超導(dǎo)線材:改變用電方式

人類在享受現(xiàn)代文明的同時(shí),面臨著日益嚴(yán)重的能源危機(jī)、資源危機(jī)。在被稱為數(shù)字時(shí)代的今天,人們卻依賴著昨天設(shè)計(jì)的電力系統(tǒng),唯一的變化是電纜越來越粗、機(jī)組越來越大。一方面,能源供應(yīng)越來越緊張,另一方面,大量電能卻被浪費(fèi)在所使用的傳統(tǒng)材料上。當(dāng)前,我國(guó)電網(wǎng)的電能損耗約占總發(fā)電量的9%,其中90%左右是由電纜損耗的。到2010年,按預(yù)測(cè)的裝機(jī)容量,中國(guó)在輸配電網(wǎng)上將損失二到三個(gè)三峽電站的發(fā)電量;在美國(guó),每年僅在輸電線路上的損失就高達(dá)40億美元。如果使用高溫超導(dǎo)線材,不僅可以避免這些損失,而且可以節(jié)約大量的金屬材料。

北京英納超導(dǎo)技術(shù)有限公司成立于2000年9月,是我國(guó)首家專業(yè)從事高溫超導(dǎo)材料及其應(yīng)用產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)和銷售的高新技術(shù)企業(yè)。英納超導(dǎo)公司致力于在中國(guó)實(shí)現(xiàn)高溫超導(dǎo)線材的產(chǎn)業(yè)化,推動(dòng)我國(guó)高溫超導(dǎo)線材及其應(yīng)用產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和創(chuàng)新。公司韓征和董事長(zhǎng)在“建設(shè)中關(guān)村國(guó)家自主創(chuàng)新示范區(qū)動(dòng)員大會(huì)”上獲得“中關(guān)村二十年特出貢獻(xiàn)個(gè)人”榮譽(yù)稱號(hào)。

早在2001年7月,英納超導(dǎo)和云南電力集團(tuán)有限公司直屬的云電控股(集團(tuán))有限公司合資成立了北京云電英納超導(dǎo)電纜有限公司,致力于高溫超導(dǎo)電纜的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。其主持研制的三相30m、2kA/35kV高溫超導(dǎo)電纜已在云南并網(wǎng)運(yùn)行,它的運(yùn)行使我國(guó)成為繼美國(guó)、丹麥之后的第三個(gè)將超導(dǎo)電纜投入電網(wǎng)試運(yùn)行的國(guó)家。標(biāo)志著我國(guó)高溫超導(dǎo)電力應(yīng)用已躋身世界前列,開始進(jìn)入實(shí)用階段。

緊接著,2001年12月,鉍系高溫超導(dǎo)線材生產(chǎn)線投產(chǎn)的新聞被評(píng)為“2001年中國(guó)十大科技新聞”。它已申請(qǐng)14項(xiàng)高溫超導(dǎo)線材產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)及高溫超導(dǎo)應(yīng)用領(lǐng)域核心專利,線材產(chǎn)品綜合水平在世界上居第三位。目前,英納超導(dǎo)產(chǎn)品已銷往韓國(guó)、美國(guó)、歐洲等國(guó)家和地區(qū)。

高溫超導(dǎo)線材在超導(dǎo)領(lǐng)域的地位,很像芯片或晶片在IT業(yè)中的地位,很基礎(chǔ),也很關(guān)鍵。目前,世界上從事鉍系高溫超導(dǎo)線材生產(chǎn)的公司只有五家,除英納公司外,他們分別是美國(guó)超導(dǎo)(AMSC)、日本駐友、德國(guó)歐洲先進(jìn)超導(dǎo)公司(EAS)及德國(guó)Trithor公司。而英納公司生產(chǎn)的高溫超導(dǎo)線材產(chǎn)品的綜合性能位于世界前三名。

何為超導(dǎo)線材

1911年,荷蘭科學(xué)家Onnes發(fā)現(xiàn),在液氦(4.2K)低溫條件下水銀的電阻突降為零。這種在低溫條件下物質(zhì)電阻突然消失的現(xiàn)象被稱為超導(dǎo)現(xiàn)象,轉(zhuǎn)變溫度稱為臨界溫度(Tc)。低溫超導(dǎo)材料的臨界溫度是絕對(duì)溫度十幾K以下,需要在液氦中工作。由于液氦及其制冷費(fèi)用昂貴,低溫超導(dǎo)材料的應(yīng)用受到了很大的限制。目前商品化的低溫超導(dǎo)線材主要有NbTi,Nb3Sn,主要用于核磁共振成像儀、加速器磁體等方面,全世界的市場(chǎng)有十多億美元。高溫超導(dǎo)材料一般是指臨界溫度在絕對(duì)溫度77K以上、電阻接近零的超導(dǎo)材料,通常可以在廉價(jià)的液氮(77K)制冷環(huán)境中使用,主要分為兩種:釔鋇銅氧(YBCO)和鉍鍶鈣銅氧(BSCCO)。釔鋇銅氧一般用于制備超導(dǎo)薄膜,應(yīng)用在電子、通信等領(lǐng)域;鉍鍶鈣銅氧主要用于線材的制造。

