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Die Zukunft der Energie - supraleitende Stromerzeuger, Transformatoren und Stromleitungen

 

Die Zukunft der Energie - supraleitende Stromerzeuger, Transformatoren und StromleitungenEine der Hauptrichtungen der wissenschaftlichen Entwicklung beschreibt theoretische und experimentelle Studien auf dem Gebiet der supraleitenden Materialien, und eine der Hauptrichtungen der technologischen Entwicklung ist die Entwicklung supraleitender Turbogeneratoren.

Supraleitende elektrische Geräte erhöhen die elektrischen und magnetischen Belastungen der Geräteelemente erheblich und verringern dadurch ihre Größe erheblich. In einem supraleitenden Draht ist eine Stromdichte von 10 ... 50 mal der Stromdichte in herkömmlichen elektrischen Geräten zulässig. Magnetfelder können auf Werte in der Größenordnung von 10 T gebracht werden, verglichen mit 0,8 ... 1 T in herkömmlichen Maschinen. Angesichts der Tatsache, dass die Abmessungen elektrischer Geräte umgekehrt proportional zum Produkt aus zulässiger Stromdichte und magnetischer Induktion sind, ist klar, dass die Verwendung von Supraleitern die Größe und das Gewicht elektrischer Geräte um ein Vielfaches verringert!

Laut einem der Entwickler des Kühlsystems für neue Arten von kryogenen Turbogeneratoren des sowjetischen Wissenschaftlers I.F. Filippov, es gibt Grund, die Aufgabe in Betracht zu ziehen, wirtschaftliche Kryoturbogeneratoren mit gelösten Supraleitern herzustellen. Vorläufige Berechnungen und Studien geben Hoffnung, dass nicht nur die Größe und das Gewicht, sondern auch die Effizienz neuer Maschinen höher sein werden als die der fortschrittlichsten Generatoren eines traditionellen Designs.


Diese Meinung teilen die Leiter der Arbeiten zur Schaffung eines neuen supraleitenden Turbogenerators der KTG-1000-Serie, Academician I.A. Glebov, Doktor der Technischen Wissenschaften V.G. Novitsky und V.N. Shakhtarin. Der KTG-1000-Generator wurde im Sommer 1975 getestet, gefolgt vom kryogenen Turbogenerator KT-2-2, der von der Electrosila-Vereinigung in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern des Instituts für Physik und Technologie für niedrige Temperaturen der Akademie der Wissenschaften der ukrainischen SSR entwickelt wurde. Die Testergebnisse ermöglichten den Aufbau einer supraleitenden Einheit mit deutlich höherer Leistung.

Hier einige Daten eines bei VNIIelektromash entwickelten supraleitenden 1200-kW-Turbogenerators. Die supraleitende Feldwicklung besteht aus einem Draht mit einem Durchmesser von 0,7 mm mit 37 supraleitenden Adern aus Niob-Titan in einer Kupfermatrix. Zentrifugale und elektrodynamische Kräfte in der Wicklung werden von einem Edelstahlverband wahrgenommen. Zwischen der äußeren dickwandigen Edelstahlhülle und dem Verband befindet sich ein elektrothermisches Kupfersieb, das durch den Fluss von kaltem gasförmigem Helium gekühlt wird, das durch den Kanal fließt (es kehrt dann zum Fluidisierer zurück).

Die Lager arbeiten bei Raumtemperatur. Die Statorwicklung besteht aus Kupferleitern (Kühler - Wasser) und ist von einer ferromagnetischen Abschirmung aus beladenem Stahl umgeben. Der Rotor dreht sich in einem Vakuumraum innerhalb der Isolierschale. Das Vakuum in der Schale wird durch Dichtungen gewährleistet.

Der experimentelle KTG-1000-Generator war einst der größte Kryoturbogenerator der Welt. Der Zweck seiner Erstellung besteht darin, das Design großer rotierender Kryostate und Heliumversorgungsvorrichtungen für die supraleitende Rotorwicklung zu testen, den Wärmekreislauf, den Betrieb der supraleitenden Rotorwicklung zu untersuchen und diese zu kühlen.

