวมทั้ง

การใช้งานต่างๆ เช่น การขนส่ง ยา อิเล็กทรอนิกส์ และวิทยาศาสตร์ จะมีมูลค่าถึง 122 พันล้านดอลลาร์)

โปรดทราบว่ารัสเซีย สหรัฐอเมริกา และญี่ปุ่น ยังคงเป็นผู้นำ

การพัฒนา

ตัวนำยิ่งยวด

เทคโนโลยีจนถึงต้นทศวรรษที่ 90 ของศตวรรษที่ยี่สิบ ในทางกลับกันความสนใจ

อุตสาหกรรมและเทคนิค

ไม่ต้องสงสัยเลยว่าความมั่นคงของรัสเซียจำเป็นต้องมีการใช้งานอย่างแข็งขันทั้งในอุตสาหกรรมพลังงานไฟฟ้าและในอุตสาหกรรมอื่น ๆ ความก้าวหน้าของเทคโนโลยีตัวนำยิ่งยวดและ "การส่งเสริม" ในตลาดไฟฟ้าทั่วโลกนั้นแข็งแกร่งมาก

ผลลัพธ์

การสาธิต

ประสบความสำเร็จในการทำงานต้นแบบขนาดเต็มสำหรับผลิตภัณฑ์ทุกประเภท สิ่งที่เป็น

ความสำเร็จ

โลก

ชุมชน

ไปในทิศทางนี้เหรอ? ในประเทศญี่ปุ่นภายใต้การอุปถัมภ์ของกระทรวงเศรษฐกิจ การค้า และอุตสาหกรรมในระยะยาว

โปรแกรม

พื้นที่พัฒนา

อุปกรณ์เอชทีเอสซี,

ก่อนอื่นเลย สายไฟ.

โครงการแบ่งออกเป็น 2 ระยะ คือ ระยะที่ 1 (พ.ศ. 2544-2547) และระยะที่ 2 (พ.ศ. 2548-2552)

ผู้ประสานงาน

เป็น

องค์กร

การพัฒนาเทคโนโลยีใหม่ในด้านพลังงานและอุตสาหกรรม (NEDO) และสมาคมวิจัยสำหรับอุปกรณ์และวัสดุตัวนำยิ่งยวด (Super-GM) ใน

ที่เกี่ยวข้อง

KEPCO, Furukawa, Sumitomo, Fujikura, Hitachi ฯลฯ (สายเคเบิล HTS); KEPCO, Sumitomo, Toshiba ฯลฯ (ตัวจำกัดกระแสไฟฟ้า HTSC); TEPCO, KEPCO, Fuji Electric ฯลฯ (แม่เหล็ก HTSC) ในส่วนของสายเคเบิลงานจะเน้นไปที่การพัฒนา

ตัวนำ HTSC

การสูญเสียแบบไดนามิก

ระบายความร้อน

มีความสามารถ

ระยะยาว

สนับสนุน

อุณหภูมิ

สายเคเบิล (ประมาณ 77K) ยาว 500 ม. ตามโปรแกรม ระยะที่ 1 สิ้นสุดด้วยการผลิตสายเคเบิลยาว 10 เมตรที่ 66-77 kV (3 kA) โดยมีการสูญเสียไดนามิกไม่เกิน 1 W/m และเฟส 2 จบลงด้วยการผลิตสายเคเบิลยาวห้าร้อยเมตรที่ 66-77 kV (5 kA) โดยมีการสูญเสียเท่ากัน ได้ผล

การออกแบบได้รับการแก้ไขแล้ว

ผลิต

ทดสอบแล้ว

ส่วนแรกคือการสร้างและทดสอบระบบทำความเย็น

ขนาน,

Furukawa, Sumitomo กำลังดำเนินโครงการอื่นเพื่อพัฒนาไฟฟ้า

โตเกียว

ตัวนำยิ่งยวด โครงงานนี้วิเคราะห์ความเป็นไปได้ของการติดตั้งใต้ดินของสายเคเบิล HTS 66 kV (สามเฟส) ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 130 มม. (ซึ่งสามารถติดตั้งในท่อร้อยสายขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 150 มม. ที่มีอยู่) แทนที่สายเคเบิลเฟสเดียว 275 kV ทั่วไป ปรากฎว่าแม้ในกรณีของการก่อสร้างใหม่

ท่อร้อยสาย,

สายตัวนำยิ่งยวดจะลดลง 20% (ขึ้นอยู่กับราคาของลวดตัวนำยิ่งยวดที่ 40 ดอลลาร์ต่อ 1 kA m) ขั้นตอนของโครงการกำลังดำเนินการตามลำดับ: ภายในปี 1997 ความสูงสามสิบเมตร

(เฟสเดียว)

ต้นแบบ

โดยมีวงจรการทำความเย็นแบบปิด ได้รับการทดสอบภายใต้โหลด 40 kV/1 kA เป็นเวลา 100 ชั่วโมง ภายในฤดูใบไม้ผลิปี 2000 มีการผลิตสายเคเบิล 66 kV (1 kA)/114 MVA 100 เมตร ซึ่งเป็นต้นแบบขนาดเต็มที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 130 มม. (ออกแบบด้วยอิเล็กทริก "เย็น") สหรัฐอเมริกากำลังสาธิตแนวทางแก้ไขปัญหานี้ในวงกว้าง ในปี 1989 ตามความคิดริเริ่มของ EPRI การศึกษาโดยละเอียดเกี่ยวกับการใช้ตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูงได้เริ่มขึ้นและในปีต่อมา Pirelli

บริษัท ซุปเปอร์คอนดักเตอร์ พัฒนาเทคโนโลยีการผลิตตัวนำยิ่งยวด

"ผง

หลอด").

ต่อมา American Superconductor ก็เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง

การผลิต

พลัง,

หลังจากบรรลุระยะทาง 100 กม. ของเทปต่อปี และในอนาคตอันใกล้นี้ ด้วยการเปิดดำเนินการโรงงานแห่งใหม่ใน Divens (มินนิโซตา) ตัวเลขนี้จะสูงถึง 10,000 กม. ต่อปี ราคาที่คาดการณ์ไว้ของเทปจะอยู่ที่ 50 ดอลลาร์ต่อ 1 kA m (ปัจจุบันบริษัทเสนอเทปที่ 200 ดอลลาร์ต่อ 1 kA m) ต่อไป

ที่สำคัญที่สุด

รูปร่าง

สิ่งที่เรียกว่า Superconductivity Partnership Initiative (SPI)

เร่ง

การพัฒนา

การดำเนินการ

ระบบไฟฟ้าประหยัดพลังงาน บูรณาการในแนวตั้ง

คำสั่ง SPI

รวมทั้ง

พันธมิตรจาก

อุตสาหกรรม,

ระดับชาติ

ห้องปฏิบัติการ

และการปฏิบัติงาน

บริษัท,

ดำเนินการ

สองโครงการที่จริงจัง หนึ่งในนั้นคือต้นแบบขนาดเต็ม - สายสามเฟสตัวนำยิ่งยวด (Pirelli Cavi e Sistemi,

ผูก

กระแสไฟฟ้าแรงต่ำ

หม้อแปลงไฟฟ้า 124 kV/24 kV (กำลังไฟ 100 MVA) พร้อมบัสบาร์ 24 kV ของสถานีไฟฟ้าย่อย 2 แห่งที่ตั้งอยู่ในระยะ 120 ม. (สถานี Frisbee ของ Detroit Edison, Detroit)

สายได้รับการทดสอบเรียบร้อยแล้ว

ไฟฟ้าเข้าถึงผู้บริโภคโดยการ "ส่ง" ผ่านสายเคเบิลตัวนำยิ่งยวดที่ใช้ Bi-Sr-Ca-Cu-O สามอย่างนี้

(ออกแบบ

"อบอุ่น"

อิเล็กทริกและตัวนำแต่ละตัวจะมีความยาวเท่ากัน

แทนที่

เหมือนกัน

แบกปัจจุบัน

ความสามารถ

สายเคเบิลได้รับการออกแบบสำหรับ 2400 A (สูญเสีย 1 W/m ต่อเฟส) และวางในช่องใต้ดินขนาดร้อยมิลลิเมตรที่มีอยู่ ในขณะเดียวกัน วิถีการวางมีการหมุน 90°: สายเคเบิลสามารถโค้งงอได้ด้วยรัศมี 0.94 ม. เราเน้นย้ำว่านี่คือประสบการณ์ครั้งแรกในการวางตัวนำยิ่งยวด

ปัจจุบัน

เครือข่ายการกระจายสินค้าในภาคพลังงานของเมืองใหญ่ ที่สอง

สามสิบเมตร

ตัวนำยิ่งยวด

ที่ 12.4 kV/1.25 kA (60 Hz) เริ่มใช้งานเมื่อวันที่ 5 มกราคม พ.ศ. 2543 (อุณหภูมิใช้งาน 70-80K ทำความเย็น

ความดัน).

เส้นที่แสดงถึงตัวนำยิ่งยวดสามเฟสสามตัว

จัดเตรียมให้

ไฟฟ้าสาม

ทางอุตสาหกรรม

การติดตั้ง

สำนักงานใหญ่ของบริษัท Southwire ในเมืองแครอลตัน รัฐจอร์เจีย การสูญเสียการส่งสัญญาณอยู่ที่ประมาณ 0.5% เมื่อเทียบกับ 5-8% และกำลังส่งสูงกว่าการใช้สายเคเบิลแบบเดิมที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเท่ากันถึง 3-5 เท่า

งานรื่นเริง

บรรยากาศ เฉลิมฉลองครบรอบความสำเร็จในการดำเนินงานของสายการผลิตด้วยการโหลด 100% เป็นเวลา 5,000 ชั่วโมง อีกสามโครงการเริ่มต้นในปี 2546 อยู่ระหว่างดำเนินการ

หลัก

น่าสนใจ

รวมถึง

การติดตั้งสายตัวนำยิ่งยวดใต้ดินขนาด 600 MW/138 kV ความยาวประมาณ 1 กม. ซึ่งจะรวมอยู่ในสายไฟฟ้าที่มีอยู่เดิม

โหลดและจะเดินทางไปตามท่อที่มีอยู่ใน East Garden City

เกาะยาว.

