Framtiden för energi - superledande kraftgeneratorer, transformatorer och kraftledningar

En av huvudriktningarna för vetenskapens utveckling beskriver teoretiska och experimentella studier inom området superledande material, och en av huvudriktningarna för teknikutvecklingen är utvecklingen av superledande turbogeneratorer.

Superledande elektrisk utrustning kommer att öka elektriska och magnetiska belastningar dramatiskt i enheternas element och därmed minska deras storlek dramatiskt. I en superledande tråd är en strömtäthet på 10 ... 50 gånger strömtätheten i konventionell elektrisk utrustning tillåten. Magnetfält kan bringas till värden i storleksordningen 10 T, jämfört med 0,8 ... 1 T i konventionella maskiner. Med tanke på att dimensionerna på elektriska apparater är omvänt proportionella mot produkten med den tillåtna strömtätheten och magnetisk induktion, är det uppenbart att användningen av superledare kommer att minska storleken och vikten på elektrisk utrustning många gånger!

Enligt en av designarna av kylsystemet för nya typer av kryogena turbogeneratorer från den sovjetiska forskaren I.F. Filippov, det finns anledning att överväga uppgiften att skapa ekonomiska kryoturbogeneratorer med superledare löst. Preliminära beräkningar och studier ger hopp om att inte bara storleken och vikten utan också effektiviteten hos nya maskiner blir högre än de mest avancerade generatorerna med traditionell design.

Detta yttrande delas av cheferna för arbetet med att skapa en ny superledande turbogenerator i KTG-1000-serien, Academician I.A. Glebov, doktor för tekniska vetenskaper V.G. Novitsky och V.N. Shakhtarin. KTG-1000-generatorn testades sommaren 1975, följt av kryogen turbogenerator KT-2-2-modellen, skapad av Electrosila-föreningen i samarbete med forskare vid Physics and Technology Institute of Low Temperature, Academy of Sciences of the Russian SSR. Testresultaten tillät konstruktion av en superledande enhet med betydligt större effekt.

Här är några data från en 1200 kW superledande turbogenerator utvecklad vid VNIIelektromash. Den supraledande fältlindningen är gjord av en tråd med en diameter på 0,7 mm med 37 superledande vener av niob-titan i en kopparmatris. Centrifugala och elektrodynamiska krafter i lindningen uppfattas av ett rostfritt stålbandage. Mellan det yttre tjockväggiga skalet av rostfritt stål och bandaget finns en elektrotermisk skärm av koppar, kyld av flödet av kall gasformig helium som passerar genom kanalen (den återgår sedan till fluidiseraren).

Lagren arbetar vid rumstemperatur. Statorlindningen är tillverkad av kopparledare (kylvatten) och är omgiven av en ferromagnetisk skärm av lastat stål. Rotorn roterar i ett vakuumutrymme inuti skalet av isolerande material. Vakuumet i skalet garanteras av packningar.

Den experimentella KTG-1000-generatorn var en gång världens största kryoturbogenerator. Syftet med skapandet är att testa utformningen av stora roterande kryostater, heliumtillförselanordningar till den superledande rotorlindningen, studera den termiska kretsen, driften av den superledande rotorlindningen och kyla den.

Och utsikterna är helt enkelt fascinerande. En maskin med en kapacitet på 1300 MW kommer att ha en längd på cirka 10 m med en massa på 280 ton, medan en maskin med samma prestanda med liknande kapacitet kommer att ha en längd på 20 m med en massa av 700 ton! Slutligen är det svårt att skapa en vanlig maskin med en kapacitet på mer än 2000 MW, och med superledare kan du faktiskt uppnå en enhetseffekt på 20 000 MW!

Så materialvinsten står för cirka tre fjärdedelar av kostnaden. Produktionsprocesser underlättas. Det är lättare och billigare för alla maskinbyggande fabriker att tillverka flera stora elektriska maskiner än ett stort antal små: färre arbetare krävs, maskinparken och annan utrustning är inte så stressad.

För att installera en kraftfull turbogenerator behövs ett relativt litet område av kraftverket. Detta innebär att kostnaden för att bygga ett maskinrum reduceras, stationen kan tas i drift snabbare. Och slutligen, ju större den elektriska maskinen, desto högre är dess effektivitet.

