Бъдещето на енергията - свръхпроводящи генератори, трансформатори и електропроводи

Едно от основните направления в развитието на науката очертава теоретични и експериментални изследвания в областта на свръхпроводящи материали, а едно от основните направления на развитието на технологията е разработването на свръхпроводящи турбогенератори.

Свръхпроводящото електрическо оборудване драстично ще увеличи електрическите и магнитни натоварвания в елементите на устройствата и по този начин ще намали драстично техния размер. В свръхпроводящ проводник е допустима плътност на тока 10 ... 50 пъти по-голяма от плътността на тока в конвенционалното електрическо оборудване. Магнитните полета могат да бъдат доведени до стойности от порядъка на 10 T, в сравнение с 0,8 ... 1 T в конвенционалните машини. Като се има предвид, че размерите на електрическите устройства са обратно пропорционални на произведението на допустимата плътност на тока и магнитната индукция, става ясно, че използването на свръхпроводници ще намали многократно размера и теглото на електрическото оборудване!

Според един от дизайнерите на охладителната система на нови видове криогенни турбогенератори на съветския учен I.F. Филипов, има причина да се разгледа задачата за създаване на икономични криотурбогенератори със свръхпроводници. Предварителните изчисления и проучвания дават надежда, че не само размерът и теглото, но и ефективността на новите машини ще бъдат по-високи от тези на най-модерните генератори с традиционен дизайн.

Това мнение се споделя от ръководителите на работата по създаването на нов свръхпроводящ турбогенератор от серията KTG-1000, акад. И.А. Глебов, доктор на техническите науки В.Г. Новицки и В.Н. Shakhtarin. Генераторът KTG-1000 е тестван през лятото на 1975 г., последван от криогенен турбогенератор модел KT-2-2, създаден от асоциацията Electrosila в сътрудничество с учени от Физико-технологичния институт за ниски температури, Академия на науките на Украинската ССР. Резултатите от теста позволиха изграждането на свръхпроводящ блок със значително по-голяма мощност.

Ето някои данни за свръхпроводящ турбогенератор с мощност 1200 кВт, разработен във VNIIelektromash. Свръхпроводящата полева намотка е направена от тел с диаметър 0,7 мм с 37 свръхпроводящи ниобиево-титанови проводници в медна матрица. Центробежните и електродинамичните сили в намотката се възприемат от превръзка от неръждаема стомана. Между външната обвивка от неръждаема стомана с дебела стена и превръзката има меден електротермичен екран, охладен от потока на студен газообразен хелий, преминаващ през канала (след това се връща към флуидизатора).

Лагерите работят при стайна температура. Намотката на статора е направена от медни проводници (охладител - вода) и е заобиколена от феромагнитен щит, изработен от натоварена стомана. Роторът се върти във вакуумно пространство вътре в обвивката от изолационен материал. Вакуумът в черупката е гарантиран от уплътнения.

Експерименталният генератор KTG-1000 някога е бил най-големият криотурбогенератор в света по размер. Целта на неговото създаване е да се тества конструкцията на големи въртящи се криостати, устройства за подаване на хелий към намотката на свръхпроводящия ротор, да се изследва топлинната верига, работата на намотката на свръхпроводящия ротор и да се охлажда.

А перспективите просто са хипнотизиращи. Машина с мощност 1300 MW ще има дължина около 10 м с маса 280 тона, докато машина със същото изпълнение с подобен капацитет ще има дължина 20 м с маса 700 тона! И накрая, е трудно да се създаде обикновена машина с мощност над 2000 MW, а със свръхпроводници всъщност можете да постигнете единична мощност от 20 000 MW!

И така, печалбата от материали представлява около три четвърти от разходите. Улесняват се производствените процеси. По-лесно и по-евтино за всеки машиностроителен завод да направи няколко големи електрически машини, отколкото голям брой малки: изискват се по-малко работници, машинният парк и другото оборудване не са толкова стресирани.

За да инсталирате мощен турбогенератор, е необходима сравнително малка площ на електроцентралата. Това означава, че разходите за изграждане на машинно помещение са намалени, станцията може да бъде пусната в експлоатация по-бързо. И накрая, колкото по-голяма е електрическата машина, толкова по-висока е нейната ефективност.

