Одним из основных направлений развития науки намечены теоретические и экспериментальные исследования в области сверхпроводящих материалов, а одним из основных направлений развития техники - разработка сверхпроводниковых турбогенераторов.
Сверхпроводящее электрооборудование позволит резко увеличить электрические и магнитные нагрузки в элементах устройств и благодаря этому резко сократить их размеры. В сверхпроводящем проводе допустима плотность тока, в 10...50 раз превышающая плотность тока в обычном электрооборудовании. Магнитные поля можно будет довести до значений порядка 10 Тл, по сравнению с 0,8...1 Тл в обычных машинах. Если учесть, что размеры электротехнических устройств обратно пропорциональны произведению допустимой плотности тока на индукцию магнитного поля, то ясно, что применение сверхпроводников уменьшит размеры и массу электрооборудования во много раз!
По мнению одного из конструкторов системы охлаждения новых типов криогенных турбогенераторов советского ученого И.Ф. Филиппова, есть основание считать задачу создания экономичных криотурбогенераторов со сверхпроводниками решенной. Предварительные расчеты и исследования позволяют надеяться, что не только размеры и масса, но и КПД новых машин будут выше, чем у самых совершенных генераторов традиционной конструкции.
Это мнение разделяют руководители работ по созданию нового сверхпроводникового турбогенератора серии КТГ-1000 академик И.А. Глебов, доктора технических наук В.Г. Новицкий и В.Н. Шахтарин. Генератор КТГ-1000 испытан летом 1975 г., за ним последовал модельный криогенный турбогенератор КТ-2-2, созданный объединением «Электросила» в содружестве с учеными Физико-технического института низких температур АН УССР. Результаты испытаний позволили приступить к постройке сверхпроводникового агрегата значительно большей мощности.
Приведем некоторые данные сверхпроводникового турбогенератора мощностью 1200 кВт, разработанного во ВНИИэлектромаш. Сверхпроводящая обмотка возбуждения выполнена из провода диаметром 0,7 мм с 37 сверхпроводящими жилами из ниобий-титана в медной матрице. Центробежные и электродинамические усилия в обмотке воспринимаются бандажом из нержавеющей стали. Между наружной толстостенной оболочкой из нержавеющей стали и бандажом размещен медный электротермический экран, охлаждаемый потоком проходящего в канале холодного газообразного гелия (он затем возвращается в ожижитель).
Подшипники работают при комнатной температуре. Обмотка статора выполнена из медных проводников (охладитель - вода) и окружена ферромагнитным экраном из шихтованной стали. Ротор вращается в вакуумированном пространстве внутри оболочки из изоляционного материала. Сохранение вакуума в оболочке гарантируют уплотнители.
Опытный генератор КТГ-1000 был в свое время самым крупным по габаритам криотурбогенератором в мире. Цель его создания - отработка конструкции вращающихся криостатов больших размеров, устройств подачи гелия к сверхпроводящей обмотке ротора, исследование тепловой схемы, работы сверхпроводящей обмотки ротора, его захолаживания.
А перспективы просто завораживают. Машина мощностью 1300 МВт будет иметь длину около 10 м при массе 280 т, в то время как аналогичная по мощности машина обычного исполнения имеет длину 20 м при массе 700 т! Наконец, обычную машину мощностью более 2000 МВт создать трудно, а при использовании сверхпроводников можно реально достичь единичной мощности 20 000 МВт!
Итак, на выигрыш в материалах приходится примерно три четверти себестоимости. Облегчаются производственные процессы. Любому машиностроительному заводу проще и дешевле сделать несколько крупных электрических машин, чем большое количество мелких: меньше требуется рабочих, не так напряженно загружаются станочный парк и другое оборудование.
Для установки мощного турбогенератора нужна относительно небольшая площадь электростанции. Значит, сокращаются расходы на сооружение машинного зала, станцию можно быстрее ввести в строй. И, наконец, чем крупнее электрическая машина, тем выше ее КПД.
Однако все эти преимущества не исключают технических трудностей, возникающих при создании крупных энергетических агрегатов. И, что самое существенное, их мощность можно увеличивать лишь до определенных пределов. Расчеты показывают, что перешагнуть верхний предел, ограниченный мощностью турбогенератора 2500 МВт, ротор которого вращается с частотой 3000 об/мин, не удастся, так как этот предел определяется, в первую очередь, прочностными характеристиками: напряжения в механической конструкции машины более высокой мощности возрастают настолько, что центробежные силы неизбежно вызовут разрушение ротора.
Немало забот возникает при транспортировке. Для перевозки того же турбогенератора мощностью 1200 МВт пришлось построить сочлененный транспортер грузоподъемностью 500 т, длиной почти 64 м. Каждая из двух его тележек опиралась на 16 вагонных осей.
Многие препятствия сами по себе отпадают, если использовать эффект сверхпроводимости и применить сверхпроводящие материалы. Тогда потери в роторной обмотке можно практически свести к нулю, так как постоянный ток не будет встречать в ней сопротивления. А раз так, повышается КПД машины. Протекающий по сверхпроводящей обмотке возбуждения ток большой силы создает столь сильное магнитное поле, что уже нет необходимости применять стальной магнитопровод, традиционный для любой электрической машины. Устранение стали снизит массу ротора и его инерционность.
Создание криогенных электрических машин - не дань моде, а необходимость, естественное следствие научно-технического прогресса. И есть все основания утверждать, что к концу века сверхпроводящие турбогенераторы мощностью более 1000 МВт будут работать в энергосистемах.
Первая в Советском Союзе электрическая машина со сверхпроводниками была спроектирована в Институте электромеханики в Ленинграде еще в 1962...1963 гг. Это была машина постоянного тока с обычным («теплым») якорем и сверхпроводниковой обмоткой возбуждения. Мощность ее составляла всего несколько ватт.
С тех пор коллектив института (сейчас - ВНИИэлектромаш) работает над созданием сверхпроводящих турбогенераторов для энергетики. За истекшие годы удалось построить опытные конструкции мощностью 0,018 и 1 МВт, а затем и 20 МВт...
Каковы же особенности этого детища ВНИИэлектромаша?
Сверхпроводящая обмотка возбуждения находится в гелиевой ванне. Жидкий гелий поступает во вращающийся ротор по трубе, расположенной в центре полого вала. Испарившийся газ направляется обратно в конденсационную установку через зазор между этой трубой и внутренней стенкой вала.
В конструкции трубопровода для гелия, как и в самом роторе, есть вакуумные полости, создающие хорошую теплоизоляцию. Вращающий момент от первичного двигателя подается к обмотке возбуждения через «тепловые мосты» - конструкцию, достаточно прочную механически, но плохо передающую тепло.
В итоге конструкция ротора представляет собой вращающийся криостат со сверхпроводящей обмоткой возбуждения.
Статор сверхпроводящего турбогенератора, как и в традиционном варианте, имеет трехфазную обмотку, в которой магнитным полем ротора возбуждается электродвижущая сила. Исследования показали, что применять сверхпроводящую обмотку в статоре нецелесообразно, так как на переменном токе в сверхпроводниках возникают немалые потери. Но в конструкции статора с «обычной» обмоткой есть свои особенности.
Обмотку оказалось возможным в принципе разместить в воздушном зазоре между статором и ротором и крепить по-новому, с помощью эпоксидных смол и конструктивных элементов из стеклопластика. Такая схема позволила разместить больше медных проводников в статоре.
Оригинальна и система охлаждения статора: тепло отводится фреоном, который одновременно выполняет и функцию изолятора. В перспективе это отведенное тепло можно будет использовать для практических целей с помощью теплового насоса.
В моторе турбогенератора мощностью 20 МВт был применен медный провод прямоугольного сечения 2,5 х 3,5 мм. В него впрессовано 3600 жил из ниобий-титана. Такой провод способен пропускать ток до 2200 А.
Испытания нового генератора подтвердили расчетные данные. Он оказался вдвое легче традиционных машин той же мощности, а его КПД выше на 1%. Сейчас этот генератор работает в системе «Ленэнерго» в качестве синхронного компенсатора и вырабатывает .
Но основной итог работы - колоссальный опыт, накопленный в процессе создания турбогенератора. Опираясь на него, ленинградское электромашиностроительное объединение «Электросила» приступило к созданию турбогенератора мощностью уже 300 МВт, который будет установлен на одной из строящихся в нашей стране электростанций.
Сверхпроводящая обмотка возбуждения ротора изготовлена из ниобий-титанового провода. Устройство его необычно - тончайшие ниобий-титановые проводники запрессованы в медную матрицу. Сделано это для того, чтобы предотвратить переход обмотки из сверхпроводящего состояния в нормальное в результате воздействия флуктуаций магнитного потока или других причин. Если же это все-таки произойдет, ток потечет по медной матрице, тепло рассеется, сверхпроводящее состояние восстановится.
Технология изготовления собственно ротора потребовала внедрения принципиально новых технических решений. Если ротор обычной машины делают из цельной поковки магнитопроводящей стали, то в данном случае он должен состоять из нескольких вставленных один в другой цилиндров, изготовленных из стали немагнитной. Между стенками одних цилиндров находится жидкий гелий, между стенками других создан вакуум. Стенки цилиндров, естественно, должны обладать высокой механической прочностью, быть вакуумно-плотными.
Масса нового турбогенератора, так же как масса его предшественника, почти в 2 раза меньше массы обычного той же мощности, а КПД увеличен еще на 0,5...0,7%. Турбогенератор «живет» около 30 лет и большую часть времени находился в работе, поэтому совершенно очевидно, что такое, казалось бы, небольшое увеличение КПД будет весьма солидным выигрышем.
Энергетикам нужны не только холодные генераторы. Уже изготовлено и испытано несколько десятков сверхпроводящих трансформаторов (первый из них построен американцем Мак-Фи в 1961 г.; трансформатор работал на уровне 15 кВт). Имеются проекты сверхпроводящих трансформаторов на мощность до 1 млн. кВт. При достаточно больших мощностях сверхпроводящие трансформаторы будут легче обычных на 40...50% при примерно одинаковых с обычными трансформаторами потерях мощности (в этих расчетах учитывалась и мощность ожижителя).
У сверхпроводящих трансформаторов, однако, есть и существенные недостатки. Они связаны с необходимостью защиты трансформатора от выхода его из сверхпроводящего состояния при перегрузках, коротких замыканиях, перегревах, когда магнитное поле, ток или температура могут достичь критических значений.
Если трансформатор при этом не разрушится, то потребуется несколько часов, чтобы снова охладить его и восстановить сверхпроводимость. В ряде случаев такой перерыв в электроснабжении неприемлем. Поэтому, прежде чем говорить о массовом изготовлении сверхпроводящих трансформаторов, необходимо разработать меры защиты от аварийных режимов и возможности обеспечения потребителей электроэнергией во время простоев сверхпроводящего трансформатора. Достигнутые в этой области успехи позволяют думать, что в ближайшем будущем проблема защиты сверхпроводящих трансформаторов будет решена, и они займут свое место на электростанциях.
В последние годы становится все более близкой к осуществлению мечта о сверхпроводящих линиях электропередачи. Все возрастающая потребность в электроэнергии делает очень привлекательной передачу большой мощности на большие расстояния. Советские ученые убедительно показали перспективность сверхпроводящих линий передачи. Стоимость линий будет сопоставима со стоимостью обычных воздушных линий передачи электроэнергии (стоимость сверхпроводника, если учесть высокое значение критической плотности его тока по сравнению с экономически целесообразной плотностью тока в медных или алюминиевых проводах, невелика) и ниже стоимости кабельных линий.
Осуществлять сверхпроводниковые линии электропередачи предполагается так: между конечными пунктами передачи в земле прокладывается трубопровод с жидким азотом. Внутри этого трубопровода располагается трубопровод с жидким гелием. Гелий и азот протекают по трубопроводам вследствие создания между исходным и конечным пунктами разности давлений. Таким образом, ожижительно-насосные станции будут лишь на концах линии.
Жидкий азот можно использовать одновременно и в качестве диэлектрика. Гелиевый трубопровод поддерживается внутри азотного диэлектрическими стойками (у большинства изоляторов диэлектрические свойства при низких температурах улучшаются). Гелиевый трубопровод имеет вакуумную изоляцию. Внутренняя поверхность трубопровода жидкого гелия покрыта слоем сверхпроводника.
Потери в такой линии с учетом неизбежных потерь на концах линии, где сверхпроводник должен стыковаться с шинами при обычной температуре, не превысят нескольких долей процента, а в обычных линиях электропередачи потери в 5...10 раз больше!
Силами ученых Энергетического института имени Г.М. Кржижановского и Всесоюзного научно-исследовательского института кабельной промышленности уже создана серия опытных отрезков сверхпроводящих кабелей переменного и постоянного тока. Подобные линии смогут передавать мощности во много тысяч мегаватт при КПД более 99%, при умеренной стоимости и относительно невысоком (110...220 кВ) напряжении. Может быть, еще более важно, что сверхпроводящие линии электропередачи не будут нуждаться в дорогостоящих устройствах компенсации реактивной мощности. Обычные линии требуют установки токовых реакторов, мощных конденсаторов, чтобы нивелировать чрезмерные потери напряжения вдоль трассы, а линии на сверхпроводниках в состоянии себя самокомпенсировать!
Сверхпроводники оказались незаменимыми и в электрических машинах, принцип действия которых предельно прост, но которых никогда раньше не строили, ибо для их работы нужны очень сильные магниты. Речь идет о магнитогидродинамических (МГД) машинах, осуществить которые Фарадей пытался еще в 1831 г.
Идея опыта проста. В воду Темзы на ее противоположных берегах погружали две металлические пластинки. Если скорость реки 0,2 м/с, то, уподобив струи воды проводникам, движущимся с запада на восток в магнитном поле Земли (его вертикальная составляющая примерно равна 5·10-5 Тл), с электродов можно снять напряжение примерно 10 мкВ/м.
К сожалению, этот опыт окончился неудачей, «генератор-река» не заработал. Фарадей не смог замерить тока в цепи. Но через несколько лет лорд Кельвин повторил опыт Фарадея и получил небольшой ток. Казалось бы, все осталось, как у Фарадея: те же пластины, та же река, те же приборы. Разве что место не совсем то. Кельвин построил свой генератор ниже по Темзе, там, где ее воды смешиваются с соленой водой пролива.
Вот она разгадка! Вода ниже по течению была более соленой и, следовательно, обладала большей проводимостью! Это было сразу же зарегистрировано приборами. Увеличение проводимости «рабочего тела» - генеральный путь увеличения мощности МГД-генераторов. Но увеличить мощность можно и другим способом - повышая магнитное поле. Мощность МГД-генератора прямо пропорциональна квадрату напряженности магнитного поля.
