超導(dǎo)，站在智能電網(wǎng)最前沿

文 Article_王 俊

圖為演示超導(dǎo)體在磁場中的懸浮現(xiàn)象。軌道由鐵環(huán)和吸附其上的永久磁鐵材料構(gòu)成，小車內(nèi)部裝有超導(dǎo)材料，當(dāng)材料進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)時，小車就會懸浮起來，沿著軌道運(yùn)動。

智能電網(wǎng)熱潮未退，與之相關(guān)的“小概念”也漸次興起，其中之一便是超導(dǎo)概念。在智能電網(wǎng)建設(shè)過程中，超導(dǎo)電力技術(shù)將發(fā)揮關(guān)鍵作用，或能在一定程度上決定一個國家智能電網(wǎng)的競爭力。美國甚至宣稱，超導(dǎo)電力技術(shù)將是21世紀(jì)電力工業(yè)唯一的高技術(shù)儲備。因此，其產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景被普遍看好。

百年超導(dǎo)

100年前的一天，荷蘭人卡末林·昂內(nèi)斯意外地發(fā)現(xiàn)，將汞冷卻到-268.98℃時，汞的電阻突然消失。后來，他又發(fā)現(xiàn)許多金屬與合金都具有和汞相似的低溫下失去電阻的特性。這種特殊的導(dǎo)電性能，被卡末林命名為“超導(dǎo)態(tài)”。卡末林的發(fā)現(xiàn)震驚了世界，不久，世人便開始把處于超導(dǎo)狀態(tài)的導(dǎo)體稱為“超導(dǎo)體”。

1933年，荷蘭人邁斯納和奧森菲爾德共同發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)體的另外一個極為重要的性質(zhì)，即當(dāng)某種金屬處于超導(dǎo)狀態(tài)時，金屬體內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，磁力線似乎一下子被排斥到金屬體外去了。這種現(xiàn)象就是著名的“邁斯納效應(yīng)”，可以用來判別物質(zhì)是否具有超導(dǎo)性。此后，世人對超導(dǎo)的研究逐漸深入，取得的成果越來越多，尤其體現(xiàn)在電力工業(yè)方面。

美國是人類第三次科技革命的領(lǐng)跑者，也是全球研究超導(dǎo)電力技術(shù)的“帶頭大哥”。在20世紀(jì)末到21世紀(jì)初這段時間里，美國政府多次投入巨資，大力推動超導(dǎo)電力技術(shù)的革新。近20年的積蓄和沖刺，一舉奠定了美國在超導(dǎo)電力技術(shù)上的壟斷地位。

2001年5月，美國在底特律福瑞斯比變電站的地底成功鋪設(shè)了一條長達(dá)360多米的超導(dǎo)電纜，這是人類歷史上第一條投入實(shí)際應(yīng)用的超導(dǎo)輸電線路。當(dāng)時令世界震撼的是，這條重量為123公斤的超導(dǎo)線路，竟然取代了原有的9條重達(dá)8100公斤的電纜。緊接著，美國能源部在2003年出臺了《美國電網(wǎng)2030》草案，在草案中明確提出采用超導(dǎo)技術(shù)建設(shè)本國骨干電網(wǎng)的建議。

2008年4月，美國紐約長島電力局與美國超導(dǎo)公司聯(lián)合建設(shè)的世界首條高溫超導(dǎo)電纜正式投入商業(yè)運(yùn)行。這對于超導(dǎo)電力技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用來說，具有里程碑意義。有關(guān)資料顯示，長島超導(dǎo)輸電系統(tǒng)在滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時，能夠滿足30萬戶家庭的用電需求。該系統(tǒng)僅由三根超導(dǎo)電纜組成，輸電能力卻為同等粗細(xì)銅導(dǎo)線的150倍，其潛在推廣價值不言而喻。

100年往矣。當(dāng)年實(shí)驗(yàn)室里的意外發(fā)現(xiàn)，在今天已演變成為產(chǎn)值約合75億美元的大蛋糕。國際超導(dǎo)工業(yè)界預(yù)計(jì)，到2020年，全球超導(dǎo)電力技術(shù)產(chǎn)值將達(dá)到750億美元。因此，國內(nèi)有不少分析人士認(rèn)為，超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)或?qū)⒂瓉?0年10倍的井噴式發(fā)展。

超導(dǎo)與智能電網(wǎng)

智能電網(wǎng)建成后，將擁有安全穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)環(huán)保、供電品質(zhì)高、對新能源發(fā)電包容性強(qiáng)等特點(diǎn)。超導(dǎo)技術(shù)的進(jìn)步，為智能電網(wǎng)建設(shè)提供了有利條件。近幾年來，國際超導(dǎo)電力技術(shù)進(jìn)入高速發(fā)展時期，一些超導(dǎo)電力設(shè)備，如超導(dǎo)限流器、超導(dǎo)電纜、超導(dǎo)磁儲能系統(tǒng)、超導(dǎo)變壓器、超導(dǎo)發(fā)電機(jī)等已在電力系統(tǒng)試運(yùn)行，并取得良好效果。

