อนาคตของพลังงาน - เครื่องกำเนิดไฟฟ้ายิ่งยวด, หม้อแปลงไฟฟ้าและสายไฟ

หนึ่งในทิศทางหลักของการพัฒนาวิทยาศาสตร์สรุปการศึกษาเชิงทฤษฎีและการทดลองในสาขาวัสดุตัวนำยิ่งยวดและหนึ่งในทิศทางหลักของการพัฒนาเทคโนโลยีคือการพัฒนาเครื่องกำเนิดไฟฟ้ายิ่งยวด

ตัวนำไฟฟ้ายิ่งยวดจะเพิ่มภาระไฟฟ้าและแม่เหล็กในองค์ประกอบของอุปกรณ์อย่างมากและลดขนาดลงอย่างมาก ในลวดตัวนำยิ่งยวดความหนาแน่นกระแส 10 ... 50 เท่าของความหนาแน่นกระแสในอุปกรณ์ไฟฟ้าทั่วไปนั้นอนุญาตให้ทำได้ สนามแม่เหล็กสามารถนำมาเป็นค่าลำดับ 10 T เมื่อเปรียบเทียบกับ 0.8 ... 1 T ในเครื่องธรรมดา เนื่องจากขนาดของอุปกรณ์ไฟฟ้านั้นแปรผกผันกับความหนาแน่นกระแสไฟฟ้าที่ได้รับอนุญาตและการเหนี่ยวนำแม่เหล็กเป็นที่ชัดเจนว่าการใช้ตัวนำยิ่งยวดจะช่วยลดขนาดและน้ำหนักของอุปกรณ์ไฟฟ้าได้หลายครั้ง!

ตามที่หนึ่งในนักออกแบบของระบบระบายความร้อนของ turbogenerators cryogenic ชนิดใหม่ของนักวิทยาศาสตร์โซเวียต I. Filippov มีเหตุผลที่ต้องพิจารณาภารกิจในการสร้าง cryoturbogenerators ที่ประหยัดด้วยการแก้ไขตัวนำยิ่งยวด การคำนวณเบื้องต้นและการศึกษาให้ความหวังว่าไม่เพียง แต่ขนาดและน้ำหนัก แต่ยังรวมถึงประสิทธิภาพของเครื่องจักรใหม่จะสูงกว่าเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่ทันสมัยที่สุดของการออกแบบแบบดั้งเดิม

ความคิดเห็นนี้ถูกแบ่งปันโดยหัวหน้างานเกี่ยวกับการสร้างเครื่องกำเนิดกระแสไฟฟ้ายิ่งยวดรุ่นใหม่ของ KTG-1000 ซีรี่ส์, Academician I.A Glebov ปริญญาเอกวิทยาศาสตร์เทคนิค Novitsky และ V.N Shakhtarin เครื่องกำเนิด KTG-1000 ได้รับการทดสอบในฤดูร้อนของปี 1975 ตามด้วยเครื่องปั่นแบบเย็นอุณหภูมิ KT-2-2 สร้างขึ้นโดยสมาคม Electrosila โดยความร่วมมือกับนักวิทยาศาสตร์ของสถาบันฟิสิกส์และเทคโนโลยีอุณหภูมิต่ำสถาบันวิทยาศาสตร์ของยูเครน SSR ผลการทดสอบอนุญาตให้ก่อสร้างหน่วยตัวนำยิ่งยวดที่มีกำลังมากกว่าอย่างมีนัยสำคัญ

นี่คือข้อมูลบางส่วนของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ายิ่งยวดขนาด 1200 กิโลวัตต์ที่พัฒนาขึ้นที่ VNIIelektromash ขดลวดสนามยิ่งยวดที่ทำจากลวดที่มีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง 0.7 มม. มีเส้นเลือดยิ่งยวด 37 สายของไนโอเบียม - ไทเทเนียมในเมทริกซ์ทองแดง แรงเหวี่ยงและ electrodynamic ในขดลวดจะถูกรับรู้โดยผ้าพันแผลสแตนเลส ระหว่างเปลือกนอกสเตนเลสสตีลที่มีกำแพงหนาและผ้าพันแผลมีหน้าจอทองแดงทำด้วยความร้อนระบายความร้อนด้วยการไหลของฮีเลียมก๊าซเย็นผ่านช่องทาง

แบริ่งทำงานที่อุณหภูมิห้อง ขดลวดสเตเตอร์ทำจากตัวนำทองแดง (น้ำเย็น - น้ำเย็น) และล้อมรอบด้วยแผงวงจรแม่เหล็กไฟฟ้าที่ทำจากเหล็กที่รับภาระ ใบพัดหมุนในพื้นที่สูญญากาศภายในเปลือกของวัสดุฉนวน สูญญากาศในเปลือกมีการประกันโดยปะเก็น

เครื่องกำเนิด KTG-1000 รุ่นทดลองเคยเป็นเครื่อง cryoturbogenerator ที่ใหญ่ที่สุดในโลก วัตถุประสงค์ของการสร้างคือการทดสอบการออกแบบของ cryostats หมุนขนาดใหญ่อุปกรณ์จัดหาฮีเลียมกับขดลวดตัวนำยิ่งยวดศึกษาวงจรความร้อนการทำงานของขดลวดตัวนำยิ่งยวดและทำให้เย็นลง

และกลุ่มเป้าหมายก็น่าดึงดูด เครื่องจักรที่มีความจุ 1,300 เมกะวัตต์จะมีความยาวประมาณ 10 เมตรที่มีมวล 280 ตันในขณะที่เครื่องจักรที่มีประสิทธิภาพเท่ากันและมีความจุใกล้เคียงกันจะมีความยาว 20 เมตรที่มีมวล 700 ตัน! ในที่สุดมันก็เป็นเรื่องยากที่จะสร้างเครื่องจักรธรรมดาที่มีความจุมากกว่า 2,000 เมกะวัตต์และด้วยตัวนำยิ่งยวดคุณสามารถบรรลุพลังงานต่อหน่วยได้ถึง 20,000 เมกะวัตต์!