จำเป็น

สายเคเบิลจะ

ผลิต

ผู้เชี่ยวชาญจาก Nexans (เยอรมนี) โดยใช้ตัวนำยิ่งยวดที่ผลิตในโรงงานที่กล่าวถึงแล้วใน Divense และอุปกรณ์แช่แข็ง

จะส่ง

ในกรณีนี้ กระทรวงพลังงานของสหรัฐอเมริกาให้ทุนสนับสนุนงานนี้ครึ่งหนึ่ง โดยลงทุนประมาณ 30 ล้านดอลลาร์ ส่วนที่เหลือจัดทำโดยพันธมิตร สายการผลิตนี้มีแผนจะเริ่มดำเนินการภายในสิ้นปี พ.ศ. 2548

ใคร

ผลิต

สายเคเบิลตัวนำยิ่งยวดสามเฟสพิกัดที่ 36 kV/2 kA (การออกแบบ

"อบอุ่น"

อิเล็กทริก,

ระบายความร้อนด้วยไนโตรเจนเหลวภายใต้ความกดดัน ค่าวิกฤตถึง 2.7 kA ต่อเฟส (T=79K)) ขณะเดียวกันก็ให้ความสนใจเป็นพิเศษ

ได้รับ

การพัฒนา

ตัวนำ

กม. ของเทปที่ใช้ Bi-2223) อุปกรณ์ปลายทางรวมถึงมัน

การเชื่อมต่อ.

ถูกวาง

สถานีย่อยบนเกาะ Amager (ทางตอนใต้ของโคเปนเฮเกน) ซึ่งจ่ายไฟฟ้าให้กับผู้บริโภค 50,000 คนรวมถึง

แสงสว่าง

เครือข่าย (กำลังหม้อแปลงเอาท์พุต 100 MVA) สายการผลิตยิ่งยวดยาวสามสิบเมตรเริ่มทำงานในวันที่ 28 พฤษภาคม พ.ศ. 2544 ขั้นแรกให้เปิดสายเคเบิลตัวนำยิ่งยวดขนานกับสายปกติและต่อมาก็ทำงาน "เพียงอย่างเดียว" และค่าเล็กน้อยคือ 2 kA การสูญเสียน้อยกว่า 1 W/m (อุณหภูมิในการทำงานอยู่ระหว่าง 74- 84K) สายเคเบิลส่งพลังงาน 50% ของพลังงานทั้งหมดของสถานีย่อยและแทนที่สายทองแดงด้วยหน้าตัดแกนรวม 2,000 มม. 2 ภายในเดือนพฤษภาคม พ.ศ. 2545 สายเคเบิลดังกล่าวใช้งานได้เป็นเวลา 1 ปีในขณะที่อยู่ในสถานะแช่แข็ง ในช่วงเวลานี้เขา "จัดหา" ไฟฟ้า 101 MWh ให้กับชาวเดนมาร์ก 25,000 คนซึ่งเป็นเจ้าของบ้านส่วนตัว ไม่มีการเปลี่ยนแปลงคุณลักษณะของสายเคเบิล ระบบไครโอเจนิกทั้งหมดทำงานได้อย่างเสถียร นอกจากโครงการเดนมาร์กแล้ว โครงการทั่วยุโรปยังน่าสนใจอีกด้วย

เพื่อสร้างการเชื่อมต่อระหว่างระบบ - สายตัวนำยิ่งยวดสามเฟสพิเศษยาว 200 ม. ซึ่งออกแบบมาสำหรับ 20 kV/28 kA

เพื่อนำไปปฏิบัติจัด

สมาคม,

เน็กแซนส์ (เยอรมนี)

(ฝรั่งเศส),

(เบลเยียม),

ผู้เชี่ยวชาญ

เกิตทิงเกน

ตัมเปเร (มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีตัมเปเร) ในบรรดาผู้ผลิตสายเคเบิลตัวนำยิ่งยวดในยุโรป Pirelli Cavi e Sistemi มีความโดดเด่น การผลิตของมัน

พลัง

อนุญาต

ปล่อย

กิโลเมตรของตัวนำยิ่งยวดต่อปี เหตุการณ์สำคัญ-การผลิต

ยี่สิบเมตร

ตัวนำยิ่งยวดโคแอกเซียล

(ออกแบบ

อิเล็กทริก "เย็น") ออกแบบมาสำหรับ 225 kV Pirelli ร่วมกับผู้เชี่ยวชาญชาวอเมริกัน (Edison และ CESI) เข้าร่วม

การสร้าง

สายเคเบิลต้นแบบความยาว 30 เมตร ที่ 132 kV/3 kA (พ.ศ. 2542-2546) การเปลี่ยนจากสายเคเบิลไปเป็นอุปกรณ์ไฟฟ้าขนาดใหญ่ - หม้อแปลง เราสังเกตว่าพลังงานทั้งหมดที่สูญเสียไประหว่างการส่งพลังงานคิดเป็น 50-65% คาดว่าด้วยการเปิดตัวหม้อแปลงตัวนำยิ่งยวด

จะลดลง

เข้าถึง

หม้อแปลงตัวนำยิ่งยวดจะสามารถแข่งขันกับหม้อแปลงทั่วไปได้สำเร็จก็ต่อเมื่อความสัมพันธ์ (P s /k) เป็นที่พอใจ< P c , где Р с - потери в обычном трансформаторе, P s - потери

ตัวนำยิ่งยวด

หม้อแปลงไฟฟ้า

อุณหภูมิในการทำงาน) k คือสัมประสิทธิ์การทำความเย็นของตู้เย็น เทคโนโลยีสมัยใหม่ โดยเฉพาะอย่างยิ่งไครโอเจนิกส์ ทำให้สามารถตอบสนองข้อกำหนดนี้ได้ ในยุโรป มีการผลิตต้นแบบแรกของหม้อแปลงสามเฟส (630 kVA; 18.7 kV/420 V) ที่ใช้ตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูงโดยเป็นส่วนหนึ่งของข้อต่อ

ฝรั่งเศส) อเมริกัน

de Geneve) และนำไปใช้งานในเดือนมีนาคม พ.ศ. 2540 - รวมอยู่ในเครือข่ายไฟฟ้าของเจนีวาซึ่งใช้งานได้นานกว่าหนึ่งปี

การให้

พลังงาน

ขดลวดหม้อแปลง

สมบูรณ์

ลวด

อิงตาม Bi-2223

แช่เย็น

แกนหม้อแปลงอยู่ที่อุณหภูมิห้อง พบว่าการสูญเสียค่อนข้างสูง (3 W ต่อ 1 kA m) เนื่องจากการออกแบบตัวนำไฟฟ้าไม่ได้รับการปรับให้เหมาะกับการใช้ไฟฟ้ากระแสสลับ

โครงการที่สองของผู้เข้าร่วมคนเดียวกัน - ABB, EdF และ ASC - คือหม้อแปลงไฟฟ้า 10 MVA (63 kV/21 kV) ซึ่งในปี 2544 ผ่านการทดสอบในห้องปฏิบัติการอย่างเต็มรูปแบบ และรวมอยู่ในระบบไฟฟ้าของฝรั่งเศสในปี 2545 ผู้เชี่ยวชาญของ ABB เน้นย้ำอีกครั้งว่าตอนนี้หลักๆ แล้ว

ปัญหา

การพัฒนา

ประหยัด

อุปกรณ์ตัวนำยิ่งยวดโดยเฉพาะหม้อแปลงไฟฟ้าคือการมีสายไฟที่มีการสูญเสียต่ำและสูง

วิกฤต

ความหนาแน่น

แม่เหล็ก

สนามที่เกิดจากขดลวด สายไฟต้องมีฟังก์ชันจำกัดกระแสด้วย ในญี่ปุ่น (Fuji Electric, KEPCO ฯลฯ) พวกเขาได้สร้างต้นแบบของหม้อแปลงตัวนำยิ่งยวดขนาด 1 MVA (22 kV (45.5 A) / 6.9 kV (145 A)) ซึ่งรวมอยู่ในเครือข่ายของบริษัทไฟฟ้าในเดือนมิถุนายน 2000 คิวชู ใน

สุดท้าย

ตั้งอยู่

การพัฒนา

(มหาวิทยาลัยคิวชู

(โตเกียว))หม้อแปลงไฟฟ้า

ซึ่งมีจุดมุ่งหมาย

การติดตั้ง

รถยนต์ไฟฟ้า

องค์ประกอบ. การคำนวณเบื้องต้นระบุว่ามวลของมันควรจะน้อยกว่าของหม้อแปลงธรรมดาที่มีกำลังเท่ากันถึง 20%

หม้อแปลงตัวนำยิ่งยวดขนาด 1 MVA ได้รับการสาธิตในสหรัฐอเมริกาอย่างประสบความสำเร็จ และเริ่มดำเนินการแล้ว

อุปกรณ์

พลัง

วอคิชา อิเล็คทริค

และไฟฟ้า เช่นเดียวกับ ORNL) ผู้เชี่ยวชาญชาวเยอรมัน (ซีเมนส์) ได้สร้างต้นแบบหม้อแปลงไฟฟ้า

ทัศนคติ

การพัฒนาอุปกรณ์สำหรับ 5-10 MVA) พร้อมขดลวดที่ใช้ Bi-2223 ซึ่งสามารถติดตั้งบนตู้รถไฟไฟฟ้า

