專利名稱：新穎的超導(dǎo)制品及其形成和應(yīng)用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及超導(dǎo)部件或超導(dǎo)體部件，更具體地涉及一種新穎的超導(dǎo)帶、裝有該超導(dǎo)帶的電力部件、以及該超導(dǎo)帶的使用和制造方法。
背景技術(shù)：
超導(dǎo)體材料早已被技術(shù)人員所知并了解。自從1911年一來(lái)，人們一直知道的是在需要使用液氦的溫度下(4.2K)才具有超導(dǎo)性質(zhì)的低溫(低Tc)超導(dǎo)體。然而，直到最近才發(fā)現(xiàn)了氧化物基高溫(高Tc)超導(dǎo)體。在大約1986年，發(fā)現(xiàn)了第一種在高于液氮溫度(77°K)下具有超導(dǎo)性質(zhì)的高溫超導(dǎo)體(HTS)，即YBa2Cu3O7-x(YBCO)，其后，在過(guò)去的15年中開發(fā)出了包括Bi2Sr2Ca2Cu3O10+y(BSCCO)等的其它材料。高Tc超導(dǎo)體的發(fā)展帶來(lái)了一些開發(fā)使用這些材料的經(jīng)濟(jì)上可行的超導(dǎo)體部件的趨勢(shì)，這部分是由于使用的這些超導(dǎo)體液氮設(shè)備成本上低于使用液氦的較昂貴的低溫設(shè)備。
在無(wú)數(shù)的可能用途中，工業(yè)中已在研究這些材料在電力工業(yè)中的應(yīng)用，包括在發(fā)電、輸電、配電和電力儲(chǔ)存中的應(yīng)用。在這方面，估計(jì)銅質(zhì)商業(yè)電力部件的固有電阻會(huì)在電力中造成很大的損失，因此，電力工業(yè)立足于在輸配電電纜、發(fā)電機(jī)、變壓器和故障電流斷流器之類的電力設(shè)備中使用高溫超導(dǎo)體，以獲得顯著的效率。另外，高溫超導(dǎo)體在電力工業(yè)中的其它優(yōu)點(diǎn)包括與常規(guī)技術(shù)相比使電力處理容量的數(shù)值提高1到2個(gè)數(shù)量級(jí)，顯著減小電力設(shè)備的尺寸(即覆蓋面積(footprint))，減小對(duì)環(huán)境的影響，更為安全。盡管高溫超導(dǎo)體的這些潛在的優(yōu)點(diǎn)十分引人注目，但是要大規(guī)模制造高溫超導(dǎo)體并將其商業(yè)化，仍然存在許多技術(shù)難題。
在高溫超導(dǎo)體商業(yè)化的眾多難題中，許多難題是關(guān)于可用來(lái)形成各種電力部件的超導(dǎo)帶的制造。第一代HTS帶包括使用上述BSCCO高溫超導(dǎo)體。這種材料通常制成不連續(xù)的細(xì)絲，這些細(xì)絲被嵌埋在貴金屬(通常是銀)基質(zhì)中。盡管這些導(dǎo)體可制成電力工業(yè)應(yīng)用所需的很長(zhǎng)的長(zhǎng)度(例如約幾公里)，但是由于材料和制造成本的限制，這種帶仍然無(wú)法在商業(yè)上實(shí)用。
因此，大量注意力集中在具有較好商業(yè)可行性的所謂第二代HTS帶上。這些帶通常依賴層狀結(jié)構(gòu)，該層狀結(jié)構(gòu)通常包括提供機(jī)械支撐的柔性基材、至少一層覆蓋在基材上的緩沖層(該緩沖層任選地包括多重膜)、覆蓋在緩沖膜上的HTS層和覆蓋在HTS層上的電穩(wěn)定層，所述電穩(wěn)定層通常由至少一種貴金屬制成。然而，迄今為止，在將這種第二代帶完全商業(yè)化之前，還有許多工程難題和制造難題有待解決。
因此，根據(jù)前文，在超導(dǎo)體領(lǐng)域中還有各種需求，特別是提供商業(yè)可行的超導(dǎo)帶、形成該超導(dǎo)帶的方法和使用這種超導(dǎo)帶的電力部件。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的第一個(gè)方面，提供一種超導(dǎo)制品，該超導(dǎo)制品包括基材，覆蓋在基材上的緩沖層，覆蓋在緩沖層上的超導(dǎo)體層和覆蓋在超導(dǎo)體層上的電鍍穩(wěn)定劑層。根據(jù)一具體的特征，所述穩(wěn)定層主要由非貴金屬，例如銅、鋁以及它們的合金和混合物形成?？稍诜€(wěn)定層和超導(dǎo)體層之間提供貴金屬遮蓋層。所述電鍍的穩(wěn)定層可覆蓋在基材兩個(gè)相對(duì)主表面中的一個(gè)之上，或覆蓋在兩個(gè)主表面上，或可完全包封住基材、緩沖層和超導(dǎo)體層。該制品可為較高長(zhǎng)寬比的帶的形式。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種用來(lái)形成超導(dǎo)帶的方法，該方法包括提供基材，沉積覆蓋了基材的緩沖層，和沉積了超導(dǎo)體層覆蓋緩沖層。另外，通過(guò)電鍍來(lái)沉積覆蓋了超導(dǎo)體層的穩(wěn)定層。
根據(jù)本發(fā)明另一方面，提供一種包括多個(gè)超導(dǎo)帶的電力電纜，所述超導(dǎo)帶根據(jù)上述本發(fā)明第一個(gè)方面制造。
