Cáp siêu dẫn nhiệt độ cao (High Temperature Superconducting) là gì?

cáp-siêu-dẫn-nhiệt-độ-cao

Dân số tăng nhanh, công nghiệp hóa, đô thị hóa, thành phố thông minh và giao thông vận tải đã dẫn đến nhu cầu cung cấp năng lượng điện thông qua cáp và dây điện T&D ngày càng tăng. Nhu cầu năng lượng cho nền kinh tế thế giới đang tiêu thụ rất nhiều nhiên liệu hóa thạch (như than, dầu mỏ và NG) trong sản xuất điện và giao thông vận tải.

Điều này sẽ làm hỏng toàn bộ cân bằng sinh thái. Vì vậy, tiết kiệm năng lượng bằng các dây quấn tiết kiệm năng lượng và hệ thống T&D công suất là cần thiết để giải quyết vấn đề thiếu năng lượng, cạn kiệt nhiên liệu hóa thạch và khủng hoảng môi trường (ô nhiễm và bức xạ điện từ).

Mạng lưới cáp điện T&D là xương sống của tăng trưởng kinh tế. Gần 8% năng lượng điện đang bị mất vì lý do kỹ thuật. Tổn thất kỹ thuật trong hệ thống T&D công suất thông thường là do các dây dẫn thông thường (như Al & Cu), được sử dụng trong cuộn dây cáp, máy phát điện, đường dây trên không, động cơ và máy biến áp.

Do các điều kiện đặc trưng của dây dẫn thông thường, cáp và dây dẫn điện T&D mang mật độ dòng điện tới hạn thấp (Jc) và chúng bị giảm điện áp và tiêu tán nhiều công suất điện dưới dạng nhiệt joule (I2R). Các công nghệ mới nổi của Chất siêu dẫn nhiệt độ cao (HTSrs) có tiềm năng to lớn trong việc cải thiện đáng kể năng lực của các hệ thống T&D điện ngầm và trên không, động cơ, máy phát điện và nhà máy điện – bởi vì điện trở Jc >=0 của HTSrs làm giảm tổn thất và có thể thay thế các dây dẫn thông thường và nhiệt độ thấp chất siêu dẫn (LTSrs) cũng có.

Vì vậy, trong bối cảnh khủng hoảng về năng lượng và môi trường hiện nay, việc lựa chọn công nghệ dây quấn tiết kiệm năng lượng và công nghệ cáp điện T & D là hết sức cần thiết để nâng cao hiệu quả của toàn ngành điện và cả phía nhu cầu.

Cáp siêu dẫn là gì?

Cáp siêu dẫn nhiệt độ cao là loại cáp điện được sản xuất bằng dây siêu dẫn nhiệt độ cao. Dây siêu dẫn này được làm từ các chất siêu dẫn, kích thước dây khá mỏng chỉ bằng sợi tóc nhưng có khả năng dẫn điện gấp 150 lần dây đồng cùng kích thước.

Chất siêu dẫn

Năm 1986, HTSr (LaBaCuO) đã được phát hiện ra ở 350 độ K (hiện tượng điện trở biến mất của vật liệu siêu dẫn ở nhiệt độ cao). Vào tháng 3 năm 1987, Chất siêu dẫn nhiệt độ cao (HTSy) trong hợp chất YBaCuO cũng được phát hiện ở 930 độ K khi hợp chất được làm lạnh bằng LN2 (770 độ K). Sau đó, nhiều hợp chất được phát hiện (như YBaCuO, BiSrCaCuO, MgB2, HgBaCaCuO và TlBaCaCuO) đã được chế tạo cho các ứng dụng thương mại, có hiệu quả cao trong sản xuất cáp điện và dây điện so với dây dẫn thông thường và LTSrs làm mát bằng helium (LHe, 4,20 độ K) (như Nb3Sn, NbTi, v.v.).