Мечты об МГД-генераторах получили реальную основу примерно в середине нашего века вместе с появлением первых партий сверхпроводящих промышленных материалов (ниобий-титан, ниобий-цирконий), из которых удалось сделать первые, еще маленькие, но работающие модели генераторов, двигателей, токопроводов, соленоидов. А в 1962 г. на симпозиуме в Ньюкасле англичане Вильсон и Роберт предложили проект МГД-генератора на 20 МВт с полем 4 Тл. Если обмотку сделать из медного провода, то при стоимости 0,6 мм/долл. джоулевы потери в ней «съедят» ѕ полезной мощности (15 МВт!). Зато на сверхпроводниках обмотка будет компактно облегать рабочую камеру, потерь в ней не будет, а на охлаждение уйдет всего 100 кВт мощности. КПД возрастет с 25 до 99,5%! Тут есть о чем задуматься.
МГД-генераторами занялись всерьез во многих странах, потому что в таких машинах можно использовать плазму в 8...10 раз более горячую, чем пар в турбинах тепловых электростанций, а при этом по известной формуле Карно КПД будет уже не 40, а все 60%. Вот почему в ближайшие годы недалеко от Рязани заработает первый промышленный МГД-генератор на 500 МВт.
Конечно, создать и экономично использовать такую станцию непросто: нелегко разместить рядом поток плазмы (2500 К) и криостат с обмоткой в жидком гелии (4...5 К), раскаленные электроды обгорают и зашлаковываются, из шлаков надо выщелачивать те присадки, которые только что добавлялись в топливо для ионизации плазмы, но ожидаемые выгоды должны окупить все трудозатраты.
Можно представить себе, как выглядит сверхпроводящая магнитная система МГД-генератора. Две сверхпроводящие обмотки расположены по бокам канала с плазмой, отделенного от обмоток многослойной тепловой изоляцией. Обмотки закреплены в титановых кассетах, и между ними поставлены титановые распорки. Кстати сказать, эти кассеты и распорки должны быть чрезвычайно прочными, так как электродинамические силы в обмотках с током стремятся разорвать их и притянуть друг к другу.
Поскольку в сверхпроводящей обмотке тепло не выделяется, рефрижератор, который требуется для работы сверхпроводящей магнитной системы, должен отводить лишь то тепло, которое поступает в криостат с жидким гелием через тепловую изоляцию и токоподводы. Потери в токоподводах можно свести практически к нулю, если использовать короткозамкнутые сверхпроводящие катушки, питаемые от сверхпроводящего трансформатора постоянного тока.
Гелиевый ожижитель, который будет восполнять потери гелия, испаряющегося через изоляцию, по расчетам должен вырабатывать несколько десятков литров жидкого гелия в 1 ч. Такие ожижители выпускает промышленность.
Без сверхпроводящих обмоток были бы нереальными крупные токамаки. В установке «Токамак-7», например, обмотка массой 12 т обтекается током 4,5 кА и создает на оси плазменного тора объемом 6 м3 магнитное поле 2,4 Тл. Это поле создается 48 сверхпроводящими катушками, потребляющими за час всего 150 л жидкого гелия, повторное сжижение которого требует мощности 300...400 кВт.
Не только большая энергетика нуждается в экономичных компактных мощных электромагнитах, без них трудно обойтись ученым, работающим с рекордно сильными полями. На порядок производительнее становятся установки для магнитного разделения изотопов. Уже не рассматриваются проекты крупных ускорителей без сверхпроводящих электромагнитов. Совершенно нереально обойтись без сверхпроводников на пузырьковых камерах, которые становятся чрезвычайно надежными и чувствительными регистраторами элементарных частиц. Так, одна из рекордно больших магнитных систем на сверхпроводниках (Аргоннская национальная лаборатория, США) создает поле 1,8 Тл с запасенной энергией 80 МДж. Исполинская обмотка массой 45 т (из них 400 кг ушло на сверхпроводник) при внутреннем диаметре 4,8 м, наружном 5,3 м и высоте 3 м требует для охлаждения до 4,2 К всего 500 кВт - ничтожно малую мощность.
Еще более внушительным представляется сверхпроводящий магнит пузырьковой камеры Европейского центра ядерных исследований в Женеве. Он имеет следующие характеристики: магнитное поле в центре до 3 Тл, внутренний диаметр «катушки» 4,7 м, запасенная энергия 800 МДж.
В конце 1977 г. в Институте теоретической и экспериментальной физики (ИТЭФ) вступил в строй один из крупнейших в мире сверхпроводящих магнитов «Гиперон». Рабочая зона его имеет диаметр 1 м, поле в центре системы 5 Тл (!). Уникальный магнит предназначен для проведения экспериментов на протонном синхротроне ИФВЭ в Серпухове.
Осмыслив эти впечатляющие цифры, уже как-то неудобно говорить о том, что техническое освоение сверхпроводимости только начинается. В качестве примера можно напомнить о критических параметрах сверхпроводников. Если температура, давление, ток, магнитное поле превысят некоторые предельные значения, называемые критическими, сверхпроводник потеряет свои необычные свойства, превратившись в обычный материал.
Наличие фазового перехода вполне естественно использовать для контроля внешних условий. Если есть сверхпроводимость, значит, поле меньше критического, если у датчика восстановилось сопротивление - поле выше критического. Уже разработана серия самых разнообразных сверхпроводящих измерителей: болометр на спутнике может «почувствовать» зажженную спичку на Земле, гальванометры становятся чувствительнее в несколько тысяч раз; в резонаторах ультравысокой добротности колебания электромагнитного поля словно консервируются, ибо они чрезвычайно долго не затухают.
Теперь самое время окинуть взором всю электрическую часть энергетики, чтобы понять, как россыпь сверхпроводящих устройств может дать суммарный народнохозяйственный эффект. Сверхпроводники могут повысить единичную мощность энергоагрегатов, высоковольтная энергетика может постепенно превратиться в многоамперную, вместо четырех-шестикратного преобразования напряжения между электростанцией и потребителем реально говорить об одной-двух трансформациях с соответствующим упрощением и удешевлением схемы, общий КПД электрических сетей неминуемо вырастет вследствие джоулевых потерь. Но и это еще не все.
Электрические системы неизбежно приобретут другой вид, когда в них будут применять сверхпроводящие индуктивные накопители энергии (СПИН)! Дело в том, что из всех отраслей промышленности только в энергетике нет складов: выработанное тепло и электричество хранить негде, их надо потреблять сразу. Определенные надежды связаны со сверхпроводниками. Из-за отсутствия в них электрического сопротивления ток может циркулировать по замкнутому сверхпроводящему контуру сколь угодно долго без затухания до тех пор, пока не настанет время его отбора потребителем. СПИНы станут естественными элементами электрической сети, их остается только оснастить регуляторами, переключателями или преобразователями тока или частоты при объединении с источниками и потребителями электричества.
Энергоемкость СПИНов может быть самой различной - от 10-5 (энергия портфеля, выпавшего из рук) до 1 кВт-ч (глыба 10 т, упавшая со скалы 40 м) или 10 млн. кВт-ч! Столь мощный накопитель должен иметь размеры беговой дорожки вокруг футбольного поля, его цена будет составлять 500 млн. дол., а КПД - 95%. Равноценная гидроаккумулирующая электростанция окажется на 20% дешевле, но на свои нужды потратит треть мощности! Поучительна раскладка стоимости такого СПИНа по составляющим: на рефрижераторы 2...4%, на преобразователи тока 10%, на сверхпроводящую обмотку 15...20%, на теплоизоляцию холодной зоны 25%, а на бандажи, крепления и распорки - почти 50%.
Со времени доклада Г.М. Кржижановского по плану ГОЭЛРО на VIII Всероссийском съезде Советов прошло более полувека. Претворение этого плана в жизнь позволило повысить мощность электростанций страны с 1 до 200...300 млн. кВт. Теперь появляется принципиальная возможность усилить энергосистемы страны в несколько десятков раз, переведя их на сверхпроводящее электрооборудование и упростив сами принципы построения таких систем.
Основой энергетики начала XXI века могут стать атомные и термоядерные станции с чрезвычайно мощными электрогенераторами. Электрические поля, порожденные сверхпроводящими электромагнитами, могучими реками смогут перетекать по сверхпроводящим линиям электропередачи в сверхпроводящие накопители энергии, откуда по мере необходимости будут отбираться потребителями. Электростанции смогут равномерно вырабатывать мощность и днем, и ночью, а освобождение их от плановых режимов должно повысить экономичность и срок службы главных агрегатов.
К наземным электростанциям можно добавить космические солнечные станции. Зависнув над фиксированными точками планеты, они должны будут преобразовывать солнечные лучи в коротковолновое электромагнитное из лучение, чтобы посылать сфокусированные потоки энергии к наземным преобразователям в токи промышленной назначения. Все электрооборудование наземно-космических электрических систем должно быть сверхпроводящим, в противном случае потери в проводниках конечной электропроводности окажутся, по-видимому, неприемлемо большими.
Владимир КАРЦЕВ "Магнит за три тысячелетия"
Такой интересной темой и занимается сейчас American Superconductor. Ещё в 2003 году эта компания построила и испытала опытный 5-мегаваттный электромотор на высокотемпературных сверхпроводниках (так называемый HTS motor, синхронный, переменного тока). А вот теперь, в кооперации с Northrop Grumman , она построила для американских ВМС настоящий двигатель-монстр.
36.5 HTS motor обладает мощностью на валу в 36,5 мегаватт (49 тысяч лошадиных сил), развиваемых при 120 оборотах в минуту (соответствующий чудовищный крутящий момент можете посчитать сами).
В обмотке ротора здесь используются сверхпроводники BSCCO и Bi-2223 (оксид сложного состава на основе висмута), которые работают при температуре 35-40 градусов по Кельвину. Охлаждаются они газообразным гелием, подводимым через полый вал к ротору машины.
Статорная обмотка этого мотора не сверхпроводящая – она выполнена из меди и имеет простое жидкостное охлаждение. Однако она также отличается от обмоток обычных электромоторов. Например, внутри неё нет привычного железного сердечника. Сверхмощное поле ротора и так прекрасно "насыщает" статор, через который, к слову, пропускается весьма малая доля общего тока, потребляемого этим гигантом.
HTS motor был специально спроектирован под американские военные корабли следующего поколения, для которых задумана полностью электрическая двигательная система.
КПД HTS motor на полной мощности превышает 97%, а на одной трети нагрузки и вовсе приближается к 99%.
Заметим, обычные электромоторы некоторых типов также могут показывать КПД порядка 95-97%. В чём же разница? Дело в том, что такую высокую эффективность они выдают далеко не во всём диапазоне оборотов и нагрузки, а во многих режимах движения "проваливаются" до более скромных величин КПД – примерно в 85-88%.
Сверхпроводящий же мотор показывает столь приличный КПД начиная с 5% от максимальной скорости и до максимальных своих оборотов (а значит, и скорости корабля).
Таким образом, на низких нагрузках HTS motor, приводящий корабельный винт, экономит судну более 10% топлива, сжигаемого в газотурбинных генераторах или дизель-генераторах, либо 10% потребляемой из корабельной сети электрической мощности, если на судне - атомная силовая установка. Добавим, что в озвученном выше КПД HTS motor уже учтены энергозатраты на работу криогенной системы охлаждения.
Однако главным преимуществом своих морских электромоторов American Superconductor считает даже не экономичность, а малые габариты и массу. Модель мощностью 36,5 мегаватт весит 69 тонн и имеет толщину в 3,4 метра, ширину 4,6 метра, а высоту 4,1 метра. Традиционный "медный" электромотор с теми же выходными параметрами имел бы массу порядка 200-300 тонн, а габариты - примерно вдвое большие.
Для судна средних размеров эта разница - не пустяк. Уменьшив размеры машинного отделения, можно лишний объём отдать под груз, пассажиров или боеприпасы (если речь идёт о военном корабле). Да и экономию веса в 130-230 тонн можно пустить на что-нибудь полезное.
Кроме того, HTS motor работает намного тише обычного электромотора той же мощности. Так, по информации компании, 25-мегаваттная 60-тонная версия HTS motor шумит на полной скорости с силой всего в 48 децибелов – иной настольный компьютер громче.
Сравнение обычного электромотора на 36,5 мегаватт (слева) и такого же по мощности мотора типа HTS. Создатели последнего утверждают, что, помимо множества иных преимуществ, сверхпроводящий электромотор такой мощности ещё и дешевле классического, и обладает лучшей ремонтопригодностью (иллюстрация American Superconductor).
А что дальше? Недавно были найдены новые сверхпроводники с ещё более удивительными свойствами. Например, сложный состав на основе ртути, который имеет температуру перехода в сверхпроводящее состояние в 134 градуса по Кельвину (минус 139 по Цельсию).
"Когда мы приложили к этому материалу давление, то подняли температуру перехода до 164 Кельвинов (минус 109 по Цельсию) - это рекорд", - рассказал автор этого открытия профессор Пол Чу (Paul Chu) из университета Хьюстона (University of Houston). Чу, заметим, первым нашёл материалы, перешагнувшие по температуре перехода планку в 77 Кельвинов (точка кипения азота при атмосферном давлении). Он открыл составы, которые становились сверхпроводниками при 93 Кельвинах. А теперь уже мы видим впечатляющую цифру 164…
Пусть до практического применения ртутного состава ещё очень далеко, всё же, открытие вселяет надежду. Может, вскоре создадут более удобный и совершенный сверхпроводник?
"Никаких принципиальных ограничений мы не видим", - говорят учёные Деннис Ньюнс (Dennis Newns) и Чан Тсуэй (Chang Tsuei) из IBM, опубликовавшие свою работу, посвящённую механизму высокотемпературной сверхпроводимости, в журнале Nature Physics.
Вплоть до последнего времени практическое применение было весьма ограниченным вследствие их низких рабочих температур - менее 20К. Открытие в 1986 г. высокотемпературных сверхпроводников, которые имеют критические температуры
изменило
ситуацию,
упростив весь комплекс вопросов охлаждения (рабочая температура обмоток «выросла», они стали менее чувствительны к тепловым возмущениям). Теперь появились возможности
создания
поколения
электрооборудования,
использования
низкотемпературных
сверхпроводников
оказалось
бы чрезвычайно
дорогостоящим,
нерентабельным.
