Сверхпроводящая кабельная линия

Сверхпроводящая кабельная линия

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники

Настоящее изобретение относится к линии энергоснабжения, включающей в себя сверхпроводящий кабель. Конкретнее, настоящее изобретение относится к сверхпроводящей кабельной линии, которая снижает проникновение тепла в сверхпроводящий кабель, для уменьшения энергозатрат на охлаждение хладагента, используемого в этом кабеле, и позволяет увеличить коэффициент полезного действия (КПД) всей линии.

Уровень техники

Традиционно был известен сверхпроводящий кабель, включающий в себя теплоизоляционную трубку, внутри которой помещается кабельная жила, имеющая сверхпроводниковый токопроводящий слой. Такой сверхпроводящий кабель может представлять собой, например, одножильный кабель, имеющий теплоизоляционную трубку, в которой помещается одна кабельная жила, или трехжильный кабель, в котором помещается три кабельных жилы в жгуте. Фиг.7 представляет собой вид в поперечном сечении трехжильного сверхпроводящего кабеля для передачи трехфазного переменного тока. Фиг.8 представляет собой вид в поперечном сечении каждой из кабельных жил 102. Этот сверхпроводящий кабель 100 имеет конструкцию, в которой три скрученные кабельные жилы 102 заключены в теплоизоляционную трубку 101. Теплоизоляционная трубка 101 имеет конструкцию, в которой теплоизоляционный материал (не показан) расположен между стенками двойной трубки, образованной внешней трубкой 101a и внутренней трубкой 101b, а воздух между трубками 101a и 101b откачан. Каждая кабельная жила 102 включает в себя, считая от его центральной части, основание 200, сверхпроводниковый токопроводящий слой 201, электроизоляционный слой 202, сверхпроводниковый экранирующий слой 203 и защитный слой 204. Пространство 103, ограниченное внутренней трубкой 101b и каждой кабельной жилой 102, становится каналом для хладагента, такого как жидкий азот. Сверхпроводящее состояние сверхпроводникового токопроводящего слоя 201 и сверхпроводникового экранирующего слоя 203 кабельной жилы 102 поддерживается с помощью охлаждения хладагентом. На внешней периферии теплоизоляционной трубки 101 выполнен противокоррозийный слой 104.

Сверхпроводящий кабель должен постоянно охлаждаться хладагентом, таким как жидкий азот, для поддержания сверхпроводящего состояния сверхпроводникового токопроводящего слоя и сверхпроводникового экранирующего слоя. Поэтому линия, в которой используется такой сверхпроводящий кабель, обычно включает в себя систему охлаждения для хладагента. В этой системе осуществляется циркуляционное охлаждение, при котором выпускаемый из кабеля хладагент охлаждается, и охлажденный хладагент снова поступает в кабель.

При охлаждении хладагента до подходящей температуры системой охлаждения сверхпроводящий кабель может сохранять сверхпроводящее состояние сверхпроводникового токопроводящего слоя и сверхпроводникового экранирующего слоя за счет снижения в достаточной мере увеличения температуры хладагента из-за тепла, образующегося при протекании тока, или проникновения тепла в кабель снаружи, например, из атмосферы. Однако, когда хладагентом является жидкий азот, энергия, требуемая для охлаждения хладагента с тем, чтобы компенсировать такое образующееся тепло или проникающее теплом, становится по меньшей мере в 10 раз большей, чем энергия, отобранная хладагентом при охлаждении кабеля. Поэтому, когда сверхпроводящая кабельная линия, включающая в себя систему охлаждения хладагента, рассматривается в целом, коэффициент полезного действия (КПД) становится равным примерно 0,1 или ниже. Столь низкий КПД - это одна из причин явления пониженной применяемости сверхпроводниковых устройств, таких как сверхпроводящий кабель. Соответственно, в каждом из выложенного патента Японии № 2002-130851 (патентный документ 1) и выложенного патента Японии № 10-092627 (патентный документ 2) предлагается охлаждать хладагент сверхпроводящей обмотки с использованием охлаждающего теплового эффекта от сжиженного природного газа (СПГ).