Всички тези предимства обаче не изключват техническите трудности, които възникват при създаването на големи енергийни единици. И най-важното е, че тяхната мощност може да се увеличи само до определени граници. Изчисленията показват, че няма да е възможно да се премине горната граница, ограничена от мощността на турбогенератор с мощност 2500 MW, роторът на който се върти със скорост 3000 оборота в минута, тъй като тази граница се определя преди всичко от якостните характеристики: напреженията в механичната структура на машина с по-голямо увеличение на мощността толкова много че центробежните сили неизбежно ще причинят повреда на ротора.

Много тревоги възникват по време на транспортиране. За да се транспортира същият турбогенератор с мощност 1200 MW, беше необходимо да се изгради съчленен транспортьор с товароносимост 500 тона, дължина почти 64 м. Всяка от двете му талиги се намираше на 16 оси вагона.

Много пречки сами отпадат, ако използвате ефекта на свръхпроводимост и приложите свръхпроводящи материали. Тогава загубите в намотката на ротора могат практически да бъдат намалени до нула, тъй като постоянният ток няма да срещне съпротивление в него. И ако е така, ефективността на машината се увеличава. Голям ток, преминаващ през свръхпроводящата полева намотка, създава толкова силно магнитно поле, че вече не е необходимо да се използва стоманена магнитна верига, традиционна за всяка електрическа машина. Елиминирането на стоманата ще намали масата на ротора и неговата инерция.

Създаването на криогенни електрически машини не е прищявка, а необходимост, естествена последица от научния и технологичен прогрес. И има всички основания да се твърди, че до края на века свръхпроводящите турбогенератори с мощност над 1000 MW ще работят в електроенергийните системи.

Първата електрическа машина в Съветския съюз със свръхпроводници е проектирана в Института по електромеханика в Ленинград през 1962 ... 1963. Това беше машина с постоянен ток с конвенционална („топла“) арматура и свръхпроводяща полева намотка. Мощността му беше само няколко вата.

Оттогава персоналът на института (сега VNIIelektromash) работи по създаването на свръхпроводящи турбогенератори за енергийния сектор. През последните години беше възможно изграждането на пилотни конструкции с мощност 0,018 и 1 MW, а след това 20 MW ...

Какви са характеристиките на това дете на VNIIelektromash?

Свръхпроводящата полева намотка е в хелиева вана. Течният хелий влиза в въртящия се ротор през тръба, разположена в центъра на кухия вал. Изпареният газ се насочва обратно към кондензационния блок през пролуката между тази тръба и вътрешната стена на вала.

В дизайна на тръбопровода за хелий, както в самия ротор, има вакуумни кухини, които създават добра топлоизолация. Въртящият момент от основния двигател се подава към полето, което се навива през „топлинните мостове“ - структура, която е достатъчно механична, но не предава добре топлината.

В резултат на това конструкцията на ротора е въртящ се криостат със свръхпроводяща полева намотка.

Статорът на свръхпроводящия турбогенератор, както в традиционното изпълнение, има трифазна намотка, при която електромагнитната сила се възбужда от магнитното поле на ротора.Проучванията показват, че е непрактично да се използва свръхпроводяща намотка в статор, тъй като при променлив ток в свръхпроводници възникват значителни загуби. Но дизайнът на статор с „нормална“ намотка има свои собствени характеристики.

Намотката се оказа по принцип възможно да се постави във въздушната междина между статора и ротора и да се монтира по нов начин, като се използват епоксидни смоли и структурни елементи от фибростъкло. Подобна схема направи възможно поставянето на повече медни проводници в статора.

Системата за охлаждане на статора също е оригинална: топлината се отделя чрез фреон, който едновременно изпълнява функцията на изолатор. В бъдеще тази топлина може да се използва за практически цели с помощта на термопомпа.

Използвана е медна жица с правоъгълно напречно сечение 2,5 х 3,5 мм в турбогенератор с мощност 20 MW. 3600 вени, направени от ниобий-титан, се притискат в него. Такъв проводник е способен да предава ток до 2200 А.

