高温超导技术的应用研究.doc

论文报告 编辑：Korea高温超导技术的应用研究唐秀玲摘要 超导技术的迅速发展必然带来具有巨大市场潜力的超导经济，并对21世纪世界经济产生全面深远的影响。本文将着重介绍高温超导概念和近年来在高温超导技术应用领域取得的重要进展，最后给出了高温超导技术发展趋势和市场前景。关键词 超导 高温超导 超导技术 应用1 引言超导现象自从20世纪初被发现以来，就以其独特的魅力持续不断地吸引着广大科学家的关注，这不仅因为它能完美地展示物理学的一些重要规律，更重要的是它具有很多潜在的应用。超导技术可广泛用于能源、信息、医疗、交通、国防、科学研究及国防军工等重大工程方面。2 超导概念超导性是指在某个温度(临界温度)下，使直流电流无电阻损耗地流动的物理现象。对于交流电流，其电阻要比一般金属低得多，但不为零，这是由于存在动力电感的原因(它是由无损耗的超导电场与产生电阻的常规欧姆电子之间相互作用产生的)。这一现象是荷兰科学家坎默林昂尼斯于1911年在一次试验中发现的。所谓高温超导是指超导临界温度(Tc)较高的超导体。在1986年4月前，把Tc在15K以上的超导体称为高临界温度的超导体，简称高温超导体。但目前所指的高温超导体，是指Tc在液氮温度以上的超导体。超导体具有三个特性，即零电阻、完全抗磁性和约瑟夫逊效应。零电阻，当导体处于临界温度以下的低温环境时，其直流电阻为零。超导状态中零电阻现象不仅与超导体温度有关，还与外磁场强度和通过超导体的电流有关。完全抗磁性，又称迈斯纳效应，是1933年迈斯纳研究超导态的磁性时发现的，即不管超导体内原来有无磁场，一旦进入超导态，超导体内的磁场一定等于零，即具有安全抗磁性，超导体的完全抗磁性会产生磁悬浮现象。约瑟夫逊效应，电子对能够以隧道效应穿过绝缘层，在势垒两边电压为零的情况下，将产生直流超导电流，而在势垒两边有一定电压时，还会产生特定频率的交流超导电流。超导体有表明其基本特性的三个临界值，即：临界温度，高于此温度则超导体不具备超导电性；临界磁场强度，当超导体承受的磁场超过此强度时超导电性也会消失；临界电流，超过此数值时也会使其失去超导电性。目前已查明在常压下具有超导电性的金属元素有32种，而在高压下或制成薄膜状时具有超导电性的金属元素有14种。依照磁化强度与外加磁场的不同，可把超导体分为：第I类超导体和第II类超导体。第I类超导体主要包括一些在常温下具有良好导电性的纯金属，如铝、锌、镓、锡、铟等，该类超导体的溶点较低、质地较软，亦被称作“软超导体”。其特征是由正常态过渡到超导态时没有中间态，并且具有完全抗磁性。第I类超导体由于其临界电流密度和临界磁场较低，因而没有很好的实用价值。除金属元素钒、锝和铌外，第II类超导体主要包括金属化合物及其合金。第II类超导体和第I类超导体的区别主要在于：第II类超导体由正常态转变为超导态时有一个中间态(混合态)；第II类超导体的混合态中有磁通线存在，而第I类超导体没有；第II类超导体比第I类超导体有更高的临界磁场、更大的临界电流密度和更高的临界温度。第II类超导体根据其是否具有磁通钉扎中心而分为理想第II类超导体和非理想第II类超导体。理想第II类超导体的晶体结构比较完整，不存在磁通钉扎中心，并且当磁通线均匀排列时，在磁通线周围的涡旋电流将彼此抵消，其体内无电流通过，从而不具有高临界电流密度。非理想第II类超导体的晶体结构存在缺陷，并且存在磁通钉扎中心，其体内的磁通线排列不均匀，体内各处的涡旋电流不能完全抵消，出现体内电流，从而具有高临界电流密度。在实际上，真正适合于实际应用的超导材料是非理想第II类超导体。日本名古屋大学与德国马克斯普朗克研究所科学家组成的一个科研小组最近提出了解释磁性超导物质机理的新假说。他们的新理论认为，晶体一个个晶格的微小磁性作用使相互排斥的两个电子结成对，最终形成磁性超导体。在现有理论的基础上，俄罗斯超导专家们认为，在常规超导材料中，影响超导性的主要是导电电子与晶格的相互作用，电子-声子相互作用，因此，室温超导现象是完全可能的，它并不违背稳定性法则。3 高温超导目前主要应用情况20世纪90年代后期以来，高温超导材料在应用方面取得了长足进步，直接促进了应用技术的发展。高温超导的许多应用可以简单地看成是低温超导应用的不同比例放大，但要求有很高的可控温度。从超导体特性来看，高温超导材料的应用正朝着大电流(强电)、电子学(弱电)和抗磁性等三个方向发展。