С другой стороны, в связи с продолжающимися разработками транспортных средств на топливных элементах имеются планы постройки во многих местах Японии водородных станций для хранения сжатого водорода или жидкого водорода, которым будут заправляться транспортные средства на топливных элементах. Водородные станции включают в себя, например, резервуар для хранения произведенного на заводе и транспортированного жидкого водорода или жидкого водорода, произведенного на этой станции, и систему охлаждения для сжижения испаренного водорода для поддержания его жидкого состояния. Хотя водород может поддерживаться в жидком состоянии с помощью охлаждения до подходящей температуры этой системой охлаждения, проникновение тепла в кабель снаружи становится большим, поскольку жидкий водород имеет криогенную температуру кипения в примерно 20 K, которая существенно отличается от обычной температуры атмосферы. Поэтому требуется огромное количество энергии для охлаждения жидкого водорода с целью снижения увеличения температуры из-за проникновения тепла.

Патентный документ 1: выложенный патент Японии №2002-130851

Патентный документ 2: выложенный патент Японии №10-092627

Раскрытие изобретения

Проблемы, решаемые изобретением

Каждый из описанных выше патентных документов 1 и 2 раскрывает только использование охлаждающего теплового эффекта от СПГ для охлаждения хладагента сверхпроводящей обмотки и не рассматривает способов снижения проникновения тепла снаружи. С другой стороны, также желательно снизить энергозатраты на охлаждение водорода на жидководородных станциях, как описано выше.

Поэтому основная задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить сверхпроводящую кабельную линию, которая способна снизить проникновение тепла в сверхпроводящий кабель и способна радикально сократить затраты энергии на охлаждение сверхпроводящего кабеля и затраты энергии на охлаждение жидкого водорода.

Средства для решения этих проблем

В настоящем изобретении вышеописанная задача решается с помощью расположения сверхпроводящего кабеля в теплоизоляционной трубке, транспортирующей жидкий водород, и обеспечения теплообмена между жидким водородом и хладагентом кабеля. То есть сверхпроводящая кабельная линия по настоящему изобретению включает в себя теплоизоляционную трубку для текучей среды для транспортировки жидкого водорода и сверхпроводящий кабель, заключенный внутри этой теплоизоляционной трубки для текучей среды, для охлаждения сверхпроводящей части хладагентом, имеющим более высокую температуру, чем температура жидкого водорода. В ее состав дополнительно входит теплообменное средство для охлаждения жидкого водорода и подъёма температуры хладагента сверхпроводящего кабеля, охлаждаемого жидким водородом. Настоящее изобретение будет описано более подробно ниже.

Сверхпроводящий кабель, использованный в настоящем изобретении, имеет конструкцию, включающую в себя сверхпроводящую часть, образованную сверхпроводниковым материалом, и теплоизоляционную трубку (далее называемую теплоизоляционной трубкой для кабеля), заключающую внутри себя сверхпроводящую часть и заполненную хладагентом для охлаждения этой сверхпроводящей части. Сверхпроводящая часть может включать в себя сверхпроводниковый токопроводящий слой для прохождения тока энергоснабжения и внешний сверхпроводниковый слой для прохождения тока, имеющего по существу такую же величину, как и у сверхпроводникового токопроводящего слоя, в противоположном направлении. Сверхпроводящая часть, как правило, формируется в кабельной жиле. Поэтому сверхпроводящий кабель может быть образован путем помещения кабельной жилы, включающей в себя сверхпроводниковый слой, в теплоизоляционную трубку для кабеля. Более конкретная конструкция кабельной жилы может включать в себя, считая от ее центральной части, основание, сверхпроводниковый токопроводящий слой, электроизоляционный слой, внешний сверхпроводниковый слой и защитный слой. Теплоизоляционная трубка для кабеля может заключать внутри себя одну кабельную жилу (одножильный кабель) или множество кабельных жил (многожильный кабель). Конкретнее, когда линия по настоящему изобретению применяется для передачи трехфазного переменного тока, может быть использован, например, трехжильный кабель, имеющий теплоизоляционную трубку для кабеля, внутри которой помещаются три скрученные жилы, а когда линия по настоящему изобретению применяется для передачи однофазного переменного тока, может быть использован одножильный кабель, имеющий теплоизоляционную трубку для кабеля, внутри которой помещается одна жила. Когда линия по настоящему изобретению применяется для передачи постоянного тока (монополярная передача), может быть использован, например, одножильный кабель, имеющий теплоизоляционную трубку для кабеля, внутри которой помещается одна жила, а когда линия по настоящему изобретению применяется для передачи однофазного постоянного тока (биполярная передача), может быть использован двухжильный кабель или трехжильный кабель, имеющий теплоизоляционную трубку для кабеля, внутри которой помещаются две или три скрученные жилы. Как описывается выше, сверхпроводящая кабельная линия по настоящему изобретению может применяться как для передачи постоянного тока, так и для передачи переменного тока.