Men alla dessa fördelar utesluter inte tekniska svårigheter som uppstår när man skapar stora energienheter. Och viktigast av allt kan deras makt bara ökas till vissa gränser. Beräkningar visar att det inte kommer att vara möjligt att korsa den övre gränsen begränsad av kraften hos en 2500 MW turbogenerator, vars rotor roterar med en hastighet av 3000 varv / min, eftersom denna gräns först bestämmes av styrkaegenskaper: spänningar i en maskin med mekanisk högre effekt ökar så mycket att centrifugalkrafter oundvikligen kommer att orsaka rotorfel.

Många oro uppstår under transporten. För att transportera samma turbo-generator med en kapacitet på 1200 MW, var det nödvändigt att bygga en ledad transportör med en bärkapacitet på 500 ton, en längd på nästan 64 m. Var och en av dess två boggier vilade på 16 vagnar.

Många hinder faller bort om du använder effekten av supraledningsförmåga och applicerar superledande material. Då kan förlusterna i rotorlindningen praktiskt sett reduceras till noll, eftersom likströmmen inte möter motstånd i den. Och i så fall ökar maskinens effektivitet. En stor ström som strömmar genom den supraledande fältlindningen skapar ett så starkt magnetfält att det inte längre är nödvändigt att använda en stålmagnetkrets, traditionell för någon elektrisk maskin. Eliminering av stål kommer att minska rotorns massa och dess tröghet.

Skapandet av kryogena elektriska maskiner är inte en modefluga, utan en nödvändighet, en naturlig följd av vetenskapliga och tekniska framsteg. Och det finns all anledning att hävda att i slutet av seklet kommer superledande turbogeneratorer med en kapacitet på mer än 1000 MW att fungera i kraftsystem.

Den första elektriska maskinen i Sovjetunionen med superledare designades vid Institute of Electromechanics i Leningrad redan 1962 ... 1963. Det var en likströmsmaskin med en konventionell ("varm") armatur och en supraledande fältlindning. Dess kraft var bara några watt.

Sedan dess har institutets personal (nu VNIIelektromash) arbetat med att skapa superledande turbogeneratorer för energisektorn. Under de senaste åren var det möjligt att bygga pilotstrukturer med en kapacitet på 0,018 och 1 MW och sedan 20 MW ...

Vilka är funktionerna i detta hjärnsköld till VNIIelektromash?

Den supraledande fältspolen finns i ett heliumbad. Flytande helium kommer in i den roterande rotorn genom ett rör som ligger i mitten av den ihåliga axeln. Indunstad gas riktas tillbaka till kondensationsenheten genom spalten mellan detta rör och axelns innervägg.

Vid utformningen av rörledningen för helium, som i själva rotorn, finns vakuumhålrum som skapar god värmeisolering. Vridmoment från primärförflyttaren tillförs fältet som lindrar sig genom ”värmebryggorna” - en struktur som är mekaniskt tillräckligt stark men inte överför värme bra.

Som ett resultat är rotorkonstruktionen en roterande kryostat med en supraledande fältspole.

Statoren i den supraledande turbogeneratoren har, som i den traditionella utföringsformen, en trefaslindning i vilken en elektromotorisk kraft exciteras av rotorns magnetfält.Studier har visat att det är opraktiskt att använda en supraledande lindning i en stator, eftersom betydande förluster uppstår på växelström i superledare. Men utformningen av en stator med en "normal" lindning har sina egna egenskaper.

Lindningen visade sig i princip vara möjlig att placeras i luftgapet mellan statorn och rotorn och monteras på ett nytt sätt med användning av epoxihartser och glasfiberkonstruktionselement. Ett sådant schema gjorde det möjligt att placera fler kopparledare i statorn.

Statorns kylsystem är också originalt: värmen tas bort av freon, som samtidigt fungerar som en isolator. I framtiden kan denna värme användas för praktiska ändamål med en värmepump.

En koppartråd med rektangulärt tvärsnitt 2,5 x 3,5 mm användes i en turbogeneratormotor med en kapacitet av 20 MW. 3600 vener tillverkade av niobium-titan pressas in i den. En sådan tråd är kapabel att överföra ström upp till 2200 A.

