不尽“电力”滚滚来

不尽“电力”滚滚来
超导革命已经启动，且势不可挡

【英国《新科学家》周刊10月13日一期文章】题：深寒（作者　保罗·格兰特）
一群兴奋的科学家和工程师聚集在底特律附近的低收入住宅区，这并不常见。但是我们相信，在弗里斯比我们将见证革命性的一幕。从下个月起，底特律有3万户家庭的供电将通过连接在弗里斯比变电站的3条120米长的超导电缆来完成。听起来好像没什么大不了，但是我们的后代可能会把2001年称为电力革命的开端。
超导性意味着零电阻，也就意味着没有能量的浪费。直到今天，一直是铝线和铜线把电流从变电站输送到工厂、办公室和各家各户。但是在发电厂产生的电流通过电力网输送到你家之前，由于电缆有电阻，已经有超过10%电能转化为热能损失掉了。
超导革命已经进行了很长时间。超导性在托马斯·爱迪生的时代已经为人所知，所以就其本身而言并不是什么新发现。最早发现的几种超导体是纯金属。它们只有在冷却到极低的温度———低于10K（开氏温标）或零下263摄氏度———才能完全失去电阻，而且为了使它们保持这个温度还需要一排笨重的制冷机。达到了所需温度还不算大功告成，这些超导金属在传导了很少的电流之后就会失去超导性。更糟的是，即使遇到并不很强的磁场，它们也会失去超导特性。因为强大电流产生强大磁场不可避免，制造超导电缆的希望似乎完全破灭了。
人们梦想着发现甚至在室温下也能够实现超导的金属。最初我们取得了一些进展，但是在随后的许多年里一直在略高于130K的温度上停滞不前。有一阵子这似乎成为超导推广过程中一个无法逾越的障碍，因为超导金属无论作何种用途都需要复杂的降温过程。但是事实上我们已经克服了这个现实的障碍，而且已经达到了更低温度。液氮是一种便宜而易得的商品，沸点是77K,我们利用它可以在实际应用中比较容易地冷却超导体。很多公司现在把高温超导体制成几毫米厚的带子，它们可以绕在装有流动液氮的管子上。再加上几层绝热和绝缘体，一根结实的电缆就完成了。
大步向前
现在有几家公司可以提供这种电缆，长度以千米计。它通过液氮循环制冷降温，可以传输100安培以上的电流而没有任何电阻。事实上，超导电缆的输电能力提升得非常快，现在已经远远超过了我们开始绘制弗里斯比变电站蓝图时的预想。现在我们能够测试电缆最大输电能力的唯一办法是让当地所有居民打开他们的洗衣机、烘干机、灯、电视机、热水器———所有和电力网相连的电器。
我们的超导电缆的输电能力是同等尺寸的铜质电缆的三倍。尽管现在好像还用不上，但是总有一天底特律会需要这样的输电能力的。有人预测说，到2010年，这座城市对电量的需求将增加60%之多。如果弗里斯比工程能够使底特律摆脱输电危机，那么它也可能彻底改变整个美国的电力输送方式。美国的电力基础设施大部分是半个世纪以前建造的，正在开始崩溃。加利福尼亚最近发生的停电更多暴露的不是发电能力不足，而是输电网络存在瓶颈和弱点。
所以选择何种技术进行建设至关重要。即使使用最先进技术比传统技术的花费要高，从长远考虑这是值得的。
降低成本
我认为目前电力网建设的最佳选择是超导电缆，政府官员也开始意识到了这一点。今年早些时候，美国国家能源政策制定工作组在报告中建议“总统命令能源部长加强对超导性的研究和开发”。
但是反对超导革命的主要理由仍然十分有力：超导电缆的价格比铜电缆高得多，因为超导带中70%的成分是银，它是用来把超导物质粘合在一起的。然而超导带的性能尚在改进中，批量生产将会降低成本。我们预测，如果用现有的超导带生产电缆，把使用冷却系统的费用也计算在内，其成本最低可以降到同等输电能力的铜电缆的2到3倍。
由于今年早些时候的一项惊人发现，超导电缆的成本可能很快还会大幅下降。人们发现，二硼化镁这种简单的化合物在接近40K的温度下具备超导性，真不明白以前的人怎么会没有发现。它很便宜，几乎是现成的，而且还很容易被加工成导线。尽管其超导性仅仅在9个月之前才被发现，世界各地的实验室已经制造了数十米这种导线。强大电流或磁场对它的超导性没有影响。这种超导电缆必须用液氢或液氦来冷却（这可能会使冷却步骤的费用增加7倍），尽管如此，它似乎仍然能够大幅降低未来超导电缆的成本。
在美国，几乎80%的地下高压电缆———也就是说，除了从当地变电站通到用户家里的线路之外的几乎所有电缆———是包在管道里的，因此可以用同样的办法升级。从理论上说，超导电缆的输电网络可以从发电厂一路通到市郊。
尽管超导电缆的前景光明，却并非尽善尽美。其中一个问题就是它们并不能完全避免能量损失。虽然超导电缆能够在传导强大电流并经受强烈磁场的同时保持其零电阻，但是这仅限于直流电。对于输电系统输送的交流电，超导电缆在传导时确实会损失一些能量。这是因为由电流感生的磁场会在特定区域穿透超导体，产生一般导电性的岛或“旋涡”。当交流电的电流发生周期性变化时，随之改变的磁场会使超导体内部的旋涡产生震荡，在此过程中部分能量会以热能的形式散失。电压越高的电缆输送的电流强度就越小，损失的能量也就越少，但一般而言能量损失在1%左右。即使这样，超导电缆的能量损失也仅及相应铜电缆的1/200。
另一个尚未解决的问题是：通过液氮保持电缆超导性的冷却技术还不适用于商业用途。弗里斯比的低温棚性能非常可靠，但它是为这个实验项目特别建造的。为了确保项目不会仅仅因为缺少冷却剂而失败，人们给它配备了大量固定的后备系统。如果是广泛应用，这在经济上是不合算的。
但是从空气中分离氮并且用经济有效的方法使它液化应该不成问题。人们几十年前就开始这样做了，而且我听说一家公司正在开发一套向变电站供应液氮的系统。每隔500米建立一座电缆冷却站基本上是可行的。就像我们在超导体其他用途上看到的那样，如果最终结果令人满意，人们将会开发经济高效的超导体冷却法。
现在，采用超导电缆利大于弊。时至今日，安装超导电缆是值得的，人们也开始认识到这一点。5月，丹麦开始通过超导电缆向哥本哈根的15万户家庭输送电力。东京也正在进行实验，但尚未正式向用户输送。我们预计美国能源部很快将宣布3项新的超导电缆建设计划以及一个全超导变电站的改造计划。寓意十分明显：超导革命已经启动，而且势不可挡。（注：本文作者保罗·格兰特在加利福尼亚州帕洛阿尔托的电力研究所从事超导性课题研究）