Здесь вступает в действие хорошо знакомый нам со школьной скамьи закон Ома. Чем длиннее линия передачи, тем больше ее электрическое сопротивление, а следовательно, тем большая часть выработанной энергии рассеивается, переходит в тепло и не доходит до потребителя.
Значительная часть электрической энергии передается сейчас с помощью воздушных высоковольтных линий. С растущей потребностью в энергии возникает необходимость строительства и новых энергетических сетей. Однако, по крайней мере в густо населенных промышленных районах, уже становится практически невозможным прокладывать все новые воздушные линии.
…Если вы, гуляя за городом, будете проходить мимо воздушной линии электропередачи, то убедитесь, насколько она портит окружающий ландшафт. А сколько урожая недодает нам земля из‑за невозможности ее продуктивного использования вблизи высоковольтных трасс, сосчитать трудно!
Казалось, сама природа борется с нарушением ее гармонии. Нередки случаи, когда при обрыве проводов воздушных линий электропередачи в результате бурь и ураганов или их обледенения при сильных морозах селения или даже целые города на длительное время остаются без электроэнергии.
Уже сегодня часть электроэнергии передается по подземным кабелям.
Мысль об использовании для этой цели сверхпроводящих кабелей является весьма заманчивой.
Казалось, проводник без омического сопротивления является идеальным средством для передачи электрической энергии. Но здесь еще в большей степени, чем для сверхпроводящих магнитов, имеет значение экономическая целесообразность. Одно дело — охлаждать до гелиевых температур аппарат, имеющий ограниченный объем, другое дело — поддерживать при температуре вблизи абсолютного нуля линии протяженностью в десятки и сотни километров. При этом через каждые несколько километров необходимо устанавливать станции охлаждения, обеспечивающие непрерывную циркуляцию жидкого гелия, и гарантировать надежность их работы.
Насколько же сверхпроводящий кабель с неотъемлемой от него достаточно сложной системой охлаждения с помощью жидкого гелия является экономичным? Над этими проблемами усиленно работают во многих научно — исследовательских институтах и лабораториях мира.
По мнению советских специалистов, сверхпроводящий кабель, охлаждаемый жидким гелием, целесообразно применять для передачи электрической энергии большой мощности, начиная от двух — трех миллиардов ватт.
Несравненно более широкие перспективы откроются, когда инженеры освоят изготовление сверхпроводящих кабелей, охлаждаемых жидким азотом. Такие кабели способны заменить воздушные линии электропередач.
График суточного потребления энергии похож на рельеф сильно пересеченной местности, где высокие холмы перемежаются глубокими оврагами. Так, например, зимой пик мощности приходится на 6–7 часов вечера, а в 2–3 часа ночи потребление электрической энергии становится мизерным.
Чтобы выпрямить график суточного потребления электрической энергии, всем людям пришлось бы не спать, а предприятиям и учреждениям работать круглосуточно.
Но стоит ли превращать ночь в день, даже в угоду энергетикам?
А что, если при электростанции построить «склад» электрической энергии, подобно тому как существуют склады готовой продукции на промышленном предприятии?
Ночью склад будет пополняться избытком электрической энергии, а днем потребители смогут получать электроэнергию со склада.
Предложено несколько проектов «складов», или, как их называют, накопителей электрической энергии. Пожалуй, наиболее перспективным из них является проект, основанный на использовании сверхпроводимости., Действительно, сверхпроводящее кольцо, по которому месяцы и годы непрерывно течет незатухающий электрический ток, чем не идеальное хранилище электрической энергии?
Сверхпроводящий индуктивный накопитель электрической энергии представляет собой, по сути, трансформатор, первичная обмотка которого выполнена из нормального, то есть не сверхпроводящего, провода. Вторичная, сверхпроводящая, обмотка такого трансформатора имеет вид гигантского «бублика» диаметром в несколько сот метров.
Постоянный ток, поступающий в первичную обмотку периодически (циклически), прерывается. В результате в сверхпроводящей обмотке индуцируется незатухающий электрический ток.
Подсчитано, что экономически выгодным может быть индуктивный накопитель с запасом энергии не менее 27 миллиардов ватт — часов.
Эксплуатация такого накопителя требует особо тщательных предосторожностей.
Склад электрической энергии. Проект сверхпроводящего накопителя электрической энергии, разработанный учеными Висконсинского университета (США). Эта установка содержит сообщающиеся каналы (1), в которых находятся сверхпроводники. В них из холодильного устройства (2) накачивается жидкий гелий.
Если обмотка вдруг перейдет из сверхпроводящего в обычное состояние, то циркулирующий в ней ток, силой в сотни тысяч ампер, моментально испарит и ее и всю установку. Это эквивалентно взрыву небольшой атомной бомбы.
Такие установки должны быть расположены глубоко под землей, вдали от городов.
Однако расходы на построение сверхпроводящих накопителей должны окупиться с лихвой.
Американские специалисты подсчитали, что двадцать подобных накопителей дадут возможность уменьшить капиталовложения в развитие энергетики США на 45 миллиардов долларов.
Резервуар для охлаждения катушки сверхпроводящего накопителя с запасом энергии 27 миллиардов ватт — часов по расчетам должен содержать 600 тысяч кубических метров, то есть, по сути, небольшое озеро жидкого газа.
В одном из проектов сверхпроводящего индуктивного накопителя электрической энергии такое «озеро» предлагается наполнять жидким водородом.
Но почему водородом? Ведь высокотемпературные керамические сверхпроводники можно охлаждать даже жидким азотом.
Водород сам по себе является источником энергии. Это прекрасное топливо для котлов электростанций, двигателей автомашин, тепловозов и самолетов.
Чтобы заменить органическое топливо водородом, его необходимо вырабатывать в больших количествах из морской воды. Предполагается, что это будет осуществляться на атомных, а позже на термоядерных станциях.
Тогда сверхпроводящий накопитель электрической энергии будет одновременно служить складом идеального горючего. Отсюда жидкий водород будет направляться потребителям, «по дороге» охлаждая сверхпроводящие кабели, несущие электрическую энергию.
Развитой промышленности требуются электродвигатели все большей мощности. Увеличивается мощность электрических машин — повышается их сложность, увеличиваются габариты, которые в конце концов превышают разумные пределы. Такие машины становятся, в частности, нетранспортабельными. Для электродвигателей постоянного тока предел мощности в общепринятом конструкторском решении составляет 10 миллионов ватт.
Практически перешагнуть этот барьер можно только при использовании сверхпроводимости.
Сверхпроводящая машина постоянного тока имеет неподвижный индуктор с обмотками возбуждения и вращающийся якорь.
Сверхпроводящие обмотки возбуждения располагаются в неподвижном криостате. В его центральном отверстии вращается «теплый» обычный якорь.
Плотность тока в обмотке сверхпроводящей машины может достигать 1000 ампер на квадратный миллиметр. При таком токе возбуждается достаточно сильное магнитное поле без помощи железа и отпадает надобность в ферромагнитном сердечнике.
Если учесть, что в обычных электрических машинах основную массу составляет железо, то нетрудно себе представить, насколько уменьшаются габариты и масса сверхпроводящей машины. Многие детали машины могут быть изготовлены из… пластмассы.
Малая инерционность и хорошая регулируемость сверхпроводящего электродвигателя постоянного тока создают хорошие перспективы для его применения в качестве привода прокатных станов, больших насосов и вентиляторов на электростанциях, шахтных подъемников и в ряде других отраслей промышленности.
