Хабр Курсы для всех
РЕКЛАМА
Большая витрина: от крупнейших школ до частных авторов. Сравнивайте по цене, длительности, формату и выбирайте самый подходящий курс!
Хабр доступен 24/7 благодаря поддержке друзей
Комментарии 47
Мне вот интересно, как в сверхпроводящий кабель засовывают энергию? И как вынимают?
Контакт сверхпроводник-медь должен неплохо греться от тёплой меди (а она ещё и хороший проводник тепла!)
Контакт сверхпроводник-медь должен неплохо греться от тёплой меди (а она ещё и хороший проводник тепла!)
Может индукцией?
Скорее всего так же, как и при соединении алюминиевых и медных проводов — другой металл. Всю статью не читал, но вот на 6й странице упоминаются серебрянные трубки в виде контактов для высокотемпературных сверхпроводников…
К сверхпроводнику медный контакт припаивают. Место контакта имеет сопротивление порядка 40нОм/см2. Обычно припаивают где-то по площади 3-4см2 к каждому проводнику. Т.е. сопротивление контакта 10нОм. Номинальный ток в одной сверхпроводящей ленте в кабеле (ширина ленты 4мм) где-то на уровне 100А. Мощность выделяемая на контакте получается равной RI2 = 100 микроватт. Это очень мало, и никакого ощутимого разогрева не дает. Но вообще проблема ввода тока есть, в том плане, что все же надо с помощью обычной меди совершить переход от комнатной температуре к жидком азоту, а медь весьма теплопроводна. Обычно в токовводе потери составляют >=50Вт на 1000А, что может стать основным источником потерь в случае короткого (десятки метров) кабеля. В Ampacity кабель длиной километр, там конечно токовводы не такую критичную роль играют.
Получается потери на поддержание низкой температуры на столько незначительны?
В оригинале это непосредственно не указано, но я думаю, что там не идиоты сидят, и реально охлаждение дешевле потерь получается.
Вполне себе эти потери могут быть огромными, но экономия возможна за счет упрощения инфраструктуры (отсутствие трансформаторов) и увеличение дальности (это иногда тем более неоценимо).
Вот это упрощение! Убираем трансформаторы, но добавляем массу оборудования для хранения и подачи хладагента, дорогие толстые провода превращаем в очень дорогие толстые провода в толстых трубах, строим заводы для производства жидкого азота в огромных количествах, занимаемся регулярной его доставкой к местам использования. То, что вся эта суета в итоге окупается, вовсе не означает упрощения схемы.
Обычно азот сжижается на месте, там закрытый цикл. Жидкий азот и сейчас в огромных количествах производится, от дешев и прост в обращении. Но в целом да, другие сложности возникают.
Для справки: станцию м. Отрадное в Москве строили на подземной речке, там жидкий азот находится постоянно для заморозки земли, иначе всё уплывёт. Он вообще много где применяется и довольно давно.
Похоже, это просто демонстрация возможностей сверхпроводников. Об экономических аспектах там пока рано думать, ИМХО.
Больше похоже на отработку технологии для практического применения. Возможности и стоимость нетрудно и на бумаге посчитать.
Не берусь сказать наверняка, но экономический профит от этого кабеля есть. Проект Ampacity — это не просто установленный кабель. Благодаря установки этого кабеля демонтировали две подстанции 10кВ/110кВ. Т.е. раньше электроэнергия приходила на одну подстанцию с напряжение 10кВ, там оно повышалось до 110кВ, передавалась на вторую подстанцию, где снова понижалось до 10кВ. 110Кв кабельную линию заменили на 10кВ сверхпроводниковую, и необходимость в двух трансформаторных подстанциях отпала. Что позволило высвободить часть земли в плотнозастроенном районе. Плюс сама кабельная линия, в отличие от обычных ЛЭП, не излучает электромагнитного поля наружу (т.к. кабель имеет сверхпроводящий экран), благодаря чему его можно просто закатать в асфальт, а обычные ЛЭП имеют некоторую зону отчуждения, где нельзя строить здания. Экономический эффект от освобождающейся земли может быть сопоставим с затратами на сам кабель. Особенно в плотнозастроенных городах с дорогой землей (типа той же Москвы)
Да, потери действительно невелики. Во первых жидкий азот штука дешевая. 1 литр жидкого азота стоит 10руб. КПД охлаждения до азотных температур тоже достаточно высок, порядка 15% (могу немного ошибаться). Во вторых научились делать очень хорошие криостаты для кабеля. Теплоприток составляет 1-2Вт на 1 метр кабеля. Плюс 50-100Вт на 1000А на оконцовывающих кабель токовводах. Итого кабель Ampacity «теряет» на охлаждение порядка 2кВт. Обычная воздушная ЛЭП на 1 километре теряет десятки/сотни киловатт.