Test av den nya generatorn bekräftade de beräknade data. Det visade sig vara dubbelt så lätt som traditionella maskiner med samma effekt, och dess effektivitet är högre med 1%. Nu fungerar denna generator i Lenenergo-systemet som en synkron kompensator och producerar reaktiv kraft.

Men huvudresultatet av arbetet är de kolossala erfarenheterna från processen att skapa en turbogenerator. Genom att lita på det har Leningrad Electric Machine-Building Association Elektrosila börjat skapa en turbogenerator med en kapacitet på 300 MW, som kommer att installeras vid en av de kraftverk som är under uppbyggnad i vårt land.

Den superledande rotorfältlindningen är tillverkad av niob-titantråd. Enheten är ovanlig - de tunnaste niob-titanledarna pressas in i en kopparmatris. Detta görs för att förhindra övergången av lindningen från det superledande tillståndet till det normala som ett resultat av påverkan av fluktuationer i magnetflödet eller av andra skäl. Om detta händer kommer strömmen att strömma genom kopparmatrisen, värmen kommer att spridas och det superledande tillståndet återställs.

Rotorns tillverkningsteknik krävde införandet av grundläggande nya tekniska lösningar. Om rotorn på en konventionell maskin är tillverkad av en solid smidning av magnetiskt ledande stål, bör den i detta fall bestå av flera cylindrar som är insatta i varandra gjorda av icke-magnetiskt stål. Mellan väggarna i vissa cylindrar finns flytande helium, mellan andra väggar skapas ett vakuum. Cylinderväggarna måste naturligtvis ha hög mekanisk hållfasthet, vara vakuumtäta.

Massan hos den nya turbogeneratorn, liksom massan av föregångaren, är nästan två gånger mindre än massan för den vanliga samma kraften, och effektiviteten ökas med ytterligare 0,5 ... 0,7%. Turbogeneratoren har "levt" i cirka 30 år och mest av tiden var i drift, så det är uppenbart att en så till synes liten effektivitetsökning kommer att bli en mycket stor vinst.

Kraftingenjörer behöver inte bara kylgeneratorer. Flera dussintals superledande transformatorer har redan tillverkats och testats (den första byggdes av en amerikansk McPhee 1961; transformatorn arbetade på en nivå på 15 kW). Det finns projekt med superledande transformatorer för effekt upp till 1 miljon kW. Vid tillräckligt stora krafter kommer superledande transformatorer att vara 40 ... 50% lättare än vanligt med ungefär samma effektförluster som konventionella transformatorer (i dessa beräkningar beaktades även kondensatorns kraft).

Superledande transformatorer har emellertid betydande nackdelar. De är förknippade med behovet av att skydda transformatorn från att övervinna den från det supraledande tillståndet under överbelastning, kortslutningar, överhettning, när magnetfältet, strömmen eller temperaturen kan nå kritiska värden.

Om transformatorn inte kollapsar kommer det att ta flera timmar att kyla den igen och återställa superledningen. I vissa fall är ett sådant avbrott i strömförsörjningen oacceptabelt.Innan man talar om massproduktionen av superledande transformatorer är det därför nödvändigt att utveckla skyddsåtgärder mot nödsituationer och möjligheten att förse konsumenterna med elektricitet under driftstopp för den superledande transformatorn. De framgångar som uppnåtts på detta område gör det möjligt för oss att tänka att problemet med att skydda superledande transformatorer inom en snar framtid kommer att lösas, och de kommer att ta sin plats i kraftverk.

Under de senaste åren har drömmen om superledande kraftledningar blivit allt närmare realiseringen. Den ständigt ökande efterfrågan på el gör överföring av hög kraft över långa avstånd mycket attraktiv. Sovjetiska forskare har övertygande visat löfte om superledande transmissionslinjer. Kostnaderna för linjerna kommer att vara jämförbara med kostnaden för konventionella luftledningar för luftledningar (kostnaden för en superledare, med tanke på det höga värdet på den kritiska strömtätheten i jämförelse med den ekonomiskt genomförbara strömtätheten i koppar- eller aluminiumtrådar är låg) och lägre än kostnaden för kabellinjer.

