“超導(dǎo)輸電”實現(xiàn)零電阻 有望跨國協(xié)調(diào)電力
“超導(dǎo)輸電”的關(guān)鍵——輸電電纜的技術(shù)開發(fā)已基本結(jié)束。輸電的電力損耗將會伴隨超導(dǎo)輸電的運用而銳減。商用運行將在5年內(nèi)啟動。作為節(jié)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(diào)中發(fā)揮作用。
研究始于20多年前的“超導(dǎo)輸電”終于進入了實用化的最終階段。
所謂超導(dǎo)是指特定金屬或化合物冷卻到超低溫時，電阻變?yōu)榱愕默F(xiàn)象。而超導(dǎo)電纜則是把利用這項技術(shù)制造的線材收納在保溫管中制成的電纜。保溫管內(nèi)通入液氮等制冷劑，維持超導(dǎo)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。
日本國內(nèi)2011年度總發(fā)電量為8574億千瓦時，其中，從發(fā)電站輸往家庭途中的損耗約5%，相當(dāng)于6座100萬千瓦級核電站1年的發(fā)電量，有數(shù)據(jù)表明，電線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(dǎo)電纜充滿了期待。
“超導(dǎo)”驅(qū)動電車
位于東京都國分寺市的鐵道綜合技術(shù)研究所俗稱“鐵道綜研”。在研究所內(nèi)鋪設(shè)的實驗軌道上，跑著貨真價實的電車。軌道的旁邊，設(shè)置著長約31m的黑色電纜。這就是用于輸電的超導(dǎo)電纜。
鐵道綜研開發(fā)的超導(dǎo)電纜支持直流輸電，使用稀有金屬鉍制成的超導(dǎo)材料線材封裝在約10cm粗的管中。工作時，-196度的液氮在內(nèi)部循環(huán)，對線材進行冷卻，使電阻歸零。
因為超導(dǎo)輸電需要讓液氮循環(huán)，所以一般采用的是平行設(shè)置往返兩條電纜的方式。但考慮到遠程使用和設(shè)置的自由度，鐵道綜研采用多層構(gòu)造的保溫管，設(shè)計出了可讓液氮在一根保溫管中往返的構(gòu)造。
鐵道綜研研究開發(fā)推進室擔(dān)當(dāng)部長兼超導(dǎo)應(yīng)用研究室長富田優(yōu)博士說：“不只是削減輸電損耗，超導(dǎo)電纜對于有效利用再生能源也效果明顯。”
在電車停車時，馬達發(fā)揮發(fā)電機的作用，把動能轉(zhuǎn)化成電能回收，這就是再生能源。
今后，再生能源將能夠通過電線傳輸給其他的電車。現(xiàn)在，由于輸電線的電阻大，再生能源只能供應(yīng)給附近的電車。而使用超導(dǎo)電纜的話，在原理上，電車無論身在何處，都可以互通電能。富田博士推算，“如果是鐵路，節(jié)能效果將達到5%”。
使用31m電纜的性能測試現(xiàn)已基本結(jié)束。世界首次使用超導(dǎo)電纜供電驅(qū)動車輛的驗證實驗已于6月開始。按照預(yù)定，使用310m電纜的全面驗證實驗將于秋季展開。富田博士充滿自信地表示，“這次實驗以在實際鐵路網(wǎng)中的運用為目標(biāo)，將成為一項重大突破”。實用化預(yù)計將在5～10年內(nèi)實現(xiàn)。
日本率先量產(chǎn)電纜
北海道石狩市也在推進使用超導(dǎo)電纜的輸電項目。
地點是石狩灣新港地區(qū)。按照項目的計劃，太陽能電池板生產(chǎn)的電能將以直流電的形式，經(jīng)由500m長的超導(dǎo)電纜，輸送到SAKURAInternet的石狩數(shù)據(jù)中心。輸電預(yù)定在2年內(nèi)開始。2014年以后，該市將重新鋪設(shè)2km長的電纜，對遠程輸電的電力損耗和維護費用等進行驗證。
數(shù)據(jù)中心中運行著大量的服務(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(shù)據(jù)中心的耗電量減少到了以往的一半以下。對于實驗的意義，在該項目中發(fā)揮核心作用的中部大學(xué)超導(dǎo)及可持續(xù)能源研究中心教授山口作太郎說：“通過結(jié)合超導(dǎo)輸電，可以高效利用太陽能發(fā)電”。
