Будућност енергије - суперпреводни генератори, трансформатори и далеководи

Један од главних праваца развоја науке истиче теоријске и експерименталне студије у области суправодљивих материјала, а један од главних праваца развоја технологије је развој суперпреводних турбогенератора.

Суперпреводна електрична опрема драстично ће повећати електрична и магнетна оптерећења у елементима уређаја и на тај начин драматично смањити њихову величину. У суправодљивој жици је дозвољена густина струје од 10 ... 50 пута већа од густине струје у класичној електричној опреми. Магнетна поља се могу довести до вредности реда од 10 Т, у поређењу са 0,8 ... 1 Т у уобичајеним машинама. С обзиром на то да су димензије електричних уређаја обрнуто пропорционалне производу дозвољене густине струје и магнетне индукције, јасно је да ће употреба суперпроводника више пута смањити величину и тежину електричне опреме!

Према једном од дизајнера расхладног система нових типова криогених турбогенератора совјетског научника И.Ф. Филиппов, постоји разлог за разматрање задатка стварања економичних криотубогенератора са суперпреводницима. Прелиминарни прорачуни и студије дају наду да ће не само величина и тежина, већ и ефикасност нових машина бити већа од оне најсавременијих произвођача традиционалног дизајна.

Академик И.А. Глебов, доктор техничких наука В.Г. Новитски и В.Н. Схакхтарин. КТГ-1000 генератор је тестиран у лето 1975. године, а затим криогени турбогенератор модела КТ-2-2, креиран од стране удружења Елецтросила у сарадњи са научницима Института за физику и технологију ниских температура, Академије наука Украјинског ССР-а. Резултати испитивања омогућили су конструкцију суправодичне јединице знатно веће снаге.

Ево неких података суперпреводног турбогенератора снаге 1200 кВ развијеног у ВНИИелектромасх. Суперпреводно пољско намотавање је направљено од жице пречника 0,7 мм са 37 суперпроводних вена ниобија-титанијума у ​​бакреном матриксу. Центрифугалне и електродинамичке силе у наматању перципирају завој од нехрђајућег челика. Између вањске нехрђајуће челичне шкољке и завоја налази се бакарни електротермални екран, хлађен протоком хладног гасовитог хелијума који пролази кроз канал (затим се враћа у флуидизатор).

Лежајеви раде на собној температури. Намота статора израђена је од бакарних проводника (хладњак - вода) и окружена је феромагнетним штитом од оптерећеног челика. Ротор се ротира у вакум простору унутар љуске изолационог материјала. Вакуум у овојници је загарантован заптивачима.

Експериментални генератор КТГ-1000 некада је био највећи криотубогенератор на свету по величини. Сврха његовог стварања је тестирање дизајна великих ротирајућих криостата, уређаја за довод хелијума намотају ротора суперпреводника, проучавања топлотног круга, рада намотавања суперпреводног ротора и његовог хлађења.

А изгледи су једноставно очаравајући. Машина снаге 1300 МВ имаће дужину од око 10 м са масом од 280 тона, док ће машина исте изведбе са сличним капацитетом имати дужину од 20 м, са масом од 700 тона! Коначно, тешко је створити обичну машину капацитета преко 2000 МВ, а са суперпроводницима заправо можете постићи јединствену снагу од 20 000 МВ!

Дакле, зарада од материјала чини око три четвртине трошкова. Олакшавају се производни процеси. Лакше и јефтиније је да било која фабрика за производњу машина направи неколико великих електричних машина од великог броја малих: потребно је мање радника, машински парк и друга опрема нису толико оптерећени.

За постављање моћног турбогенератора, потребна је релативно мала површина електране. То значи да се трошкови изградње машинске собе смањују, а станица се може брже пуштати у рад. И на крају, што је већа електрична машина, већа је и њена ефикасност.