ออกแบบ

สำหรับคนธรรมดา

หม้อแปลงไฟฟ้า

หม้อแปลงตัวนำยิ่งยวดมีขนาดเล็กกว่าหม้อแปลงทั่วไปถึง 35% และประสิทธิภาพถึง 99% การคำนวณแสดงให้เห็นว่าการใช้งานจะช่วยประหยัดได้มากถึง 4 กิโลวัตต์ต่อขบวน และลดการปล่อย CO 2 ลงได้ 2,200 ตันต่อปีต่อขบวน สถานการณ์มีความซับซ้อนมากขึ้นด้วยเครื่องจักรไฟฟ้าแบบซิงโครนัสที่ใช้ตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูง

เป็นที่ทราบกันว่ากำลังธรรมดานั้นแปรผันตามปริมาตร V; ไม่ยากเลยที่จะแสดงให้เห็นว่ากำลังของเครื่องตัวนำยิ่งยวดนั้นแปรผันกับ V 5/3 ดังนั้นการเพิ่มขนาดในการลดขนาดจะเกิดขึ้นเฉพาะกับเครื่องจักรกำลังสูงเท่านั้น

ตัวอย่างเช่น,

เครื่องกำเนิดไฟฟ้า

เรือ

เครื่องยนต์

คาดว่าจะมีการนำเทคโนโลยีตัวนำยิ่งยวดมาใช้ (รูปที่ 1)

เป็นพยาน

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าขนาด 100 เมกะวัตต์ต้องการตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูงซึ่งมีความหนาแน่นกระแสวิกฤตเท่ากับ 4.5 10 4 A/cm 2 ในสนามแม่เหล็ก 5 เทสลา ในขณะเดียวกัน คุณสมบัติทางกลและราคาควรเทียบเคียงได้กับ Nb 3 Sn น่าเสียดายที่ยังไม่ใช่

มีอยู่จริง

อุณหภูมิสูง

ตัวนำยิ่งยวดที่ตรงตามเงื่อนไขเหล่านี้อย่างสมบูรณ์ กับ

ต่ำ

กิจกรรมอเมริกัน

ยุโรป

ญี่ปุ่น

พื้นที่นี้. หนึ่งในนั้นคือการสาธิตที่ประสบความสำเร็จ

ด้วยกัน

กับ Rockwell Automation/Reliance Electric (พันธมิตรดังที่กล่าวไปแล้ว

ซิงโครนัส

เครื่องยนต์

ที่ 746 กิโลวัตต์ และการพัฒนาต่อยอดเครื่องจักรที่ 3,730 กิโลวัตต์

ผู้เชี่ยวชาญ

ออกแบบ

เครื่องยนต์

เครื่องกำเนิดไฟฟ้า

ในประเทศเยอรมนี ซีเมนส์นำเสนอมอเตอร์ซิงโครนัสขนาด 380 กิโลวัตต์ที่ใช้ตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูง

ฟินแลนด์

ทดสอบแล้ว

เครื่องซิงโครนัสสี่ขั้ว 1.5 kW พร้อมขดลวดรางทำจากลวดที่ใช้ Bi-2223 อุณหภูมิในการทำงานคือ 20K นอกจากนี้ยังมีการใช้งานอื่นๆ อีกมากมายของตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูงในวิศวกรรมไฟฟ้า

เซรามิกส์

ตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูงสามารถใช้สร้างตลับลูกปืนแม่เหล็กแบบพาสซีฟสำหรับมอเตอร์ความเร็วสูงขนาดเล็ก เช่น ปั๊มสำหรับก๊าซเหลว

เมื่อไม่นานมานี้ มีการสาธิตการทำงานของเครื่องยนต์ดังกล่าวที่ 12,000 รอบต่อนาทีในประเทศเยอรมนี ชุดฮิสเทรีซิสเป็นส่วนหนึ่งของโครงการร่วมรัสเซีย-เยอรมัน

เครื่องยนต์

(พลัง

"กิจกรรม"

ตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูง - อุปกรณ์ที่จำกัดการลัดวงจรให้มีค่าระบุ เซรามิกถือเป็นวัสดุที่เหมาะสมที่สุดสำหรับตัวจำกัดตัวนำยิ่งยวด

และการพัฒนา

อุปกรณ์

ขั้นพื้นฐาน

วิศวกรรมไฟฟ้า

บริเตนใหญ่,

เยอรมนี ฝรั่งเศส สวิตเซอร์แลนด์ สหรัฐอเมริกา ญี่ปุ่น และประเทศอื่นๆ หนึ่งในโมเดลแรกๆ (โดย ABB) เป็นตัวจำกัดประเภทอุปนัยสำหรับ 10.5 kV/1.2 MVA โดยมีองค์ประกอบ Bi-2212 วางอยู่ในไครโอสแตท บริษัท เดียวกันนี้ได้เปิดตัวต้นแบบขนาดกะทัดรัด - ตัวจำกัดประเภทตัวต้านทาน 1.6 MVA ซึ่งมีขนาดเล็กกว่ารุ่นแรกอย่างมาก ในระหว่างการทดสอบ 13.2 kA ถูกจำกัดไว้ที่ 4.3 kA ในจุดสูงสุดแรก เนื่องจากการให้ความร้อน 1.4 kA จึงถูกจำกัดที่ 20 ms และ 1 kA ที่ 50 ms

ออกแบบ

ตัวจำกัด

เป็น

มม. (น้ำหนัก 50 กก.) ช่องถูกตัดเข้าไปซึ่งทำให้คุณมี

เทียบเท่า

ตัวนำยิ่งยวด

ม. ถัดไป

ต้นแบบ

ที่ 6.4 MVA คุณสามารถสร้างตัวจำกัดขนาด 10 MVA ได้แล้ว และคาดว่าจะมีการเปิดตัวตัวจำกัดเชิงพาณิชย์ประเภทนี้ในอนาคตอันใกล้นี้ เป้าหมายต่อไปของ ABB คือเครื่องจำกัดขนาด 100 MVA ผู้เชี่ยวชาญของ Siemens ทดสอบอุปนัย

ข้อจำกัด:

หม้อแปลงไฟฟ้า

ป้องกันแกนเหล็กด้วยขดลวดตัวนำยิ่งยวดและตัวเลือกที่สอง - ตัวนำยิ่งยวดทำในรูปแบบของทรงกระบอกโดยมีขดลวดทองแดงพันอยู่ อยู่ที่ขีดจำกัด

ความต้านทาน

โอห์มมิก

ส่วนประกอบอุปนัย เนื่องจากอาจเกิดความร้อนสูงเกินไปในพื้นที่ที่มีการลัดวงจร จะต้องปิดเครื่องโดยเร็วที่สุดโดยใช้สวิตช์ทั่วไป

กลับ

ตัวนำยิ่งยวด

สถานะ

หลาย

สิบวินาที หลังจากนั้นเครื่องจ�ากัดก็พร้อมท�างาน ใน

ไกลออกไป

ต้านทาน

ลิมิตเตอร์,

ตัวนำยิ่งยวดเชื่อมต่อโดยตรงกับเครือข่ายและสูญเสียความเป็นตัวนำยิ่งยวดอย่างรวดเร็วทันทีที่เกิดไฟฟ้าลัดวงจร

จะเกิน

วิกฤต

ความหมาย.

การให้ความร้อนแก่ตัวนำยิ่งยวดสวิตช์ทางกลจะต้องแตก

หลาย

ครึ่งรอบ; ระบายความร้อน

ตัวนำยิ่งยวด

โอกาสในการขาย

ไปสู่สถานะตัวนำยิ่งยวด เวลาส่งคืนของลิมิตเตอร์คือ 1-2 วินาที

แบบจำลองเฟสเดียวของตัว จำกัด ดังกล่าวที่มีกำลัง 100 kVA ได้รับการทดสอบที่แรงดันไฟฟ้า 6 kV ที่กระแสไฟพิกัด 100 A เป็นไปได้

สั้น

ลัดวงจร,

kA ถูกจำกัดไว้ที่ 300 A ในเวลาน้อยกว่า 1 ms ซีเมนส์ยังได้สาธิตเครื่องจำกัดขนาด 1 MVA ที่จุดยืนในกรุงเบอร์ลิน โดยมีการวางแผนต้นแบบขนาด 12 MVA ไว้ด้วย ในสหรัฐอเมริกาตัว จำกัด ตัวแรก - มีอุปนัยอิเล็กทรอนิกส์

ที่พัฒนา

บริษัท General Atomic, Intermagnetics General Corp. และอื่นๆ เมื่อสิบปีที่แล้ว มีการติดตั้งเครื่องจำกัดกระแสไฟฟ้าเป็นตัวอย่างสาธิตที่ศูนย์ทดสอบ Norwalk ของ Southern California Edison ที่กระแสไฟพิกัด 100 A การลัดวงจรสูงสุดที่เป็นไปได้ที่ 3 kA ถูกจำกัดไว้ที่ 1.79 kA ในปี 1999 อุปกรณ์ 15 kV ที่มีกระแสไฟทำงาน 1.2 kA ได้รับการออกแบบเพื่อจำกัดกระแสไฟฟ้าลัดวงจรที่ 20 kA ให้มีค่า 4 kA ในฝรั่งเศส ผู้เชี่ยวชาญจาก GEC Alsthom, Electricite de France และบริษัทอื่นๆ ทดสอบตัวจำกัด 40 kV โดยช่วยลดไฟฟ้าลัดวงจรจาก 14 kA (ค่าเริ่มต้นก่อนเกิดไฟฟ้าลัดวงจรคือ 315 A) เหลือ 1 kA ในเวลาไม่กี่ไมโครวินาที ไฟฟ้าลัดวงจรที่เหลือถูกปิดภายใน 20 มิลลิวินาทีโดยใช้สวิตช์ทั่วไป ตัวเลือกลิมิตเตอร์ได้รับการออกแบบสำหรับ 50 และ 60 Hz ในสหราชอาณาจักร VA TECH ELIN Reyrolle ได้พัฒนาลิมิตเตอร์ประเภทไฮบริด (ตัวต้านทาน-อินดัคทีฟ) ซึ่งในระหว่างการทดสอบแบบตั้งโต๊ะ (11 kV, 400 A) จะช่วยลดการลัดวงจรจาก 13 kA เป็น 4.5 kA ในเวลาเดียวกัน เวลาตอบสนองของตัวจำกัดน้อยกว่า 5 มิลลิวินาที จุดสูงสุดแรกถูกจำกัดแล้ว เวลาการทำงานของลิมิตเตอร์ 100 ms ลิมิตเตอร์ (สามเฟส) ประกอบด้วยแท่ง Bi-2212 จำนวน 144 แท่งและมีขนาด 1 x 1.5 x 2 ม.

