مستقبل الطاقة - مولدات الطاقة فائقة التوصيل والمحولات وخطوط الطاقة

أحد الاتجاهات الرئيسية لتطوير العلوم يحدد الدراسات النظرية والتجريبية في مجال المواد فائقة التوصيل ، وأحد الاتجاهات الرئيسية لتطوير التكنولوجيا هو تطوير المولدات التوربينية فائقة التوصيل.

ستؤدي المعدات الكهربائية فائقة التوصيل إلى زيادة الأحمال الكهربائية والمغناطيسية بشكل كبير في عناصر الأجهزة وبالتالي تقليل حجمها بشكل كبير. في سلك موصل فائق ، الكثافة الحالية 10 ... 50 مرة كثافة التيار في المعدات الكهربائية التقليدية مسموح بها. يمكن الوصول إلى الحقول المغناطيسية بقيم 10 T ، مقارنة بـ 0.8 ... 1 T في الآلات التقليدية. بالنظر إلى أن أبعاد الأجهزة الكهربائية تتناسب عكسيا مع ناتج كثافة التيار المسموح بها والحث المغناطيسي ، فمن الواضح أن استخدام الموصلات الفائقة سيقلل من حجم ووزن المعدات الكهربائية عدة مرات!

وفقا لأحد مصممي نظام التبريد لأنواع جديدة من المولدات التوربينية المبردة للعالم السوفياتي إ. Filippov ، هناك سبب للنظر في مهمة إنشاء المولدات الكهربائية بالتبريد مع حل الموصلات الفائقة. تعطي الحسابات والدراسات الأولية الأمل في أن الحجم والوزن ، وكذلك كفاءة الآلات الجديدة ستكون أعلى من المولدات الأكثر تقدماً في التصميم التقليدي.

يشارك في هذا الرأي رؤساء العمل حول إنشاء مولد توربيني جديد فائق التوصيل لسلسلة KTG-1000 ، وهو الأكاديمي I.A. جليبوف ، دكتوراه في العلوم التقنية نوفيتسكي وف. ن. Shakhtarin. تم اختبار مولد KTG-1000 في صيف عام 1975 ، تلاه مولد توربيني مبرد KT-2-2 ، أنشأته جمعية Electrosila بالتعاون مع علماء معهد الفيزياء والتكنولوجيا لدرجات الحرارة المنخفضة ، أكاديمية العلوم في SSR الأوكرانية. سمحت نتائج الاختبار ببناء وحدة فائقة التوصيل ذات قدرة أكبر بكثير.

فيما يلي بعض البيانات عن مولد توربيني فائق التوصيل 1200 كيلو واط تم تطويره في VNIIelektromash. يتكون لف حقل الموصل الفائق من سلك يبلغ قطره 0.7 مم مع 37 عروقًا فائقة التوصيل من التيتانيوم النيوبيوم في مصفوفة من النحاس. يُنظر إلى قوى الطرد المركزي والديناميكي الكهربائي في لفيفة بواسطة ضمادة الفولاذ المقاوم للصدأ. بين الغلاف الخارجي الصلب غير القابل للصدأ ذو الجدران السميكة والضماد ، توجد شاشة نحاس حرارية كهربائية ، يتم تبريدها بتدفق الهليوم الغازي البارد الذي يمر عبر القناة (ثم يعود إلى المائع).

المحامل تعمل في درجة حرارة الغرفة. تتكون لفيفة الجزء الثابت من الموصلات النحاسية (الماء البارد) وتحيط بها درع مغناطيسي حديدي مصنوع من الصلب المحمّل. يدور الدوار في فراغ داخل غلاف المواد العازلة. مكفول فراغ في قذيفة من قبل جوانات.

كان مولد KTG-1000 التجريبي في يوم من الأيام أكبر مولدات التوليد في العالم من حيث الحجم. والغرض من إنشائها هو اختبار تصميم ناظم البرد الكبيرة الدوارة وأجهزة إمداد الهيليوم باللف الدوار ذي الموصلية الفائقة ، ودراسة الدائرة الحرارية ، وتشغيل اللف الدوار الفائق الموصل ، وتبريده.

