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业务通讯 2012年

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SEI WORLD 2012年1月号(vol.412)

超导技术引领我们迈入节省能源和资源的社会。

住友电工自上世纪六十年代开始着手进行超导的研究和开发。现在,这项梦寐以求的技术终于进入了实际应用阶段。本公司的研究员佐藤谦一在材料研究方面富有二十三年的经验。他将为我们具体介绍超导技术的开发过程,及其将给未来和社会带来的变化。

佐藤 谦一

研究员
材料技术研究开发本部 超导总工程师
工学博士

佐藤 谦一

超导电缆终于进入实际验证测试阶段

  超导体在冷却并到达临界温度时,其电阻将变为零。这一超导现象自发现迄今已有一百年的历史。受NEDO委托,本公司开发的超导电缆将于今年应用于东京电力公司的交流电网,意味着超导技术终于进入了实际验证测试阶段。使用电阻接近于零的超导线可以大幅降低送电时产生的电力损失。并且,超导线的导电能力是相同横截面铜线的约200倍。对于像我这样已经从事超导研究二十三年的研究员而言,可谓是感慨万千。

NEDO:
独立行政法人 新能源和产业技术综合开发机构

制造终极零电阻电线

  1986年发现了临界温度远远高于以往超导体的高温超导体。在这之前一直从事电线材料开发工作的我也加入了超导研究的行列,我们一共有5名研究人员,肩负起“一起制造终极零电阻电线”这一光荣使命。

  这种高温超导体是陶瓷的一种。那时,我们对这种新材料的成分以及是否能做成线的形状都不太清楚。于是,我们从探索线材的结构着手,先用短的超导线试着制作了手掌大小的线圈、电缆、电机等产品,逐步扩大成果。经过八年左右的时间,我们终于了解到这种材料最长可做成1000米的线,并可导电。

  但在此后的很长一段时间内,开发工作都处于停滞不前的状态。我们都知道高温超导材料与瓷碗一样都是用陶瓷制作的,但在生产上却有诸多困难,其性能很难按照我们的预期得到很大提高。在烧制时材料会产生空洞,只能形成密度和特性都比较低的超导材料。公司进入了一个困苦时期,不知道是否应该继续将研究进行下去。不断测试不断失败,却没有丝毫进展,十分艰苦。

  但是,我们坚信,在原理上我们的研究方向是正确的。只是我们尚未推断出材料的性能和特质,不知道该用什么技术来实现原理。虽然很多参加超导研究的企业都已经退出了这一领域,但我们的积极性却丝毫没有下降。当我们的设想被实际数据证实时,我们会感受到莫大的喜悦。而在困难的时候,我们也学会了苦中作乐。如果没有如此乐观的心态,也许我们不会走到今天。作为材料工程师,我感到这种材料具有很大的挑战性。由于材料复杂,容易产生出均一或不均一的产品,如果在制造过程中不对制造条件进行严格管理,就不能生成好的产品。这正是显示技术人员实力的所在。

  转机出现在2004年。自上世纪九十年代开始,在探索这一最新制造技术的实际应用性的过程中,我们利用该技术生产出了相应的设备,并且使陶瓷密度达到了100%。我们终于得到印证,“终极电线”是可以被产品化的。

获得IEC/Thomas A. Edison Award奖,双重喜悦

  超导线是一项有着巨大发展空间的产品。为了进一步提高性能,降低成本,以及对应用产品的系统进行开发,我们的年轻员工正在不断努力着。研发团队从最初的5名成员,到现在已经发展壮大到有将近100名员工。

  弹指之间23年飞驰而过。虽然超导技术的发展是不连续的,但是在能源问题已然成为全球性课题的今天,该技术作为其中一项解决方案,在超导磁铁上得以实际应用,此外超导电缆也进入了实际验证测试阶段。技术确实应该顺应社会的需求才能够得到发展。如果不能满足社会需求,再出色的技术也不会有发展空间。掌握这类技术,实在是我们的幸运。

  去年秋天,我获得了IEC/Thomas A. Edison Award奖,这是对我多年来致力于超导领域国际标准的制定工作以及对我所从事的技术开发成果的认可。在墨尔本举行的颁奖典礼上,我发表了约一分钟的演讲。“这个奖项对我个人而言是一份荣誉,对于日本而言,对于各位专家而言,也是一件无尚光荣的事情。正值超导现象发现100周年,真可谓双重喜悦。

超导是传递自然能量的最佳途径

  超导将会给我们的社会带来何种变化?当然,这种变化不是一蹴而就的,但一定会稳步而切实地为社会带来变化。如果将超导线及装置进一步提高到系统层面上,便可以将其应用于能源及环境技术、交通技术、泛在应用、工厂及产品生产、医疗及分析等五大领域。其中有部分技术在核磁共振等医疗方面已经商品化,但如果在更多领域使用超导材料,一定会给我们今后的生活带来重大影响。

  在能源及环境技术领域中,超导技术可减少传输过程中的电力损失,且传输的电力是以往铜线传输的200倍,因此可以带我们迈入节省能源和资源的社会。单纯从材料用量而言,原本需要2吨铜才能传输的电力,现在只需使用10公斤的超导线就可以实现。

  并且,与传输交流电相比,超导更适合传输直流电,因此与太阳光、风力等自然能源相得益彰,成为解决能源问题的又一个方法。为了应对2030年用电高峰期的来临,现在日本政府计划要将自然能源供电量增加到国内供电量的三分之一。这样一来,大型的太阳能发电站将必不可少,但这些设施都必须建造在远离生活区域的地方。而如何将电力从如此偏远的地区运输到生活区域是一个很大的问题。这时就要靠超导线发挥其远距离高效运输电力的作用了。解决能源问题必须凭借制造电力和运输电力这两项技术并驾齐驱。超导电缆在远距离传输直流电方面有着超强的性能。因此,不管是太阳能电池生成的低电压直流电,还是目前最初为直流电,然后将直流电转变为商用频率的交流电的风力发电,都可以直接以直流电的形式传输出去,从而提高了传输效率。

用超导改变我们的生活

  现在,以日本科学家为中心正在积极推进“撒哈拉太阳能开发项目”。从撒哈拉沙漠中提取太阳能电池的原材料硅后,用太阳能电池生成电力,再利用该电力提炼硅原料,制造太阳能电池。这项远大计划旨在培养非洲的工业发展并促进当地的就业,同时将生产出来的电力通过超导电缆输送到欧洲。尽管到目前为止应用规模还不是很大,但即使在日本国内,如果先从有需求的地方开始逐步导入系统,也未尝不是一个良好的开端。

  在交通技术领域,超导线不但可用在电动汽车、磁悬浮列车上,还可以运用于直流电运行占半数的铁路上。并且,重量仅为以往电缆四分之一的小型超导电缆,还可沿高速公路设置,从而拓宽了新一代道路的服务性能。这些设想何时能付诸实现,还没有一个确定的时间轴,但在未来,毫无疑问,超导将为我们的生活提供很多支持。

可再生能源社会中的直流输电系统

■令人期待的超导应用领域

(1)地球与能源、环境技术(电力电缆、发电机、变压器、限流器等)
(2)城市基础设施与交通技术(船舶电机、超导汽车、磁悬浮列车等)
(3)日常生活与IT、泛在技术(互联网数据中心直流配电等)
(4)工厂与产品生产技术(单晶提拉装置、B-H波形记录器、诱导加热装置等)
(5)医疗与生物技术(MRI、NMR等)

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