Die Zukunft der Energie - supraleitende Stromerzeuger, Transformatoren und StromleitungenUnd die Aussichten sind einfach faszinierend. Eine Maschine mit einer Leistung von 1300 MW wird eine Länge von ungefähr 10 m mit einer Masse von 280 Tonnen haben, während eine Maschine mit der gleichen Leistung mit einer ähnlichen Kapazität eine Länge von 20 m mit einer Masse von 700 Tonnen haben wird! Schließlich ist es schwierig, eine gewöhnliche Maschine mit einer Leistung von mehr als 2000 MW herzustellen, und mit Supraleitern können Sie tatsächlich eine Einheitsleistung von 20.000 MW erreichen!

Der Materialgewinn macht also etwa drei Viertel der Kosten aus. Produktionsprozesse werden erleichtert. Es ist für jede Maschinenfabrik einfacher und billiger, mehrere große elektrische Maschinen herzustellen als eine große Anzahl kleiner: Es werden weniger Arbeitskräfte benötigt, der Maschinenpark und andere Geräte werden nicht so stark beansprucht.

Für die Installation eines leistungsstarken Turbogenerators wird eine relativ kleine Fläche des Kraftwerks benötigt. Dies bedeutet, dass die Kosten für den Bau eines Maschinenraums reduziert werden und die Station schneller in Betrieb genommen werden kann. Und je größer die elektrische Maschine ist, desto höher ist ihr Wirkungsgrad.

All diese Vorteile schließen jedoch technische Schwierigkeiten nicht aus, die bei der Erstellung großer Energieeinheiten auftreten. Und vor allem kann ihre Leistung nur bis zu bestimmten Grenzen gesteigert werden. Berechnungen zeigen, dass es nicht möglich sein wird, die Obergrenze zu überschreiten, die durch die Leistung eines 2500 MW-Turbogenerators begrenzt ist, dessen Rotor sich mit einer Drehzahl von 3000 U / min dreht, da diese Grenze in erster Linie durch Festigkeitseigenschaften bestimmt wird: Spannungen in der mechanischen Struktur einer Maschine mit einer höheren Leistungssteigerung nehmen so stark zu Diese Fliehkräfte verursachen unweigerlich einen Rotorausfall.

Während des Transports entstehen viele Sorgen. Um denselben Turbogenerator mit einer Leistung von 1200 MW zu transportieren, musste ein Gelenkförderer mit einer Tragfähigkeit von 500 Tonnen und einer Länge von fast 64 m gebaut werden. Jedes seiner beiden Drehgestelle ruhte auf 16 Autoachsen.

Viele Hindernisse selbst fallen weg, wenn Sie den Effekt der Supraleitung nutzen und supraleitende Materialien auftragen. Dann können die Verluste in der Rotorwicklung praktisch auf Null reduziert werden, da der Gleichstrom darin keinen Widerstand trifft. Und wenn ja, steigt der Wirkungsgrad der Maschine. Ein großer Strom, der durch die supraleitende Feldwicklung fließt, erzeugt ein so starkes Magnetfeld, dass es nicht mehr erforderlich ist, einen für jede elektrische Maschine herkömmlichen Stahlmagnetkreis zu verwenden. Durch den Wegfall von Stahl werden die Masse des Rotors und seine Trägheit verringert.

Die Zukunft der Energie - supraleitende Stromerzeuger, Transformatoren und StromleitungenDie Schaffung kryogener elektrischer Maschinen ist keine Modeerscheinung, sondern eine Notwendigkeit, eine natürliche Folge des wissenschaftlichen und technologischen Fortschritts. Und es gibt allen Grund zu der Annahme, dass supraleitende Turbogeneratoren mit einer Leistung von mehr als 1000 MW bis zum Ende des Jahrhunderts in Stromversorgungssystemen funktionieren werden.

Die erste elektrische Maschine in der Sowjetunion mit Supraleitern wurde bereits 1962 ... 1963 am Institut für Elektromechanik in Leningrad entworfen. Es war eine Gleichstrommaschine mit einem herkömmlichen ("warmen") Anker und einer supraleitenden Feldwicklung. Seine Leistung betrug nur wenige Watt.