Међутим, све ове предности не искључују техничке потешкоће које настају приликом стварања великих енергетских јединица. И што је најважније, њихова моћ се може повећати само до одређених граница. Прорачуни показују да неће бити могуће прећи горњу границу ограничену снагом турбогенератора снаге 2500 МВ, чији се ротор окреће брзином од 3000 о / мин, јер је та граница одређена, пре свега, особинама снаге: напрезања у механичкој структури машине са толико већим порастом снаге да ће центрифугалне силе неизбежно узроковати квар ротора.

Много брига настаје током транспорта. За транспорт истог турбогенератора снаге 1200 МВ било је потребно изградити зглобни транспортер носивости 500 тона, дужине скоро 64 м. Свака од две подлоге имао је 16 осовина аутомобила.

Многе препреке саме по себи падају ако користите ефекат суправодљивости и примените суправодљиве материјале. Тада се губици у намоту ротора могу практично смањити на нулу, јер директна струја неће задовољити отпор у њему. И ако је тако, ефикасност машине се повећава. Велика струја која тече кроз намотавање суправодљивог поља ствара тако снажно магнетно поље да више није потребно користити челични магнетни круг, уобичајен за било коју електричну машину. Елиминацијом челика смањује се маса ротора и његова инерција.

Стварање криогених електричних машина није мод, већ нужност, природна последица научног и технолошког напретка. И постоји сваки разлог да се тврди да ће до краја века суперпреводни турбогенератори снаге преко 1000 МВ радити у електроенергетским системима.

Прва електрична машина у Совјетском Савезу са суперпроводницима дизајнирана је на Институту за електромеханику у Лењинграду 1962 ... 1963. То је била машина за једносмерну струју са конвенционалном („топлом“) арматуром и суперпреводним теренским намотајем. Снага му је била само неколико вати.

Од тада, особље института (сада ВНИИелектромасх) ради на стварању суперпроводних турбогенератора за енергетски сектор. Протеклих година било је могуће изградити пилотске структуре капацитета 0,018 и 1 МВ, а затим 20 МВ ...

Које су карактеристике овог детета ВНИИелектромасх?

Суперпреводна пољска завојница налази се у хелијумској купки. Течни хелијум улази у ротирајући ротор кроз цев која се налази у средини шупљег вратила. Испарени гас се усмерава назад у јединицу за кондензацију кроз отвор између ове цеви и унутрашње стијенке осовине.

У дизајну цевовода за хелијум, као и у самом ротору, постоје вакуумске шупљине које стварају добру топлотну изолацију. Момент из примарног покретача доводи се до намотавања поља кроз „термичке мостове“ - конструкцију која је механички довољно јака, али не преноси добро топлоту.

Као резултат тога, дизајн ротора је ротирајући криостат са суправодљивом полном завојницом.

Статор суперпреводног турбогенератора, као у традиционалној реализацији, има трофазно навијање у коме магнетно поље ротора побуди електромоторну силу.Студије су показале да је непрактично користити суправодљиви намотај у статору, јер се код надувних наизменичних струја настају знатни губици. Али дизајн статора са „нормалним“ намотом има своје карактеристике.

Показало се да је намотавање у принципу могуће поставити у ваздушни отвор између статора и ротора и монтирати се на нови начин, користећи епоксидне смоле и структурне елементе од фибергласа. Такав круг омогућио је постављање више бакарних проводника у статор.

Систем хлађења статора је такође оригиналан: топлота се уклања фреоном, који истовремено обавља функцију изолатора. У будућности се та топлота може користити у практичне сврхе помоћу топлотне пумпе.

У мотору турбо-генератора снаге 20 МВ коришћена је бакарна жица правоугаоног пресека 2,5 к 3,5 мм. У њега је утиснуто 3600 вена направљених од ниобија-титанијума. Таква жица је способна да преноси струју до 2200 А.

Испитивања новог генератора потврдила су израчунате податке. Показало се да је двоструко лакши од традиционалних машина исте снаге, а његова ефикасност већа је за 1%. Сада овај генератор ради у систему Лененерго као синхрони компензатор и генерише реактивна снага.