Сверхпроводниковый токопроводящий слой может быть образован путем, например, спиральной намотки лентообразного провода, включающего в себя множество нитей, выполненных из оксидного сверхпроводникового материала на основе Bi, конкретнее - сверхпроводникового материала на основе Bi2223, которые размещены в матрице, такой как, например, серебряная оболочка. Сверхпроводниковый токопроводящий слой может иметь однослойную или многослойную структуру. Когда сверхпроводниковый токопроводящий слой имеет многослойную структуру, в нем может быть предусмотрен междуслоевой изоляционный слой. Этот междуслоевой изоляционный слой может быть создан намоткой изоляционной бумаги, такой как крафт-бумага или полусинтетическая изоляционная бумага, например, PPLP (товарный знак Sumitomo Electric Industries, Ltd.). Сверхпроводниковый токопроводящий слой формируют намоткой провода, выполненного из сверхпроводникового материала, вокруг основания. Основание может быть сплошным или пустотелым, выполненным из металлического материала, такого как медь или алюминий, и может иметь конструкцию, например, из множества скрученных медных проволок. Может использоваться медная проволока, имеющая изолирующее покрытие. Основание служит в качестве поддерживающего форму элемента сверхпроводникового токопроводящего слоя. Между основанием и сверхпроводниковым токопроводящим слоем может быть помещен амортизирующий слой. Такой амортизирующий слой предотвращает прямой контакт металлов между основанием и сверхпроводящим проводом для предотвращения повреждения сверхпроводящего провода. В частности, когда основание имеет скрученную структуру, этот амортизирующий слой также выполняет функцию сглаживания поверхности основания. В качестве специального материала амортизирующего слоя может подходящим образом использоваться изоляционная бумага или угольная (копировальная) бумага.

Электроизоляционный слой может быть образован намоткой полусинтетической изоляционной бумаги, такой как PPLP (товарный знак), или изоляционной бумаги, такой как крафт-бумага, на сверхпроводниковый токопроводящий слой. Полупроводниковый слой может быть образован угольной бумагой или чем-либо подобным на по меньшей мере одной из внутренней и внешней периферии электроизоляционного слоя, то есть между сверхпроводниковым токопроводящим слоем и электроизоляционным слоем и между электроизоляционным слоем и внешним сверхпроводниковым слоем (описан ниже). При формировании внутреннего полупроводникового слоя, самого первого, или внешнего полупроводникового слоя, последнего, сцепление между сверхпроводниковым токопроводящим слоем и электроизоляционным слоем или между электроизоляционным слоем и внешним сверхпроводниковым слоем увеличивается для подавления повреждений из-за возникновения частичного разряда или т.п.

Когда линия по настоящему изобретению применяется для передачи постоянного тока, электроизоляционный слой может быть подвергнут градации по ρ для достижения низкого удельного сопротивления на внутренней периферийной стороне электроизоляционного слоя и высокого удельного сопротивления на наружной периферийной стороне с целью сглаживания распределения электрического поля постоянного тока в направлении его диаметра (в направлении толщины). Как описано выше, «градация по ρ» означает ступенчатое изменение удельного сопротивления в направлении толщины электроизоляционного слоя, что может сгладить распределение электрического поля постоянного тока по всему направлению толщины электроизоляционного слоя и может позволить снизить толщину электроизоляционного слоя. Хотя число слоев, имеющих меняющиеся удельные сопротивления, никак специально не ограничивается, практически удобно наличие двух или трех слоев. В частности, сглаживание распределения электрического поля постоянного тока может быть осуществлено более эффективно, когда толщины каждого из слоев сделаны равными.