ดังนั้นกำไรในบัญชีวัสดุประมาณสามในสี่ของค่าใช้จ่าย มีกระบวนการอำนวยความสะดวกในการผลิต ง่ายกว่าและถูกกว่าสำหรับโรงงานสร้างเครื่องจักรใด ๆ ที่จะสร้างเครื่องจักรไฟฟ้าขนาดใหญ่หลายเครื่องมากกว่าเครื่องขนาดเล็กจำนวนมาก: ต้องการแรงงานน้อยลง, ที่จอดเครื่องจักรและอุปกรณ์อื่น ๆ ไม่เครียดมากนัก

ในการติดตั้ง turbogenerator อันทรงพลังจำเป็นต้องใช้พื้นที่ขนาดเล็กของโรงไฟฟ้า ซึ่งหมายความว่าค่าใช้จ่ายในการสร้างห้องเครื่องลดลงสถานีสามารถทำงานได้เร็วขึ้น และในที่สุดยิ่งเครื่องไฟฟ้ายิ่งมีประสิทธิภาพมากขึ้น

อย่างไรก็ตามข้อดีเหล่านี้ไม่ได้รวมปัญหาทางเทคนิคที่เกิดขึ้นเมื่อสร้างหน่วยพลังงานขนาดใหญ่ และที่สำคัญที่สุดพลังของพวกเขาสามารถเพิ่มขึ้นได้ถึงขีด จำกัด เท่านั้น การคำนวณแสดงให้เห็นว่ามันเป็นไปไม่ได้ที่จะข้ามขีด จำกัด บนด้วยพลังของเครื่องปั่นไฟขนาด 2500 เมกะวัตต์ใบพัดที่หมุนด้วยความเร็ว 3000 รอบต่อนาทีเนื่องจากข้อ จำกัด นี้ถูกกำหนดไว้ก่อนอื่นโดยลักษณะความแข็งแรง: แรงในโครงสร้างเชิงกลของเครื่องจักร แรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลางนั้นจะทำให้โรเตอร์เกิดความผิดพลาดอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้

ความกังวลมากมายเกิดขึ้นระหว่างการขนส่ง ในการขนส่งเครื่องกำเนิดเทอร์โบตัวเดียวกันที่มีความจุ 1200 เมกะวัตต์จำเป็นต้องสร้างสายพานลำเลียงที่มีความจุ 500 ตันซึ่งมีความยาวเกือบ 64 เมตรแต่ละขนหัวลุกทั้งสองวางอยู่บนเพลารถบรรทุก 16 คัน

อุปสรรคหลายอย่างหลุดลอยไปถ้าคุณใช้เอฟเฟกต์ของตัวนำยิ่งยวดและใช้วัสดุตัวนำยิ่งยวด จากนั้นความสูญเสียในขดลวดของโรเตอร์สามารถลดลงเป็นศูนย์ได้เนื่องจากกระแสตรงจะไม่ตอบสนองต่อความต้านทานภายใน และถ้าเป็นเช่นนั้นประสิทธิภาพของเครื่องจะเพิ่มขึ้น กระแสขนาดใหญ่ที่ไหลผ่านขดลวดสนามยิ่งยวดทำให้เกิดสนามแม่เหล็กแรงสูงซึ่งไม่จำเป็นต้องใช้วงจรแม่เหล็กเหล็กแบบดั้งเดิมสำหรับเครื่องจักรไฟฟ้าใด ๆ อีกต่อไป การกำจัดเหล็กจะช่วยลดมวลของโรเตอร์และความเฉื่อยของมัน

การสร้างเครื่องใช้ไฟฟ้าแช่แข็งไม่ได้เป็นแฟชั่น แต่เป็นสิ่งจำเป็นซึ่งเป็นผลมาจากความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีตามธรรมชาติ และมีเหตุผลทุกประการที่จะโต้แย้งว่าในช่วงปลายศตวรรษเครื่องกำเนิดกระแสไฟฟ้ายิ่งยวดที่มีความจุมากกว่า 1,000 เมกะวัตต์จะทำงานในระบบไฟฟ้า

เครื่องจักรไฟฟ้าเครื่องแรกในสหภาพโซเวียตพร้อมตัวนำยิ่งยวดได้รับการออกแบบที่สถาบัน Electromechanics ใน Leningrad ในปี 1962 ... 1963 มันเป็นเครื่องจักรกระแสตรงที่มีกระดองธรรมดา (“ อบอุ่น”) และขดลวดสนามยิ่งยวด พลังของมันเพียงไม่กี่วัตต์

ตั้งแต่นั้นมาเจ้าหน้าที่ของสถาบัน (ปัจจุบันคือ VNIIelektromash) ได้ทำงานเกี่ยวกับการสร้างเครื่องกำเนิดกระแสไฟฟ้ายิ่งยวดสำหรับภาคพลังงาน ในช่วงหลายปีที่ผ่านมามันเป็นไปได้ที่จะสร้างโครงสร้างของนักบินที่มีความจุ 0.018 และ 1 MW จากนั้น 20 MW ...