ในญี่ปุ่น ตัวจำกัดกระแสตัวนำยิ่งยวดถูกผลิตร่วมกันโดยโตชิบาและเทปโก - ประเภทอุปนัย 2.4 MVA; ประกอบด้วยองค์ประกอบเซรามิกแข็ง Bi-2212 โครงการที่ระบุไว้ทั้งหมดเป็นตัวอย่างของ "ช่วงเริ่มต้น" ซึ่งมีวัตถุประสงค์เพื่อสาธิต

ความเป็นไปได้

ตัวนำยิ่งยวด

เทคโนโลยีซึ่งมีความสำคัญต่ออุตสาหกรรมพลังงานไฟฟ้าแต่ก็ยังคงเป็นเช่นนั้น

ดังนั้น

ตัวแทน,

เพื่อที่คุณจะได้

ทันที

การดำเนินการทางอุตสาหกรรมและการตลาดที่ประสบความสำเร็จ เหตุผลแรกสำหรับข้อควรระวังนี้คือตัวนำ Bi-Sr-Ca-Cu-O ยังอยู่ระหว่างการพัฒนาและกำลังอยู่ในระหว่างการผลิต

วิกฤต

ความหนาแน่น

ระดับ 30 kA/cm 2 ความยาวประมาณ 1 กิโลเมตรเท่านั้น การปรับปรุงตัวนำเหล่านี้เพิ่มเติม (การเพิ่มการปักหมุด การเพิ่มความหนาแน่นของแกนกลาง การนำสิ่งกีดขวางรอบตัว ฯลฯ) ควรทำให้ J c เพิ่มขึ้นเป็น 100 kA/cm 2 หรือมากกว่า

จำเป็น

ความก้าวหน้าในเทคโนโลยีตัวนำยิ่งยวดและกระตุ้นการพัฒนาสิ่งใหม่

การออกแบบ

อุปกรณ์

ความหวังบางอย่างยังเกี่ยวข้องกับความสำเร็จในการได้รับตัวนำที่มีการเคลือบตัวนำยิ่งยวด (นี่คือสายไฟตัวนำยิ่งยวดรุ่นต่อไป) ซึ่งมี J c สูงกว่าอย่างเห็นได้ชัดในสนามแม่เหล็กสูงถึงหลายเทสลา ที่นี่เป็นไปได้ที่จะผลิตเทปตัวนำยิ่งยวดที่สามารถรับกระแส 1 kA ด้วยต้นทุนการผลิตที่สมเหตุสมผล ในสหรัฐอเมริกาเทปเหล่านี้

กำลังได้รับการพัฒนา

เทคโนโลยีการเคลือบไมโคร

ความเป็นตัวนำยิ่งยวด

เทคโนโลยีสารตัวนำยิ่งยวดของอ็อกซ์ฟอร์ด

เหตุผลที่สองอยู่ที่ความจริงที่ว่าปัญหาของมาตรฐานของตัวนำ Bi-Sr-Ca-Cu-O และกรอบการกำกับดูแลที่จำเป็นสำหรับการใช้งานในด้านการส่งและจำหน่ายไฟฟ้ายังไม่ได้รับการพัฒนาอย่างเพียงพอ โดยทั่วไปแล้ว มาตรฐานจะให้คำแนะนำสำหรับการดำเนินการทางเครื่องกล ความร้อน และไฟฟ้า

การทดสอบ

วัสดุ

อุปกรณ์.

เนื่องจากอุปกรณ์ตัวนำยิ่งยวดต้องใช้ระบบไครโอเจนิกส์ จึงจำเป็นต้องระบุอุปกรณ์เหล่านั้นด้วย ดังนั้น ก่อนที่จะแนะนำความเป็นตัวนำยิ่งยวดในอุตสาหกรรมพลังงานไฟฟ้า จำเป็นต้องสร้างระบบมาตรฐานทั้งหมด: ต้องรับประกันความน่าเชื่อถือสูงของผลิตภัณฑ์ตัวนำยิ่งยวดทั้งหมด (รูปที่ 2)

กำลังดำเนินการอยู่

เหตุการณ์ต่างๆ

ในทิศทางนี้ กลุ่มผู้เชี่ยวชาญเจ็ดกลุ่มจากสี่ประเทศในยุโรปรวมตัวกันในโครงการร่วม Q-SECRETS (ได้รับเงินอุดหนุนจากสหภาพยุโรป) ในการตรวจสอบคุณภาพ

ตัวนำยิ่งยวด

มีประสิทธิภาพ,

กะทัดรัด

มีความน่าเชื่อถือสูง

การส่งกำลัง

เป้าหมายหลักประการหนึ่งของโครงการคือการช่วยสร้าง

การขยาย

"ตัวนำยิ่งยวด"

ในตลาดการส่งและจำหน่ายไฟฟ้า ใน

บทสรุป

เครื่องหมาย,

ถึงอย่างไรก็ตาม

สำหรับคนตัวใหญ่

ศักยภาพ

ความเป็นไปได้

การใช้อุณหภูมิสูง

ตัวนำยิ่งยวด

อุตสาหกรรมพลังงาน จำเป็นต้องมีความพยายามในการวิจัยและพัฒนาที่สำคัญเพื่อทำให้ผลิตภัณฑ์ตัวนำยิ่งยวดสามารถทำงานได้ในระบบเศรษฐกิจตลาดสมัยใหม่ ในเวลาเดียวกัน การประมาณการสำหรับอนาคตอันใกล้นี้ให้เหตุผลในการมองโลกในแง่ดี

ไม่นานมานี้ ปรากฏการณ์ของตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูง (HTSC) เป็นที่สนใจของนักวิทยาศาสตร์เท่านั้น อย่างไรก็ตาม ในปัจจุบันผลิตภัณฑ์ที่ทำกำไรในเชิงพาณิชย์ที่ใช้ HTSC รวมถึงผลิตภัณฑ์ที่ผลิตในรัสเซียกำลังเข้าสู่ตลาดสำหรับอุปกรณ์ไฟฟ้ากำลัง HTSC สามารถสร้างความก้าวหน้าในเทคโนโลยีการส่งกำลัง

HTSC ไม่ร้อนเลย

ในตอนต้นของศตวรรษที่ 20 มีการค้นพบว่าโลหะและโลหะผสมจำนวนหนึ่งมีลักษณะเป็นตัวนำยิ่งยวด กล่าวคือ ความสามารถในการมีความต้านทานเป็นศูนย์ที่อุณหภูมิใกล้กับศูนย์สัมบูรณ์ (ประมาณ -270°C) เป็นเวลานานที่ตัวนำยิ่งยวดสามารถใช้ได้ที่อุณหภูมิฮีเลียมเหลวเท่านั้นซึ่งทำให้สามารถสร้างอุปกรณ์เร่งความเร็วได้ และเสียงสะท้อนแม่เหล็กเอกซเรย์

ในปี 1986 ตัวนำยิ่งยวดถูกค้นพบที่อุณหภูมิประมาณ 30K ซึ่งได้รับรางวัลโนเบล และในช่วงต้นทศวรรษ 1990 มีความเป็นไปได้ที่จะบรรลุความเป็นตัวนำยิ่งยวดที่ 138K ไม่ใช่โลหะ แต่มีการใช้สารประกอบออกไซด์เป็นตัวนำยิ่งยวด
วัสดุเซรามิกที่มีความต้านทานเป็นศูนย์ที่อุณหภูมิสูงกว่าอุณหภูมิของไนโตรเจนเหลว (77 K) เรียกว่าตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูง (HTSC) อย่างไรก็ตาม หากเราแปลงเคลวินเป็นองศาเซลเซียสซึ่งเราคุ้นเคยมากกว่า เราจะเข้าใจว่าเรากำลังพูดถึงอุณหภูมิที่ไม่สูงเกินไป เช่น ประมาณลบ 169–200 ° C แม้แต่ฤดูหนาวที่รุนแรงของรัสเซียก็ไม่สามารถให้เงื่อนไขดังกล่าวได้

จิตใจของนักวิจัยรู้สึกตื่นเต้นกับแนวคิดในการหาวัสดุที่สามารถถ่ายโอนได้ ไปจนถึงตัวนำยิ่งยวดสถานะที่อุณหภูมิห้อง (293K) ตามทฤษฎีแล้ว มีความเป็นไปได้เช่นนี้อยู่ ตามรายงานบางฉบับ พบว่ามีการตรวจพบคุณสมบัติตัวนำยิ่งยวดแม้ในเม็ดกราไฟท์แต่ละเม็ดหลังการดูแลเป็นพิเศษ ปัจจุบัน การค้นหาตัวนำยิ่งยวด "อุณหภูมิห้อง" (RTSC) ถือเป็นงานวิจัยหลักชิ้นหนึ่งในสาขานาโนเทคโนโลยี อย่างไรก็ตาม ไม่เพียงแต่การใช้งานจริงเท่านั้น แต่ยังรวมถึงการยืนยันการทดลองที่เชื่อถือได้ของ CTSC ยังคงเป็นคำถามสำหรับวันพรุ่งนี้ อุตสาหกรรมพลังงานไฟฟ้าในปัจจุบันกำลังเชี่ยวชาญการใช้ตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูง

อุปกรณ์ที่ใช้ความเป็นตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูงจำเป็นต้องทำให้เย็นลงด้วยไนโตรเจนเหลว ตามที่ผู้เชี่ยวชาญในอุตสาหกรรมระบุว่า สารทำความเย็นชนิดนี้มีราคาค่อนข้างถูกและสะดวกสบาย โดยให้อุณหภูมิ 77K และช่วยให้สามารถดำเนินโครงการเชิงปฏิบัติได้

ประโยชน์ของการนำยิ่งยวด

ตัวนำยิ่งยวดสามารถเป็นได้ (และกำลังถูกใช้อยู่แล้ว) ในหลากหลายสาขา ถูกใช้ครั้งแรกเพื่อสร้างแม่เหล็กสนามสูง ด้วยความช่วยเหลือของตัวนำยิ่งยวด ทำให้สามารถลอยตัวด้วยแม่เหล็กได้ ช่วยให้รถไฟความเร็วสูงเคลื่อนที่ได้อย่างราบรื่น ปราศจากเสียงรบกวนหรือแรงเสียดทาน กำลังสร้างมอเตอร์ไฟฟ้า HTSC สำหรับเรือ และอุตสาหกรรมซึ่งมีพารามิเตอร์น้ำหนักและขนาดที่เล็กกว่ามากและมีกำลังเท่ากัน ความเป็นตัวนำยิ่งยวดนั้นน่าสนใจจากมุมมองของไมโครอิเล็กทรอนิกส์และเทคโนโลยีคอมพิวเตอร์ ตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิต่ำถูกนำมาใช้ในอุปกรณ์วินิจฉัยทางการแพทย์ (เครื่องเอกซเรย์) และแม้แต่ในโครงการ "วิทยาศาสตร์ขนาดใหญ่" ที่แปลกใหม่ เช่น Large Hadron Collider และ International Thermonuclear Reactor

การนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูงมีความเกี่ยวข้องกับความหวังในการเอาชนะภาวะที่กลืนไม่เข้าคายไม่ออกด้านพลังงานทั่วโลกที่เกี่ยวข้อง ในด้านหนึ่งด้วยการใช้พลังงานที่เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องในปัจจุบันและอนาคต และในทางกลับกัน มีความจำเป็นลดการปล่อยก๊าซคาร์บอนอย่างรุนแรงเพื่อป้องกันการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ โดยพื้นฐานแล้ว HTSC ได้นำอุปกรณ์ตามปกติสำหรับการผลิตและส่งกระแสไฟฟ้าออกมา บนหลักการระดับใหม่ในแง่ของประสิทธิภาพ

การใช้งานตัวนำยิ่งยวดที่ชัดเจนที่สุดประการหนึ่งคือการส่งกระแสไฟฟ้า สายเคเบิล HTS สามารถส่งกำลังที่สำคัญโดยมีส่วนตัดขวางขั้นต่ำ กล่าวคือ มีความสามารถในการรับส่งข้อมูลที่แตกต่างจากสายเคเบิลแบบเดิม เมื่อกระแสไหลผ่านตัวนำยิ่งยวด จะไม่มีการสร้างความร้อนและแทบไม่มีการสูญเสีย ซึ่งจะช่วยแก้ปัญหาหลักของเครือข่ายการกระจาย

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าต้องขอบคุณขดลวด ทำจากตัวนำยิ่งยวดวัสดุที่ให้สนามแม่เหล็กขนาดใหญ่มีพลังมากขึ้น ตัวอย่างเช่น ข้อกังวลของซีเมนส์ได้สร้างเครื่องกำเนิดไฟฟ้า HTSC สามเครื่องที่มีกำลังสูงถึง 4 เมกะวัตต์ เครื่องนี้เบากว่าและเล็กกว่าสองเท่าเมื่อเทียบกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าทั่วไปที่มีกำลังเท่ากัน นอกจากนี้ เครื่องกำเนิด HTSC ยังแสดงความเสถียรของแรงดันไฟฟ้าที่มากขึ้นเมื่อโหลดเปลี่ยนแปลง และประสิทธิภาพที่ดีขึ้นในแง่ของการใช้พลังงานปฏิกิริยา

ปัจจุบัน โลกกำลังพัฒนาเครื่องกำเนิดลมอย่างแข็งขันโดยอาศัยตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูง โดยใช้ขดลวด HTSC ช่วยให้สามารถสร้างเครื่องกำเนิดไฟฟ้า HTSC ขนาด 10 เมกะวัตต์ ซึ่งจะเบากว่าเครื่องทั่วไปถึง 2-4 เท่า

พื้นที่ที่มีแนวโน้มสำหรับการใช้งานตัวนำยิ่งยวดอย่างแพร่หลายคืออุปกรณ์กักเก็บพลังงานซึ่งมีบทบาทอย่างมากจากมุมมองของการพัฒนาระบบพลังงานสมัยใหม่โดยใช้แหล่งพลังงานหมุนเวียน แม้แต่อุปกรณ์ไฟฟ้าที่คุ้นเคย เช่น หม้อแปลง ก็ยังมีคุณสมบัติใหม่เชิงคุณภาพด้วย HTSC

ตัวนำยิ่งยวดทำให้สามารถสร้างอุปกรณ์ที่ผิดปกติเช่นตัว จำกัด กระแสลัดวงจรซึ่งจะ จำกัด กระแสไฟฟ้าโดยอัตโนมัติในระหว่างการลัดวงจร และโดยอัตโนมัติเปิดเมื่อถอดไฟฟ้าลัดวงจรแล้ว

เทปรุ่นที่สอง

แนวคิดที่น่าหวังใดต่อไปนี้ได้ถูกนำไปปฏิบัติแล้ว และโดยความพยายามของใคร? ประการแรกควรสังเกตว่าในปัจจุบันตลาดมีตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูงรุ่นแรกและรุ่นที่สอง (HTSC-1 และ HTSC-2) ในแง่ของปริมาณผลิตภัณฑ์ที่ผลิตจนถึงปัจจุบัน VTSP-1 ยังคงชนะ แต่สำหรับผู้เชี่ยวชาญเห็นได้ชัดว่าในอนาคต สำหรับตัวนำยิ่งยวดรุ่นที่สอง. เนื่องจากในการออกแบบตัวนำยิ่งยวด HTSC-2 มากกว่า 70% เป็นเมทริกซ์ที่ทำจากเงิน

บริษัท รัสเซียรายใหญ่แห่งหนึ่งที่ทำงานเกี่ยวกับตัวนำยิ่งยวดรุ่นที่สองคือ SuperOx CJSC มีต้นกำเนิดภายในผนังของ Lomonosov Moscow State University ซึ่งกลุ่มวิทยาศาสตร์จากคณะเคมีทำงานเกี่ยวกับเทคโนโลยีการสะสมของฟิล์มบางของตัวนำยิ่งยวด ในปี 2549 จากความรู้ที่สั่งสมมา จึงมีการเปิดตัวโครงการเชิงพาณิชย์เพื่อสร้างการผลิตสายไฟ HTSC รุ่นที่ 2 ในประเทศ

ในปี 2011 ขอบเขตความสนใจของ SuperOx ได้รับการขยายผ่านความร่วมมืออย่างใกล้ชิดกับบริษัท SuperOx Japan LLC ที่เพิ่งก่อตั้งขึ้นใหม่ มีการสร้างสายการผลิตนำร่องซึ่งช่วยให้สามารถผลิตลวด HTSC ที่มีกระแสไฟฟ้าวิกฤตที่ความกว้างสูงสุด 500 A/cm ตั้งแต่ปี 2011 บริษัท SuperOx-Innovations ยังได้อาศัยอยู่ใน Skolkovo ซึ่งดำเนินการวิจัยประยุกต์ที่มุ่งเพิ่มประสิทธิภาพคุณลักษณะทางเทคนิคของเทป HTSC รุ่นที่สอง และพัฒนาเทคโนโลยีต่างๆ สำหรับการผลิตวัสดุเหล่านี้ ในปี 2013 มีการเปิดตัวการผลิตเทป VTSP-2 ในสวนเทคโนโลยี Moscow Slava

“ผลิตภัณฑ์ของเรา ซึ่งเป็นเทปตัวนำยิ่งยวดรุ่นที่สอง เป็นซับสเตรตที่ทำจากสแตนเลสชนิดพิเศษ ทนทานต่ออุณหภูมิสูง ซึ่งต่อมาจะไม่สูญเสียคุณสมบัติเชิงกลเมื่อใช้ฟิล์มบาง” Vadim Amelichev ผู้เชี่ยวชาญชั้นนำของ SuperOx JSC กล่าว - โดยใช้วิธีการพิเศษ ชั้นบัฟเฟอร์ออกไซด์จะถูกนำไปใช้กับสารตั้งต้นนี้ และใช้ฟิล์มของแกโดลิเนียม-แบเรียมคัพเรตเป็นชั้นการทำงาน โครงสร้างนี้จะถูกเคลือบด้วยเงินหรือทองแดงบางๆ แล้วนำไปใช้เช่นนี้ ในตัวนำยิ่งยวดอุปกรณ์

วัสดุนี้มีความหนาของฟิล์มเพียงหนึ่งหรือสองไมครอน มีความสามารถในการจ่ายกระแสไฟฟ้าประมาณ 500 A ต่อพื้นที่หน้าตัด 1 มม.² ซึ่งมากกว่าสายเคเบิลทองแดงทั่วไปหลายร้อยเท่า ดังนั้น เทปนี้จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานที่ต้องการกระแสไฟฟ้าสูง สายเคเบิลสำหรับกระแสสูง แม่เหล็กสำหรับสนามสูงเป็นพื้นที่หลักในการใช้งาน”

