超導(dǎo)電力線是否仍然可行？

大約從20年前開始，針對電力傳輸線使用超導(dǎo)體以取代傳統(tǒng)的銅或鋁導(dǎo)體，業(yè)界開始產(chǎn)生濃厚的興趣、興奮、炒作，并承諾這種超導(dǎo)電力線很快地將會出現(xiàn)，從而大幅降低損耗。根據(jù)估計，透過這一類電力線所傳輸?shù)碾娏s有5%-10%會因為歐姆電阻而耗散，雖然這并不是一個很大的數(shù)字進展，但仍然夠高到足以展現(xiàn)明顯的損耗減少——尤其是使用超導(dǎo)體降低到接近于零——將大幅提高根本的效率和其他有益特性。

圖1 ：電力傳輸線及其塔架有多種尺寸，與線路所承載的電壓和電流成比例。（來源：Occupational Safety and Health Administration ）

為什么要關(guān)注被動的電力線？這些電力線與發(fā)電和儲能一樣，是整個電力系統(tǒng)的三大支柱(圖1 )之一。無論電力是來自偏遠(yuǎn)的燃煤、燃油或燃?xì)獍l(fā)電站，還是來自風(fēng)能、波浪能、地?zé)崮芑蛱柲馨l(fā)電場等再生能源，都需要將產(chǎn)生的電力輸送到負(fù)載。(請注意這里的術(shù)語：當(dāng)然，這種”傳輸線”與射頻” RF”傳輸線沒有任何關(guān)系)。

諸如社區(qū)或個人風(fēng)能或太陽能發(fā)電裝置等高度本地化的電源，加上” 專用的”電源管理系統(tǒng)和蓄電池，通常不需要長距離或甚至中程距離的輸電線路，但大多數(shù)電力系統(tǒng)和使用者則有此需求。這些導(dǎo)體是復(fù)雜的系統(tǒng)，具有各種性能和熱監(jiān)測器，提供突波和閃電保護，必須處理潛在的“電暈放電”，還有許多其他考慮因素，這些都掩蓋了其看似簡單的功能。

超導(dǎo)輸電線路帶來更多可能的好處。除了大幅降低損耗，這些電力線的直徑更小；能夠使用更小型、較不具侵?jǐn)_性的塔架；而且可能會是在密集城區(qū)執(zhí)行高功率線路的一種解決方案，因為在這些地區(qū)并沒有足夠的空間來鋪設(shè)實體上更大的傳統(tǒng)電纜。

超導(dǎo)現(xiàn)象不僅受到溫度的限制，還受到電流密度和材料所在磁場的限制。如果這三項參數(shù)中的任何一個超過臨界值，超導(dǎo)現(xiàn)象就會消失，材料就會表現(xiàn)得像普通導(dǎo)體(相對于高溫超導(dǎo)體而言，這是非常糟糕的導(dǎo)體)一樣。不過，在適當(dāng)?shù)臈l件下，超導(dǎo)體所能處理的電流密度比起傳統(tǒng)導(dǎo)體還要更高兩個數(shù)量級以上。

更實際地應(yīng)用這些電力線方面的重大突破是開發(fā)出所謂的“高溫超導(dǎo)體”(HTSes或HTSC)。相較于以往的超導(dǎo)體，由于需要將其冷卻到幾開爾文(Kelvin)而使得成本高且過程復(fù)雜；高溫超導(dǎo)體則只需冷卻到77K，即可帶來兩大優(yōu)勢：它可以用充足的液態(tài)氮來實現(xiàn)，而且，很顯然地，它比氦氣的4K更容易冷卻到77K。相比之下，鈮鈦(NbTi)只有在9.4K以下才具有超導(dǎo)性、需要液態(tài)氦冷卻，而且非常難以制造和制成電纜。

由于這些高溫超導(dǎo)體的可用性，因而在適當(dāng)距離內(nèi)布建了一些展示專案來測試這個概念。案例之一是位于德國埃森市(Essen)中心的AmpaCity專案，該專案自2004年起開始運行。由法國電纜公司耐克森(Nexans)提供的1公里交流(AC)電纜(圖2 )即以高溫陶瓷超導(dǎo)材料為基礎(chǔ)，采用三級設(shè)計，可在導(dǎo)電材料內(nèi)外保持恒定的冷卻劑流動。

圖2 ：AmpaCity專案使用高溫超導(dǎo)體，因而只需液態(tài)氮冷卻；但其電纜結(jié)構(gòu)仍然十分復(fù)雜。（來源：Nexans via Modern Power Systems ）

二硼化鎂(MgB2)是另一種前景看好的超導(dǎo)電力線候選材料，它主要以自然界中豐富的原材料為基礎(chǔ)。根據(jù)一位消息來源表示，“MgB2易于實現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)且成本低廉，因而比現(xiàn)有的超導(dǎo)材料更便宜。”但我想這應(yīng)該都是以“相對”的基礎(chǔ)而言；畢竟，對于任何超導(dǎo)材料或電纜，應(yīng)該都無法聯(lián)想到“容易”和“便宜”這兩個詞。

然而，相較于陶瓷高溫超導(dǎo)體材料，MgB2也存在一個缺點：它需要加以冷卻至25K以下。這就需要更復(fù)雜、更昂貴的冷卻系統(tǒng)，而不僅僅是液態(tài)氮。使用這種材料制造的電纜主要由20K氦氣冷卻的低溫內(nèi)包層以及-276K液態(tài)氮冷卻的外包層組成(圖3 )。

圖3 ：使用二硼化鎂(MgB2)的超導(dǎo)電纜需要液態(tài)氦和液態(tài)氮一起冷卻；這比單獨使用氦氣更容易，但仍會導(dǎo)致電纜的設(shè)計非常復(fù)雜。（來源：Nexans via Modern Power Systems）

還有一些專案展示采用低溫和高溫超導(dǎo)體的超導(dǎo)輸電線路，但相關(guān)報導(dǎo)并不多。制造和安裝電纜的技術(shù)問題以及冷卻要求對于廣泛應(yīng)用來說是否太具有挑戰(zhàn)性？

超導(dǎo)被廣泛應(yīng)用于大型強子對撞機(Large Hadron Collider)和其他粒子物理加速器等獨特的應(yīng)用領(lǐng)域，甚至是醫(yī)療核磁共振成像(MRI)系統(tǒng)等主流應(yīng)用領(lǐng)域，這些系統(tǒng)需要更高幾個特斯拉(Tesla)數(shù)量級的強磁場來提供清晰的影像。但這些都是在可預(yù)測和可控制的環(huán)境中，利用已知和受限的磁源和負(fù)載來進行定義明確的安裝?；蛟S是長距離電力傳輸?shù)钠閸缡澜绮⒉贿m合超導(dǎo)、超冷電纜？抑或是超導(dǎo)電纜在安裝、日常維護、意外停機和維修等方面的成本和困難并不值得？

您認(rèn)為使用需要冷卻的超導(dǎo)體所實現(xiàn)的電力傳輸之前景如何？我們是否需要等待無需任何冷卻的所謂“室溫超導(dǎo)體”——亦即“常溫超導(dǎo)體”(room–temperature superconductors；RTSC)出現(xiàn)？無論如何，有一點是肯定的：高電壓/高功率的電纜在概念上十分簡單，但實際上，無論是傳統(tǒng)的銅/鋁電纜還是超導(dǎo)電纜，都比這個概念更復(fù)雜得多了。

編譯：Susan Hong

(參考原文：Are Superconducting Power Lines Still a Viable Option?，by Bill Schweber)