อะไรคือคุณสมบัติของ brainchild ของ VNIIelektromash นี้?

ขดลวดสนามยิ่งยวดที่อยู่ในอ่างฮีเลียม ฮีเลียมเหลวเข้าสู่โรเตอร์หมุนผ่านท่อที่อยู่ตรงกลางของเพลากลวง ก๊าซระเหยจะถูกส่งกลับไปยังชุดควบแน่นผ่านช่องว่างระหว่างท่อนี้และผนังด้านในของเพลา

ในการออกแบบท่อสำหรับฮีเลียมเช่นเดียวกับในตัวโรเตอร์มีช่องสูญญากาศที่สร้างฉนวนกันความร้อนที่ดี แรงบิดจากผู้เสนอญัตติสำคัญถูกส่งไปยังสนามที่คดเคี้ยวผ่าน "สะพานความร้อน" - โครงสร้างที่มีความแข็งแรงทางกลไกเพียงพอ แต่ไม่ถ่ายเทความร้อนได้ดี

ด้วยเหตุนี้การออกแบบใบพัดจึงเป็นระบบควบคุมอุณหภูมิแบบหมุนด้วยขดลวดสนามยิ่งยวด

สเตเตอร์ของเครื่องกำเนิดกระแสไฟฟ้าตัวนำยิ่งยวดเช่นเดียวกับในศูนย์รวมแบบดั้งเดิมนั้นมีขดลวดสามเฟสซึ่งแรงเคลื่อนไฟฟ้าจะตื่นเต้นโดยสนามแม่เหล็กของใบพัดการศึกษาแสดงให้เห็นว่ามันเป็นไปไม่ได้ที่จะใช้ขดลวดยิ่งยวดในสเตเตอร์เนื่องจากการสูญเสียจำนวนมากเกิดขึ้นกับกระแสสลับในตัวนำยิ่งยวด แต่การออกแบบสเตเตอร์ที่มีขดลวด“ ปกติ” มีลักษณะเป็นของตัวเอง

ขดลวดกลายเป็นความเป็นไปได้ในหลักการที่จะอยู่ในช่องว่างอากาศระหว่างสเตเตอร์และโรเตอร์และติดตั้งในรูปแบบใหม่โดยใช้เรซินอีพ็อกซี่เรซินและองค์ประกอบโครงสร้างไฟเบอร์กลาส วงจรดังกล่าวทำให้สามารถวางตัวนำทองแดงได้มากขึ้นในสเตเตอร์

ระบบระบายความร้อนสเตเตอร์นั้นเป็นต้นฉบับ: ความร้อนจะถูกลบออกโดยฟรีออนซึ่งทำหน้าที่เป็นฉนวนพร้อมกัน ในอนาคตความร้อนนี้สามารถใช้เพื่อการปฏิบัติงานโดยใช้ปั๊มความร้อน

ใช้ลวดทองแดงสี่เหลี่ยมตัดขวางขนาด 2.5 x 3.5 มม. ในมอเตอร์เครื่องกำเนิดเทอร์โบที่มีความจุ 20 เมกะวัตต์ เส้นเลือด 3600 ที่ทำจากไนโอเบียมไทเทเนียมถูกกดเข้าไป ลวดดังกล่าวสามารถส่งกระแสได้สูงถึง 2,200 A

การทดสอบเครื่องกำเนิดไฟฟ้าใหม่ยืนยันข้อมูลที่คำนวณได้ มันกลับกลายเป็นสองเท่าของแสงเมื่อเทียบกับเครื่องจักรทั่วไปที่มีกำลังเท่ากันและมีประสิทธิภาพสูงกว่า 1% ตอนนี้ตัวกำเนิดนี้ทำงานในระบบ Lenenergo เป็นตัวชดเชยแบบซิงโครนัสและสร้าง พลังงานปฏิกิริยา.

แต่ผลลัพธ์หลักของงานคือประสบการณ์มหาศาลที่ได้จากกระบวนการสร้างกังหัน สมาคมการสร้างเครื่องจักรกลไฟฟ้าเลนินกราด Elektrosila ได้เริ่มสร้างกังหันที่มีกำลังการผลิต 300 เมกะวัตต์ซึ่งจะติดตั้งที่โรงไฟฟ้าแห่งหนึ่งในประเทศของเรา

ขดลวดสนามตัวนำยิ่งยวดทำจากลวดไนโอเบียม - ไทเทเนียม อุปกรณ์ของมันผิดปกติ - ตัวนำไนโอเบียม - ไทเทเนียมที่บางที่สุดถูกกดลงในเมทริกซ์ทองแดง สิ่งนี้ทำเพื่อป้องกันไม่ให้การเปลี่ยนแปลงของขดลวดจากสถานะตัวนำยิ่งยวดเป็นปกติอันเป็นผลมาจากอิทธิพลของความผันผวนในฟลักซ์แม่เหล็กหรือเหตุผลอื่น ๆ หากสิ่งนี้เกิดขึ้นกระแสจะไหลผ่านเมทริกซ์ทองแดงความร้อนจะกระจายไปและสถานะตัวนำยิ่งยวดก็จะได้รับการฟื้นฟู

