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纳米材料和超导发电机的浅析中文摘要：本文研究了纳米材料及纳米技术，超导、超导材料的概念和超导材料的性质及其应用。同时讲述了两种可以提高超导材料超导特性的纳米材料的制备方法。还介绍了目前超导发电机特征，结构，两种方案，与常规发电机的不同及研究成果和运行状况等。还有其他超导材料在电力方面的其他应用。关键词：纳米、纳米材料、超导、超导发电机英文摘要：This paper studies the nanometer material and nanometer technology, superconductivity, superconducting materials of concepts and superconducting material properties and its application. At the same time tells the story of two can improve superconductor superconductivity of nano-material preparation methods. Also introduces the characteristics, structure, superconducting generators two schemes, and conventional generator is different and research achievements and operation condition and so on. There are other superconducting materials in the power of other applications.英文关键词：Nanotechnology, nanometer material, superconductivity, superconducting generators1、引言 在一个科技高速发展的今天，人们越来越发现，能源的紧缺。不仅是煤炭、石油、天然气，最重要的是电能。然而目前的状况是用电量相当大，且有明显的高峰和低峰，还伴有很大浪费。最严重的浪费是在发电和输电上，比如发电机，一台30万KV的发电机，出口电压是3万V，那么这台发电机绕线中通过的电流就是10KA，估算其导线电阻为1，导线消耗功率10KW。同理输电线路上消耗的功率更大（导体越长，电阻越大）。为避免不必要的浪费，人们研究发现超导体，但要在摄氏零下200左右，才能让某些导体变成零电阻。但是这样的条件是不可能应用到实际生产中的。这时发现了纳米技术能够大大降低超导材料对温度的要求。2、纳米及纳米技术的定义 2.1纳米的定义 纳米是一种长度单位，原称毫微米，就是10-9米（10亿分之一米），现在大多数提到纳米，多数指的是纳米量级这个概念。在0.1100纳米之间颗粒都算是纳米量级的。 2.2纳米技术的三种概念 （1）第一种，是1986年美国科学家德雷克斯勒博士在创造的机器一书中提出的分子纳米技术。根据这一概念，可以使组合分子的机器实用化，从而可以任意组合所有种类的分子，可以制造出任何种类的分子结构。这种概念的纳米技术未取得重大进展。 （2）第二种概念把纳米技术定位为微加工技术的极限。也就是通过纳米精度的“加工”来人工形成纳米大小的结构的技术。这种纳米级的加工技术，也使半导体微型化即将达到极限。现有技术即便发展下去，从理论上讲终将会达到限度。这是因为，如果把电路的线幅变小，将使构成电路的绝缘膜的为得极薄，这样将破坏绝缘效果。此外，还有发热和晃动等问题。为了解决这些问题，研究人员正在研究新型的纳米技术。 （3）第三种概念是从生物的角度出发而提出的。