والآفاق ببساطة يفتن. يبلغ طول الماكينة التي تبلغ سرعتها 1300 ميجاوات حوالي 10 أمتار وتبلغ كتلتها 280 طنًا ، بينما يبلغ طول الماكينة ذات الحجم المماثل والأداء العادي 20 مترًا وبكتلة 700 طن! أخيرًا ، من الصعب إنشاء جهاز عادي بسعة تزيد عن 2000 ميجاوات ، ومع الموصلات الفائقة يمكنك بالفعل تحقيق قدرة وحدة تبلغ 20.000 ميجاوات!

لذلك ، فإن المكسب في المواد يمثل حوالي ثلاثة أرباع التكلفة. يتم تسهيل عمليات الإنتاج. من الأسهل والأرخص لأي مصنع لبناء الآلات أن يصنع عدة آلات كهربائية كبيرة من عدد كبير من الآلات الصغيرة: هناك حاجة إلى عدد أقل من العمال ، كما أن حديقة الآلات وغيرها من المعدات غير متوترة.

لتثبيت مولد توربيني قوي ، هناك حاجة إلى مساحة صغيرة نسبيًا من محطة توليد الكهرباء. هذا يعني أن تكلفة بناء غرفة الآلة تقل ، ويمكن تشغيل المحطة بشكل أسرع. وأخيراً ، كلما كبرت الآلة الكهربائية ، ارتفعت كفاءتها.

ومع ذلك ، لا تستبعد كل هذه المزايا الصعوبات التقنية التي تنشأ عند إنشاء وحدات طاقة كبيرة. والأهم من ذلك ، يمكن زيادة قوتهم إلى حدود معينة فقط. تشير الحسابات إلى أنه لن يكون من الممكن عبور الحد الأعلى المحدود بقوة مولد توربيني بقوة 2500 ميجاوات ، حيث يدور الدوار بسرعة 3000 دورة في الدقيقة ، حيث يتم تحديد هذا الحد ، أولاً وقبل كل شيء ، بخصائص القوة: الضغوط في الهيكل الميكانيكي لآلة ذات طاقة أعلى تزيد كثيراً أن قوات الطرد المركزي سوف تسبب حتما فشل الدوار.

الكثير من المخاوف تنشأ أثناء النقل. من أجل نقل المولد التوربيني نفسه بسعة 1200 ميجاوات ، كان من الضروري بناء ناقل مفصل بسعة حمل 500 طن ، بطول 64 متر تقريبًا ، ويستند كل من سيارتيه على 16 محور سيارة.

العديد من العقبات نفسها تسقط إذا كنت تستخدم تأثير الموصلية الفائقة وتطبيق المواد فائقة التوصيل. ثم يمكن تقليل الخسائر في لف الدوار بشكل عملي إلى الصفر ، لأن التيار المباشر لن يواجه المقاومة فيه. وإذا كان الأمر كذلك ، فإن كفاءة الجهاز تزداد. يخلق تيار كبير يتدفق عبر لفّ مجال الحقل فائق التوصيل مجالًا مغناطيسيًا قويًا لدرجة أنه لم يعد من الضروري استخدام دائرة مغناطيسية فولاذية تقليدية لأي آلة كهربائية. ستؤدي إزالة الصلب إلى تقليل كتلة الدوار والقصور الذاتي.

إنشاء آلات كهربائية مبردة ليس بدعة ، ولكن ضرورة ، كنتيجة طبيعية للتقدم العلمي والتكنولوجي. وهناك كل الأسباب التي تدفعنا إلى القول إنه بحلول نهاية القرن الحالي ، ستعمل مولدات التوربينات فائقة التوصيل بسعة تزيد عن 1000 ميجاوات في أنظمة الطاقة.

تم تصميم أول آلة كهربائية في الاتحاد السوفيتي مع الموصلات الفائقة في معهد الكهروميكانيكية في لينينغراد في عام 1962 ... 1963. لقد كانت آلة التيار المباشر ذات المحرك التقليدي ("الحار") وملء المجال الفائق الموصل. قوتها كانت فقط بضع واط.

منذ ذلك الحين ، يعمل موظفو المعهد (الآن VNIIelektromash) على إنشاء مولدات توربينية فائقة التوصيل لقطاع الطاقة. خلال السنوات الماضية ، كان من الممكن بناء هياكل تجريبية بسعة 0.018 و 1 ميجاوات ، ثم 20 ميجاوات ...