เทคโนโลยีการผลิตของโรเตอร์เองนั้นต้องการการแนะนำวิธีการทางเทคนิคใหม่ ๆ หากโรเตอร์ของเครื่องธรรมดาทำจากเหล็กแข็งที่เป็นตัวนำแม่เหล็กแล้วในกรณีนี้มันควรจะประกอบด้วยกระบอกสูบหลายอันที่ต่อกับอีกอันหนึ่งซึ่งทำจากเหล็กที่ไม่ใช่แม่เหล็ก ระหว่างผนังของกระบอกสูบบางตัวคือฮีเลียมเหลวระหว่างผนังของกระบอกสูบอื่นจะสร้างสุญญากาศ แน่นอนว่าผนังกระบอกสูบต้องมีความแข็งแรงเชิงกลสูง

มวลของ turbogenerator ใหม่เช่นเดียวกับมวลของรุ่นก่อนหน้านั้นมีค่าน้อยกว่ามวลที่มีกำลังเท่ากันเกือบ 2 เท่าและประสิทธิภาพเพิ่มขึ้นอีก 0.5 ... 0.7% turbogenerator นั้น“ มีชีวิตอยู่” มาเป็นเวลาประมาณ 30 ปีและส่วนใหญ่อยู่ในการดำเนินการดังนั้นจึงเห็นได้ชัดว่าการเพิ่มประสิทธิภาพเล็กน้อยดูเหมือนจะเป็นผลดีอย่างมาก

วิศวกรไฟฟ้าไม่เพียง แต่ต้องการเครื่องกำเนิดความเย็น หม้อแปลงตัวนำยิ่งยวดหลายสิบตัวได้รับการผลิตและทดสอบแล้ว (ตัวแรกถูกสร้างโดย American McPhee ในปี 1961 หม้อแปลงทำงานที่ระดับ 15 kW) มีโครงการหม้อแปลงไฟฟ้ายิ่งยวดที่ให้กำลังสูงสุด 1 ล้านกิโลวัตต์ ที่ขนาดใหญ่พอพลังพิเศษตัวนำยิ่งยวดของหม้อแปลงจะ 40 ... เบากว่าปกติ 50% โดยประมาณเท่ากับการสูญเสียพลังงานเช่นเดียวกับหม้อแปลงทั่วไป

อย่างไรก็ตามหม้อแปลงตัวนำยิ่งยวดนั้นมีข้อเสียอย่างมาก พวกมันเกี่ยวข้องกับความต้องการในการปกป้องหม้อแปลงจากการเอาชนะจากตัวนำยิ่งยวดในระหว่างการโอเวอร์โหลด, ลัดวงจร, ความร้อนสูงเกินไปเมื่อสนามแม่เหล็ก, กระแสหรืออุณหภูมิสามารถเข้าถึงค่าวิกฤต

หากหม้อแปลงไม่ยุบตัวจะใช้เวลาหลายชั่วโมงในการทำให้เย็นลงอีกครั้งและคืนค่าความเป็นตัวนำยิ่งยวด ในบางกรณีการหยุดชะงักของแหล่งจ่ายไฟจะไม่สามารถยอมรับได้ดังนั้นก่อนที่จะพูดคุยเกี่ยวกับการผลิตจำนวนมากของหม้อแปลงตัวนำยิ่งยวดจำเป็นต้องพัฒนามาตรการป้องกันกับสถานการณ์ฉุกเฉินและความเป็นไปได้ในการให้กระแสไฟฟ้าแก่ผู้บริโภคในระหว่างการหยุดทำงานของหม้อแปลงตัวนำยิ่งยวด ความสำเร็จที่ประสบความสำเร็จในด้านนี้ทำให้เราคิดว่าในอนาคตอันใกล้นี้ปัญหาของการปกป้องหม้อแปลงตัวนำยิ่งยวดจะได้รับการแก้ไขและพวกเขาจะเข้ามาแทนที่ในโรงไฟฟ้า

ในปีที่ผ่านมาความฝันของสายไฟฟ้ายิ่งยวดได้กลายเป็นความใกล้ชิดกับการรับรู้มากขึ้น ความต้องการไฟฟ้าที่เพิ่มมากขึ้นทำให้การส่งพลังงานสูงในระยะทางไกลน่าดึงดูดมาก นักวิทยาศาสตร์ของสหภาพโซเวียตได้แสดงให้เห็นถึงสัญญาของสายส่งตัวนำยิ่งยวด ค่าใช้จ่ายของเส้นจะเปรียบเทียบกับค่าใช้จ่ายของสายส่งไฟฟ้าเหนือศีรษะแบบธรรมดา (ค่าตัวนำไฟฟ้ายิ่งยวดเนื่องจากค่าความหนาแน่นกระแสวิกฤตสูงเมื่อเปรียบเทียบกับความหนาแน่นกระแสไฟฟ้าที่เป็นไปได้ทางเศรษฐกิจในสายทองแดงหรืออลูมิเนียมต่ำ) และต่ำกว่าต้นทุนสายเคเบิล

มันควรจะดำเนินการสายไฟยิ่งยวดดังนี้ท่อที่มีไนโตรเจนเหลวจะวางระหว่างจุดสิ้นสุดของการส่งในพื้นดิน ภายในท่อนี้เป็นท่อที่มีฮีเลียมเหลว ฮีเลียมและไนโตรเจนไหลผ่านท่อเนื่องจากการสร้างความแตกต่างความดันระหว่างจุดเริ่มต้นและจุดสิ้นสุด ดังนั้นการทำให้เหลวและสถานีสูบน้ำจะอยู่ที่ปลายแถว