Тестовете на новия генератор потвърдиха изчислените данни. Оказа се, че е два пъти по-лек от традиционните машини със същата мощност, а ефективността му е по-висока с 1%. Сега този генератор работи в системата на Lenenergo като синхронен компенсатор и генерира реактивна мощност.

Но основният резултат от работата е колосалният опит, натрупан в процеса на създаване на турбогенератор. Разчитайки на него, Ленинградската асоциация на машиностроенето Електросила започна да създава турбогенератор с мощност 300 MW, който ще бъде монтиран в една от изграждащите се у нас електроцентрали.

Свръхпроводящата полева намотка на ротора е направена от ниобиево-титанов проводник. Устройството му е необичайно - най-тънките ниобиево-титанови проводници се пресоват в медна матрица. Това се прави с цел да се предотврати преминаването на намотката от свръхпроводящо състояние в нормално в резултат на влиянието на колебанията в магнитния поток или по други причини. Ако това се случи, токът ще потече през медната матрица, топлината ще се разсее и състоянието на свръхпроводимостта ще бъде възстановено.

Самата технология на производство на ротора изисква въвеждането на принципно нови технически решения. Ако роторът на конвенционална машина е направен от твърдо коване от магнитно проводима стомана, тогава в този случай той трябва да се състои от няколко цилиндъра, вкарани един в друг, направени от немагнитна стомана. Между стените на някои цилиндри е течен хелий, между стените на други се създава вакуум. Стените на цилиндъра, разбира се, трябва да имат висока механична якост, да са херметични.

Масата на новия турбогенератор, както и масата на неговия предшественик, е почти 2 пъти по-малка от масата на обичайната същата мощност, а ефективността се увеличава с още 0.5 ... 0.7%. Турбогенераторът "живее" от около 30 години и през повечето време е работил, така че е очевидно, че такова на пръв поглед малко повишаване на ефективността ще бъде много съществена печалба.

Енергийните инженери се нуждаят не само от студени генератори. Няколко десетки свръхпроводящи трансформатори вече са произведени и тествани (първият от тях е построен от американски Макфи през 1961 г.; трансформаторът работи на ниво 15 кВт). Има проекти на свръхпроводящи трансформатори за мощност до 1 милион кВт. При достатъчно големи мощности свръхпроводящите трансформатори ще бъдат с 40 ... 50% по-леки от обикновено с приблизително същите загуби на мощност като конвенционалните трансформатори (при тези изчисления се взема предвид и мощността на втечнителя).

Свръхпроводящите трансформатори обаче имат значителни недостатъци. Те са свързани с необходимостта да се предпази трансформаторът от преодоляването му от свръхпроводящо състояние по време на претоварвания, къси съединения, прегряване, когато магнитното поле, ток или температура могат да достигнат критични стойности.

Ако трансформаторът не се срути, ще отнеме няколко часа, за да го охладите отново и да възстановите свръхпроводимостта. В някои случаи такова прекъсване на захранването е неприемливо.Ето защо, преди да говорим за масовото производство на свръхпроводящи трансформатори, е необходимо да се разработят защитни мерки срещу аварийни условия и възможността за осигуряване на потребителите на електричество по време на престой на свръхпроводящия трансформатор. Успехите, постигнати в тази област, ни позволяват да мислим, че в близко бъдеще проблемът за защита на свръхпроводящи трансформатори ще бъде решен и те ще заемат своето място в електроцентралите.

През последните години мечтата за свръхпроводни електропроводи става все по-близка до реализация. Непрекъснато нарастващото търсене на електроенергия прави предаването на висока мощност на дълги разстояния много привлекателно. Съветските учени убедително показаха обещанието за свръхпроводни електропроводи. Цената на линиите ще бъде сравнима с цената на конвенционалните въздушни електропроводи (разходите за свръхпроводник, предвид високата стойност на критичната плътност на тока в сравнение с икономически осъществимата плътност на тока в медни или алуминиеви проводници, е ниска) и по-ниска от цената на кабелните линии.

Предполага се, че се провеждат свръхпроводящи електропроводи, както следва: между крайните точки на предаване в земята се полага тръбопровод с течен азот. Вътре в този тръбопровод е тръбопровод с течен хелий. Хелий и азот протичат през тръбопроводи поради създаването на разлика в налягането между началната и крайната точка. Така станциите за втечняване и помпени станции ще бъдат само в краищата на линията.