Det är tänkt att genomföra superledande kraftledningar enligt följande: en rörledning med flytande kväve läggs mellan övergångspunkterna i marken. Inuti denna rörledning finns en rörledning med flytande helium. Helium och kväve strömmar genom rörledningar på grund av att det skapas en tryckskillnad mellan start- och slutpunkter. Således kommer kondensations- och pumpstationer endast att vara vid linjens ändar.

Flytande kväve kan användas samtidigt som ett dielektrikum. Heliumledningen stöds inuti kvävet av dielektriska rack (för de flesta isolatorer förbättras dielektriska egenskaper vid låga temperaturer). Heliumledningen har vakuumisolering. Den inre ytan av den flytande heliumledningen är belagd med ett skikt av en superledare.

Förluster i en sådan linje, med hänsyn till de oundvikliga förlusterna i linjen, där superledaren måste gränssnittet med däcken vid vanlig temperatur, kommer inte att överstiga några få fraktioner av en procent, och i vanliga kraftledningar är förlusterna 5 ... 10 gånger mer!

Av krafterna av forskare från Energy Institute uppkallad efter G.M. Krzhizhanovsky och All-Union Scientific Research Institute of Cable Industry har redan skapat en serie experimentella bitar med supraledande AC- och DC-kablar. Sådana linjer kan överföra kraft till många tusentals megawatt med en effektivitet på mer än 99%, till en måttlig kostnad och relativt låg spänning (110 ... 220 kV). Kanske viktigare, superledande kraftledningar behöver inte dyra reaktiva kraftkompensationsanordningar. Konventionella linjer kräver installation av nuvarande reaktorer, kraftfulla kondensatorer för att kompensera för stora spänningsförluster längs banan, och linjer på superledare kan själva kompensera sig själva!

Superledare visade sig vara oumbärliga i elektriska maskiner, vars funktionsprincip är extremt enkel, men som aldrig har byggts förut, eftersom deras arbete kräver mycket starka magneter. Vi pratar om magnetohydrodynamiska maskiner (MHD), som Faraday försökte implementera redan 1831.

Idén om upplevelse är enkel. Två metallplattor nedsänktes i Themsen vattnet på dess motsatta banker. Om flodens hastighet är 0,2 m / s, då man liknar vattenstrålar till ledare som rör sig från väst till öster i jordens magnetfält (dess vertikala komponent är ungefär 5 · 10–5 T), kan en spänning på cirka 10 μV / m tas bort från elektroderna .

Tyvärr slutade detta experiment i misslyckande, "generator-floden" fungerade inte. Faraday kunde inte mäta strömmen i kretsen. Men några år senare upprepade Lord Kelvin upplevelsen av Faraday och fick en liten ström. Det verkar som om allt kvarstår som i Faraday: samma plattor, samma flod, samma instrument. Är det där platsen är inte riktigt det.Kelvin byggde sin generator nerför Themsen, där dess vatten blandas med saltvattnet i sundet.

Där är hon! Vattnet nedströms var mer saltlösning och hade därför mer konduktivitet! Detta spelades in omedelbart av instrumenten. Att öka konduktiviteten hos "arbetsvätskan" är det allmänna sättet att öka kraften hos MHD-generatorer. Men du kan öka effekten på ett annat sätt - genom att öka magnetfältet. Kraften hos MHD-generatorn är direkt proportionell mot kvadratet för magnetfältstyrkan.

Dreams of MHD-generatorer fick en verklig grund runt mitten av vårt århundrade, med tillkomsten av de första partierna med superledande industrimaterial (niobium-titan, niobium-zirkonium), varifrån det var möjligt att göra de första, fortfarande små, men fungerande modellerna av generatorer, motorer, ledare, solenoider . Och på ett symposium i Newcastle 1962 föreslog brittiska Wilson och Robert ett projekt för en 20 MW MHD-generator med ett fält på 4 T. Om lindningen är gjord av koppartråd, till en kostnad av 0,6 mm / dollar. Joule-förluster i den kommer att "äta upp" efter användbar kraft (15 MW!). Men på superledare kommer lindningen kompakt att omge arbetskammaren, det kommer inte att bli några förluster i den, och kylning tar bara 100 kW effekt. Effektiviteten kommer att öka från 25 till 99,5%! Det finns något att tänka på.