本来，生物在细胞和生物膜内就存在纳米级的结构。所谓纳米技术，是指在0.1100纳米的尺度里，研究电子、原子和分子内的运动规律和特性的一项崭新技术。科学家们在研究物质构成的过程中，发现在纳米尺度下隔离出来的几个、几十个可数原子或分子，显著地表现出许多新的特性，而利用这些特性制造具有特定功能设备的技术，就称为纳米技术。3、超导材料的定义具有在一定的低温条件下呈现出电阻等于零以及排斥磁力线的性质的材料。现已发现有28种元素和几千种合金和化合物可以成为超导体。4、超导材料的特性4.1零电阻性 超导材料处于超导态时电阻为零，能够无损耗地传输电能。如果用磁场在超导环中引发感生电流，那么这一电流可以毫不衰减地维持下去。这种“持续电流”已多次在实验中观察到。超导现象是20世纪的重大发明之一。科学家发现某些物质在温度很低时，如铅在7.20K（-265.95）以下时，电阻就变成了零。4.2完全抗磁性 超导材料处于超导态时，只要外加磁场不超过一定值，磁力线不能透入，超导材料内的磁场恒为零。4.3约瑟夫森效应 两超导材料之间有一薄绝缘层（厚度约1nm）而形成低电阻连接时，会有电子对穿过绝缘层形成电流，而绝缘层两侧没有电压，即绝缘层也成了超导体。当电流超过一定值后，绝缘层两侧出现电压U（也可加一电压U），同时，直流电流变成高频交流电，并向外辐射电磁波，其频率为，其中h为普朗克常数，e为电子电荷。这些特性构成了超导材料在科学技术领域越来越引人注目的各类应用的依据。 5、纳米技术对于超导材料的革新 超导材料的性能的的确确非常好，但是它也有局限性。1911年超导的临界温度是4.15K，在1961年间在科学家不断研究下温度升到了23.3K，而且被认为是极限值，不能在提高了。而在1987年，高温铜氧化物（YBCO）的临界温度到达了93K引起了世界轰动，这让使用液氮作为冷却剂成为了可能。在这之前的超导体都是用液氦作为冷却剂，其价格很高，而液氮是氧气制备的副产物，相对液氦很廉价。这使得超导不再是个空谈和仅仅存在与实验阶段的想法，证明他可以拿到桌面上作为正式的研究和可供未来使用的技术。 于是高温铜氧化物（YBCO）已经是目前研究较多的超导材料，在研究其超导性的同时人们对超导体的制备和加工进行了详细的研究。国外内的研究表明要制得高性能的YBCO，就必须先制备YBCO 纳米粉末获得100 nm左右的超细粉, 这将大大提高YBCO 材料的分散度和均匀性, 从本质上提高YBCO 材料的性能。1后来又经过研究发现BSCCO和MgB2也可以提高超导材料性能。6、纳米超导材料的制备6.1还原法制备金属镍纳米颗粒掺杂MgB2超导材料的方法2首先，制备 Ni(OH)2-B先驱粉，将Ni(NO3 )26H20粉和B粉在蒸馏水中充分混合搅拌，并用用NaOH溶液滴定，然后将沉淀在真空干燥箱中干燥除水；将干燥后的Ni(OH)2-B先驱粉放入管式炉中，在氮气或氩气保护下，进行煅烧，使Ni(OH)2 ：分解后得到 NiO-B混合粉体；升温通入H2，流量使NiO被充分还原得到Ni-B混合粉体；将符合Mg与B原子比为（11.5）：2的 Mg 粉与 Ni-B粉末混合压片于差热分析仪（DTA）中 650850烧结3O60 min 后冷至室温。本发明制得的镍颗粒平均直径为5nm，且均匀分布在B基体内部，所得试样成分稳定，不容易形成团聚，形态特征明显。与其他金属掺杂物相比，具有制备方法简单，成本低廉，掺杂效果明显等优点。 CN，1014508046.2柠檬酸盐热分解法制备YBCO纳米超导材料3将Y(NO3) 3 ( 99 . 5 % )、 Ba (NO3 ) 2 ( 99 . 5% ) 和 Cu (NO3 ) 2 3H2O (99 . 