Το μέλλον των ενεργειακών - υπεραγώγιμων γεννητριών ισχύος, των μετασχηματιστών και των γραμμών μεταφοράς ενέργειας

Μία από τις κύριες κατευθύνσεις της ανάπτυξης της επιστήμης περιγράφει θεωρητικές και πειραματικές μελέτες στον τομέα των υπεραγώγιμων υλικών και μία από τις κύριες κατευθύνσεις της ανάπτυξης της τεχνολογίας είναι η ανάπτυξη υπεραγώγιμων στροβιλοπαραγωγών.

Ο υπεραγώγιμος ηλεκτρικός εξοπλισμός θα αυξήσει δραματικά τα ηλεκτρικά και μαγνητικά φορτία στα στοιχεία των συσκευών και έτσι θα μειώσει δραματικά το μέγεθός τους. Σε ένα υπεραγώγιμο σύρμα, επιτρέπεται μια πυκνότητα ρεύματος 10 ... 50 φορές της πυκνότητας ρεύματος στον συμβατικό ηλεκτρικό εξοπλισμό. Τα μαγνητικά πεδία μπορούν να φτάσουν σε τιμές της τάξης των 10 Τ, σε σύγκριση με 0,8 ... 1 Τ σε συμβατικές μηχανές. Δεδομένου ότι οι διαστάσεις των ηλεκτρικών συσκευών είναι αντιστρόφως ανάλογες με το προϊόν της επιτρεπόμενης πυκνότητας ρεύματος και της μαγνητικής επαγωγής, είναι σαφές ότι η χρήση υπεραγωγών θα μειώσει το μέγεθος και το βάρος του ηλεκτρικού εξοπλισμού πολλές φορές!

Σύμφωνα με έναν από τους σχεδιαστές του συστήματος ψύξης νέων τύπων κρυογονικών turbogenerators του σοβιετικού επιστήμονα I.F. Filippov, υπάρχει λόγος να εξεταστεί το έργο της δημιουργίας οικονομικών κρυογενεραγωγών με υπεραγωγούς που επιλύθηκαν. Προκαταρκτικοί υπολογισμοί και μελέτες δίνουν την ελπίδα ότι όχι μόνο το μέγεθος και το βάρος, αλλά και η αποδοτικότητα των νέων μηχανών θα είναι υψηλότερες από εκείνες των πιο προηγμένων γεννητριών ενός παραδοσιακού σχεδιασμού.

Η άποψη αυτή συμμερίζεται και οι επικεφαλής των εργασιών για τη δημιουργία ενός νέου υπεραγώγιμου στροβιλογεννήτη της σειράς KTG-1000, Ακαδημαϊκός Ι.Α. Glebov, Διδάκτορας Τεχνικών Επιστημών V.G. Novitsky και V.N. Σαχτάριν. Η γεννήτρια KTG-1000 δοκιμάστηκε το καλοκαίρι του 1975, ακολουθούμενη από τον κρυογενικό turbogenerator KT-2-2, που δημιουργήθηκε από την ένωση Electrosila σε συνεργασία με επιστήμονες του Ινστιτούτου Φυσικής και Τεχνολογίας Χαμηλών Θερμοκρασιών της Ακαδημίας Επιστημών της ουκρανικής SSR. Τα αποτελέσματα των δοκιμών επέτρεψαν την κατασκευή μιας υπεραγωγού μονάδας σημαντικά μεγαλύτερης ισχύος.

Εδώ είναι μερικά στοιχεία ενός στροβιλοπαραγωγού υπεραγωγού 1200 kW που αναπτύχθηκε στο VNIIelektromash. Η υπεραγωγική περιέλιξη πεδίου είναι κατασκευασμένη από σύρμα διαμέτρου 0,7 mm με 37 υπεραγώγιμες φλέβες νιόβιου-τιτανίου σε μήτρα χαλκού. Οι φυγοκεντρικές και ηλεκτροδυναμικές δυνάμεις στην περιέλιξη γίνονται αντιληπτές από έναν επίδεσμο από ανοξείδωτο χάλυβα. Μεταξύ του εξωτερικού περιβλήματος από ανοξείδωτο χάλυβα και του επιδέσμου, τοποθετείται ένα ηλεκτροθερμικό πλέγμα χαλκού, το οποίο ψύχεται από τη ροή ψυχρού αερίου ηλίου που διέρχεται από το κανάλι (στη συνέχεια επιστρέφει στο ρευστοποιητή).

Τα έδρανα λειτουργούν σε θερμοκρασία δωματίου. Η περιέλιξη του στάτη είναι κατασκευασμένη από αγωγούς χαλκού (ψύκτη - νερό) και περιβάλλεται από σιδηρομαγνητική ασπίδα κατασκευασμένη από φορτωμένο χάλυβα. Ο ρότορας περιστρέφεται σε ένα χώρο κενού εντός του κελύφους του μονωτικού υλικού. Το κενό στο κέλυφος είναι εγγυημένο από παρεμβύσματα.

Η πειραματική γεννήτρια KTG-1000 ήταν κάποτε ο μεγαλύτερος κρυογεννήτης στον κόσμο σε μέγεθος. Σκοπός της δημιουργίας του είναι να ελεγχθεί ο σχεδιασμός μεγάλων περιστρεφόμενων κρυσταλλών, οι συσκευές τροφοδοσίας ηλίου στην υπεραγωγική περιέλιξη του ρότορα, η μελέτη του θερμικού κυκλώματος, η λειτουργία της υπεραγωγού περιελίξεως του ρότορα και η ψύξη του.