根據(jù)本發(fā)明另一方面，提供一種包括初級(jí)繞組和次級(jí)繞組的電力變壓器，至少一個(gè)繞組包括根據(jù)本發(fā)明第一個(gè)方面制造的超導(dǎo)帶的線繞線圈。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種發(fā)電機(jī)，該發(fā)電機(jī)包括與轉(zhuǎn)子相聯(lián)的軸，轉(zhuǎn)子包括包含轉(zhuǎn)子線圈的電磁鐵，發(fā)電機(jī)還包括定子，定子包括圍繞轉(zhuǎn)子的導(dǎo)體繞組。轉(zhuǎn)子線圈和/或?qū)w繞組包括通常根據(jù)上述本發(fā)明第一方面的超導(dǎo)帶。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種電力網(wǎng)，電力網(wǎng)包括許多個(gè)用于發(fā)電、輸電和配電的部分。即電力網(wǎng)包括發(fā)電站(發(fā)電站包括發(fā)電機(jī))、輸電變電所和許多條用來(lái)從輸電變電所輸送電力的輸電電纜，所述輸電變電所包括許多個(gè)用來(lái)接受來(lái)自發(fā)電站的電力，并升高電壓用于輸送的電力變壓器。輸電變電所從輸電電纜接收電力，從而進(jìn)行配電，輸電變電所包括多個(gè)用來(lái)降低電壓用于配電的電力變壓器，還包括多條用來(lái)向用戶配電的配電電纜。根據(jù)本發(fā)明這個(gè)方面的具體特征，至少一種上述電力網(wǎng)元件包括許多根根據(jù)上述本發(fā)明第一方面提供的超導(dǎo)帶。
本發(fā)明的另一方面提供了一種布設(shè)電力電纜的方法，有時(shí)也通常稱為″拉″電纜。這種方法需要提供電力電纜線圈，在將電力電纜插入導(dǎo)管的同時(shí)展開線圈，管道為地下通用性管道。電力電纜的結(jié)構(gòu)如上所述，即包括根據(jù)本發(fā)明第一個(gè)方面的超導(dǎo)帶。
附圖摘要參照附圖，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠清楚地了解本發(fā)明，并使本發(fā)明的大量目標(biāo)、特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見。


圖1顯示根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施方式的HTS導(dǎo)電帶。
圖2顯示根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施方式的HTS帶的截面圖，其中整個(gè)超導(dǎo)帶被電鍍的穩(wěn)定層包封。
圖3是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施方式的雙面HTS導(dǎo)電帶的截面圖。
圖4顯示根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施方式的電鍍過(guò)程。
圖5顯示電流過(guò)載試驗(yàn)的結(jié)果。
圖6顯示用來(lái)評(píng)價(jià)HTS帶臨界電流過(guò)載影響的測(cè)試的結(jié)果。
圖7和圖8顯示裝有超導(dǎo)帶的電力電纜。
圖9顯示根據(jù)本發(fā)明一個(gè)方面的電力變壓器。
圖10顯示根據(jù)本發(fā)明一個(gè)方面的發(fā)電機(jī)。
圖11顯示根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)方面的電力網(wǎng)。
不同附圖中相似或相同的部分用相同的數(shù)字表示。
發(fā)明實(shí)施方式來(lái)看圖1，圖中顯示了根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施方式的HTS導(dǎo)體的大體層狀結(jié)構(gòu)。HTS導(dǎo)體包括基材10，覆蓋著基材10的緩沖層12a，HTS層14a，然后是遮蓋層16a(通常為貴金屬層)和穩(wěn)定層18a(通常為非貴金屬)。
基材10一般是金屬基的，通常為至少兩種金屬元素的合金。
特別合適的基材材料包括鎳基金屬合金，例如已知的因科鎳合金類的合金。因科鎳合金具有所需的熱學(xué)性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)和機(jī)械性質(zhì)，包括膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率、居里溫度、拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率。這些金屬通?？梢砸跃砝@帶的形式購(gòu)得，特別適用來(lái)制造HTS帶，制造HTS帶時(shí)通常采用卷筒到卷筒的(reel-to-reel)的帶加工。