Градация по ρ может быть выполнена с использованием изоляционных материалов, имеющих отличающиеся друг от друга удельные сопротивления (ρ). Когда используется изоляционная бумага, такая как крафт-бумага, удельное сопротивление может изменяться, например, с помощью варьирования плотности крафт-бумаги или добавления в крафт-бумагу дициандиамида. Когда используется композитная бумага, состоящая из изоляционной бумаги и пластмассовой пленки, такая как PPLP (товарный знак), удельное сопротивление может изменяться варьированием отношения k=(tp/T)×100, т.е. отношения толщины tp пластмассовой пленки к толщине T всей композитной бумаги, или варьированием плотности, материала, присадки и т.д. изоляционной бумаги. Предпочтительно, чтобы значение отношения k находилось в интервале, например, примерно 40-90%. Обычно удельное сопротивление ρ становится выше с увеличением отношения k.

Кроме того, когда электроизоляционный слой имеет слой с высоким ε, расположенный рядом со сверхпроводниковым токопроводящим слоем и имеющий более высокую диэлектрическую проницаемость, чем у другой части, свойство выдерживать импульсное напряжение может быть улучшено вдобавок к улучшению свойства выдерживать постоянное напряжение. У обычной крафт-бумаги диэлектрическая проницаемость ε (20°C) составляет примерно 3,2-4,5, у композитной бумаги с отношением k 40% - примерно 2,8, у композитной бумаги с отношением k 60% - примерно 2,6, у композитной бумаги с отношением k 80% - примерно 2,4. Особенно предпочтительным является электроизоляционный слой, изготовленный из композитной бумаги с использованием крафт-бумаги и имеющий высокое отношение k и более высокую воздухонепроницаемость, потому что увеличиваются и выдерживаемое постоянное напряжение, и выдерживаемое импульсное напряжение.

Кабель, также пригодный для передачи переменного тока, формируют путем выполнения электроизоляционного слоя, имеющим диэлектрическую проницаемость ε, увеличивающуюся по направлению к внутренней периферийной стороне и уменьшающуюся по направлению к наружной периферийной стороне, в дополнение к описанной выше градации по ρ. Такая «градация по ε» также осуществляется во всей области в диаметральном направлении электроизоляционного слоя. Кроме того, сверхпроводящий кабель, подвергнутый описанной выше градации по ρ, имеет хорошие характеристики по постоянному току и может быть подходящим образом использован в качестве линии передачи постоянного тока. С другой стороны, большинство имеющихся в настоящее время передающих линий рассчитаны на передачу переменного тока. Когда система передачи переключается с системы переменного тока на систему постоянного тока, может сложиться ситуация, при которой переменный ток кратковременно передается с использованием подвергнутого градации сверхпроводящего кабеля с градацией по ρ перед переключением на передачу постоянного тока. Эта ситуация может возникнуть, например, в том случае, когда кабель на части передающей линии был заменен сверхпроводящим кабелем с градацией по ρ, а другие части все еще являются кабелями для передачи переменного тока, или когда кабель для передачи переменного тока передающей линии был заменен сверхпроводящим кабелем с градацией по ρ, а передающее устройство, подключенное к этому кабелю, все еще является устройством для передачи переменного тока. В этой ситуации кратковременно осуществляется передача переменного тока по сверхпроводящему кабелю с градацией по ρ, а затем система окончательно переключается на передачу постоянного тока. Поэтому предпочтительно, чтобы сверхпроводящий кабель был выполнен так, чтобы он не только имел хорошие характеристики по постоянному току, но и чтобы принимались во внимание характеристики по переменному току. Когда характеристики по переменному току также принимаются во внимание, сверхпроводящий кабель, имеющий хорошие импульсные характеристики, такие как характеристики по перенапряжению, может быть изготовлен путем выполнения электроизоляционного слоя, имеющим диэлектрическую проницаемость ε, увеличивающуюся по направлению к внутренней периферийной стороне и уменьшающуюся по направлению к наружной периферийной стороне. В таком случае, когда описанный выше переходный процесс заканчивается, и осуществляется передача постоянного тока, сверхпроводящий кабель с градацией по ρ, использованный в переходном процессе, может постоянно использоваться как кабель постоянного тока. То есть линия, использующая сверхпроводящий кабель с градацией по ε в дополнение к градации по ρ, может быть подходящим образом использована и для передачи постоянного тока, и для передачи переменного тока, а также может быть подходящим образом использована в качестве линии для передачи как постоянного, так и переменного тока.

