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住友电工高温超导电缆成功接网，向实用迈进一大步 |
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| http://cn.newmaker.com
6/12/2012 11:49:00 AM
日经商务在线
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在几乎没有电阻的“超导”现象被发现恰好100周年的2011年秋季，住友电气工业公司开发的高温超导电缆实现与电网相连，这在日本尚属首次。这是日本新能源产业技术综合开发机构（NEDO）从2007年度开始实施的“高温超导电缆实证项目”的一环。高温超导电缆与现有的铜线电缆相比，可大幅削减输电产生的电力损耗，因此已被定位为可实现低碳社会的重要技术之一。该项目力争在2016年正式采用。
“终于开发出了可在负196度条件下使用的材料。在以往，对于超导研究者来说，这是想象不到的高温度。‘高温超导电缆’终于将成为现实。”
住友电工材料技术研究开发本部超导技术负责人佐藤谦一这样说道。
佐藤等人20多年来一直潜心研究的高温超导电缆，终于在2011年秋季，作为供电网的一部分，连接到神奈川县横滨市的电力网上，这在日本尚属首例。
这是NEDO在2007年度到2011年度的5年时间内实施的“高温超导电缆实证项目”的一环。该项目力争在2016年正式采用。
超导最初是在1911年由荷兰物理学家通过水银发现的现象。如果将某种特定金属冷却到接近绝对零度（约负273度）的极低温度，该金属的电阻会变为零，即使不持续施加电压，电流也会持续流动。
通电时，如果有电阻，电力会转化为热量，造成能源损失。而且，输电距离越长，损失的电量也越多。不过，如果是超导，电阻几乎等于零，因此输电几乎不会产生电力损耗。最合适作为电缆使用。
“极低温度”的障碍
不过，多年来超导电缆未实现实用化也有其原因。“极低温度”就是其障碍。
制造接近绝对零度的极低温度环境，必须利用沸点为负269度的液体氦持续冷却电缆。不过液体氦价格非常高，每升约1500日元，特别是日本，不得不全部依赖从美国进口。利用金属超导现象制造电缆并不是很现实。
然而……
1986年，发生了一件让人觉得“超导电缆也不是梦想”的事。这就是发现了比金属温度高，在负196度会发生超导现象的新物质。新物质与所谓的陶瓷器相同，是陶瓷的一种，在常温下是不通电的绝缘体。现在被称为“高温超导材料”。
在超导的世界中，负269度与负196度之间存在天壤之别。这是因为，负196度是液体氮的沸点。
氮是约占空气体积8成左右的一种元素。即使在资源匮乏的日本，也无需担心出现资源枯竭。而且每升仅为50日元左右，价格低廉。
因此，高温超导材料的发现，使得超导电缆的产品化开始具有现实性。
实际上，1986年以后，为了开发以电缆为首的使用高温超导材料的产品，全球企业及研究机构都开始涉足超导领域。住友电工也是其中一家。
像扁面条一样扁平
佐藤这样说道：“高温超导电缆产品化的难度超出想象，因此无论国内外，涉足该领域的企业几乎都撤退了。虽然花费了20多年时间，但我们最终实现了实用化，主要原因应该是几分偶然以及我们坚持不懈的努力。”
住友电工开发、目前正用于高温超导电缆实证项目的高温超导电缆结构如该照片所示。3条高温超导电缆收纳于金属制造的管状容器中，并用液化氮充满其中进行冷却。
在1条高温超导电缆正中间，配置有铜线束，但这只在紧急情况下使用，通常这部分不会通电。通电的是包覆铜线的薄金属板部分。金属板中，收纳有陶瓷制造的高温超导线。
收纳高温超导线的金属板宽4毫米、高0.23毫米，呈薄长条状，其中放入了100多根扁平的高温超导线。
制造方法如下，首先，制造作为高温超导线材料的陶瓷并将之加工成细粉，填充到细长金属管中。将约100根该管放入更大的金属管中之后，以制作小人糖的要领，使其变得又细又长。