基材10通常為長(zhǎng)寬比很大的帶狀結(jié)構(gòu)。例如，帶寬通常約為0.4-10厘米，帶長(zhǎng)通常至少約為100米，更通常約大于500米。實(shí)際上，本發(fā)明實(shí)施方式所提供超導(dǎo)帶的基材10的長(zhǎng)度約為1公里或更長(zhǎng)。因此，基材可具有相當(dāng)大的長(zhǎng)寬比，不小于103，乃至不小于104。某些實(shí)施例更大，長(zhǎng)寬比為105或更大。在本文中，術(shù)語(yǔ)‘長(zhǎng)寬比’表示基材或帶的長(zhǎng)度與其次長(zhǎng)的尺寸(基材或帶的寬度)之比。
在一實(shí)施方式中，對(duì)基材進(jìn)行處理，使其具有隨后沉積HTS帶各組成層所需的表面性質(zhì)。例如，對(duì)表面進(jìn)行輕微的拋光，以達(dá)到所需的平整度和表面糙度。另外，可通過(guò)例如已知RABiTS(輥輔助的雙軸織構(gòu)(texured)的基材)技術(shù)處理基材，在雙軸上形成織構(gòu)，這對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員是可以理解的。
現(xiàn)在來(lái)看緩沖層12a，該緩沖層可以是單層，或者更通常由多重膜構(gòu)成。最典型地講，緩沖層包括雙軸有織構(gòu)的膜，這種膜的晶體織構(gòu)通常沿膜平面內(nèi)或膜平面外的晶軸排列?？赏ㄟ^(guò)IBAD形成這種雙軸織構(gòu)。本領(lǐng)域技術(shù)人員可理解，IBAD是離子束輔助沉積的首字母縮寫，這種技術(shù)可有益地用來(lái)形成適當(dāng)有織構(gòu)的緩沖層，將這種有織構(gòu)的緩沖層用來(lái)隨后形成具有所需晶體取向的HTS層，以獲得優(yōu)良的超導(dǎo)性質(zhì)。氧化鎂是IBAD膜通常選用的材料，可為50-500，例如50-200。根據(jù)美國(guó)專利第6190752號(hào)所定義和描述的，IBAD膜具有巖鹽狀晶體結(jié)構(gòu)，所述專利文獻(xiàn)引入本文作為參考。
緩沖層可包括其它的層，例如介于IBAD膜和基材之間，并與這二者直接接觸的隔離膜。在這點(diǎn)上，隔離膜宜由氧化釔之類的氧化物形成，用來(lái)將基材與IBAD膜隔開。隔離膜也可由氮化硅和碳化硅之類的非氧化物形成。合適的沉積隔離膜的方法包括化學(xué)蒸氣沉積和包括濺射的物理氣相沉積。通常隔離膜的厚度約為100-200。另外，緩沖層也可包括形成在IBAD膜上面的外延生長(zhǎng)膜。關(guān)于這一點(diǎn)，外延生長(zhǎng)膜能夠有效地增加IBAD膜的厚度，希望主要用與IBAD層相同的材料(例如MgO)制成。
在使用MgO基IBAD膜和/或外延膜的實(shí)施方式中，MgO材料和超導(dǎo)體層的材料之間會(huì)存在晶格失配。因此，緩沖層還可包括另一層緩沖膜，特別通過(guò)該緩沖膜來(lái)減小HTS層與下面的IBAD膜和/或外延膜之間的晶格常數(shù)失配。該緩沖膜可由YSZ(氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯)釕酸鍶、錳酸鑭之類的材料形成，通常由鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的陶瓷材料形成?？赏ㄟ^(guò)各種物理蒸氣沉積技術(shù)沉積緩沖膜。
盡管前文主要集中于通過(guò)IBAD之類的織構(gòu)形成法在緩沖積層中實(shí)現(xiàn)雙軸織構(gòu)形成膜，但是，也可在基材表面本身上形成雙軸織構(gòu)。在此情況下，緩沖層通常在有織構(gòu)的基材上外延生長(zhǎng)，以保持在緩沖層中的雙軸形成織構(gòu)。一種形成雙軸有織構(gòu)的基材的方法是本領(lǐng)域中稱為RABiTS(輥輔助雙軸有織構(gòu)的基材)的方法，該方法在本領(lǐng)域是被普遍理解的。
所述高溫超導(dǎo)體(HTS)層14a通常選自任何在高于液氮溫度77K下具有超導(dǎo)性質(zhì)的高溫超導(dǎo)材料。這些材料可包括例如YBa2Cu3O7-x、Bi2Sr2Ca2Cu3O10+y、Ti2Ba2Ca2Cu3O10+y和HgBa2Ca2Cu3O8+y。一類材料包括REBa2Cu3O7-x，其中RE是稀土元素。在前述材料中，優(yōu)選使用通常被稱為YBCO的YBa2Cu3O7-x。HTS層14a可由包括厚膜形成技術(shù)和薄膜形成技術(shù)的任意一種方法形成。優(yōu)選可將脈沖激光沉積(PLD)之類的薄膜物理蒸氣沉積技術(shù)用于高沉積速率，或?qū)⒒瘜W(xué)蒸汽沉積技術(shù)用于較低成本和較大表面積的處理中。通常，HTS層的厚度約為1-30微米，更通常約為2-20微米，例如約為2-10微米，以達(dá)到HTS層14a所需的電流額定值。