ไนโตรเจนเหลวสามารถใช้พร้อมกันเป็นไดอิเล็กทริก ท่อฮีเลียมได้รับการสนับสนุนภายในไนโตรเจนโดยชั้นวางไดอิเล็กตริก (ในฉนวนส่วนใหญ่คุณสมบัติไดอิเล็กตริกจะดีขึ้นที่อุณหภูมิต่ำ) ท่อฮีเลียมมีฉนวนสุญญากาศ พื้นผิวด้านในของท่อฮีเลียมเหลวเคลือบด้วยชั้นของตัวนำยิ่งยวด

การสูญเสียในเส้นดังกล่าวโดยคำนึงถึงการสูญเสียที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ที่ปลายสายซึ่งตัวนำยิ่งยวดต้องเชื่อมต่อกับยางที่อุณหภูมิปกติจะไม่เกินเศษส่วนไม่กี่เปอร์เซ็นต์และในการสูญเสียสายไฟปกติ 5 ... มากกว่า 10 เท่า!

โดยกองกำลังของนักวิทยาศาสตร์ของสถาบันพลังงานตั้งชื่อตาม G.M. Krzhizhanovsky และ All-Union Scientific Research Institute of Cable ได้สร้างชุดของสายตัวนำยิ่งยวด AC และ DC สายดังกล่าวจะสามารถถ่ายโอนพลังงานไปยังหลายพันเมกะวัตต์ที่มีประสิทธิภาพมากกว่า 99% ในราคาปานกลางและค่อนข้างต่ำ (110 ... 220 kV) แรงดันไฟฟ้า บางทีที่สำคัญยิ่งกว่านั้นยิ่งยวดสายไฟยิ่งยวดจะไม่ต้องการอุปกรณ์ชดเชยพลังงานปฏิกิริยาที่มีราคาแพง สายทั่วไปต้องการการติดตั้งเครื่องปฏิกรณ์ปัจจุบันตัวเก็บประจุที่มีประสิทธิภาพเพื่อชดเชยการสูญเสียแรงดันไฟฟ้าที่มากเกินไปตามเส้นทางและสายตัวนำยิ่งยวดสามารถชดเชยตัวเองได้!

ตัวนำยิ่งยวดกลับกลายเป็นสิ่งที่ขาดไม่ได้ในเครื่องจักรไฟฟ้าหลักการทำงานที่ง่ายมาก แต่ไม่เคยสร้างมาก่อนเพราะงานของพวกเขาต้องการแม่เหล็กที่แข็งแกร่งมาก เรากำลังพูดถึงเครื่อง magnetohydrodynamic (MHD) ซึ่งฟาราเดย์พยายามนำมาใช้ให้เร็วที่สุดเท่าที่ 1831

แนวคิดของประสบการณ์นั้นง่าย แผ่นโลหะสองแผ่นถูกแช่อยู่ในน้ำเทมส์บนฝั่งตรงข้าม หากความเร็วของแม่น้ำคือ 0.2 m / s ดังนั้นให้เปรียบเสมือนไอพ่นน้ำกับตัวนำที่เคลื่อนที่จากตะวันตกไปตะวันออกในสนามแม่เหล็กของโลก (องค์ประกอบแนวตั้งของมันอยู่ที่ประมาณ 5 · 10–5 T) แรงดันไฟฟ้าประมาณ 10 μV / m สามารถถอดออกได้ .

น่าเสียดายที่การทดลองนี้จบลงด้วยความล้มเหลว“ เครื่องกำเนิดแม่น้ำ” ไม่ทำงาน ฟาราเดย์ไม่สามารถวัดกระแสในวงจรได้ แต่ไม่กี่ปีต่อมาลอร์ดเคลวินเล่าประสบการณ์ของฟาราเดย์ซ้ำและรับกระแสเล็ก ๆ ดูเหมือนว่าทุกอย่างจะยังคงอยู่ในฟาราเดย์: จานเดียวกันแม่น้ำเดียวกันเครื่องมือเดียวกัน คือว่าสถานที่นั้นไม่ได้ค่อนข้างที่เคลวินสร้างเครื่องกำเนิดของเขาลงที่แม่น้ำเทมส์ที่ซึ่งน้ำผสมกับน้ำเค็มของช่องแคบ

นั่นเธออยู่! น้ำที่อยู่ท้ายน้ำเป็นน้ำเค็มมากขึ้นดังนั้นจึงมีการนำไฟฟ้ามากขึ้น! สิ่งนี้ถูกบันทึกโดยเครื่องมือทันที การเพิ่มความนำไฟฟ้าของ“ ของเหลวทำงาน” เป็นวิธีทั่วไปในการเพิ่มพลังของเครื่องกำเนิด MHD แต่คุณสามารถเพิ่มพลังงานได้ด้วยวิธีอื่น - โดยการเพิ่มสนามแม่เหล็ก พลังของเครื่องกำเนิด MHD นั้นเป็นสัดส่วนโดยตรงกับกำลังสองของสนามแม่เหล็ก