Seitdem arbeiten die Mitarbeiter des Instituts (jetzt VNIIelektromash) an der Schaffung supraleitender Turbogeneratoren für den Energiesektor. In den letzten Jahren konnten Pilotstrukturen mit einer Leistung von 0,018 und 1 MW und anschließend 20 MW gebaut werden ...

Was zeichnet diese Idee von VNIIelektromash aus?

Die supraleitende Feldspule befindet sich in einem Heliumbad. Flüssiges Helium tritt durch ein Rohr in der Mitte der Hohlwelle in den rotierenden Rotor ein. Verdampftes Gas wird durch den Spalt zwischen diesem Rohr und der Innenwand der Welle zur Kondensationseinheit zurückgeleitet.

Bei der Konstruktion der Rohrleitung für Helium gibt es wie beim Rotor selbst Vakuumhohlräume, die eine gute Wärmedämmung erzeugen. Das Drehmoment von der Antriebsmaschine wird der Feldwicklung über die „Wärmebrücken“ zugeführt - eine Struktur, die mechanisch stark genug ist, aber die Wärme nicht gut überträgt.

Infolgedessen ist die Rotorkonstruktion ein rotierender Kryostat mit einer supraleitenden Feldspule.

Der Stator des supraleitenden Turbogenerators weist wie in der herkömmlichen Ausführungsform eine dreiphasige Wicklung auf, bei der eine elektromotorische Kraft durch das Rotormagnetfeld angeregt wird.Studien haben gezeigt, dass es unpraktisch ist, eine supraleitende Wicklung in einem Stator zu verwenden, da bei Wechselstrom in Supraleitern erhebliche Verluste auftreten. Das Design eines Stators mit einer „normalen“ Wicklung hat jedoch seine eigenen Eigenschaften.

Es stellte sich heraus, dass die Wicklung im Prinzip im Luftspalt zwischen Stator und Rotor platziert und unter Verwendung von Epoxidharzen und Glasfaserstrukturelementen neu montiert werden konnte. Eine solche Schaltung ermöglichte es, mehr Kupferleiter im Stator zu platzieren.

Das Statorkühlsystem ist ebenfalls original: Die Wärme wird von Freon abgeführt, das gleichzeitig die Funktion eines Isolators übernimmt. Diese Wärme kann zukünftig mit einer Wärmepumpe für praktische Zwecke genutzt werden.

In dem Turbogeneratormotor mit einer Leistung von 20 MW wurde ein Kupferdraht mit rechteckigem Querschnitt von 2,5 × 3,5 mm verwendet. Darin werden 3600 Adern aus Niob-Titan gepresst. Ein solcher Draht kann Strom bis zu 2200 A übertragen.



Tests des neuen Generators bestätigten die berechneten Daten. Es stellte sich heraus, dass es doppelt so leicht ist wie herkömmliche Maschinen mit derselben Leistung, und sein Wirkungsgrad ist um 1% höher. Jetzt arbeitet dieser Generator im Lenenergo-System als Synchronkompensator und erzeugt Blindleistung.

Das Hauptergebnis der Arbeit ist jedoch die kolossale Erfahrung, die bei der Herstellung eines Turbogenerators gesammelt wurde. Darauf aufbauend hat der Leningrader Verband für den Bau elektrischer Maschinen Elektrosila begonnen, einen Turbogenerator mit einer Leistung von 300 MW zu entwickeln, der in einem der im Bau befindlichen Kraftwerke unseres Landes installiert wird.

Die supraleitende Rotorfeldwicklung besteht aus Niob-Titan-Draht. Das Gerät ist ungewöhnlich - die dünnsten Niob-Titan-Leiter werden zu einer Kupfermatrix gepresst. Dies geschieht, um den Übergang der Wicklung vom supraleitenden Zustand in den Normalzustand infolge des Einflusses von Schwankungen des Magnetflusses oder aus anderen Gründen zu verhindern. In diesem Fall fließt der Strom durch die Kupfermatrix, die Wärme wird abgeführt und der supraleitende Zustand wird wiederhergestellt.