通常用遮蓋層16a和穩(wěn)定層18a進(jìn)行電穩(wěn)定化，幫助防止HTS在實(shí)際使用中發(fā)生“燃燒”。具體地講，當(dāng)冷卻發(fā)生故障或超過(guò)臨界電流密度、因而HTS層不處于超導(dǎo)狀態(tài)而具有電阻時(shí)，層16a和18a幫助電荷連續(xù)流過(guò)HTS導(dǎo)體。通常將貴金屬用作遮蓋層16a來(lái)防止一層或多層穩(wěn)定層與HTS層14a之間發(fā)生不希望有的相互作用。通常貴金屬用金、銀、鉑和鈀。由于銀成本低而便于加工，通常使用銀。通常將遮蓋層16a制成足夠厚，以防穩(wěn)定層18a的組分向HTS層14a發(fā)生不希望的擴(kuò)散，但是為了降低成本(原料和加工成本)，通常將其制得很薄。遮蓋層16a的厚度通常約為0.1-10.0微米，例如約為0.5-5.0微米?？赏ㄟ^(guò)各種技術(shù)沉積遮蓋層16a，包括直流磁控管濺射之類的物理蒸氣沉積。
根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的具體特征，使用穩(wěn)定層18a來(lái)覆蓋超導(dǎo)體層14a，具體地講以圖1所示具體實(shí)施方式
覆蓋遮蓋層16a，并與遮蓋層16a直接接觸。穩(wěn)定層18a作為保護(hù)層/分流層以提高對(duì)嚴(yán)酷環(huán)境條件的穩(wěn)定性和超導(dǎo)淬滅。這種層通常是致密而又是熱導(dǎo)性和電導(dǎo)性的，用來(lái)在超導(dǎo)體層失敗時(shí)分流電流。通常，使用焊劑或焊料之類的中間結(jié)合材料將預(yù)形成的銅帶層疊到超導(dǎo)帶上，形成這些層。其它技術(shù)主要為物理蒸氣沉積，通常為濺射。然而，這些應(yīng)用技術(shù)成本很高，并非特別適用于商業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)操作。根據(jù)實(shí)施方式的具體特征，穩(wěn)定層18通過(guò)電鍍形成。根據(jù)該技術(shù)，可以用電鍍?cè)诔瑢?dǎo)帶上快速形成材料厚層，電鍍法是一種成本較低的方法，可以有效地制造導(dǎo)熱金屬和導(dǎo)電金屬的致密層。根據(jù)一個(gè)特征，沉積穩(wěn)定層時(shí)不需要依賴和使用中間結(jié)合層(例如熔點(diǎn)約低于300℃的焊料層(包括焊劑))。
通常將超導(dǎo)帶浸沒在包含需要沉積的金屬的離子溶液中來(lái)進(jìn)行電鍍(也稱為電沉積)。帶的表面與外部電源相連，電流通過(guò)表面進(jìn)入溶液，使金屬離子(Mz-)與電子(e-)發(fā)生反應(yīng)形成金屬(M)。
Mz-+e-=M遮蓋層16a作為在其上沉積銅的晶種層。在具體的電鍍穩(wěn)定劑金屬的情況下，通常將超導(dǎo)帶浸入含銅離子的溶液(例如，硫酸銅溶液)中。建立與遮蓋層16a的電連接，電流通過(guò)其中，在遮蓋層16a的表面上發(fā)生反應(yīng)。遮蓋層16a在溶液中作為陰極，使金屬離子還原為Cu金屬原子沉積在帶上。另一方面，在溶液中置入含銅的陽(yáng)極，在陽(yáng)極發(fā)生氧化反應(yīng)，使銅離子進(jìn)入溶液，然后再發(fā)生還原沉積在陰極上。
在沒有副反應(yīng)的情況下，電解過(guò)程中輸送到導(dǎo)體表面的電流與沉積金屬的量成正比(法拉第電解定律)。通過(guò)這種關(guān)系，可以很容易地控制形成穩(wěn)定層18a的質(zhì)量，從而控制其厚度。
盡管前文通常是就銅而言，但是應(yīng)當(dāng)注意也可使用其它金屬，包括鋁、銀、金和其它導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性金屬。然而，通常需要是用非貴金屬來(lái)減少形成超導(dǎo)帶的總材料成本。
盡管前文的描述和圖1描述了通過(guò)電鍍?cè)诔瑢?dǎo)帶的一側(cè)形成穩(wěn)定層18a，但是應(yīng)注意也可在超導(dǎo)帶相反的主表面上進(jìn)行涂布，實(shí)際上，可對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行涂布而將該結(jié)構(gòu)包封起來(lái)。關(guān)于這一點(diǎn)，來(lái)看圖2。
圖2是顯示本發(fā)明另一實(shí)施方式的截面圖，其中整個(gè)超導(dǎo)帶都被第一穩(wěn)定層18a和位于超導(dǎo)帶相對(duì)主表面的第二穩(wěn)定層18b包封，第一穩(wěn)定層18a和第二穩(wěn)定層18b在超導(dǎo)帶的側(cè)表面結(jié)合在一起，通常形成凸起的側(cè)面或側(cè)橋20a和20b。在制冷發(fā)生故障、超導(dǎo)猝滅(superconductivity quench)等情況下，需要這種特殊的結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)一步提高電流和進(jìn)一步保護(hù)HTS層14a。通過(guò)形成第一穩(wěn)定層18a和第二穩(wěn)定層18b，使所沉積穩(wěn)定層的橫截面積加倍，從而使載流能力獲得提高。可通過(guò)側(cè)橋部分20a和20b在穩(wěn)定層18a和18b之間提供電連續(xù)性。在此方面，可需要側(cè)橋部分20a和20b具有真的曲率半徑，即形成凸面，從而可以進(jìn)一步減少HTS電力設(shè)備處于高壓時(shí)的電荷積累。另外，對(duì)于適用于基材10的導(dǎo)電材料，可通過(guò)如圖2所示進(jìn)行包封來(lái)提供更高的載流能力。即在帶的側(cè)面延伸并形成帶的側(cè)面的側(cè)橋部分可為基材本身提供電連接，可以增加涂布導(dǎo)體(帶)的載流能力。