> Экспериментальный сверхпроводящий силовой кабель успешно проработал 180 дней
>Сверхпроводящий силовой кабель в городе Эссен в Германии проработал 180 часов без перебоев.
Чему верить?
>Сверхпроводящий силовой кабель в городе Эссен в Германии проработал 180 часов без перебоев.
Чему верить?
Какой сверхпроводник использовался в этом случае?
Какую температуру он требует для наблюдения явления сверхпроводимости?
Сколько энергии он требует в единицу времени?
Какую температуру он требует для наблюдения явления сверхпроводимости?
Сколько энергии он требует в единицу времени?
Y123 (правда, без указания, в каком виде), температура 73 К (-200 °С). Подозреваю, что температуру округлили, ибо она странная — температура кипения азота 77 К.
В статье же сказано, какой сверхпроводник — YBCO. Работает при температуре кипящего азота, подробности можно посмотреть в Википедии. Можно и глубже охладить, тогда повысится критическое магнитное поле, и станет возможным пропускать через такой кабель больший ток.
Сколько энергии — это зависит от конструкции системы охлаждения.
Сколько энергии — это зависит от конструкции системы охлаждения.
Хотелось бы знать как охладить до нужной температуры несколько десятков км кабеля и выйграть на затратах/потерях.
Эксперимент под названием AmpaCity был завершён 27 октября, и сейчас инженеры обрабатывают полученные данные.
Терпение, пока даже не говорят о каком-то выигрыше.
Трубку пустить с хладагентом, кабель вокруг. Или саму трубку из него сделать.
Представьте себе термос. Цилиндрический сосуд с двойными стенками и вакуумом между ними. Из бытового термоса азот испаряется два дня. Кабель упаковывают в подобие термоса — двойная труба с вакуумом между ними. Теплоприток с метра такого криостата составляет 1-3Вт (в зависимости от размера). Этого вполне достаточно чтобы поддерживать кабель постоянно охлажденным.
«кабель длиною в километр передал в пять раз больше энергии, чем обычный медный (примерно 20 миллионов кВт/ч)» — что это значит?
P.S. Люди, пожалуйста, учитесь в школе.
P.S. Люди, пожалуйста, учитесь в школе.
Сверхпроводимость открыта более 100 лет назад, в 1911, поправьте пожалуйста в статье.
«Специальная керамика» это и есть сверхпроводник, а не изоляция. В данном случае имеется в виду YBCO сверхпроводник или более общее название ReBCO.
Температуры около -200 по Цельсию выгодны именно с экономической точки зрения — затраты энергии на охлаждение сверхпроводника и контактов получаются меньшими, чем потери в медных проводах. В случае кабелей, жидкий азот подается под давлением в каналы охлаждения кабеля. Обычно используется прямой и обратный ток хладогента с холодильниками на обоих концах кабеля.
«Специальная керамика» это и есть сверхпроводник, а не изоляция. В данном случае имеется в виду YBCO сверхпроводник или более общее название ReBCO.
Температуры около -200 по Цельсию выгодны именно с экономической точки зрения — затраты энергии на охлаждение сверхпроводника и контактов получаются меньшими, чем потери в медных проводах. В случае кабелей, жидкий азот подается под давлением в каналы охлаждения кабеля. Обычно используется прямой и обратный ток хладогента с холодильниками на обоих концах кабеля.
Я слышал что сверхпроводимость потенциально можно использовать для создания «самовосстанавливающегося» предохранителя на подстанции. Причём для этого, фактически, никаких новых технологий уже сейчас не нужно, да и проблем с охлаждением там нет.