超導(dǎo)限流器具有優(yōu)異的限流特性，可以說是目前高壓電網(wǎng)最為理想的限流裝置。相較于傳統(tǒng)的限流電抗器，超導(dǎo)限流器更能滿足智能電網(wǎng)的要求。它能有效防止短路電流對電力設(shè)備造成損壞，提高電網(wǎng)安全性，減少電能損耗。在設(shè)計(jì)新電網(wǎng)或改造舊電網(wǎng)時，通過使用超導(dǎo)限流器，電網(wǎng)建設(shè)成本還可以大大降低。上海在去年5月份發(fā)布的《推進(jìn)智能電網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動方案》中，就明確提出了超導(dǎo)限流器是上海市智能電網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)。

超導(dǎo)電纜的發(fā)展前景比超導(dǎo)限流器更為廣闊。雖然就目前的技術(shù)水平來說，在長距離的電能輸送中，超導(dǎo)電纜因成本過高不太實(shí)用，但在350千伏以下電壓等級、短距離、大電流場合中，超導(dǎo)電纜的優(yōu)勢非常明顯。這是因?yàn)椋瑢?dǎo)電纜的正常運(yùn)行電阻近乎于零，電流在傳輸中損耗極低；它還可以通過適度降低導(dǎo)體溫度，來調(diào)節(jié)傳輸電能的潮流分布，從而有利于維護(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定。隨著高溫超導(dǎo)電纜技術(shù)的進(jìn)步，未來超導(dǎo)電纜無疑將非常符合智能電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)、高效、安全的要求。

超導(dǎo)磁儲能系統(tǒng)是一種利用超導(dǎo)線圈將電磁能直接儲存起來，需要時再將電磁能返回電網(wǎng)的裝置。它具有反應(yīng)速度快、轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)，不僅可用于降低乃至消除電網(wǎng)的低頻功率振蕩，還可以調(diào)節(jié)無功功率和有功功率。新能源發(fā)電如光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、潮汐發(fā)電等，通常具有間歇性和不穩(wěn)定性，超導(dǎo)磁儲能系統(tǒng)便是解決這方面難題、增強(qiáng)智能電網(wǎng)包容性的不二之選。

超導(dǎo)變壓器、超導(dǎo)發(fā)電機(jī)也各具特色，與超導(dǎo)限流器、超導(dǎo)電纜等，共同代表了當(dāng)今世界電力技術(shù)的最前沿。可以肯定的是，未來大規(guī)模建設(shè)智能電網(wǎng)，離不開超導(dǎo)電力技術(shù)的支撐。

中美需合作共贏

2011年4月19日，由中國自主研發(fā)的世界首座全超導(dǎo)變電站在甘肅白銀正式并網(wǎng)運(yùn)行。白銀超導(dǎo)變電站是目前世界上唯一的一座配電級全超導(dǎo)變電站，刷新了多項(xiàng)世界紀(jì)錄，創(chuàng)造了多項(xiàng)中國第一。它的投運(yùn)，標(biāo)志著中國在超導(dǎo)電力技術(shù)方面取得了重大突破，也標(biāo)志著中國超導(dǎo)電力技術(shù)開始進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化發(fā)展階段。

前者行雖遠(yuǎn)，后者猶可追。與美國相比，中國對超導(dǎo)的研究起步晚、投入少，政府重視的程度亦稍顯不足。但在國內(nèi)科技工作者的不懈努力下，二者之間的差距正快速縮小，甘肅白銀超導(dǎo)變電站便是中國趕上來的明證。

“我國的超導(dǎo)電力技術(shù)水平處于世界前列，比歐洲稍微高一點(diǎn)兒，與日本相近，低于美國。”中科院電工研究所所長、應(yīng)用超導(dǎo)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任肖立業(yè)介紹。

和中國大不相同的是，在建設(shè)智能電網(wǎng)進(jìn)程中，美國計(jì)劃主要采用超導(dǎo)輸電技術(shù)而非特高壓輸電技術(shù)。“通過對比，我們可以看出，我國的智能電網(wǎng)是以特高壓為骨架，以信息化、自動化、數(shù)字化、互動化為特征的‘四化’電網(wǎng)；美國的智能電網(wǎng)是以超導(dǎo)技術(shù)為支撐，以低線損、低電磁污染為顯著特征，代表了世界尖端科技方向的電網(wǎng)。”肖立業(yè)說。

科學(xué)技術(shù)競爭是國家間競爭的主要形式之一，中美兩國在智能電網(wǎng)上的競爭不可避免。美國雖然占了超導(dǎo)技術(shù)的優(yōu)勢，中國卻也不必妄自菲薄，因?yàn)橹袊奶馗邏狠旊娂夹g(shù)已領(lǐng)先于世界。

2009年，時任美國商務(wù)部部長的駱家輝訪問中國時，就曾公開表示：“看到中國國家電網(wǎng)公司在特高壓方面取得了這么大的進(jìn)展，希望能夠分享經(jīng)驗(yàn)。不但我們想分享，我相信世界其他國家也有這種意愿。”

一個很淺顯的道理是，中美兩國如果能就超導(dǎo)電力技術(shù)和特高壓輸電技術(shù)展開合作，那么共贏的局面將唾手可得，智能電網(wǎng)的未來也會因此而更加令人期待。