Kể từ khi phát hiện ra HTSr, hiện tượng siêu dẫn trong nhiều vật liệu siêu dẫn đã được báo cáo cao hơn nhiệt độ phòng (RT> ≥300 độ K). Thế hệ thứ nhất (BiSrCaCuO) và thế hệ thứ hai (YBaCuO) của HTSrs đang mang lại mức độ cải thiện hiệu quả năng lượng cao hơn trong các thế hệ điện, công nghệ nano, làm lạnh từ, giao thông vận tải, chăm sóc y tế (MRI, CT Scan…), máy phát điện truyền động trực tiếp cối xay gió, tokomak, lưới điện và việc sử dụng năng lượng từ phía yêu cầu.

Các khám phá trên cho thấy chất siêu dẫn sẽ có độ dẫn điện gần như hoàn hảo nếu một số điều kiện được đáp ứng, mà phần lớn được quyết định bởi nhiệt độ. Nếu nhiệt độ được duy trì ở mức nhất định tùy thuộc chất siêu dẫn là gì, nó sẽ có khả năng dẫn điện hoàn hảo.

Như vậy nói chung, các yếu tố xác định tính siêu dẫn của cáp là khi điện trở của cáp = 0. Để đảm bảo nhiệt độ được duy trì thấp, hiện nay công nghệ sản xuất cáp siêu dẫn đã tích hợp ni-tơ lỏng bên trong cáp, với khả năng hạ nhiệt xuống -200 độ C.

Cáp điện sau khi có thể dây siêu dẫn sẽ tăng khả năng dẫn điện lên 10 lần.

Tính chất đặc điểm của HTSrs

Chất siêu dẫn hoàn hảo hoạt động hiệu quả trong giới hạn của một số thông số quan trọng hoặc ở trạng thái siêu dẫn [Tc, Jc, Hc / hoặc (HC1 & HC2)], ngoài những thông số này, bất kỳ vật liệu siêu dẫn nào có thể không hoạt động hiệu quả trong các ứng dụng.

  • Nhiệt độ chuyển tiếp (Tc): Nhiệt độ dưới đó, kim loại hoặc vật liệu mất hoàn toàn điện trở của chúng.
  • Mật độ dòng tới hạn (Jc): Jc của các vật dẫn phụ thuộc vào mật độ của các electron trong đơn vị thể tích của chúng. Chất siêu dẫn / HTSrs cho phép dòng điện chạy dưới điện áp không giảm ở trạng thái siêu dẫn. Tuy nhiên, vượt quá giới hạn tới hạn của Jc, chất siêu dẫn phát triển điện trở và tính chất siêu dẫn chấm dứt.
  • Từ trường tới hạn (Hc): Tính siêu dẫn trong kim loại hoặc vật liệu có thể bị phá hủy bởi từ trường mạnh bên ngoài tác dụng (H) khi đặt H ở trạng thái siêu dẫn vượt quá giá trị tới hạn (Hc) và nó phụ thuộc vào hàm của nhiệt độ hoạt động ( T <Tc) cũng được.

Dây quấn HTSrs và cáp T&D nguồn

Các mục tiêu tiết kiệm năng lượng và các thách thức về môi trường có thể được giải quyết bằng công nghệ dây và cáp siêu dẫn HTSrs thay vì dây dẫn thông thường. Dây và màng mỏng của HTSrs có khả năng mài mòn Jc lớn (> 106 amp / cm2 ở 770K) với điện trở =0, trở kháng thấp, bức xạ điện từ bằng không và không chứa dầu làm mát nguy hiểm hơn so với dây và cáp điện thông thường.

Mạng lưới T&D điện ngầm của công nghệ HT Superconduct sử dụng lõi làm mát LN2 rẻ tiền và an toàn với môi trường, giúp duy trì trạng thái siêu dẫn của vật liệu. Ngoài ra, chi phí lắp đặt cáp T & D ngầm có thể được cắt giảm hơn 20%.