ความฝันของเครื่องกำเนิด MHD มีรากฐานที่แท้จริงในช่วงกลางศตวรรษของเราด้วยการกำเนิดของวัสดุตัวนำยิ่งยวดรุ่นแรก (ไนโอเบียม - ไททาเนียม, ไนโอเบียม - เซอร์โคเนียม) ซึ่งเป็นไปได้ที่จะสร้างแบบจำลองแรกของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า, มอเตอร์, ตัวนำ . และในปี 1962 ที่งานประชุมสัมมนาที่นิวคาสเซิล British Wilson และ Robert เสนอโครงการสำหรับเครื่องกำเนิดไฟฟ้า MHD 20 MW ขนาด 4 T หากขดลวดทำจากลวดทองแดงก็จะมีค่าใช้จ่าย 0.6 มม. / ดอลลาร์ จูลสูญเสียมัน“ กิน” พลังที่มีประโยชน์ (15 MW!) แต่สำหรับตัวนำยิ่งยวดขดลวดจะล้อมรอบห้องทำงานอย่างแน่นหนาจะไม่มีการสูญเสียใด ๆ และการระบายความร้อนจะใช้พลังงานเพียง 100 กิโลวัตต์ ประสิทธิภาพจะเพิ่มขึ้นจาก 25 เป็น 99.5%! มีบางอย่างที่ต้องคิด

MHD กำเนิดขึ้นอย่างจริงจังในหลายประเทศเพราะในเครื่องดังกล่าวเป็นไปได้ที่จะใช้พลาสมา 8 ... 10 ครั้งร้อนกว่าไอน้ำในกังหันของโรงไฟฟ้าพลังความร้อนและตามสูตร Carnot ที่รู้จักกันดีประสิทธิภาพจะไม่ 40 แต่ทั้งหมด 60 % นี่คือเหตุผลว่าทำไมในอีกไม่กี่ปีข้างหน้าใกล้ ๆ กับ Ryazan เครื่องกำเนิด MHD สำหรับอุตสาหกรรมขนาด 500 เมกะวัตต์จะเริ่มต้นทำงาน

แน่นอนว่าไม่ใช่เรื่องง่ายที่จะสร้างและใช้สถานีดังกล่าวในเชิงเศรษฐกิจ: มันไม่ง่ายที่จะวางใกล้กับกระแสพลาสมา (2500 K) และ cryostat ที่คดเคี้ยวด้วยฮีเลียมเหลว (4 ... 5 K) ขั้วไฟฟ้าร้อนและตะกรันสารเติมแต่งเหล่านั้น ที่ถูกเพิ่มเข้าไปในพลาสม่าไอออไนเซชันเชื้อเพลิง แต่ประโยชน์ที่คาดหวังควรครอบคลุมต้นทุนแรงงานทั้งหมด

เราสามารถจินตนาการได้ว่าระบบแม่เหล็กยิ่งยวดของเครื่องกำเนิด MHD นั้นเป็นอย่างไร ขดลวดตัวนำยิ่งยวดสองเส้นตั้งอยู่ที่ด้านข้างของช่องพลาสมาซึ่งแยกออกจากขดลวดด้วยฉนวนความร้อนหลายชั้น ขดลวดจะถูกตรึงไว้ในเทปคาสเซ็ตไทเทเนียมและสเปเซอร์ไทเทเนียมวางอยู่ระหว่างพวกเขา อนึ่งเทปและสเปเซอร์เหล่านี้จะต้องทนทานอย่างยิ่งเนื่องจากกองกำลังไฟฟ้าพลศาสตร์ในขดลวดในปัจจุบันมีแนวโน้มที่จะฉีกขาดออกจากกันแล้วดึงเข้าด้วยกัน

เนื่องจากไม่มีความร้อนเกิดขึ้นในขดลวดยิ่งยวดตู้เย็นซึ่งเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับระบบแม่เหล็กยิ่งยวดในการทำงานจะต้องกำจัดความร้อนที่เข้าสู่ cryostat ด้วยฮีเลียมเหลวผ่านฉนวนความร้อนและตะกั่วในปัจจุบัน การสูญเสียตะกั่วในปัจจุบันสามารถลดลงเป็นศูนย์ได้หากใช้ขดลวดตัวนำยิ่งยวดลัดวงจรที่ขับเคลื่อนด้วยหม้อแปลงไฟฟ้ากระแสตรงยิ่งยวด

ฮีเลียมเหลวซึ่งจะทำให้สูญเสียฮีเลียมที่ระเหยผ่านฉนวนกันความร้อนคาดว่าจะผลิตฮีเลียมเหลวหลายสิบลิตรในเวลา 1 ชั่วโมงของเหลวดังกล่าวผลิตขึ้นโดยอุตสาหกรรม

โดยไม่มีตัวนำยิ่งยวดโทเค็มขนาดใหญ่จะไม่สมจริง ในการติดตั้ง Tokamak-7 เช่นการม้วนที่มีน้ำหนัก 12 ตันจะไหลรอบ ๆ กระแส 4.5 kA และสร้างสนามแม่เหล็ก 2.4 T บนแกนของพลาสมาพรู 6 m3 ฟิลด์นี้ถูกสร้างขึ้นโดยคอยล์ตัวนำยิ่งยวด 48 คอยน์ซึ่งใช้ฮีเลียมเหลวเพียง 150 ลิตรต่อชั่วโมงการทำให้ของเหลวกลับมาใช้ใหม่ต้องใช้พลังงาน 300 ... 400 กิโลวัตต์

