СВЕРХПРОВОДЯЩАЯ КАБЕЛЬНАЯ ЛИНИЯ
SUPERCONDUCTING CABLE LINE

Область техники
Настоящее изобретение относится к линии энергоснабжения, включающей в себя сверхпроводящий кабель. Конкретнее, настоящее изобретение относится к сверхпроводящей кабельной линии, которая снижает проникновение тепла в сверхпроводящий кабель, для уменьшения энергозатрат на охлаждение хладагента, используемого в этом кабеле, и позволяет увеличить коэффициент полезного действия (КПД) всей линии.
Уровень техники
Традиционно был известен сверхпроводящий кабель, включающий в себя теплоизоляционную трубку, внутри которой помещается кабельная жила, имеющая сверхпроводниковый токопроводящий слой. Такой сверхпроводящий кабель может представлять собой, например, одножильный кабель, имеющий теплоизоляционную трубку, в которой помещается одна кабельная жила, или трехжильный кабель, в котором помещается три кабельных жилы в жгуте. Фиг.7 представляет собой вид в поперечном сечении трехжильного сверхпроводящего кабеля для передачи трехфазного переменного тока. Фиг.8 представляет собой вид в поперечном сечении каждой из кабельных жил 102. Этот сверхпроводящий кабель 100 имеет конструкцию, в которой три скрученные кабельные жилы 102 заключены в теплоизоляционную трубку 101. Теплоизоляционная трубка 101 имеет конструкцию, в которой теплоизоляционный материал (не показан) расположен между стенками двойной трубки, образованной внешней трубкой 101a и внутренней трубкой 101b, а воздух между трубками 101a и 101b откачан. Каждая кабельная жила 102 включает в себя, считая от его центральной части, основание 200, сверхпроводниковый токопроводящий слой 201, электроизоляционный слой 202, сверхпроводниковый экранирующий слой 203 и защитный слой 204. Пространство 103, ограниченное внутренней трубкой 101b и каждой кабельной жилой 102, становится каналом для хладагента, такого как жидкий азот. Сверхпроводящее состояние сверхпроводникового токопроводящего слоя 201 и сверхпроводникового экранирующего слоя 203 кабельной жилы 102 поддерживается с помощью охлаждения хладагентом. На внешней периферии теплоизоляционной трубки 101 выполнен противокоррозийный слой 104.
Сверхпроводящий кабель должен постоянно охлаждаться хладагентом, таким как жидкий азот, для поддержания сверхпроводящего состояния сверхпроводникового токопроводящего слоя и сверхпроводникового экранирующего слоя. Поэтому линия, в которой используется такой сверхпроводящий кабель, обычно включает в себя систему охлаждения для хладагента. В этой системе осуществляется циркуляционное охлаждение, при котором выпускаемый из кабеля хладагент охлаждается, и охлажденный хладагент снова поступает в кабель.
При охлаждении хладагента до подходящей температуры системой охлаждения сверхпроводящий кабель может сохранять сверхпроводящее состояние сверхпроводникового токопроводящего слоя и сверхпроводникового экранирующего слоя за счет снижения в достаточной мере увеличения температуры хладагента из-за тепла, образующегося при протекании тока, или проникновения тепла в кабель снаружи, например, из атмосферы. Однако, когда хладагентом является жидкий азот, энергия, требуемая для охлаждения хладагента с тем, чтобы компенсировать такое образующееся тепло или проникающее теплом, становится по меньшей мере в 10 раз большей, чем энергия, отобранная хладагентом при охлаждении кабеля. Поэтому, когда сверхпроводящая кабельная линия, включающая в себя систему охлаждения хладагента, рассматривается в целом, коэффициент полезного действия (КПД) становится равным примерно 0,1 или ниже. Столь низкий КПД - это одна из причин явления пониженной применяемости сверхпроводниковых устройств, таких как сверхпроводящий кабель. Соответственно, в каждом из выложенного патента Японии № 2002-130851 (патентный документ 1) и выложенного патента Японии № 10-092627 (патентный документ 2) предлагается охлаждать хладагент сверхпроводящей обмотки с использованием охлаждающего теплового эффекта от сжиженного природного газа (СПГ).
С другой стороны, в связи с продолжающимися разработками транспортных средств на топливных элементах имеются планы постройки во многих местах Японии водородных станций для хранения сжатого водорода или жидкого водорода, которым будут заправляться транспортные средства на топливных элементах. Водородные станции включают в себя, например, резервуар для хранения произведенного на заводе и транспортированного жидкого водорода или жидкого водорода, произведенного на этой станции, и систему охлаждения для сжижения испаренного водорода для поддержания его жидкого состояния. Хотя водород может поддерживаться в жидком состоянии с помощью охлаждения до подходящей температуры этой системой охлаждения, проникновение тепла в кабель снаружи становится большим, поскольку жидкий водород имеет криогенную температуру кипения в примерно 20 K, которая существенно отличается от обычной температуры атмосферы. Поэтому требуется огромное количество энергии для охлаждения жидкого водорода с целью снижения увеличения температуры из-за проникновения тепла.
Патентный документ 1: выложенный патент Японии №2002-130851
Патентный документ 2: выложенный патент Японии №10-092627
Раскрытие изобретения
Проблемы, решаемые изобретением
Каждый из описанных выше патентных документов 1 и 2 раскрывает только использование охлаждающего теплового эффекта от СПГ для охлаждения хладагента сверхпроводящей обмотки и не рассматривает способов снижения проникновения тепла снаружи. С другой стороны, также желательно снизить энергозатраты на охлаждение водорода на жидководородных станциях, как описано выше.
Поэтому основная задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить сверхпроводящую кабельную линию, которая способна снизить проникновение тепла в сверхпроводящий кабель и способна радикально сократить затраты энергии на охлаждение сверхпроводящего кабеля и затраты энергии на охлаждение жидкого водорода.
Средства для решения этих проблем
В настоящем изобретении вышеописанная задача решается с помощью расположения сверхпроводящего кабеля в теплоизоляционной трубке, транспортирующей жидкий водород, и обеспечения теплообмена между жидким водородом и хладагентом кабеля. То есть сверхпроводящая кабельная линия по настоящему изобретению включает в себя теплоизоляционную трубку для текучей среды для транспортировки жидкого водорода и сверхпроводящий кабель, заключенный внутри этой теплоизоляционной трубки для текучей среды, для охлаждения сверхпроводящей части хладагентом, имеющим более высокую температуру, чем температура жидкого водорода. В ее состав дополнительно входит теплообменное средство для охлаждения жидкого водорода и подъёма температуры хладагента сверхпроводящего кабеля, охлаждаемого жидким водородом. Настоящее изобретение будет описано более подробно ниже.
Сверхпроводящий кабель, использованный в настоящем изобретении, имеет конструкцию, включающую в себя сверхпроводящую часть, образованную сверхпроводниковым материалом, и теплоизоляционную трубку (далее называемую теплоизоляционной трубкой для кабеля), заключающую внутри себя сверхпроводящую часть и заполненную хладагентом для охлаждения этой сверхпроводящей части. Сверхпроводящая часть может включать в себя сверхпроводниковый токопроводящий слой для прохождения тока энергоснабжения и внешний сверхпроводниковый слой для прохождения тока, имеющего по существу такую же величину, как и у сверхпроводникового токопроводящего слоя, в противоположном направлении. Сверхпроводящая часть, как правило, формируется в кабельной жиле. Поэтому сверхпроводящий кабель может быть образован путем помещения кабельной жилы, включающей в себя сверхпроводниковый слой, в теплоизоляционную трубку для кабеля. Более конкретная конструкция кабельной жилы может включать в себя, считая от ее центральной части, основание, сверхпроводниковый токопроводящий слой, электроизоляционный слой, внешний сверхпроводниковый слой и защитный слой. Теплоизоляционная трубка для кабеля может заключать внутри себя одну кабельную жилу (одножильный кабель) или множество кабельных жил (многожильный кабель). Конкретнее, когда линия по настоящему изобретению применяется для передачи трехфазного переменного тока, может быть использован, например, трехжильный кабель, имеющий теплоизоляционную трубку для кабеля, внутри которой помещаются три скрученные жилы, а когда линия по настоящему изобретению применяется для передачи однофазного переменного тока, может быть использован одножильный кабель, имеющий теплоизоляционную трубку для кабеля, внутри которой помещается одна жила. Когда линия по настоящему изобретению применяется для передачи постоянного тока (монополярная передача), может быть использован, например, одножильный кабель, имеющий теплоизоляционную трубку для кабеля, внутри которой помещается одна жила, а когда линия по настоящему изобретению применяется для передачи однофазного постоянного тока (биполярная передача), может быть использован двухжильный кабель или трехжильный кабель, имеющий теплоизоляционную трубку для кабеля, внутри которой помещаются две или три скрученные жилы. Как описывается выше, сверхпроводящая кабельная линия по настоящему изобретению может применяться как для передачи постоянного тока, так и для передачи переменного тока.