Die Herstellungstechnologie des Rotors selbst erforderte die Einführung grundlegend neuer technischer Lösungen. Wenn der Rotor einer herkömmlichen Maschine aus einem massiven Schmiedestück aus magnetisch leitendem Stahl besteht, sollte er in diesem Fall aus mehreren ineinander eingefügten Zylindern aus nicht magnetischem Stahl bestehen. Zwischen den Wänden einiger Zylinder befindet sich flüssiges Helium, zwischen den Wänden anderer entsteht ein Vakuum. Die Zylinderwände müssen natürlich eine hohe mechanische Festigkeit aufweisen und vakuumdicht sein.

Die Masse des neuen Turbogenerators sowie die Masse seines Vorgängers ist fast doppelt so gering wie die Masse der üblichen gleichen Leistung, und der Wirkungsgrad wird um weitere 0,5 ... 0,7% erhöht. Der Turbogenerator „lebt“ seit ungefähr 30 Jahren und war die meiste Zeit in Betrieb. Es ist also klar, dass eine so scheinbar geringe Effizienzsteigerung ein sehr erheblicher Gewinn sein wird.

Energietechniker brauchen nicht nur kalte Generatoren. Mehrere Dutzend supraleitender Transformatoren wurden bereits hergestellt und getestet (der erste wurde 1961 von einem amerikanischen McPhee gebaut; der Transformator arbeitete mit einer Leistung von 15 kW). Es gibt Projekte für supraleitende Transformatoren mit einer Leistung von bis zu 1 Million kW. Bei ausreichend großen Leistungen sind supraleitende Transformatoren 40 ... 50% leichter als üblich mit ungefähr den gleichen Leistungsverlusten wie herkömmliche Transformatoren (bei diesen Berechnungen wurde auch die Leistung des Verflüssigers berücksichtigt).

Supraleitende Transformatoren weisen jedoch erhebliche Nachteile auf. Sie sind mit der Notwendigkeit verbunden, den Transformator vor der Überwindung des supraleitenden Zustands bei Überlastungen, Kurzschlüssen und Überhitzung zu schützen, wenn das Magnetfeld, der Strom oder die Temperatur kritische Werte erreichen können.

Wenn der Transformator nicht zusammenbricht, dauert es mehrere Stunden, bis er wieder abgekühlt ist und die Supraleitung wiederhergestellt ist. In einigen Fällen ist eine solche Unterbrechung der Stromversorgung nicht akzeptabel.Bevor über die Massenproduktion von supraleitenden Transformatoren gesprochen wird, müssen daher Maßnahmen zum Schutz vor Notfällen und zur Möglichkeit entwickelt werden, die Verbraucher während der Ausfallzeit des supraleitenden Transformators mit Strom zu versorgen. Die in diesem Bereich erzielten Erfolge lassen vermuten, dass das Problem des Schutzes supraleitender Transformatoren in naher Zukunft gelöst sein und ihren Platz in Kraftwerken einnehmen wird.

In den letzten Jahren ist der Traum von supraleitenden Stromleitungen der Verwirklichung immer näher gekommen. Die ständig steigende Nachfrage nach Strom macht die Übertragung von Hochleistung über große Entfernungen sehr attraktiv. Sowjetische Wissenschaftler haben überzeugend das Versprechen supraleitender Übertragungsleitungen gezeigt. Die Kosten der Leitungen sind vergleichbar mit den Kosten herkömmlicher Freileitungen (die Kosten eines Supraleiters sind angesichts des hohen Werts der kritischen Stromdichte im Vergleich zur wirtschaftlich realisierbaren Stromdichte in Kupfer- oder Aluminiumdrähten niedrig) und niedriger als die Kosten der Kabelleitungen.

Die Zukunft der Energie - supraleitende Stromerzeuger, Transformatoren und Stromleitungen

 

Es soll supraleitende Stromleitungen wie folgt verlegen: Zwischen den Endpunkten der Übertragung im Boden wird eine Rohrleitung mit flüssigem Stickstoff verlegt. In dieser Pipeline befindet sich eine Pipeline mit flüssigem Helium. Helium und Stickstoff fließen durch Rohrleitungen, da eine Druckdifferenz zwischen Start- und Endpunkt entsteht. Verflüssigungs- und Pumpstationen befinden sich daher nur am Ende der Linie.