人類發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象要追溯到100多年前的1911年。但當(dāng)初發(fā)現(xiàn)的超導(dǎo)體必須在溫度降至絕對零度(-273.15度)附近的時候，才能達到超導(dǎo)狀態(tài)。冷卻需要使用昂貴的液氦，難以應(yīng)用于輸電。
但是，隨著在較高溫度下就能達到超導(dǎo)狀態(tài)的“高溫超導(dǎo)體”于1986年開發(fā)成功，超導(dǎo)電纜的研發(fā)日漸興盛。
高溫超導(dǎo)包括不少種類。比方說，使用稀有金屬鉍的超導(dǎo)是在-160度左右達到超導(dǎo)狀態(tài)。使用稀土釔、在-180度也可達到超導(dǎo)狀態(tài)的超導(dǎo)材料也已經(jīng)開發(fā)成功。
冷卻這些超導(dǎo)體可以使用溫度比液氦高，但價格便宜許多，而且容易保存的液氮。因為高溫超導(dǎo)體能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定利用，所以商業(yè)利用的價值也逐漸顯現(xiàn)了出來。
住友電氣工業(yè)超導(dǎo)產(chǎn)品開發(fā)部長林和彥說：“電纜性能已經(jīng)達到了實用水平。”在超導(dǎo)電纜的量產(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現(xiàn)了高溫超導(dǎo)電纜材料的量產(chǎn)化。向國內(nèi)外眾多超導(dǎo)輸電實驗供應(yīng)使用鉍制作的線材和電纜。
另一方面，古河電氣工業(yè)、藤倉等其他日本電線企業(yè)開發(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(dāng)先，距離實用化最近。
超導(dǎo)電纜雖說有助于節(jié)能，但并非萬能。
超導(dǎo)電纜的電阻的確為零，但維持超導(dǎo)狀態(tài)需要在液氮的循環(huán)過程中對其進行不斷冷卻，這就需要使用冷凍機和泵。而冷凍機和泵會耗電，因此，嚴格來說，輸電損耗并不為零。
目前，電力損耗大的遠程輸電、向用電規(guī)模大的大型設(shè)施的輸電估計會是超導(dǎo)輸電的主要用途。今后，隨著高效率冷凍機的開發(fā)，應(yīng)用范圍將一舉得到擴大。
另外，對于上面介紹的鐵路與數(shù)據(jù)中心的事例，直流輸電是一個重點。超導(dǎo)輸電要與直流輸電網(wǎng)相結(jié)合才能發(fā)揮出真正的價值。山口教授說：“直流的損耗遠低于交流。”
交流超導(dǎo)電纜采用一根管中通入3條芯線的構(gòu)造。因為線材間相互影響，所以會產(chǎn)生名為“交流損耗”的電力損耗。而直流則沒有這種損耗。況且，直流電纜只需1條芯線，粗細可以小于交流，具備冷卻成本低的特點。
但是現(xiàn)有的輸電網(wǎng)以交流為主。直流接入電網(wǎng)需要變電設(shè)備。
但在今后，直流有可能得到推廣。現(xiàn)在，鐵路已經(jīng)率先開展了直流化。日本全國的普通鐵路(JR、民間鐵路)約70%的電化區(qū)間已經(jīng)實現(xiàn)了直流化，新線路也基本采用直流系統(tǒng)。
在大量用電的數(shù)據(jù)中心，直流化預(yù)計也將普及。
SAKURAInternet公司社長田中邦裕說：“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(shè)備。”
向地球的另一面輸電
超導(dǎo)直流輸電還能跨國家、跨大陸協(xié)調(diào)電力。在超遠程輸電的應(yīng)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。或者是從夜間電力剩余的國家，輸送到地球另一面正苦于白天電力短缺的國家。
現(xiàn)在，各地區(qū)都在提倡跨國境協(xié)調(diào)電力的智能電網(wǎng)(新一代輸電網(wǎng))的構(gòu)想。以歐洲為中心開展的“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(qū)設(shè)置太陽能電池板，在沿海地區(qū)設(shè)置大型風(fēng)車，把這些設(shè)備產(chǎn)生的電能輸送到歐洲和北非等地。山口教授介紹說，在項目的推進過程中，“也出現(xiàn)了采用超導(dǎo)直流電纜的動向”。