พลังงานขนาดใหญ่ไม่เพียง แต่ต้องการแม่เหล็กไฟฟ้าขนาดกะทัดรัดที่ประหยัด แต่ยังยากที่จะทำได้หากไม่มีนักวิทยาศาสตร์ที่ทำงานกับสาขาที่แข็งแกร่งทำลายสถิติ การติดตั้งสำหรับการแยกไอโซโทปแม่เหล็กกลายเป็นลำดับความสำคัญมากขึ้น โครงการของเครื่องเร่งความเร็วขนาดใหญ่ที่ไม่มีตัวนำแม่เหล็กไฟฟ้ายิ่งยวดจะไม่ถูกนำมาพิจารณาอีกต่อไปมันไม่สมจริงอย่างสมบูรณ์ที่จะทำโดยไม่มีตัวนำยิ่งยวดในห้องฟองสบู่ซึ่งกลายเป็นผู้รับจดทะเบียนที่น่าเชื่อถือและมีความละเอียดอ่อนของอนุภาคมูลฐาน ดังนั้นหนึ่งในระบบแม่เหล็กขนาดใหญ่ที่ทำลายสถิติโดยใช้ตัวนำยิ่งยวด (Argonne National Laboratory, USA) สร้างสนาม 1.8 T ด้วยพลังงานเก็บไว้ที่ 80 MJ คดเคี้ยวขนาดมหึมาที่มีน้ำหนัก 45 ตัน (ซึ่ง 400 กิโลกรัมไปที่ตัวนำยิ่งยวด) โดยมีเส้นผ่านศูนย์กลางด้านใน 4.8 เมตรเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอก 5.3 ม. และความสูง 3 ม. ต้องใช้เพียง 500 กิโลวัตต์สำหรับระบายความร้อนที่ 4.2 K - พลังงานจำนวนเล็กน้อย

แม่เหล็กตัวนำยิ่งยวดของห้องบับเบิลของศูนย์วิจัยนิวเคลียร์แห่งยุโรปในเจนีวาดูเหมือนน่าประทับใจยิ่งขึ้น มันมีคุณสมบัติดังต่อไปนี้: สนามแม่เหล็กที่อยู่ตรงกลางถึง 3 T, เส้นผ่านศูนย์กลางภายในของ“ คอยล์” 4.7 ม. พลังงานเก็บไว้ 800 MJ

ในตอนท้ายของปี 1977 Hyperon ซึ่งเป็นหนึ่งในแม่เหล็กตัวนำยิ่งยวดที่ใหญ่ที่สุดในโลกถูกนำไปใช้งานที่สถาบันทฤษฎีเชิงฟิสิกส์และการทดลอง (ITEP) พื้นที่ทำงานของมันมีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง 1 เมตรสนามที่อยู่ตรงกลางของระบบคือ 5 T (!) แม่เหล็กที่เป็นเอกลักษณ์ได้รับการออกแบบมาสำหรับการทดลองที่ IHEP proton synchrotron ใน Serpukhov

เมื่อเข้าใจตัวเลขที่น่าประทับใจเหล่านี้แล้วก็ไม่สะดวกที่จะพูดว่าการพัฒนาทางเทคนิคของตัวนำยิ่งยวดกำลังเริ่มต้นขึ้น ตัวอย่างเช่นเราสามารถเรียกคืนพารามิเตอร์สำคัญของตัวนำยิ่งยวด หากอุณหภูมิ, ความดัน, กระแส, สนามแม่เหล็กเกินค่า จำกัด ที่เรียกว่าสำคัญยิ่งยวดตัวนำยิ่งยวดจะสูญเสียคุณสมบัติที่ผิดปกติของมันและกลายเป็นวัสดุธรรมดา

สถานะของการเปลี่ยนเฟสค่อนข้างเป็นธรรมชาติที่ใช้ในการควบคุมสภาพภายนอก ถ้ามีตัวนำยิ่งยวดแสดงว่าสนามนั้นมีค่าน้อยกว่าค่าวิกฤตหากเซ็นเซอร์ได้รับการฟื้นฟูความต้านทานสนามนั้นจะอยู่เหนือระดับวิกฤต ชุดของตัวนำยิ่งยวดที่หลากหลายได้ถูกพัฒนาขึ้นแล้ว: เครื่องวัดระยะทางจากดาวเทียมสามารถ“ รู้สึก” การจับคู่ที่สว่างบนโลกได้ galvanometers จะไวขึ้นหลายพันครั้ง ใน resonators อัลตร้า -Q สูง, การสั่นของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าดูเหมือนจะได้รับการอนุรักษ์เพราะพวกเขาไม่สลายตัวเป็นเวลานานมาก

ตอนนี้เป็นเวลาที่จะมองไปรอบ ๆ ส่วนไฟฟ้าทั้งหมดของอุตสาหกรรมพลังงานเพื่อทำความเข้าใจว่าการกระจัดกระจายของอุปกรณ์ตัวนำยิ่งยวดสามารถสร้างผลกระทบทางเศรษฐกิจโดยรวมได้อย่างไร ตัวนำยิ่งยวดสามารถเพิ่มพลังงานหน่วยของหน่วยพลังงานพลังงานแรงสูงสามารถค่อยๆเปลี่ยนเป็นหลายแอมแปร์แทนการแปลงแรงดันไฟฟ้าระหว่างโรงไฟฟ้าและผู้บริโภคเป็นสี่หรือหกเท่ามันเป็นเรื่องจริงที่จะพูดคุยเกี่ยวกับการแปลงหนึ่งหรือสองครั้งด้วยวงจรที่เรียบง่าย แต่นั่นไม่ใช่ทั้งหมด