Και οι προοπτικές είναι απλά μαγευτικές. Ένα μηχάνημα χωρητικότητας 1300 MW θα έχει μήκος περίπου 10 μ. Με μάζα 280 τόνων, ενώ μια παρόμοια μηχανή συμβατικού σχεδιασμού θα έχει μήκος 20 μ. Με μάζα 700 τόνων! Τέλος, είναι δύσκολο να δημιουργήσετε ένα συνηθισμένο μηχάνημα χωρητικότητας άνω των 2000 MW και με υπεραγωγούς μπορείτε πραγματικά να επιτύχετε μονάδα ισχύος 20.000 MW!

Έτσι, το κέρδος σε υλικά αντιπροσωπεύει περίπου τα τρία τέταρτα του κόστους. Οι διαδικασίες παραγωγής διευκολύνεται. Είναι ευκολότερο και φθηνότερο για κάθε μηχάνημα κατασκευής μηχανών να κατασκευάζει πολλές μεγάλες ηλεκτρικές μηχανές από ένα μεγάλο αριθμό μικρών: απαιτούνται λιγότεροι εργαζόμενοι, το μηχανοστάσιο και άλλος εξοπλισμός δεν είναι τόσο έντονος.

Για την εγκατάσταση ενός ισχυρού στροβιλοπαραγωγού, απαιτείται μια σχετικά μικρή περιοχή του σταθμού ηλεκτροπαραγωγής. Αυτό σημαίνει ότι το κόστος κατασκευής ενός μηχανοστασίου μειώνεται, ο σταθμός μπορεί να τεθεί σε λειτουργία γρηγορότερα. Και τελικά, όσο μεγαλύτερη είναι η ηλεκτρική μηχανή, τόσο μεγαλύτερη είναι η απόδοσή της.

Ωστόσο, όλα αυτά τα πλεονεκτήματα δεν αποκλείουν τεχνικές δυσκολίες που προκύπτουν κατά τη δημιουργία μεγάλων μονάδων ενέργειας. Και, το σημαντικότερο, η δύναμή τους μπορεί να αυξηθεί μόνο σε ορισμένα όρια. Οι υπολογισμοί δείχνουν ότι δεν θα είναι δυνατό να περάσει το ανώτατο όριο που περιορίζεται από την ισχύ ενός 2500 MW τουρμπενεναγωγού, ο ρότορας του οποίου περιστρέφεται με ταχύτητα 3000 σ.α.λ., δεδομένου ότι αυτό το όριο καθορίζεται πρώτα απ 'όλα από χαρακτηριστικά αντοχής: τάσεις στη μηχανική δομή μιας μηχανής με υψηλότερη αύξηση ισχύος ότι οι φυγόκεντρες δυνάμεις αναπόφευκτα θα προκαλέσουν βλάβη του ρότορα.

Πολλές ανησυχίες προκύπτουν κατά τη μεταφορά. Για τη μεταφορά του ίδιου στροβιλογεννήτη με δυναμικότητα 1200 MW, ήταν απαραίτητο να κατασκευαστεί ένας αρθρωτός μεταφορέας με χωρητικότητα 500 τόνων μήκους περίπου 64 μέτρων. Κάθε ένα από τα δύο φορεία του στήριζε 16 άξονες αυτοκινήτων.

Πολλά εμπόδια πέφτουν οι ίδιοι εάν χρησιμοποιήσετε την επίδραση της υπεραγωγιμότητας και εφαρμόσετε υπεραγώγιμα υλικά. Στη συνέχεια, οι απώλειες στην περιέλιξη του ρότορα μπορούν πρακτικά να μειωθούν στο μηδέν, καθώς το συνεχές ρεύμα δεν θα συναντήσει αντίσταση σε αυτό. Και αν ναι, η αποδοτικότητα της μηχανής αυξάνεται. Ένα μεγάλο ρεύμα που ρέει μέσα από την υπεραγώγιμη περιέλιξη πεδίου δημιουργεί ένα τόσο ισχυρό μαγνητικό πεδίο που δεν είναι πλέον απαραίτητο να χρησιμοποιήσετε ένα χαλύβδινο μαγνητικό κύκλωμα, παραδοσιακό για οποιαδήποτε ηλεκτρική μηχανή. Η εξάλειψη του χάλυβα θα μειώσει τη μάζα του ρότορα και την αδράνεια του.

Η δημιουργία κρυογονικών ηλεκτρικών μηχανών δεν αποτελεί μανία, αλλά αναγκαιότητα, φυσική συνέπεια της επιστημονικής και τεχνολογικής προόδου. Και υπάρχει κάθε λόγος να υποστηρίξουμε ότι μέχρι το τέλος του αιώνα θα λειτουργούν υπεραγωγικά turbogenerators με ισχύ πάνω από 1000 MW σε συστήματα ισχύος.

Η πρώτη ηλεκτρική μηχανή στη Σοβιετική Ένωση με υπεραγωγούς σχεδιάστηκε στο Ινστιτούτο Ηλεκτρομηχανολογίας στο Λένινγκραντ το 1962 ... 1963. Ήταν ένα μηχάνημα συνεχούς ρεύματος με ένα συμβατικό ("ζεστό") οπλισμό και μια υπεραγωγική περιέλιξη πεδίου. Η ισχύς της ήταν μόλις λίγα βατ.