SuperOx มีวงจรการผลิตเต็มรูปแบบสำหรับเทป VTSP-2 การขายผลิตภัณฑ์ที่เป็นนวัตกรรมนี้เริ่มต้นในปี 2555 และตอนนี้วัสดุดังกล่าวไม่ได้จำหน่ายเฉพาะในรัสเซียเท่านั้น แต่ยังจำหน่ายด้วย และส่งออกไปยัง 9 ประเทศ ได้แก่ สหภาพยุโรป ญี่ปุ่น ไต้หวัน และนิวซีแลนด์
“ในโลกนี้มีผู้ผลิตเทป VTSP-2 ไม่มากนัก” Vadim Amelichev อธิบาย - มีบริษัทอเมริกันอยู่ 2 บริษัท คือบริษัทในเกาหลีใต้และญี่ปุ่น ในยุโรป ไม่มีใครผลิตเทปดังกล่าวในระดับอุตสาหกรรมนอกจากเรา เทปของเราได้รับการทดสอบในศูนย์วิจัยหลายแห่งและยืนยันความสามารถในการแข่งขัน ลักษณะของมัน”

พัฒนาอุตสาหกรรมใหม่

“แม้ว่าข้อเท็จจริงที่ว่าตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูงจะปรากฏขึ้นเมื่อไม่นานมานี้ แต่คำถามเกี่ยวกับการประยุกต์ในเทคโนโลยีก็กำลังได้รับการศึกษาอย่างเข้มข้น ในเทคโนโลยีประเทศที่พัฒนาแล้วของโลก” Viktor Pantyrny ดุษฎีบัณฑิตสาขาวิทยาศาสตร์เทคนิค สมาชิกเต็มของ AES ของสหพันธรัฐรัสเซีย ผู้อำนวยการฝ่ายพัฒนาของ Russian Superconductor JSC กล่าว “ในประเทศของเรา ภายใต้กรอบของคณะกรรมาธิการภายใต้ประธานาธิบดีแห่งรัสเซีย สหพันธ์เพื่อความทันสมัย และเทคโนโลยีสำหรับการพัฒนาเศรษฐกิจรัสเซีย โครงการ "อุตสาหกรรมตัวนำยิ่งยวด" ได้ริเริ่มขึ้นโดยเป็นส่วนหนึ่งของโครงการ "พลังงานนวัตกรรม" ในพื้นที่ลำดับความสำคัญ "ประสิทธิภาพพลังงาน"

โครงการในด้านอุตสาหกรรมตัวนำยิ่งยวดนี้ได้รับการประสานงานโดยบริษัทตัวนำยิ่งยวดของรัสเซีย ซึ่งก่อตั้งโดย Rosatom State Corporation ตลอดระยะเวลาห้าปีตั้งแต่ปี 2554 ถึง 2558 พวกเขาวางแผนที่จะสร้างเทคโนโลยีการแข่งขันสำหรับการผลิตตัวนำยิ่งยวดรุ่นที่สองที่มีอุณหภูมิสูง การผลิตนำร่องสำหรับสายไฟดึง HTSP-2 ที่ยาว (สูงถึง 1,000 ม.) ตลอดจนพัฒนาต้นแบบ ของอุปกรณ์ที่ใช้สาย HTSP-2 สำหรับอุตสาหกรรมพลังงานไฟฟ้า เหล่านี้คือเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากำลังสูงและตัวจำกัดกระแส (COT) และอุปกรณ์กักเก็บพลังงานจลน์ (KNE) รวมถึงตัวนำกระแสไฟฟ้ากำลังสูงสำหรับระบบแม่เหล็ก อุปกรณ์กักเก็บพลังงานแบบเหนี่ยวนำ (SPIN) หม้อแปลงไฟฟ้า มอเตอร์ไฟฟ้ากำลังสูง

ตั้งแต่ปี 2559 เป็นต้นไป มีการวางแผนที่จะเปิดตัวการผลิตสายไฟ HTSC-2 แบบอนุกรมและอุปกรณ์จำนวนหนึ่งที่ใช้สายเหล่านี้ มีองค์กรประมาณ 30 องค์กรมีส่วนร่วมในโครงการนี้ รวมถึงมหาวิทยาลัย ศูนย์วิจัยด้านวิชาการและอุตสาหกรรม สำนักงานออกแบบ และองค์กรอุตสาหกรรม โดยเฉพาะ JSC VNIINM, JSC NIIEFA, JSC NIITFA, JSC GIREDMET, JSC "NIFHI", JSC TVEL, JSC "Tochmash" และภายนอกที่ศูนย์วิจัยแห่งชาติ "สถาบัน Kurchatov", ENIN พวกเขา. คริซฮานอฟสกี้ FSBEI MAI, NRNU MEPhI, SUAI, JSC Rosseti, JSC STC FGC UES, JSC SuperOx, JSC VNIIKP, JSC NIIEM, OKB Yakor ฯลฯ

“ตามโครงสร้างแล้ว โปรเจ็กต์ประกอบด้วยงาน 9 งานที่ทำควบคู่กันไป” Viktor Pantyrny อธิบาย - ตั้งแต่ปี 2554 ถึง 2556 จัดการเพื่อสร้างต้นแบบการทำงานในประเทศเครื่องแรกของเครื่องจักรตัวนำยิ่งยวด - มอเตอร์และเครื่องกำเนิดไฟฟ้าขนาด 50 กิโลวัตต์, อุปกรณ์จัดเก็บพลังงานจลน์ 0.5 MJ, ตัวจำกัดกระแสไฟฟ้าลัดวงจรตัวนำยิ่งยวด 3.5 MW สำหรับเครือข่ายพลังงาน 3.5 kV, หม้อแปลงตัวนำยิ่งยวด 10 kVA, ตัวนำกระแสไฟฟ้า สำหรับระบบแม่เหล็ก ให้กระแสผ่าน 1500A.

รากฐานของเทคโนโลยีสำหรับการผลิตสายไฟแถบ VTSP-2 ในประเทศโดยสมบูรณ์ได้ถูกสร้างขึ้นโดยเริ่มจากวัตถุดิบและลงท้ายด้วยวิธีการตรวจสอบผลิตภัณฑ์สำเร็จรูป พบโซลูชันทางเทคโนโลยีขั้นพื้นฐานที่ทำให้สามารถก้าวไปสู่การสร้างต้นแบบอุปกรณ์พลังงานเต็มรูปแบบได้ ดังนั้นงานสร้างเครื่องยนต์ขนาด 200 กิโลวัตต์จึงเสร็จสิ้นแล้ว”

ด้วยการใช้ขดลวด HTSP-2 เช่นมอเตอร์เมื่อติดตั้ง สำหรับรถยนต์ไฟฟ้า(รถโดยสารไฟฟ้า) จะเพิ่มระยะทาง 15–20% ระหว่างการชาร์จแบตเตอรี่แต่ละครั้ง มีการผลิตตัวจำกัดกระแสไฟฟ้าลัดวงจรตัวนำยิ่งยวดที่มีกำลังมากกว่า 7 MVA และกำลังเตรียมพร้อมสำหรับการทดสอบในเครือข่ายการขนส่งทางรถไฟ การผลิตเครื่องกำเนิดไฟฟ้าขนาด 1 MVA ซึ่งคาดว่าจะใช้ในโรงไฟฟ้าพลังงานลมกำลังดำเนินการเสร็จสิ้น
อุปกรณ์กักเก็บพลังงานจลน์ถูกสร้างขึ้นโดยใช้เทคโนโลยี Rosatom อันเป็นเอกลักษณ์ ด้วยตัวนำยิ่งยวดระบบกันสะเทือนของมู่เล่ซึ่งมีความเข้มข้นของพลังงานมากกว่า 7 MJ เป็นที่น่าสังเกตว่าการพัฒนาอุปกรณ์กักเก็บพลังงานแบบเหนี่ยวนำที่สามารถปล่อยพลังงานสะสมได้มากถึงหลาย MJ ในระยะเวลาอันสั้นมาก การทำงานเกี่ยวกับการสร้างหม้อแปลงตัวนำยิ่งยวดที่มีความจุ 1,000 kVA ก็อยู่ในขั้นตอนสุดท้ายเช่นกัน

“นอกจากนี้ ผลลัพธ์ที่สำคัญที่สุดของโครงการคือการสร้างการทดลองที่ทรงพลัง และเทคโนโลยีฐาน เช่นเดียวกับการจัดตั้งทีมงานผู้เชี่ยวชาญที่มีคุณสมบัติสูงในด้านเทคโนโลยีตัวนำยิ่งยวด Viktor Pantyrny กล่าวสรุป - ในปีนี้ สายการผลิตและการวิจัยที่ครอบคลุมสำหรับการผลิตตัวนำยิ่งยวดแบบแถบ HTSC-2 โดยการระเหยด้วยเลเซอร์จะเปิดตัวที่ศูนย์วิจัยสถาบัน Kurchatov บรรทัดนี้จะกลายเป็นเครื่องมือสำหรับการพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีของวัสดุ HTSC โดยใช้โครงสร้างพื้นฐานทางวิทยาศาสตร์อันทรงพลังของศูนย์ Kurchatov NBICS ในระดับสูงสุด ซึ่งจะช่วยให้มีการพัฒนาอย่างเข้มข้นในพื้นที่ที่มีเทคโนโลยีสูงที่มีแนวโน้มเป็นผู้นำ สู่การค้าเทคโนโลยีตัวนำยิ่งยวด"