Течният азот може да се използва едновременно като диелектрик. Хелиевият тръбопровод се поддържа вътре в азота чрез диелектрични стелажи (за повечето изолатори диелектричните свойства се подобряват при ниски температури). Хелиевият тръбопровод има вакуумна изолация. Вътрешната повърхност на тръбопровода за течен хелий е покрита със слой свръхпроводник.

Загубите в такава линия, като се вземат предвид неизбежните загуби в краищата на линията, при които свръхпроводникът трябва да взаимодейства с гумите при обикновена температура, няма да надвишава няколко процента от процента, а в обикновените електропроводи загубите са 5 ... 10 пъти повече!

Със сили на учени от Института по енергетика на Г.М. Кржижановски и Всесъюзният научно-изследователски институт по кабелна индустрия вече са създали серия от експериментални части от свръхпроводящи променливотокови и постоянни кабели. Такива линии ще могат да предават мощност на много хиляди мегавата с ефективност над 99%, при умерен разход и относително ниско (110 ... 220 kV) напрежение. Може би по-важното е, че свръхпроводящите електропроводи няма да се нуждаят от скъпи устройства за компенсация на реактивната мощност. Конвенционалните линии изискват инсталиране на текущи реактори, мощни кондензатори, за да компенсират прекомерните загуби на напрежение по пътя, а линиите на свръхпроводниците са в състояние да се самокомпенсират!

Свръхпроводниците се оказаха незаменими в електрическите машини, чийто принцип на работа е изключително прост, но които никога не са били изграждани досега, защото работата им изисква много силни магнити. Говорим за магнитохидродинамични (MHD) машини, които Фарадей се опита да внедри още през 1831г.

Идеята за опит е проста. Две метални плочи бяха потопени във водата на Темза на противоположните й брегове. Ако скоростта на реката е 0,2 m / s, тогава, оприличавайки струите на вода с проводници, движещи се от запад на изток в магнитното поле на Земята (вертикалният й компонент е приблизително 5 · 10–5 T), от електродите може да се отстрани напрежение от около 10 μV / m. ,

За съжаление този експеримент завърши с неуспех, "генераторът-река" не работи. Фарадей не можа да измери тока във веригата. Но няколко години по-късно лорд Келвин повтори опита на Фарадей и получи малък ток. Изглежда, че всичко остава като във Фарадей: същите плочи, същата река, същите инструменти. Това ли не е мястото.Келвин построи своя генератор надолу по Темза, където водите му се смесват със солената вода на протока.

Ето я! Водата надолу по течението беше по-солена и следователно имаше повече проводимост! Това веднага бе записано от инструментите. Увеличаването на проводимостта на „работния флуид“ е основният начин за увеличаване на мощността на MHD генераторите. Но можете да увеличите мощността по друг начин - чрез увеличаване на магнитното поле. Мощността на MHD генератора е пряко пропорционална на квадрата на силата на магнитното поле.

Мечтите за MHD генератори придобиха истинска основа около средата на нашия век, с появата на първите партиди свръхпроводящи промишлени материали (ниобий-титан, ниобий-цирконий), от които беше възможно да се направят първите, все още малки, но работещи модели на генератори, двигатели, проводници, соленоиди , А през 1962 г. на симпозиум в Нюкасъл британските Уилсън и Робърт предлагат проект за 20 MW MHD генератор с поле 4 T. Ако намотката е направена от медна тел, тогава на цена от 0,6 мм / долар. Joule загубите в него „изяждат“ полез полезна мощност (15 MW!). Но на свръхпроводници, намотката компактно ще пасне на работната камера, няма да има загуби в нея, а охлаждането ще отнеме само 100 kW мощност. Ефективността ще се увеличи от 25 на 99,5%! Има какво да помислим.

MHD генераторите бяха сериозно заети в много страни, тъй като в такива машини е възможно да се използва плазма 8 ... 10 пъти по-гореща от пара в турбините на ТЕЦ, а според добре познатата формула на Carnot, ефективността няма да е 40, но всички 60 %. Ето защо през следващите години край Рязан ще започне да работи първият индустриален MHD генератор за мощност 500 MW.

