從磁懸浮列車到鐵路均可使用的超導(dǎo)節(jié)電技術(shù)(上)
以磁懸浮列車為首,超導(dǎo)技術(shù)在鐵路各領(lǐng)域的應(yīng)用備受期待。東海旅客鐵道(JR東海)提出的2027年開業(yè)的磁懸浮中央新干線,超導(dǎo)是主要技術(shù)這這自不必說,將來該技術(shù)還有望導(dǎo)入現(xiàn)有鐵路線的蓄電裝置及供電電纜(圖1)。
圖1:JR東海的超導(dǎo)磁懸浮列車(Maglev)“MLX01-1”
曾在2005年愛知世博會(huì)上展出。
在鐵路以外,超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用范圍也很廣。設(shè)想將該技術(shù)應(yīng)用于MRI(核磁共振成像)裝置及污水處理等,需要強(qiáng)力磁場(chǎng)的裝置及系統(tǒng)。
今后尤為看好的是高溫超導(dǎo)材料的應(yīng)用。采用該材料,能夠以更少的能量驅(qū)動(dòng)磁懸浮列車,或者減少現(xiàn)有鐵路線中上的供電損失。如果采用于軸承上,還可實(shí)現(xiàn)低損失的大型蓄電用飛輪,可有效利用再生能量。
因無需制冷機(jī)故可小型化
正在研發(fā)此類高溫超導(dǎo)技術(shù)的是日本鐵道綜合技術(shù)研究所(鐵道綜研)。如,使用稀土類元素(RE)的高溫超導(dǎo)線材就是正在開發(fā)的超導(dǎo)技術(shù)之一。RE類線材是一種擁有X-Ba-Cu-O(X為稀土類元素)成分的材料。這種材料在高磁場(chǎng)中的臨界電流密度較大,特性不易劣化。
2010年,鐵道綜研開發(fā)出了在線圈中使用釔(Y)類高溫超導(dǎo)線材的小型超導(dǎo)磁鐵(圖2)。通過發(fā)展該技術(shù),超導(dǎo)磁懸浮列車配備的超導(dǎo)磁鐵有望實(shí)現(xiàn)小型化并降低運(yùn)用成本。
圖2:使用釔類高溫超導(dǎo)線材的小型超導(dǎo)磁鐵
設(shè)想配備在磁懸浮列車上,尺寸為現(xiàn)行Maglev的約1/4??删S持1T以上的磁場(chǎng)在9小時(shí)以上。
此次開發(fā)的小型超導(dǎo)磁鐵,其外形尺寸為寬600×高400×進(jìn)深200mm,大約是JR東海的超導(dǎo)磁懸浮鐵道山梨實(shí)驗(yàn)線上行駛的“Maglev”*1上所配超導(dǎo)磁鐵的約1/4。通過改進(jìn)隔熱構(gòu)造,只要冷卻到20K,便可在9個(gè)多小時(shí)內(nèi)使線圈溫度保持在50K以下。而如果線圈溫度在50K左右,就能夠形成1T(特斯拉)以上的磁場(chǎng)。
*1 Maglev一詞由磁懸浮Magnetically Levitation的前幾個(gè)字母組成。
現(xiàn)有Maglev的超導(dǎo)磁鐵線圈使用了鈮鉍(Nb-Ti)類線材,用液氦(He)冷卻至4.2K。為了持續(xù)冷卻液氦,超導(dǎo)磁鐵分別安裝了制冷機(jī),并在車輛上配備燃?xì)廨啓C(jī)作為制冷機(jī)的電源。
然而,以液氮冷卻的小型超導(dǎo)磁鐵,其熱容量為現(xiàn)有超導(dǎo)磁鐵的約1000倍,對(duì)溫度上升的耐受能力很強(qiáng)。由于能夠長(zhǎng)時(shí)間維持超導(dǎo)狀態(tài),因此無需為每個(gè)線圈配備制冷機(jī)。而且還可省去線圈的輻射熱遮蔽材料及液氦罐,從而可實(shí)現(xiàn)小型化。這樣便有望使將來的磁懸浮列車降低制造成本及運(yùn)行成本*2。
?。? 即使要配備制冷機(jī),也只需維持較高溫度的小型機(jī)即可。
2012年力爭(zhēng)達(dá)到5T
鐵道綜研今后打算以增加線圈匝數(shù)等使外形尺寸變化不太大的情況下,實(shí)現(xiàn)與目前的鈮鉍類磁鐵同等程度的5T磁場(chǎng)。鐵道綜研磁懸浮鐵路技術(shù)研究部低溫系列研究室長(zhǎng)長(zhǎng)島賢自信地表示:“只要掌握超導(dǎo)線材的性能,憑我們的能力和經(jīng)驗(yàn)就能設(shè)計(jì)出具有實(shí)用水平的磁鐵”。
另外,現(xiàn)為9小時(shí)左右的運(yùn)行時(shí)間也應(yīng)能進(jìn)一步延長(zhǎng)。鐵道綜研表示,只要減小超導(dǎo)線材以外部分的電阻,即有望將連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)間延長(zhǎng)到1天左右。
實(shí)用面臨的課題,不僅有性能,還有可靠性。這就是對(duì)可在何種程度上防止失超*3而穩(wěn)定發(fā)揮磁鐵功能的疑問。
*3 失超是指某種原因引發(fā)的容器無法保持隔熱性,或磁通釘扎(Flux Pinning)稍有偏移,導(dǎo)致從超導(dǎo)狀態(tài)一下子變?yōu)槌?dǎo)狀態(tài)的現(xiàn)象。
“RE類線材作為磁浮懸列車用磁鐵是一種新型材料,因此有可能需要新的評(píng)測(cè)方法”(長(zhǎng)島賢)。鐵道綜研計(jì)劃2012年開發(fā)擁有5T能力的磁鐵,并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)評(píng)測(cè)*4。
*4 不過,JR東海目前正在計(jì)劃的磁懸浮中央新干線預(yù)計(jì)將采用現(xiàn)有的鈮鉍類磁鐵。這是由于鈮鉍類磁鐵已在山梨實(shí)驗(yàn)線經(jīng)過了長(zhǎng)期試驗(yàn)。
另外,還考慮將其推廣至磁懸浮新干線以外的領(lǐng)域。這是因?yàn)?,利用RE類線材的磁鐵即使沒有制冷機(jī)也可長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn),并且還小型、易操作。例如,在利用磁力的污水凈化裝置、電車減速時(shí)蓄積再生能量的蓄電用飛輪上應(yīng)用的探討已經(jīng)開始。
應(yīng)用于飛輪時(shí),在軸承部分采用高溫超導(dǎo)線圈以及后面將提到的高溫超導(dǎo)塊材,以非接觸方式支撐旋轉(zhuǎn)軸。具體而言,就是以高溫超導(dǎo)線圈作起動(dòng)器,支持嵌有高溫超導(dǎo)塊材的旋轉(zhuǎn)軸(圖3)。整個(gè)飛輪收放在低溫恒溫器中,軸承部分以稀薄的低溫氦氣冷卻。通過利用基于超導(dǎo)線圈的電磁鐵來支撐超導(dǎo)塊體,能夠以非接觸方式支撐重達(dá)數(shù)噸的巨大飛輪。(未完待續(xù))
圖3:飛輪試驗(yàn)裝置和超導(dǎo)線圈
可用定子采用高溫超導(dǎo)線圈、轉(zhuǎn)子采用高溫超導(dǎo)塊體的軸承,以非接觸方式支撐50kg左右的飛輪(a)。下方的照片為用作定子的高溫超導(dǎo)線圈試制品(b)。
評(píng)論