盡管圖2未顯示，通常需要在整個(gè)超導(dǎo)帶上、特別是在超導(dǎo)帶側(cè)面上沉積貴金屬層，將超導(dǎo)體層14a與側(cè)橋部分20a和20b的材料(可以是上述銅或鋁之類的非貴金屬)進(jìn)行隔離。
圖3顯示了本發(fā)明另一實(shí)施方式。該實(shí)施方式與圖2所似的結(jié)構(gòu)有些類似，但是形成雙面結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括分別覆蓋著基材10第一表面11a和11b的第一緩沖層12和第二緩沖層12b。另外，在第一遮蓋層16a和第二遮蓋層16b上添加第一超導(dǎo)體層14a和第二超導(dǎo)體層14b。這種特別的結(jié)構(gòu)通過(guò)在基材兩側(cè)都涂布超導(dǎo)體層14a和14b，從而能夠有益地進(jìn)一步提供載流能力。
圖4示例性地顯示根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施方式的電鍍法。通常通過(guò)卷筒到卷筒的法進(jìn)行電鍍，在此方法中，超導(dǎo)帶從進(jìn)料卷32進(jìn)入，由卷繞卷筒盤34將超導(dǎo)帶卷取，從而使超導(dǎo)帶通過(guò)電鍍液27。此時(shí)帶通過(guò)多個(gè)輥26?？墒馆亷ж?fù)電荷，從而使一層或多層遮蓋層和/或基材帶有負(fù)電荷，用來(lái)電解沉積溶液中所提供的金屬離子。圖4中的實(shí)施方式顯示了用于雙面沉積的兩個(gè)陽(yáng)極28和30，但是也可以用一個(gè)陽(yáng)極28來(lái)進(jìn)行單面電鍍。如上討論，電鍍液27通常包含電鍍所需種類的金屬離子。例如在銅的具體情況下，該溶液可以是包含硫酸銅和硫酸的硫酸銅溶液。陽(yáng)極28、30提供電鍍所需的原料金屬，可以簡(jiǎn)單地由高純銅板形成。應(yīng)當(dāng)注意雖然可以對(duì)輥26施加電偏壓(bias)，從而偏壓超導(dǎo)帶，但也可在溶液浴外施加偏壓，以減少在輥本身上發(fā)生不希望有的金屬沉積。
在一個(gè)具體實(shí)施例中，使用上述的電鍍技術(shù)。具體來(lái)說(shuō)，通過(guò)直流磁控管濺射將銀濺射在樣品上，形成3微米厚的遮蓋層。將這些樣品置于硫酸銅溶液中，并施加偏壓，使遮蓋層形成陰極，陽(yáng)極為銅板。進(jìn)行電鍍，形成公稱厚度約為40微米的銅層。下文描述了對(duì)這種樣品的測(cè)試。
即，對(duì)1厘米寬、4厘米長(zhǎng)、1.7微米厚、臨界電流Ic約為111A的YBCO HTS層施加326A的電流負(fù)載。對(duì)樣品進(jìn)行過(guò)載，收集的電壓數(shù)據(jù)如圖5所示。在326A記錄的電壓為44.4毫伏，這相當(dāng)于3.6瓦/平方厘米的熱耗散，低于在液氮冷卻條件下的臨界熱通量密度5-20瓦/平方厘米。這說(shuō)明這種涂布了50微米穩(wěn)定層的導(dǎo)體可在液氮中傳導(dǎo)高于326A的電流而不發(fā)生“燃燒”。在沒有穩(wěn)定劑的情況下，在326A的設(shè)定功率耗散高于62.5千瓦/平方厘米。上文說(shuō)明電鍍的穩(wěn)定層能作為強(qiáng)分流層來(lái)保護(hù)超導(dǎo)膜，防止其在過(guò)載時(shí)發(fā)生燃燒。
在過(guò)載之后對(duì)樣品施加第二次負(fù)載。如圖6所示，曲線顯示在過(guò)載前和過(guò)載后Ic相同，約為111A。前文說(shuō)明HTS帶即使在過(guò)載之后仍保持其臨界電流。
為使穩(wěn)定層具有足夠的載流能力，通常穩(wěn)定層的厚度約為1-1000微米，最通常約為10-400微米，例如約為10-200微米。
具體實(shí)施方式
的公稱厚度約為40-50微米。
離開超導(dǎo)帶的具體結(jié)構(gòu)，圖7和圖8顯示了在商業(yè)電力部件即電力電纜中使用的超導(dǎo)帶。圖7顯示了一些在地下管道40中延伸的電力電纜42，所述管道40可為塑料管或鋼管。為清楚起見，圖7還顯示了地面41。如圖所示，一些電力電纜可通過(guò)管道40。