Сверхпроводниковый токопроводящий слой может быть образован путем, например, спиральной намотки лентообразного провода, включающего в себя множество нитей, выполненных из оксидного сверхпроводникового материала на основе Bi, конкретнее - сверхпроводникового материала на основе Bi2223, которые размещены в матрице, такой как, например, серебряная оболочка. Сверхпроводниковый токопроводящий слой может иметь однослойную или многослойную структуру. Когда сверхпроводниковый токопроводящий слой имеет многослойную структуру, в нем может быть предусмотрен междуслоевой изоляционный слой. Этот междуслоевой изоляционный слой может быть создан намоткой изоляционной бумаги, такой как крафт-бумага или полусинтетическая изоляционная бумага, например, PPLP (товарный знак Sumitomo Electric Industries, Ltd.). Сверхпроводниковый токопроводящий слой формируют намоткой провода, выполненного из сверхпроводникового материала, вокруг основания. Основание может быть сплошным или пустотелым, выполненным из металлического материала, такого как медь или алюминий, и может иметь конструкцию, например, из множества скрученных медных проволок. Может использоваться медная проволока, имеющая изолирующее покрытие. Основание служит в качестве поддерживающего форму элемента сверхпроводникового токопроводящего слоя. Между основанием и сверхпроводниковым токопроводящим слоем может быть помещен амортизирующий слой. Такой амортизирующий слой предотвращает прямой контакт металлов между основанием и сверхпроводящим проводом для предотвращения повреждения сверхпроводящего провода. В частности, когда основание имеет скрученную структуру, этот амортизирующий слой также выполняет функцию сглаживания поверхности основания. В качестве специального материала амортизирующего слоя может подходящим образом использоваться изоляционная бумага или угольная (копировальная) бумага.
Электроизоляционный слой может быть образован намоткой полусинтетической изоляционной бумаги, такой как PPLP (товарный знак), или изоляционной бумаги, такой как крафт-бумага, на сверхпроводниковый токопроводящий слой. Полупроводниковый слой может быть образован угольной бумагой или чем-либо подобным на по меньшей мере одной из внутренней и внешней периферии электроизоляционного слоя, то есть между сверхпроводниковым токопроводящим слоем и электроизоляционным слоем и между электроизоляционным слоем и внешним сверхпроводниковым слоем (описан ниже). При формировании внутреннего полупроводникового слоя, самого первого, или внешнего полупроводникового слоя, последнего, сцепление между сверхпроводниковым токопроводящим слоем и электроизоляционным слоем или между электроизоляционным слоем и внешним сверхпроводниковым слоем увеличивается для подавления повреждений из-за возникновения частичного разряда или т.п.
Когда линия по настоящему изобретению применяется для передачи постоянного тока, электроизоляционный слой может быть подвергнут градации по ρ для достижения низкого удельного сопротивления на внутренней периферийной стороне электроизоляционного слоя и высокого удельного сопротивления на наружной периферийной стороне с целью сглаживания распределения электрического поля постоянного тока в направлении его диаметра (в направлении толщины). Как описано выше, «градация по ρ» означает ступенчатое изменение удельного сопротивления в направлении толщины электроизоляционного слоя, что может сгладить распределение электрического поля постоянного тока по всему направлению толщины электроизоляционного слоя и может позволить снизить толщину электроизоляционного слоя. Хотя число слоев, имеющих меняющиеся удельные сопротивления, никак специально не ограничивается, практически удобно наличие двух или трех слоев. В частности, сглаживание распределения электрического поля постоянного тока может быть осуществлено более эффективно, когда толщины каждого из слоев сделаны равными.
Градация по ρ может быть выполнена с использованием изоляционных материалов, имеющих отличающиеся друг от друга удельные сопротивления (ρ). Когда используется изоляционная бумага, такая как крафт-бумага, удельное сопротивление может изменяться, например, с помощью варьирования плотности крафт-бумаги или добавления в крафт-бумагу дициандиамида. Когда используется композитная бумага, состоящая из изоляционной бумаги и пластмассовой пленки, такая как PPLP (товарный знак), удельное сопротивление может изменяться варьированием отношения k=(tp/T)×100, т.е. отношения толщины tp пластмассовой пленки к толщине T всей композитной бумаги, или варьированием плотности, материала, присадки и т.д. изоляционной бумаги. Предпочтительно, чтобы значение отношения k находилось в интервале, например, примерно 40-90%. Обычно удельное сопротивление ρ становится выше с увеличением отношения k.
Кроме того, когда электроизоляционный слой имеет слой с высоким ε, расположенный рядом со сверхпроводниковым токопроводящим слоем и имеющий более высокую диэлектрическую проницаемость, чем у другой части, свойство выдерживать импульсное напряжение может быть улучшено вдобавок к улучшению свойства выдерживать постоянное напряжение. У обычной крафт-бумаги диэлектрическая проницаемость ε (20°C) составляет примерно 3,2-4,5, у композитной бумаги с отношением k 40% - примерно 2,8, у композитной бумаги с отношением k 60% - примерно 2,6, у композитной бумаги с отношением k 80% - примерно 2,4. Особенно предпочтительным является электроизоляционный слой, изготовленный из композитной бумаги с использованием крафт-бумаги и имеющий высокое отношение k и более высокую воздухонепроницаемость, потому что увеличиваются и выдерживаемое постоянное напряжение, и выдерживаемое импульсное напряжение.
Кабель, также пригодный для передачи переменного тока, формируют путем выполнения электроизоляционного слоя, имеющим диэлектрическую проницаемость ε, увеличивающуюся по направлению к внутренней периферийной стороне и уменьшающуюся по направлению к наружной периферийной стороне, в дополнение к описанной выше градации по ρ. Такая «градация по ε» также осуществляется во всей области в диаметральном направлении электроизоляционного слоя. Кроме того, сверхпроводящий кабель, подвергнутый описанной выше градации по ρ, имеет хорошие характеристики по постоянному току и может быть подходящим образом использован в качестве линии передачи постоянного тока. С другой стороны, большинство имеющихся в настоящее время передающих линий рассчитаны на передачу переменного тока. Когда система передачи переключается с системы переменного тока на систему постоянного тока, может сложиться ситуация, при которой переменный ток кратковременно передается с использованием подвергнутого градации сверхпроводящего кабеля с градацией по ρ перед переключением на передачу постоянного тока. Эта ситуация может возникнуть, например, в том случае, когда кабель на части передающей линии был заменен сверхпроводящим кабелем с градацией по ρ, а другие части все еще являются кабелями для передачи переменного тока, или когда кабель для передачи переменного тока передающей линии был заменен сверхпроводящим кабелем с градацией по ρ, а передающее устройство, подключенное к этому кабелю, все еще является устройством для передачи переменного тока. В этой ситуации кратковременно осуществляется передача переменного тока по сверхпроводящему кабелю с градацией по ρ, а затем система окончательно переключается на передачу постоянного тока. Поэтому предпочтительно, чтобы сверхпроводящий кабель был выполнен так, чтобы он не только имел хорошие характеристики по постоянному току, но и чтобы принимались во внимание характеристики по переменному току. Когда характеристики по переменному току также принимаются во внимание, сверхпроводящий кабель, имеющий хорошие импульсные характеристики, такие как характеристики по перенапряжению, может быть изготовлен путем выполнения электроизоляционного слоя, имеющим диэлектрическую проницаемость ε, увеличивающуюся по направлению к внутренней периферийной стороне и уменьшающуюся по направлению к наружной периферийной стороне. В таком случае, когда описанный выше переходный процесс заканчивается, и осуществляется передача постоянного тока, сверхпроводящий кабель с градацией по ρ, использованный в переходном процессе, может постоянно использоваться как кабель постоянного тока. То есть линия, использующая сверхпроводящий кабель с градацией по ε в дополнение к градации по ρ, может быть подходящим образом использована и для передачи постоянного тока, и для передачи переменного тока, а также может быть подходящим образом использована в качестве линии для передачи как постоянного, так и переменного тока.
Указанная выше изоляция PPLP (товарный знак) обычно имеет более высокое значение ρ и более низкое значение ε по мере увеличения отношения k. Поэтому ρ может увеличиваться по направлению к наружной периферийной стороне, и, одновременно, ε может уменьшаться по направлению к этой наружной периферийной стороне в том случае, когда электроизоляционный слой изготовлен с использованием PPLP (товарный знак) с отношением k, увеличивающимся по направлению к наружной периферийной стороне электроизоляционного слоя.
С другой стороны, крафт-бумага обычно имеет более высокое значение ρ и более высокое значение ε по мере увеличения воздухонепроницаемости. Поэтому только из крафт-бумаги трудно изготовить электроизоляционный слой, имеющий ρ, увеличивающееся по направлению к наружной периферийной стороне, и ε, уменьшающуюся по направлению к этой наружной периферийной стороне. Поэтому электроизоляционный слой подходящим образом изготавливается с использованием крафт-бумаги в сочетании с композитной бумагой. Как пример, слой крафт-бумаги может быть сформирован на внутренней периферийной стороне электроизоляционного слоя, а слой PPLP может быть сформирован у него снаружи, для того, чтобы сделать удельное сопротивление ρ более низким в слое крафт-бумаги, чем в слое PPLP, а диэлектрическую проницаемость ε - более высокой в слое крафт-бумаги, чем в слое PPLP.
На наружной периферии описанного выше электроизоляционного слоя предусмотрен внешний сверхпроводниковый слой. Этот внешний сверхпроводниковый слой формируется из того же сверхпроводникового материала, что и сверхпроводниковый токопроводящий слой. Во внешнем сверхпроводниковом слое может быть использован сверхпроводниковый материал, подобный тому, что используется для формирования сверхпроводникового токопроводящего слоя. Когда сверхпроводящая кабельная линия по настоящему изобретению применяется для передачи постоянного тока, внешний сверхпроводниковый слой может использоваться в качестве, например, обратного проводника при монополярной передаче или слоя нейтрального проводника при биполярной передаче. В частности, когда осуществляется биполярная передача, внешний сверхпроводниковый слой может быть использован для прохождения тока разбалансировки, когда возникает разбалансировка между положительным электродом и отрицательным электродом. Кроме того, когда один электрод находится в ненормальном функциональном состоянии, и биполярная передача превращается в монополярную передачу, внешний сверхпроводниковый слой может использоваться в качестве обратного проводника для прохождения тока, эквивалентного переданному току, протекающему через сверхпроводниковый токопроводящий слой. Когда сверхпроводящая кабельная линия по настоящему изобретению применяется для передачи переменного тока, внешний сверхпроводниковый слой может использоваться в качестве экранирующего слоя, пропускающего экранный ток, наведенный током, протекающим по сверхпроводниковому токопроводящему слою. Также на наружной периферии внешнего сверхпроводникового слоя может быть предусмотрен защитный слой для изоляции.
Теплоизоляционная трубка для кабеля для размещения кабельной жилы, имеющая описанную выше конструкцию, может иметь структуру двойной трубки, образованную внешней трубкой и внутренней трубкой, которая содержит теплоизоляционный материал между трубками, и при этом осуществляют вакуумирование для достижения заданного уровня вакуума с образованием вакуумной изоляционной конструкции. Пространство внутри внутренней трубки используют в качестве канала хладагента, который заполняется хладагентом, таким как жидкий азот, для охлаждения кабельной жилы (в частности, сверхпроводникового токопроводящего слоя и внешнего сверхпроводникового слоя). Предпочтительно, чтобы сама теплоизоляционная трубка для кабеля была гибкой гофрированной трубкой. В частности, предпочтительно, чтобы теплоизоляционная трубка для кабеля была выполнена из металлического материала, например, устойчивого против коррозии (нержавеющего) и имеющего высокую прочность.
Хладагент, заполняющий теплоизоляционную трубку для кабеля, который используется в настоящем изобретении, имеет более высокую температуру, чем температура жидкого водорода, транспортируемого внутри теплоизоляционной трубки для текучей среды. В качестве такого хладагента используется, например, жидкий азот. Поскольку жидкий водород имеет более низкую температуру, чем у хладагента сверхпроводящего кабеля, хладагент сверхпроводящего кабеля, заключенный в теплоизоляционной трубке для текучей среды, охлаждается жидким водородом. Поэтому в линии по настоящему изобретению температура, позволяющая поддерживать сверхпроводящее состояние сверхпроводящий части, может быть установлена без предусматривания отдельной системы охлаждения для хладагента, предназначенной для охлаждения хладагента сверхпроводящего кабеля.
В линии по настоящему изобретению сверхпроводящий кабель, имеющий теплоизоляционную трубку для кабеля, заключен в теплоизоляционной трубке для текучей среды, используемой для транспортировки жидкого водорода. При такой конструкции сверхпроводящий кабель, заключенный в теплоизоляционную трубку для текучей среды, имеет вокруг себя среду с более низкой температурой, чем обычная температура, конкретнее, криогенную среду с температурой примерно 20 K - температурой жидкого водорода, и, таким образом, разница температур внутри и снаружи теплоизоляционной трубки для кабеля снижается до менее чем 200 K по сравнению с ситуацией размещения в атмосфере. В частности, когда в качестве хладагента кабеля используется жидкий азот, разница температур внутри и снаружи теплоизоляционной трубки для кабеля становится равной примерно 50 K. Кроме того, сверхпроводящий кабель, заключенный в теплоизоляционной трубке для текучей среды, имеет двойную теплоизоляционную структуру, образованную теплоизоляционной структурой для жидкого водорода и теплоизоляционной структурой самого кабеля. Поэтому, поскольку линия по настоящему изобретению имеет малую разницу температур внутри и снаружи теплоизоляционной трубки для кабеля, а сверхпроводящий кабель имеет описанную выше двойную теплоизоляционную структуру, то проникновение тепла снаружи в кабельную часть может быть эффективно уменьшено по сравнению со сверхпроводящей кабельной линией, проложенной в атмосфере.
Теплоизоляционная трубка, имеющая теплоизоляционные характеристики, соответствующие транспортируемому в ней жидкому водороду, может использоваться в качестве теплоизоляционной трубки для текучей среды, заключающей в себе сверхпроводящий кабель. Например, может использоваться теплоизоляционная трубка, имеющая конструкцию, подобную конструкции теплоизоляционной трубки для сверхпроводящего кабеля, то есть конструкцию, имеющую структуру двойной трубки, образованную внешней трубкой и внутренней трубкой, которая содержит теплоизоляционный материал между трубками и подвергнута вакуумированию. В этой ситуации пространство внутри внутренней трубки становится каналом транспортировки жидкого водорода.
Когда теплоизоляционная трубка для текучей среды образована, например, сваркой металлического листа, выполненного из нержавеющей стали или чего-либо подобного, сверхпроводящий кабель может быть заключен в такую теплоизоляционную трубку для текучей среды с помощью размещения кабеля на этом листе, загиба листа с охватом кабеля и сварки краев листа. Когда в качестве теплоизоляционной трубки для текучей среды используется металлическая трубка, выполненная из нержавеющей стали или чего-либо подобного, кабель может быть заключен в теплоизоляционную трубку для текучей среды путем вставки сверхпроводящего кабеля в эту трубку. В этой ситуации, вокруг кабеля может быть по спирали намотана проволока скольжения (проскальзывающий провод) для улучшения свойств вставки сверхпроводящего кабеля. В частности, когда теплоизоляционная трубка для кабеля представляет собой гофрированную трубку, имеющую выступы и углубления, свойства вставки улучшаются за счет намотки проволоки скольжения с шагом, большим, чем шаг выступов и углублений гофрированной трубки (длинный шаг), для предотвращения попадания проволоки скольжения в углубленные участки гофрированной трубки, с размещением проволоки скольжения поверх выступов и углублений для предотвращения прямого контакта наружной периферии гофрированной трубки с теплоизоляционной трубкой для текучей среды, то есть для достижения точечного контакта между намотанной на гофрированную трубку проволокой скольжения и теплоизоляционной трубкой для текучей среды. Кроме того, к сверхпроводящему кабелю может быть прикреплен элемент натяжения (тяга) или что-либо подобное для протаскивания кабеля в теплоизоляционную трубку для текучей среды.
Сверхпроводящий кабель, заключенный в теплоизоляционной трубке для текучей среды, может быть размещен так, чтобы контактировать с жидким водородом, транспортируемым внутри теплоизоляционной трубки для текучей среды, или не контактировать с жидким водородом. В первом случае сверхпроводящий кабель может быть погружен в жидкий водород. В этой ситуации, поскольку вся периферия сверхпроводящего кабеля контактирует с криогенным жидким водородом, проникновение тепла снаружи в кабель может быть эффективно снижено, а хладагент кабеля может быть в достаточной мере охлажден жидким водородом.
С другой стороны, когда сверхпроводящий кабель погружен в жидкий водород, может возникнуть проблема, такая как взрыв жидкого водорода, в том случае, например, когда короткое замыкание сверхпроводящего кабеля вызовет искру. Поэтому область внутри теплоизоляционной трубки для текучей среды может быть разделена на транспортировочную область для транспортировки жидкого водорода и область для размещения в ней сверхпроводящего кабеля. В качестве транспортировочной области, например, внутри теплоизоляционной трубки для текучей среды может быть отдельно размещена трубка для транспортировки жидкого водорода, и сверхпроводящий кабель может быть размещен продольно вдоль этой транспортировочной трубки. В этой ситуации, когда в пространстве внутри теплоизоляционной трубки для текучей среды, не занятом транспортировочной трубкой и сверхпроводящим кабелем, размещен теплообменный разделитель, имеющий высокую теплопроводность, тепло от жидкого водорода может эффективно проводиться к кабелю через этот теплообменный заполнитель, и, следовательно, кабель может эффективно охлаждаться. Сам теплообменный заполнитель может быть выполнен, например, из материала, имеющего высокую теплопроводность, такого как алюминий. Конкретнее, теплообменный заполнитель может быть образован намоткой алюминиевой фольги.
В настоящем изобретении используется сверхпроводящий кабель, использующий хладагент, имеющий более высокую температуру, чем температура жидкого водорода, и, поскольку кабель заключен в теплоизоляционной трубке для текучей среды, по которой транспортируется жидкий водород, хладагент может охлаждаться жидким водородом. Хладагент сверхпроводящего кабеля, однако, может быть чрезмерно охлажден жидким водородом, и при этом может произойти затвердевание хладагента. Поэтому желательно поднимать температуру чрезмерно охлажденного хладагента сверхпроводящего кабеля, заключенного в теплоизоляционной трубке для текучей среды, в пределах диапазона температур, допускающих поддержание сверхпроводящего состояния. С другой стороны, желательно охлаждать жидкий водород для поддержания его жидкого состояния (для сжижения). Поэтому настоящее изобретение включает в себя теплообменное средство для обмена теплом между жидким водородом и жидким азотом для охлаждения жидкого водорода и подъема температуры хладагента, чрезмерно охлажденного жидким водородом.
Теплообменное средство может иметь конструкцию, включающую в себя, например, канал, по которому циркулирует теплообменная среда, расширительный вентиль, расширяющий теплообменную среду, компрессор, сжимающий расширенную теплообменную среду, и теплоизоляционный корпус, в котором размещаются эти канал, расширительный вентиль и компрессор. Транспортировочный трубопровод для жидкого водорода располагается в той части канала, которая проходит через расширительный вентиль, с тем, чтобы охлаждать жидкий водород расширенной теплообменной средой, тогда как транспортировочный трубопровод для хладагента кабеля располагается в той части канала, которая проходит через компрессор, с тем, чтобы поднимать температуру хладагента сверхпроводящего кабеля сжатой теплообменной средой. Транспортировочный трубопровод для жидкого водорода может быть выполнен с образованием, например, замкнутого циркуляционного контура, по которому жидкий водород, выпущенный из теплоизоляционной трубки для текучей среды, снова поступает в эту теплоизоляционную трубку для текучей среды. Альтернативно, к теплоизоляционной трубке для текучей среды может быть присоединен резервуар, хранящий жидкий водород, а транспортировочный трубопровод может быть выполнен с образованием замкнутого циркуляционного контура, по которому выпущенный из резервуара жидкий водород снова поступает в этот резервуар. Тогда, часть транспортировочного трубопровода для жидкого водорода располагается так, чтобы контактировать с той частью канала теплообменной среды, которая проходит через расширительный вентиль, или располагается рядом с этой частью. Транспортировочный трубопровод для хладагента может быть выполнен с образованием замкнутого циркуляционного контура, по которому хладагент, выпущенный из теплоизоляционной трубки для кабеля, снова поступает в эту теплоизоляционную трубку для кабеля. Тогда, часть транспортировочного трубопровода для хладагента располагается так, чтобы контактировать с той частью канала теплообменной среды, которая проходит через компрессор, или располагается рядом с этой частью. В теплообменном средстве температура хладагента повышается в пределах диапазона температур, допускающих поддержание сверхпроводящего состояния сверхпроводящей части. Благодаря наличию теплообменного средства для охлаждения жидкого водорода и, одновременно, нагрева хладагента кабеля настоящее изобретение может одновременно удовлетворять и требованию повышения температуры хладагента сверхпроводящего кабеля, и требованию охлаждения жидкого водорода.
Следует отметить, что в настоящем изобретении ввиду снижения проникновения тепла в сверхпроводящий кабель, заключенный в теплоизоляционной трубке для текучей среды, как описано выше, конструкция тепловой изоляции теплоизоляционной трубки для кабеля может быть упрощена, то есть уровень характеристик теплоизоляции от проникновения тепла из внешней среды может быть уменьшен. Когда теплоизоляционная трубка для кабеля имеет конструкцию со структурой двойной трубки, образованной внешней трубкой и внутренней трубкой, в которой между этими трубками расположен теплоизоляционный материал, и произведено вакуумирование, характеристики теплоизоляции могут варьироваться с помощью, например, изменения степени вакуума между внешней трубкой и внутренней трубкой, изменения числа витков теплоизоляционного материала, расположенного между внешней трубкой и внутренней трубкой, или изменения самого теплоизоляционного материала.
Кроме того, в сверхпроводящей кабельной линии по настоящему изобретению вся длина в продольном направлении сверхпроводящего кабеля, образующего эту линию, может быть заключена в теплоизоляционную трубку для текучей среды, или же только часть кабеля может быть заключена в теплоизоляционную трубку для текучей среды. Учитывая снижение проникновения тепла, является предпочтительным, чтобы вся длина сверхпроводящего кабеля была заключена в теплоизоляционную трубку для текучей среды.
Сама сверхпроводящая кабельная линия по настоящему изобретению может быть построена, например, путем помещения сверхпроводящего кабеля в трубопровод, имеющий теплоизоляционную конструкцию и предназначенный для соединения водородной установки, производящей жидкий водород, с водородной станцией, хранящей жидкий водород, или же в теплоизоляционную трубку, транспортирующую жидкий водород на водородную станцию, и создания теплообменного средства около этой водородной станции. Линия по настоящему изобретению может применяться для того, чтобы снабжать электроэнергией различные силовые агрегаты, используемые на водородной станции, или отводить электроэнергию от трубопровода по мере потребности в снабжении энергией каждого места.
Как описано выше, сверхпроводящая кабельная линия по настоящему изобретению может применяться либо для передачи постоянного тока, либо для передачи переменного тока. Например, когда осуществляют передачу трехфазного переменного тока, кабель может быть выполнен в виде трехжильного сверхпроводящего кабеля, в котором сверхпроводниковый токопроводящий слой каждой жилы используется для передачи каждой фазы, а внешний сверхпроводниковый слой каждой жилы используется в качестве экранирующего слоя. Когда осуществляют передачу однофазного переменного тока, кабель может быть выполнен в виде одножильного сверхпроводящего кабеля, в котором входящий в состав жилы сверхпроводниковый токопроводящий слой используется для передачи фазы, а внешний сверхпроводниковый слой используется в качестве экранирующего слоя. Когда осуществляют монополярную передачу постоянного тока, кабель может быть выполнен в виде одножильного сверхпроводящего кабеля, в котором сверхпроводниковый токопроводящий слой жилы используется в качестве прямого проводника, а внешний сверхпроводниковый слой используется в качестве обратного проводника. Когда осуществляют биполярную передачу постоянного тока, кабель может быть выполнен в виде двухжильного сверхпроводящего кабеля, в котором сверхпроводниковый токопроводящий слой одной жилы используется для передачи потенциала положительного электрода, сверхпроводниковый токопроводящий слой другой жилы используется для передачи потенциала отрицательного электрода, а внешний сверхпроводниковый слой каждой жилы используется в качестве слоя нейтрального проводника.
Кроме того, сверхпроводящая кабельная линия по настоящему изобретению может также применяться в качестве линии для передачи как переменного, и так постоянного тока с использованием сверхпроводящего кабеля, включающего в себя кабельную жилу, имеющую электроизоляционный слой с градацией по ρ и градацией по ε, как описано выше. В этой ситуации не только сверхпроводящий кабель, но и оконечное устройство, установленное на оконечной части этой линии и предназначенное для соединения сверхпроводящего кабеля с проводящей частью на стороне обычной температуры (нормально проводящий кабель, провод, подключенный к этому нормально проводящему кабелю, и т.п.), предпочтительно выполнены пригодными как для передачи постоянного тока, так и для передачи переменного тока. Типичная конструкция оконечного устройства включает в себя оконечную часть кабельной жилы, выступающую из оконечной части сверхпроводящего кабеля, выводящую токопроводящую часть, присоединенную к проводящей части на стороне обычной температуры, соединительную часть, электрически соединяющую оконечную часть жилы с выводящей токопроводящей частью, и корпус оконечного соединения, в котором размещаются оконечная часть жилы, оконечная часть выводящей токопроводящей части на стороне, соединенной с жилой, и соединительная часть. Корпус оконечного соединения обычно содержит ванну хладагента, охлаждающую оконечную часть жилы или оконечную часть выводящей токопроводящей части, и вакуумную изолирующую ванну, расположенную на наружной периферии ванны хладагента. В самом оконечном устройстве желательно, чтобы площадь поперечного сечения проводника выводящей токопроводящей части была изменяемой, потому что величина тока, протекающего через выводящую токопроводящую часть, может быть различной при передаче переменного тока и при передаче постоянного тока. Поэтому соответствующая конструкция оконечного устройства для передачи как переменного, так и постоянного тока имеет площадь поперечного сечения проводника выводящей токопроводящей части, изменяемую в соответствии с нагрузкой. Само оконечное устройство может иметь конструкцию, например, в которой выводящая токопроводящая часть разделена на токопроводящую часть низкотемпературной стороны, присоединенную к оконечной части жилы, и токопроводящую часть стороны с обычной температурой, расположенную на стороне проводящей части на стороне с обычной температурой, причем токопроводящая часть низкотемпературной стороны и токопроводящая часть стороны с обычной температурой являются отделяемыми друг от друга. Более того, предусматривается множество раздвигаемых выводящих токопроводящих частей для того, чтобы позволить изменять площадь поперечного сечения проводника всей выводящей токопроводящей части в соответствии с числом соединений между токопроводящими частями низкотемпературной стороны и токопроводящими частями стороны с обычной температурой. Площадь поперечного сечения проводника каждой выводящей токопроводящей части может быть одинаковой или отличаться от других. Сверхпроводящая кабельная линия по настоящему изобретению, включающая в себя такое оконечное устройство, может быстро быть переключена с передачи постоянного тока на передачу переменного тока или с передачи переменного тока на передачу постоянного тока путем выполнения соединения или разъединения выводящей токопроводящей части. Кроме того, поскольку площадь поперечного сечения проводника выводящей токопроводящей части может меняться, как описано выше, площадь поперечного сечения проводника может также надлежащим образом варьироваться, когда величина подаваемой мощности меняется во время передачи переменного тока или передачи постоянного тока.
Эффекты от изобретения
В сверхпроводящей кабельной линии по настоящему изобретению, имеющей описанную выше конструкцию, сверхпроводящий кабель заключен в теплоизоляционную трубку, транспортирующую жидкий водород, для снижения разницы температур внутри и снаружи теплоизоляционной трубки для кабеля, и при этом структура теплоизоляции кабеля сформирована в виде двойной теплоизоляционной структуры, включающей в себя теплоизоляционную трубку для кабеля и теплоизоляционную трубку для текучей среды, для эффективного снижения проникновение тепла в кабель. Кроме того, в линии по настоящему изобретению хладагент сверхпроводящего кабеля может охлаждаться жидким водородом, транспортируемым в теплоизоляционной трубке для текучей среды. При снижении проникновения тепла и охлаждении хладагента с использованием текучей среды согласно описанному выше, линия по настоящему изобретению способна существенно уменьшить или по существу исключить затраты энергии на охлаждение хладагента кабеля. В частности, система охлаждения для хладагента сверхпроводящего кабеля не требуется, или же, если даже такая система охлаждения предусмотрена, уровень ее холодопроизводительности может быть сделан более низким по сравнению с обычными системами.
Поэтому, когда принимается во внимание также охлаждение хладагента сверхпроводящего кабеля, сверхпроводящая кабельная линия по настоящему изобретению, имеющая описанную выше конструкцию, способна увеличить коэффициент полезного действия по сравнению с обычными линиями, потому что энергозатраты на охлаждение хладагента могут быть существенным образом снижены с помощью снижения проникновения тепла в кабель согласно описанному выше. В частности, снижение проникновения тепла чрезвычайно эффективно для увеличения коэффициента полезного действия, когда линия по настоящему изобретению используется в качестве линии для передачи постоянного тока, в которой тепло при прохождении тока почти не выделяется (потерь в проводнике почти нет), поскольку проникновение тепла становится основной причиной потерь энергии в этой ситуации.
Кроме того, в линии по настоящему изобретению энергозатраты на охлаждения жидкого водорода также значительно снижаются за счет использования хладагента сверхпроводящего кабеля в качестве объекта теплообмена для охлаждения жидкого водорода. Поэтому, настоящее изобретение позволяет радикально снизить энергозатраты на охлаждение хладагента сверхпроводящего кабеля и энергозатраты на охлаждение жидкого водорода, с существенным увеличением коэффициента полезного действия.
Более того, когда в линии по настоящему изобретению используется сверхпроводящий кабель, включающий в себя кабельную жилу, имеющую электроизоляционный слой с градацией по ρ, эта линия может обладать хорошими свойствами выдерживания постоянного напряжения и может быть применима для передачи постоянного тока. Кроме того, когда в линии по настоящему изобретению используется сверхпроводящий кабель, включающий в себя кабельную жилу, имеющую электроизоляционный слой, подвергнутый градации по ρ и выполненный имеющим более высокое значение ε в части около сверхпроводникового токопроводящего слоя, величина выдерживаемого импульсного напряжения может быть увеличена вдобавок к увеличению выдерживаемого постоянного напряжения, как описано выше. В частности, линия по настоящему изобретению может также иметь хорошие характеристики по переменному току, когда электроизоляционный слой выполнен имеющим величину ε, увеличивающуюся по направлению к внутренней периферийной стороне и уменьшающуюся по направлению к наружной периферийной стороне. Поэтому сверхпроводящая кабельная линия по настоящему изобретению может быть соответствующим образом использована и для передачи постоянного тока, и для передачи переменного тока. В дополнение к этому, когда в качестве линии по настоящему изобретению используется сверхпроводящий кабель, включающий в себя кабельную жилу, имеющую электроизоляционный слой с градацией по ρ и градацией по ε, а оконечное устройство, установленное в оконечной части этой линии, имеет конструкцию, имеющую изменяемую площадь поперечного сечения проводника выводящей токопроводящей части, размещенной между сверхпроводящим кабелем и проводящей частью на стороне с обычной температурой, линия по настоящему изобретению может быть соответствующим образом использована во время переходного периода (в переходном процессе), при котором передающая система переключается с системы переменного тока на систему постоянного тока.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 представляет собой вид в поперечном сечении конструкции сверхпроводящей кабельной линии по настоящему изобретению.
Фиг.2 представляет собой вид в поперечном сечении конструкции части около сверхпроводящего кабеля в сверхпроводящей кабельной линии по настоящему изобретению.
Фиг.3 представляет собой схематическое изображение конструкции, в которой реализована сверхпроводящая кабельная линия по настоящему изобретению.
Фиг.4 представляет собой схематическое изображение конструкции сверхпроводящей кабельной линии по настоящему изобретению, включающей в себя транспортировочную трубку для жидкого водорода, сверхпроводящий кабель и теплообменный заполнитель внутри теплоизоляционной трубки для текучей среды, которое является схематическим изображением поперечного сечения конструкции части около кабеля.
Фиг.5 представляет собой схематическое изображение конструкции оконечного устройства, установленного в оконечной части сверхпроводящей кабельной линии по настоящему изобретению, использующей сверхпроводящий кабель трехжильного типа, в случае линии передачи переменного тока.
Фиг.6 представляет собой схематическое изображение конструкции оконечного устройства, установленного в оконечной части сверхпроводящей кабельной линии по настоящему изобретению, использующей сверхпроводящий кабель трехжильного типа, в случае линии передачи постоянного тока.
Фиг.7 представляет собой вид в поперечном сечении сверхпроводящего кабеля трехжильного типа для передачи трехфазного переменного тока.
Фиг.8 представляет собой вид в поперечном сечении каждой кабельной жилы.
Описание ссылочных обозначений
1: жидкий водород, 2: теплоизоляционная трубка для текучей среды, 2a: внешняя трубка, 2b: внутренняя трубка, 3: транспортировочная трубка, 4: теплообменный заполнитель, 10: сверхпроводящий кабель, 11: теплоизоляционная трубка для кабеля, 11a: внешняя трубка, 11b: внутренняя трубка, 12: кабельная жила, 13: пространство, 14: сверхпроводниковый токопроводящий слой, 15: внешний сверхпроводниковый слой, 16: транспортировочный трубопровод, 20: водородная станция, 21: резервуар, 22: транспортировочный трубопровод, 30: теплообменное средство, 31: канал, 32: расширительный вентиль, 33: компрессор, 34: теплоизоляционный корпус, 40: выводящая токопроводящая часть, 41: токопроводящая часть низкотемпературной стороны, 41a: герметизирующая часть низкотемпературной стороны, 42: токопроводящая часть стороны с обычной температурой, 42a: герметизирующая часть стороны с обычной температурой, 43: провод, 44: заземляющая линия, 50: корпус оконечного соединения, 52, 51: ванна хладагента, 53: вакуумно-изолированная ванна, 53a: раздвижная часть, 60: втулка, 61: выводящая токопроводящая часть, 62: пустотелый фарфоровый изолятор, 63: эпоксидная пробка, 70: замыкающая часть, 100: сверхпроводящий кабель для передачи трехфазного переменного тока, 101: теплоизоляционная трубка, 101a: внешняя трубка, 101b: внутренняя трубка, 102: кабельная жила, 103: пространство, 104: противокоррозийный слой, 200: основание, 201: сверхпроводниковый токопроводящий слой, 202: электроизоляционный слой, 203: сверхпроводниковый экранирующий слой, 204: защитный слой.
Наилучшие варианты осуществления изобретения
Теперь будут описаны варианты осуществления настоящего изобретения.
Пример 1
Фиг.1 представляет собой вид в поперечном сечении конструкции сверхпроводящей кабельной линии по настоящему изобретению. Фиг.2 представляет собой вид в поперечном сечении конструкции части около сверхпроводящего кабеля в сверхпроводящей кабельной линии по настоящему изобретению. Фиг.3 представляет собой схематическое изображение конструкции, в которой реализована сверхпроводящая кабельная линия по настоящему изобретению. Одинаковые обозначения на чертежах обозначают одинаковые части. Сверхпроводящая кабельная линия по настоящему изобретению включает в себя теплоизоляционную трубку 2 для текучей среды, транспортирующую жидкий водород 1, сверхпроводящий кабель 10, заключенный в теплоизоляционной трубке 2 для текучей среды, и теплообменное средство 30 для регулирования температуры жидкого водорода 1 и температуры хладагента кабеля.
Сверхпроводящий кабель 10, использованный в этом примере, имеет конструкцию, при которой три кабельные жилы 12 скручены и заключены в теплоизоляционную трубку 11 для кабеля, конструкция которой в основном аналогична конструкции теплоизоляционной трубки сверхпроводящего кабеля, показанного на фиг.7. Каждая кабельная жила 12 включает в себя, считая от ее центральной части, основание, сверхпроводниковый токопроводящий слой, электроизоляционный слой, внешний сверхпроводниковый слой и защитный слой. И сверхпроводниковый токопроводящий слой, и внешний сверхпроводниковый слой были образованы сверхпроводниковым ленточным проводом на основе Bi2223 (провод с оболочкой из Ag-Mn). Эти сверхпроводниковый токопроводящий слой и внешний сверхпроводниковый слой были образованы спиральной намоткой сверхпроводникового ленточного провода соответственно на наружную периферию основания и на наружную периферию электроизоляционного слоя. В качестве основания было использовано множество сплетенных медных проволок. Между основанием и сверхпроводниковым токопроводящим слоем был образован амортизирующий слой из изоляционной бумаги. Электроизоляционный слой был изготовлен намоткой полусинтетической изоляционной бумаги (PPLP: товарный знак Sumitomo Electric Industries, Ltd.) на наружную периферию сверхпроводникового токопроводящего слоя. Защитный слой был обеспечен с помощью намотки крафт-бумаги на наружную периферию внешнего сверхпроводникового слоя. На внутренней периферийной стороне и наружной периферийной стороне (под внешним сверхпроводниковым слоем) электроизоляционного слоя могут быть предусмотрены соответственно внутренний полупроводниковый слой и внешний полупроводниковый слой. Таким образом были получены три кабельные жилы 12, скручены с зазором, чтобы имелась возможность для термического сжатия, и помещены в теплоизоляционную трубку 11 для кабеля. В этом примере для изготовления теплоизоляционной трубки 11 для кабеля была использована гофрированная трубка из нержавеющей стали (SUS), в которой теплоизоляционный материал (не показан), имеющий многослойную структуру, был расположен внутри двойной трубки, образованной внешней трубкой 11a и внутренней трубкой 11b, и воздух между внешней трубкой 11a и внутренней трубкой 11b был откачан до достижения заданной степени вакуума с образованием многослойной вакуумной изоляционной конструкции. Пространство 13, заключенное между внутренней периферией внутренней трубки 11b и наружными перифериями трех кабельных жил 12, становится каналом для пропускания хладагента. По этому каналу осуществляют циркуляцию хладагента для охлаждения сверхпроводникового токопроводящего слоя и внешнего сверхпроводникового слоя, используя насос или т.п. В этом примере в качестве хладагента был использован жидкий азот (примерно 77 K). Для организации циркуляции хладагента к теплоизоляционной трубке 11 сверхпроводящего кабеля 10 присоединен трубопровод 16, в который, например, хладагент выпускается из теплоизоляционной трубки 11 в сторону теплообменного средства 30, и далее хладагент течет со стороны теплообменного средства 30 в теплоизоляционную трубку 11. На части трубопровода 16 расположен насос, который не показан, для обеспечения циркуляции хладагента.
Сверхпроводящий кабель 10, имеющий описанную выше конструкцию, заключен в теплоизоляционной трубке 2 для текучей среды. Теплоизоляционная трубка 2 для текучей среды в этом примере имеет конструкцию со структурой двойной трубки, образованной внешней трубкой 2a и внутренней трубкой 2b, в которой между трубками 2a и 2b расположен теплоизоляционный материал (не показан), и воздух между трубками откачан. Пространство, заключенное между внутренней периферией внутренней трубки 2b и наружной периферией сверхпроводящего кабеля 10, становится транспортировочным каналом для жидкого водорода 1. Каждая из трубок 2a и 2b представляла собой сварную трубку, выполненную из стали, и кабель 10 был помещен во внутреннюю трубку 2b путем расположения сверхпроводящего кабеля 10 на стальном листе для изготовления внутренней трубки 2b и сварки краев этого стального листа. В этом примере сверхпроводящий кабель 10 располагается во внутренней трубке 2b, будучи погруженным в жидкий водород. В этом примере теплоизоляционная трубка 2 для текучей среды была изготовлена с целью создания трубопровода для транспортировки жидкого водорода от водородной установки (не показана) к каждой водородной станции 20. Каждая водородная станция 20 включает в себя резервуар 21, хранящий жидкий водород, и теплообменное средство 30 для теплообмена между жидким водородом 1 и хладагентом сверхпроводящего кабеля 10. Резервуар 21 присоединен к теплоизоляционной трубке 2 для текучей среды и хранит жидкий водород, транспортируемый по теплоизоляционной трубке 2 для текучей среды. Кроме того, для организации циркуляции жидкого водорода к резервуару 21 присоединен трубопровод 22, в который, например, жидкий водород выпускается из резервуара 21 в сторону теплообменного средства 30, и далее жидкий водород течет со стороны теплообменного средства 30 в резервуар 21. В часть трубопровода 22 встроен насос, который не показан, для циркуляции жидкого водорода.
Теплообменное средство 30 в этом примере включает в себя канал 31, по которому циркулирует теплообменная среда, такая как гелий, расширительный вентиль 32, расширяющий эту теплообменную среду, компрессор 33, сжимающий расширенную теплообменную среду, и теплоизоляционный корпус 34, в котором помещаются эти элементы. Трубопровод 22 расположен так, что часть трубопровода 22 для циркуляционного погона жидкого водорода контактирует с частью канала 31, которая проходит через расширительный вентиль 32, чтобы тем самым охлаждать жидкий водород расширенной теплообменной средой. При такой конструкции жидкий водород охлаждается около части трубопровода 22, содержащей часть канала 31, которая проходит через расширительный вентиль 32. Таким образом, жидкий водород, выпущенный из резервуара 21, течет по трубопроводу 22, охлаждается теплообменным средством 30 и возвращается в резервуар 21. Кроме того, трубопровод 16 расположен так, что часть трубопровода 16 для циркуляционной прокачки хладагента (жидкого азота) кабеля 10 контактирует с частью канала 31, которая проходит через компрессор 33, чтобы тем самым поднять температуру хладагента кабеля 10, который был охлажден жидким водородом, сжатой теплообменной средой в пределах диапазона температур, допускающих поддержание сверхпроводящего состояния. При такой конструкции температура хладагента повышается около части трубопровода 16, контактирующей с частью канала 31, которая проходит через компрессор 33. Таким образом, хладагент, извлеченный из теплоизоляционной трубки 11 для кабеля, течет по трубопроводу 16, нагревается теплообменным средством 30 и возвращается в теплоизоляционную трубку 11.
Наружная периферия сверхпроводящего кабеля, помещенного в теплоизоляционную трубку для текучей среды, окружена криогенным жидким водородом, и при этом сверхпроводящий кабель имеет двойную теплоизоляционную структуру, образованную теплоизоляционной трубкой самого кабеля и теплоизоляционной трубкой для жидкого водорода. При такой конструкции линия по настоящему изобретению способна существенно снизить проникновение тепла снаружи в сверхпроводящий кабель. Кроме того, поскольку наружная периферия сверхпроводящего кабеля окружена криогенным жидким водородом, холод от жидкого водорода проводится к кабелю, и хладагент кабеля охлаждается. Поэтому система охлаждения для охлаждения хладагента сверхпроводящего кабеля может не потребоваться. В результате этого энергозатраты на охлаждение хладагента сверхпроводящего кабеля могут быть уменьшены, и коэффициент полезного действия может быть увеличен при изготовлении сверхпроводящей кабельной линии по настоящему изобретению.
Более того, поскольку линия по настоящему изобретению включает в себя теплообменное средство для теплообмена между хладагентом сверхпроводящего кабеля и жидким водородом с одновременным осуществлением нагрева хладагента и охлаждения жидкого водорода, с помощью этого теплообменного средства разность температур между участниками теплообмена может быть снижена, и могут быть уменьшены энергозатраты на охлаждение жидкого водорода. Кроме того, когда в состав линии по настоящему изобретению входит теплообменное средство, тепло, связанное с охлаждением жидкого водорода, может быть использовано для подъема температуры хладагента сверхпроводящего кабеля, который был чрезмерно охлажден, будучи помещенным в теплоизоляционную трубку для текучей среды. Поэтому, используя теплообменное средство, выполненное с возможностью теплообмена между жидким водородом и хладагентом сверхпроводящего кабеля, линия по настоящему изобретению способна регулировать температуру жидкого водорода до подходящей температуры и способна также регулировать температуру хладагента до подходящей температуры. В результате и энергозатраты на охлаждение хладагента сверхпроводящего кабеля, и энергозатраты на охлаждение жидкого водорода могут быть снижены с помощью выполнения сверхпроводящей кабельной линии по настоящему изобретению.
Следует отметить, что, хотя у конструкции, показанной в этом примере, вся длина в продольном направлении сверхпроводящего кабеля заключена в теплоизоляционную трубку для текучей среды, в теплоизоляционную трубку для текучей среды может быть заключена только часть кабеля. В линии по настоящему изобретению эффект снижения проникновения тепла может быть уменьшен, а регулировка температуры хладагента сверхпроводящего кабеля теплообменным средством может стать затруднительной в том случае, когда только малая часть сверхпроводящего кабеля заключена в теплоизоляционную трубку для текучей среды. Поэтому в линии по настоящему изобретению достаточная часть сверхпроводящего кабеля заключена в теплоизоляционную трубку для текучей среды с тем, чтобы сделать возможной регулировку температуры хладагента сверхпроводящего кабеля теплообменным средством.
Пример 2
Хотя в описанном выше примере 1 сверхпроводящий кабель был погружен в жидкий водород, сверхпроводящий кабель может помещаться в теплоизоляционную трубку для текучей среды, не будучи погруженным в жидкий водород. Например, в теплоизоляционной трубке для текучей среды может быть отдельно предусмотрен транспортировочный канал для жидкого водорода. Фиг.4 представляет собой схематическое изображение конструкции сверхпроводящей кабельной линии по настоящему изобретению, включающей в себя транспортировочную трубку для жидкого водорода и теплообменный заполнитель внутри теплоизоляционной трубки для текучей среды, которое является схематическим изображением поперечного сечения конструкции части около кабеля. Эта сверхпроводящая кабельная линия имеет конструкцию, включающую в себя отдельную транспортировочную трубку 3 для жидкого водорода во внутренней трубке 2b теплоизоляционной трубки 2 для текучей среды. В пространстве, заключенном между внутренней периферией внутренней трубки 2b, наружной периферией транспортировочной трубки 3 и наружной периферией сверхпроводящего кабеля 10, расположен теплообменный заполнитель 4, имеющий высокую теплопроводность. При такой конструкции сверхпроводящий кабель 10 имеет двойную теплоизоляционную структуру, образованную теплоизоляционной трубкой 2 для текучей среды и теплоизоляционной трубкой 11 самого кабеля 10 (см. фиг.1, 2), как в примере 1, и поэтому проникновение тепла снаружи в кабель может быть снижено. В дополнение к этому, поскольку холод от жидкого водорода проводится к сверхпроводящему кабелю 10 через теплообменный заполнитель 4, кабель 10 также может охлаждаться жидким водородом 1. Кроме того, поскольку предусмотрена транспортировочная трубка 3, физически отделяющая сверхпроводящий кабель 10 от жидкого водорода 1, может быть предотвращена такая проблема, как возгорание жидкого водорода 1 при возникновении повреждения, такого как короткое замыкание кабеля 10, и образование искры. В этом примере теплообменный заполнитель был образован намоткой алюминия.
Сверхпроводящая кабельная линия по настоящему изобретению, показанная в каждом из описанных выше примерах 1 и 2, может быть использована либо для передачи постоянного тока, либо для передачи переменного тока. В случае передачи постоянного тока, когда используется сверхпроводящий кабель, включающий в себя кабельную жилу, имеющую электроизоляционный слой, подвергнутый градации по ρ с получением низкого удельного сопротивления на внутренней периферийной стороне и высокого удельного сопротивления на наружной периферийной стороне, распределение поля постоянного тока в направлении толщины электроизоляционного слоя может быть сглажено, и величина выдерживаемого постоянного напряжения может быть увеличена. Удельное сопротивление может варьироваться с помощью PPLP (товарный знак), имеющей различные отношения k. Удельное сопротивление имеет тенденцию к увеличению при увеличении отношения k. Кроме того, когда в электроизоляционном слое около сверхпроводникового токопроводящего слоя предусмотрен слой с высоким ε, величина выдерживаемого импульсного напряжения может быть увеличена в дополнение к увеличению значения выдерживаемого постоянного напряжения. Слой с высоким ε может быть сформирован с использованием, например, PPLP (товарный знак), имеющей малое отношение k. В этом случае слой с высоким ε также становится слоем с низким ρ. Более того, сверхпроводящий кабель, включающий в себя кабельную жилу, имеющую электроизоляционный слой, подвергнутый градации по ρ и выполненный имеющим диэлектрическую проницаемость ε, увеличивающуюся в направлении к внутренней периферийной стороне и уменьшающуюся в направлении к наружной периферийной стороне, имеет также хорошие характеристики по переменному току. Поэтому линия по настоящему изобретению, использующая такой кабель, может быть использована также для передачи переменного тока. В качестве примера, электроизоляционный слой может быть изготовлен с использованием PPLP (товарный знак) с указанными ниже различными отношениями k, имеющим три различных удельных сопротивления и диэлектрической проницаемости. Следующие три слоя могут быть помещены последовательно, начиная со стороны внутренней периферии (X и Y представляют собой константы).
Слой с низким ρ: отношение k=60%, удельное сопротивление ρ (20°C)=X [Ом·см], диэлектрическая проницаемость ε = Y.
Слой с промежуточным ρ: отношение k=70%, удельное сопротивление ρ (20°C)= примерно 1,2X [Ом·см], диэлектрическая проницаемость ε= примерно 0,95Y.
Слой с высоким ρ: отношение k=80%, удельное сопротивление ρ (20°C)= примерно 1,4X [Ом·см], диэлектрическая проницаемость ε= примерно 0,9Y.
Когда с помощью линии по настоящему изобретению, использующей сверхпроводящий кабель с градацией по ρ и градацией по ε, осуществляется монополярная передача, две жилы из трех кабельных жил 12 (см. фиг.2) могут использоваться как вспомогательные жилы, сверхпроводниковый токопроводящий слой одной жилы может использоваться в качестве прямого проводника, а внешний сверхпроводниковый слой этой жилы может использоваться в качестве обратного проводника. Альтернативно, для создания линии трехлинейной монополярной передачи сверхпроводниковый токопроводящий слой каждой жилы может использоваться в качестве прямого проводника, а внешний сверхпроводниковый слой каждой жилы может использоваться в качестве обратного проводника. С другой стороны, когда осуществляется биполярная передача, одна жила из трех кабельных жил может быть использована в качестве вспомогательной жилы, сверхпроводниковый токопроводящий слой одной жилы может быть использован в качестве положительной линии, сверхпроводниковый токопроводящий слой другой жилы может быть использован в качестве отрицательной линии, а внешние сверхпроводниковые слои обеих жил могут использоваться в качестве слоев нейтральных проводников.
Линия по настоящему изобретению, использующая сверхпроводящий кабель с градацией по ρ и градацией по ε и включающая в себя описанное ниже оконечное устройство, может легко осуществлять передачу постоянного тока, такую как монополярная передача или биполярная передача, после передачи переменного тока, или передачу переменного тока после передачи постоянного тока. Каждая из фиг.5 и 6 представляет собой схематическое изображение конструкции оконечного устройства, имеющего раздвижную выводящую токопроводящую часть, которая установлена в оконечной части сверхпроводящей кабельной линии по настоящему изобретению, использующей сверхпроводящий кабель трехжильного типа. Фиг.5 показывает случай линии передачи переменного тока, а фиг.6 показывает случай линии передачи постоянного тока. Хотя на каждой из фиг.5 и 6 показаны только две кабельные жилы 12, на самом деле жил три.