Вторая половина 90-х годов прошлого века - это начало широкого
наступления
высокотемпературной
сверхпроводимости на электроэнергетику. Высокотемпературные
сверхпроводники
использовать
изготовлении
трансформаторов,
электрических
индуктивных
накопителей
неограниченным
хранения), ограничителей тока и т.д. В сравнении с установленными
характеризуются
уменьшенными
потерями
и габаритами и обеспечивают повышение эффективности производства, передачи и распределения электроэнергии. Так, сверхпроводящие трансформаторы будут обладать
потерями,
чем трансформаторы той же мощности, имеющие обычные обмотки. Кроме того, сверхпроводящие трансформаторы
способны
ограничивать
перегрузки,
не нуждаются в минеральном масле, а значит экологичны и не подвержены риску возгорания. Сверхпроводящие ограничители
временные
характеристики, то есть менее инерционны; включение в электрическую сеть сверхпроводящих генераторов и накопителей энергии улучшит ее стабильность. Токонесущая способность
подземных
сверхпроводящих
может быть в 2-5 раз выше, чем у обычных . Сверхпроводящие кабели гораздо компактнее, то есть существенно облегчается их прокладка в условиях насыщенной городской/пригородной инфраструктуры.
Показательны
технико-экономические
расчеты южно-корейских
энергетиков,
проведенные
рамках долговременного
планирования
электрических
сетей сеульского региона. Их результаты свидетельствуют о том, что прокладка на 154 кВ, 1 ГВт сверхпроводящими
кабелями
обойдется
чем обычными.
включаются
конструирование и монтаж кабеля и кабелепроводов (учитывается уменьшение числа требуемых ниток и, соответственно, уменьшение общего количества кабеля в км и уменьшение внутреннего диаметра кабелепроводов). Европейские специалисты при проработке схожих вопросов обращают внимание на тот факт, что по сверхпроводящим
значительно
напряжении.
Следовательно, уменьшится электромагнитное загрязнение окружающей
густонаселенных
отказаться от линий сверхвысокого напряжения, прокладка которых
встречает
серьезное
сопротивление общественности, особенно «зеленых». Вселяет оптимизм и оценка, сделанная в США: внедрение
сверхпроводящего
оборудования
о генераторах, трансформаторах и двигателях) и кабелей в национальную энергетику позволит сэкономить до 3 % всей электроэнергии. При этом, широкое распространение
последних
Было подчеркнуто, что основные усилия разработчиков необходимо сосредоточить на: 1) повышении эффективности криосистем; 2) повышении токонесущей способности
сверхпроводящих
проводов
динамические потери и увеличить долю сверхпроводника по сечению провода); 3) снижении стоимости сверхпроводящих проводов (в частности, за счет роста производительности);
4) снижении расходов на криогенное оборудование. Отметим, что наивысшая достигнутая на сегодняшний день «инженерная» критическая плотность тока (критический ток, деленный на полную площадь сечения) двухсотметрового отрезка ленты на основе Bi-2223 составляет 14-16 кА/см 2 при температуре 77К. В развитых странах осуществляется плановая коммерциализация
технологий
высокотемпературных сверхпроводников. Показательна с этой точки зрения американская программа «Сверхпроводимость для электроэнергетики 1996-2000 гг.». Согласно этой программе,
включение
сверхпроводящих
компонент
электрооборудование обеспечит глобальное стратегическое
преимущество
промышленности
ХХI в. При этом, следует иметь в виду, что по оценкам Всемирного банка за грядущий 20-летний период (то есть к 2020 г.) ожидается 100-кратный рост объема продаж сверхпроводящего
оборудования
электроэнергетических
устройств
вырастет
32 млрд долл. (общий
сверхпроводников,
включающий
такие области применения, как транспорт, медицина, электроника и наука, достигнет уровня 122 млрд долл.).
Заметим, что Россия наряду с США и Японией сохраняла лидерство
развития
сверхпроводящих
технологий до начала 90-х годов ХХ в. С другой стороны, интересы
промышленно-технической
безопасности России несомненно требуют их энергичного использования как в электроэнергетике, так и в других отраслях. Прогресс сверхпроводящей технологии и ее «продвижение» на мировой электроэнергетический рынок сильно
результатов
демонстрации
успешной работы полноразмерных прототипов по всем видам продукции. Каковы
достижения
мирового
сообщества
в этом направлении? В Японии под патронажем Министерства экономики, торговли и промышленности осуществляется долговременная
программа
области разработки
ВТСП-оборудования,
первую очередь, силовых кабелей.
Проект разделен на две фазы: фаза 1 (2001-2004 гг.) и фаза 2 (2005-2009 гг.).
Координаторами
являются
Организация
развитию новых технологий в энергетике и промышленности (NEDO) и Исследовательская ассоциация по сверхпроводящему оборудованию и материалам (Super-GM). В
задействованы
KEPCO, Furukawa, Sumitomo, Fujikura, Hitachi и др. (ВТСП-кабели); KEPCO, Sumitomo, Toshiba и др. (ВТСП-ограничители тока); TEPCO, KEPCO, Fuji Electric и др. (ВТСП-магниты). В области кабелей работы сосредоточатся на разработке
ВТСП-проводни-ка
динамическими потерями
охлаждающей
способной
долговременно
поддерживать
температуру
кабеля (около 77К) длиной 500 м. Согласно программе, фаза 1 заканчивается изготовлением десятиметрового кабеля на 66-77 кВ (3 кА), имеющего динамические потери не более 1 Вт/м, а фаза 2 - изготовлением пятисотметрового кабеля на 66-77 кВ (5 кА) с такими же потерями. Работы
отработана конструкция
изготовлены
испытаны
первые отрезки, создана и испытана система охлаждения.
Параллельно,
Furukawa, Sumitomo ведут еще один проект по развитию электрических
токийского
сверхпроводящих. В рамках этого проекта проанализирована возможность подземной прокладки ВТСП-кабеля на 66 кВ (три фазы), имеющего диаметр 130 мм (его можно монтировать в существующих кабелепроводах диаметром 150 мм), вместо обычного однофазного кабеля на 275 кВ. Оказалось, что даже в случае строительства новых
кабелепроводов,
сверхпроводящую линию будут на 20 % ниже (исходя из цены сверхпроводящего провода 40 долл. за 1 кА м). Этапы проекта последовательно выполняются: к 1997 г. смонтирована тридцатиметровая
(однофазная)
прототипная
с замкнутым циклом охлаждения. Она была испытана под нагрузкой 40 кВ/1 кА в течение 100 час. К весне 2000 г. изготовлено 100 метров кабеля на 66 кВ (1 кА)/114 МВА - полноразмерного прототипа диаметром 130 мм (конструкция с «холодным» диэлектриком). Масштабный подход к этой проблеме демонстрируют США. В 1989 г. по инициативе EPRI началось детальное исследование применения высокотемпературных сверхпроводников, и уже в следующем году фирмы Pirelli
Superconductor Corp. разработали технологию изготовления сверхпроводящих
«порошок
трубке»).
В дальнейшем American Superconductor постоянно наращивала
производственные
мощности,
добившись показателя 100 км ленты в год, а в ближайшем будущем, с вводом в строй нового завода в г. Дивенсе (штат Миннесота), эта цифра дойдет до 10000 км в год. Прогнозируемая цена ленты составит 50 долл. за 1 кА м (сейчас фирма предлагает ленту по 200 дол. за 1 кА м). Следующий
важнейший
появление
так называемой партнерской инициативы в области сверхпроводимости (Superconductivity Partnership Initiative - SPI)
ускоренной
разработки
внедрения
энергосберегающих электрических систем. Вертикально интегрированные
SPI-команды,
включающие
партнеров из
промышленности,
национальные
лаборатории
и эксплуатационные
компании,
осуществили
два серьезных проекта. Одним из них является полноразмерный прототип - сверхпроводящая трехфазная линия (Pirelli Cavi e Sistemi,
связавшая
низковольтную
трансформатора 124 кВ/24 кВ (мощность 100 МВА) с 24 кВ-шинами двух распределительных подстанций, находящихся на расстоянии 120 м (станция Фрисби компании Детройт Эдисон, г. Детройт).
Успешные испытания линии прошли
электроэнергия поступила к потребителям, «пройдя» по сверхпроводящим кабелям на основе Bi-Sr-Ca-Cu-O. Три таких
(конструкция
«теплым»
диэлектриком, причем каждый проводник был изготовлен одной длиной
заменили
при одинаковой
токонесущей
способности
кабель рассчитан на 2400 А (потери 1 Вт/м на фазу) и проложен в существующих стомиллиметровых подземных каналах. При этом, траектория прокладки имеет повороты на 90 о: кабель допускает изгиб с радиусом 0,94 м. Подчеркнем, что это первый опыт прокладки сверхпроводящего
действующей
распределительной сети, в энергетическом хозяйстве большого города. Второй
тридцатиметровая
сверхпроводящая
на 12,4 кВ/1,25 кА (60 Гц) которая была пущена в эксплуатацию 5 января 2000 г. (рабочая температура 70-80К, охлаждение
давлением).
Линия, представляющая собой три трехфазных сверхпроводящих
обеспечивает
электроэнергией три
промышленные
установки
штаб-квартире Southwire Company, в Каролтоне (штат Джорджия). Потери при передаче составляют около 0,5 % по сравнению с 5-8 %, а передаваемая мощность в 3-5 раз выше, чем при использовании традиционных кабелей того же диаметра.
праздничной
атмосфере была отмечена годовщина успешной работы линии со 100 %-ной нагрузкой в течение 5000 час. Еще три проекта стартовали в 2003 г., работы по ним находятся
начальной
интересный
включает
монтаж подземной сверхпроводящей линии на 600 МВт/138 кВ длиной около 1 км, которая будет включена в действующую
нагрузку и пройдет по существующим кабелепроводам в Ист-Гарден-Сити
Лонг-Айленде.
Необходимый
кабель будет
изготовлен
специалистами фирмы Nexans (Германия), на основе сверхпроводника, выпущенного на уже упоминавшемся заводе в Дивенсе, а криогенное оборудование
поставит
этом, Министерство энергетики США финансирует эти работы наполовину, вкладывая около 30 млн долл.; остальное обеспечивают партнеры. Данную линию планируется ввести в строй к концу 2005 г.
которого
изготовлен
трехфазный сверхпроводящий кабель, рассчитанный на 36 кВ/2 кА (конструкция
«теплым»
диэлектриком,
охлаждение жидким азотом под давлением; критический достигает 2,7 кА на одну фазу (Т=79К)). При этом особое внимание
уделялось
разработке
проводника
км ленты на основе Bi-2223), концевых устройств, а также его
подключению.
был проложен,
подстанции острова Амагер (южная часть Копенгагена), которая поставляет электроэнергию 50 тыс. потребителей, включая
осветительную
сеть (мощность выходного трансформатора 100 МВА). Тридцатиметровая сверхпроводящая линия начала функционировать 28 мая 2001 г.: сначала сверхпроводящий кабель включили параллельно с обычным, а позже он работал уже «в одиночку», причем номинальный составил 2 кА, потери - менее 1 Вт/м (рабочая температура лежала в пределах 74-84К). Кабель передает 50 % всей энергии подстанции и заменяет медные кабели с суммарным сечением жил 2000 мм 2 . К маю 2002 г. кабель эксплуатировался 1 год, находясь в захоложенном состоянии; за это время он «поставил» 101 МВт ч электроэнергии 25 тыс. датчан - владельцам частных домов. Изменения характеристик кабеля не отмечено, все криогенные системы действуют стабильно. Кроме датского, любопытен общеевропейский проект
по созданию межсистемной связи - специальной трехфазной сверхпроводящей линии длиной 200 м, которая рассчитана на 20 кВ/28 кА.
Для его реализации организован
консорциум,
Nexans (Германия),
(Франция),
(Бельгия),
специалисты
Геттингена
Тампере (Tampere University of Technology). Среди европейских изготовителей сверхпроводящих кабелей выделяется фирма Pirelli Cavi e Sistemi. Ее производственные
мощности
позволяют
выпускать
км сверхпроводника в год. Значительное событие - изготовление
двадцатиметрового
коаксиального сверхпроводящего
(конструкция
«холодным» диэлектриком), рассчитанного на 225 кВ. Pirelli совместно с американскими специалистами (Edison и CESI) участвует
созданию
тридцатиметрового кабеля-прототипа на 132 кВ/3кА (1999-2003 гг.). Переходя от кабелей к крупному электрооборудованию - трансформаторам, отметим, что из всей энергии, теряемой при передаче, на них приходится 50-65 %. Ожидается, что с внедрением сверхпроводящих трансформаторов
уменьшится
доходить
Сверхпроводящие трансформаторы смогут успешно конкурировать с обычными только при выполнении соотношения (P s /k) < P c , где Р с - потери в обычном трансформаторе, P s - потери
сверхпроводящем
трансформаторе
рабочих температурах), k - холодильный коэффициент рефрижератора. Современная технология, в частности криогеника, позволяет удовлетворить это требование. В Европе первый прототип трехфазного трансформатора (630 кВА; 18,7 кВ/420 В) на высокотемпературных сверхпроводниках был изготовлен в рамках совместного
France), American
de Geneve) и пущен в строй в марте 1997 г. - его включили в электрическую сеть Женевы, где он проработал более года,
обеспечивая
энергией
Обмотки трансформатора
выполнены
проводом
основе Bi-2223,
охлаждаемым
сердечник трансформатора находится при комнатной температуре. Потери оказались довольно высокими (3 Вт на 1 кА м), поскольку конструкция проводника не была оптимизирована для использования на переменном токе.
Второй проект тех же участников - ABB, EdF и ASС - это трансформатор на 10 МВА (63 кВ/21 кВ), который в 2001 г. прошел полный цикл лабораторных испытаний и в 2002 г. был включен во французскую энергосистему. Специалисты АВВ еще раз подчеркнули, что сейчас основной
проблемой
разработки
экономичного
сверхпроводящего оборудования, в частности трансформаторов, является наличие провода с малыми потерями и высокой
критической
плотностью
магнитном
поле, генерируемом обмотками. Провод должен, кроме того, обеспечивать токоограничивающую функцию. В Японии (Fuji Electric, KEPCO и др.) сконструировали прототип сверхпроводящего трансформатора на 1 МВА (22 кВ (45,5 А)/6,9 кВ (145 А)), который в июне 2000 г. был включен в сеть лектроэнергетической компании Kyushu. В
завершающей
находится
разработка
(Kyushu University
(Токио)) трансформатора
который предназначен
установки
электроподвижном
составе. Предварительные расчеты свидетельствуют о том, что его масса должна быть на 20 % меньше, чем у обычного трансформатора той же мощности.
В США успешно прошла демонстрация сверхпроводящего трансформатора на 1 МВА, начаты работы по
аппарату
мощностью
Waukesha Electric
and Electric, а также ORNL). Немецкие специалисты (Siemens) создали прототип трансформатора
перспективе
разработка аппаратов на 5-10 МВА) с обмотками на основе Bi-2223, который можно устанавливать на локомотивах электроподвижного
предназначенный
для обычного
трансформатора.
