หินกรวดตัวนำยิ่งยวด: โมดูลส่งกำลังสูญเสีย-เป็นศูนย์

การปฏิวัติวัสดุ: การพัฒนาตัวนำยิ่งยวดด้วยการเคลือบ YBCO

จุดแข็งหลักของตัวกลางตัวนำยิ่งยวดนี้อยู่ที่การออกแบบการทำงานร่วมกันของการเคลือบ YBCO และก้อนหินปูถนนธรรมชาติ- ทีมงานด้านเทคนิคเลือกหินกรวดหินบะซอลต์ (เส้นผ่านศูนย์กลาง 5-8 ซม-) ที่มีกำลังรับแรงอัด >200MPa เป็นวัสดุตั้งต้น โครงสร้างที่มีความหนาแน่นตามธรรมชาติเป็นฐานที่มั่นคงสำหรับการเคลือบตัวนำยิ่งยวด ด้วยการใช้การสะสมด้วยเลเซอร์แบบพัลซ์ (PLD) ฟิล์มตัวนำยิ่งยวด YBCO หนา 1μm- (องค์ประกอบทางเคมี YBa₂Cu₃O₇₋ₓ) ถูกวางลงบนพื้นผิวหินกรวด ทำให้เกิดโครงสร้างชั้นสี่-: "ชั้นป้องกันที่เป็นหินกรวด - ชั้นบัฟเฟอร์ - ชั้น YBCO - ชั้นป้องกัน" ชั้นบัฟเฟอร์ CeO₂ แก้ไขปัญหาการจับคู่โครงตาข่ายระหว่างความหยาบพื้นผิวของหินกรวดและชั้นตัวนำยิ่งยวดได้อย่างมีประสิทธิภาพ ทำให้ความหนาแน่นกระแสวิกฤตของการเคลือบเกิน 10⁴A/cm² (ที่ 77K, สนามตัวเอง)

ตัวบ่งชี้ประสิทธิภาพหลักเน้นให้เห็นถึงข้อดี: การเคลือบ YBCO มีอุณหภูมิวิกฤติที่ 92K (-181 องศา ) สูงกว่าจุดเดือดของไนโตรเจนเหลว (77K) ซึ่งหมายความว่าสถานะตัวนำยิ่งยวดสามารถรักษาไว้ได้ด้วยไนโตรเจนเหลวแทนฮีเลียมเหลวราคาแพง (จุดเดือด 4.2K) ซึ่งช่วยลดต้นทุนตัวกลางในการทำความเย็นได้มากกว่า 90% นอกจากนี้ พื้นผิวโค้งตามธรรมชาติของหินกรวดช่วยให้มั่นใจได้ถึงการกระจายกระแสที่สม่ำเสมอมากขึ้น (ค่าเบี่ยงเบนกระแสในแนวรัศมี ＜2%) หลีกเลี่ยงความเข้มข้นของกระแสขอบในเทปตัวนำยิ่งยวดแบบแบนแบบดั้งเดิม และเพิ่มเสถียรภาพในระหว่างการส่งกระแสสูง

การทดสอบเปรียบเทียบแสดงให้เห็นว่า ที่กระแสไฟ 10kA การสูญเสีย AC ของหินกรวดตัวนำยิ่งยวดเป็นเพียง 0.001% ของสายเคเบิลทองแดงที่มีหน้าตัดเท่ากัน- โดยไม่มีการให้ความร้อนแบบต้านทาน- จะช่วยแก้ปัญหา "การสูญเสียเส้น" ที่เกิดจากการให้ความร้อนแบบจูลในตัวนำแบบดั้งเดิมได้อย่างสมบูรณ์

ประสิทธิภาพการใช้พลังงาน: ใกล้-ศูนย์-สูญเสียการปฏิวัติการส่งผ่าน

การวัดจากห้องปฏิบัติการ State Grid UHV ยืนยันถึงการพัฒนาประสิทธิภาพของหินกรวดที่มีตัวนำยิ่งยวด ในการทดสอบบนสายส่งจำลองระยะทาง 100 กม.:

สายเคเบิลแกนทองแดง 500kV แบบดั้งเดิม-มีการสูญเสียการส่งสัญญาณ 7.2% (72MWh สูญเสียเมื่อส่งสัญญาณ 1000MWh)

สายส่งที่ประกอบกับหินกรวดตัวนำยิ่งยวด (ความจุเท่ากัน) มีการสูญเสียเพียง 0.0001% ซึ่งหมายความว่าสูญเสียเพียง 0.1kWh ต่อ 1,000MWh ที่ส่ง- ซึ่งเทียบเท่ากับการกำจัดการสูญเสียการผลิตต่อปีของโรงไฟฟ้าพลังความร้อน 50MW