Έκτοτε, το προσωπικό του ινστιτούτου (τώρα VNIIelektromash) εργάζεται για τη δημιουργία υπεραγώγιμων στροβιλοπαραγωγών για τον ενεργειακό τομέα. Τα τελευταία χρόνια ήταν δυνατή η κατασκευή δοκιμαστικών δομών χωρητικότητας 0,018 και 1 MW, και στη συνέχεια 20 MW ...

Ποια είναι τα χαρακτηριστικά αυτού του πνευματικού τέκνου του VNIIelektromash;

Το υπεραγωγό πηνίο πεδίου βρίσκεται σε λουτρό ηλίου. Το υγρό ήλιο εισέρχεται στον περιστρεφόμενο δρομέα μέσω ενός σωλήνα που βρίσκεται στο κέντρο του κοίλου άξονα. Το εξατμισθέν αέριο κατευθύνεται πίσω στη μονάδα συμπύκνωσης μέσω του διακένου μεταξύ αυτού του σωλήνα και του εσωτερικού τοιχώματος του άξονα.

Στο σχεδιασμό του αγωγού για ήλιο, όπως και στον ίδιο τον ρότορα, υπάρχουν κοιλότητες κενού που δημιουργούν καλή θερμομόνωση. Η ροπή από τον κύριο κινητήρα παρέχεται στο πεδίο που περιέλιξε μέσα από τις "θερμικές γέφυρες" - μια δομή που είναι μηχανικά αρκετά ισχυρή αλλά δεν μεταφέρει θερμότητα καλά.

Ως αποτέλεσμα, ο σχεδιασμός του δρομέα είναι ένας περιστρεφόμενος κρυοστάτης με ένα υπεραγωγικό πηνίο πεδίου.

Ο στάτης του υπεραγώγιμου στροβιλοπαραγωγού, όπως στην παραδοσιακή υλοποίηση, έχει τριφασική περιέλιξη στην οποία μια ηλεκτροκινητική δύναμη διεγείρεται από το μαγνητικό πεδίο του ρότορα.Μελέτες έχουν δείξει ότι δεν είναι πρακτικό να χρησιμοποιείται υπεραγωγική περιέλιξη σε στάτορα, καθώς υπάρχουν σημαντικές απώλειες σε εναλλασσόμενο ρεύμα σε υπεραγωγούς. Αλλά ο σχεδιασμός ενός στάτορα με "κανονική" περιέλιξη έχει τα δικά του χαρακτηριστικά.

Η περιέλιξη έγινε κατ 'αρχήν δυνατή, ώστε να τοποθετηθεί στο διάκενο αέρα μεταξύ του στάτορα και του δρομέα και να τοποθετηθεί με νέο τρόπο, χρησιμοποιώντας εποξειδικές ρητίνες και δομικά στοιχεία από υαλοβάμβακα. Ένα τέτοιο κύκλωμα κατέστησε δυνατή την τοποθέτηση περισσότερων αγωγών χαλκού στον στάτορα.

Το σύστημα ψύξης στάτορα είναι επίσης πρωτότυπο: η θερμότητα αφαιρείται από το freon, το οποίο εκτελεί ταυτόχρονα τη λειτουργία ενός μονωτήρα. Στο μέλλον, αυτή η θερμότητα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για πρακτικούς σκοπούς χρησιμοποιώντας μια αντλία θερμότητας.

Ένα χάλκινο σύρμα ορθογωνικής διατομής 2,5 x 3,5 mm χρησιμοποιήθηκε σε κινητήρα στροβιλοπαραγωγής ισχύος 20 MW. 3600 φλέβες από νιόβιο-τιτάνιο πιέζονται σε αυτό. Ένα τέτοιο σύρμα είναι ικανό να μεταδίδει ρεύμα έως 2200 Α.

Οι δοκιμές της νέας γεννήτριας επιβεβαίωσαν τα υπολογισθέντα δεδομένα. Αποδείχθηκε ότι είναι διπλάσιο από τα παραδοσιακά μηχανήματα της ίδιας ισχύος, και η αποτελεσματικότητά της είναι υψηλότερη κατά 1%. Τώρα αυτή η γεννήτρια λειτουργεί στο σύστημα Lenenergo ως σύγχρονος αντισταθμιστής και παράγει αντιδραστική ισχύ.

Αλλά το κύριο αποτέλεσμα της εργασίας είναι η κολοσσιαία εμπειρία που αποκτήθηκε κατά τη διαδικασία δημιουργίας ενός turbogenerator. Βασιζόμενη σε αυτό, ο Ηλεκτρολόγος Μηχανικός Ηλεκτρομηχανίας του Λένινγκραντ έχει αρχίσει να δημιουργεί ένα turbogenerator με ισχύ 300 MW που θα εγκατασταθεί σε έναν από τους σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής που βρίσκονται υπό κατασκευή στη χώρα μας.

Η περιτύλιξη πεδίου υπεραγωγού ρότορα είναι κατασκευασμένη από σύρμα νιοβίου-τιτανίου. Η συσκευή της είναι ασυνήθιστη - οι λεπτότεροι αγωγοί νιοβίου-τιτανίου πιέζονται σε μήτρα χαλκού. Αυτό γίνεται για να αποφευχθεί η μετάβαση της περιέλιξης από την υπεραγώγιμη κατάσταση στο φυσιολογικό ως αποτέλεσμα της επίδρασης των διακυμάνσεων στη μαγνητική ροή ή για άλλους λόγους. Εάν συμβεί αυτό, το ρεύμα θα ρέει μέσα από τη μήτρα χαλκού, η θερμότητα θα διαλυθεί και η κατάσταση υπεραγωγών θα αποκατασταθεί.