сверхпроводящего трансформатора на 35 % меньше, чем у обычных, а КПД достигает 99 %. Расчеты показывают, что его применение обеспечит экономию до 4 кВт на один состав и годовое снижение выбросов СО 2 на 2200 т на один состав. Сложнее обстоит дело с синхронными электрическими машинами на высокотемпературных сверхпроводниках.
Известно, что мощность обычной пропорциональна ее объему V; нетрудно показать, что мощность сверхпроводящей машины пропорциональна V 5/3 , поэтому выигрыш в снижении габаритов будет иметь место только для машин большой мощности,
например,
генераторов
корабельных
двигателей.
ожидать внедрения сверхпроводящих технологий (рис. 1).
свидетельствуют
том, что для генератора мощностью 100 МВт необходим высокотемпературный сверхпроводник, имеющий критическую плотность тока 4,5 10 4 А/см 2 в магнитном поле 5 Тл. При этом, его механические свойства, а также цена, должны быть сравнимы с Nb 3 Sn. К сожалению, пока не
существует
высокотемпературных
сверхпроводников, полностью удовлетворяющих этим условиям. С
невысокая
активность американских,
европейских
японских
данной области. Среди них - успешный демонстрационный
совместно
с Rockwell Automation/Reliance Electric (партнеры по уже упоминавшейся
синхронного
двигателя
на 746 кВт и дальнейшая разработка машины на 3730 кВт.
специалисты
конструируют
двигатель
генератор.
В Германии фирма Siemens предлагает синхронный двигатель 380 кВт на высокотемпературных сверхпроводниках.
Финляндии
испытана
четырехполюсная синхронная машина на 1,5 кВт с трековыми обмотками, выполненными проводом на основе Bi-2223; ее рабочая температура составляет 20К. Кроме того, существует ряд других применений высокотемпературных сверхпроводников в электромашиностроении.
керамику
высокотемпературных сверхпроводников можно использовать при изготовлении пассивных магнитных подшипников для небольших высокоскоростных двигателей, например, для насосов, перекачивающих сжиженные газы.
Работа одного из таких двигателей, на 12000 об/мин, недавно была продемонстрирована в Германии. В рамках совместной российско-германской программы сконструирована серия гистерезисных
двигателей
(мощностью
«деятельности»
высокотемпературных сверхпроводников - устройства, ограничивающие короткого замыкания до номинальной величины. Наиболее подходящими материалами для сверхпроводниковых ограничителей считаются керамики
причем разработки
аппаратов
основные
электротехнические
Великобритании,
Германии, Франции, Швейцарии, США, Японии и других странах. Одной из первых моделей (фирма АВВ) был ограничитель индуктивного типа на 10,5 кВ/1,2 МВА, имеющий элемент из Bi-2212, помещенный в криостат. Эта же фирма выпустила компактный прототип - ограничитель резистивного типа на 1,6 МВА, который значительно меньше первого. В ходе испытаний 13,2 кА был ограничен в первом пике до 4,3 кА. Из-за нагрева 1,4 кА ограничивается за 20 мс и 1 кА за 50 мс.
Конструкция
ограничителя
представляет
мм (масса 50 кг). В нем прорезаны каналы, что позволяет иметь
эквивалентную
сверхпроводника
м. Следующий
прототип
на 6,4 МВА. Уже сейчас возможно создание ограничителя на 10 МВА, а выпуск коммерческих ограничителей такого типа можно ожидать в ближайшее время. Следующей целью АВВ является ограничитель на 100 МВА. Специалисты фирмы Siemens опробовали индуктивные
ограничители:
трансформатор
экранированием стального сердечника сверхпроводниковой обмоткой и второй вариант - сверхпроводник выполнен в виде цилиндра, на нем намотана медная обмотка. У ограничивающего
сопротивления
омическая
индуктивная компоненты. Из-за возможных перегревов в зонах с короткого замыкания должен как можно быстрее отключаться обычным выключателем.
Возвращение
сверхпроводящее
состояние
нескольких
десятков секунд, после этого ограничитель готов к работе. В
дальнейшем
резистивный
ограничитель,
сверхпроводник включается непосредственно в сеть и быстро теряет сверхпроводимость, как только короткого замыкания
превысит
критическое
значение.
нагрева сверхпроводника механический выключатель должен разорвать
нескольких
полупериодов; охлаждение
сверхпроводниковой
приводит
к сверхпроводящему состоянию. Время возврата ограничителя составляет 1-2 с.
Однофазную модель такого ограничителя мощностью 100 кВА испытали на рабочем напряжении 6 кВ при номинальном токе 100 А. Возможный
короткого
замыкания,
кА, был ограничен до тока 300 А менее чем за 1 мс. Фирма Siemens продемонстрировала также ограничитель на 1 МВА на стенде в Берлине, причем запланировано изготовление прототипа мощностью 12 МВА. В США первый ограничитель - он имел индуктивно-электронную
разработан
компаниями General Atomic, Intermagnetics General Corp. и др. Десять лет назад в качестве демонстрационного образца был установлен ограничитель тока на испытательном стенде Norwalk энергокомпании Southern California Edison. При номинальном токе 100 А максимально возможный короткого замыкания 3 кА ограничивается до 1,79 кА. В 1999 г. сконструирован аппарат на 15 кВ с рабочим током 1,2 кА, предназначенный для ограничения тока короткого замыкания 20 кА до значения 4 кА. Во Франции специалистами компаний GEC Alsthom, Electricite de France и др. испытан ограничитель на 40 кВ: он снизил короткого замыкания с 14 кА (начальный до замыкания составлял 315 А) до 1 кА за несколько микросекунд. Остаточный короткого замыкания был отключен в течение 20 мс обычным выключателем. Варианты ограничителей разработаны на 50 и 60 Гц. В Великобритании компания VA TECH ELIN Reyrolle разработала ограничитель гибридного (резистивно-индуктивного) типа, который в ходе испытаний на стенде (11 кВ, 400 А) снижал короткого замыкания с 13 кА до 4,5 кА. При этом, время реакции ограничителя менее 5 мс, ограничивается уже первый пик; время работы ограничителя 100 мс. Ограничитель (трехфазный) содержит 144 стержня из Вi-2212, а его габариты 1 х 1,5 х 2 м.
В Японии сверхпроводящий ограничитель тока изготовлен совместно фирмами Toshiba и TEPCO - индуктивного типа, на 2,4 МВА; он содержит элемент из массивной керамики Bi-2212. Все перечисленные проекты - это прототипы «начального периода», которые призваны продемонстрировать
возможности
сверхпроводящей
технологии, ее значимость для электроэнергетики, но все же они являются
настолько
представительными,
чтобы можно
немедленного
промышленного внедрения и успешный маркетинг. Первая причина такой осторожности состоит в том, что проводники на основе Bi-Sr-Ca-Cu-O еще находятся в стадии разработки и в настоящее время изготавливаются
критической
плотностью
уровне 30 кА/см 2 длинами только около километра. Дальнейшее улучшение этих проводников (усиление пиннинга, повышение плотности жил, введение барьеров вокруг них и т.д.) должно привести к увеличению J c до 100 кА/см 2 и более.
существенное
прогресс сверхпроводящей технологии и стимулирует разработку новых
конструкций
оборудования
Определенные надежды связывают также с успехами в получении проводников со сверхпроводящим покрытием (это следующее поколение сверхпроводящих проводов), обладающих заметно более высокой J c в магнитном поле до нескольких Тл. Здесь возможно изготовление сверхпроводящих лент, способных нести токи на уровне 1 кА при разумных производственных расходах. В США эти ленты
разрабатываются
MicroCoating Technologies,
Superconductivity
Oxford Superconductor Technology.
Вторая причина кроется в том, что вопросы стандартизации проводников Bi-Sr-Ca-Cu-O и нормативная база, необходимая для их применения в области передачи и распределения электроэнергии, недостаточно проработаны. Как правило, стандарты содержат руководство по проведению механических, тепловых и электрических
испытаний
материалов
оборудования.
Поскольку сверхпроводящие устройства нуждаются в криогенных системах, то их тоже необходимо специфицировать. Таким образом, до внедрения сверхпроводимости в электроэнергетику требуется создать целую систему стандартов: они должны гарантировать высокую надежность всей сверхпроводящей продукции (рис. 2).
предпринимается
мероприятий
в этом направлении. Семь групп специалистов из четырех европейских стран объединены в совместный проект Q-SECRETS (он субсидируется ЕС) по мониторингу качества
сверхпроводников
эффективных,
компактных
высоконадежных
электропередачи.
Одна из основных целей проекта - помощь в создании
расширении
«сверхпроводящего»
на рынке передачи и распределения электроэнергии. В
заключение
отметить,
несмотря
на большие
потенциальные
возможности
применения высокотемпературных
сверхпроводников
электроэнергетике, потребуются значительные усилия исследователей и разработчиков, чтобы сделать сверхпроводящую продукцию жизнеспособной в условиях современной рыночной экономики. В то же время, оценки на близкое будущее дают повод для оптимизма.
Владельцы патента RU 2411624:
Изобретение относится к области электротехники, в частности к электрическим машинам, и касается выполнения электродвигателей со сверхпроводящей обмоткой и с аксиальным зазором, точнее высокомоментных электродвигателей, которые используются, например, в качестве привода автомобилей и судов. В предлагаемом электродвигателе статоры (12) и (13) расположены с требуемыми воздушными зазорами в аксиальном направлении ротора (11) так, чтобы противостоять друг другу, множество элементов возбуждения в виде обмоток возбуждения (15) или постоянных магнитов (33) расположены на роторе (11) и множество якорных обмоток (17) и (19) расположены в статорах (12) и (13) вокруг оси. По меньшей мере, одна из обмоток возбуждения (15) или постоянных магнитов (33) ротора и якорных обмоток (17) и (19) сформированы из сверхпроводящего материала, исходя из условия, чтобы их магнитные потоки были направлены в аксиальном направлении. При этом в полых частях якорных обмоток расположены коллекторы потока, выполненные в виде магнитных тел. Технический результат - обеспечение высокой выходной мощности и высокого коэффициента полезного действия электродвигателя с аксиальным зазором, обладающего при этом небольшим весом и габаритами. 10 з.п. ф-лы, 7 ил.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к электродвигателю со сверхпроводящей обмоткой с аксиальным зазором, а более точно к высокомоментному электродвигателю, который используется в качестве источника привода автомобилей и судов.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Традиционно, в качестве электродвигателей, предусмотрены электродвигатель с радиальным зазором и электродвигатель с аксиальным зазором. В качестве типа с радиальным зазором широко используется электродвигатель, в котором ротор предусмотрен в полой части статора, имеющего кольцевое поперечное сечение, из условия, чтобы направления магнитного потока обмоток были направлены в радиальном направлении. Между тем, электродвигатель с аксиальным зазором, как раскрытый в публикации №2004-140937 нерассмотренной заявки на выдачу патента Японии, содержит статоры, расположенные противостоящими друг к другу в аксиальном направлении ротора, из условия, чтобы направления магнитного потока обмоток были направлены в аксиальном направлении.
В традиционном электродвигателе с аксиальным зазором, однако, для магнитного поля используются постоянные магниты или обмотки, такие как медные провода, и медные провода используются для якорных обмоток. Как понятно из того факта, что выходной крутящий момент задан в виде произведения тока и магнитного поля, есть предел для отдачи электродвигателя. Кроме того, для того чтобы повышать выходную мощность, габариты электродвигателя неизбежно увеличиваются, так что увеличивается и его вес. Кроме того, ели растет величина тока, эффективность использования энергии снижается вследствие потерь в меди или тому подобного.
[Патентный документ 1]:
Нерассмотренная публикация №2004-140937 заявки на выдачу патента Японии.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
ПРОБЛЕМЫ, РЕШАЕМЫЕ ИЗОБРЕТЕНИЕМ
Изобретение сделано ввиду вышеприведенных проблем. Поэтому цель изобретения состоит в том, чтобы предоставить электродвигатель с аксиальным зазором, который обеспечивает высокую выходную мощность, является небольшим и легковесным, обладает высоким коэффициентом полезного действия и, в частности, соответствующим образом используется в качестве гребного электродвигателя для судов и тому подобного.
СРЕДСТВО ДЛЯ РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМ
Для того чтобы решить вышеприведенные проблемы, согласно изобретению предоставлен электродвигатель со сверхпроводящей обмоткой типа с аксиальным зазором, включающий в себя:
статоры, расположенные с требуемыми воздушными зазорами в аксиальном направлении ротора так, чтобы противостоять друг другу;
множество элементов возбуждения, расположенных на любом одном из ротора и статоров вокруг оси ротора;
по меньшей мере одни из элементов возбуждения и якорных обмоток сформированы из сверхпроводящего материала, из условия, чтобы направления их магнитного потока были направлены в аксиальном направлении.
В такой конфигурации сверхпроводящий материал используется для магнитного поля и/или якорей электродвигателя с аксиальным зазором. Таким образом, большой ток может быть приложен, а габариты и вес электродвигателя могут быть уменьшены, наряду с тем, что достигается двигательный момент высокой выходной мощности. Кроме того, посредством использования сверхпроводящего материала энергетические потери могут быть значительно уменьшены в отсутствие потерь в меди, что дает возможность реализовать высокий коэффициент полезного действия. Кроме того, поскольку статоры расположены в аксиальном направлении ротора в виде конструкции с аксиальным зазором, диаметр может быть уменьшен так, что могут быть уменьшены шумы, вызванные вращением. В электродвигателе с осевым зазором края обмоток, которые не вносят вклад в двигательный момент, не формируются в отличие от электродвигателя с радиальным зазором. Таким образом возможно получать электродвигатель высокого коэффициента полезного действия и высокой выходной мощности.
Предпочтительно, элементы возбуждения являются обмотками возбуждения и как обмотки возбуждения, так и якорной обмотки, сформированы из сверхпроводящего материала.
В качестве сверхпроводящего материала соответствующим образом используются основанные на висмуте или основанные на иттрии высокотемпературные сверхпроводящие материалы.
Кроме того, сверхпроводящий материал может быть сформирован кластерами, подобными высокотемпературному сверхпроводящему объемному магниту или постоянному магниту. Высокотемпературный сверхпроводящий объемный магнит является магнитом, который изготовлен из высокотемпературного сверхпроводящего слитка, полученного рассеиванием несверхпроводящей фазы в высокотемпературном сверхпроводнике из RE-Ba-Cu-O, чтобы заставить фазу плавиться и разрастаться, и который способен к улавливанию и намагничиванию большего магнитного поля, чем постоянный магнит с высокими эксплуатационными характеристиками.
Кроме того, элементы возбуждения могут быть постоянными магнитами, изготовленными из материала, иного чем сверхпроводящий материал, а якорные обмотки могут быть сформированы из сверхпроводящего материала.
