“超导输电”实现零电阻 有望跨国协调电力

  “超导输电”的关键——输电电缆的技术开发已基本结束。输电的电力损耗将会伴随超导输电的运用而锐减。商用运行将在5年内启动。作为节能的撒手锏,这项技术还将在跨越国境的远程电力协调中发挥作用。

        研究始于20多年前的“超导输电”终于进入了实用化的最终阶段。
        所谓超导是指特定金属或化合物冷却到超低温时,电阻变为零的现象。而超导电缆则是把利用这项技术制造的线材收纳在保温管中制成的电缆。保温管内通入液氮等制冷剂,维持超导所需低温状态,这种输电方式的电力损耗远远低于一般的铜线。
        日本国内2011年度总发电量为8574亿千瓦时,其中,从发电站输往家庭途中的损耗约5%,相当于6座100万千瓦级核电站1年的发电量,有数据表明,电线电阻造成的损耗大约占到一半。正因为如此,人们才对零电阻超导电缆充满了期待。

“超导”驱动电车
        位于东京都国分寺市的铁道综合技术研究所俗称“铁道综研”。在研究所内铺设的实验轨道上,跑着货真价实的电车。轨道的旁边,设置着长约31m的黑色电缆。这就是用于输电的超导电缆。
        铁道综研开发的超导电缆支持直流输电,使用稀有金属铋制成的超导材料线材封装在约10cm粗的管中。工作时,-196度的液氮在内部循环,对线材进行冷却,使电阻归零。
        因为超导输电需要让液氮循环,所以一般采用的是平行设置往返两条电缆的方式。但考虑到远程使用和设置的自由度,铁道综研采用多层构造的保温管,设计出了可让液氮在一根保温管中往返的构造。
        铁道综研研究开发推进室担当部长兼超导应用研究室长富田优博士说:“不只是削减输电损耗,超导电缆对于有效利用再生能源也效果明显。”

        在电车停车时,马达发挥发电机的作用,把动能转化成电能回收,这就是再生能源。
        今后,再生能源将能够通过电线传输给其他的电车。现在,由于输电线的电阻大,再生能源只能供应给附近的电车。而使用超导电缆的话,在原理上,电车无论身在何处,都可以互通电能。富田博士推算,“如果是铁路,节能效果将达到5%”。
        使用31m电缆的性能测试现已基本结束。世界首次使用超导电缆供电驱动车辆的验证实验已于6月开始。按照预定,使用310m电缆的全面验证实验将于秋季展开。富田博士充满自信地表示,“这次实验以在实际铁路网中的运用为目标,将成为一项重大突破”。实用化预计将在5~10年内实现。
 
日本率先量产电缆
 
        北海道石狩市也在推进使用超导电缆的输电项目。
        地点是石狩湾新港地区。按照项目的计划,太阳能电池板生产的电能将以直流电的形式,经由500m长的超导电缆,输送到SAKURAInternet的石狩数据中心。输电预定在2年内开始。2014年以后,该市将重新铺设2km长的电缆,对远程输电的电力损耗和维护费用等进行验证。
        数据中心中运行着大量的服务器,而且需要冷却,因此电力需求庞大。高效利用电能有助于大幅压缩运行成本。
        这一次,借助寒冷的气候与直流化的效果,石狩数据中心的耗电量减少到了以往的一半以下。对于实验的意义,在该项目中发挥核心作用的中部大学超导及可持续能源研究中心教授山口作太郎说:“通过结合超导输电,可以高效利用太阳能发电”。
        人类发现超导现象要追溯到100多年前的1911年。但当初发现的超导体必须在温度降至绝对零度(-273.15度)附近的时候,才能达到超导状态。冷却需要使用昂贵的液氦,难以应用于输电。
        但是,随着在较高温度下就能达到超导状态的“高温超导体”于1986年开发成功,超导电缆的研发日渐兴盛。
        高温超导包括不少种类。比方说,使用稀有金属铋的超导是在-160度左右达到超导状态。使用稀土钇、在-180度也可达到超导状态的超导材料也已经开发成功。
冷却这些超导体可以使用温度比液氦高,但价格便宜许多,而且容易保存的液氮。因为高温超导体能够实现稳定利用,所以商业利用的价值也逐渐显现了出来。
        住友电气工业超导产品开发部长林和彦说:“电缆性能已经达到了实用水平。”在超导电缆的量产化技术上面,日本企业位于世界最前列。
        而住友电气工业则是日本企业之中的先锋。2003年,该公司在全世界率先成功实现了高温超导电缆材料的量产化。向国内外众多超导输电实验供应使用铋制作的线材和电缆。
        另一方面,古河电气工业、藤仓等其他日本电线企业开发的则是钇系电缆。有看法认为,钇系电缆银的用量少,在成本方面有利,但就量产化技术而言,铋系一马当先,距离实用化最近。
        超导电缆虽说有助于节能,但并非万能。
        超导电缆的电阻的确为零,但维持超导状态需要在液氮的循环过程中对其进行不断冷却,这就需要使用冷冻机和泵。而冷冻机和泵会耗电,因此,严格来说,输电损耗并不为零。
        目前,电力损耗大的远程输电、向用电规模大的大型设施的输电估计会是超导输电的主要用途。今后,随着高效率冷冻机的开发,应用范围将一举得到扩大。
        另外,对于上面介绍的铁路与数据中心的事例,直流输电是一个重点。超导输电要与直流输电网相结合才能发挥出真正的价值。山口教授说:“直流的损耗远低于交流。”
        交流超导电缆采用一根管中通入3条芯线的构造。因为线材间相互影响,所以会产生名为“交流损耗”的电力损耗。而直流则没有这种损耗。况且,直流电缆只需1条芯线,粗细可以小于交流,具备冷却成本低的特点。
        但是现有的输电网以交流为主。直流接入电网需要变电设备。
但在今后,直流有可能得到推广。现在,铁路已经率先开展了直流化。日本全国的普通铁路(JR、民间铁路)约70%的电化区间已经实现了直流化,新线路也基本采用直流系统。
        在大量用电的数据中心,直流化预计也将普及。
        SAKURAInternet公司社长田中邦裕说:“直流输电效率高,而且有望降低初期成本。今后,我们将不断增加直流设备。”
 
向地球的另一面输电
        超导直流输电还能跨国家、跨大陆协调电力。在超远程输电的应用领域值得期待,例如,从自然能源生产效率高的国家输送到电力消费大的国家。或者是从夜间电力剩余的国家,输送到地球另一面正苦于白天电力短缺的国家。
        现在,各地区都在提倡跨国境协调电力的智能电网(新一代输电网)的构想。以欧洲为中心开展的“沙漠项目”(Desertec Project)就是其中之一。
        沙漠项目计划在非洲的沙漠地区设置太阳能电池板,在沿海地区设置大型风车,把这些设备产生的电能输送到欧洲和北非等地。山口教授介绍说,在项目的推进过程中,“也出现了采用超导直流电缆的动向”。
        超导输电能够为节能做出贡献,在今后,全世界对于超导输电的需求估计会越来越大。在该领域领跑世界的日本企业也随之迎来了巨大的商机。 
 

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