再來(lái)看圖8，圖中顯示了一種電力電纜的具體結(jié)構(gòu)。為了提供冷卻，使超導(dǎo)電力電纜保持在超導(dǎo)狀態(tài)，通過(guò)液氮導(dǎo)管44將液氮通入電力電纜。提供一個(gè)或多個(gè)HTS46帶來(lái)覆蓋導(dǎo)管44。將帶以螺旋方式置于導(dǎo)管44上，使帶螺旋環(huán)繞在導(dǎo)管44上。其它部件包括銅罩48、用來(lái)將這些部件介電分離的介電帶、第二HTS帶52、具有多股中心金屬線56的銅罩54、更大的第二液氮導(dǎo)管58、用來(lái)輔助保持低溫狀態(tài)的熱絕緣材料60、用于支撐結(jié)構(gòu)的波紋鋼管62(包括滑線64)和外殼66。
圖9示例性地顯示了電力變壓器，該變壓器具有周圍繞著初級(jí)繞組72和次級(jí)繞組74的中心芯子(central core)76。應(yīng)當(dāng)注意圖9實(shí)際上是示意圖，本領(lǐng)域技術(shù)人員很容易理解，變壓器的實(shí)際結(jié)構(gòu)可以發(fā)生變化。然而，這種變壓器包括基本的初級(jí)繞組和次級(jí)繞組。關(guān)于這一點(diǎn)，在圖9所示的實(shí)施方式中，初級(jí)繞組的線圈數(shù)多于次級(jí)繞組74，這表示能夠?qū)⑤斎腚娏π盘?hào)的電壓降低的降壓變壓器。相反的，如果初級(jí)繞組的線圈數(shù)少于次級(jí)線圈，則會(huì)發(fā)生電壓升高。關(guān)于這一點(diǎn)，通常在輸電變電所使用升壓變壓器提高電壓，以減少長(zhǎng)距離輸送過(guò)程中的電能損失，而在配電變電所使用降壓變壓器將電力分配給用戶。所述初級(jí)繞組和次級(jí)繞組中的至少一個(gè)繞組、優(yōu)選兩個(gè)繞組皆包括根據(jù)上文描述的超導(dǎo)帶。
現(xiàn)在來(lái)看圖10，圖10顯示了發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)。發(fā)電機(jī)包括與軸84相連、用來(lái)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子86的渦輪82。轉(zhuǎn)子86包括轉(zhuǎn)子線圈形成的高強(qiáng)度電磁鐵，電磁鐵用來(lái)產(chǎn)生發(fā)電所需的電磁場(chǎng)。通過(guò)流體流動(dòng)的作用使渦輪82旋轉(zhuǎn)，從而使軸84和轉(zhuǎn)子86也發(fā)生旋轉(zhuǎn)，對(duì)于水力發(fā)電機(jī)，所述流體是水，對(duì)于核能發(fā)電機(jī)、柴油發(fā)電機(jī)或燃煤發(fā)電機(jī)，所述流體是蒸汽。由于產(chǎn)生了電磁場(chǎng)，在包括至少一個(gè)導(dǎo)電繞組的定子88中產(chǎn)生電能。根據(jù)實(shí)施方式的一個(gè)具體特征，所述轉(zhuǎn)子線圈和定子繞組中的至少一個(gè)中包括根據(jù)上述實(shí)施方式的超導(dǎo)帶。通常，至少轉(zhuǎn)子線圈包括超導(dǎo)帶，能夠有效降低磁滯損耗。
現(xiàn)在來(lái)看圖11，圖11顯示了電力網(wǎng)的基本示意圖。電力網(wǎng)110基本上包括通常具有多臺(tái)發(fā)電機(jī)的發(fā)電廠90。發(fā)電廠90通常與輸電變電所94位于同一位置，并與其電連接。輸電變電所通常有多臺(tái)升壓電力變壓器，這些變壓器用來(lái)將所產(chǎn)生電力的電壓升高。通常，所產(chǎn)生電力的電壓為幾千伏，輸電變電所將電壓升高至100000至1000000伏，用以降低線路損失。傳輸距離通常為50至1000英里，輸電電纜96將電力輸送經(jīng)過(guò)這些距離。輸電電纜96將電力輸送到多個(gè)變電所98(圖10中僅顯示1個(gè))。變電所通常有多臺(tái)降壓變壓器，將傳輸電平電壓(transmission level voltage)從較高的電壓降低至配電電壓，通常約低于10000伏。還可以以網(wǎng)絡(luò)狀形式配置更多的變電所，在局部的區(qū)域內(nèi)為用戶進(jìn)行局部配電。然而，為了簡(jiǎn)便起見，圖中僅顯示了一個(gè)變電所，注意可以用串聯(lián)方式提供一些下游變電所。然后通過(guò)配電電纜100將配電電壓的電力輸送給用戶102，包括商業(yè)用戶和民用用戶。還應(yīng)注意可以為單個(gè)或一組用戶區(qū)域性地提供一個(gè)變壓器。根據(jù)一個(gè)具體特征，所述發(fā)電站90中的發(fā)電機(jī)、變壓器和輸電變電所、輸電電纜、變電所的變壓器和配電電纜中的至少一項(xiàng)可以使用根據(jù)本說(shuō)明書的超導(dǎo)帶。
盡管在本文中已經(jīng)具體描述了本發(fā)明的一些具體方面，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員很容易理解可以在權(quán)利要求書范圍之內(nèi)對(duì)其進(jìn)行修改。
權(quán)利要求