Сейчас уже не смогу точно вспомнить суть, но вкратце, идея такова, что во время короткого замыкания ток в высокотемпературном сверхпроводнике возрастает выше некоторого порога, после чего сверхпроводимость пропадает и предохранитель становится ограничителем тока в цепи, а тепловую энергию от него успешно отводит система охлаждения. При этом, когда всё приходит в норму и ток уменьшается, сверхпроводящие свойства восстанавливаются.
И даже вроде как, где-то такое уже используют, сейчас уже не вспомню подробностей.
Сейчас уже не смогу точно вспомнить суть, но вкратце, идея такова, что во время короткого замыкания ток в высокотемпературном сверхпроводнике возрастает выше некоторого порога, после чего сверхпроводимость пропадает и предохранитель становится ограничителем тока в цепи, а тепловую энергию от него успешно отводит система охлаждения. При этом, когда всё приходит в норму и ток уменьшается, сверхпроводящие свойства восстанавливаются.
И даже вроде как, где-то такое уже используют, сейчас уже не вспомню подробностей.
Да, есть такое устройство — сверхпроводящий ограничитель тока. Бывает 2х типов: индуктивный и резистивный. Принцип действия у них схож, при превышении критического тока в сверхпроводнике происходит лавинообразный переход в нормальное состояние (в следствии нагрева) и в линию получается включено большое сопротивление индуктивного или резистивного характера. Обычно после этого отрабатывает автоматика и окончательно разрывает цепь до усьранения неисправности. Преимущества такого подхода — ток ограничивается уже в течении первого полупериода на безопасном уровне, ограничение происходит без разрыва цепи, что предотвращает дугообразование.
Несколько таких устройств установлены в разных точках мира и активно продолжается их разработка. Мы занимались разработкой ограничителя в рамках европейского гранта, и он был даже построен и протестирован, к сожалению на финальной стадии тестирования в электросети на Майорке возникли трудности бюрократического характера и в реальную сеть ограничитель так и не был включен.
Несколько таких устройств установлены в разных точках мира и активно продолжается их разработка. Мы занимались разработкой ограничителя в рамках европейского гранта, и он был даже построен и протестирован, к сожалению на финальной стадии тестирования в электросети на Майорке возникли трудности бюрократического характера и в реальную сеть ограничитель так и не был включен.
переход в нормальное состояние (в следствии нагрева)
Не вследствие нагрева, а вследствие превышения критического магнитного поля.
А как этот сверхпроводник после перехода в нормальное состояние, что с ним происходит? По идее должен быстро и сильно нагреться. Не перегорит?
В данном случае именно нагрев обеспечивает быстрый переход из сверхпроводящего состояния в нормальное. Данные ленты остаются сверхпроводящими при десятках тесла, так что поле здесь не основной фактор. Начало процессу дает превышение критической плотности тока в сверхпроводнике. Излишек тока начинает течь в нормальном металле (подложка, защитные покрытия) и быстро разогревают весь провод. Собственно одна из проблем — обеспечить быстрый и равномерный нагрев по всей длине, т.к. начало процесса носит локальный характер, виной тому точечные дефекты и неоднородность критического тока по всей длине ленты.
После перехода в нормальное состояние ток продолжает течь в металле подложки и серебряном защитном слое, нагрев есть, но не критичный для используемых материалов. Дальше отрабатывает автоматика и отключает аварийный участок.
После перехода в нормальное состояние ток продолжает течь в металле подложки и серебряном защитном слое, нагрев есть, но не критичный для используемых материалов. Дальше отрабатывает автоматика и отключает аварийный участок.
Хотелось бы дополнить, что сверхпроводниковые токоограничители — это, пожалуй, первое устройство на высокотемпературных сверхпроводниках, которое перешагнуло уже из фазы пилотных проектов и лабораторных штучных устройств в формат коммерческого продукта. Т.е. когда приходит заказчик, приносит деньги и хочет себе такое устройство на подстанцию, причем все это происходит не в формате пилотного проекта с госфинансированием, а исключительно из коммерческой целесообразности. В этом году фирма Nexans как раз заключила контракт на поставку двух токоограничивающих устройств в Англию, который уже является 100% коммерческим заказом. Этот шаг еще предстоит сделать кабелям, магнитам, моторам/генераторам и прочим накопителям энергии, маглевам и другим сверхпроводящим чудесам.