ما هي ملامح هذا من بنات أفكار VNIIelektromash؟

ملف الحقل فائق التوصيل موجود في حمام الهيليوم. يدخل الهيليوم السائل في الدوار الدوار عبر أنبوب يقع في وسط العمود المجوف. يتم توجيه الغاز المتبخر إلى وحدة التكثيف عبر الفجوة بين هذا الأنبوب والجدار الداخلي للقضيب.

في تصميم خط أنابيب الهيليوم ، كما هو الحال في الدوار نفسه ، توجد تجاويف فراغية تخلق عزلًا حراريًا جيدًا. يتم توفير عزم الدوران من المحرك الرئيسي إلى الحقل الذي يمر عبر "الجسور الحرارية" - وهو هيكل قوي ميكانيكياً بدرجة كافية ولكنه لا ينقل الحرارة جيدًا.

نتيجة لذلك ، فإن تصميم الدوار هو ناظم البرد الدورية مع لفائف مجال فائقة التوصيل.

يحتوي الجزء الثابت لمولِّد توربيني فائق التوصيل ، كما في النموذج التقليدي ، على لف ثلاثي المراحل يتم فيه تحفيز القوة الدافعة الكهربائية بواسطة المجال المغناطيسي الدوار.أظهرت الدراسات أنه من غير العملي استخدام لف الموصلات الفائقة في الجزء الثابت ، حيث تحدث خسائر كبيرة في التيار المتناوب في الموصلات الفائقة. لكن تصميم الجزء الثابت ذو اللف "الطبيعي" له خصائصه الخاصة.

تبين أن اللف يكون من الممكن من حيث المبدأ وضعه في فجوة الهواء بين الجزء الثابت والدوار ويتم تركيبه بطريقة جديدة ، باستخدام راتنجات الإبوكسي والعناصر الهيكلية المصنوعة من الألياف الزجاجية. مثل هذه الدائرة جعلت من الممكن وضع المزيد من الموصلات النحاسية في الجزء الثابت.

نظام تبريد الجزء الثابت أيضًا أصلي: تتم إزالة الحرارة بواسطة الفريون ، والتي تؤدي في وقت واحد وظيفة عازل. في المستقبل ، يمكن استخدام هذه الحرارة لأغراض عملية باستخدام مضخة الحرارة.

تم استخدام سلك نحاسي ذو مقطع عرضي مستطيل 2.5 × 3.5 مم في محرك المولد التوربيني بسعة 20 ميجاوات. يتم الضغط على 3600 عروق مصنوعة من التيتانيوم النيوبيوم. مثل هذا السلك قادر على نقل التيار حتى 2200 A.

أكدت اختبارات المولد الجديد البيانات المحسوبة. لقد تحولت إلى ضعف إضاءة الآلات التقليدية بنفس القوة ، وكفاءتها أعلى بنسبة 1٪. الآن يعمل هذا المولد في نظام Lenenergo كمعوض متزامن ويولد قوة رد الفعل.

ولكن النتيجة الرئيسية للعمل هي التجربة الهائلة المكتسبة في عملية إنشاء مولد توربيني. بالاعتماد على ذلك ، بدأت جمعية Leningrad Electric Machine Building Association Association Elektrosila في إنشاء مولد توربيني بطاقة 300 ميغاواط ، سيتم تثبيتها في أحد محطات الطاقة قيد الإنشاء في بلدنا.

إن لف حقل الحقل الدوار فائق التوصيل مصنوع من سلك التيتانيوم النيوبيوم. أجهزته غير عادية - يتم الضغط على نحافة الموصلات التيتانيوم النيوبيوم في مصفوفة النحاس. يتم ذلك من أجل منع انتقال اللف من حالة التوصيل الفائق إلى الوضع الطبيعي نتيجة لتأثير التقلبات في التدفق المغناطيسي أو لأسباب أخرى. إذا حدث هذا ، فسوف يتدفق التيار عبر المصفوفة النحاسية ، وسوف تتبدد الحرارة ، وستستعاد حالة الموصلية الفائقة.