1.一種超導(dǎo)制品，其包括基材；覆蓋著基材的緩沖層；覆蓋著緩沖層的超導(dǎo)體層；以及覆蓋著超導(dǎo)體層的電鍍穩(wěn)定劑層。
2.如權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)制品，其特征在于，所述電鍍穩(wěn)定劑層包含非貴金屬。
3.如權(quán)利要求2所述的超導(dǎo)制品，其特征在于，所述非貴金屬包括選自下組的材料銅、鋁以及它們的合金。
4.如權(quán)利要求3所述的超導(dǎo)制品，其特征在于，所述非貴金屬包括銅。
5.如權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)制品，其特征在于，所述電鍍穩(wěn)定劑層基本上由非貴金屬組成。
6.如權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)制品，其特征在于，所述緩沖層包括雙軸晶體織構(gòu)的膜，這種膜具有在膜平面內(nèi)和膜平面外通常都對(duì)齊排列的晶體。
7.如權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)制品，其特征在于，所述緩沖層包括隔離膜。
8.如權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)制品，其特征在于，所述超導(dǎo)制品還包括位于電鍍穩(wěn)定劑層和超導(dǎo)體層之間的貴金屬層。
9.如權(quán)利要求8所述的超導(dǎo)制品，其特征在于，所述貴金屬層包含銀。
10.如權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)制品，其特征在于，所述超導(dǎo)體層包含高溫超導(dǎo)材料，該高溫超導(dǎo)材料的臨界溫度Tc不低于約77°K。
11.如權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)制品，其特征在于，所述超導(dǎo)體材料包含REBa2Cu3O7-x，其中RE為稀土元素。
12.如權(quán)利要求11所述的超導(dǎo)制品，其特征在于，所述超導(dǎo)體材料包含YBa2Cu3O7。
13.如權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)制品，其特征在于，所述電鍍穩(wěn)定劑層的厚度范圍為約1-1000微米。
14.如權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)制品，其特征在于，所述電鍍穩(wěn)定劑層的厚度范圍為約10-200微米。
15.如權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)制品，其特征在于，所述制品為超導(dǎo)帶的形式。
16.如權(quán)利要求15所述的超導(dǎo)制品，其特征在于，所述基材的長(zhǎng)寬比不小于103。
17.如權(quán)利要求15所述的超導(dǎo)制品，其特征在于，所述基材的長(zhǎng)寬比不小于104。
18.如權(quán)利要求15所述的超導(dǎo)制品，其特征在于，所述基材包括相對(duì)的第一表面和第二表面，所述電鍍穩(wěn)定劑層包括分別覆蓋基材的相對(duì)的第一表面和第二表面的第一電鍍穩(wěn)定劑層和第二電鍍穩(wěn)定劑層。
19.如權(quán)利要求18所述的超導(dǎo)制品，其特征在于，所述第一電鍍穩(wěn)定劑層和第二電鍍穩(wěn)定劑層延伸以形成超導(dǎo)帶的第一側(cè)表面和第二側(cè)表面，并包封超導(dǎo)帶。
20.如權(quán)利要求19所述的超導(dǎo)制品，其特征在于，所述的第一和第二電鍍穩(wěn)定劑層沿超導(dǎo)制品的至少一部分側(cè)表面形成凸起的形狀。
21.如權(quán)利要求15所述的超導(dǎo)制品，其特征在于，所述超導(dǎo)制品具有雙面結(jié)構(gòu)，所述基材具有彼此相對(duì)的第一表面和第二表面，所述緩沖層包括分別覆蓋著基材第一表面和第二表面的第一緩沖層和第二緩沖層，所述超導(dǎo)體層包括分別覆蓋著第一緩沖層和第二緩沖層的第一超導(dǎo)體層和第二超導(dǎo)體層，以及所述電鍍穩(wěn)定劑層包括分別覆蓋著第一超導(dǎo)體層和第二超導(dǎo)體層的第一電鍍穩(wěn)定劑層和第二電鍍穩(wěn)定劑層。
22.如權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)制品，其特征在于，所述電鍍穩(wěn)定劑層是在不摻入粘合層的情況下粘合電鍍穩(wěn)定劑層的。
23.如權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)制品，其特征在于，所述電鍍穩(wěn)定劑層是在不摻入焊接層的情況下粘合的。