在强电应用技术方面，超导电缆、超导限流器、超导变压器、超导电动机已经进入示范试验运行阶段，磁悬浮系统以及高温超导磁储能系统也有相应的试验模型问世。在弱电应用方面，超导滤波器系统在国外移动通信领域已发展成商品，国内也开始了商品开发。3.1 超导在强电方面的应用超导在强电方面的应用主要有：超导发电机、超导传输线、超导储能等应用。所谓超导发电机是指常规发电机的励磁绕组导线采用超导体，或励磁绕组与电枢绕组均采用超导体的发电机，后者又叫做全超导发电机。现各国研制的超导发电机大多数是前者。超导同步发电机的超导励磁能产生极强的气隙磁场，使得在超导电机的定、转子绕组磁路中不需要、也不能够设置铁磁体磁路。超导同步发电机的转子为中空深冷、多层非铁磁体圆筒式结构，没有定子铁心。与传统发电机相比，它不仅能增加发电效率、而且能减少尺寸和保证质量，改善电力系统稳定性。超导技术与电力技术的结合将给电力行业的发、输、配电带来革命性的改变，电力行业是超导产业最重要的应用场所与市场。高温超导电缆高温超导电缆是采用无阻的、能传输高电流密度的超导材料作为导电体传输大电流的一种电力设施，是解决大容量、低损耗输电的一个重要途径。据统计，目前的铜或铝导线输电，约有15%的电能损耗在输电线路上，光是在中国，每年的电力损失即达1000多亿度。若改为超导输电，节省的电能相当于新建数十个大型发电厂。因此，专家认为，高温超导(HTS)电缆是解决未来大城市高密度配电的唯一出路。高温超导电缆是采用无阻的、能传输高电流密度的超导材料作为导电体并能传输大电流的一种电力设施，具有载流能力大、损耗低、体积小和质量轻等优点。它由电缆芯、低温容器、终端和冷却系统四个部分组成。其中电缆芯是高温超导电缆的核心部分，包括通电导体、电绝缘和屏幕导体等主要部件，如图1所示。超导限流器超导限流器是利用超导体的超导正常态转变特性，有效限制电力系统故障短路电流，能够快速和有效地达到限流作用，加强电网安全性和稳定性的一种电力设备。超导限流器主要用于电力传输和配送系统，特别是在人口密度高、经济发展速度快、对电能的需求较高的地区。超导储能装置超导储能装置是利用超导线圈将电磁能直接储存起来，需要时再将电磁能返回电网或其他负载的一种电力设施。由于储能线圈由超导线绕制且维持在超导态，线圈中所储存的能量几乎可以无损耗地永久储存下去直到需要释放时为止。超导储能装置不仅可用于调节电力系统的峰谷或解决电网瞬间断电对用电设备的影响，而且可用于降低甚至消除电网的低频功率振荡从而改善电网的电压和频率特性，同时还可用于无功和功率因数的调节以改善电力系统的稳定性。超导电机超导电机包括静态超导电机(即超导变压器)和旋转超导电机(即发电机和电动机)。由于采用了超导绕组，与常规电机相比较，能够承载更大的电流，从而产生更强的磁场，能够在与常规电机功率输出相同的情况下使体积和质量减小到常规电机的i5大小。美国、日本、欧洲、韩国均投入了相当资金保证国家计划迅速实施。我国有关工作已列入了863高技术研究发展计划，也取得了可喜的成绩。英纳超导公司已能提供所需的铋系超导带材，云电英纳超导电缆公司的35KV2KA，30米长超导电缆已在云南投入了试验运行，中国科学院电工研究所的10KV15KA，长75米的超导电缆已在甘肃进行试验运行。在超导变压器与超导限流器方面也取得了一些可喜的阶段成果。 表1：国际超导电力技术应用情况(重要事例)应用研究开发单位主要技术参数状况电缆丹麦NKT公司美国Southwire Pirelli美国公司 日本东京电力 美国AMSCPirelli 美国IGC公司 三相30米，36KV2KA三相30米，l2.5KV1.25KA三相130米，24KV2.4KA三相100米，66KVlKA三相600米，138KV2KA三相350米，34.5KV800A试验运行试验运行试验阶段试验阶段研制阶段研制阶段限流器瑞士ABB 瑞士ABB 美国LM公司 美国GA公司 日本东京电力 美国IGC公司 欧洲NEXAN公 韩国DAPAS计划 