Если используется эта конфигурация, постоянные магниты могут просто располагаться на любом одном из ротора и статоров. Поэтому эффективность производства электродвигателя со сверхпроводящей обмоткой с аксиальным зазором может увеличиваться, что дает возможность упрощать конструкцию.
Кроме того, хотя постоянные магниты, изготовленные из материалов, иных чем сверхпроводящий материал, используются в качестве элементов возбуждения, возможно в достаточной мере справляться с любой ситуацией, если выходная мощность электродвигателя со сверхпроводящей обмоткой составляет от 1 кВт до 5 МВт. Как результат, возможно уменьшать габариты электродвигателя со сверхпроводящей обмоткой с аксиальным зазором.
Предпочтительно, статоры расположены по обеим сторонам ротора в аксиальном направлении ротора, вращающийся вал, зафиксированный на роторе, подвешен так, чтобы проходить через подшипники статоров, а элементы возбуждения и якорные обмотки расположены на одной и той же оси с воздушными зазорами в аксиальном направлении.
Если используется эта конфигурация, пара статоров предусмотрена по обеим сторонам ротора в аксиальном направлении, с воздушным зазором между ними. Таким образом, по сравнению с тем, когда статор расположен только по одну сторону, магнитное поле у ротора усилено, что дает возможность получать двигательный момент высокой выходной мощности.
Предпочтительно, коллекторы потока магнитных тел расположены в полых частях обмоток возбуждения, служащих в качестве элементов возбуждения и/или якорных обмоток.
Если используется эта конфигурация, магнитные тела предусмотрены в полых частях обмоток, магнитные потоки обмоток могут усиливаться, что дает возможность реализовать электродвигатель высокой выходной мощности. Кроме того, так как электродвигатель обладает высокой выходной мощностью, количество намотанных обмоток может быть уменьшено, так что могут дополнительно уменьшаться габариты и вес электродвигателя. Кроме того, коллекторы потока выполняют роль формирования магнитопровода магнитного потока, который должен формироваться в обмотках. Поэтому может задаваться направление магнитного потока, а утечка магнитного поля может предохраняться от формирования в направлении, где магнитный поток не осуществляет вклад в крутящий момент. Кроме того, магнитные тела утоплены в полых частях обмоток, тем самым повышая механическую прочность обмоток.
Предпочтительно, передние края коллекторов потока установлены в той же самой позиции, что и поверхности передних краев обмоток, где расположены коллекторы потока или в позициях, которые отступают от поверхностей передних краев обмоток.
В частности, когда постоянные магниты или сверхпроводящие объемные магниты предусмотрены на находящейся напротив ответной стороне, коллекторы потока не выступают из поверхностей передних краев обмоток, окружающих коллекторы потока. В этом случае сила притяжения, вызванная магнитной силой, почти не формируется между магнитами и находящейся напротив ответной стороной, во время сборки и т.п. Кроме того, не происходит столкновение между ротором и статорами. Поэтому позиционирование легко выполняется, в то время как зазор поддерживается при заданном расстоянии.
Однако коллекторы потока могут быть предусмотрены выступающими из поверхностей передних краев обмоток, в которых расположены коллекторы потока. В этом случае зазор между коллекторами и находящейся напротив ответной стороной (ротором или статорами) может быть уменьшен. Таким образом магнитный поток между ротором и статорами может усиливаться, что ведет к повышению выходного крутящего момента.
Предпочтительно, статоры и/или ротор сформированы из магнитного тела.
Если используется эта конфигурация, статоры и/или ротор выполняют роль в качестве обоймы, а магнитный поток, проходящий через них, может экранироваться от утечки на их заднюю сторону. Поэтому магнитное поле усиливается, что дает возможность реализовать высокий выходной крутящий момент.
Предпочтительно, материал, обладающий высокой плотностью магнитного потока/высокой магнитной проницаемостью, используется для магнитного тела.
Высокая плотность потока означает плотность потока, когда плотность потока в насыщении составляет от 0,5 до 10 Тл. Предпочтительно плотность потока может устанавливаться от 1,5 до 4 Тл.
Кроме того, материал, обладающий высокой магнитной проницаемостью, означает материал, удельная магнитная проницаемость которого составляет от 500 до 10000000. Предпочтительно, удельная магнитная проницаемость может быть установлена в от 2000 до 10000.
В частности, более предпочтительно, что материалом, обладающим высокой плотностью магнитного потока/высокой магнитной проницаемостью, является пермендюр.
Пермендюр обладает магнитной проницаемостью, приблизительно в десять раз большей, чем таковая у железа, а насыщенность его магнитного поля является большей, чем 2 Тл. Поэтому ток, который должен подаваться в обмотки, может формировать по меньшей мере большое магнитное поле, из условия, чтобы могла увеличиваться выходная мощность электродвигателя, а габариты электродвигателя могли уменьшаться. Однако в качестве магнитного тела могут использоваться кремнистая сталь, железо, пермаллой и тому подобное.
Предпочтительно, воздушные зазоры предусмотрены в полых частях якорных обмоток или немагнитные тела расположены в полых частях.
Кроме того, предпочтительно, воздушные зазоры предусмотрены в полых частях обмоток возбуждения или немагнитные тела расположены в полых частях.
В частности, когда постоянные магниты или сверхпроводящие объемные магниты предусмотрены на находящейся напротив ответной стороне, магнитные тела не представлены в полых частях обмоток. В этом случае сила притяжения., вызванная магнитной силой, не формируется между магнитами и находящейся напротив ответной стороной, во время сборки и т.п. Поэтому позиционирование может легко выполняться наряду с тем, что зазор между ротором и статорами поддерживается при заданном расстоянии.
Кроме того, так как воздушные зазоры предусмотрены в полых частях обмоток или легкие немагнитные тела расположены в полых частях обмоток, возможно уменьшить вес электродвигателя. В частности, если воздушные зазоры предусмотрены в полых частях обмоток ротора, или легкие немагнитные тела, такие как полимер, расположены в полых частях обмоток, вес электродвигателя может быть уменьшен, так что снижается сила инерции во время вращения. Кроме того, улучшается чувствительность к изменению частоты вращения.
В дополнение, в качестве легких немагнитных тел, которые должны располагаться в полых частях обмоток, могут быть проиллюстрированы полимер, FRP (волокнит), алюминий и тому подобное.
В качестве средства подачи хладагента для охлаждения сверхпроводящего материала для формирования элементов возбуждения и/или якорных обмоток, когда сверхпроводящий материал прикреплен к стороне ротора, предпочтительно, чтобы проточный канал для хладагента, включающего в себя жидкий азот или тому подобное, был предусмотрен внутри вращающегося вала, зафиксированного в роторе так, чтобы проходить через центр ротора. Между тем, когда сверхпроводящий материал прикреплен к стороне статора, предпочтительно, чтобы проточный канал для хладагента, включающего в себя жидкий азот или тому подобное, предусматривался в каждой позиции крепления сверхпроводящего материала на статоре. В любом случае, предпочтительно, чтобы проточный канал хладагента покрывался теплоизоляционным слоем вплоть до позиции, где хладагент подходит к позиции расположения сверхпроводящего материала, служащего в качестве тел магнитного потока или якорных обмоток.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Как понятно из вышеприведенного описания, согласно изобретению сверхпроводящий материал используется для элементов возбуждения и/или якорных обмоток электродвигателя с аксиальным зазором. Таким образом, большой ток может прикладываться с большим коэффициентом полезного действия в отсутствие потерь в меди. Кроме того, может быть получен двигательный момент высокой выходной мощности и могут быть уменьшены габариты и вес электродвигателя. Кроме того, поскольку статоры расположены в аксиальном направлении ротора в виде конструкции с аксиальным зазором, могут быть уменьшены габариты электродвигателя и могут быть снижены шумы, вызванные вращением.
В дополнение, коллекторы потока, выполненные в виде магнитных тел, расположены в полых частях обмоток. Поэтому магнитный поток обмоток может усиливаться, что дает возможность реализовать электродвигатель высокой выходной мощности. Кроме того, могут быть уменьшены габариты и вес электродвигателя. Предоставление коллекторов потока вносит вклад в характеристику направлений магнитного потока и уменьшение утечки магнитного потока.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1 - вид в разрезе электродвигателя со сверхпроводящей обмоткой с аксиальным зазором согласно первому варианту осуществления изобретения.
Фиг.2 - вид в перспективе электродвигателя со сверхпроводящей обмоткой с аксиальным зазором согласно первому варианту осуществления.
Фиг.3 - вид в разрезе электродвигателя со сверхпроводящей обмоткой с аксиальным зазором согласно второму варианту осуществления изобретения.
Фиг.4 - вид в разрезе электродвигателя со сверхпроводящей обмоткой с аксиальным зазором согласно третьему варианту осуществления изобретения.
Фиг.5 - диаграмма, показывающая взаимосвязь между токами обмоток и магнитными потоками.
Фиг.6 - вид в разрезе электродвигателя со сверхпроводящей обмоткой с аксиальным зазором согласно пятому варианту осуществления изобретения.
Фиг.7 - вид в разрезе электродвигателя со сверхпроводящей обмоткой с аксиальным зазором согласно шестому варианту осуществления изобретения.
РАСШИФРОВКА ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ
10: Электродвигатель со сверхпроводящей обмоткой с аксиальным зазором
12, 13: Статор
14: Вращающийся вал
15: Обмотка возбуждения (элемент возбуждения)
16. 18, 20: Коллектор потока
17. 19: Якорная обмотка
21: Бак жидкого азота
33: Постоянный магнит (элемент возбуждения)
S: Промежуток
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В дальнейшем варианты осуществления изобретения будут описаны со ссылкой на чертежи.
Фиг.1 и 2 показывают электродвигатель 10 со сверхпроводящей обмоткой с аксиальным зазором согласно первому варианту осуществления изобретения. Электродвигатель 10 со сверхпроводящей обмоткой с аксиальным зазором содержит пару статоров 12 и 13, расположенных противостоящими друг другу по обеим сторонам ротора 11 в аксиальном направлении ротора 11, зафиксированного на вращающемся валу 14. Вращающийся вал 14, зафиксированный в роторе 11, подвешен так, чтобы проходить через подшипники 31 и 32 статоров 12 и 13.
Ротор 11 сформирован в форме диска, а вращающийся вал 14 зафиксирован в роторе 11 так, чтобы проходить через его центр. Ротор 11 содержит множество отверстий 11а крепления обмоток, которые предусмотрены с равными интервалами в круговом направлении на его внешней периферийной стороне, и множество обмоток 15 возбуждения утоплены в отверстиях 11а крепления обмоток, обмотки 15 возбуждения являются изготовленными из сверхпроводящего материала. По существу, множество обмоток 15 возбуждения закреплены на равных интервалах в круговом направлении вокруг оси ротора, из условия, чтобы направления магнитного потока соответственных обмоток 15 возбуждения были направлены в аксиальном направлении. Любые из коллекторов 16 потока и обмоток 15 возбуждения сделаны не выступающими из обеих боковых поверхностей ротора 11.
В качестве материала для ротора 11 используется магнитный материал, такой как пермендюр, кремнистая сталь, железо или пермаллой. Кроме того, в качестве сверхпроводящего материала для формирования обмоток 15 возбуждения используется основанный на висмуте или основанный на иттрии сверхпроводящий материал. Эти обмотки 15 возбуждения сконфигурированы так, чтобы снабжаться необходимой энергией из источника питания (не показан).
Статоры 12 и 13 имеют взаимно симметричные формы. Статоры 12 и 13, зафиксированные на поверхности G основания, содержат множество впалых частей 12а и 13а крепления обмоток, предусмотренных на их поверхностях, противостоящих ротору 11. Множество впалых частей 12а и 13а крепления обмоток предусмотрены на равных интервалах в круговом направлении по внешней периферийной стороне, из условия, чтобы множество якорных обмоток 17 и 19, изготовленных из сверхпроводящего материала, были утоплены во впалых частях 12а и 13а крепления обмоток. По существу, множество якорных обмоток 17 и 19 закреплены на интервалах в круговом направлении вокруг оси, из условия, чтобы направления их магнитного потока были направлены в аксиальном направлении. В полых частях соответственных якорных обмоток 17 и 19 расположены коллекторы 18 и 20 потока (магнитные тела), изготовленные из пермендюра. Любые из коллекторов 18 и 20 потока и якорных обмоток 17 и 19 сделаны не выступающими из боковых поверхностей статоров 12 и 13 соответственно. Обмотки 17 и 19 возбуждения сконфигурированы так, чтобы снабжаться необходимой энергией из источника питания (не показан).
В качестве материала для статоров 12 и 13 используется магнитный материал, такой как пермендюр, кремнистая сталь, железо или пермаллой с тем, чтобы выполнять роль в качестве задней обоймы. Кроме того, в качестве сверхпроводящего материала для формирования якорных обмоток 17 и 19 используется основанный на висмуте или основанный на иттрии сверхпроводящий материал.
Якорные обмотки 17 и 19 и обмотки 15 возбуждения расположены так, что радиальные расстояния от центра вала вращающегося вала 14 до соответственных обмоток совпадали друг с другом. Кроме того, расстояние между торцевой поверхностью вращения ротора 11 и торцевой поверхностью статора 12 или 13 на стороне ротора установлено от 0,1 мм до 1 мм (0,5 мм в этом варианте осуществления) в качестве зазора.
Поскольку обмотки 15 возбуждения сформированы из сверхпроводящего материала, жидкий азот, хранимый в баке 21 жидкого азота, вводится в полую часть 14а вращающегося вала 14 с тем, чтобы охлаждать обмотки 15 возбуждения.
Более точно, вращающийся вал 14 содержит полую часть 14а, предусмотренную тянущейся до позиции расположения ротора 11, полая часть раскрывается по направлению к одному торцу вращающегося вала в аксиальном направлении. Трубопровод 22 вставлен в полую часть 14а через подшипник 26 из бака 21 жидкого азота с тем, чтобы заканчиваться непосредственно перед позицией расположения ротора. Трубопровод 22 имеет двухтрубную конструкцию, включающую в себя внутренний периферийный проточный канал 24, служащий в качестве выходного канала, и внешний периферийный проточный канал 25, служащий в качестве входного канала, из условия, чтобы жидкий азот, протекающий по внутреннему периферийному проточному каналу 24 на переднем конце трубопровода, перемещался и подвергался циркуляции в периферийный проточный канал 25. Трубопровод 22 содержит вакуумный теплоизоляционный слой 23, предусмотренный на его внешней периферийной поверхности, за исключением позиции, соответствующей ротору 11.
Поскольку якорные обмотки 17 и 19 также сформированы из сверхпроводящего материала, жидкий азот, хранимый в баке 21 жидкого азота, используется для охлаждения якорных обмоток 17 и 19.