最后，从上方和下方施压，使之变得像扁面条一样，呈扁平状。然后再次高温加热，陶瓷粉会粘着到一起，形成一根线。制成扁平状，是为了使陶瓷结晶方向一致。这样才会发生超导现象。
想一下陶瓷碗就能明白，陶瓷是既硬又脆的物质。将其作为电缆实现产品化，首先需要使其能够随意弯曲。
为此，佐藤等绞尽脑汁，却依然没找到好办法。不过，却在意想不到的情况下发现了突破口。
1988年的时候，人们普遍认为，与制成1根粗线相比，将高温超导线分成几根细线会提高超导性。佐藤为了弄清这一定论的正确性，采取了尽可能使陶瓷线变细并放入多根的结构。
实际上，虽然没能确认上述说法，但却发现这样做会使陶瓷线变得易于弯曲。并发现，无论弯曲还是拉伸，都不会影响电流的传输。
就这样，佐藤等首先掌握了制造细长且柔软可弯曲的线材的条件。
但作为超导来说，电流还太小。
需要达到200安培以上
理论上，与体积相同的铜线相比，超导线应该能够流通约200倍的电，达到200安培以上。但最初只能流通10安培左右。之后虽然反复进行尝试，但也仅停留在40安培。
实现实用化需要达到200安培以上，要克服的障碍非常大。
关于原因，佐藤针这样解释道：“一般在烧制陶瓷的时候，会形成15％左右的孔洞。这就是无法实现超导的原因所在。因此需要设法使密度达到100％。”
佐藤等毫不气馁地继续进行摸索，但使密度达到100％是一件非常困难的事。实际上，在从1995年到1998年的4年时间内，几乎毫无进展，研发陷入很长的停滞期。
但就在他们要放弃之时，事情突然出现了转机。在300个大气压下烧结之后，密度达到了100％。电流迅速提高到了200安培。
佐藤确信，“这样便可实现产品化”。至此，从最初着手研发超导电缆起，已经过去了10多年的时间。
之后，为了进一步提高性能，佐藤等继续进行研究开发。在2011年，也就是超导现象恰好发现100周年之际，佐藤等人20多年来一直进行研发的高温超导电缆终于将朝着实用化迈出第一歩。
佐藤充满自信地说：“如果高温超导电缆实现实用化，可大幅削减输电的电力损耗。此外，电力容量也为原来铜线电缆的5～10倍，因此可实现省资源化及小型轻量化。实际上，据我们估算与原来的电缆相比，可节能50％以上。”
尤其适于可再生能源输电
据称，目前在日本，实际上约有5％的电力在输电过程中损失掉。电力总需求每年为1万亿千瓦时左右，其5％也就是约500亿千瓦时。如果1千瓦时的电费为20日元，那么总损失就是1万亿日元。也就是说，毎年会有这么多的电力在输电途中转变为热量而不能得到利用。如果使用高温超导电缆，可大幅削减输电过程中的电力损耗。
日本经济产业省也在2008年3月公布的“Cool Earth—能源革新技术计划”以及2010年3月发布的“旨在实现绿色创新的尖端技术革新潮流”中，将高温超导电缆定位为重要技术之一。并有预测称，到2020年，全球市场规模将达到2.8万亿日元。
佐藤说：“现在，包括架空及地下电缆在内，输电线已经铺设了约16.7万公里，配电线大约为401.6万公里，我们首先希望将铺设于地下的约2.1万公里输电线更换为高温超导电缆。仅此一举，每年便可削减400万吨二氧化碳。”
另一方面，佐藤认为，计划今后大范围采用的可再生能源，最适合采用高温超导电缆进行输电。
实际上，预计在日本，光伏发电将有7成左右利用普通家用太阳能电池板，剩余约3成为大规模百万瓦级太阳能设施。不过，今后在商业街及住宅区等有用电需求的地区附近设置大规模百万瓦级太阳能设施设置是非常困难的。风力发电也是同样。因此，远距离输电的情况将增多。电力损耗与输电距离是成比例的。因此高温超导电缆便能在此处发挥作用。
佐藤神采奕奕地说：“2011年在位于横滨的东京电力公司旭变电站内使用200～300米的高温超导电缆与电网连接，虽输电距离较短，我们期待着今后逐渐延长这一距离。”（《日经商务在线》特约撰稿人：山田久美）
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