1986年高溫超導(dǎo)材料被發(fā)現(xiàn)后,全世界投入數(shù)十億美元的科研經(jīng)費(fèi)進(jìn)行高溫超導(dǎo)材料的產(chǎn)業(yè)化研究。經(jīng)過一大批優(yōu)秀科學(xué)家十多年的努力工作,在釔鋇銅氧、鉍鍶鈣銅氧等幾種高溫超導(dǎo)材料中,1997年首先實(shí)現(xiàn)了鉍系高溫超導(dǎo)線材產(chǎn)業(yè)化。這也是目前唯一產(chǎn)業(yè)化的高溫超導(dǎo)材料。高溫超導(dǎo)線材具有損耗低、通電能力強(qiáng)(是相同截面積普通銅導(dǎo)線的100倍以上)等特點(diǎn),其在應(yīng)用領(lǐng)域的研究發(fā)展迅速。

超導(dǎo)線材的應(yīng)用

超導(dǎo)材料與傳統(tǒng)銅、鋁等金屬材料相比,由于具有零電阻、高通流能力的特性,用其制造的電力設(shè)備具有體積小、重量輕、效率高、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn),在能源、電力、交通方面具有重要的應(yīng)用前景,是推動(dòng)節(jié)能減排與新能源技術(shù)發(fā)展的最有效途徑之一,可在二十一世紀(jì)引起電力工業(yè)的技術(shù)革命。以下是高溫超導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用的一些例子。高溫超導(dǎo)輸電電纜。與相同直徑的常規(guī)電纜相比,高溫超導(dǎo)電纜的輸電能力要大3-5倍,并且不需要通風(fēng)冷卻的通道,因此占用空間小,開挖鋪設(shè)的工作量少。英納超導(dǎo)公司等單位已于2004年研制成了3相、35千伏、2千安、33.5米高溫超導(dǎo)電纜并在云南昆明普吉電站實(shí)現(xiàn)了并網(wǎng)運(yùn)行。這組電纜至今還在運(yùn)行中,是目前世界上并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)的高溫超導(dǎo)電纜。 高溫超導(dǎo)風(fēng)力發(fā)電機(jī)。一個(gè)特定的風(fēng)場(chǎng)的發(fā)電潛能是一定的,風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率越大,其發(fā)電效率(發(fā)揮風(fēng)場(chǎng)潛力)就越大。當(dāng)前,英納超導(dǎo)公司參與的100千瓦高溫超導(dǎo)電動(dòng)機(jī)已研制成功,1兆瓦高溫超導(dǎo)電動(dòng)機(jī)的項(xiàng)目也正在進(jìn)行中。高溫超導(dǎo)限流器。高溫超導(dǎo)限流器可以起到提高了電網(wǎng)的安全性,同時(shí)也可提高電網(wǎng)的效率。英納超導(dǎo)電纜技術(shù)等單位于2007年研制成了35千伏、1200安培飽和鐵芯式高溫超導(dǎo)限流器并在云南昆明普吉電站實(shí)現(xiàn)了并網(wǎng)運(yùn)行。此外,高溫超導(dǎo)技術(shù)在冶煉工業(yè)、磁懸浮列車、高溫超導(dǎo)磁場(chǎng)儲(chǔ)能器、高溫超導(dǎo)調(diào)相器、高溫超導(dǎo)磁粒選礦機(jī)等都可起到很好的應(yīng)用。

超導(dǎo)產(chǎn)品迎來曙光

根據(jù)世界銀行預(yù)測(cè),2020年全球超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值將達(dá)2440億美元以上,正如半導(dǎo)體帶來的資訊時(shí)代,以及由光纖帶來的傳訊時(shí)代,高溫超導(dǎo)材料將從根本上改變?nèi)祟惖挠秒姺绞?給電力、能源、交通以及其它與電磁有關(guān)的科技業(yè)帶來革命性的發(fā)展。

專家認(rèn)為,2007年以后超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)將進(jìn)入高速增長(zhǎng)期。今年5月10日,日本住友電氣宣布將在大阪的工廠大規(guī)模生產(chǎn)鉍系高溫超導(dǎo)線材。為了抓住超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的巨大商機(jī),英納公司計(jì)劃融資1億人民幣,進(jìn)行超導(dǎo)線材和超導(dǎo)應(yīng)用產(chǎn)品的研發(fā)和推廣。

英納公司在高溫超導(dǎo)線材生產(chǎn)及應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域具有豐富的經(jīng)驗(yàn),能夠生產(chǎn)多種類型的Bi-2223高溫超導(dǎo)長(zhǎng)線材,并可根據(jù)用戶對(duì)線材尺寸、套管材料及表面覆材等不同要求為其定制高質(zhì)量的線材產(chǎn)品,提供如高溫超導(dǎo)線圈、磁體、電流引線、超導(dǎo)電纜、超導(dǎo)限流器等超導(dǎo)應(yīng)用半成品或成品。目前,在國(guó)內(nèi)高溫超導(dǎo)應(yīng)用項(xiàng)目領(lǐng)域,英納超導(dǎo)公司產(chǎn)品的市場(chǎng)份額已經(jīng)占到75%以上。

據(jù)了解,2009年將是高溫超導(dǎo)產(chǎn)品大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的曙光之年,關(guān)鍵之年。一是奧巴馬上臺(tái)后把智能電網(wǎng)列進(jìn)他的能源改革戰(zhàn)略。這一復(fù)興計(jì)劃將進(jìn)一步帶動(dòng)國(guó)內(nèi)高溫超導(dǎo)電力能源的應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)化步伐。第二就是在未來數(shù)年內(nèi),如果高溫超導(dǎo)電纜、風(fēng)力發(fā)電機(jī)和感應(yīng)加熱器等項(xiàng)目能得到應(yīng)用,英納超導(dǎo)公司即可進(jìn)入高速發(fā)展的新階段。