Указанная выше изоляция PPLP (товарный знак) обычно имеет более высокое значение ρ и более низкое значение ε по мере увеличения отношения k. Поэтому ρ может увеличиваться по направлению к наружной периферийной стороне, и, одновременно, ε может уменьшаться по направлению к этой наружной периферийной стороне в том случае, когда электроизоляционный слой изготовлен с использованием PPLP (товарный знак) с отношением k, увеличивающимся по направлению к наружной периферийной стороне электроизоляционного слоя.

С другой стороны, крафт-бумага обычно имеет более высокое значение ρ и более высокое значение ε по мере увеличения воздухонепроницаемости. Поэтому только из крафт-бумаги трудно изготовить электроизоляционный слой, имеющий ρ, увеличивающееся по направлению к наружной периферийной стороне, и ε, уменьшающуюся по направлению к этой наружной периферийной стороне. Поэтому электроизоляционный слой подходящим образом изготавливается с использованием крафт-бумаги в сочетании с композитной бумагой. Как пример, слой крафт-бумаги может быть сформирован на внутренней периферийной стороне электроизоляционного слоя, а слой PPLP может быть сформирован у него снаружи, для того, чтобы сделать удельное сопротивление ρ более низким в слое крафт-бумаги, чем в слое PPLP, а диэлектрическую проницаемость ε - более высокой в слое крафт-бумаги, чем в слое PPLP.

На наружной периферии описанного выше электроизоляционного слоя предусмотрен внешний сверхпроводниковый слой. Этот внешний сверхпроводниковый слой формируется из того же сверхпроводникового материала, что и сверхпроводниковый токопроводящий слой. Во внешнем сверхпроводниковом слое может быть использован сверхпроводниковый материал, подобный тому, что используется для формирования сверхпроводникового токопроводящего слоя. Когда сверхпроводящая кабельная линия по настоящему изобретению применяется для передачи постоянного тока, внешний сверхпроводниковый слой может использоваться в качестве, например, обратного проводника при монополярной передаче или слоя нейтрального проводника при биполярной передаче. В частности, когда осуществляется биполярная передача, внешний сверхпроводниковый слой может быть использован для прохождения тока разбалансировки, когда возникает разбалансировка между положительным электродом и отрицательным электродом. Кроме того, когда один электрод находится в ненормальном функциональном состоянии, и биполярная передача превращается в монополярную передачу, внешний сверхпроводниковый слой может использоваться в качестве обратного проводника для прохождения тока, эквивалентного переданному току, протекающему через сверхпроводниковый токопроводящий слой. Когда сверхпроводящая кабельная линия по настоящему изобретению применяется для передачи переменного тока, внешний сверхпроводниковый слой может использоваться в качестве экранирующего слоя, пропускающего экранный ток, наведенный током, протекающим по сверхпроводниковому токопроводящему слою. Также на наружной периферии внешнего сверхпроводникового слоя может быть предусмотрен защитный слой для изоляции.

Теплоизоляционная трубка для кабеля для размещения кабельной жилы, имеющая описанную выше конструкцию, может иметь структуру двойной трубки, образованную внешней трубкой и внутренней трубкой, которая содержит теплоизоляционный материал между трубками, и при этом осуществляют вакуумирование для достижения заданного уровня вакуума с образованием вакуумной изоляционной конструкции. Пространство внутри внутренней трубки используют в качестве канала хладагента, который заполняется хладагентом, таким как жидкий азот, для охлаждения кабельной жилы (в частности, сверхпроводникового токопроводящего слоя и внешнего сверхпроводникового слоя). Предпочтительно, чтобы сама теплоизоляционная трубка для кабеля была гибкой гофрированной трубкой. В частности, предпочтительно, чтобы теплоизоляционная трубка для кабеля была выполнена из металлического материала, например, устойчивого против коррозии (нержавеющего) и имеющего высокую прочность.