Али главни резултат рада је колосално искуство стечено у процесу стварања турбогенератора. Ослањајући се на то, Лењинградско удружење електроенергетских машина Електросила почело је са стварањем турбогенератора снаге 300 МВ, који ће бити инсталиран у једној од електрана у изградњи у нашој земљи.

Суперпреводно намотавање ротора направљено је од ниобијум-титанијумске жице. Његов уређај је необичан - најтањи ниобијум-титанијумски проводници су утиснути у бакарни матрикс. То се ради како би се спречио прелазак намотаја из суправодљивог стања у нормално као резултат утицаја флуктуација магнетног флукса или других разлога. Ако се то догоди, струја ће тећи кроз бакрену матрицу, топлота ће се распршити и стање суправодљивости ће се вратити.

Сама технологија израде ротора захтевала је увођење фундаментално нових техничких решења. Ако је ротор конвенционалне машине направљен од чврстог ковања магнетно проводљивог челика, онда би се у овом случају требао састојати од неколико цилиндара који су убачени један у други од немагнетног челика. Између зидова неких цилиндара налази се течни хелијум, а између зидова других ствара се вакуум. Зидови цилиндара, наравно, морају да имају велику механичку чврстоћу, да буду непропусни за вакуум.

Маса новог турбогенератора, као и маса његовог претходника, готово је 2 пута мања од масе уобичајене исте снаге, а ефикасност је повећана за још 0,5 ... 0,7%. Турбогенератор је „живео“ око 30 година и већину времена је био у функцији, тако да је јасно да ће овако наизглед мали пораст ефикасности бити веома значајан добитак.

Инжењерима енергије нису потребни само генератори за хладноћу. Неколико десетина суперпреводних трансформатора већ је произведено и тестирано (први од њих саградио је амерички МцПхее 1961; трансформатор је радио на нивоу од 15 кВ). Постоје пројекти суперпреводних трансформатора снаге до 1 милиона кВ. При довољно великим снагама, суперпреводни трансформатори ће бити лакши него иначе за 40 ... 50%, с приближно истим губицима снаге као и конвенционални трансформатори (у тим прорачунима је узета у обзир и снага флуидизатора).

Међутим, суперпреводни трансформатори имају значајне недостатке. Повезани су са потребом да се трансформатор заштити од пренаводног стања током преоптерећења, кратког споја, прегревања, када магнетно поље, струја или температура могу достићи критичне вредности.

Ако се трансформатор не уруши, требаће неколико сати да се поново охлади и врати суперпроводљивост. У неким случајевима такав прекид напајања је неприхватљив.Стога, пре него што говоримо о масовној производњи суперпреводних трансформатора, неопходно је развити заштитне мере против ванредних услова и могућност снабдевања потрошача електричном енергијом током застоја суперпреводног трансформатора. Успјеси постигнути у овој области омогућавају нам да мислимо да ће у скорој будућности проблем заштите суперпреводних трансформатора бити ријешен и они ће заузети своје мјесто у електранама.

Посљедњих година сан о суперпроводним далеководима све се више приближио реализацији. Све већа потражња за електричном енергијом чини пренос велике снаге на велике удаљености врло атрактивним. Совјетски научници су убедљиво показали обећање о суперпроводним далеководима. Трошкови водова биће упоредиви са трошковима конвенционалних надземних далековода (трошак суправодичног водича, с обзиром на високу вредност критичне густине струје у поређењу са економски остваривом густином струје у бакарним или алуминијумским жицама, низак) и нижи од трошкова кабловских водова.

Надпроводни далеководи треба да изврше на следећи начин: цевовод са течним азотом је постављен у земљу између крајњих тачака преноса. Унутар овог цевовода је цевовод са течним хелијумом. Хелијум и азот тече кроз цевоводе због стварања разлике притиска између почетне и завршне тачке. Тако ће станице за укапљивање и црпне станице бити само на крајевима пруге.