Разбира се, не е лесно да се създаде и използва такава станция икономично: не е лесно да се постави в близост до плазмен поток (2500 K) и криостат с намотка в течен хелий (4 ... 5 K), горещи електроди изгарят и шлака, онези добавки, които трябва само да се извлекат от шлаките които бяха добавени към горивото за плазмена йонизация, но очакваните ползи трябва да покрият всички разходи за труд.

Човек може да си представи как изглежда свръхпроводяща магнитна система на MHD генератор. Две свръхпроводящи намотки са разположени отстрани на плазмения канал, отделени от намотките чрез многослойна топлоизолация. Намотките са фиксирани в титаниеви касети, а между тях се поставят титанови дистанци. Между другото, тези касети и дистанционери трябва да са изключително издръжливи, тъй като електродинамичните сили в настоящите намотки са склонни да ги разкъсват и придърпват.

Тъй като в свръхпроводящата намотка не се генерира топлина, хладилникът, който е необходим за работа на свръхпроводящата магнитна система, трябва да отстранява само топлината, която влиза в криостата с течен хелий чрез топлоизолация и токови отводи. Загубите в токови проводници могат да бъдат намалени до практически нула, ако се използват късо съединени свръхпроводящи бобини, захранвани от свръхпроводящ постоянен трансформатор.

Очаква се, че хелиевият втечнител, който ще компенсира загубата на хелий, който се изпарява чрез изолация, произвежда няколко десетки литра течен хелий за 1 час. Такива втечнители се произвеждат от промишлеността.

Без свръхпроводящи намотки големи токамаци биха били нереалистични. В инсталацията "Токамак-7" например, намотка с тегло 12 тона се движи около ток от 4,5 kA и създава 2.4 T магнитно поле върху оста на плазмен торус от 6 m3. Това поле е създадено от 48 свръхпроводящи бобини, консумиращи само 150 литра течен хелий на час, чието повторно втечняване изисква мощност от 300 ... 400 кВт.

Не само че голямата енергия се нуждае от икономични компактни мощни електромагнити, но е трудно и без учени да работят с рекордни силни полета. Инсталациите за разделяне на магнитни изотопи стават с порядък по-продуктивни. Проекти на големи ускорители без свръхпроводящи електромагнити вече не се разглеждат.Напълно нереалистично е да се направи без свръхпроводници в мехурните камери, които стават изключително надеждни и чувствителни регистратори на елементарни частици. И така, една от рекордно големите магнитни системи, базирани на свръхпроводници (Argonne National Laboratory, USA) създава поле от 1,8 T със запаметена енергия от 80 MJ. Гигантска намотка с тегло 45 тона (от които 400 кг отиде на свръхпроводник) с вътрешен диаметър 4,8 м, външен диаметър 5,3 м и височина 3 м изисква само 500 кВт за охлаждане до 4,2 К - нищожно количество мощност.

Свръхпроводящият магнит от камерата с мехурчета на Европейския център за ядрени изследвания в Женева изглежда още по-впечатляващ. Той има следните характеристики: магнитно поле в центъра до 3 T, вътрешен диаметър на „бобината“ 4,7 m, запаметена енергия 800 MJ.

В края на 1977 г. в Института за теоретична и експериментална физика (ITEP) е поръчан един от най-големите хиперпроводими магнити в света, Хиперон. Работната му зона е с диаметър 1 m, полето в центъра на системата е 5 T (!). Уникален магнит е предназначен за експерименти в протонния синхротрон IHEP в Серпухов.

Разбирайки тези впечатляващи цифри, вече е някак неудобно да се каже, че техническото развитие на свръхпроводимостта тепърва започва. Като пример можем да припомним критичните параметри на свръхпроводниците. Ако температурата, налягането, токът, магнитното поле надвишават някои ограничаващи стойности, наречени критични, свръхпроводникът ще загуби необичайните си свойства, превръщайки се в обикновен материал.