Более точно, двухтрубный трубопровод 27 выведен из бака 21 жидкого азота, трубопровод 27 содержит внутренний периферийный проточный канал 28, служащий в качестве выходного канала, и внешний периферийный проточный канала 29, служащий в качестве входного канала. В такой конструкции жидкий азот, протекающий через внутренний периферийный проточный канал 28 на переднем конце трубопровода, перемещается и подвергается циркуляции в периферийный проточный канал 29. Трубопровод 27 раздваивается к задней стороне статора 12 и задней стороне статора 13 из условия, чтобы раздвоенные трубопроводы 27 тянулись до центральных позиций частей крепления якорных обмоток 17 и 19 соответствующих статоров 12 и 13. Передние концы раздвоенных трубопроводов 27 сообщаются с отверстиями 12b и 13b ввода хладагента, углубленными в задних сторонах статоров 12 и 13, соответственно, с тем, чтобы вводить хладагент. Отверстия 12b и 13b ввода хладагента расположены в позициях, соответствующих якорным обмоткам 17 и 19 соответственно. Трубопровод 27 содержит вакуумный теплоизоляционный слой 30, предусмотренный на внешней периферийной поверхности трубопровода 27, за исключением участков, которые вмещены в отверстия 12b и 13b ввода хладагента статоров 12 и 13.
Согласно электродвигателю 10 со сверхпроводящей обмоткой с аксиальным зазором, сконфигурированному таким образом, обмотки 15 возбуждения сформированы из сверхпроводящего материала. Таким образом, возможно прикладывать большой ток с высоким коэффициентом полезного действия, без потерь в меди, и т.п. Как результат, возможно реализовать двигательный момент высокой выходной мощности и уменьшить габариты и вес. Кроме того, в качестве конструкции с аксиальным зазором статоры 12 и 13 расположены в аксиальном направлении ротора 11. Поэтому диаметр может уменьшаться и также могут быть снижены шумы вращения. Кроме того, поскольку статоры 12 и 13 расположены по обеим сторонам ротора 11, магнитное поле может быть усилено, что дает возможность реализовать более высокую выходную мощность. В дополнение, магнитный материал используется для статоров 12 и 13, чтобы служить в качестве задних обойм, из условия, чтобы предотвращалось формирование магнитного поля утечки. Таким образом, магнитное поле дополнительно усиливается, что дает возможность реализовать высокий выходной крутящий момент. Кроме того, в полых частях обмоток 15 возбуждения и якорных обмоток 17 и 19 магнитные тела (пермендюр) предусмотрены в качестве коллекторов 16, 18 и 20 потока. Таким образом, магнитное поле усиливается, что дает возможность реализовать высокую выходную мощность.
В дополнение, в этом варианте осуществления обмотки 15 возбуждения ротора 11 и якорные обмотки 17 и 19 статоров 12 и 13 сформированы из сверхпроводящего материала. Однако только одни из них сформированы из сверхпроводящего материала, а другие могут формироваться из обычного проводящего материала. В этом случае расстояние между торцевой поверхностью вращения ротора 11 и торцевыми поверхностями статоров 12 и 13 на стороне ротора может быть установлено в с 1 мм до 20 мм. То есть между ними может быть предусмотрен зазор.
Кроме того, статоры 12 и 13 и коллекторы 18 и 20 потока формируются раздельно. Однако, когда статоры 12 и 13 и коллекторы 18 и 20 потока сформированы из одного и того же материала, они могут формироваться как целая часть. В качестве хладагента, в дополнение к жидкому азоту, может использоваться жидкий неон, жидкий гелий или тому подобное.
Ниже описан второй вариант осуществления изобретения.
Как показано на фиг.3, отличие от первого варианта осуществления состоит в том, что коллекторы 35 потока, расположенные в полых частях обмоток 15 возбуждения ротора 11, утоплены так, чтобы не выступать из торцевых поверхностей обмоток 15 возбуждения.
Если используется эта конфигурация, коллекторы 35 потока не выступают из передних торцевых поверхностей обмоток 15 возбуждения. Таким образом, сила притяжения, вызываемая магнитной силой, почти не формируется между статорами 12 и 13 во время сборки, и т.п. Кроме того, не происходят никакие столкновения между ротором 11 и статорами 12 или 13. Поэтому позиционирование легко выполняется, в то время как зазор поддерживается при заданном расстоянии.
Ниже описан третий вариант осуществления изобретения. Как показано на фиг.4, отличие от первого варианта осуществления состоит в том, что воздушные зазоры S предусмотрены в полых частях якорных обмоток 17 и 19 статоров 12 и 13.
Если используется эта конфигурация, магнитные тела не представлены в полых частях якорных обмоток 17 и 19, противостоящих коллекторам 16 потока ротора 11, а сила притяжения, вызванная магнитной силой между элементами возбуждения, не формируется во время сборки и т.п. Таким образом, позиционирование может легко выполняться наряду с тем, что зазор между ротором 11 и статорами 12 и 13 поддерживается при заданном расстоянии.
Вообще, когда коллекторы потока расположены в полых частях обмоток, магнитное поля усиливается. Как показано на фиг.5, однако, магнитный поток почти не повышается после того, как ток превышает определенное значение. Кроме того, когда коллекторы потока не предусмотрены, магнитное поле имеет тенденцию усиливаться. То есть, электродвигатель 40 со сверхпроводящей обмоткой с аксиальным зазором по этому варианту осуществления может реализовать высокий выходной крутящий момент, когда верхний предел тока может быть установлен в высокое значение. Кроме того, возможно уменьшать вес электродвигателя постольку, поскольку не предусмотрены коллекторы потока. Другие части этого варианта осуществления являются такими же, как таковые по первому варианту осуществления. Поэтому идентичные номера ссылок даны таким же частям, как и по первому варианту осуществления, а их описание опущено. Кроме того, поскольку базовые условия изменяются в соответствии с наличием или отсутствием коллекторов потока, формы обмоток также значительно изменяются. Отмечено, что не описывается, что изменяются эксплуатационные характеристики в соответствии с наличием или отсутствием коллекторов потока, так как используются идентичные обмотки.
В этом варианте осуществления воздушные зазоры предусмотрены в полых частях якорных обмоток 17 и 19 статоров 12 и 13. Однако даже когда немагнитные тела, такие как FRP (волокнит) или тому подобные, расположены в полых частях в качестве модификации по этому варианту осуществления, возможно получать такие же результаты. В частности, когда воздушные зазоры не предусмотрены в полых частях, но немагнитные тела расположены в полых частях, обмотки поддерживаются немагнитными телами, из условия, чтобы улучшалась прочность крепления.
Ниже описан четвертый вариант осуществления изобретения.
Отличие от первого варианта осуществления состоит в том, что статоры 12 и 13 сформированы из FRP, который является немагнитным телом.
То есть статоры 12 и 13 не сформированы из магнитного тела (такого как железо), вес которого относительно тяжел, а сформированы из легкого немагнитного тела, такого как полимер или тому подобное. Поэтому может быть снижен вес электродвигателя. В частности, во многих случаях, крупногабаритный электродвигатель, который должен использоваться на судах, сконфигурирован в виде синхронного электродвигателя с последовательным соединением, в котором роторы и статоры расположены поочередно в аксиальном направлении. Поэтому посредством снижения весов соответственных статоров 12 и 13 вес электродвигателя может значительно уменьшаться. Результаты в высшей степени значительны. Другие части по этому варианту осуществления являются такими же, как таковые по первому варианту осуществления и соответственно их описание опущено.
В этом варианте осуществления статоры 12 и 13 сформированы из FRP. Однако из FRP может формироваться ротор 11. Кроме того, конфигурация, где статоры 12 и 13 и/или ротор 11 сформированы из немагнитных тел, таких как FRP, может быть применена ко всем вариантам осуществления изобретения.
Ниже описан пятый вариант осуществления изобретения.
Как показано на фиг.6, отличия от первого варианта осуществления состоят в том, что якорные обмотки 54, изготовленные из сверхпроводящего материала, предусмотрены на роторе 51, обмотки 55 и 56 возбуждения, изготовленные из. сверхпроводящего материала, предусмотрены на статорах 52 и 53, и воздушные зазоры S предусмотрены в полых частях якорных обмоток 54.
В этом варианте осуществления ротор 51 электродвигателя 50 со сверхпроводящей обмоткой с аксиальным зазором содержит вращающийся вал, зафиксированный в его центре так, чтобы проходить через центр, множество отверстий 51а крепления обмоток, которые предусмотрены на равных интервалах в круговом направлении на внешней периферийной стороне ротора 51, и множество якорных обмоток 54, утопленных в отверстиях 51а крепления обмоток, якорные обмотки являются изготовленными из сверхпроводящего материала. По существу, множество якорных обмоток 54 закреплены на равных интервалах в круговом направлении вокруг оси, из условия, чтобы направления магнитного потока соответствующих якорных обмоток 54 были направлены в аксиальном направлении. Якорные обмотки 54 сформированы так, чтобы не выступать из обеих боковых поверхностей ротора 51. В качестве материала для ротора 51 используется магнитный материал, такой как пермендюр, кремнистая сталь, железо или пермаллой. Кроме того, в качестве сверхпроводящего материала для формирования якорных обмоток 54 используется основанный на висмуте или основанный на иттрии сверхпроводящий материал. Соответствующие якорные обмотки 54 сконфигурированы так, чтобы снабжаться необходимой энергией из источника питания (не показан).
Статоры 52 и 53 имеют взаимно симметричные формы. Статоры 52 и 53, зафиксированные на поверхности G основания, содержат множество впалых частей 52а и 53а крепления обмоток, сформированных на их поверхностях, противостоящих ротору, эти впалые части 52а и 53а крепления обмоток формируются на равных интервалах в круговом направлении на внешней периферийной стороне. Множество обмоток 55 и 56 возбуждения, изготовленных из сверхпроводящего материала, утоплены во впалых частях 52а и 53а крепления обмоток соответственно. По существу, множество обмоток 55 и 56 возбуждения закреплены на равных интервалах в круговом направлении вокруг оси, из условия, чтобы направления их магнитного потока были направлены в аксиальном направлении. В полых частях соответственных обмоток 55 и 56 возбуждения расположены коллекторы потока (магнитные тела) 18 и 20, изготовленные из пермендюра. Любые из коллекторов 18 и 20 потока и обмоток 55 и 56 возбуждения сделаны не выступающими из боковых поверхностей статоров 52 и 53. Обмотки 55 и 56 возбуждения сконфигурированы так, чтобы снабжаться необходимой энергией из источника питания (не показан).
В качестве материала для статоров 52 и 53 используется магнитный материал, такой как пермендюр, кремнистая сталь, железо или пермаллой, с тем, чтобы выполнять роль в качестве задней обоймы. Кроме того, в качестве сверхпроводящего материала для формирования обмоток 55 и 56 возбуждения используется основанный на висмуте или основанный на иттрии сверхпроводящий материал.
Изменения среди вышеописанных вариантов осуществления, то есть наличие или отсутствие коллекторов потока в полых частях обмоток, материалы ротора и/или статоров и тому подобное также могут применяться к случаю, где обмотки 55 и 56 возбуждения предусмотрены в статорах 52 и 53, как в этом варианте осуществления.
Кроме того, в этом варианте осуществления и вышеописанном третьем варианте осуществления любой из ротора и статоров содержит магнитные тела, расположенные в полых частях их обмоток. Однако как ротор, так и статоры, могут иметь воздушные зазоры (или немагнитные тела, такие как FRP), сформированные в полых частях их обмоток, в отсутствие магнитных тел.
Ниже описан шестой вариант осуществления изобретения.
Как показано на фиг.7, отличие от первого варианта осуществления состоит в том, что постоянные магниты 33, изготовленные из материала, иного чем сверхпроводящий материал, используются в качестве элементов возбуждения, которые должны крепиться на роторе 11. Постоянные магниты 33 закреплены во множестве отверстий 11а" крепления, которые предусмотрены в роторе 11" на равных интервалах в круговом направлении ротора. В этом случае направления магнитного потока постоянных магнитов 33 направлены в аксиальном направлении ротора 11".
Если используется этот вариант осуществления, постоянные магниты 33 могут просто располагаться на роторе 11". Поэтому эффективность производства электродвигателя 60 со сверхпроводящей обмоткой типа с аксиальным зазором улучшается. Кроме того, не требуется устройство для подачи энергии к элементам возбуждения или конструкция охлаждения, что дает возможность упростить конструкцию электродвигателя.
Кроме того, хотя в качестве элементов возбуждения используются постоянные магниты 33, возможно эффективно справляться с любой ситуацией, если выходная мощность составляет от 1 кВт до 5 МВт. Кроме того, по сравнению с тем, когда обмотки используются в качестве обмоток 33 возбуждения, как в первом варианте осуществления, возможно уменьшить габариты электродвигателя.
Другие части и эксплуатационные результаты по этому варианту осуществления являются такими же, как таковые по первому варианту осуществления. Поэтому идентичные номера ссылок даны таким же частям, как таковые по первому варианту осуществления, и соответственно их описание опущено.
Конфигурация, в которой элементы возбуждения являются магнитными телами, а не обмотками, может применяться к третьему по пятый вариантам осуществления.
ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ
Электродвигатель со сверхпроводящей обмоткой с аксиальным зазором согласно изобретению может достигать высокой выходной мощности и уменьшать его габариты. Поэтому электродвигатель соответствующим образом используется в качестве приводного электродвигателя для перевозочных транспортных средств, таких как автомобили, поезда и суда. В частности, электродвигатель соответствующим образом используется в качестве гребного электродвигателя судов.
1. Электродвигатель со сверхпроводящей обмоткой с аксиальным зазором, содержащий
статоры, расположенные с требуемыми воздушными зазорами в аксиальном направлении ротора так, чтобы противостоять друг другу,
множество элементов возбуждения, расположенных на любом одном из ротора и статоров вокруг оси ротора,
множество якорных обмоток, расположенных на другом таковом вокруг оси, при этом
магнитные потоки, генерируемые множеством элементов возбуждения и множеством якорных обмоток, направлены в аксиальном направлении, якорные обмотки выполнены из сверхпроводящего материала,
в полых частях якорных обмоток расположены коллекторы потока, выполненные в виде магнитных тел.
2. Электродвигатель со сверхпроводящей обмоткой с аксиальным зазором по п.1, в котором
элементы возбуждения представляют собой обмотками возбуждения, сформированные из сверхпроводящего материала.
3. Электродвигатель со сверхпроводящей обмоткой с аксиальным зазором по п.1, в котором
элементы возбуждения представляют собой постоянные магниты.
4. Электродвигатель со сверхпроводящей обмоткой с аксиальным зазором по п.1, в котором
статоры расположены по обеим сторонам ротора в аксиальном направлении ротора,
вращающийся вал, зафиксированный в роторе, подвешен так, чтобы проходить через подшипники статоров, и
элементы возбуждения и якорные обмотки распложены на одной и той же оси с воздушными зазорами в аксиальном направлении.