Flüssiger Stickstoff kann gleichzeitig als Dielektrikum verwendet werden. Die Heliumleitung wird im Stickstoff durch dielektrische Gestelle getragen (bei den meisten Isolatoren werden die dielektrischen Eigenschaften bei niedrigen Temperaturen verbessert). Die Heliumleitung ist vakuumisoliert. Die Innenfläche der Flüssigheliumleitung ist mit einer Schicht eines Supraleiters beschichtet.

Die Verluste in einer solchen Leitung, die die unvermeidlichen Verluste an den Enden der Leitung berücksichtigen, an denen der Supraleiter bei normaler Temperatur mit den Reifen in Kontakt treten muss, werden einige Bruchteile eines Prozent nicht überschreiten, und in normalen Stromleitungen sind die Verluste 5 ... 10-mal höher!

Durch die Kräfte von Wissenschaftlern des nach G.M. Krzhizhanovsky und das All-Union Scientific Research Institute der Kabelindustrie haben bereits eine Reihe von experimentellen Segmenten supraleitender AC- und DC-Kabel erstellt. Solche Leitungen können mit moderaten Kosten und relativ niedriger Spannung (110 ... 220 kV) Strom auf viele tausend Megawatt mit einem Wirkungsgrad von mehr als 99% übertragen. Vielleicht noch wichtiger ist, dass supraleitende Stromleitungen keine teuren Blindleistungskompensationsvorrichtungen benötigen. Herkömmliche Leitungen erfordern die Installation von Stromdrosseln, leistungsstarken Kondensatoren, um übermäßige Spannungsverluste entlang des Pfades auszugleichen, und Leitungen an Supraleitern können sich selbst kompensieren!

Supraleiter erwiesen sich in elektrischen Maschinen als unverzichtbar, deren Funktionsprinzip äußerst einfach ist, die jedoch noch nie zuvor gebaut wurden, da sie zum Arbeiten sehr starke Magnete benötigen. Wir sprechen von magnetohydrodynamischen (MHD) Maschinen, die Faraday bereits 1831 zu implementieren versuchte.

Die Idee der Erfahrung ist einfach. Zwei Metallplatten wurden an den gegenüberliegenden Ufern in das Wasser der Themse getaucht. Wenn die Geschwindigkeit des Flusses 0,2 m / s beträgt, kann eine Spannung von etwa 10 μV / m von den Elektroden entfernt werden, wenn die Wasserstrahlen mit Leitern verglichen werden, die sich im Erdmagnetfeld von West nach Ost bewegen (seine vertikale Komponente beträgt ungefähr 5 · 10–5 T) .

Leider scheiterte dieses Experiment, der "Generator-Fluss" funktionierte nicht. Faraday konnte den Strom im Stromkreis nicht messen. Einige Jahre später wiederholte Lord Kelvin die Erfahrung von Faraday und erhielt eine kleine Strömung. Es scheint, dass alles wie in Faraday bleibt: die gleichen Platten, der gleiche Fluss, die gleichen Instrumente. Ist das der Ort nicht ganz so.Kelvin baute seinen Generator die Themse hinunter, wo sich sein Wasser mit dem Salzwasser der Meerenge vermischt.

Da ist sie! Das Wasser stromabwärts war salziger und hatte daher mehr Leitfähigkeit! Dies wurde sofort von den Instrumenten aufgezeichnet. Die Erhöhung der Leitfähigkeit des „Arbeitsmediums“ ist der allgemeine Weg, um die Leistung von MHD-Generatoren zu erhöhen. Sie können die Leistung aber auch auf andere Weise erhöhen - indem Sie das Magnetfeld erhöhen. Die Leistung des MHD-Generators ist direkt proportional zum Quadrat der Magnetfeldstärke.