Течни азот се може истовремено користити као диелектрик. Цевовод хелијума је подупрт унутар азота диелектричним сталцима (за већину изолатора, диелектрична својства на ниским температурама побољшавају се). Цевовод хелијума има вакуум изолацију. Унутрашња површина цевовода за течни хелијум обложена је слојем суперпроводника.

Губици у таквој линији, узимајући у обзир неизбежне губитке на крајевима пруге, где се суправодич мора међусобно спојити са гумама на уобичајеној температури, неће прелазити неколико процената процента, а у обичним далеководима губици су 5 ... 10 пута више!

Снагама научника Института Г. М. Енерги Кржижановски и Све-синдикални научно-истраживачки институт кабловске индустрије већ су створили серију експерименталних комада суперпреводних АЦ и једносмерних каблова. Такве линије моћи ће да преносе снагу на више хиљада мегавата са ефикасношћу већом од 99%, при умереним трошковима и релативно ниским (110 ... 220 кВ) напоном. Можда је још важније да суперпреводни далеководи неће требати скупе уређаје за компензацију јалове снаге. Конвенционалне линије захтевају уградњу тренутних реактора, моћних кондензатора како би се надокнадили прекомерни губици напона дуж путање, а водови на суперпреводницима могу се сами компензовати!

Показало се да су суперпреводници неопходни у електричним машинама, чији је принцип рада крајње једноставан, али који никада раније нису изграђени, јер за њихов рад су потребни веома јаки магнети. Говоримо о магнетохидродинамичким (МХД) машинама, које је Фарадаи покушао применити већ 1831. године.

Идеја искуства је једноставна. Две металне плоче биле су уроњене у воду Темзе на њеним супротним обалама. Ако је брзина реке 0,2 м / с, успоређујући млазове воде са проводницима који се крећу од запада ка истоку у Земљином магнетном пољу (његова вертикална компонента је приближно 5 · 10–5 Т), напон од око 10 μВ / м може се уклонити са електрода .

Нажалост, овај експеримент је завршио неуспехом, "генератор-река" није успео. Фарадаи није могао да измери струју у кругу. Али неколико година касније, лорд Келвин поновио је Фарадаиево искуство и примио малу струју. Чини се да све остаје као код Фарадаиа: исте плоче, иста ријека, исти инструменти. Да ли то место није баш тако.Келвин је изградио свој генератор низ Темзу, где се његове воде мешају са сланом водом тјеснаца.

Ево је! Вода низводно била је сланија и зато је имала већу проводљивост! То су одмах снимили инструменти. Повећавање проводљивости „радног флуида“ је општи начин за повећање снаге МХД генератора. Али можете повећати снагу на други начин - повећањем магнетног поља. Снага МХД генератора је директно пропорционална квадрату јачине магнетног поља.

Снови о МХД генераторима добили су праву основу средином нашег века појавом првих серија суперпроводних индустријских материјала (ниобија-титанијум, ниобија-цирконијум) из којих је било могуће направити прве, још малене, али радне моделе генератора, мотора, проводника, соленоиде . И 1962. године на симпозијуму у Невцастлеу, Бритисх Вилсон и Роберт предложили су пројекат за МХД генератор снаге 20 МВ са пољем од 4 Т. Ако је намотавање направљено од бакрене жице, тада по цени од 0,6 мм / долар. Јоуле губици у њему „поједу“ полез корисне снаге (15 МВ!). Али на суперпроводницима, наматање ће компактно окружити радну комору, у њему неће бити губитака, а хлађење ће трајати само 100 кВ снаге. Ефикасност ће се повећати са 25 на 99,5%! Има о чему размишљати.

МХД генератори су се озбиљно заузели у многим земљама, јер је у таквим машинама могуће користити плазму 8 ... 10 пута топлију од паре у турбинама термоелектрана, а према добро познатој Царнотовој формули, ефикасност неће бити 40, али свих 60 % Зато ће наредних година у близини Риазана почети да ради први индустријски МХД генератор снаге 500 МВ.