ประสิทธิภาพขั้นสูงสุดนี้มีคุณค่าอย่างยิ่งสำหรับการส่งข้อมูลระยะไกล-และมีความจุสูง- สำหรับโครงการ UHV "ตะวันตก-ถึง-การส่งกำลังไฟฟ้าตะวันออก" ของจีน การใช้สื่อหินกรวดที่เป็นตัวนำยิ่งยวดสามารถประหยัดได้ 1.2 พันล้าน kWh ต่อปีต่อสาย ±800kV- ซึ่งเทียบเท่ากับการลดการใช้ถ่านหินมาตรฐานได้ 600,000 ตันและการปล่อย CO₂ ได้ถึง 1.5 ล้านตัน

นอกจากนี้ ความหนาแน่นกระแสสูง (10⁴A/ซม.² หรือ 100 เท่าของสายเคเบิลทองแดง) ช่วยเพิ่มความสามารถในการรับส่งข้อมูลได้อย่างมาก: กลุ่มหินกรวดตัวนำยิ่งยวดที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 8 ซม.- สามารถส่งผ่าน 5000MVA-20 เท่าของสายเคเบิลทองแดงขนาด 100 มม.² แบบดั้งเดิม สิ่งนี้ช่วยลดความต้องการพื้นที่สำหรับสายส่งลงอย่างมาก ทำให้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการอัพเกรดท่อใต้ดินในระบบโครงข่ายไฟฟ้าในเมือง

โซลูชันการทำความเย็น: ข้อได้เปรียบด้านต้นทุนของระบบ Modular LN₂

การใช้งานจริงของหินกรวดตัวนำยิ่งยวดต้องอาศัยระบบทำความเย็นที่มีประสิทธิภาพและต้นทุนต่ำ- ระบบหมุนเวียนไนโตรเจนเหลวแบบโมดูลาร์ (LN₂) ที่พัฒนาโดยทีมงานด้านเทคนิคช่วยแก้ปัญหา "การระบายความร้อนที่ยากลำบากและการบำรุงรักษาสูง" ของอุปกรณ์ตัวนำยิ่งยวดแบบดั้งเดิมอย่างละเอียด:

ระบบใช้การออกแบบแบบกระจาย โดยมีหินกรวดตัวนำยิ่งยวด 100 ก้อนจับคู่กับถังเก็บ LN₂ ขนาดเล็ก (ความจุ 50 ลิตร) และปั๊มหมุนเวียน เชื่อมต่อผ่านท่อโพลีอิไมด์เพื่อสร้างหน่วยทำความเย็นอิสระ

การระเหยของ LN₂ ถูกควบคุมที่ 0.5 ลิตร/ชม. (เทียบกับ. 2ลิตร/ชม. สำหรับระบบรวมศูนย์แบบดั้งเดิม) เนื่องจากความโค้งตามธรรมชาติของหินกรวดช่วยลดการเชื่อมความร้อน ช่วยลดการสูญเสียความร้อนได้ถึง 75%

การบำรุงรักษาใช้โมเดล "ปลั๊ก-และ-เล่น": ความล้มเหลวของโมดูลเดียวไม่ส่งผลกระทบต่อทั้งบรรทัด โดยมีเวลาเปลี่ยน <30 นาที-10 เท่า มีประสิทธิภาพมากกว่าสายตัวนำยิ่งยวดแบบเดิม (ต้องปิดระบบทั้งหมด)

การบัญชีต้นทุนแสดงค่าใช้จ่ายในการดำเนินงานประจำปี (รวมถึงการเติม LN₂ และการบำรุงรักษาอุปกรณ์) อยู่ที่ $0.2/m ซึ่งคิดเป็น 40% ของระบบทำความเย็นฮีเลียมเหลวแบบเดิม ($0.5/m)- ซึ่งลดลง 60% นอกจากนี้ LN₂ สามารถผลิตได้ที่-ไซต์งานโดยใช้อุปกรณ์แยกอากาศ (ราคา ~$0.1/ลิตร) ขจัดการขนส่งระยะไกล-และลดความเสี่ยงในห่วงโซ่อุปทานอีกด้วย

ปัจจุบันเทคโนโลยีดังกล่าวกำลังถูกนำไปใช้ในสวนอุตสาหกรรมในมณฑลเจียงซู สายส่งหินกรวดตัวนำยิ่งยวดยาว 1 กม. ทำงานอย่างเสถียรเป็นเวลา 18 เดือน โดยรักษาประสิทธิภาพการส่งผ่านไว้ที่ 99.9999%- ซึ่งยืนยันความน่าเชื่อถือในโครงข่ายไฟฟ้าที่ใช้งานได้จริง ดังที่วิศวกร State Grid กล่าวไว้ว่า "หินกรวดที่เป็นตัวนำยิ่งยวดได้ย้ายการส่งผ่านความต้านทานเป็นศูนย์-จากห้องปฏิบัติการไปยังการใช้งานทางวิศวกรรม หินเหล่านี้ไม่ได้เป็นเพียงวัสดุใหม่ แต่เป็นการเปลี่ยนกระบวนทัศน์ในระบบส่งผ่านพลังงาน"