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图8日本住友电气关于未来全球超导直流输电网络的设想
图9安装在厂区的360m/10kA高温直流超导电缆
4.超导输电技术未来发展趋势
随着可再生能源比重的不断增加,现有输电网交流运行模式将面临日益严峻的挑战。因此,国际上似乎已经有了以下共识:即采用直流输电网的模式对于建设未来大规模的可再生能源电网可能是较好的选择。
目前,无论是欧洲的Super Smart Grid构想(2050)还是美国Grid 2030构想,均提出了以直流输电网为骨干的网络结构和输电模式;美国电力科学院(EPRI)提出了Macro-Grid的概念,其基本设想也是利用直流环形电网来解决资源的综合利用问题和提高供电的安全可靠性;欧洲已经计划到2020年左右将北海地区的海上风电场通过直流电网相连并网,美国规划2020年左右将大西洋沿岸建设的海上风电场通过直流网络向用户提供清洁的能源供应;欧美日等发达国家和地区已经就直流配电网的建设着手制定标准和建立示范工程。
正因为如此,未来超导输电技术的一个极为重要的发展趋势就是重点发展高温超导直流输电电缆,这一点已经从近年来国际上的研究开发任务中可以看出。由于超导直流输电电缆没有焦耳热损耗和交流损耗,从而可以最大程度地提高输电效率。
同时,超导输直流电电缆需要的冷却系统,如果采用液化天然气(液化温度为110K)或液氢(液化温度为27K)作为冷却介质,就可以实现输电和输气的一体化。这是因为,一方面,目前已有的高温超导材料如TlBaCuO(Tc~125K)和HgBaCuO(Tc~150K)的临界温度已经超过了液化天然气温度,仅从临界温度的角度看,已经具备研制输电输气一体化“超导能源管道”的可能性;另一方面,由于可再生能源具有波动性的特点,利用可再生能源制备天然气或氢气,不仅可以将不可调度的波动能源转变成可调度的能源,而且可以用于超导输电电缆的冷却。因此,发展“超导能源管道”也将是超导输电技术的另一重要方向。
此外,直流输电网中的短路故障开断也是一个极其重要的问题。由于超导体存在超导态-正常态转变特性,即超导体在过流时迅速转变为正常态,因而利用超导体研制的短路故障限流器对于超导直流输电系统来说也是很有意义的,它可以迅速将短路电流限制在预定的水平,使得直流短路故障的开断变得更加简易。
总之,随着直流输电乃至直流输电网的发展,研究开发超导直流输电系统、超导直流输电-输气一体化的“超导能源管道”和直流超导限流器,是未来超导输电技术的重要发展趋势,值得高度关注。
5.对策与建议
超导输电技术属于前沿战略性高技术,一旦取得重大突破,将同时对电力、能源、交通、通讯、医疗、科学研究等带来重大的影响。因此建议国家科技部门在国家重点研究计划中设立“超导输电技术研究计划”,予以长期稳定支持,通过制订近、中、远期发展战略路线图,突出目标驱动导向。
作为重要切入点,建议启动液化天然气温度的长距离“超导能源管道”示范工程项目,通过在超导物理、超导材料、超导输电关键技术及其在电网中应用的关键科学问题的系统性突破,全面推动超导输电技术的发展,并通过15-20年的努力,建成数百公里级的高温超导输电示范系统,为我国未来能源输送奠定坚实的技术基础。
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