สายไฟ AC

เป็นไปไม่ได้ที่จะไม่พูดถึงโครงการของรัสเซียในการสร้างสายเคเบิลตัวนำยิ่งยวดยาว 200 ม. พวกเขาทำงานเกี่ยวกับการสร้างสายเคเบิล อจส. “พลังงานสถาบัน พวกเขา. จี.เอ็ม. คริซฮานอฟสกี้"(เอนิน) OJSC "All-Russianสถาบันวิจัยวิทยาศาสตร์ของอุตสาหกรรมเคเบิล (VNIIKP), สถาบันการบินมอสโก และศูนย์วิทยาศาสตร์และเทคนิค OJSC ของอุตสาหกรรมพลังงานไฟฟ้า การพัฒนาเริ่มขึ้นในปี 2548 โดยมีการสร้างต้นแบบขึ้นในปี 2552 ซึ่งได้รับการทดสอบที่ไซต์ทดสอบที่สร้างขึ้นเป็นพิเศษโดยเฉพาะ

ข้อดีหลักของสายเคเบิล HTSC คือโหลดกระแสสูง การสูญเสียต่ำ เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม และความปลอดภัยจากอัคคีภัย นอกจากนี้เมื่อส่งพลังงานสูงผ่านสายเคเบิลดังกล่าวที่แรงดันไฟฟ้า 10–20 kV ไม่จำเป็นต้องมีสถานีย่อยระดับกลาง

สายเคเบิล HTSC เป็นโครงสร้างหลายชั้นที่ซับซ้อน ส่วนรองรับตรงกลางทำเป็นรูปเกลียวสแตนเลส ล้อมรอบด้วยมัดลวดทองแดงและสแตนเลสพันด้วยเทปทองแดง เทปตัวนำยิ่งยวดสองชั้นวางอยู่ด้านบนขององค์ประกอบส่วนกลาง และวางฉนวนไฟฟ้าแรงสูงไว้ด้านบน ตามด้วยการใช้หน้าจอตัวนำยิ่งยวด ซึ่งเป็นชั้นของเทปทองแดงที่มีความยืดหยุ่นพันด้วยเทปสแตนเลส แกนสายเคเบิลแต่ละเส้นถูกดึงเข้าไปในเครื่องแช่แข็งแบบยืดหยุ่นของตัวเองซึ่งมีความยาว 200 ม.

การสร้างโครงสร้างหลายองค์ประกอบนี้มีความซับซ้อนเนื่องจากเทป HTSC มีความละเอียดอ่อนอย่างยิ่ง ส่วนหลักของการดำเนินงานทางเทคโนโลยีได้ดำเนินการบนพื้นฐานของ JSC VNIIKP อย่างไรก็ตาม สำหรับการผลิตฉนวนไฟฟ้าแรงสูง สายเคเบิลได้ถูกส่งไปยังระดับการใช้งานไปยังโรงงาน Kamsky Kabel

“เราได้ดำเนินการใช้ฉนวนกระดาษสำหรับสายเคเบิล HTSC” Alexander Azanov รองหัวหน้านักเทคโนโลยีของ Kamsky Cable LLC กล่าว - มีการใช้อุปกรณ์พิเศษซึ่งก่อนหน้านี้เคยใช้สำหรับการผลิตสายไฟฟ้าแรงสูงที่เติมน้ำมัน นั่นคือเหตุผลว่าทำไมเราจึงไม่ต้องใช้ทรัพยากรในการส่งมอบผลิตภัณฑ์กึ่งสำเร็จรูปจากมอสโกไปยังระดับการใช้งานและกลับ และฉันคิดว่าในตอนนี้สำหรับการผลิตสายเคเบิลพิเศษดังกล่าว ขอแนะนำให้ใช้อุปกรณ์พิเศษที่ติดตั้งในโรงงานต่าง ๆ แทนที่จะจัดการผลิตในที่เดียว

ในอนาคตอันใกล้นี้ องค์กรเพื่อการผลิตสายเคเบิลนี้จำนวนมากที่โรงงานของเราหรือโรงงานอื่น ๆ ไม่น่าจะเป็นไปได้เนื่องจากมีการติดตั้งสายการผลิต กับตัวนำยิ่งยวดผลิตน้อยมากและมีความยาวสั้นมาก (ไม่เกิน 1 กม.) สาเหตุหลักคือต้นทุนของสายเคเบิล HTSC และการบำรุงรักษา (จำเป็นต้องปั๊มไนโตรเจนเหลวผ่านสายเคเบิลอย่างต่อเนื่อง)”

สายไฟ DC

ปัจจุบัน การพัฒนาในด้านการสร้างสายเคเบิล HTSC ยังคงดำเนินต่อไป JSC FGC UES และศูนย์วิทยาศาสตร์และเทคนิค JSC FGC UES กำลังดำเนินการวิจัยและพัฒนาร่วมกัน "การสร้างสายเคเบิล DC ที่มีตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูงสำหรับแรงดันไฟฟ้า 20 kV ด้วยกระแส 2,500 A และความยาวสูงสุด 2,500 ม." ต้นแบบแรกของระบบการส่งพลังงานที่เป็นนวัตกรรมแห่งอนาคต - สายเคเบิล HTSC แบบไบโพลาร์สองส่วนยาว 30 ม. ซึ่งพัฒนาขึ้นที่ศูนย์วิทยาศาสตร์และเทคนิคของ FGC UES และผลิตที่โรงงาน Irkutskkabel - ผ่านการทดสอบในปัจจุบันได้สำเร็จ และไฟฟ้าแรงสูงการทดสอบในปี 2556

ในเดือนพฤศจิกายน 2557 ได้ทำการทดสอบชุดอุปกรณ์แปลงกระแสไฟฟ้านวัตกรรมขนาด 50 เมกะวัตต์ โดยใช้สายตัวนำยิ่งยวดยาวหลายร้อยเมตร การใช้สายเคเบิล HTSC เพื่อจ่ายไฟให้กับเมืองใหญ่จะทำให้สามารถลดพื้นที่การจัดสรรที่ดินและปฏิเสธได้ จากการก่อสร้างเส้นเหนือศีรษะและลดการสูญเสียไฟฟ้า

ศูนย์วิจัยและพัฒนาของ FGC UES ตั้งข้อสังเกตว่าสายเคเบิล DC ที่ใช้ HTSC มีข้อดีหลายประการเมื่อเปรียบเทียบกับสายไฟ AC ไม่เพียงแต่ช่วยให้คุณสามารถส่งกำลังโดยมีการสูญเสียน้อยที่สุดเท่านั้น แต่ยังจำกัดกระแสลัดวงจร ควบคุมกำลังรีแอกทีฟ ควบคุมการไหลของกำลัง และรับประกันการย้อนกลับ

“ เป็นเรื่องดีที่รู้ว่าผู้พัฒนาสายเคเบิล HTSC ของรัสเซียอยู่ในระดับแนวหน้า” Vitaly Vysotsky แพทย์สาขาวิทยาศาสตร์เทคนิคนักวิชาการของ Russian Academy of Sciences ผู้อำนวยการฝ่ายวิทยาศาสตร์ - หัวหน้ากล่าว แผนกสายไฟและสายเคเบิลตัวนำยิ่งยวดของ JSC "VNIIKP" - ตัวอย่างเช่น สายเคเบิลยาว 200 ม. เป็นสายเคเบิลที่ใหญ่ที่สุดในยุโรปในปี 2552-2556 และมีเพียงในปี 2014 เท่านั้นที่มีการติดตั้งสายเคเบิลยาว 1 กม. ในเยอรมนี แต่สถิตินี้จะถูกทำลายด้วยการทดสอบสายเคเบิล 2.5 กม. ไปยังเซนต์ปีเตอร์สเบิร์ก”

จากการสนับสนุนจากรัฐสู่การลงทุนภาคเอกชน

ผู้เชี่ยวชาญทำนายการพัฒนาอย่างแข็งขันของตลาดตัวนำยิ่งยวดทั่วโลกและรัสเซีย ดังนั้น Andrey Vavilov ประธานคณะกรรมการบริหารของ SuperOx CJSC ตั้งข้อสังเกตว่าปริมาณของตลาด HTSC ทั่วโลกเพิ่มขึ้นสองเท่าทุกปี และจะสูงถึง 1 พันล้านดอลลาร์ในปี 2560 ในขณะที่ส่วนแบ่งของสหพันธรัฐรัสเซียในตลาดโลกสามารถประมาณได้ที่ประมาณ 10%.

“ตลาดสำหรับการนำยิ่งยวดสำหรับอุตสาหกรรมพลังงานไฟฟ้าจะต้องพัฒนา เนื่องจากความหนาแน่นของการใช้พลังงานมีการเติบโตอย่างต่อเนื่อง และหากไม่มีการนำยิ่งยวดก็เป็นไปไม่ได้ที่จะรองรับความต้องการที่เพิ่มขึ้น” Vitaly Vysotsky กล่าว - อย่างไรก็ตาม พนักงานด้านพลังงานมีความอนุรักษ์นิยมมากเมื่อเทียบกับสิ่งใหม่ๆ และแม้กระทั่ง และมีราคาแพงดังนั้นภารกิจหลักในตอนนี้คือการส่งเสริมโครงการใหม่โดยได้รับการสนับสนุนจากหน่วยงานภาครัฐ นี่จะเป็นข้อพิสูจน์ถึงความน่าเชื่อถือและประสิทธิภาพของอุปกรณ์ตัวนำยิ่งยวด การเกิดขึ้นของโครงการใหม่จะสร้างความต้องการในการผลิตเทป HTSC เพิ่มผลผลิตและลดราคา ซึ่งจะช่วยพัฒนาตลาดอีกครั้ง”