Просто потери в сверхпроводящем кабеле не электрические, а экономические.
Это затраты на охлаждение.
Этот кабель будет эффективным, когда затраты на потерянную эл. энергию будут больше чем затраты на его охлаждение.
Это затраты на охлаждение.
Этот кабель будет эффективным, когда затраты на потерянную эл. энергию будут больше чем затраты на его охлаждение.
Они уже меньше. Тут играют роль дороговизна кабеля, систем охлаждения, монтажа и обслуживания. Цены сверхпроводящих лент на сегодня находятся в районе 30-100 $ за метр. Ориентировочно, цена за 1 км 10 кА трехфазного кабеля получается 10 000 000 $ только за сверхпроводник.
Цены, само собой тоже входят в эффективность замены обычного кабеля на сверхпроводящий. Едва ли кто будет использовать новинку если она не окупится за разумный отрезок времени.
Написав «затраты на его охлаждение» я имел в виду — эксплуатационные расходы.
Написав «затраты на его охлаждение» я имел в виду — эксплуатационные расходы.
10М$/км сумма, конечно, впечатляющая, но парой таких кабелей на напряжении 500кВ (на таком у нас электроэнергия передается на умеренно большие расстояния) можно питать всю Москву с запасом.
> кВт/ч
Что это за единицы измерения?! Мощность изменяемая за единицу времени?
Извините, наболело…
Что это за единицы измерения?! Мощность изменяемая за единицу времени?
Извините, наболело…
Как это трансформаторы не нужны? Для сверхпроводников действует тот же принцип, что и для обычных проводников: мощность равна произведению напряжения на ток, и повышение тока повышает потери. А в случае сверхпроводника — так и вовсе, существует критический ток, выше которого явление сверхпроводимости разрушается. И этот ток не так уж велик. При температурах жидкого азота он составляет десятки, максимум сотни ампер. Это обуславливает необходимость повышения напряжения в сети, чтобы при фиксированном максимальном токе повысить передаваемую мощность.
Однако переменный ток нельзя передавать через сверхпроводник без потерь. Дело в том, что, в соответствии с теорией и экспериментами, в сверхпроводнике имеется два типа свободных электронов: нормальные (т.е. испытывающие электрическое сопротивление) и сверхпроводящие. В исходный момент замыкания цепи оба типа электронов приходят в движение. Однако ток, создаваемый нормальными электронами, быстро затухает под действием сопротивления (с выделением некоторого количества теплоты). Остается только ток сверхпроводящих электронов, который уже протекает без потерь. Так вот, а если напряжение на концах провода переменное, то это будет постоянно приводить в движение нормальные электроны, и таким образом создавать омические потери. Так что по сверхпроводнику имеет смысл пропускать только постоянный ток.
Чтобы получить постоянный ток высокого напряжения, простым трансформатором не отделаешься, однако трансформаторы как правило являются составной частью высоковольтных преобразователей. Так что без них не обойдешься.
Впрочем, я в любом случае предрекаю переход на постоянный ток в электрических сетях. Использование сверхпроводящих ЛЭП должно только ускорить этот процесс.
Однако переменный ток нельзя передавать через сверхпроводник без потерь. Дело в том, что, в соответствии с теорией и экспериментами, в сверхпроводнике имеется два типа свободных электронов: нормальные (т.е. испытывающие электрическое сопротивление) и сверхпроводящие. В исходный момент замыкания цепи оба типа электронов приходят в движение. Однако ток, создаваемый нормальными электронами, быстро затухает под действием сопротивления (с выделением некоторого количества теплоты). Остается только ток сверхпроводящих электронов, который уже протекает без потерь. Так вот, а если напряжение на концах провода переменное, то это будет постоянно приводить в движение нормальные электроны, и таким образом создавать омические потери. Так что по сверхпроводнику имеет смысл пропускать только постоянный ток.
Чтобы получить постоянный ток высокого напряжения, простым трансформатором не отделаешься, однако трансформаторы как правило являются составной частью высоковольтных преобразователей. Так что без них не обойдешься.
Впрочем, я в любом случае предрекаю переход на постоянный ток в электрических сетях. Использование сверхпроводящих ЛЭП должно только ускорить этот процесс.