5. Электродвигатель со сверхпроводящей обмоткой с аксиальным зазором по п.2, в котором
в полых частях обмоток возбуждения расположены коллекторы потока, выполненные в виде магнитных тел.
6. Электродвигатель со сверхпроводящей обмоткой с аксиальным зазором по п.5, в котором
передние края коллекторов потока установлены в тех же самых позициях, что и поверхности передних краев обмоток возбуждения, где расположены коллекторы потока, или в позициях, которые отступают от поверхностей передних краев обмоток возбуждения.
7. Электродвигатель со сверхпроводящей обмоткой с аксиальным зазором по п.1, в котором
передние края коллекторов потока установлены в тех же самых позициях, что и поверхности передних краев якорных обмоток, где расположены коллекторы потока, или в позициях, которые отступают от поверхностей передних краев якорных обмоток.
8. Электродвигатель со сверхпроводящей обмоткой с аксиальным зазором по п.1, в котором
статоры и/или ротор сформированы из магнитного тела.
9. Электродвигатель со сверхпроводящей обмоткой с аксиальным зазором по любому одному из пп.1, 5 и 8, в котором
для магнитного тела используют материал, обладающий высокой плотностью магнитного потока/высокой магнитной проницаемостью.
10. Электродвигатель со сверхпроводящей обмоткой с аксиальным зазором по п.9, в котором
материалом, обладающим высокой плотностью магнитного потока/высокой магнитной проницаемостью, является пермендюр.
Изобретение относится к области электротехники, а именно к электрическим машинам с бесконтактной коммутацией, осуществляемой с помощью полупроводниковых приборов, и может быть использовано для электроприводов, например, в системах электродвижения морских судов, подводных лодок, в тяговых приводах электроподвижных наземных транспортных средств, подъемных устройствах, приводах насосов, вентиляторов, электроинструмента и т.д.
Изобретение относится к области электротехники, в частности к электрическим машинам, и касается выполнения электродвигателей со сверхпроводящей обмоткой и с аксиальным зазором, точнее высокомоментных электродвигателей, которые используются, например, в качестве привода автомобилей и судов
Проект «Инновационная энергетика/Сверхпроводниковая индустрия»По прогнозу специалистов (WORLD ENERGY OUTLOOK FACTSHEET; IEA) мировое потребление электроэнергии за период 2011-2035 гг. вырастет более чем на 2/3.Потери же электроэнергии в энергосистеме РФ по данным Минэнерго России оцениваются в 13-15%. Проект Госкорпорации «Росатом» «Инновационная энергетика/ Сверхпроводниковая индустрия» направлен на создание инновационной технической базы для повышения энергетической эффективности экономики страны.
Проект был утвержден в рамках Комиссии при Президенте РФ по модернизации и технологическому развитию экономики России по приоритетному направлению «Энергоэффективность» в октябре 2009 г. со сроками реализации 2010-2015 гг.
Для ликвидации отставания отечественных разработок по высокотемпературным сверхпроводникам второго поколения (ВТСП-2) ГК «Росатом» приобрела у немецкой компании Bruker HTS технологию по производству таких сверхпроводников. Была поставлена задача к 2015 г. создать основы инновационной сверхпроводниковой индустрии, разработав ряд прототипных устройств на основе эффекта высокотемпературной сверхпроводимости, заложить основы промышленного производства высокотемпературных сверхпроводников второго поколения.
В работе принимали участие более 20 научных, промышленных и конструкторских организаций, в том числе: ИАЭ, НИИЭФА, ИФВЭ, ФИАН, ИМЕТ, ХФТИ, ИМФ СО РАН, ВЭИ, ВНИИНМ, ВНИИКП, НИИТФА, «Кристалл», УМЗ, ЧМЗ, Кирскабель, Электросила, МИФИ, МАИ, ГУАП, МИСиС и др.
Рис.1 Стадии проекта 2010-2015 гг. [Развитие в ГК «Росатом» сверхпроводящих технологий на базе ВТСП-2, Панцырный В. И., Авдиенко А.А. ОАО «Русский сверхпроводник», V Всероссийская НПК «Принципы и механизмы формирования национальной инновационной системы», Дубна 2014 г.]
В рамках проекта «Сверхпроводниковая индустрия» были поставлены задачи:
Разработать отечественные технологии производства высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) методом импульсной лазерной абляции,
Разработать прототипные сверхпроводниковые устройства энергетического назначения на основе ВТСП:
Сверхпроводниковые ограничители токов короткого замыкания резистивного и индуктивного типов для сетей постоянного и переменного тока мощностью в интервале от 5 до 35 МВт;
Двигатель мощностью 200 кВт,
Генератор мощностью 1 МВт,
Трансформатор мощностью 1000 кВА,
Индуктивный накопитель энергии энергоемкостью 1 МДж,
Кинетический накопитель энергии энергоемкостью более 5 МДж,
Токовводы в криогенные системы с токонесущей способностью 15 кА.
В перспективе рассматривается создание производств электротехнического оборудования на основе высокотемпературных сверхпроводников. Ключевыми направлениями с точки зрения коммерческой энергетики является применение сверхпроводников для создания кабелей и силовой электротехники и устройств хранения электроэнергии (индуктивные и кинетические накопители).
За счет сверхмалых потерь энергии и больших токов сверхпроводниковые кабели выводят на новый уровень энергоэффективность сетевого хозяйства. Возникают принципиально новые условия для размещения объектов генерации и экспорта электроэнергии. Электротехническое оборудование и силовые установки на основе эффекта сверхпроводимости повышают показатели эффективности на железнодорожном и морском транспорте, в энергетике, нефтегазовой отрасли, обрабатывающей промышленности и др. Системные применения сверхпроводимости охватывают сверхпроводящие магнитные устройства; криогенные хранилища; космические платформы; кинетические накопители энергии. Поезда, использующие эффект магнитной левитации (MagLev), могут развивать скорость до 1000 км/ч. Ещё одним применением сверхпроводимости может стать сверхпроводниковый квантовый компьютер.
По мнению главы ОАО «Русский сверхпроводник» В.И.Панцырного, использование сверхпроводников позволит России существенно экономить за счет сокращения потерь электроэнергии.
История вопроса
Технологией создания сверхпроводниковых материалов атомщики занимаются давно. Начиная с 1970-х гг., технические сверхпроводники начали разрабатывать Курчатовский институт и Институт им. А.А. Бочвара. С 1960-х гг. проблемами технической сверхпроводимости занимается НИИЭФА им. Д. В. Ефремова, основным направлением которого было создание магнитных систем термоядерных реакторов. Разработанные во ВНИИНМе им. А. А. Бочвара технологии композиционных сверхпроводниковых материалов были внедрены в промышленное производство. Низкотемпературные сверхпроводники (НТСП) на основе сверхпроводящего сплава NbTi и интерметаллида Nb 3 Sn, работающие при температуре жидкого гелия 4,2 К (-268,9°С), использовались для создания в СССР первых в мире крупных токамаков (тороидальных камер с магнитными катушками) Т-7 и Т-15 со сверхпроводящими магнитными системами.
40-летний опыт работ
в области композиционных НТСП позволил России принять участие в международном
проекте по созданию термоядерного реактора ИТЭР. Наряду с ведущими компаниями
Европы, США и Японии, Россия вошла в число производителей сверхпроводников. Для
обеспечения поставок сверхпроводящих материалов для магнитной системы ИТЭР на
базе Чепецкого механического завода (ЧМЗ) было организовано промышленное
производство НТСП мощностью 60
т/годсверхпроводящих
материалов. С момента
запуска производства в 2009 г.
для ИТЭР было выпущено ~99 т сверхпроводящих
материалов на основе Nb 3 Sn и ~125 т - на основе Nb-Ti.
Другим ключевым потребителем низкотемпературных сверхпроводников является производство медицинских магнитно-резонансных томографов.
В 1990-х гг. начался новый этап в развитии сверхпроводимости. Ученые А.Мюллер и Й.Беднорц из исследовательской лаборатории IBM в Швейцарии в 1985-1986 гг. синтезировали металлооксидную керамику - соединение лантана, бария, меди и кислорода (La—Ва—Cu—О) , которое проявляло сверхпроводимость при температуре 35 К. Мир охватила лихорадка поиска новых сверхпроводников. Критическая температура от 45 К для соединения La—Sr—Cu—О поднялась до 52 К для La—Ва—Cu—О (под давлением). В феврале 1987 г. американец Пол Чу синтезировал соединение YBa 2 Cu 3 O 7, критическая температура которого достигла 93К, перевалив через «азотный рубеж». Открытие высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) отодвинуло температурную границу сверхпроводимости до температуры кипения жидкого азота (77 К), гораздо более дешевой криогенной жидкости, которая к тому же обладает высокими диэлектрическими свойствами, сопоставимыми с трансформаторным маслом. По состоянию на 1 января 2006 г. рекорд принадлежал керамическому соединению Hg—Ba—Ca—Cu—O(F), критическая температура для которого равна 138 К. При давлении 400 кбар то же соединение является сверхпроводником при температурах до 166 К. Й. Беднорцу и К.Мюллеру в 1987 г. была присуждена Нобелевская премия по физике за открытие высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП).
Как коммерческий продукт ВТСП-лента появилась на мировом рынке в конце 2000-х гг. Были созданы образцы ВТСП проводов и кабелей; на основе сверхпроводящей керамики были изготовлены ВТСП двигатели, генераторы, ограничители тока, информационные системы, антенные решетки, сверхпроводящие подшипники и другие изделия. В 2004 г. были созданы сверхпроводниковые прототипы всех электрических устройств.
Ограничители тока резистивного типа на основе лент ВТСП-2 производства американской фирмы «SuperPower» были подключены к сети компании «Silicon Valley Power» в Калифорниив 2013 г. Другой ограничитель тока был подключен к сети компании «Central Hudson» в штате Нью-Йорк в июне 2014 г. Первый в мире промышленный сверхпроводящий кабель длиной 1 км, соединивший две городские подстанции, был запущен в немецком Эссене в сентябре 2014 г. Трехфазный концентрический кабель на 10000 В проекта «AmpaCity» был рассчитан на передачу 40 МВт мощности.
Задачи проекта «Сверхпроводниковая индустрия»
Головной компанией для реализации проекта была утверждена ГК «Росатом», координация работ поручена АО «Русский сверхпроводник», научное руководство - НИЦ «Курчатовский институт».
Под №1 в этой программе стояла «разработка технологий и создание опытного производства длинномерных ленточных высокотемпературных сверхпроводников второго поколения (ВТСП-2) и объемных керамик для производства ВТСП». В качестве головных исполнителей выступили АО «НИИЭФА» и АО «НИИТФА», разработчиками технологий полуфабрикатов ВТСП-2 - АО «ВНИИНМ», АО «ГИРЕДМЕТ».
В промышленности производятся два типа материалов на основе высокотемпературной сверхпроводимости - ВТСП материалы 1 и 2 поколения. ВТСП 1 поколения представляют собой ленты, состоящие из нитей сверхпроводника на основе оксида висмута, имплантированных в серебряную матрицу. Их недостатки — наличие больших теплопритоков и механическая хрупкость, а также высокая стоимость из-за серебряной матрицы.
ВТСП ленты 2 поколения имеют слоистую структуру. На основу - металлическую ленту последовательно наносятся буферный слой для защиты поверхности металла, слой ВТСП и защитный слой. ВТСП ленты 2 поколения по сравнению с ВТСП-1 лентами имеют ряд преимуществ:
Меньшую стоимость (более дешевые материалы);
Большую плотность критического тока и меньшие потери на переменном токе;
Большую механическую прочность;
Возможность работы в сильных магнитных полях.
На базе опытно-экспериментальной установки по производству ВТСП-2 лент, приобретенной у немецкой компании «Брукер Эйч Ти Эс», в НИЦ «Курчатовский институт» была смонтирована экспериментальная линия по производству ВТСП-2 ленты шириной 4 мм и длиной 100 м (рис.2).
Опытное производство высокотемпературных сверхпроводящих материалов «Росатома» было организовано на трех площадках:
Во ОАО «ВНИИНМ» производят ленту-подложку, на которую в «НИИТФА» наносят ориентированный слой. Там же во ВНИИНМе разработана технология изготовления всех типов мишеней для нанесения буферных и сверхпроводящих слоев;
В АО «НИИТФА» функционирует участок опытного производства лент-подложек длиной до 1000 м с ориентированным буферным покрытием на основе ионного напыления с ориентированием;
В ОАО «НИИЭФА» - участок опытного производства ВТСП-2 лент длиной до 1000 м (рис.3), где лазерным напылением на ленту наносят остальные слои, включая слой сверхпроводящей оксидной керамики.
Опытное производство длинномерных ВТСП-2 в НИИЭФА и НИИТФА запущено в 2015 г. Данная стратегия позволила создать в России мирового уровня научный центр по материаловедению высокотемпературных сверхпроводников, разработать и изготовить уникальное оборудование промышленного масштаба для производства ВТСП-2 ленточных проводников. Были отработаны отечественные технологии и созданы опытные участки для производства необходимых исходных материалов. В АО «Русский сверхпроводник» запущено опытное производство объемных ВТСП.
Рис.2 Линия для изготовления ВТСП-2 длиной до 100 м
Промышленное производство ВТСП-2 планируется создать на базе ЧМЗ. Чепецкий механический завод обладает высоким технологическим потенциалом для реализации наукоемких проектов в различных сферах применения, в том числе высокотемпературной сверхпроводимости, поэтому в 2012 г. ОАО «ТВЭЛ» и ОАО «ЧМЗ» был поручен сбор исходных данных и выполнение предварительной технико-экономической оценки создания нового промышленного производства ВТСП-2.
Для успешной коммерциализации ВТСП-технологий должны быть разработаны различные электротехнические устройства (двигатели и генераторы, токоограничители, накопители энергии и т.д.), в которых будут заинтересованы потребители, так как в перспективе их применение позволит снизить стоимость киловатт-часа для потребителя.
По сравнению с медным проводом такого же размера ВТСП кабель может
передавать в 5 раз больше энергии, несмотря на наличие системы охлаждения.
Дополнительные затраты на сверхпроводниковые устройства компенсирует их повышенная энергоэффективность. Чтобы передать 300 МВт мощности на
распределительном напряжении 10-20 кВ, нужно 36 обычных кабелей, которые укладываются в кабельный канал шириной до 8 м. Эту же мощность можно передать одним ВТСП-кабелем, диаметр которого 11 см с учетом системы охлаждения.