Хладагент, заполняющий теплоизоляционную трубку для кабеля, который используется в настоящем изобретении, имеет более высокую температуру, чем температура жидкого водорода, транспортируемого внутри теплоизоляционной трубки для текучей среды. В качестве такого хладагента используется, например, жидкий азот. Поскольку жидкий водород имеет более низкую температуру, чем у хладагента сверхпроводящего кабеля, хладагент сверхпроводящего кабеля, заключенный в теплоизоляционной трубке для текучей среды, охлаждается жидким водородом. Поэтому в линии по настоящему изобретению температура, позволяющая поддерживать сверхпроводящее состояние сверхпроводящий части, может быть установлена без предусматривания отдельной системы охлаждения для хладагента, предназначенной для охлаждения хладагента сверхпроводящего кабеля.

В линии по настоящему изобретению сверхпроводящий кабель, имеющий теплоизоляционную трубку для кабеля, заключен в теплоизоляционной трубке для текучей среды, используемой для транспортировки жидкого водорода. При такой конструкции сверхпроводящий кабель, заключенный в теплоизоляционную трубку для текучей среды, имеет вокруг себя среду с более низкой температурой, чем обычная температура, конкретнее, криогенную среду с температурой примерно 20 K - температурой жидкого водорода, и, таким образом, разница температур внутри и снаружи теплоизоляционной трубки для кабеля снижается до менее чем 200 K по сравнению с ситуацией размещения в атмосфере. В частности, когда в качестве хладагента кабеля используется жидкий азот, разница температур внутри и снаружи теплоизоляционной трубки для кабеля становится равной примерно 50 K. Кроме того, сверхпроводящий кабель, заключенный в теплоизоляционной трубке для текучей среды, имеет двойную теплоизоляционную структуру, образованную теплоизоляционной структурой для жидкого водорода и теплоизоляционной структурой самого кабеля. Поэтому, поскольку линия по настоящему изобретению имеет малую разницу температур внутри и снаружи теплоизоляционной трубки для кабеля, а сверхпроводящий кабель имеет описанную выше двойную теплоизоляционную структуру, то проникновение тепла снаружи в кабельную часть может быть эффективно уменьшено по сравнению со сверхпроводящей кабельной линией, проложенной в атмосфере.

Теплоизоляционная трубка, имеющая теплоизоляционные характеристики, соответствующие транспортируемому в ней жидкому водороду, может использоваться в качестве теплоизоляционной трубки для текучей среды, заключающей в себе сверхпроводящий кабель. Например, может использоваться теплоизоляционная трубка, имеющая конструкцию, подобную конструкции теплоизоляционной трубки для сверхпроводящего кабеля, то есть конструкцию, имеющую структуру двойной трубки, образованную внешней трубкой и внутренней трубкой, которая содержит теплоизоляционный материал между трубками и подвергнута вакуумированию. В этой ситуации пространство внутри внутренней трубки становится каналом транспортировки жидкого водорода.

Когда теплоизоляционная трубка для текучей среды образована, например, сваркой металлического листа, выполненного из нержавеющей стали или чего-либо подобного, сверхпроводящий кабель может быть заключен в такую теплоизоляционную трубку для текучей среды с помощью размещения кабеля на этом листе, загиба листа с охватом кабеля и сварки краев листа. Когда в качестве теплоизоляционной трубки для текучей среды используется металлическая трубка, выполненная из нержавеющей стали или чего-либо подобного, кабель может быть заключен в теплоизоляционную трубку для текучей среды путем вставки сверхпроводящего кабеля в эту трубку. В этой ситуации, вокруг кабеля может быть по спирали намотана проволока скольжения (проскальзывающий провод) для улучшения свойств вставки сверхпроводящего кабеля. В частности, когда теплоизоляционная трубка для кабеля представляет собой гофрированную трубку, имеющую выступы и углубления, свойства вставки улучшаются за счет намотки проволоки скольжения с шагом, большим, чем шаг выступов и углублений гофрированной трубки (длинный шаг), для предотвращения попадания проволоки скольжения в углубленные участки гофрированной трубки, с размещением проволоки скольжения поверх выступов и углублений для предотвращения прямого контакта наружной периферии гофрированной трубки с теплоизоляционной трубкой для текучей среды, то есть для достижения точечного контакта между намотанной на гофрированную трубку проволокой скольжения и теплоизоляционной трубкой для текучей среды. Кроме того, к сверхпроводящему кабелю может быть прикреплен элемент натяжения (тяга) или что-либо подобное для протаскивания кабеля в теплоизоляционную трубку для текучей среды.