تتطلب تكنولوجيا التصنيع الخاصة بالدوار نفسه تقديم حلول تقنية جديدة بشكل أساسي. إذا كان الدوار الخاص بالآلة التقليدية مصنوعًا من تزوير صلب من الصلب الموصّل مغناطيسيًا ، في هذه الحالة ، يجب أن يتكون من عدة أسطوانات مدمجة إحداها في الأخرى ، مصنوعة من الفولاذ غير المغنطيسي. بين جدران بعض الاسطوانات هو الهيليوم السائل ، وبين جدران الآخرين يتم إنشاء فراغ. يجب أن يكون للجدران الأسطوانية ، بالطبع ، قوة ميكانيكية عالية ، تكون محكم الفراغ.

كتلة المولدات التوربينية الجديدة ، وكذلك كتلة سابقتها ، تقريبًا أقل من كتلة نفس القوة المعتادة ، ويتم زيادة الكفاءة بمقدار 0.5 ... 0.7٪. ظل مولد التوربينات "يعيش" منذ حوالي 30 عامًا وكان معظم الوقت يعمل ، لذلك فمن الواضح أن مثل هذه الزيادة الصغيرة في الكفاءة ستكون مكسبًا كبيرًا للغاية.

لا يحتاج مهندسو الطاقة إلى المولدات الباردة فقط. تم بالفعل تصنيع واختبار عدة عشرات من المحولات فائقة التوصيل (تم بناء أولها بواسطة McPhee الأمريكي في عام 1961 ؛ وعمل المحول على مستوى 15 كيلوواط). هناك مشاريع للمحولات فائقة التوصيل لتوليد طاقة تصل إلى مليون كيلو وات. في قوى كبيرة بما فيه الكفاية ، ستكون المحولات فائقة التوصيل أخف وزناً بنسبة 40٪ مع المعتاد تقريبًا مع نفس خسائر الطاقة التي تحوّلها المحولات التقليدية تقريبًا (في هذه الحسابات ، تم أخذ قدرة المميع أيضًا في الاعتبار).

المحولات فائقة التوصيل ، مع ذلك ، لها عيوب كبيرة. وهي مرتبطة بالحاجة إلى حماية المحول من التغلب عليه من حالة التوصيل الفائق أثناء الأحمال الزائدة أو الدوائر القصيرة أو الحرارة الزائدة عندما يصل الحقل المغناطيسي أو التيار أو درجة الحرارة إلى قيم حرجة.

إذا لم ينهار المحول ، فسوف يستغرق الأمر عدة ساعات لتبريده مرة أخرى واستعادة الموصلية الفائقة. في بعض الحالات ، يكون هذا الانقطاع في إمدادات الطاقة غير مقبول.لذلك ، قبل الحديث عن الإنتاج الضخم للمحولات فائقة التوصيل ، من الضروري وضع تدابير للحماية من الظروف الطارئة وإمكانية تزويد المستهلكين بالكهرباء أثناء توقف المحولات فائقة التوصيل. تتيح لنا النجاحات التي تحققت في هذا المجال أن نعتقد أنه في المستقبل القريب سيتم حل مشكلة حماية المحولات فائقة التوصيل ، وسوف تحل محلها في محطات توليد الطاقة.

في السنوات الأخيرة ، أصبح حلم توصيل خطوط الكهرباء الفائقة أقرب إلى تحقيقه. إن الطلب المتزايد على الكهرباء يجعل نقل الطاقة العالية عبر المسافات الطويلة جذابا للغاية. لقد أظهر العلماء السوفييت بشكل مقنع الوعد بخطوط نقل فائقة التوصيل. سوف تكون تكلفة الخطوط مماثلة لتكلفة خطوط نقل الطاقة الكهربائية التقليدية (تكلفة الموصل الفائق ، نظرًا للقيمة العالية لكثافة التيار الحرجة مقارنة بكثافة التيار الممكنة اقتصاديًا في أسلاك النحاس أو الألومنيوم ، منخفضة) وأقل من تكلفة خطوط الكابلات.

 

من المفترض أن تنفذ خطوط طاقة فائقة التوصيل على النحو التالي: يتم وضع خط أنابيب يحتوي على النيتروجين السائل بين نقاط نهاية الإرسال في الأرض. داخل هذا الخط هو خط أنابيب مع الهيليوم السائل. يتدفق الهيليوم والنيتروجين عبر خطوط الأنابيب بسبب اختلاف الضغط بين نقطتي البداية والنهاية. وبالتالي ، فإن محطات التسييل والضخ ستكون فقط في نهايات الخط.