Максимум, что доводилось держать в руках — это ВТСП лента с критическим током 636 А при ширине 10 мм. Но, в кабелях используют параллельное соединение сверхпроводящих лент так что верхний предел по току диктуется разумным оптимумом. Обычно напряжение ограничивают на уровне 10000 В, а ток — исходя из запланированной мощности.
Потери на переменном токе есть, в кабелях носят, в основном, гистерезисный характер и возникают из-за движения «вихрей» — нормальных зон в сверхпроводнике. Вихри и обусловливают высокие значения критических полей и токов в сверхпроводниках 2 рода. В частности, оно из направлений исследований это создание качественных пининговых центров в сверхпроводниках, проще говоря — искусственных дефектов.
Механизм, который вы описали, больше похож на каплинговые потери — возникает во внешнем переменном магнитном поле в мультифиламентарных проводах, когда в следствии индуцированного электрического поля ток стремится замкнуться через матрицу нормального металла, где и генерируются омические потери.
В любом случае, на сегодня можно добиться существенно меньших потерь в сверхпроводящем кабеле по сравнению с медным, даже с учетом охлаждения (при азотных температурах это фактор 20, т.е. каждый произведенный ватт тепла отводится за счет 20 ватт в холодильной установке).
Потери на переменном токе есть, в кабелях носят, в основном, гистерезисный характер и возникают из-за движения «вихрей» — нормальных зон в сверхпроводнике. Вихри и обусловливают высокие значения критических полей и токов в сверхпроводниках 2 рода. В частности, оно из направлений исследований это создание качественных пининговых центров в сверхпроводниках, проще говоря — искусственных дефектов.
Механизм, который вы описали, больше похож на каплинговые потери — возникает во внешнем переменном магнитном поле в мультифиламентарных проводах, когда в следствии индуцированного электрического поля ток стремится замкнуться через матрицу нормального металла, где и генерируются омические потери.
В любом случае, на сегодня можно добиться существенно меньших потерь в сверхпроводящем кабеле по сравнению с медным, даже с учетом охлаждения (при азотных температурах это фактор 20, т.е. каждый произведенный ватт тепла отводится за счет 20 ватт в холодильной установке).
Мой ЖЖ френд как раз сейчас занимается разработкой какой то эпичной вундервафли на сверхпроводниках — униполярный движок. Какие то дикие мощности и КПД получает. По факту на нем можно легко собрать тот самый трансформатор постоянного тока, электромеханический.
Друга не Аркадием часом зовут (Guina R&D)?
Арки, ага. А где работает не помню, в австралии где то.
Да, в Австралии. На недавней конференции с ним и его коллегами виделся. К сожалению не довелось позырить на работу чудного агрегата — к тому моменту они ждали сверхпроводящий магнит, но и фотки голого ротора впечатляли. У них много презентационного материала было.
Тесен мир однако.
Аркадий много интересного рассказывал про свой униполярный двигатель. В частности заявлялись какие-то уникальные массогабаритные характеристики, но потом он сознался что отношение мощности к массе у его двигателя составляет 0,3 кВт/кг. Надеюсь, что это связано с тем, что в их установке они этот параметр просто никак даже не пытались оптимизировать и при желании его можно будет повысить порядка на полтора (это очень важный параметр для ветроэнергетики и электросамолетов). Но, кончено, идея трансформатора постоянного тока сама по себе весьма стоящая.
Аркадий много интересного рассказывал про свой униполярный двигатель. В частности заявлялись какие-то уникальные массогабаритные характеристики, но потом он сознался что отношение мощности к массе у его двигателя составляет 0,3 кВт/кг. Надеюсь, что это связано с тем, что в их установке они этот параметр просто никак даже не пытались оптимизировать и при желании его можно будет повысить порядка на полтора (это очень важный параметр для ветроэнергетики и электросамолетов). Но, кончено, идея трансформатора постоянного тока сама по себе весьма стоящая.
Жидкий азот делается буквально из электричества и воздуха в любом удобном месте. Так что реальные затраты действительно можно вытянуть в сравнимую или меньшую стоимость.
Зарегистрируйтесь на Хабре, чтобы оставить комментарий
Экспериментальный сверхпроводящий силовой кабель успешно проработал 180 дней