三相磁屏蔽型，1.2MVA三相电阻型，10MVA三相桥路型，2.4KV100A三相桥路犁，l5KV1.2KA三相电抗器型，66KV750A三相矩阵型，l38KVlKA三相电阻型，10KVIOMVA三相23KVlKA示范样机试验运行完成研制试验完毕试验运行开始试验研制阶段研制阶段研制阶段电机德国西门子美国Reliance美国超导公司美国超导公司美国GE公司4MW，3600RPM5MW，230RPM36.5MW，120RPM8MW超导同步调相机100MW同步发电机研制阶段试验运行预研阶段试验阶段研制阶段变压器瑞士ABB日本九州大学德国西门子美国Waukeshal8.7KV420V，630KVA77K6.6KV3.3KV，1MVA77K5.6KV1.1KV，1MVA77Kl0MVA，138l3.8KV20-30K完成试验试验运行研制阶段试验阶段3.2 超导弱电(电子学)方面的应用超导在弱电方面的应用是建立在超导体所特有的一些性质之上，即直流下完全没有电阻，交流或高频下只有很小的电阻，迈斯纳效应以及磁通量子化、隧道和约瑟夫逊效应等。超导薄膜是超导电子应用的基础材料，用超导薄膜制作的超导器件具有的性能，是任何其他材料无法相比的。高温超导薄膜可广泛应用于红外探测、微弱电磁信号接收、人体及生物磁测量、微波通信与探测、信号处理、电力开关等。目前，高温超导薄膜的研究处于从基础研究向实际应用转化的关键阶段，已从实验室进入了超导电子学的各个应用领域，正在发展成为一种高新技术产业。高温超导在弱电方面的典型应用有：超导滤波器、超导计算机，超导天线，超导量子干涉仪等。高温超导滤波器系统高温超导滤波器是处于77k至92k之间的薄膜滤波器，具有噪声系数低、矩形系数好、通带插入损耗小等优点。高温超导滤波器在移动通信、军事、天文、卫星通信、电视广播等方面都有广阔的应用前景。目前，国外一些公司的高温超导滤波器子系统产品已进入市场，我国在超导滤波器方面也做了大量工作，并取得一些成果，其中一些成果已达到实用要求。中国科学院物理研究所与英国伯明翰大学合作，于2000年研制成功我国第一个用于移动通信基站的超导滤波器。2001年又研制成功我国第一台高温超导移动通信基站子系统原理性样机。该样机是以我国目前普遍使用的GSM1800移动通信系统为应用背景，由一个高温超导滤波器、一个低噪声放大器和一台微型脉冲管制冷机组成。2002年5月18日，我国第一台满足GSM1800移动通信基站应用要求的高温超导滤波器系统已在清华大学通过鉴定，标志着我国已经掌握自主研制、开发超导滤波器产品的关键技术。超导天线在天线中，决定导体损耗功率的不是材料的直流电阻，而是它的表面电阻Rs。Rs可以等效为表层厚度为d，长和宽均为单位长度的长方体，从两个侧边测得的直流电阻。研究表明，普通金属的表面电阻与频率的平方根成正比，而超导材料的表面电阻与频率的平方成正比，在液氮温度下，对于极高的工作频率，超导材料的表面电阻大于普通金属，而对于绝大多数天线的工作频率，超导材料的表面电阻比普通金属低两个数量级以上，因而用超导材料制备天线，可望大大提高天线的工作效率。近年的研究发现，用超导制备天线，可以提高天线的信噪比，并对天线近场产生有利的影响。可用超导材料可制造以下几种天线：电小天线、超方向性阵列、毫米波阵列等天线。目前超导天线技术应用在卫星通信方面的研究比较引人注目。美国已制定了高温超导空间实验计划，以试验超导天线等微波器件和系统在空间的工作性能。美国科学家认为，由于超导天线尺寸较小，效率高，将来可用于宇宙通信。我国也正在开展研究工作，将超导天线等微波器件应用于空间通信。4 超导技术的发展趋势与市场前景从超导技术发展的历程来看，目前高温超导材料正从研究阶段向应用发展阶段转变。未来的十年是市场发展和高温超导材料产业化的十年。超导技术作为一类有重大发展潜力的应用技术，已经进入实际应用开发与应用基础性研究相互推动，逐步发展为高技术产业的阶段。各主要国家的政府与企业界都投入较大力量，竞争十分激烈。美国能源部认为：超导电力技术是在21世纪电力工业唯一的高技术储备。而日本新能源开发机构则认为发展高温超导电力技术是在21世纪的高技术竞争中保持尖端优势的关键所在。根据国际超导科技界和相关产业部门的预测：2010年，全球超导产业将达到260亿美元，到2020年，将达到2400亿美元以上。因此，超导技术被认为是21世纪具有战略意义的高新技术。据最新2003年美国高温超导材料市场分析与预测报告，全世界高温超导元器件将会由2010年的5亿美元的市场规模激增到2020年的100亿美元。在高温超导电力技术商品化领域，最早进入应用的可能是故障限流器。增幅最快的将是超导电动机，其市场占有率会由2006年的1快速增长到2020年的79。到2020年其它超导电力设备的市场占有率分别是：超导变压器f76)，超导发电机(5O)以及输电电