На примере использования ВТСП-кабеля в сетевом хозяйстве Москвы «Русский сверхпроводник» показал, что эти решения дешевле на 20% по сравнению с традиционными технологиями. Научно-технический центр Федеральной сетевой компании (НТЦ ФСК) разработал новый формат линии электропередачи, предназначенной для Москвы, Санкт-Петербурга и других крупнейших городов России - кабельную ЛЭП постоянного тока на основе высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП-КЛПТ). ВТСП-КЛПТ применяются в случаях, когда необходимо распределение больших потоков электроэнергии на низком напряжении (10 кВ или 20 кВ) непосредственно с шин генераторного напряжения ТЭЦ или шин питающих подстанций. При этом в схеме отсутствуют необходимые для передачи значительной мощности повышающие и понижающие трансформаторы (например, 20/110 кВ и 110/20 кВ) и исключается или замещается строительство занимающих городское пространство воздушных линий электропередачи. ВТСП-кабели позволяют в разы снизить потери в силовых электросетях, сверхпроводниковые ограничители тока — существенно повысить надежность электроснабжения.
Рис.3 Оборудование опытного производства ВТСП-2 длиной до 1000 м на основе лазерного напыления (НИИЭФА)
Другим перспективным для использования сверхпроводников сектором является транспорт. В 2014 г. «Росатом» подписал с «Российскими железными дорогами» соглашение о научно-техническом сотрудничестве, предполагающем создание ВТСП-устройств:
Электроустановок для локомотивов,
Ограничителей тока для тяговых подстанций,
Использование эффекта магнитной левитации для сверхскоростных поездов.
В городском транспорте рассматривается использование сверхпроводниковых двигателей и накопителей энергии на электробусах.
Ведутся работы по применению ВТСП в судостроении для систем электродвижения и в авиации при создании полностью электрических самолетов.
Для инновационной энергетики на возобновляемых источниках энергии (ВИЭ) перспективным является создание сверхпроводниковых генераторов для ветроустановок (ВЭУ) большой мощности, позволяющее в разы сократить вес и габариты установок по сравнению с традиционными генераторами. Оптимальным вариантом является создание автономных комплексов - ВЭУ со сверхпроводниковыми генератором и накопителем энергии.
По оценкам В.И.Панцырного, директора по развитию «Русского сверхпроводника», объем рынка ВТСП с $1,8 млрд долл. в 2015 г. вырастет до $5,8 млрд к 2022 г. А к 2040 г. суммарный объем спроса на ВТСП-технологии составит 6-17 млрд долл.
Преимущества сверхпроводниковых электрических машин
Общими для всех типов преимуществами сверхпроводниковых электрических машин являются следующие:
Пониженные потери и повышенный КПД (до 0.5-1.0%),
Улучшенные массогабаритные характеристики (в 2-3 раза),
Уменьшенные величины реактивных сопротивлений,
Уменьшенные энергозатраты в процессе производства (до 30%),
Замедленный процесс старения электрической изоляции,
Экологическая безопасность.
Электротехнические устройства на основе ВТСП
Опытный образец ограничителя тока короткого замыкания (СОТ) для сетей 3,5/10/35 кВ был разработан в «НИИТФА» - СОТ на основе ВТСП-2 резистивного типа на постоянное напряжение 3,5 кВ, номинальный ток 2 кА. Опытное производство НИИ технической физики и автоматизации способно выпускать 10-15 СОТ в год. Модифицированный по результатам испытаний опытного образца СОТ будет использоваться в системе тягового электроснабжения железных дорог.
Внедрение альтернативных источников энергии потребует специальных решений для включения их в существующие энергетические сети, в том числе должен быть решен вопрос накопления энергии. Сверхпроводниковые накопители энергии используются также при создании источников бесперебойного питания и в качестве элементов энергосистем транспортного исполнения. Разработкой кинетического накопителя энергии (КНЭ) со сверхпроводниковым магнитным подвесом занимался Московский авиационный институт. Опытный образец КНЭ энергоемкостью 5 МДж с ВТСП магнитным подвесом был испытан в декабре 2015 г. на испытательном стенде АО «НИИЭМ» (г. Истра).
МАИ разработал также сверхпроводниковый электродвигатель для транспортных систем. Сокращение массогабаритных параметров электротехнических устройств за счет применения ВТСП-материалов является весьма важным преимуществом при их использовании на транспорте (авиационном, морском, железнодорожном, автомобильном). На рис.4 показан опытный образец синхронного ВТСП электродвигателя мощностью 200 кВт с ВТСП-2 обмотками возбуждения на роторе и вращающимся криостатом. Рабочая температура ВТСП-2 магнитной системы - 77К.
Рис.4 ВТСП электродвигатель мощностью 200 кВт (МАИ)
Развитие ветроэнергетики набирает обороты во всем мире, в том числе и в России.По итогам конкурса на строительство объектов, работающих на основе возобновляемых источников энергии (ВИЭ), "ВетроОГК" (входит в ГК "Росатом") получила право на строительство 15 ветропарков общей установленной мощностью 360 МВт. Объекты ветрогенерации планируется построить в Краснодарском крае и Адыгее, два объекта - в Курганской области. Ветроэнегетика также будет востребована для хозяйствующих объектов Арктического побережья. Подразделение компании “Электросфера”, “Ветропарк Инжиниринг” собиралась построить на территории петербургской дамбы ветроэлектростанцию, состоящую из 30 ветряков. Общая мощность ветровой электростанции должна была составить 100 МВт. Пока ВЭС остается в стадии проекта.
Коллектив специалистов МАИ под руководством К.Л.Ковалева (в кооперации с сотрудниками НИИЭМ, АКБ «Якорь», ГУАП, НИФ «Криомагнит») создал компактный ВТСП синхронный генератор для ветроэнергетических установок мощностью 1 МВА с ВТСП-2 обмотками возбуждения на роторе и вращающимся криостатом. Рабочая температура ВТСП-2 системы - 77К.
Снижение потерь энергии на каждый генератор мощностью 6 МВт составит 170 кВт. При работе 6000 час/год экономия составит 3 млн. руб/год на каждый генератор. Массогабаритные размеры сверхпроводящих генераторов при равной мощности в 3-4 раза меньше традиционных.
В Петербургском «НИИЭФА им. Д.В.Ефремова» был создан индуктивный накопитель энергии (СПИН) с ВТСП-2 магнитной системой энергоемкостью 1 МДж и мощностью 1 МВА (рис.5).
Сверхпроводящие накопители индуктивного типа запасают энергию в виде магнитного поля в соленоидальных или тороидальных магнитных системах. И позволяют быстро вывести запасенную энергию, что важно для специальных импульсных систем.
Разработкой СПИН в качестве импульсных источников питания для устройств мощностью 10 11 -10 12 Вт при токах 1-6 MA с продолжительностью импульса 1-100 мсек в НИИЭФА занимались с 1970-х гг. Современные технологии сделали возможным создание соленоидов с запасенной энергией 12-17 MДж. Возможно производство источников тока с запасенной энергией до 30 МДж и мощностью 1-5 MВт для использования в локальных сетях.
Рис.5 ВТСП СПИН 1 МДж
Интересным направлением в сверхпроводниковой технике является использование эффекта левитации для высокоскоростного транспорта. Этим занимается Китай, Япония. После сильного землетрясения, при котором очень сильно пострадал монорельс на опытном кольце в Осаке, японцы отдали предпочтение транспорту на ВТСП-подвесе. Сам поезд с ВТСП-подвесом - это электрическая машина, и поездной путь - это фактически обмотка статора. То, что было повреждено на опытном кольце в Японии после землетрясения, быстро выровняли.
На выставочной экспозиции международного форума «АТОМЭКСПО 2017» (Москва, июнь 2017 г.), среди инновационных продуктов и технологий атомной отрасли посетителям был представлен действующий макет систем магнитной левитации с пониженным электропотреблением, работающий на принципе сверхпроводимости, также созданный специалистами АО «НИИЭФА».
В рамках проекта «Сверхпроводниковая индустрия» Энергетическим институтом им. Г.М.Кржижановского (АО «ЭНИН») был разработан опытный образец сверхпроводникового трансформатора.
Отсутствие старения изоляции; возможность кратковременной двукратной перегрузки; возможность получения меньшего значения напряжения короткого замыкания; меньший вес и размеры по сравнению с обычными трансформаторами - являются очевидными преимуществами силовых трансформаторов на базе ВТСП материалов. Нагрузочные потери в ВТСП трансформаторах при номинальном токе ниже на 80-90%, общая масса меньше ~ в 2 раза, габариты в 2-3 раза, что позволяет устанавливать такие трансформаторы в энергосистемах транспортного назначения.
Был создан опытный образец трехфазного ВТСП трансформатора мощностью 1 МВА, класса напряжения 10/0,4 кВ с ВТСП-2 обмотками и магнитопроводом из аморфной стали. Рабочая температура ВТСП-2 обмоток - 77К.
Наибольший интерес ВТСП-трансформаторы представляют для стран с системой транспортировки по железным дорогам с туннелями, то есть ограничением по габаритам (Корея, Япония, Швейцария).
Одним из перспективных направлений развития атомной энергетики являются термоядерные реакторы с магнитным удержанием плазмы, в магнитной системе которых используются как низкотемпературные, так и высокотемпературные сверхпроводники. В качестве токовводов, рассчитанных на пропускание токов в десятки кА, используются токовводы на основе ВТСП материалов.
ВТСП-токовводы к НТСП-системам были разработаны коллективом Курчатовского НБИКС под руководством В.Е.Кейлина (26.02.1933 - 24.11.2014). В последние годы В.Е.Кейлин принимал активное участие в работах по созданию устройств ВТСП-индустрии: мощных высокотемпературных токовводов, сверхпроводниковых линий электропередач, токовводов для коллайдера NICA в Дубне. Его работы по криостатам для сверхпроводящих магнитов и сильноточным токовводам получили широкое признание и до сих пор считаются классическими.
Были созданы нескольких типов ВТСП токовводов:
Для ускорительной техники,
Для устройств термоядерного синтеза,
Электроэнергетического назначения (соединительные муфты ВТСП кабеля),
Сильноточные гибкие ВТСП-2 токоподводы.
Коллективом специалистов СПбГУАП под руководством Л.И.Чубраевой был создан компактный проект комплекса ВТСП оборудования для плавучей АЭС, который одобрило руководство «Росатома». При разработке проекта было учтено и место размещения ПАТЭС. Металлургический комбинат и больница, находящиеся рядом с местом дислокации ПАТЭС, могли бы получать кислород, образующийся в процессе получения жидкого азота для работы ВТСП оборудования ПАТЭС. Работа над проектом показала, что для эффективной сверхпроводниковой техники важно создание не единичных изделий, а ВТСП комплексов, в которых слабые места отдельных устройств будут перекрываться суммарным эффектом всей системы, которая может иметь замкнутый контур охлаждения. Комплексное решение позволяет сокращать не только габариты всей системы, но и экономить расходы на её содержание.
Рис.6 Комплекс ВТСП оборудования для плавучей АЭС.
В НТЦФедеральной сетевой компании Единой энергетической системы» («ФСК ЕЭС») в декабре 2014 г. был введен в эксплуатацию криогенный испытательный комплекс для сверхпроводниковых устройств. Фрагментированная стендовая криогенная база в России сдерживает развитие сверхпроводниковой индустрии. Модернизация одной из ключевых в стране криогенных исследовательских установок позволит решить часть этих проблем.
В ноябре 2015 г. на заседании Научного совета Отделения механики, энергетики, машиностроения и процессов управления (ЭММПУ) РАН по прикладной сверхпроводимости в энергетике были представлены результаты выполнения Проекта «Сверхпроводниковая индустрия».
В конце 2015 г. разработка программ перспективных работ по созданию и совершенствованию производства ВТСП-2, а также по электроэнергетическим применениям ВТСП оборудования продолжилась.
Проект «Сверхпроводниковая индустрия» на 2016-2020 гг. (ВТСП системы различного назначения) предполагал создание СП систем в объектах генерирования и передачи электроэнергии (ГЭС, АЭС, ТЯС, ветровые) - построение электрогенерирующего комплекса электростанций с применением ВТСП в единой системе: Криосистема - Генератор - Кабель - Трансформатор - СОТ - СПИН (накопитель) - ЛЭП.
Применение ВТСП в космическом, морском, авиационном, автомобильном, железнодорожном, в том числе, МАГЛЕВ транспорте, в медицине (томографы, циклотроны), в науке (ускорители) и др.
На сегодняшний день сформирована инфраструктура технической сверхпроводимости, объединяющая научные центры, вузы, промышленные предприятия. Для формирования рынка сверхпроводниковой продукции в России необходима государственная поддержка путем участия в финансировании работ по созданию кластеров сверхпроводниковой индустрии СП энергетических устройств, изготовленных из отечественных сверхпроводников.
В настоящее время продолжается формирование следующего этапа программы проекта «Сверхпроводниковая индустрия». По мнению экспертов, для достижения необходимых параметров ВТСП не стоит отказываться от низкотемпературной сверхпроводимости. Исследования в этом направлении должны продолжаться. Требуется также скачок в поиске новых сверхпроводящих материалов. Замечательный сверхпроводник второго рода диборид магния имеет критическую температуру 39 К, то есть нуждается в охлаждении неоном.
Сложные системы охлаждения, необходимые для устойчивой работы сверхпроводниковых устройств гелиевого уровня тормозили широкое применение явления сверхпроводимости. Им на смену на этапе ВТСП пришли компактные и надежные криоохладители различных типов. Создание новых материалов, способных сохранять сверхпроводящее состояние без охлаждения, будет иметь революционное значение для технологий будущего. Применение таких материалов кардинально повысит эффективность энергораспределительных сетей и сделает энергетику значительно экономичней.
Участники проекта «Сверхпроводниковая индустрия» представили доклады о своей работе на Национальной конференции по прикладной сверхпроводимости (НКПС-2015) в НИЦ «Курчатовский институт», на Международной научной конференции «АтомТех-2015. Электрофизика», на ПМЭФ 2015-2017 гг., Международном форуме «АТОМЭКСПО 2017».
На конференции «АтомТех-2015. Электрофизика» представители АО «Русский сверхпроводник» выступили с докладами о результатах работ в области технологий и применений ВТСП-2 для энергетики и транспорта, проведенных в рамках Проекта. О перспективах применения сверхпроводящих материалов и технологий на базе ВТСП-2 директор по развитию ОАО «Русский сверхпроводник» В.И.Панцырный докладывал на Международном форуме «Атомная энергия для устойчивого развития» в Петербурге и Всероссийской научно-практической конференции «Принципы и механизмы формирования национальной инновационной системы» в Дубне в 2014 г. Обсуждению вопросов развития прикладной сверхпроводимости был посвящен целый ряд заседаний Дома ученых им. Горького в Санкт-Петербурге.
Материал по выступлениям на вышеперечисленных конференциях подготовлен Т.А.Девятовой
