Оборудование на основе высоко- и низкотемпературной сверхпроводимости


Статус статьи

Не проверено экспертами


Назначение

В условиях свободного рынка перед системой транспорта электроэнергии России встает ряд неотложных задач, решение которых призвано обеспечить надежное обеспечение потребителей качественной электроэнергией:

  • преодоление недостаточной пропускной способности межсистемных и системообразующих линий электропередач;
  • повышение управляемости электрических сетей и увеличение объема устройств регулирования напряжения и реактивной мощности;
  • оптимизация распределения потоков мощности по параллельным линиям электропередач различного напряжения.

Виды оборудования и технологий на основе высоко- и низкотемпературной сверхпроводимости:


Общие сведения

Сверхпроводимость – свойство некоторых материалов обладать строго нулевым электрическим сопротивлением при достижении ими температуры ниже определённого значения. Здесь важно понять, что электросопротивление не становится «очень малым» или «близким к нулю», а исчезает полностью. Известны несколько десятков чистых элементов, сплавов и керамик, переходящих в сверхпроводящее состояние. При исследовании свойств проводимости материалов было обнаружено уникальное явление, когда при охлаждении до крайне низких температур их сопротивление падает практически до нуля, а из тела материала происходит вытеснение магнитного поля. Материалы, проявляющие эти свойства при условиях низких температур, назвали сверхпроводниками. Различаются два вида сверхпроводимости:

  • Низкотемпературная сверхпроводимость (НТСП), соответствующая охлаждению материала до температуры жидкого гелия (4,2 градуса по шкале Кельвина, или минус 269 градусов по шкале Цельсия);
  • Высокотемпературная сверхпроводимость (ВТСП), соответствующая охлаждению материала до температуры жидкого азота (77 градусов по шкале Кельвина или минус 196 градусов по шкале Цельсия).


Основой для открытия явления сверхпроводимости стало развитие технологий охлаждения материалов до сверхнизких температур. В 1877 году французский инженер Луи Кайете и швейцарский физик Рауль Пикте независимо друг от друга охладили кислород до жидкого состояния. В 1883 году Зигмунт Врублевски и Кароль Ольшевски выполнили сжижение азота. В 1898 году Джеймсу Дьюару удалось получить и жидкий водород. В 1893 году проблемой сверхнизких температур стал заниматься голландский физик Хейке Камерлинг-Оннес. Ему удалось создать лучшую в мире криогенную лабораторию, в которой 10 июля 1908 года им был получен жидкий гелий. Позднее ему удалось довести его температуру до 1 Кельвина.

Первое теоретическое объяснение сверхпроводимости было дано в 1935 году Фрицем и Хайнцем Лондоном (англ.). Более общая теория была построена в 1950 году Л. Д. Ландау и В. Л. Гинзбургом.

В 1986 году Карл Мюллер и Георг Беднорц открыли новый тип сверхпроводников, получивших название высокотемпературных.


Актуальность использования

Отсутствие потерь на нагревание при прохождении постоянного тока через сверхпроводник делает привлекательным применение сверхпроводящих кабелей для доставки электричества, так как один тонкий подземный кабель способен передавать мощность, которая традиционным методом требует создания цепи линии электропередач с несколькими кабелями много большей толщины. Проблемами, препятствующими широкому использованию является стоимость кабелей и их обслуживания — через сверхпроводящие линии необходимо постоянно прокачивать жидкий азот. Первая коммерческая сверхпроводящая линия электропередачи была запущена в эксплуатацию фирмой American Superconductor на Лонг-Айленде в Нью-Йорке в конце июня 2008 года. Энергосистемы Южной Кореи собираются создать к 2015 году сверхпроводящие линии электропередачи общей длиной в 3000 км.

Важное применение находят миниатюрные сверхпроводящие приборы-кольца — сквиды, действие которых основано на связи изменения магнитного потока и напряжения. Они входят в состав сверхчувствительных магнитометров, измеряющих магнитное поле Земли, а также используемых в медицине для получения магнитограмм различных органов.

Сверхпроводники также применяются в маглевах.


Эффекты от внедрения (использования)

  • сокращение потерь электроэнергии примерно в 2 раза;
  • снижение массогабаритных показателей оборудования;
  • повышение надежности и продление срока эксплуатации электрооборудования за счет снижения старения изоляции;
  • повышение надежности и устойчивости работы энергосистем;
  • повышение качества электроэнергии, поставляемой потребителям;
  • повышение уровня пожарной и экологической безопасности электроэнергетики;
  • создание принципиально новых систем энергетики при совмещении с другими инновационными подходами за счет синэргетического эффекта.


Принцип функционирования



Опыт применения



Ссылки


Архитектурные кейсы, связанные с технологией