Träume von MHD-Generatoren erhielten um die Mitte unseres Jahrhunderts eine echte Grundlage, als die ersten Chargen supraleitender Industriematerialien (Niob-Titan, Niob-Zirkonium) aufkamen, aus denen die ersten noch kleinen, aber funktionierenden Modelle von Generatoren, Motoren, Leitern und Magneten hergestellt werden konnten . Und 1962 schlugen die Briten Wilson und Robert auf einem Symposium in Newcastle ein Projekt für einen 20-MW-MHD-Generator mit einem Feld von 4 T vor. Wenn die Wicklung aus Kupferdraht besteht, kostet dies 0,6 mm / Dollar. Joule-Verluste werden die Nutzleistung (15 MW!) „Auffressen“. Bei Supraleitern umgibt die Wicklung die Arbeitskammer kompakt, es entstehen keine Verluste, und die Kühlung benötigt nur 100 kW Leistung. Der Wirkungsgrad steigt von 25 auf 99,5%! Es gibt etwas zu denken.

MHD-Generatoren wurden in vielen Ländern ernsthaft in Anspruch genommen, da in solchen Maschinen Plasma 8 ... 10-mal heißer als Dampf in Turbinen von Wärmekraftwerken verwendet werden kann und nach der bekannten Carnot-Formel der Wirkungsgrad nicht 40, sondern alle 60 beträgt %. Aus diesem Grund wird in den kommenden Jahren in der Nähe von Rjasan der erste industrielle MHD-Generator für 500 MW in Betrieb gehen.

Natürlich ist es nicht einfach, eine solche Station wirtschaftlich zu erstellen und zu nutzen: Es ist nicht einfach, sie in der Nähe eines Plasmastroms (2500 K) und eines Kryostaten mit Wicklung in flüssigem Helium (4 ... 5 K), heißen Elektroden, Verbrennung und Schlacke zu platzieren. Diese Additive müssen nur aus Schlacken ausgelaugt werden Diese wurden dem Plasma-Ionisationskraftstoff zugesetzt, aber der erwartete Nutzen sollte alle Arbeitskosten abdecken.

Man kann sich vorstellen, wie ein supraleitendes Magnetsystem eines MHD-Generators aussieht. An den Seiten des Plasmakanals befinden sich zwei supraleitende Wicklungen, die durch mehrschichtige Wärmedämmung von den Wicklungen getrennt sind. Die Wicklungen sind in Titankassetten fixiert und zwischen ihnen sind Titanabstandshalter angeordnet. Im Übrigen müssen diese Kassetten und Abstandshalter extrem langlebig sein, da die elektrodynamischen Kräfte in den Stromwicklungen dazu neigen, sie auseinander zu reißen und zusammenzuziehen.

Die Zukunft der Energie - supraleitende Stromerzeuger, Transformatoren und StromleitungenDa in der supraleitenden Wicklung keine Wärme erzeugt wird, darf der Kühlschrank, der für das Funktionieren des supraleitenden Magnetsystems erforderlich ist, die Wärme, die mit flüssigem Helium in den Kryostaten gelangt, nur durch Wärmedämmung und Stromleitungen abführen. Verluste in Stromleitungen können auf praktisch Null reduziert werden, wenn kurzgeschlossene supraleitende Spulen verwendet werden, die von einem supraleitenden Gleichstromtransformator gespeist werden.

Es wird geschätzt, dass ein Heliumverflüssiger, der den Verlust von Helium ausgleicht, das durch die Isolierung verdunstet, in einer Stunde mehrere zehn Liter flüssiges Helium produziert. Solche Verflüssiger werden von der Industrie hergestellt.

Ohne supraleitende Wicklungen wären große Tokamaks unrealistisch. In der Tokamak-7-Anlage fließt beispielsweise eine 12 Tonnen schwere Wicklung um einen Strom von 4,5 kA und erzeugt ein 2,4 T-Magnetfeld auf der Achse eines Plasma-Torus mit einem Volumen von 6 m3. Dieses Feld wird von 48 supraleitenden Spulen erzeugt, die nur 150 Liter flüssiges Helium pro Stunde verbrauchen, deren Wiederverflüssigung eine Leistung von 300 ... 400 kW erfordert.