النيتروجين السائل يمكن أن تستخدم في وقت واحد كما عازل. يتم دعم خط أنابيب الهيليوم داخل النيتروجين بواسطة رفوف عازلة (في معظم العوازل ، يتم تحسين الخواص العازلة في درجات حرارة منخفضة). خط أنابيب الهيليوم لديه عزل الفراغ. السطح الداخلي لخط أنابيب الهيليوم السائل مطلي بطبقة من الموصل الفائق.

الخسائر في مثل هذا الخط ، مع الأخذ في الاعتبار الخسائر الحتمية في نهايات الخط ، حيث يجب على الموصل الفائق التواصل مع الإطارات في درجة الحرارة العادية ، لن تتجاوز بضعة كسور من المئة ، وخسائر خطوط الطاقة العادية هي 5 ... 10 مرات أكثر!

من قبل قوى علماء معهد الطاقة سميت باسم G.M. قام Krzhizhanovsky ومعهد All-Union للبحث العلمي في صناعة الكابلات بالفعل بإنشاء سلسلة من القطاعات التجريبية لكابلات AC و DC فائقة التوصيل. ستكون هذه الخطوط قادرة على نقل الطاقة إلى عدة آلاف من ميجاوات بكفاءة أكثر من 99 ٪ ، بتكلفة معتدلة والجهد المنخفض نسبيا (110 ... 220 كيلو فولت). ربما الأهم من ذلك ، خطوط الكهرباء فائقة التوصيل لن تحتاج إلى أجهزة تعويض الطاقة باهظة الثمن باهظة الثمن. تتطلب الخطوط التقليدية تركيب مفاعلات حالية ومكثفات قوية من أجل تعويض خسائر الجهد الزائدة على طول المسار ، والخطوط على الموصلات الفائقة قادرة على تعويض نفسها بنفسها!

تبين أن الموصلات الفائقة لا غنى عنها في الآلات الكهربائية ، حيث أن مبدأ التشغيل بسيط للغاية ، ولكن لم يتم بناؤه من قبل ، لأن عملهم يتطلب مغناطيسًا قويًا للغاية. نحن نتحدث عن آلات المغنطيسية الديناميكية (MHD) ، والتي حاول فاراداي تنفيذها في وقت مبكر من عام 1831.

فكرة التجربة بسيطة. تم غمر لوحين من المعدن في مياه نهر التايمز على ضفتيه المقابلة. إذا كانت سرعة النهر 0.2 م / ث ، عندها تشبه نفاثات الماء بالموصلات التي تتحرك من الغرب إلى الشرق في المجال المغنطيسي للأرض (مكونه العمودي حوالي 5 · 10–5 طن) ، يمكن إزالة فولطية تبلغ حوالي 10 μV / م من الأقطاب الكهربائية .

لسوء الحظ ، انتهت هذه التجربة بالفشل ؛ "نهر المولد" لم ينجح. لم يستطع فاراداي قياس التيار في الدائرة. لكن بعد بضع سنوات ، كرر اللورد كلفن تجربة فاراداي وحصل على تيار صغير. يبدو أن كل شيء بقي كما هو الحال في فاراداي: اللوحات نفسها ، نفس النهر ، الأدوات نفسها. هل هذا المكان ليس كذلك.قام كيلفن ببناء مولده أسفل نهر التايمز ، حيث تمتزج مياهه بالمياه المالحة للمضيق.

ها هي! كان مجرى المياه أكثر ملوحة ، وبالتالي كان أكثر الموصلية! تم تسجيل هذا على الفور من قبل الصكوك. زيادة توصيل "مائع العمل" هي الطريقة العامة لزيادة قوة مولدات MHD. ولكن يمكنك زيادة الطاقة بطريقة أخرى - عن طريق زيادة المجال المغناطيسي. تتناسب قوة مولد MHD بشكل مباشر مع مربع شدة المجال المغناطيسي.