Η τεχνολογία κατασκευής του ίδιου του ρότορα απαιτούσε την εισαγωγή ριζικά νέων τεχνικών λύσεων. Εάν ο ρότορας μιας συμβατικής μηχανής κατασκευάζεται από στερεά σφυρηλασία μαγνητικά αγώγιμου χάλυβα, τότε σε αυτή την περίπτωση θα πρέπει να αποτελείται από αρκετούς κυλίνδρους που εισάγονται το ένα από το άλλο από μη μαγνητικό χάλυβα. Μεταξύ των τοίχων κάποιων κυλίνδρων υπάρχει υγρό ήλιο, ανάμεσα στα τοιχώματα των άλλων δημιουργείται ένα κενό. Τα κυλινδρικά τοιχώματα, φυσικά, πρέπει να έχουν υψηλή μηχανική αντοχή, να είναι στεγανή σε κενό.

Η μάζα του νέου turbogenerator, καθώς και η μάζα του προκάτοχού του, είναι σχεδόν 2 φορές λιγότερες από τη μάζα της συνηθισμένης ισχύος, ενώ η απόδοση αυξάνεται κατά 0,5 ... 0,7%. Ο στρόβιλος έχει "ζει" για περίπου 30 χρόνια και τις περισσότερες φορές ήταν σε λειτουργία, οπότε είναι σαφές ότι μια τέτοια φαινομενικά μικρή αύξηση στην απόδοση θα είναι ένα πολύ σημαντικό κέρδος.

Οι μηχανικοί ενέργειας δεν χρειάζονται μόνο ψυχρές γεννήτριες. Αρκετές δεκάδες υπεραγώγιμοι μετασχηματιστές έχουν ήδη κατασκευαστεί και δοκιμαστεί (ο πρώτος κατασκευάστηκε από την Αμερικανική McPhee το 1961. Ο μετασχηματιστής εργάστηκε σε επίπεδο 15 kW). Υπάρχουν έργα υπεραγωγικών μετασχηματιστών για ισχύ μέχρι 1 εκατομμύριο kW. Σε επαρκώς μεγάλες δυνάμεις, οι υπεραγώγιμοι μετασχηματιστές θα είναι 40 ... 50% ελαφρύτεροι απ 'ό, τι συνήθως με περίπου τις ίδιες απώλειες ισχύος με τους συμβατικούς μετασχηματιστές (στους υπολογισμούς αυτούς, ελήφθη επίσης υπόψη η ισχύς του υγροποιητή).

Οι υπεραγώγιμοι μετασχηματιστές, ωστόσο, έχουν σημαντικά μειονεκτήματα. Συνδέονται με την ανάγκη προστασίας του μετασχηματιστή από την έξοδο από την υπεραγώγιμη κατάσταση κατά τη διάρκεια υπερφόρτωσης, βραχυκυκλώματος, υπερθέρμανσης, όταν το μαγνητικό πεδίο, το ρεύμα ή η θερμοκρασία μπορεί να φτάσει σε κρίσιμες τιμές.

Αν ο μετασχηματιστής δεν καταρρεύσει, θα χρειαστούν αρκετές ώρες για να το δροσιστεί και πάλι και να αποκατασταθεί η υπεραγωγιμότητα. Σε ορισμένες περιπτώσεις, μια τέτοια διακοπή του τροφοδοτικού είναι απαράδεκτη.Ως εκ τούτου, πριν μιλήσουμε για τη μαζική παραγωγή υπεραγώγιμων μετασχηματιστών, είναι απαραίτητο να αναπτυχθούν προστατευτικά μέτρα έναντι των συνθηκών έκτακτης ανάγκης και η δυνατότητα παροχής ηλεκτρικού ρεύματος στους καταναλωτές κατά τη διάρκεια του χρόνου διακοπής του υπεραγωγικού μετασχηματιστή. Οι επιτυχίες που επιτεύχθηκαν στον τομέα αυτό μας επιτρέπουν να σκεφτούμε ότι στο εγγύς μέλλον θα επιλυθεί το πρόβλημα της προστασίας των υπεραγωγικών μετασχηματιστών και θα πάρουν τη θέση τους σε σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής.

Τα τελευταία χρόνια, το όνειρο των υπεραγώγιμων γραμμών ηλεκτρικής ενέργειας έχει γίνει όλο και πιο κοντά στην υλοποίηση. Η συνεχώς αυξανόμενη ζήτηση για ηλεκτρική ενέργεια κάνει τη μετάδοση υψηλής ισχύος σε μεγάλες αποστάσεις πολύ ελκυστική. Οι σοβιετικοί επιστήμονες έδειξαν πειστικά την υπόσχεση των υπεραγώγιμων γραμμών μεταφοράς. Το κόστος των γραμμών θα είναι συγκρίσιμο με το κόστος των συμβατικών εναέριων γραμμών μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας (το κόστος ενός υπεραγωγού, δεδομένης της υψηλής τιμής της κρίσιμης πυκνότητας ρεύματος σε σύγκριση με την οικονομικά εφικτή πυκνότητα ρεύματος σε σύρματα από χαλκό ή αλουμίνιο, είναι χαμηλό) και χαμηλότερο από το κόστος καλωδίων.

Υποτίθεται ότι εκτελεί υπεραγωγικές γραμμές μεταφοράς ενέργειας ως εξής: ένας αγωγός με υγρό άζωτο τοποθετείται μεταξύ των τελικών σημείων μετάδοσης στο έδαφος. Μέσα σε αυτόν τον αγωγό υπάρχει αγωγός με υγρό ήλιο. Η ροή του ηλίου και του αζώτου μέσω αγωγών οφείλεται στη δημιουργία διαφοράς πίεσης μεταξύ των σημείων εκκίνησης και τελών. Έτσι, οι σταθμοί υγροποίησης και άντλησης θα βρίσκονται μόνο στα άκρα της γραμμής.

Το υγρό άζωτο μπορεί να χρησιμοποιηθεί ταυτόχρονα ως διηλεκτρικό. Ο αγωγός ηλίου υποστηρίζεται μέσα στο άζωτο με διηλεκτρικά ράφια (στους περισσότερους μονωτήρες, οι διηλεκτρικές ιδιότητες βελτιώνονται σε χαμηλές θερμοκρασίες). Ο αγωγός ηλίου έχει μόνωση κενού. Η εσωτερική επιφάνεια του αγωγού υγρού ηλίου καλύπτεται με ένα στρώμα υπεραγωγού.

Οι απώλειες σε μια τέτοια γραμμή, λαμβανομένων υπόψη των αναπόφευκτων απωλειών στα άκρα της γραμμής, όπου ο υπεραγωγός πρέπει να διασυνδέεται με τα ελαστικά σε συνηθισμένη θερμοκρασία, δεν θα υπερβαίνει τα λίγα κλάσματα του ποσοστού και στις απλές γραμμές μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας οι απώλειες είναι 5 ... 10 φορές περισσότερες!

Από τις δυνάμεις των επιστημόνων του Ινστιτούτου Ενέργειας που ονομάστηκε μετά από Γ.Μ. Ο Krzhizhanovsky και το All-Union Scientific Research Institute της Καλωδιακής Βιομηχανίας έχουν ήδη δημιουργήσει μια σειρά από πειραματικά τμήματα υπεραγώγιμων καλωδίων AC και DC. Τέτοιες γραμμές θα μπορούν να μεταφέρουν ενέργεια σε πολλές χιλιάδες μεγαβάτ με απόδοση άνω του 99%, με μέτρια κατανάλωση και σχετικά χαμηλή (110 ... 220 kV) τάση. Ίσως ακόμη πιο σημαντικό, οι υπεραγώγιμες γραμμές μεταφοράς ενέργειας δεν θα χρειαστούν ακριβές συσκευές αντιστάθμισης ισχύος. Οι συμβατικές γραμμές απαιτούν την εγκατάσταση αντιδραστήρων ρεύματος, ισχυρών πυκνωτών προκειμένου να αντισταθμίσουν τις υπερβολικές απώλειες τάσης κατά μήκος της διαδρομής και οι γραμμές υπεραγωγών είναι σε θέση να αυτο-αντισταθμίσουν τους εαυτούς τους!

Οι υπεραγωγοί αποδείχθηκαν απαραίτητοι σε ηλεκτρικές μηχανές, η αρχή της οποίας είναι εξαιρετικά απλή, αλλά ποτέ δεν έχουν κατασκευαστεί, επειδή η δουλειά τους απαιτεί πολύ δυνατούς μαγνήτες. Μιλάμε για μηχανές μαγνητοϋδροδυναμικής (MHD), τις οποίες ο Faraday προσπάθησε να εφαρμόσει ήδη από το 1831.

Η ιδέα της εμπειρίας είναι απλή. Δύο μεταλλικές πλάκες βυθίστηκαν στο νερό του Τάμεση στις απέναντι όχθες του. Εάν η ταχύτητα του ποταμού είναι 0,2 m / s, τότε ο συνδυασμός των πιδάκων νερού με τους αγωγούς που κινούνται από δυτικά προς ανατολικά στο μαγνητικό πεδίο της Γης (το κατακόρυφο συστατικό του είναι περίπου 5,10-5 T) μπορεί να αφαιρεθεί από τα ηλεκτρόδια τάση περίπου 10 μV / m .

Δυστυχώς, αυτό το πείραμα τελείωσε σε αποτυχία · ο "γεννήτρια-ποτάμι" δεν λειτούργησε. Ο Faraday δεν μπόρεσε να μετρήσει το ρεύμα στο κύκλωμα. Αλλά λίγα χρόνια αργότερα, ο Λόρδος Kelvin επανέλαβε την εμπειρία του Faraday και έλαβε ένα μικρό ρεύμα. Φαίνεται ότι τα πάντα παρέμειναν όπως στο Faraday: οι ίδιες πλάκες, ο ίδιος ποταμός, τα ίδια όργανα. Αυτός ο τόπος δεν είναι ακριβώς αυτός.Ο Κέλβιν δημιούργησε τη γεννήτρια του κάτω από τον Τάμεση, όπου τα νερά του αναμιγνύονται με το αλμυρό νερό του στενού.

Εκεί είναι! Το νερό κατάντη ήταν πιο αλατούχο και επομένως είχε μεγαλύτερη αγωγιμότητα! Αυτό καταγράφηκε αμέσως από τα όργανα. Η αύξηση της αγωγιμότητας του "ρευστού εργασίας" είναι ο γενικός τρόπος αύξησης της ισχύος των γεννητριών MHD. Αλλά μπορείτε να αυξήσετε την ισχύ με άλλο τρόπο - αυξάνοντας το μαγνητικό πεδίο. Η ισχύς της γεννήτριας MHD είναι ευθέως ανάλογη προς το τετράγωνο της ισχύος του μαγνητικού πεδίου.