5 % )粉末 ,分别按YBaCu = 358的摩尔比例称量 ,然后同放入烧杯中用热的去离子水充分溶解 ,再加入计算量的柠檬酸 ,用 25.028.0%的氨水调节pH = 6.7,最后将装有深蓝色透明溶液的烧杯放入磁力搅拌器中用90的水浴加热搅拌蒸发 ,当溶液开始变粘稠时 ,就立即把烧杯中的溶液倒入蒸发皿中 ,然后将其移至石棉网上用酒精喷灯加热 ,随着溶液中水分的蒸发 ,溶液越变越稠 ,待溶液中的水分蒸发完后 ,粘性物质会迅速自燃 ,最后将得到具有棕黑色呈蓬松枝状的粉体。将所得粉体在 860空气中预烧 24小时 ,自然冷却至室温 ,然后经充分研磨后再在 920氧气环境中预烧 24小时 ,自然冷却至室温。为保证反应充分 ,将所得粉体再次充分研磨、压片后 ,温度经 1 . 5h升至 920,在氧气环境中高温预烧 24小时后退火至 400,并在400持续通氧10小时。经以上实验过程后，我们制得了名义组分为Y3Ba5Cu8O18的样品。7、超导发电机 7.1励磁线圈采用超导体的超导发电机的特征417 (1) 由于发电机效率提高了 0. 5 %l % ,降低燃料费用和 CO2 的排放量 ,实现了设备的小型化和轻量化（体积重量减半）,降低制造和建设成本。(2 ) 由于同步电抗降低 （常规发电机的1/ 2l/ 5） ,提高了电力系统的稳定性（送电线路的临界送电电力约提高了30 %）。(3) 扩大进相运行范围(其额定范围和同容量的进相无功功率相比) ,提高了运行性能。(4) 扩大了大容量机组制造限界（约单机最大容量的2倍）。 7.2超导发电机同常规发电机构造的比较417比较项目 超导发电机 常规发电机转子转子 励磁线圈 导线 超导线 非超导线冷却介质 液态氦 氢气温度 -269 45110转子轴 材料 非磁性钢 磁性钢构造 多层圆筒真 单轴构造空隔热构造定子 电枢线圈 导线 非超导线 非超导线构造 细线双重换位 半角铜线水平换位线圈方式 空隙线圈 铁芯开槽内线圈电枢线圈外周 磁屏蔽 铁芯7.3超导发电机的基本结构4177.4目前超导发电机的主要研究课题418 （1）空隙电枢线圈：降低导体损耗，线圈支架和固定方法。 （2）多层圆筒转子：构造材料的选定，加工和安装技术。 （3）励磁线圈：发挥超导体的高性能，线圈的支架和固定方法。 （4）冷却系统：氦气的密封可靠性。 （5）运行控制：启动，停止，突变检测。7.5高速超导发电机方案447 方案1：将主磁通保持在一般的水平。那就意味着定子仍旧是常规的。换句话说 ，有可能在定子无需改进的情况下，将超导转子放人其中。作为一种不利情况，在一个给定的电机体积下 ，通常不可能显著地增加输出功率。这个方法的益处是没有将超导体绕组加载到极限。风险：中等，都集中在转子上。 方案2 ：主磁通增大。此时定子铁心齿部的损耗将超载。该方法是一个备有定子气隙绕组的无齿定子。因此，更多的功率可以从给定的电机体积中得到。因为是新结构 ，所以必须把定子气隙绕组看作是一个额外的风险。机械固定和间接冷却需要通过一些试验来 证实。风险大，对转子和定子均有。 7.6超导发电机的研究成果547美国通用电气公司的 100 MV A高温超导体转子：在电厂用发电机领域中，美国通用电气公司的一个 2600000美元的方案正在进行中，其目标是制造一台于2006年在试验台进行试验的100 MV A原型发电机（3600 rmin汽轮发电机） 。除了已知的优点 （降低损耗 4 0 ；增加电机在电网上运行的可靠性）以外，制造厂还提到转子中没有热循环（冷却后 ，转子在低温下保持恒定 ）。 美国通用电气公司将焦点集中在高温超导体转子，打算在只稍作修改的常规定子中安装一台替换转子。该方案得到研究与开发部门的物力支持：除了Niskyayuna研究中心以外，美国能源部的公司还包括奥克里季和洛斯阿拉莫斯两市的国家实验室。转子包括一个磁性铁心，其周围装有螺旋管线圈 。该线圈备有一个冷却管道。螺旋管线圈与一块用固定螺钉支承在转子铁心上的线圈护板靠紧。