حصلت أحلام مولدات MHD على أساس حقيقي في منتصف قرننا تقريبًا ، مع ظهور الدفعة الأولى من المواد الصناعية فائقة التوصيل (النيوبيوم - تيتانيوم ، النيوبيوم - الزركونيوم) ، التي كان من الممكن من خلالها إنشاء النماذج الأولى ، التي لا تزال صغيرة ، ولكنها تعمل من المولدات والمحركات والموصلات والملفات اللولبية . وفي عام 1962 ، في ندوة في نيوكاسل ، اقترح البريطانيون ويلسون وروبرت مشروعًا لإنشاء مولد بقوة 20 ميغاواط في الساعة مع حقل 4 ت. إذا تم لف الأسلاك النحاسية ، فبتكلفة 0.6 مم / دولار. سوف خسائر جول في ذلك "أكل" полез قوة مفيدة (15 ميغاواط!). ولكن على الموصلات الفائقة ، فإن اللف سوف يحيط بشكل مضغوط بغرفة العمل ، ولن تكون هناك خسائر ، وسيستغرق التبريد 100 كيلو واط فقط من الطاقة. ستزيد الكفاءة من 25 إلى 99.5٪! هناك شيء للتفكير فيه.

تم استخدام مولدات MHD على محمل الجد في العديد من البلدان ، لأنه في مثل هذه الأجهزة ، يمكن استخدام البلازما 8 ... 10 أضعاف درجات حرارة البخار في التوربينات في محطات توليد الطاقة الحرارية ، ووفقًا لصيغة Carnot المعروفة ، لن تكون الكفاءة 40 ، ولكن كل 60 ٪. هذا هو السبب في السنوات المقبلة بالقرب من ريازان أول مولد MHD الصناعي بقدرة 500 ميجاوات سيبدأ التشغيل.

بالطبع ، ليس من السهل إنشاء مثل هذه المحطة واستخدامها اقتصاديًا: ليس من السهل وضعها بالقرب من تيار البلازما (2500 كلفن) وكريوستات مع لف في الهيليوم السائل (4 ... 5 K) ، الأقطاب الكهربائية الساخنة تحترق والخبث ، تلك المواد المضافة التي لا تحتاج إلا إلى التخلص من الخبث التي تم إضافتها إلى وقود تأين البلازما ، ولكن يجب أن تغطي الفوائد المتوقعة جميع تكاليف العمالة.

يمكن للمرء أن يتخيل كيف يبدو نظام مغناطيسي فائق التوصيل لمولد MHD. توجد لفتان موصلتان فائقتان على جانبي قناة البلازما ، مفصولة عن اللفات بعزل حراري متعدد الطبقات. يتم تثبيت اللفات في أشرطة التيتانيوم ، ويتم وضع الفواصل التيتانيوم بينهما. بالمناسبة ، يجب أن تكون هذه الكاسيتات والفواصل متينة للغاية ، حيث تميل القوى الكهروديناميكية في اللفات الحالية إلى تمزيقها وسحبها معًا.

نظرًا لأنه لا يتم توليد حرارة في لف الموصلات الفائقة ، فإن الثلاجة ، المطلوبة لتشغيل النظام المغناطيسي فائق التوصيل ، يجب أن تزيل فقط الحرارة التي تدخل البرد مع الهليوم السائل من خلال العزل الحراري والروابط الحالية. يمكن تقليل الخسائر في العملاء المتوقعين الحاليين إلى الصفر تقريبًا في حالة استخدام ملفات فائقة التوصيل قصيرة الدائرة مدعومة بمحول تيار مستمر فائق التوصيل.

يُقدر إنتاج سائل الهيليوم ، الذي سيعوض فقدان الهيليوم الذي يتبخر من خلال العزل ، بعشرات اللترات من الهيليوم السائل في ساعة واحدة ، ويتم إنتاج هذه السوائل بواسطة الصناعة.

بدون لف الموصلات الفائقة ، فإن tokamaks الكبيرة ستكون غير واقعية. في تركيب Tokamak-7 ، على سبيل المثال ، يتدفق ملفوف وزنه 12 طناً حول تيار يبلغ 4.5 كيلو أمبير ويخلق مجالًا مغناطيسيًا 2.4 طن على محور تورس بلازما بحجم 6 م 3. يتم إنشاء هذا الحقل من خلال 48 ملفًا فائق التوصيل ، حيث يستهلك 150 لترًا فقط من الهيليوم السائل في الساعة ، والتي تتطلب إعادة تسييلها قدرة 300 ... 400 كيلو واط.