超導(dǎo)輸電能夠為節(jié)能做出貢獻，在今后，全世界對于超導(dǎo)輸電的需求估計會越來越大。在該領(lǐng)域領(lǐng)跑世界的日本企業(yè)也隨之迎來了巨大的商機。
研究始于20多年前的“超導(dǎo)輸電”終于進入了實用化的最終階段。
所謂超導(dǎo)是指特定金屬或化合物冷卻到超低溫時，電阻變?yōu)榱愕默F(xiàn)象。而超導(dǎo)電纜則是把利用這項技術(shù)制造的線材收納在保溫管中制成的電纜。保溫管內(nèi)通入液氮等制冷劑，維持超導(dǎo)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。
日本國內(nèi)2011年度總發(fā)電量為8574億千瓦時，其中，從發(fā)電站輸往家庭途中的損耗約5%，相當(dāng)于6座100萬千瓦級核電站1年的發(fā)電量，有數(shù)據(jù)表明，電線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(dǎo)電纜充滿了期待。
“超導(dǎo)”驅(qū)動電車
位于東京都國分寺市的鐵道綜合技術(shù)研究所俗稱“鐵道綜研”。在研究所內(nèi)鋪設(shè)的實驗軌道上，跑著貨真價實的電車。軌道的旁邊，設(shè)置著長約31m的黑色電纜。這就是用于輸電的超導(dǎo)電纜。
鐵道綜研開發(fā)的超導(dǎo)電纜支持直流輸電，使用稀有金屬鉍制成的超導(dǎo)材料線材封裝在約10cm粗的管中。工作時，-196度的液氮在內(nèi)部循環(huán)，對線材進行冷卻，使電阻歸零。
因為超導(dǎo)輸電需要讓液氮循環(huán)，所以一般采用的是平行設(shè)置往返兩條電纜的方式。但考慮到遠程使用和設(shè)置的自由度，鐵道綜研采用多層構(gòu)造的保溫管，設(shè)計出了可讓液氮在一根保溫管中往返的構(gòu)造。
鐵道綜研研究開發(fā)推進室擔(dān)當(dāng)部長兼超導(dǎo)應(yīng)用研究室長富田優(yōu)博士說：“不只是削減輸電損耗，超導(dǎo)電纜對于有效利用再生能源也效果明顯。”
在電車停車時，馬達發(fā)揮發(fā)電機的作用，把動能轉(zhuǎn)化成電能回收，這就是再生能源。
今后，再生能源將能夠通過電線傳輸給其他的電車。現(xiàn)在，由于輸電線的電阻大，再生能源只能供應(yīng)給附近的電車。而使用超導(dǎo)電纜的話，在原理上，電車無論身在何處，都可以互通電能。富田博士推算，“如果是鐵路，節(jié)能效果將達到5%”。
使用31m電纜的性能測試現(xiàn)已基本結(jié)束。世界首次使用超導(dǎo)電纜供電驅(qū)動車輛的驗證實驗已于6月開始。按照預(yù)定，使用310m電纜的全面驗證實驗將于秋季展開。富田博士充滿自信地表示，“這次實驗以在實際鐵路網(wǎng)中的運用為目標(biāo)，將成為一項重大突破”。實用化預(yù)計將在5～10年內(nèi)實現(xiàn)。
日本率先量產(chǎn)電纜
北海道石狩市也在推進使用超導(dǎo)電纜的輸電項目。
地點是石狩灣新港地區(qū)。按照項目的計劃，太陽能電池板生產(chǎn)的電能將以直流電的形式，經(jīng)由500m長的超導(dǎo)電纜，輸送到SAKURAInternet的石狩數(shù)據(jù)中心。輸電預(yù)定在2年內(nèi)開始。2014年以后，該市將重新鋪設(shè)2km長的電纜，對遠程輸電的電力損耗和維護費用等進行驗證。
數(shù)據(jù)中心中運行著大量的服務(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(shù)據(jù)中心的耗電量減少到了以往的一半以下。對于實驗的意義，在該項目中發(fā)揮核心作用的中部大學(xué)超導(dǎo)及可持續(xù)能源研究中心教授山口作太郎說：“通過結(jié)合超導(dǎo)輸電，可以高效利用太陽能發(fā)電”。
人類發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象要追溯到100多年前的1911年。但當(dāng)初發(fā)現(xiàn)的超導(dǎo)體必須在溫度降至絕對零度(-273.15度)附近的時候，才能達到超導(dǎo)狀態(tài)。冷卻需要使用昂貴的液氦，難以應(yīng)用于輸電。