MHD-generatorer togs allvarligt upp i många länder, eftersom det i sådana maskiner är möjligt att använda plasma 8 ... 10 gånger varmare än ånga i turbiner i värmekraftverk, och enligt den välkända Carnot-formeln blir effektiviteten inte 40, utan alla 60 %. Därför kommer de första industriella MHD-generatorerna för 500 MW under de kommande åren att starta.

Naturligtvis är det inte lätt att skapa och använda en sådan station ekonomiskt: det är inte lätt att placera nära en plasmaström (2500 K) och en kryostat med lindning i flytande helium (4 ... 5 K), heta elektroder bränner och slagg, de tillsatser som bara behöver lakas ut från slagger som lades till plasmajoniseringsbränslet, men de förväntade fördelarna bör täcka alla arbetskraftskostnader.

Man kan föreställa sig hur ett superledande magnetiskt system hos en MHD-generator ser ut. Två superledande lindningar är belägna på plasmakanalens sidor, separerade från lindningarna med flerskikts termisk isolering. Lindningarna är fixerade i titankassetter och titanavstånd placeras mellan dem. För övrigt måste dessa kassetter och distanser vara extremt hållbara, eftersom de elektrodynamiska krafterna i de aktuella lindningarna tenderar att riva dem isär och dra dem ihop.

Eftersom inget värme genereras i den superledande lindningen, måste kylskåpet, som krävs för att det superledande magnetiska systemet ska fungera, endast ta bort värmen som kommer in i kryostaten med flytande helium genom värmeisolering och strömledningar. Förluster i strömledningar kan reduceras till praktiskt taget noll om kortslutna superledande spolar som drivs av en superledande DC-transformator används.

En helium-kondensatör, som kommer att kompensera för förlusten av helium som förångas genom isolering, beräknas producera flera tiotals liter flytande helium på 1 timme. Sådana kondensatörer produceras av industrin.

Utan superledande lindningar skulle stora tokamaker vara orealistiska. I Tokamak-7-installationen, till exempel, strömmar en lindning som väger 12 ton runt en ström på 4,5 kA och skapar ett 2,4 T magnetfält på axeln för en plasmatorus på 6 m3. Detta fält skapas av 48 superledande spolar, som endast förbrukar 150 liter flytande helium per timme, vars återförflytning kräver en effekt på 300 ... 400 kW.

Stor energi behöver inte bara ekonomiska kompakta kraftfulla elektromagneter, det är svårt att göra utan dem för forskare som arbetar med rekordbrytande starka fält. Installationer för separering av magnetisk isotop blir en produktionsstorlek mer produktiv. Projekt av stora acceleratorer utan superledande elektromagneter beaktas inte längre.Det är helt orealistiskt att undvika superledare i bubbelkammare, som blir extremt tillförlitliga och känsliga registratorer av elementära partiklar. Så, ett av de rekordbrytande stora magnetiska systemen baserade på superledare (Argonne National Laboratory, USA) skapar ett 1,8 T-fält med en lagrad energi på 80 MJ. En gigantisk lindning som väger 45 ton (varav 400 kg gick till en superledare) med en innerdiameter på 4,8 m, en ytterdiameter på 5,3 m och en höjd av 3 m kräver endast 500 kW för kylning till 4,2 K - försumbar effekt.

Den supraledande magneten från bubbelkammaren från European Center for Nuclear Research i Genève verkar ännu mer imponerande. Den har följande egenskaper: magnetfält i centrum upp till 3 T, inre diameter på "spolen" 4,7 m, lagrad energi 800 MJ.

I slutet av 1977 beställdes en av de största hyperledande magneterna i världen, Hyperon, vid Institute of Theoretical and Experimental Physics (ITEP). Arbetsområdet har en diameter på 1 m, fältet i mitten av systemet är 5 T (!). En unik magnet är designad för experiment på IHEP-protonsynkrotronen i Serpukhov.

Efter att ha förstått dessa imponerande siffror är det redan på något sätt obekvämt att säga att den tekniska utvecklingen av superledningen just börjar. Som exempel kan vi komma ihåg de kritiska parametrarna för superledare. Om temperaturen, trycket, strömmen, magnetfältet överskrider vissa begränsningsvärden, kallad kritiska, kommer superledaren att förlora sina ovanliga egenskaper och förvandlas till vanligt material.