لا تحتاج الطاقة الكبيرة فقط إلى مغناطيسات كهربائية قوية مدمجة ، بل من الصعب الاستغناء عنها للعلماء الذين يعملون في حقول قوية تحطيم الأرقام القياسية. المنشآت لفصل النظائر المغناطيسية تصبح مرتبة أكثر إنتاجية. لم تعد مشاريع المعجلات الكبيرة بدون مغناطيس كهربائي فائق التوصيل قيد الدراسة.من غير الواقعي تمامًا الاستغناء عن الموصلات الفائقة في غرف الفقاعات ، والتي تصبح مسجِّلة موثوقة للغاية وحساسة للجزيئات الأولية. لذا ، فإن أحد الأنظمة المغناطيسية الكبيرة التي تحطمت الأرقام القياسية القائمة على الموصلات الفائقة (مختبر أرجون الوطني ، الولايات المتحدة الأمريكية) تخلق حقلًا 1.8 طن بطاقة تخزينية تبلغ 80 ميجا جول. تتطلب لفيفة عملاقة تزن 45 طنًا (منها 400 كجم إلى موصل فائق) يبلغ قطرها الداخلي 4.8 متر وقطرها الخارجي 5.3 متر وارتفاعه 3 متر فقط 500 كيلو واط لتبريد إلى 4.2 كيلو - كمية ضئيلة من الطاقة.

يبدو مغناطيس الموصلية الفائقة لغرفة الفقاعة التابعة للمركز الأوروبي للبحوث النووية في جنيف أكثر إثارة للإعجاب. لديها الخصائص التالية: المجال المغناطيسي في المركز حتى 3 T ، القطر الداخلي لـ "الملف" 4.7 متر ، الطاقة المخزنة 800 MJ.

في نهاية عام 1977 ، تم تشغيل Hyperon ، أحد أكبر مغناطيس الموصلات في العالم ، في معهد الفيزياء النظرية والتجريبية (ITEP). تبلغ مساحة العمل فيها 1 متر ، الحقل في وسط النظام هو 5 طن (!). تم تصميم مغناطيس فريد للتجارب في السنكروترون IHEP بروتون في سيربوكوف.

بعد فهم هذه الأرقام المثيرة للإعجاب ، من غير المألوف بالفعل أن نقول إن التطوير التقني للموصلية الفائقة قد بدأ للتو. كمثال ، يمكننا أن نتذكر المعلمات الحرجة للموصلات الفائقة. إذا تجاوزت درجة الحرارة والضغط والحقل والمغناطيس بعض القيم المحددة ، والتي تسمى الحرجة ، فإن الموصلات الفائقة ستفقد خصائصها غير العادية ، وتتحول إلى مادة عادية.

وجود انتقال المرحلة أمر طبيعي للغاية لاستخدامها للسيطرة على الظروف الخارجية. إذا كان هناك الموصلية الفائقة ، يكون الحقل أقل من الأهمية ، وإذا استعاد المستشعر المقاومة ، يكون الحقل أعلى من الأهمية. لقد تم بالفعل تطوير سلسلة من مجموعة واسعة من عدادات الموصلات الفائقة: يمكن لمصباح "بولومتر" على قمر صناعي أن "يشعر" باضاءة مضاءة على الأرض ، تصبح الجلفانومترات أكثر حساسية بعدة آلاف من المرات ؛ في الرنانات فائقة الارتفاع ، يبدو أن تذبذبات المجال الكهرومغناطيسي قد تم الحفاظ عليها ، لأنها لا تتحلل لفترة طويلة للغاية.

لقد حان الوقت للبحث في الجزء الكهربائي بأكمله من صناعة الطاقة لفهم كيف يمكن أن يؤدي تشتت الأجهزة فائقة التوصيل إلى إحداث تأثير اقتصادي كلي. يمكن للموصلات الفائقة زيادة طاقة وحدة وحدات الطاقة ، ويمكن أن تتحول الطاقة عالية الجهد تدريجياً إلى متعدد الأمبير ، بدلاً من أربعة أو ستة أضعاف تحويل الجهد بين محطة توليد الطاقة والمستهلك ، فمن الحقيقي الحديث عن تحويل واحد أو اثنين مع تبسيط مماثل ودائرة أرخص ، والكفاءة الكلية للشبكات الكهربائية ستزداد حتماً بسبب خسائر جول. لكن هذا ليس كل شيء.