Độ bền của cáp điện, băng và dây điện hầu như phụ thuộc vào việc lựa chọn dây dẫn và các đặc tính nhiệt, cơ và điện của chúng. Truyền tải điện một chiều qua HTSrs hoàn toàn không có điện trở hoặc tổn thất điện bằng không. Tổn thất cáp HTSing thấp hơn một nửa (4%) so với 8% của cáp điện thông thường; và các tổn thất trong các ngành điện và công nghiệp có thể tránh được tới 90%. Tổn thất trên cáp truyền tải điện vào khoảng 2,5% tổng công suất truyền tải trong khi tổn thất trong máy biến áp từ 1 đến 2%.

Các nhà khoa học Hoa Kỳ đang kỳ vọng rằng công nghệ HTSrs có thể tiết kiệm hơn 10774 GWhr năng lượng và 1638940 tấn carbon, 16891 tấn SOx và 8351 tấn NOx vào năm 2025. Trong hệ thống cáp T&D nguồn điện trên đầu Cu thông thường, khoảng 740 kW / km năng lượng điện bị tiêu tán do điện trở cao của dây dẫn có thể được giảm bởi HTSrs. Việc truyền tải công suất 5 GW với đường dây xoay chiều trên không 765 kV yêu cầu phải rộng khoảng 600 ‘(ROW) & cột cao và nặng 130’; trong khi 5GW với cáp DC ngầm 200 kV của HTSrs yêu cầu khoảng đường ống 3’diameter và 25 ‘ROW theo AMSC (Hoa Kỳ) để tránh các thủ tục phức tạp, gây tranh cãi và tốn kém.

Ưu điểm của cáp siêu dẫn

Các công nghệ hiệu quả năng lượng dựa trên HTSrs có khả năng cung cấp các lợi thế về bảo tồn năng lượng và môi trường: –

  • HTSrs với chất điện môi LN2 kéo dài tuổi thọ hoạt động của cáp, dây điện và lớp cách điện.
  • Cần khoảng 25% ROW so với dây dẫn thông thường.
  • Tăng cường an ninh tài nguyên và sản xuất năng lượng sạch.
  • HTSrs làm mát bằng LN 2  sẽ thay thế các máy biến áp làm mát bằng dầu và hệ thống T&D công suất.
  • Nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng của phát điện.
  • Thay thế SF 6 tốn kém và không an toàn với môi trường  (nó có khả năng làm nóng lên toàn cầu cao nhất 23600) và LHe bằng LN2 trên cáp truyền tải sgas của lưới điện, thiết bị lưu trữ năng lượng, v.v.
  • Cáp HTSing không có bức xạ từ trường bên ngoài do thiết kế tự bảo vệ giúp loại bỏ tác động lên chúng sinh.
  • HTSr thế hệ thứ 2 và thứ 3 Giảm kích thước, trọng lượng và chi phí sản xuất cáp & dây.

Kết luận

Trong thế kỷ 21, Công nghệ của HTSrs đang mở ra những chân trời mới cho các nỗ lực cải tiến hiệu quả năng lượng và tiết kiệm năng lượng. Khả năng ứng dụng của HTSrs với điện trở = 0 có thể tạo ra nhiều cuộc cách mạng trong sản xuất điện, tiện ích, cáp điện, dây điện và nhiều lĩnh vực khác.

Nhu cầu ngày càng tăng về năng lượng và khủng hoảng môi trường đang buộc phải phát triển và khám phá ra công nghệ phát điện sạch và tiết kiệm năng lượng. Bài báo này kết luận rằng công nghệ dây và cáp điện mới nổi của HTSrs đang mang lại cơ hội tốt hơn cho việc vận hành linh hoạt, tiết kiệm năng lượng, giảm ô nhiễm môi trường và giảm phát thải KNK.

Dịch từ Electrical India

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai.