超导电力线是否仍然可行？

大约从20年前开始，针对电力传输线使用超导体以取代传统的铜或铝导体，业界开始产生浓厚的兴趣、兴奋、炒作，并承诺这种超导电力线很快地将会出现，从而大幅降低损耗。根据估计，透过这一类电力线所传输的电力约有5%-10%会因为欧姆电阻而耗散，虽然这并不是一个很大的数字进展，但仍然够高到足以展现明显的损耗减少——尤其是使用超导体降低到接近于零——将大幅提高根本的效率和其他有益特性。

图1：电力传输线及其塔架有多种尺寸，与线路所承载的电压和电流成比例。（来源：OccupationalSafetyandHealthAdministration）

为什么要关注被动的电力线？这些电力线与发电和储能一样，是整个电力系统的三大支柱(图1)之一。无论电力是来自偏远的燃煤、燃油或燃气发电站，还是来自风能、波浪能、地热能或太阳能发电场等再生能源，都需要将产生的电力输送到负载。(请注意这里的术语：当然，这种”传输线”与射频”RF”传输线没有任何关系)。

诸如社区或个人风能或太阳能发电装置等高度本地化的电源，加上”专用的”电源管理系统和蓄电池，通常不需要长距离或甚至中程距离的输电线路，但大多数电力系统和使用者则有此需求。这些导体是复杂的系统，具有各种性能和热监测器，提供突波和闪电保护，必须处理潜在的“电晕放电”，还有许多其他考虑因素，这些都掩盖了其看似简单的功能。

超导输电线路带来更多可能的好处。除了大幅降低损耗，这些电力线的直径更小；能够使用更小型、较不具侵扰性的塔架；而且可能会是在密集城区执行高功率线路的一种解决方案，因为在这些地区并没有足够的空间来铺设实体上更大的传统电缆。

超导现象不仅受到温度的限制，还受到电流密度和材料所在磁场的限制。如果这三项参数中的任何一个超过临界值，超导现象就会消失，材料就会表现得像普通导体(相对于高温超导体而言，这是非常糟糕的导体)一样。不过，在适当的条件下，超导体所能处理的电流密度比起传统导体还要更高两个数量级以上。

更实际地应用这些电力线方面的重大突破是开发出所谓的“高温超导体”(HTSes或HTSC)。相较于以往的超导体，由于需要将其冷却到几开尔文(Kelvin)而使得成本高且过程复杂；高温超导体则只需冷却到77K，即可带来两大优势：它可以用充足的液态氮来实现，而且，很显然地，它比氦气的4K更容易冷却到77K。相比之下，铌钛(NbTi)只有在9.4K以下才具有超导性、需要液态氦冷却，而且非常难以制造和制成电缆。

由于这些高温超导体的可用性，因而在适当距离内布建了一些展示专案来测试这个概念。案例之一是位于德国埃森市(Essen)中心的AmpaCity专案，该专案自2004年起开始运行。由法国电缆公司耐克森(Nexans)提供的1公里交流(AC)电缆(图2)即以高温陶瓷超导材料为基础，采用三级设计，可在导电材料内外保持恒定的冷却剂流动。

图2：AmpaCity专案使用高温超导体，因而只需液态氮冷却；但其电缆结构仍然十分复杂。（来源：NexansviaModernPowerSystems）

二硼化镁(MgB2)是另一种前景看好的超导电力线候选材料，它主要以自然界中丰富的原材料为基础。根据一位消息来源表示，“MgB2易于实现商业化生产且成本低廉，因而比现有的超导材料更便宜。”但我想这应该都是以“相对”的基础而言；毕竟，对于任何超导材料或电缆，应该都无法联想到“容易”和“便宜”这两个词。

然而，相较于陶瓷高温超导体材料，MgB2也存在一个缺点：它需要加以冷却至25K以下。这就需要更复杂、更昂贵的冷却系统，而不仅仅是液态氮。使用这种材料制造的电缆主要由20K氦气冷却的低温内包层以及-276K液态氮冷却的外包层组成(图3)。

图3：使用二硼化镁(MgB2)的超导电缆需要液态氦和液态氮一起冷却；这比单独使用氦气更容易，但仍会导致电缆的设计非常复杂。（来源：NexansviaModernPowerSystems）

还有一些专案展示采用低温和高温超导体的超导输电线路，但相关报导并不多。制造和安装电缆的技术问题以及冷却要求对于广泛应用来说是否太具有挑战性？

超导被广泛应用于大型强子对撞机(LargeHadronCollider)和其他粒子物理加速器等独特的应用领域，甚至是医疗核磁共振成像(MRI)系统等主流应用领域，这些系统需要更高几个特斯拉(Tesla)数量级的强磁场来提供清晰的影像。但这些都是在可预测和可控制的环境中，利用已知和受限的磁源和负载来进行定义明确的安装。或许是长距离电力传输的崎岖世界并不适合超导、超冷电缆？抑或是超导电缆在安装、日常维护、意外停机和维修等方面的成本和困难并不值得？

您认为使用需要冷却的超导体所实现的电力传输之前景如何？我们是否需要等待无需任何冷却的所谓“室温超导体”——亦即“常温超导体”(room–temperaturesuperconductors；RTSC)出现？无论如何，有一点是肯定的：高电压/高功率的电缆在概念上十分简单，但实际上，无论是传统的铜/铝电缆还是超导电缆，都比这个概念更复杂得多了。

编译：Susan Hong

(参考原文：Are Superconducting Power Lines Still a Viable Option?，byBillSchweber)