ระบบไฟฟ้าจะมีลักษณะที่แตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิงเมื่อมีการใช้อุปกรณ์เก็บพลังงานแบบเหนี่ยวนำ (SPIN) ยิ่งยวด! ความจริงก็คือว่าในทุกอุตสาหกรรมเฉพาะในภาคพลังงานไม่มีคลังสินค้า: ความร้อนและไฟฟ้าที่สร้างขึ้นจะไม่มีการเก็บพวกเขาจะต้องบริโภคทันที ความหวังบางอย่างเกี่ยวข้องกับตัวนำยิ่งยวด เนื่องจากการขาดความต้านทานไฟฟ้าในพวกเขาปัจจุบันสามารถไหลผ่านวงจรตัวนำยิ่งยวดที่ปิดเป็นเวลานานโดยไม่มีการลดทอนจนกว่าจะถึงเวลาสำหรับการเลือกโดยผู้บริโภค SPINS จะกลายเป็นองค์ประกอบตามธรรมชาติของเครือข่ายไฟฟ้ามันยังคงอยู่เพียงเพื่อให้พวกเขามีหน่วยงานกำกับดูแลสวิทช์หรือตัวแปลงกระแสหรือความถี่เมื่อรวมกับแหล่งที่มาและผู้บริโภคไฟฟ้า

ความเข้มพลังงานของ SPIN อาจแตกต่างกันมาก - ตั้งแต่ 10–5 (พลังงานของพอร์ทโฟลิโอที่ตกลงมา) ถึง 1 kWh (บล็อก 10 ตันที่ตกลงจากหน้าผา 40 เมตร) หรือ 10 ล้านกิโลวัตต์ชั่วโมง! ไดรฟ์ที่ทรงพลังเช่นนี้ควรมีขนาดของลู่วิ่งรอบสนามฟุตบอลราคาของมันจะอยู่ที่ 500 ล้านดอลลาร์และมีประสิทธิภาพ - 95%โรงไฟฟ้าสะสมที่เทียบเท่าจะถูกกว่า 20% แต่จะใช้ความจุหนึ่งในสามของความต้องการ! เลย์เอาต์ของต้นทุนของ SPIN นี้นั้นให้คำแนะนำในแง่ของส่วนประกอบ: สำหรับตู้เย็น 2 ... 4%, สำหรับคอนเวอร์เตอร์ปัจจุบัน 10%, สำหรับขดลวดตัวนำยิ่งยวด 15 ... 20%, สำหรับฉนวนกันความร้อนของโซนเย็น 25% และสำหรับผ้าพันแผล %

ตั้งแต่รายงานของ G.M. Krzhizhanovsky ตามแผน GOELRO ที่สภาคองเกรสโซเวียตรัสเซียทั้งหมด VIII กว่าครึ่งศตวรรษผ่านไป การดำเนินการตามแผนนี้ทำให้สามารถเพิ่มกำลังการผลิตไฟฟ้าของประเทศจาก 1 เป็น 200 ... 300 ล้านกิโลวัตต์ ขณะนี้มีโอกาสขั้นพื้นฐานในการเสริมสร้างระบบพลังงานของประเทศหลายสิบครั้งถ่ายโอนไปยังตัวนำไฟฟ้ายิ่งยวดและทำให้หลักการพื้นฐานของการสร้างระบบดังกล่าวง่ายขึ้น

พื้นฐานของพลังงานในช่วงต้นศตวรรษที่ 21 สามารถเป็นสถานีนิวเคลียร์และเทอร์โมนิวเคลียร์พร้อมเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่ทรงพลังอย่างยิ่ง สนามไฟฟ้าที่เกิดจากตัวนำแม่เหล็กไฟฟ้ายิ่งยวดแม่น้ำที่ทรงพลังสามารถไหลผ่านสายไฟฟ้าตัวนำยิ่งยวดไปยังที่เก็บพลังงานยิ่งยวดจากที่ที่พวกเขาจะถูกเลือกโดยผู้บริโภคตามความจำเป็น โรงไฟฟ้าจะสามารถผลิตพลังงานได้อย่างเท่าเทียมกันทั้งกลางวันและกลางคืนและการปล่อยจากโหมดตามแผนควรเพิ่มประสิทธิภาพและอายุการใช้งานของหน่วยงานหลัก

คุณสามารถเพิ่มสถานีพลังงานแสงอาทิตย์ในอวกาศให้กับโรงไฟฟ้าพลังงานดิน อยู่เหนือจุดคงที่ของดาวเคราะห์พวกเขาจะต้องแปลงรังสีของดวงอาทิตย์เป็นรังสีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าสั้นเพื่อส่งกระแสพลังงานที่มุ่งเน้นไปที่ตัวแปลงภาคพื้นดินเป็นกระแสอุตสาหกรรม อุปกรณ์ไฟฟ้าทั้งหมดของระบบไฟฟ้าอวกาศพื้นที่นั้นจะต้องเป็นตัวนำยิ่งยวดมิฉะนั้นความสูญเสียในตัวนำของการนำไฟฟ้าขั้นสุดท้ายจะกลายเป็นสิ่งที่มีขนาดใหญ่เกินกว่าจะยอมรับได้

Vladimir KARTSEV "แม่เหล็กสำหรับสามพันปี"