Große Energie benötigt nicht nur wirtschaftliche, kompakte, leistungsstarke Elektromagnete, es ist auch für Wissenschaftler, die mit rekordverdächtigen starken Feldern arbeiten, schwierig, auf sie zu verzichten. Anlagen zur magnetischen Isotopentrennung werden um eine Größenordnung produktiver. Projekte mit großen Beschleunigern ohne supraleitende Elektromagnete werden nicht mehr berücksichtigt.Es ist völlig unrealistisch, auf Supraleiter in Blasenkammern zu verzichten, die zu äußerst zuverlässigen und empfindlichen Registraren von Elementarteilchen werden. Eines der rekordverdächtigen großen Magnetsysteme auf der Basis von Supraleitern (Argonne National Laboratory, USA) erzeugt ein 1,8-T-Feld mit einer gespeicherten Energie von 80 MJ. Eine gigantische Wicklung mit einem Gewicht von 45 Tonnen (von denen 400 kg an einen Supraleiter gingen) mit einem Innendurchmesser von 4,8 m, einem Außendurchmesser von 5,3 m und einer Höhe von 3 m benötigt nur 500 kW zum Abkühlen auf 4,2 K - eine vernachlässigbare Menge an Leistung.

Noch beeindruckender erscheint der supraleitende Magnet der Blasenkammer des Europäischen Zentrums für Kernforschung in Genf. Es hat folgende Eigenschaften: Magnetfeld in der Mitte bis 3 T, Innendurchmesser der „Spule“ 4,7 m, gespeicherte Energie 800 MJ.

Ende 1977 wurde am Institut für Theoretische und Experimentelle Physik (ITEP) einer der größten hyperleitenden Magnete der Welt, Hyperon, in Betrieb genommen. Sein Arbeitsbereich hat einen Durchmesser von 1 m, das Feld in der Mitte des Systems beträgt 5 T (!). Ein einzigartiger Magnet wurde für Experimente am IHEP-Protonensynchrotron in Serpukhov entwickelt.

Die Zukunft der Energie - supraleitende Stromerzeuger, Transformatoren und StromleitungenNachdem man diese beeindruckenden Zahlen verstanden hat, ist es schon irgendwie unpraktisch zu sagen, dass die technische Entwicklung der Supraleitung gerade erst beginnt. Als Beispiel können wir uns an die kritischen Parameter von Supraleitern erinnern. Wenn die Temperatur, der Druck, der Strom und das Magnetfeld einige als kritisch bezeichnete Grenzwerte überschreiten, verliert der Supraleiter seine ungewöhnlichen Eigenschaften und verwandelt sich in gewöhnliches Material.

Das Vorhandensein eines Phasenübergangs ist ganz natürlich, um äußere Bedingungen zu steuern. Wenn Supraleitung vorliegt, ist das Feld weniger als kritisch. Wenn der Sensor den Widerstand wiederhergestellt hat, ist das Feld über kritisch. Es wurde bereits eine Reihe von supraleitenden Messgeräten entwickelt: Ein Bolometer auf einem Satelliten kann ein beleuchtetes Streichholz auf der Erde „fühlen“, Galvanometer werden um das Tausendfache empfindlicher; Bei Resonatoren mit ultrahohem Q scheinen die Schwingungen des elektromagnetischen Feldes erhalten zu bleiben, da sie über einen extrem langen Zeitraum nicht abklingen.

Jetzt ist es an der Zeit, sich im gesamten elektrischen Teil der Energiewirtschaft umzuschauen, um zu verstehen, wie die Streuung supraleitender Bauelemente einen gesamtwirtschaftlichen Effekt erzielen kann. Supraleiter können die Einheitsleistung von Leistungsteilen erhöhen, Hochspannungsleistung kann sich allmählich in mehrere Ampere verwandeln. Statt der vier- oder sechsfachen Spannungsumwandlung zwischen Kraftwerk und Verbraucher ist es real, von ein oder zwei Transformationen mit einer entsprechenden Vereinfachung und einer billigeren Schaltung zu sprechen. Die Gesamteffizienz elektrischer Netze wird aufgrund von Joule-Verlusten zwangsläufig zunehmen. Das ist aber noch nicht alles.