但是，隨著在較高溫度下就能達到超導(dǎo)狀態(tài)的“高溫超導(dǎo)體”于1986年開發(fā)成功，超導(dǎo)電纜的研發(fā)日漸興盛。
高溫超導(dǎo)包括不少種類。比方說，使用稀有金屬鉍的超導(dǎo)是在-160度左右達到超導(dǎo)狀態(tài)。使用稀土釔、在-180度也可達到超導(dǎo)狀態(tài)的超導(dǎo)材料也已經(jīng)開發(fā)成功。
冷卻這些超導(dǎo)體可以使用溫度比液氦高，但價格便宜許多，而且容易保存的液氮。因為高溫超導(dǎo)體能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定利用，所以商業(yè)利用的價值也逐漸顯現(xiàn)了出來。
住友電氣工業(yè)超導(dǎo)產(chǎn)品開發(fā)部長林和彥說：“電纜性能已經(jīng)達到了實用水平。”在超導(dǎo)電纜的量產(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現(xiàn)了高溫超導(dǎo)電纜材料的量產(chǎn)化。向國內(nèi)外眾多超導(dǎo)輸電實驗供應(yīng)使用鉍制作的線材和電纜。
另一方面，古河電氣工業(yè)、藤倉等其他日本電線企業(yè)開發(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(dāng)先，距離實用化最近。
超導(dǎo)電纜雖說有助于節(jié)能，但并非萬能。
超導(dǎo)電纜的電阻的確為零，但維持超導(dǎo)狀態(tài)需要在液氮的循環(huán)過程中對其進行不斷冷卻，這就需要使用冷凍機和泵。而冷凍機和泵會耗電，因此，嚴格來說，輸電損耗并不為零。
目前，電力損耗大的遠程輸電、向用電規(guī)模大的大型設(shè)施的輸電估計會是超導(dǎo)輸電的主要用途。今后，隨著高效率冷凍機的開發(fā)，應(yīng)用范圍將一舉得到擴大。
另外，對于上面介紹的鐵路與數(shù)據(jù)中心的事例，直流輸電是一個重點。超導(dǎo)輸電要與直流輸電網(wǎng)相結(jié)合才能發(fā)揮出真正的價值。山口教授說：“直流的損耗遠低于交流。”
交流超導(dǎo)電纜采用一根管中通入3條芯線的構(gòu)造。因為線材間相互影響，所以會產(chǎn)生名為“交流損耗”的電力損耗。而直流則沒有這種損耗。況且，直流電纜只需1條芯線，粗細可以小于交流，具備冷卻成本低的特點。
但是現(xiàn)有的輸電網(wǎng)以交流為主。直流接入電網(wǎng)需要變電設(shè)備。
但在今后，直流有可能得到推廣。現(xiàn)在，鐵路已經(jīng)率先開展了直流化。日本全國的普通鐵路(JR、民間鐵路)約70%的電化區(qū)間已經(jīng)實現(xiàn)了直流化，新線路也基本采用直流系統(tǒng)。
在大量用電的數(shù)據(jù)中心，直流化預(yù)計也將普及。
SAKURAInternet公司社長田中邦裕說：“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(shè)備。”
向地球的另一面輸電
超導(dǎo)直流輸電還能跨國家、跨大陸協(xié)調(diào)電力。在超遠程輸電的應(yīng)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。或者是從夜間電力剩余的國家，輸送到地球另一面正苦于白天電力短缺的國家。
現(xiàn)在，各地區(qū)都在提倡跨國境協(xié)調(diào)電力的智能電網(wǎng)(新一代輸電網(wǎng))的構(gòu)想。以歐洲為中心開展的“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(qū)設(shè)置太陽能電池板，在沿海地區(qū)設(shè)置大型風(fēng)車，把這些設(shè)備產(chǎn)生的電能輸送到歐洲和北非等地。山口教授介紹說，在項目的推進過程中，“也出現(xiàn)了采用超導(dǎo)直流電纜的動向”。
超導(dǎo)輸電能夠為節(jié)能做出貢獻，在今后，全世界對于超導(dǎo)輸電的需求估計會越來越大。在該領(lǐng)域領(lǐng)跑世界的日本企業(yè)也隨之迎來了巨大的商機。
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