Наравно, није лако створити и користити такву станицу економично: није лако поставити близу плазма струје (2500 К) и криостата са намотавањем у течни хелијум (4 ... 5 К), електроде са жарном техником сагоревају и шљакају, оне додатке које је потребно само излучити из шљаке. које су додате гориву за јонизацију у плазми, али очекиване користи треба да покрију све трошкове рада.

Може се замислити како изгледа суперпреводни магнетни систем МХД генератора. Два суправодљива намота смјештена су на бочним странама плазма канала одвојена од намотаја вишеслојном топлотном изолацијом. Намотаји су фиксирани у касетама од титанијума, а између њих су постављени дистанци. Успут, ове касете и одстојници морају бити изузетно издржљиви, будући да их електродинамичке силе у тренутним намотима теже раздвајају и повлаче заједно.

Како се у суправодљивом намотају не ствара топлота, фрижидер, који је потребан да делује суправодљиви магнетни систем, мора да уклања топлотну енергију која улази у криостат са течним хелијумом само преко топлотне изолације и струјних водова. Губици у струјним водовима могу се смањити на практично нулу ако се користе краткотрајни суправодљиви намотаји напајани прекопреводним ДЦ трансформатором.

Процјењује се да ће хелијумски ликер, који ће надокнадити губитак хелија који испарава изолацијом, произвести неколико десетина литара течног хелијума за 1 сат. Такве течне упаљаче производи индустрија.

Без суправодљивих намотаја, велики токамакси били би нереални. На пример, у инсталацији Токамак-7, намотај тежак 12 тона тече око струје од 4,5 кА и ствара 2,4 Т магнетно поље на оси плазма тора од 6 м3. Ово поље ствара 48 суперпреводних завојница које троше само 150 литара течног хелијума на сат, а за поновно укапљивање је потребна снага од 300 ... 400 кВ.

Не само да великој енергији требају економични компактни моћни електромагнети, тешко је и без њих научницима који раде са рекордно јаким пољима. Инсталације за магнетно одвајање изотопа постају много ефикасније. Пројекти великих акцелератора без суправодљивих електромагнета више се не разматрају.Потпуно је нереално без суперпреводника у коморама мјехурића, који постају изузетно поуздани и осјетљиви регистратори елементарних честица. Дакле, један од рекордно великих магнетних система заснован на суперпроводницима (Аргонне Натионал Лаборатори, УСА) ствара поље од 1,8 Т са ускладиштеном енергијом од 80 МЈ. Гигантски навијање тежине 45 тона (од којих је 400 кг отишло у суправодични проводник) са унутрашњим пречником 4,8 м, спољним пречником 5,3 м и висином од 3 м потребно је само 500 кВ за хлађење до 4,2 К - занемарљива је снага.

Суперпреводни магнет мехурчке коморе Европског центра за нуклеарна истраживања у Женеви изгледа још импресивније. Има следеће карактеристике: магнетно поље у центру до 3 Т, унутрашњи пречник „завојнице“ 4,7 м, ускладиштена енергија 800 МЈ.

Крајем 1977. године, Хиперон, један од највећих светских суперпреводних магнета, пуштен је у рад на Институту за теоријску и експерименталну физику (ИТЕП). Његова радна површина има пречник од 1 м, поље у центру система је 5 Т (!). Јединствени магнет дизајниран је за експерименте на протонском синхротрону ИХЕП-а у Серпукхову.

Схватајући ове импресивне бројке, већ је некако незгодно рећи да технички развој суправодљивости тек почиње. Као пример, можемо се сетити критичних параметара суперпроводника. Ако температура, притисак, струја, магнетно поље пређу неке граничне вредности, које се зову критичне, суперпроводник ће изгубити своја необична својства, претварајући се у обичан материјал.