Сверхпроводящий кабель, заключенный в теплоизоляционной трубке для текучей среды, может быть размещен так, чтобы контактировать с жидким водородом, транспортируемым внутри теплоизоляционной трубки для текучей среды, или не контактировать с жидким водородом. В первом случае сверхпроводящий кабель может быть погружен в жидкий водород. В этой ситуации, поскольку вся периферия сверхпроводящего кабеля контактирует с криогенным жидким водородом, проникновение тепла снаружи в кабель может быть эффективно снижено, а хладагент кабеля может быть в достаточной мере охлажден жидким водородом.

С другой стороны, когда сверхпроводящий кабель погружен в жидкий водород, может возникнуть проблема, такая как взрыв жидкого водорода, в том случае, например, когда короткое замыкание сверхпроводящего кабеля вызовет искру. Поэтому область внутри теплоизоляционной трубки для текучей среды может быть разделена на транспортировочную область для транспортировки жидкого водорода и область для размещения в ней сверхпроводящего кабеля. В качестве транспортировочной области, например, внутри теплоизоляционной трубки для текучей среды может быть отдельно размещена трубка для транспортировки жидкого водорода, и сверхпроводящий кабель может быть размещен продольно вдоль этой транспортировочной трубки. В этой ситуации, когда в пространстве внутри теплоизоляционной трубки для текучей среды, не занятом транспортировочной трубкой и сверхпроводящим кабелем, размещен теплообменный разделитель, имеющий высокую теплопроводность, тепло от жидкого водорода может эффективно проводиться к кабелю через этот теплообменный заполнитель, и, следовательно, кабель может эффективно охлаждаться. Сам теплообменный заполнитель может быть выполнен, например, из материала, имеющего высокую теплопроводность, такого как алюминий. Конкретнее, теплообменный заполнитель может быть образован намоткой алюминиевой фольги.

В настоящем изобретении используется сверхпроводящий кабель, использующий хладагент, имеющий более высокую температуру, чем температура жидкого водорода, и, поскольку кабель заключен в теплоизоляционной трубке для текучей среды, по которой транспортируется жидкий водород, хладагент может охлаждаться жидким водородом. Хладагент сверхпроводящего кабеля, однако, может быть чрезмерно охлажден жидким водородом, и при этом может произойти затвердевание хладагента. Поэтому желательно поднимать температуру чрезмерно охлажденного хладагента сверхпроводящего кабеля, заключенного в теплоизоляционной трубке для текучей среды, в пределах диапазона температур, допускающих поддержание сверхпроводящего состояния. С другой стороны, желательно охлаждать жидкий водород для поддержания его жидкого состояния (для сжижения). Поэтому настоящее изобретение включает в себя теплообменное средство для обмена теплом между жидким водородом и жидким азотом для охлаждения жидкого водорода и подъема температуры хладагента, чрезмерно охлажденного жидким водородом.

Теплообменное средство может иметь конструкцию, включающую в себя, например, канал, по которому циркулирует теплообменная среда, расширительный вентиль, расширяющий теплообменную среду, компрессор, сжимающий расширенную теплообменную среду, и теплоизоляционный корпус, в котором размещаются эти канал, расширительный вентиль и компрессор. Транспортировочный трубопровод для жидкого водорода располагается в той части канала, которая проходит через расширительный вентиль, с тем, чтобы охлаждать жидкий водород расширенной теплообменной средой, тогда как транспортировочный трубопровод для хладагента кабеля располагается в той части канала, которая проходит через компрессор, с тем, чтобы поднимать температуру хладагента сверхпроводящего кабеля сжатой теплообменной средой. Транспортировочный трубопровод для жидкого водорода может быть выполнен с образованием, например, замкнутого циркуляционного контура, по которому жидкий водород, выпущенный из теплоизоляционной трубки для текучей среды, снова поступает в эту теплоизоляционную трубку для текучей среды. Альтернативно, к теплоизоляционной трубке для текучей среды может быть присоединен резервуар, хранящий жидкий водород, а транспортировочный трубопровод может быть выполнен с образованием замкнутого циркуляционного контура, по которому выпущенный из резервуара жидкий водород снова поступает в этот резервуар. Тогда, часть транспортировочного трубопровода для жидкого водорода располагается так, чтобы контактировать с той частью канала теплообменной среды, которая проходит через расширительный вентиль, или располагается рядом с этой частью. Транспортировочный трубопровод для хладагента может быть выполнен с образованием замкнутого циркуляционного контура, по которому хладагент, выпущенный из теплоизоляционной трубки для кабеля, снова поступает в эту теплоизоляционную трубку для кабеля. Тогда, часть транспортировочного трубопровода для хладагента располагается так, чтобы контактировать с той частью канала теплообменной среды, которая проходит через компрессор, или располагается рядом с этой частью. В теплообменном средстве температура хладагента повышается в пределах диапазона температур, допускающих поддержание сверхпроводящего состояния сверхпроводящей части. Благодаря наличию теплообменного средства для охлаждения жидкого водорода и, одновременно, нагрева хладагента кабеля настоящее изобретение может одновременно удовлетворять и требованию повышения температуры хладагента сверхпроводящего кабеля, и требованию охлаждения жидкого водорода.