سوف تأخذ الأنظمة الكهربائية نظرة مختلفة حتما عند استخدام أجهزة تخزين الطاقة الاستقرائية الفائقة (SPINs) فيها! والحقيقة هي أنه من بين جميع الصناعات ، فقط في قطاع الطاقة لا توجد مستودعات: لا يتم تخزين الحرارة والكهرباء المولدة في أي مكان ، ويجب استهلاكها على الفور. وترتبط بعض الآمال مع الموصلات الفائقة. بسبب عدم وجود مقاومة كهربائية فيها ، يمكن للتيار أن يدور من خلال دائرة فائقة التوصيل مغلقة لفترة طويلة تعسفية دون توهين حتى يحين الوقت لاختياره من قبل المستهلك. ستصبح SPINS عناصر طبيعية للشبكة الكهربائية ، يبقى فقط لتزويدها بمنظمين أو مفاتيح أو محولات للتيار أو التردد عند دمجها مع مصادر ومستهلكي الكهرباء.

يمكن أن تكون كثافة الطاقة في SPIN مختلفة تمامًا - من 10 إلى 5 (طاقة حافظة سقطت عن متناول أيدينا) إلى 1 كيلو واط ساعي (كتلة من 10 أطنان سقطت على بعد 40 مترًا من جرف) أو 10 ملايين كيلوواط ساعي! يجب أن يكون لهذه الحملة القوية حجم جهاز المشي في جميع أنحاء ملعب كرة القدم ، وسيكون سعره 500 مليون دولار ، والكفاءة - 95 ٪.ستكون محطة الطاقة المتراكمة المكافئة أرخص بنسبة 20٪ ، ولكنها ستنفق ثلث الطاقة اللازمة لتلبية احتياجاتها! يعد تخطيط تكلفة SPIN كهذا أمرًا مفيدًا من حيث مكوناته: بالنسبة للثلاجات 2 ... 4٪ ، للمحولات الحالية 10٪ وللفائف فائقة التوصيل 15 ... 20٪ وللعزل الحراري للمنطقة الباردة 25٪ وللضمادات والمثبتات والفواصل - حوالي 50 ٪.

منذ تقرير G.M. Krzhizhanovsky وفقا لخطة GOELRO في المؤتمر الثامن لعموم روسيا السوفيات أكثر من نصف قرن قد مرت. مكّن تنفيذ هذه الخطة من زيادة قدرة محطات توليد الكهرباء في البلاد من 1 إلى 200 ... 300 مليون كيلووات. هناك الآن فرصة أساسية لتقوية أنظمة الطاقة في البلاد عدة عشرات المرات ، ونقلها إلى أجهزة كهربائية فائقة التوصيل وتبسيط مبادئ بناء مثل هذه الأنظمة.

يمكن أن تكون أساس الطاقة في بداية القرن الحادي والعشرين المحطات النووية والنووية الحرارية مع مولدات كهربائية قوية للغاية. يمكن أن تتدفق الأنهار القوية عبر الحقول الكهربائية التي تولدها المغناطيسات الكهربائية فائقة التوصيل ، من خلال خطوط الطاقة فائقة التوصيل إلى تخزين الطاقة الفائق التوصيل ، حيث سيتم اختيار المستهلكين من قبلهم عند الضرورة. ستكون محطات توليد الكهرباء قادرة على توليد الطاقة بالتساوي ، ليلا ونهارا ، وينبغي أن يؤدي إطلاقها من الأنظمة المخططة إلى زيادة كفاءة الخدمة الرئيسية وعمر الخدمة فيها.

لمحطات الطاقة الأرضية ، يمكن إضافة محطات الطاقة الشمسية الفضائية. عند التحليق فوق نقاط ثابتة من الكوكب ، سيتعين عليهم تحويل أشعة الشمس إلى إشعاع كهرومغناطيسي قصير الموجة من أجل إرسال تدفقات طاقة مركزة إلى محولات أرضية إلى تيارات صناعية. يجب أن تكون جميع المعدات الكهربائية للأنظمة الكهربائية في الفضاء فائقة التوصيل ، وإلا فإن الخسائر في موصلات الموصلية الكهربائية النهائية ستكون كبيرة بشكل غير مقبول.

فلاديمير كارتسيف "مغناطيس لمدة ثلاثة آلاف عام"

Comments

[#1 ستاس]

هذا هو مستقبل الطاقة ، و SPIN هو المستقبل القريب.