Криогенная техника в системах энергетики (стр. 2 из 3)
При включении накопителя рассеиваемые мощности велики и необходимы меры, обеспечивающие рассасывание небольших зон нормальной проводимости в сверхпроводящем материале. При токе 105 А на провод отношение сечений стабилизирующего (5н) и сверхпроводящего (5с) материала, т. е. 5н/5с=40, а при токе 2-103 А это отношение снижается до 11. Рекомендованное значение тока 1,4×105 А, и каждый проводник внутри катушки должен разбиваться на 70 нитей с током в каждой примерно 2000 А.
На рис. 1 показана схема индуктивного накопителя энергии со сверхпроводящей катушкой. Сверхпроводящая катушка L заряжается при замкнутом выключателе B1 и разомкнутых выключателях В2 и В3. Последовательное сопротивление R регулирует постоянную времени и соответственно длительность зарядки. Когда в L запасено нужное количество энергии, выключатель В3 в цепи 2 замыкается, а выключатель B1 в цепи 1 размыкается; тем самым накопитель энергии отключается от источника питания.
Сверхпроводящий выключатель В3 обеспечивает циркуляцию тока в цепи 2. Разрядку на нагрузку производят, замыкая В2 в цепи 3 и размыкая В1. Энергия запасается при низком напряжении, высокие напряжения имеют место только при разрядке. Возможен очень быстрый разряд, но для этого необходим подходящий сверхпроводящий выключатель В3, который должен в замкнутом состоянии обеспечить нулевое сопротивление, а при разряде размыкаться за возможно короткое время (в целях снижения потерь в В3 при разряде). Эймин и Видерхольд рассмотрели работу мощных быстродействующих сверхпроводящих выключателей с тепловым и магнитным управлением для получения коротких мощных разрядов энергии, запасенной в сверхпроводящих катушках. Авторы считают, что магнитный 'выключатель в данном случае более удобен для сверхпроводящих систем накопления энергии.Вполне естественно, что создание крупной сверхпроводящей системы накопления энергии требует решения многих сложных задач, но первоочередная состоит в определении рентабельности подобных аккумулирующих устройств.
Подчеркивается, что наличие накопителя позволяет снизить установленную мощность электростанции, предназначенных для покрытия суточных пиков нагрузки, причем экономия капиталовложений в энергосистеме тем больше, чем значительнее флуктуации потребляемой мощности.
Модельные сверхпроводящие накопительные системы с запасенной энергией около 100 кДж созданы и испытываются. Однако пока пет достаточных оснований для оценки перспектив этого направления прикладной сверхпроводимости.
3 Криогенная техника
Термином «криогеника» пользуются последние два-три десятилетия для обозначения области более низких температур (70—0,3 К), широко применяемой в технике. До Второй мировой войны (1941—1945 гг.) редко применялись температуры ниже 70 К (жидкий азот под вакуумом). Более низкие температуры, достигаемые сжижением неона, водорода, гелия, применялись в единичных лабораториях мира для научных исследований, которые оказались исключительно плодотворными.
Развитие ракетной техники, выполнение программы космических исследований способствовали быстрому прогрессу криогенной техники, которая вышла за пределы лабораторий и превратилась в новую область индустрии. В 1959 г. начато строительство крупных установок жидкого водорода и за короткий срок создано много тоннажное производство жидкого водорода (масса 1 м3 жидкого Н2 равна 70 кг).
Функционируют ожижители Н2 производительностью 30—60 т в сутки. За период 1961—1968 гг. производство жидкого Н2 в США возросло с 14 т до 151 т в сутки. Созданы большие хранилища жидкого Н2; так, на полигоне для испытании ракет в штате Невада (США) сооружено хранилище жидкого Н2 емкостью 209 м3 (потери от испарения не превышают 0,2% в сутки). Создано сферическое хранилище жидкого Н2 из алюминия емкостью 378,5 м3.
Применяются транспортные СОСУДЫ жидкого водорода емкостью
5-6 м3 с суточной испаряемостью 1,5%, а в последние годы сооружены транспортные цистерны емкостью 107 м3 жидкого Н2. Емкость самого крупного хранилища шарообразной формы для жидкого Н2 достигает 2850 м3 при диаметре внутренней алюминиевой сферы 17,4 м. Еще совсем недавно получение, хранение, транспортирование и применение таких больших количеств взрывоопасного жидкого водорода, кипящего при —253 °С, казалось немыслимым; ныне жидкий водород применяется в качестве топлива верхних ступеней ракет, в пузырьковых камерах. Изучается проблема применения жидкого водорода в качестве авиационного топлива.