Τα όνειρα των γεννητριών MHD είχαν μια πραγματική θεμελίωση γύρω στα μέσα του αιώνα μας με την εμφάνιση των πρώτων παρτίδων υπεραγώγιμων βιομηχανικών υλικών (νιόβιο-τιτάνιο, νιόβιο-ζιρκόνιο), από τα οποία ήταν δυνατή η κατασκευή των πρώτων, ακόμα μικρών αλλά λειτουργικών μοντέλων γεννητριών, κινητήρων, αγωγών, σωληνοειδών . Και το 1962, σε ένα συμπόσιο στο Newcastle, οι βρετανοί Wilson και Robert πρότειναν ένα έργο για μια γεννήτρια MHD 20 MW με πεδίο 4 T. Εάν η περιέλιξη είναι κατασκευασμένη από σύρμα χαλκού, τότε με κόστος 0,6 mm / δολάριο. Ζούλες απώλειες σε αυτό "τρώνε επάνω" χρήσιμη χρησιμότητα (15 MW!). Αλλά σε υπεραγωγούς, η περιέλιξη θα περιβάλλει συμπαγή τον θάλαμο εργασίας, δεν θα υπάρξουν απώλειες σε αυτό, και η ψύξη θα πάρει μόνο 100kW ισχύος. Η απόδοση θα αυξηθεί από 25 σε 99,5%! Υπάρχει κάτι που πρέπει να σκεφτούμε.

Οι γεννήτριες MHD αντιμετωπίστηκαν σοβαρά σε πολλές χώρες, επειδή σε τέτοιες μηχανές είναι δυνατή η χρήση πλάσματος 8 ... 10 φορές θερμότερου από τον ατμό σε στρόβιλους θερμοηλεκτρικών σταθμών και σύμφωνα με τον γνωστό τύπο Carnot, η απόδοση δεν θα είναι 40, αλλά και τα 60 % Γι 'αυτό τα επόμενα χρόνια κοντά στο Ryazan θα αρχίσει να λειτουργεί η πρώτη βιομηχανική γεννήτρια MHD για 500 MW.

Φυσικά, δεν είναι εύκολο να δημιουργηθεί και να χρησιμοποιηθεί ένας τέτοιος σταθμός οικονομικά: δεν είναι εύκολο να τοποθετηθεί κοντά σε ένα ρεύμα πλάσματος (2500 K) και ένας κρυοστάτης με περιέλιξη σε υγρό ήλιο (4 ... 5 K), ηλεκτρόδια πυρακτώσεως και σκωρία, τα πρόσθετα που χρειάζονται μόνο να απομακρυνθούν από σκωρίες που προστέθηκαν στο καύσιμο ιονισμού πλάσματος, αλλά τα αναμενόμενα οφέλη θα πρέπει να καλύπτουν όλο το κόστος εργασίας.

Κάποιος μπορεί να φανταστεί τι μοιάζει με ένα υπεραγώγιμο μαγνητικό σύστημα μιας γεννήτριας MHD. Δύο υπεραγωγικές περιελίξεις βρίσκονται στις πλευρές του διαύλου πλάσματος, διαχωρισμένες από τις περιελίξεις με θερμομονωτική επίστρωση πολλαπλών στρώσεων. Οι περιελίξεις στερεώνονται σε κασέτες τιτανίου και τοποθετούνται διαχωριστικά τιτανίου μεταξύ τους. Παρεμπιπτόντως, αυτές οι κασέτες και οι αποστάτες πρέπει να είναι εξαιρετικά ανθεκτικές, καθώς οι ηλεκτροδυναμικές δυνάμεις στις τρέχουσες περιελίξεις τείνουν να τις αποκόψουν και να τις τραβήξουν μαζί.

Καθώς δεν παράγεται θερμότητα στην υπεραγωγική περιέλιξη, το ψυγείο, το οποίο απαιτείται για το υπεραγωγικό μαγνητικό σύστημα, πρέπει να απομακρύνει μόνο τη θερμότητα που εισέρχεται στον κρυοστάτη με υγρό ήλιο μέσω θερμομόνωσης και ηλεκτρικών αγωγών. Οι απώλειες σε ρεύμα αγωγούς μπορούν να μειωθούν σχεδόν στο μηδέν εάν χρησιμοποιούνται βραχυκυκλωμένοι υπεραγωγικοί πηνία, που τροφοδοτούνται από έναν υπεραγωγικό μετασχηματιστή DC.

Ένα υγροποιητικό ήλιο, το οποίο θα αντισταθμίσει την απώλεια ηλίου που εξατμίζεται μέσω μόνωσης, εκτιμάται ότι παράγει αρκετές δεκάδες λίτρα υγρού ήλιου σε 1 ώρα. Οι υγροποιητές αυτοί παράγονται από τη βιομηχανία.

Χωρίς υπεραγωγικές περιελίξεις, τα μεγάλα tokamaks θα ήταν μη ρεαλιστικά. Στην εγκατάσταση Tokamak-7, για παράδειγμα, ένα τύμπανο βάρους 12 τόνων ρέει γύρω από ένα ρεύμα 4,5 kA και δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο 2,4 T στον άξονα ενός κορμού πλάσματος 6 m3. Το πεδίο αυτό δημιουργείται από 48 υπεραγώγιμα πηνία, καταναλώνοντας μόνο 150 λίτρα υγρού ηλίου ανά ώρα, η ρευστοποίηση του οποίου απαιτεί ισχύ 300 ... 400 kW.