“ในขั้นตอนนี้ การแก้ปัญหาที่ครอบคลุมสำหรับงานทั้งหมดที่ตั้งไว้นั้นเป็นไปไม่ได้หากไม่ได้รับความช่วยเหลืออย่างเต็มที่จากรัฐ แต่ทุกปีความน่าดึงดูดใจในการลงทุนของเทคโนโลยี HTSC เพิ่มขึ้น ซึ่งช่วยให้เราคาดหวังด้วยความมั่นใจในระดับสูงถึงการไหลเข้าของการลงทุนภาคเอกชน ในการพัฒนาเชิงพาณิชย์ต่อไป” เห็นด้วยกับเพื่อนร่วมงานของเขา Viktor Pantyrny
ผู้เชี่ยวชาญมีความยินดีที่โดยทั่วไปมีความเข้าใจในระดับรัฐเกี่ยวกับความสำคัญของเทคโนโลยีตัวนำยิ่งยวด
“การพัฒนาอุตสาหกรรมตัวนำยิ่งยวดมีความสำคัญระดับชาติและเป็นส่วนสำคัญของการเปลี่ยนแปลง สู่นวัตกรรมเส้นทางการพัฒนาเศรษฐกิจของประเทศ สิ่งนี้ได้รับการระบุไว้เมื่อเร็ว ๆ นี้ในการประชุมขยายของสภาที่ปรึกษาภายใต้ประธานคณะกรรมการดูมาด้านพลังงานของสมัชชาแห่งสหพันธรัฐรัสเซียโดยเฉพาะอย่างยิ่งสังเกตว่าเพื่อให้มั่นใจถึงความเป็นอิสระทางเศรษฐกิจและการเมืองของ รัสเซียมีความจำเป็นเชิงกลยุทธ์ที่จะต้องมีการผลิตภายในประเทศต่ำ และอุณหภูมิสูงวัสดุตัวนำยิ่งยวด อุปกรณ์ตัวนำยิ่งยวด และผลิตภัณฑ์ที่ใช้วัสดุเหล่านี้” Viktor Pantyrny รายงาน

แผนการในอนาคต

เราขอให้ผู้เชี่ยวชาญประเมินว่าการใช้งานตัวนำยิ่งยวดแบบใดในความเห็นของพวกเขามีแนวโน้มมากที่สุด และที่ใดที่เราสามารถคาดหวังการใช้เทคโนโลยีดังกล่าวในเชิงพาณิชย์ในปีต่อๆ ไป

“เช่นเดียวกับทั่วโลก โครงการเคเบิลตัวนำยิ่งยวดถือเป็นโครงการที่ก้าวหน้าที่สุดในรัสเซียในปัจจุบัน พวกเขาต้องและเราหวังว่าจะพัฒนา” Vitaly Vysotsky กล่าว - สายเคเบิลตัวนำยิ่งยวดที่ใช้ HTSC เป็นผลิตภัณฑ์เชิงพาณิชย์อยู่แล้ว แม้ว่าจะยังมีราคาค่อนข้างแพงก็ตาม จะมีราคาถูกลงเมื่อเริ่มมีการเปิดตัวอย่างแพร่หลาย และจำเป็นต้องใช้เทป HTSC จำนวนมาก ซึ่งจะช่วยลดต้นทุนได้ การผลิตของพวกเขา

อย่างไรก็ตามในความคิดของฉัน สิ่งที่จำเป็นที่สุด และเป็นที่ต้องการสำหรับอุตสาหกรรมพลังงานไฟฟ้าจะมีตัวนำยิ่งยวดเป็นตัวจำกัดกระแสลัดวงจรสำหรับระดับแรงดันไฟฟ้าตั้งแต่ 100 กิโลโวลต์ขึ้นไป อุปกรณ์ทั่วไปของระดับแรงดันไฟฟ้านี้ไม่มีอยู่จริง และไม่มีใครสามารถทำได้หากไม่มีตัวนำยิ่งยวด โครงการดังกล่าวกำลังถูกหารือในประเทศของเราแล้ว นอกจากนี้ ในความคิดของฉัน เครื่องจักร HTSC สำหรับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าพลังงานลมมีแนวโน้มที่ดี พวกเขาสัญญาว่าจะลดน้ำหนักของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเพียงเครื่องเดียวลงอย่างมีนัยสำคัญ (หลายเท่า) และเพิ่มกำลังต่อหน่วย”

“ในปัจจุบัน ตัวขับเคลื่อนการพัฒนาตลาดสำหรับผลิตภัณฑ์ตัวนำยิ่งยวดคืออุตสาหกรรมพลังงานไฟฟ้า (สายไฟและตัวจำกัดกระแสไฟฟ้า) Andrei Vavilov กล่าว “แต่ก็มีศักยภาพที่สำคัญในอุตสาหกรรมอื่นๆ อีกจำนวนหนึ่งเช่นกัน ตัวอย่างเช่น ตัวเลือกในปัจจุบันกำลังได้รับการพัฒนาเพื่อใช้ลวด HTSC ทดแทนตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิต่ำในเทคโนโลยีเครื่องเร่งปฏิกิริยาที่ใช้สำหรับวิทยาศาสตร์ การผลิตไอโซโทป และการแพทย์อย่างมีประสิทธิภาพ รัสเซียมีแผนใหญ่ในพื้นที่นี้ โดยเฉพาะสำหรับการก่อสร้างเครื่องชน NICA สมัยใหม่ในเมือง Dubna

การสร้างเครื่องจักรหมุนที่มีประสิทธิภาพพร้อมคุณลักษณะการยึดเกาะที่เป็นเอกลักษณ์ มวลและน้ำหนักต่ำมีศักยภาพสูง เครื่องยนต์ดังกล่าวเป็นที่ต้องการเป็นหลักเพื่อให้แน่ใจว่ามีการเคลื่อนตัวของเรือขนาดใหญ่และสามารถใช้เครื่องกำเนิดไฟฟ้าได้ ในรูปแบบทดแทนพลังงาน.

ปรากฏการณ์ของการลอยด้วยแม่เหล็กเปิดโอกาสใหม่อย่างสมบูรณ์ในปัจจุบัน สิ่งเหล่านี้ไม่ได้เป็นเพียงระบบการขนส่งเท่านั้น แต่ยังรวมถึงอุปกรณ์ควบคุมแบบไม่สัมผัส เช่นเดียวกับตลับลูกปืนที่ทนทานพร้อมการใช้งานที่หลากหลาย”

“การพัฒนาเพิ่มเติมของตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูงจะมีผลการคูณที่เด่นชัดไม่เพียงแต่เท่านั้น ในอุตสาหกรรมพลังงานไฟฟ้าแต่ยังอยู่ในอุตสาหกรรมอื่นๆ เช่น อวกาศ การบิน การเดินเรือ ยานยนต์ และทางรถไฟการขนส่ง วิศวกรรมเครื่องกล โลหะวิทยา อิเล็กทรอนิกส์ การแพทย์ เทคโนโลยีคันเร่ง เทคโนโลยีตัวนำยิ่งยวดยังมีความสำคัญในการเสริมสร้างขีดความสามารถด้านการป้องกันประเทศอีกด้วย” Viktor Pantyrny เชื่อมั่น

กล่าวอีกนัยหนึ่ง การพัฒนาเทคโนโลยีเพิ่มเติมโดยอาศัยความเป็นตัวนำยิ่งยวดนั้นเปิดโอกาสมหาศาลสำหรับมนุษยชาติและในอนาคตอันใกล้นี้

วันนี้ฉันเห็นความคิดเห็นนี้และการสนทนาภายใต้นั้น เมื่อพิจารณาว่าวันนี้ฉันอยู่ที่การผลิตสายเคเบิลตัวนำยิ่งยวด ฉันต้องการแทรกความคิดเห็นสองสามข้อ แต่อ่านอย่างเดียว... ในท้ายที่สุด ฉันตัดสินใจเขียนบทความสั้น ๆ เกี่ยวกับตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูง

ประการแรก ในกรณีนี้ ฉันอยากจะทราบว่าคำว่า "ตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูง" นั้นหมายถึงตัวนำยิ่งยวดที่มีอุณหภูมิวิกฤตสูงกว่า 77 K (-196 °C) ซึ่งเป็นจุดเดือดของไนโตรเจนเหลวราคาถูก พวกมันมักจะรวมตัวนำยิ่งยวดที่มีอุณหภูมิวิกฤตประมาณ 35 K ด้วย นี่คืออุณหภูมิของคัพเรตตัวนำยิ่งยวดตัวแรก La 2-x Ba x CuO 4 (สารที่มีองค์ประกอบแปรผัน ดังนั้น x) เหล่านั้น. อุณหภูมิ "สูง" ที่นี่ยังคงต่ำมาก

เทปตัวนำยิ่งยวดรุ่นที่สองที่มีความกว้าง 12 มม. และความหนา 0.1 มม. ในไนโตรเจนเหลวในกรณีที่ไม่มีสนามแม่เหล็กภายนอกจะผ่านกระแสไฟฟ้าได้สูงถึง 500 A ในสนามแม่เหล็กภายนอก 1 T กระแสวิกฤตยังคงอยู่ ถึง 100 A และที่ 5 T - สูงสุด 5 A หากคุณทำให้เทปเย็นลงจนถึงอุณหภูมิของไฮโดรเจนเหลว (โลหะผสมไนโอเบียมที่อุณหภูมินี้จะไม่เข้าสู่สถานะตัวนำยิ่งยวดด้วยซ้ำ) เทปเดียวกันจะสามารถผ่าน 500 ได้ A ในพื้นที่ 8 T และ "บางส่วน" 200-300 A ในพื้นที่ 8 T ระดับของ Tesla สองสามสิบ (กบบิน) ไม่จำเป็นต้องพูดถึงฮีเลียมเหลว: มีโครงการแม่เหล็กบนเทปเหล่านี้ซึ่งมีสนามที่ระดับ 100 เทสลา! จริงอยู่ ที่นี่ปัญหาความแข็งแรงเชิงกลเกิดขึ้นเต็มกำลัง สนามแม่เหล็กมีแนวโน้มที่จะทำให้แม่เหล็กไฟฟ้าแตกเสมอ แต่เมื่อสนามนี้สูงถึงสิบเทสลา แรงบันดาลใจของมันก็เกิดขึ้นได้อย่างง่ายดาย...