Не менее стремительное развитие получила техника ожижения гелия. До 1946 г. в мире насчитывалось всего 15 лабораторных ожижителей гелия, а ныне в различных странах функционирует свыше тысячи более крупных гелиевых ожижителей.
Фирмой Артур Д. Литл (США) за последние десять лет изготовлено свыше 300 ожижителей гелия различной производительности, включая ожижители на 500 л/ч жидкого гелия. Фирма Линде (США) выпускает ожижители гелия производительностью 650 и 720 л/ч. Фирма Гарднер Крайодженикс (США) изготовила ожижители гелия на 850 л/ч. Ведется разработка ожижителя гелия на 1000 л/ч. Различные фирмы Европы, Японии выпускают разные модели ожижителей гелия и рефрижераторов на уровне температур 2—15 К. В России производятся и разрабатываются ожижители гелия и рефрижераторные установки различной холодопроизводительности. Общее количество жидкого гелия, получаемое в США, оценивается в 12000 м3 в год. В ряде случаев признано целесообразным сжижать гелий в целях уменьшения затрат на его дальнее транспортирование к потребителям (по аналогии с транспортом жидкого кислорода). Жидкий гелий транспортируется в автоцистернах, вмещающих до 20000—40000 л жидкого гелия В США практикуется также перевозка жидкого гелия воздушным путем в специальных подвесных сосудах емкостью 500, 1000 и 8800 л. Заправка автоцистерн производится из стационарных хранилищ жидкого гелия; так, для хранения жидкого гелия, вырабатываемого ожижителем производительностью 850 л/ч, изготовлена стационарная емкость на 121 000 л, снабженная высоковакуумной изоляцией и экранированная жидким азотом. Транспортные цистерны различной емкости рассчитаны на рабочее давление до 0,8 МПа, что позволяет перевозить жидкий гелий без потерь в течение 8 суток; на месте потребления испарившийся гелий закачивается в баллоны под давлением до 20 МПа. Сжижение больших количеств гелия, его хранение и перевозка в сосудах различной емкости с испаряемостью 0,5—1% в сутки подтверждает большой прогресс, достигнутый за последние два-три десятилетия криогенной техникой, ведь речь идет о жидкости с нормальной температурой кипения —269 °С и обладающей крайне низкой скрытой теплотой испарения — всего 2,5 кДж/л (0,6 ккал/л) жидкого гелия.
В 1950 г. продукция криогенной техники США оценивалась в 400 млн. долл., а к концу 1970 г. она превысила 1 млрд. долл. Основные научные и инженерные проблемы современности: управляемый термоядерный синтез, физика высоких энергий, магнитогидродинамический способ преобразования энергии. космонавтика, электроника, электротехника требуют применения холода на уровне 4—70 К.
4 Оценка целесообразности
При технико-экономической оценке целесообразности применения холода в электротехнических устройствах, использующих очень чистые металлы, следует сопоставить выгоду, обусловленную снижением активного сопротивления р. с энергетическими затратами на получение холода при соответствующей температуре.
С понижением температуры затраты на единицу произведенного холода быстро возрастают, а поэтому оптимальная температура охлаждения проводников отнюдь не равна температуре, при которой сопротивление r проводника минимально. В упрощенном виде задача сводится к определению температуры, соответствующей минимальному коэффициенту
где Т—оптимальная температура .хладагента (в идеальном случае—проводника); рт и рзоок — электрическое сопротивление металла при температуре 300 К; h— КПД холодильного цикла (по отношению к циклу Карно).
При охлаждении жидким азотом уменьшение омических потерь примерно компенсируется энергозатратами на охлаждение, и в энергетическом отношении азотное охлаждение проводников (Си, А1) лишено смысла. Охлаждение жидким водородом представляется более перспективным — выгода от уменьшения омических потерь для чистого алюминия примерно в 8—10 раз превышает затраты на охлаждение. Французские исследователи показали, что в современных условиях применение проводников из чистого алюминия (99,999%), охлаждаемых жидким водородом или газообразным гелием (13—15 К), более перспективно, чем применение дорогих сверхпроводников, требующих охлаждения жидким гелием (4,2 К). Во Франции работы в этом направлении проводились объединенными усилиями фирм («Лэр Ликид», «Пешине», «Альстом»), специализирующихся по трем основным направлениям: криогенная техника, материаловедение, электротехника [Л. 4-3 и 4-4]. Достигнуты большие успехи в получении очень чистого алюминия в виде тонких листов, ленты толщиной 20—50 мкм, проволоки диаметром менее 0.1 мм. Стоимость чистого алюминия примерно вдвое выше стоимости обычно применяемых алюминиевых проводников, а плотность тока при охлаждении до 15—20 К может быть повышена в 10—20 раз.