Όχι μόνο οι μεγάλες ενεργειακές ανάγκες απαιτούν οικονομικά συμπαγείς ισχυρούς ηλεκτρομαγνήτες, είναι δύσκολο να το κάνουμε χωρίς αυτούς για τους επιστήμονες που εργάζονται με ρεκόρ ισχυρά πεδία. Οι εγκαταστάσεις για τον διαχωρισμό των μαγνητικών ισότοπων καθίστανται μια τάξη μεγέθους πιο παραγωγική. Τα έργα μεγάλων επιταχυντών χωρίς υπεραγώγιμους ηλεκτρομαγνήτες δεν εξετάζονται πλέον.Είναι εντελώς μη ρεαλιστικό να κάνουμε χωρίς υπεραγωγούς σε θαλάμους φυσαλίδων, οι οποίοι γίνονται εξαιρετικά αξιόπιστοι και ευαίσθητοι καταχωρητές στοιχειωδών σωματιδίων. Έτσι, ένα από τα μεγάλα μαγνητικά συστήματα που βασίζονται σε υπεραγωγούς (Argonne National Laboratory, USA) δημιουργεί ένα πεδίο 1.8 T με αποθηκευμένη ενέργεια 80 MJ. Ένα γιγαντιαίο τύλιγμα 45 τόνων (από τα οποία 400 κιλά πήγε σε υπεραγωγό) με εσωτερική διάμετρο 4,8 μ., Εξωτερική διάμετρο 5,3 μ. Και ύψος 3 μ. Απαιτεί μόνο 500 kW για ψύξη έως 4,2 K - αμελητέα ισχύ.

Ο υπεραγώγιμος μαγνήτης του θαλάμου φυσαλίδων του Ευρωπαϊκού Κέντρου Πυρηνικών Ερευνών στη Γενεύη φαίνεται ακόμη πιο εντυπωσιακός. Έχει τα ακόλουθα χαρακτηριστικά: μαγνητικό πεδίο στο κέντρο έως 3 T, εσωτερική διάμετρος του "πηνίου" 4,7 m, αποθηκευμένη ενέργεια 800 MJ.

Στα τέλη του 1977, ο Hyperon, ένας από τους μεγαλύτερους υπεραγώγιμους μαγνήτες στον κόσμο, τέθηκε σε λειτουργία στο Ινστιτούτο Θεωρητικής και Πειραματικής Φυσικής (ITEP). Ο χώρος εργασίας έχει διάμετρο 1 m, το πεδίο στο κέντρο του συστήματος είναι 5 T (!). Ένας μοναδικός μαγνήτης έχει σχεδιαστεί για πειράματα στο συγχρονισμένο πρωτόνιο IHEP στο Serpukhov.

Αφού κατανοήσαμε αυτά τα εντυπωσιακά στοιχεία, είναι ήδη κάπως ακατάλληλο να πούμε ότι η τεχνική ανάπτυξη της υπεραγωγιμότητας μόλις ξεκινάει. Για παράδειγμα, μπορούμε να θυμηθούμε τις κρίσιμες παραμέτρους των υπεραγωγών. Αν η θερμοκρασία, η πίεση, το ρεύμα, το μαγνητικό πεδίο υπερβούν ορισμένες οριακές τιμές, αποκαλούμενες κρίσιμες, ο υπεραγωγός θα χάσει τις ασυνήθιστες ιδιότητές του, μετατρέποντας το σε κοινό υλικό.

Η παρουσία μιας μετάβασης φάσης είναι φυσικό να χρησιμοποιηθεί για τον έλεγχο των εξωτερικών συνθηκών. Εάν υπάρχει υπεραγωγιμότητα, τότε το πεδίο είναι μικρότερο από κρίσιμο, αν ο αισθητήρας έχει αποκαταστήσει την αντίσταση, το πεδίο είναι πάνω από το κρίσιμο. Μια σειρά από μεγάλη ποικιλία μετρητών υπεραγωγών έχει ήδη αναπτυχθεί: ένας μπολομετρητής σε ένα δορυφόρο μπορεί να «αισθανθεί» έναν άναμμα αγώνα στη Γη, τα γαλβανόμετρα γίνονται πιο ευαίσθητα από πολλές χιλιάδες φορές. σε εξαιρετικά υψηλές ακτίνες Q, οι ταλαντώσεις του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου φαίνονται να διατηρούνται, επειδή δεν αποσυντίθενται για πολύ μεγάλο χρονικό διάστημα.

Τώρα είναι η στιγμή να κοιτάξουμε όλο το ηλεκτρικό τμήμα της βιομηχανίας ενέργειας για να καταλάβουμε πώς η διασπορά των υπεραγώγιμων συσκευών μπορεί να παράγει ένα συνολικό οικονομικό αποτέλεσμα. Οι υπεραγωγοί μπορούν να αυξήσουν τη μονάδα ισχύος των μονάδων ισχύος, η ισχύς υψηλής τάσης μπορεί σταδιακά να μετατραπεί σε multi-ampere, αντί για τέσσερις ή έξι φορές την μετατροπή τάσης μεταξύ του σταθμού ηλεκτροπαραγωγής και του καταναλωτή. Αλλά αυτό δεν είναι όλο.