Оконечное устройство включает в себя оконечную часть кабельной жилы 12, выступающую из оконечной части сверхпроводящего кабеля 10; выводящие токопроводящие части 40, 61, соединенные с проводящей частью (не показана) на стороне с обычной температурой; соединительную часть, электрически соединяющую оконечную часть жилы 12 с выводящей токопроводящей частью 40 и оконечную часть жилы 12 с выводящей токопроводящей частью 61; и корпус 50 оконечного соединения, в котором располагаются оконечная часть жилы 12, оконечные части выводящих токопроводящих частей 40, 61 на соединенной с жилой стороне и соединительная часть. Корпус 50 оконечного соединения включает в себя ванну 51 хладагента, заполненную хладагентом для охлаждения сверхпроводникового токопроводящего слоя 14, в которую вводится сверхпроводниковый токопроводящий слой 14, зачищенный путем ступенчатого снятия оболочки оконечной части жилы 12; ванну 52 хладагента, заполненную хладагентом для охлаждения внешнего сверхпроводникового слоя 15, в которую вводится внешний сверхпроводниковый слой 15, также зачищенный путем ступенчатого снятия оболочки; и вакуумно-изолированная ванна 53, расположенная на наружных перифериях ванн 51, 52 хладагента. Выводящая токопроводящая часть 61, которая заделана во втулку 60, расположенную между проводящей частью на стороне обычной температуры и сверхпроводниковым токопроводящим слоем 14, соединена со сверхпроводниковым токопроводящим слоем 14 через сочленение (соединительную часть) для обеспечения передачи и приема электроэнергии между сверхпроводящим кабелем 10 и проводящей частью на стороне обычной температуры. Сторона (сторона обычной температуры) втулки 60, присоединенная к проводящей части на стороне обычной температуры, выступает из вакуумно-изолированной ванны 53 и заключена в пустотелый фарфоровый изолятор 62, выполненный выступающим из вакуумно-изолированной ванны 53.
С другой стороны, внешний сверхпроводниковый слой 15 присоединен через описанную ниже замыкающую часть 70 (соединительную часть) к выводящей токопроводящей части 40, расположенной между проводящей частью на стороне обычной температуры и внешним сверхпроводниковым слоем 15, для обеспечения возможности передачи и приема электроэнергии между сверхпроводящим кабелем 10 и проводящей частью на стороне обычной температуры. Выводящая токопроводящая часть 40 образована токопроводящей частью 41 низкотемпературной стороны, присоединенной к замыкающей части 70, и токопроводящей частью 42 стороны обычной температуры, расположенной на стороне обычной температуры, которая является отодвигаемой от токопроводящей части 41 низкотемпературной стороны. В этом примере токопроводящая часть 42 стороны обычной температуры выполнена в форме стержня, имеющего заданную площадь поперечного сечения, а токопроводящая часть 41 низкотемпературной стороны выполнена в форме цилиндра, в который может быть плотно вставлена стержнеобразная токопроводящая часть 42 стороны обычной температуры. Когда токопроводящая часть 42 стороны обычной температуры вставлена в токопроводящую часть 41 низкотемпературной стороны, части 41 и 42 электрически соединены друг с другом с обеспечением возможности передачи и приема электроэнергии между низкотемпературной стороной и стороной обычной температуры, и части 41 и 42 разомкнуты, когда токопроводящая часть 42 стороны обычной температуры удалена от токопроводящей части 41 низкотемпературной стороны. В состав оконечного устройства входит множество таких выводящих токопроводящих частей 40. Токопроводящая часть 41 низкотемпературной стороны закреплена на ванне 52 хладагента и одним концом электрически соединена с замыкающей частью 70, а другой ее конец расположен так, чтобы входить в вакуумно изолированную ванну 53. На наружной периферии закрепленной части токопроводящей части 41 низкотемпературной стороны предусмотрена герметизирующая часть 41a низкотемпературной стороны, выполненная из волокнистонаполненного пластика (волокнита), для того, чтобы избежать утечки хладагента, короткого замыкания ванны 52 хладагента на токопроводящую часть 41 и т.п. Токопроводящая часть 42 стороны обычной температуры закреплена на вакуумно-изолированной ванне 53 и имеет один конец, расположенный в вакуумно-изолированной ванне 53, а другой конец, расположенный выходящим наружу с обычной температурой. Выполненная из волокнита герметизирующая часть 42a стороны с обычной температурой предусмотрена на наружной периферии закрепленной части токопроводящей части 42 стороны обычной температуры для того, чтобы обеспечить снижение проникновения тепла и избежать короткого замыкания вакуумно-изолированной ванны 53 на токопроводящую часть 42 и т.п. Кроме того, на вакуумно-изолированной ванне 53 рядом с закрепленной частью токопроводящей части 42 стороны обычной температуры предусмотрена раздвижная часть 53a, образованная гофрированной трубкой, для поддержания вакуумного состояния вакуумно-изолированной ванны 53 во время подсоединения и удаления выводящей токопроводящей части 40. Следует заметить, что внешние сверхпроводниковые слои 15 каждой из трех жил 12 накоротко замкнуты в замыкающей части 70. Кроме того, к оконечной части на стороне обычной температуры токопроводящей части 42 стороны обычной температуры присоединен провод 43, подключенный к внешнему устройству и т.п., или заземляющая линия 44. Эпоксидная пробка 63 размещена на наружной периферии части сверхпроводникового токопроводящего слоя 14, который расположен около части между ваннами 51, 52 хладагента.
Когда сверхпроводящая кабельная линия по настоящему изобретению, включающая в себя оконечное устройство, имеющее описанную выше конструкцию, используется в качестве, например, трехфазной линии переменного тока, выводящая токопроводящая часть 40, присоединенная к внешнему сверхпроводниковому слою 15, должна иметь площадь поперечного сечения проводника, необходимую для получения напряжения «земли». Поэтому, как показано на фиг.5, пока необходимо, чтобы токопроводящая часть 41 низкотемпературной стороны и токопроводящая часть 42 стороны обычной температуры выводящей токопроводящей части 40 были подключены друг к другу, нет необходимости в том, чтобы токопроводящая часть 41 низкотемпературной стороны и токопроводящая часть 42 стороны обычной температуры выводящей токопроводящей части 40 были отведены друг от друга для получения требуемой площади поперечного сечения проводника. В этом примере заземляющая линия 44 для заземления подключена к оконечной части на стороне обычной температуры токопроводящей части 42 стороны обычной температуры подключенной выводящей токопроводящей части 40.
С другой стороны, когда потребуется переход от передачи трехфазного переменного тока, как показано на фиг.5, к передаче постоянного тока, через внешний сверхпроводниковый слой 15 протекает ток, эквивалентный току в сверхпроводниковом токопроводящем слое 14. То есть ток, протекающий через внешний сверхпроводниковый слой 15, увеличивается, и ток, протекающий через выводящую токопроводящую часть 40, также увеличивается по сравнению со случаем передачи переменного тока, показанным на фиг.5. Поэтому, как показано на фиг.6, токопроводящая часть 41 низкотемпературной стороны и токопроводящая часть 42 стороны обычной температуры выводящей токопроводящей части 40, которые были разведены во время передачи переменного тока, соединяются друг с другом, обеспечивая достаточную площадь поперечного сечения проводника для прохождения тока требуемой величины. В этом примере провод 43 для заземления подключен к оконечной части на стороне обычной температуры токопроводящей части 42 стороны обычной температуры подключенной выводящей токопроводящей части 40. Наоборот, когда потребуется переход от передачи постоянного тока, как показано на фиг.6, к передаче переменного тока, одна из выводящих токопроводящих частей 40, которая была приведена в проводящий контакт во время передачи постоянного тока, отводится для разрыва проводящего контакта.
Промышленная применимость
Сверхпроводящая кабельная линия по настоящему изобретению соответствующим образом применяется в качестве линии для осуществления передачи электроэнергии различным силовым устройствам (электрооборудованию). Сверхпроводящая кабельная линия по настоящему изобретению может быть сконструирована, например, путем помещения сверхпроводящего кабеля в трубопровод, транспортирующий жидкий водород, и расположения теплообменного средства на водородной станции, присоединенной к этому трубопроводу. В этом случае линия по настоящему изобретению может применяться в качестве линии электроснабжения силовых устройств внутри водородной станции или в качестве линии электроснабжения любых других силовых устройств, которая подводит требуемую энергию из теплоизоляционной трубки для текучей среды. Кроме того, поскольку кабельная линия по настоящему изобретению может быть построена во время сооружения транспортировочного канала для жидкого водорода или водородной станции, увеличивается удобство прокладки.