紧随着100MV A转子的将是 250MV A转子。 美国超导体公司的 8 MVar 无功伏安调相机：美国超导体公司已经开发一台 8 MVar 旋转的无功伏安调相机，打算用它来作为美国田纳西流域管理局超导转子外壳的解决方法 。所涉及的电机制造商为Ideal电气公司。在经历一些初期不利条件之后，该调相机已于 2004年下半年进行了首次试运转试验。因为采用比较高的 1800 rmin转速（ 4极转子），所以该方案在 这点上受到了关注。该转子结构不同于美国通用电气公司的：线圈为马鞍式，叠在转子铁心上。用27K温度下的沸腾的氖进行冷却。定子为常规的，转子用一台小型电动机起动。 7.7超导发电机的运行状况548 电气性能：超导发电机本来就有一个比普通发电机大的磁化气隙。因此，同步电抗 相当低，其值为0.5p u ，而不是2.5p u 。超导发电机有使电压趋于稳定的特点。这在孤立地区的运行中是受欢迎的，但是，当并网供电时，超导发电机在电网电压改变的情况下会过度负载。为了避免过载，需要迅速调节。当超导发电机与常规发电机联合运行时，其电流的分配仍需用数值模拟法进行计算和优化。因为同步电抗较小，所以正常运行中的转子功率角较小。这就为防备失步留下较大的裕度。短路电流和转矩可与常规发电机的相比。至于负序运行（持续与瞬时） ，超导发电机也应该满足标准要求。由于有比较大的转子安匝数，转子将允许额定电流下较低的功率因数。因为电抗较小，所以发电机也可用于欠励下较低功率因数，并保持一个稳定极限余量。 励磁回路的特性是完全新的。这已导致回路的许多改进，有些改进已安排在旋转系统内。未来将表明，转子哪种励磁 ( 静止的或旋转的)方式将最适合于超导转子。旋转励磁机有这样的优点：励磁电流仍然在旋转系统中，只在稳态运行时补加小的点滴式充电。 但是，在电网受到干扰的情况下，旋转励磁机必须有一个大的阶跃电压作为响应。 监测与维护：转子绕组有必要对超导性能的降低进行快速监测，采用一种所谓的阻尼检测器。一个难题将是提取感应电压成分。这可借助于一种差动保护( 例如，绕组抽头与比较电压 )来实现。为此，务必将这些信号发送给静止系统 ，甚至将它们用旋转系统的一个逻辑线路来测定。旋转系统中一个最重要的数值大概还是真实的绕组温度。此外，冷却装置将需要进行监测。目前合用的制冷系统（压缩机与冷却装置）都需要定期维护。冗余系统使运行变得更加可靠，但维护不会是比较简单。然而，无需中断运行就可以进行维护。这种维护应该与电站所有维护观念相适应。关于试运行和突然停机时的冷却时问的问题需要研究。对于大型发电机来说，应该考虑到冷却时间至少为24 h 。当达到某一阈值时，上述温度检测允许加强。为了避免冷却滞后，超导体转子绕组经常保持在低温下，该温度与运行或停机无关。一些制造厂把这个看成是一个优点：这种转子的冷热循环应力比常规转子的要低得多 （寿命期限内）。 由于其复杂性和清洁方面的一些要求，高温超导体转子将不在电厂进行修理或整修。因此，必须采取新的备用转子对策。 8、超导材料的其他应用8.1磁流体发电机：磁流体发电机同样离不开超导强磁体的帮助。磁流体发电发电，是利用高温导电性气体（等离子体）作导体，并高速通过磁场强度为5万6万高斯的强磁场而发电。其结构非常简单，用于磁流体发电的高温导电性气体还可重复利用。 8.2超导输电线路：超导材料还可以用于制作超导电线和超导变压器，从而把电力几乎无损耗地输送给用户。据统计，目前的铜或铝导线输电，约有15% 的电能损耗在输电线路上，光是在中国，每年的电力损失即达1000多亿度。若改为超导输电，节省的电能相当于新建数十个大型发电厂。 8.3超导材料储能超导储能是利用LC震荡原理，首先将电能冲入大电容之中，然后接入电感线路之中，电能会在LC电路中，进行电到磁，再由磁到电的循环转化。由于电路中的电感和电容是由超