Τα ηλεκτρικά συστήματα αναπόφευκτα θα έχουν διαφορετική εμφάνιση όταν χρησιμοποιούνται υπεραγωγικές συσκευές επαγωγικής ενέργειας (SPIN)! Το γεγονός είναι ότι από όλους τους κλάδους, μόνο στον ενεργειακό τομέα δεν υπάρχουν αποθήκες: η παραγόμενη θερμότητα και ηλεκτρική ενέργεια δεν πρέπει να αποθηκευτούν πουθενά, πρέπει να καταναλωθούν αμέσως. Ορισμένες ελπίδες συνδέονται με υπεραγωγούς. Λόγω της έλλειψης ηλεκτρικής αντίστασης σε αυτά, το ρεύμα μπορεί να κυκλοφορήσει μέσω ενός κλειστού υπεραγώγιμου κυκλώματος για αυθαίρετα μεγάλο χρονικό διάστημα χωρίς εξασθένηση μέχρι να έρθει η ώρα για την επιλογή του από τον καταναλωτή. Τα SPINS θα γίνουν φυσικά στοιχεία του ηλεκτρικού δικτύου, αλλά μόνο για να τα εξοπλίσουν με ρυθμιστές, διακόπτες ή μετατροπείς ρεύματος ή συχνότητας σε συνδυασμό με πηγές και καταναλωτές ηλεκτρικής ενέργειας.

Η ενεργειακή ένταση των SPIN μπορεί να είναι πολύ διαφορετική - από 10-5 (η ενέργεια ενός χαρτοφυλακίου που έπεσε από τα χέρια) σε 1 kWh (ένα μπλοκ 10 τόνων που έπεσε 40 μέτρα από ένα βράχο) ή 10 εκατομμύρια kWh! Μια τέτοια ισχυρή κίνηση θα πρέπει να έχει το μέγεθος ενός treadmill γύρω από ένα γήπεδο ποδοσφαίρου, η τιμή του θα είναι 500 εκατομμύρια δολάρια, και την αποτελεσματικότητα - 95%.Μια ισοδύναμη μονάδα ηλεκτροπαραγωγής θα είναι 20% φθηνότερη, αλλά θα δαπανήσει το ένα τρίτο της χωρητικότητας για τις ανάγκες της! Η διαμόρφωση του κόστους ενός τέτοιου SPIN είναι χρήσιμη όσον αφορά τα εξαρτήματά του: για τα ψυγεία 2 ... 4%, για τους μετατροπείς ρεύματος 10%, για την υπεραγωγική περιέλιξη 15-20%, για τη θερμομόνωση της ψυχρής ζώνης 25% και για τους επιδέσμους, %

Από την αναφορά του G.M. Ο Krzhizhanovsky σύμφωνα με το σχέδιο GOELRO στο VIII Παν-Ρωσικό Κογκρέσο των Σοβιέτ πέρασε περισσότερο από μισό αιώνα. Η υλοποίηση αυτού του σχεδίου επέτρεψε την αύξηση της δυναμικότητας των σταθμών ηλεκτροπαραγωγής της χώρας από 1 σε 200 ... 300 εκατομμύρια kW. Τώρα υπάρχει μια θεμελιώδης ευκαιρία να ενισχυθούν τα ενεργειακά συστήματα της χώρας αρκετές φορές, μεταφέροντάς τα σε υπεραγώγιμο ηλεκτρικό εξοπλισμό και απλοποιώντας τις ίδιες τις αρχές της οικοδόμησης τέτοιων συστημάτων.

Η βάση της ενέργειας στις αρχές του 21ου αιώνα μπορεί να είναι πυρηνικοί και θερμοπυρηνικοί σταθμοί με εξαιρετικά ισχυρές ηλεκτρικές γεννήτριες. Τα ηλεκτρικά πεδία που παράγονται από τους υπεραγωγούς ηλεκτρομαγνήτες, οι ισχυροί ποταμοί μπορούν να ρέουν μέσω υπεραγωγικών ηλεκτρικών γραμμών σε υπεραγωγική αποθήκευση ενέργειας, από όπου θα επιλέγονται από τους καταναλωτές ανάλογα με τις ανάγκες. Οι μονάδες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας θα είναι σε θέση να παράγουν ενέργεια ομοιόμορφα, ημέρα και νύχτα και η απελευθέρωσή τους από τους προγραμματισμένους τρόπους λειτουργίας θα αυξήσει την αποδοτικότητα και τη διάρκεια ζωής των κύριων μονάδων.

Μπορείτε να προσθέσετε διαστημικούς ηλιακούς σταθμούς σε ηλεκτροπαραγωγούς σταθμούς εδάφους. Τοποθετώντας τα αιωρούμενα σημεία σε σταθερά σημεία του πλανήτη, θα πρέπει να μετατρέψουν τις ακτίνες του ήλιου σε ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία μικρού μήκους για να μεταδώσουν συγκεντρωμένες ροές ενέργειας σε μετασχηματιστές εδάφους σε βιομηχανικά ρεύματα. Όλος ο ηλεκτρικός εξοπλισμός των ηλεκτρολογικών συστημάτων χώρου-διαστήματος πρέπει να είναι υπεραγώγιμος, διαφορετικά οι απώλειες στους αγωγούς της τελικής ηλεκτρικής αγωγιμότητας θα αποδειχθούν απαράδεκτα μεγάλες.

Vladimir KARTSEV "Μαγνήτης για τρεις χιλιετίες"