Förekomsten av en fasövergång är ganska naturlig att använda för att kontrollera yttre förhållanden. Om det är supraledningsförmåga är fältet mindre än kritiskt, om sensorn har återställt motstånd är fältet över kritiskt. En serie av en mängd olika ledande mätare har redan utvecklats: en bolometer på en satellit kan "känna" en upplyst tändsticka på jorden, galvanometrar blir känsligare flera tusen gånger; i ultrahög-Q-resonatorer verkar svängningarna i det elektromagnetiska fältet bevaras, eftersom de inte förfaller under extremt lång tid.

Nu är det dags att titta runt hela den elektriska delen av energibranschen för att förstå hur spridningen av superledande enheter kan ge en total ekonomisk effekt. Superledare kan öka enhetseffekten hos kraftaggregat, högspänningseffekt kan gradvis förvandlas till flerampere, istället för fyra eller sex gånger spänningsomvandlingen mellan kraftverket och konsumenten, är det verkligt att prata om en eller två transformationer med motsvarande förenkling och billigare krets, den totala effektiviteten för elektriska nät kommer oundvikligen att öka på grund av joule-förluster. Men det är inte allt.

Elektriska system kommer oundvikligen att få en annan look när superledande induktiva energilagringsenheter (SPIN) används i dem! Faktum är att av alla branscher, endast inom energisektorn finns det inga lager: den producerade värmen och elen finns ingenstans att lagra, de måste konsumeras omedelbart. Vissa förhoppningar är förknippade med superledare. På grund av bristen på elektriskt motstånd i dem kan strömmen cirkulera genom en stängd superledande krets under godtyckligt lång tid utan dämpning tills det är dags för konsumentens val. SPINS kommer att bli naturliga element i elnätet, det återstår bara att utrusta dem med regulatorer, strömbrytare eller omvandlare av ström eller frekvens i kombination med källor och elkonsumenter.

SPIN: s energiintensitet kan vara mycket annorlunda - från 10–5 (energin i en portfölj som föll ur händerna) till 1 kWh (ett block på 10 ton som föll 40 meter från en klippa) eller 10 miljoner kWh! En sådan kraftfull enhet bör ha storleken på ett löpband runt en fotbollsplan, dess pris är 500 miljoner dollar och effektivitet - 95%.Ett motsvarande ackumulerande kraftverk blir 20% billigare, men det kommer att spendera en tredjedel av kapaciteten för dess behov! Utformningen av kostnaden för en sådan SPIN är lärorik med avseende på dess komponenter: för kylskåp 2 ... 4%, för strömomvandlare 10%, för superledande lindning 15 ... 20%, för värmeisolering av den kalla zonen 25%, och för bandage, fästelement och distanser - nästan 50 %.

Sedan rapporten från G.M. Krzhizhanovsky enligt GOELRO-planen vid Sovjetunionens allryssiska kongress mer än ett halvt sekel har gått. Genomförandet av denna plan gjorde det möjligt att öka kapaciteten i landets kraftverk från 1 till 200 ... 300 miljoner kW. Nu finns det en grundläggande möjlighet att stärka landets energisystem flera dussin gånger, överföra dem till superledande elektrisk utrustning och förenkla själva principerna för att bygga sådana system.

Grunden för energi i början av 2000-talet kan vara kärnkrafts- och termonukleära stationer med extremt kraftfulla elektriska generatorer. Elektriska fält som genereras av superledande elektromagneter, kraftfulla floder kan flöda genom superledande kraftledningar till superledande energilagring, varifrån de kommer att väljas av konsumenterna vid behov. Kraftverk kommer att kunna generera kraft jämnt, dag och natt, och deras frigörelse från planerade system bör öka effektiviteten och livslängden för huvudenheterna.

Till jordkraftverk kan rymdssolstationer läggas till. Med svävande över fasta punkter på planeten måste de omvandla solens strålar till kortvågs elektromagnetisk strålning för att sända fokuserade energiflöden till markbaserade omvandlare till industriella strömmar. All elektrisk utrustning i rymd-elektriska system måste vara supraledande, annars kommer förlusterna i ledarna för den slutliga elektriska ledningsförmågan att visa sig vara oacceptabelt stora.

Vladimir KARTSEV "Magnet i tre årtusenden"