Наличието на фазов преход е съвсем естествено да се използва за контрол на външни условия. Ако има свръхпроводимост, тогава полето е по-малко от критично, ако сензорът е възстановил съпротивлението, полето е над критичното. Вече е разработена серия от голямо разнообразие от свръхпроводящи измервателни уреди: един болометър на спътник може да „почувства“ светещ мач на Земята, галванометрите стават по-чувствителни от няколко хиляди пъти; в свръхвисоки Q резонатори колебанията на електромагнитното поле изглежда са запазени, защото те не се разпадат изключително дълго време.

Сега е моментът да разгледаме цялата електрическа част на енергийната индустрия, за да разберем как разпръскването на свръхпроводящи устройства може да доведе до общ икономически ефект. Свръхпроводниците могат да увеличат единичната мощност на силовите агрегати, високоволтовата мощност може постепенно да се превърне в мулти ампер, вместо в четири или шест пъти преобразуването на напрежението между електроцентралата и потребителя, реално е да се говори за една или две трансформации със съответно опростяване и по-евтина схема, общата ефективност на електрическите мрежи неизбежно ще се увеличи поради загуби на джаули. Но това не е всичко.

Електрическите системи неизбежно ще придобият различен вид, когато в тях се използват свръхпроводящи индуктивни устройства за съхранение на енергия (SPIN)! Факт е, че от всички индустрии, само в енергийния сектор няма складове: генерираната топлина и електричество няма къде да се съхраняват, те трябва да бъдат консумирани незабавно. Определени надежди са свързани със свръхпроводници. Поради липсата на електрическо съпротивление в тях, токът може да циркулира през затворена свръхпроводяща верига произволно дълго време без затихване, докато не дойде времето за неговия избор от потребителя. SPINS ще станат естествени елементи на електрическата мрежа, остава само да ги оборудвате с регулатори, превключватели или преобразуватели на ток или честота, когато се комбинират с източници и потребители на електрическа енергия.

Енергийната интензивност на SPIN може да бъде много различна - от 10–5 (енергията на портфейл, който падна от ръцете) до 1 кВтч (блок от 10 тона, паднал на 40 метра от скала) или 10 милиона кВтч! Такова мощно задвижване трябва да има размерите на бягаща пътека около футболно игрище, цената му ще бъде 500 милиона долара, а ефективността - 95%.Еквивалентната акумулираща електроцентрала ще бъде с 20% по-евтина, но ще изразходва една трета от капацитета за нуждите си! Оформлението на цената на такъв SPIN е поучително от гледна точка на неговите компоненти: за хладилници 2 ... 4%, за токови преобразуватели 10%, за свръхпроводящи намотки 15 ... 20%, за топлоизолация на студената зона 25%, а за превръзки, крепежни елементи и дистанционери - почти 50 %.

От доклада на Г.М. Кржижановски според плана на GOELRO на VIII Всеруски конгрес на Съветите е минал повече от половин век. Изпълнението на този план даде възможност да се увеличи капацитетът на електроцентралите в страната от 1 на 200 ... 300 милиона кВт. Сега има основна възможност за укрепване на енергийните системи в страната няколко десетки пъти, прехвърляйки ги на свръхпроводящи електрически съоръжения и опростявайки самите принципи за изграждане на такива системи.

Основата на енергията в началото на 21 век може да бъде ядрената и термоядрената станция с изключително мощни електрически генератори. Електрически полета, генерирани от свръхпроводящи електромагнити, мощни реки могат да преминават през свръхпроводящи електропроводи до свръхпроводящо съхранение на енергия, откъдето те ще бъдат избрани от потребителите при необходимост. Електроцентралите ще могат да генерират енергия равномерно, ден и нощ, а освобождаването им от планираните режими трябва да увеличи ефективността и експлоатационния живот на основните блокове.

Можете да добавите космически соларни станции към наземни електроцентрали. Завивайки над фиксирани точки на планетата, те ще трябва да преобразуват слънчевите лъчи в късоволно електромагнитно излъчване, за да изпращат насочени енергийни потоци към наземни преобразуватели в промишлени токове. Цялото електрическо оборудване на електрическите системи на космическото пространство трябва да бъде свръхпроводящо, в противен случай загубите в проводниците на крайната електрическа проводимост ще се окажат неприемливо големи.

Владимир КАРЦЕВ "Магнит за три хилядолетия"