Присуство фазног прелаза је сасвим природно да се користи за контролу спољних услова. Ако постоји суперпроводност, тада је поље мање од критичног, ако је сензор вратио отпор, поље је изнад критичног. Већ је развијен низ најразличитијих мерача супроводних бројила: болометар на сателиту може да „осети“ упаљену подударност на Земљи, галванометри постају осетљивији неколико хиљада пута; у ултра-хигх-К резонаторима чини се да су осцилације електромагнетног поља сачуване, јер оне не пропадају изузетно дуго времена.

Сада је време да се осврнемо на цео електрични део енергетске индустрије да бисмо разумели како расипање суперпреводних уређаја може произвести укупан економски ефекат. Суперпреводници могу повећати јединичну снагу енергетских јединица, високонапонска снага се може постепено претворити у мултиамперске, уместо четири или шест пута веће претворбе напона између електране и потрошача, стварно је говорити о једној или две трансформације са одговарајућим поједностављивањем и јефтинијим кругом, а укупна ефикасност електричних мрежа ће се неминовно повећати због губитака џоле. Али то није све.

Електрични системи ће неизбежно попримити другачији изглед када се у њима користе суправодљиви индуктивни уређаји за складиштење енергије! Чињеница је да од свих индустрија, само у енергетском сектору, нема складишта: произведена топлота и електрична енергија немају где да се складиште, већ их треба одмах потрошити. Извјесне наде повезане су са суперпроводницима. Због недостатка електричног отпора у њима, струја може циркулирати кроз затворени суправодљиви круг произвољно дуго без пригушења док не дође време за избор потрошача. СПИНС ће постати природни елементи електричне мреже, преостаје им само да их опремимо регулаторима, прекидачима или претварачима струје или фреквенције у комбинацији са изворима и потрошачима електричне енергије.

Енергетски интензитет СПИН-ова може бити веома различит - од 10–5 (енергија портфеља који је пао из руку) до 1 кВх (блок од 10 тона који је пао 40 метара са литице) или 10 милиона кВх! Овако моћан погон требало би да има величину газећег слоја око фудбалског терена, његова цена биће 500 милиона долара, а ефикасност - 95%.Еквивалентна акумулациона електрана биће 20% јефтинија, али потрошиће трећину капацитета за своје потребе! Изглед трошкова таквог СПИН-а је поучан у погледу његових компоненти: за фрижидере 2 ... 4%, за претвараче струје 10%, за суправодобно намотавање 15 ... 20%, за топлотну изолацију хладне зоне 25%, а за завоје, затвараче и одстојнике - готово 50 %

Од извештаја Г.М. Кржижановски према плану ГОЕЛРО-а на ВИИИ сверуском конгресу совјета прошло је више од пола века. Имплементација овог плана омогућила је повећање капацитета електрана у земљи са 1 на 200 ... 300 милиона кВ. Сада постоји основна прилика да се неколико десетина пута ојачају енергетски системи у земљи, пребацивши их на суправодобно електрично опремање и поједноставе сами принципи изградње таквих система.

Основа енергије на почетку 21. века могу бити нуклеарне и термонуклеарне станице са изузетно моћним електричним генераторима. Електрична поља генерисана суправодљивим електромагнетима, моћне реке могу тећи преко суправодљивих далековода до суперпреводног складишта енергије, одакле ће их потрошачи одабрати према потреби. Електране ће моћи да производе струју равномерно, дању и ноћу, а њихово ослобађање из планираних режима требало би да повећа ефикасност и радни век главних јединица.

Уземљивим електранама могу се додати свемирске соларне станице. Прелазећи фиксне тачке планете, они ће морати да претворе сунчеве зраке у краткоталасно електромагнетно зрачење како би могли да усмере токове енергије у земаљске претвараче у индустријске струје. Сва електрична опрема свемирских и свемирских електричних система мора бити суправодљива, иначе ће се испасти да су губици у проводницима крајње електричне проводљивости неприхватљиво велики.

Владимир КАРТСЕВ "Магнет три миленијума"