Следует отметить, что в настоящем изобретении ввиду снижения проникновения тепла в сверхпроводящий кабель, заключенный в теплоизоляционной трубке для текучей среды, как описано выше, конструкция тепловой изоляции теплоизоляционной трубки для кабеля может быть упрощена, то есть уровень характеристик теплоизоляции от проникновения тепла из внешней среды может быть уменьшен. Когда теплоизоляционная трубка для кабеля имеет конструкцию со структурой двойной трубки, образованной внешней трубкой и внутренней трубкой, в которой между этими трубками расположен теплоизоляционный материал, и произведено вакуумирование, характеристики теплоизоляции могут варьироваться с помощью, например, изменения степени вакуума между внешней трубкой и внутренней трубкой, изменения числа витков теплоизоляционного материала, расположенного между внешней трубкой и внутренней трубкой, или изменения самого теплоизоляционного материала.

Кроме того, в сверхпроводящей кабельной линии по настоящему изобретению вся длина в продольном направлении сверхпроводящего кабеля, образующего эту линию, может быть заключена в теплоизоляционную трубку для текучей среды, или же только часть кабеля может быть заключена в теплоизоляционную трубку для текучей среды. Учитывая снижение проникновения тепла, является предпочтительным, чтобы вся длина сверхпроводящего кабеля была заключена в теплоизоляционную трубку для текучей среды.

Сама сверхпроводящая кабельная линия по настоящему изобретению может быть построена, например, путем помещения сверхпроводящего кабеля в трубопровод, имеющий теплоизоляционную конструкцию и предназначенный для соединения водородной установки, производящей жидкий водород, с водородной станцией, хранящей жидкий водород, или же в теплоизоляционную трубку, транспортирующую жидкий водород на водородную станцию, и создания теплообменного средства около этой водородной станции. Линия по настоящему изобретению может применяться для того, чтобы снабжать электроэнергией различные силовые агрегаты, используемые на водородной станции, или отводить электроэнергию от трубопровода по мере потребности в снабжении энергией каждого места.

Как описано выше, сверхпроводящая кабельная линия по настоящему изобретению может применяться либо для передачи постоянного тока, либо для передачи переменного тока. Например, когда осуществляют передачу трехфазного переменного тока, кабель может быть выполнен в виде трехжильного сверхпроводящего кабеля, в котором сверхпроводниковый токопроводящий слой каждой жилы используется для передачи каждой фазы, а внешний сверхпроводниковый слой каждой жилы используется в качестве экранирующего слоя. Когда осуществляют передачу однофазного переменного тока, кабель может быть выполнен в виде одножильного сверхпроводящего кабеля, в котором входящий в состав жилы сверхпроводниковый токопроводящий слой используется для передачи фазы, а внешний сверхпроводниковый слой используется в качестве экранирующего слоя. Когда осуществляют монополярную передачу постоянного тока, кабель может быть выполнен в виде одножильного сверхпроводящего кабеля, в котором сверхпроводниковый токопроводящий слой жилы используется в качестве прямого проводника, а внешний сверхпроводниковый слой используется в качестве обратного проводника. Когда осуществляют биполярную передачу постоянного тока, кабель может быть выполнен в виде двухжильного сверхпроводящего кабеля, в котором сверхпроводниковый ток