Elektrische Systeme sehen unweigerlich anders aus, wenn in ihnen supraleitende induktive Energiespeicher (SPINs) verwendet werden! Tatsache ist, dass es von allen Branchen nur im Energiesektor keine Lager gibt: Die erzeugte Wärme und der Strom sind nirgends zu speichern, sie müssen sofort verbraucht werden. Mit Supraleitern sind gewisse Hoffnungen verbunden. Aufgrund des Mangels an elektrischem Widerstand kann der Strom für eine beliebig lange Zeit ohne Dämpfung durch einen geschlossenen supraleitenden Stromkreis zirkulieren, bis die Zeit für seine Auswahl durch den Verbraucher kommt. SPINS werden zu natürlichen Elementen des Stromnetzes. Sie müssen nur mit Reglern, Schaltern oder Wandlern von Strom oder Frequenz ausgestattet werden, wenn sie mit Stromquellen und Stromverbrauchern kombiniert werden.

Die Energieintensität von SPINs kann sehr unterschiedlich sein - von 10–5 (die Energie eines Portfolios, das aus den Händen gefallen ist) bis 1 kWh (ein Block von 10 Tonnen, der 40 Meter von einer Klippe gefallen ist) oder 10 Millionen kWh! Solch ein leistungsstarker Antrieb sollte die Größe eines Laufbandes um ein Fußballfeld haben, sein Preis wird 500 Millionen Dollar betragen und der Wirkungsgrad 95% betragen.Ein gleichwertiges Akkumulationskraftwerk wird 20% billiger sein, aber es wird ein Drittel der Kapazität für seinen Bedarf ausgeben! Die Anordnung der Kosten eines solchen SPIN ist hinsichtlich seiner Komponenten aufschlussreich: für Kühlschränke 2 ... 4%, für Stromrichter 10%, für supraleitende Wicklungen 15 ... 20%, für Wärmedämmung der Kältezone 25% und für Bandagen, Befestigungselemente und Abstandshalter - fast 50 %.

Seit dem Bericht von G.M. Krzhizhanovsky nach dem GOELRO-Plan auf dem VIII. Allrussischen Sowjetkongress ist mehr als ein halbes Jahrhundert vergangen. Die Umsetzung dieses Plans ermöglichte es, die Kapazität der Kraftwerke des Landes von 1 auf 200 ... 300 Millionen kW zu erhöhen. Jetzt gibt es eine grundlegende Möglichkeit, die Energiesysteme des Landes mehrere Dutzend Mal zu stärken, sie auf supraleitende elektrische Geräte zu übertragen und die Prinzipien des Aufbaus solcher Systeme zu vereinfachen.

Die Energiebasis zu Beginn des 21. Jahrhunderts können Kern- und Kernkraftwerke mit extrem leistungsstarken elektrischen Generatoren sein. Durch supraleitende Elektromagnete erzeugte elektrische Felder und leistungsstarke Flüsse können durch supraleitende Stromleitungen zum supraleitenden Energiespeicher fließen, von wo aus sie bei Bedarf von den Verbrauchern ausgewählt werden. Kraftwerke können Tag und Nacht gleichmäßig Strom erzeugen, und ihre Freigabe aus geplanten Modi sollte die Effizienz und Lebensdauer der Haupteinheiten erhöhen.

Sie können bodengestützten Kraftwerken Raum-Solarstationen hinzufügen. Sie schweben über festen Punkten des Planeten und müssen die Sonnenstrahlen in kurzwellige elektromagnetische Strahlung umwandeln, um fokussierte Energieflüsse an bodengestützte Wandler in industrielle Ströme zu senden. Alle elektrischen Geräte der elektrischen Raum-Raum-Systeme müssen supraleitend sein, da sich sonst die Verluste in den Leitern der endgültigen elektrischen Leitfähigkeit als unannehmbar groß herausstellen.

Vladimir KARTSEV "Magnet für drei Jahrtausende"

Siehe auch auf i.electricianexp.com:

  • Supraleitung in der Elektroindustrie. Teil 2. Die Zukunft gehört den Supraleitern ...
  • Supraleitende Magnete
  • Hochtemperatursupraleitung
  • Supraleitung in der Elektroindustrie: Gegenwart und Zukunft
  • In naher Zukunft werden alle Stromkabel aus supraleitenden Materialien bestehen ...

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    Kommentare:

    # 1 schrieb: Stas | [Zitat]

     
     

    Dies ist die Zukunft der Energie und SPIN ist die nahe Zukunft.