24.如權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)制品，其特征在于，所述制品為電力電纜，該電力電纜包括多條超導(dǎo)帶，各超導(dǎo)帶包括所述基材、所述緩沖層、所述超導(dǎo)體層和所述電鍍穩(wěn)定劑層。
25.如權(quán)利要求24所述的超導(dǎo)制品，其特征在于，所述超導(dǎo)制品還包括用于通過(guò)冷卻劑流體的導(dǎo)管。
26.如權(quán)利要求25所述的超導(dǎo)制品，其特征在于，所述超導(dǎo)帶纏繞在導(dǎo)管周圍。
27.如權(quán)利要求24所述的超導(dǎo)制品，其特征在于，所述電力電纜包括輸電電纜。
28.如權(quán)利要求24所述的超導(dǎo)制品，其特征在于，所述電力電纜包括配電電纜。
29.如權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)制品，其特征在于，所述制品為電力變壓器，該電力變壓器包括初級(jí)繞組和次級(jí)繞組，所述初級(jí)繞組和次級(jí)繞組中的至少一個(gè)包括超導(dǎo)帶繞線型線圈，該超導(dǎo)帶包括所述基材、所述緩沖層、所述超導(dǎo)體層和所述電鍍穩(wěn)定劑層。
30.如權(quán)利要求29所述的超導(dǎo)制品，其特征在于，所述次級(jí)繞組的繞組數(shù)比初級(jí)繞組少，以降低電壓。
31.如權(quán)利要求29所述的超導(dǎo)制品，其特征在于，所述初級(jí)繞組的繞組數(shù)比次級(jí)繞組少，以升高電壓。
32.如權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)制品，其特征在于，所述制品為發(fā)電機(jī)，該發(fā)電機(jī)包括與轉(zhuǎn)子相連的軸，所述轉(zhuǎn)子包括包含轉(zhuǎn)子線圈的電磁鐵；還包括定子，所述定子包括圍繞著轉(zhuǎn)子的導(dǎo)體繞組，其中所述繞組和轉(zhuǎn)子線圈中的至少一個(gè)包括超導(dǎo)帶，該超導(dǎo)帶包括所述基材、所述緩沖層、所述超導(dǎo)體層和所述電鍍穩(wěn)定劑層。
33.如權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)制品，其特征在于，所述制品為電力網(wǎng)，該電力網(wǎng)包括包括發(fā)電機(jī)的發(fā)電站；輸電變電所，所述變電所包括多臺(tái)用來(lái)接受來(lái)自發(fā)電站的電力、并升高電壓用來(lái)輸送的電力變壓器；多條用來(lái)從輸電變電所輸送電力的輸電電纜；用來(lái)接受來(lái)自輸電電纜的電力的變電所，所述變電所包括多臺(tái)用來(lái)降低電壓以便配電的電力變壓器；以及多條用來(lái)向終端用戶配電的配電電纜，其中所述配電電纜、輸電電纜、變電所變壓器，輸電變電所變壓器和發(fā)電機(jī)中的至少一項(xiàng)包括多條超導(dǎo)帶，各超導(dǎo)帶包括所述基材、所述緩沖層、所述超導(dǎo)體層和所述電鍍穩(wěn)定劑層。
34.一種形成超導(dǎo)帶的方法，其包括提供基材；沉積覆蓋基材的緩沖層；沉積覆蓋緩沖層的超導(dǎo)體層；以及電鍍覆蓋超導(dǎo)體層的穩(wěn)定層。
35.如權(quán)利要求34所述的方法，其特征在于，所述電鍍是使超導(dǎo)帶通過(guò)電鍍液來(lái)進(jìn)行的，且對(duì)超導(dǎo)帶施加偏壓以形成陰極，在溶液中提供陽(yáng)極。
36.如權(quán)利要求35所述的方法，其特征在于，所述穩(wěn)定層包含非貴金屬。
37.如權(quán)利要求36所述的方法，其特征在于，所述非貴金屬包括銅。
38.如權(quán)利要求37所述的方法，其特征在于，所述溶液包含硫酸銅。
39.如權(quán)利要求35所述的方法，其特征在于，所述超導(dǎo)帶以卷筒到卷筒的方式通過(guò)溶液。
40.如權(quán)利要求34所述的方法，其特征在于，通過(guò)進(jìn)行電鍍使穩(wěn)定層覆蓋在基材的一側(cè)。
41.如權(quán)利要求34所述的方法，其特征在于，通過(guò)進(jìn)行電鍍使穩(wěn)定層覆蓋在基材的相對(duì)的第一側(cè)和第二側(cè)。
42.如權(quán)利要求34所述的方法，其特征在于，通過(guò)進(jìn)行電鍍使穩(wěn)定層包封基材、緩沖層和超導(dǎo)體層。
43.一種布設(shè)電力電纜的方法，其包括提供一卷電力電纜，該電力電纜包括多條超導(dǎo)帶，各超導(dǎo)帶包括基材、覆蓋著基材的緩沖層、覆蓋著緩沖層的超導(dǎo)體層以及覆蓋著超導(dǎo)體層的電鍍穩(wěn)定劑層；在將電力電纜送入管道的同時(shí)展開線卷，其中所述管道為地下公用管道。
全文摘要
揭示了一種超導(dǎo)帶(1)，該超導(dǎo)帶包括基材(10)，覆蓋著基材(10)的緩沖層(12a)，覆蓋著緩沖層(12a)的超導(dǎo)體層(14a)，覆蓋著超導(dǎo)體層(14a)的隔離層(16a)以及覆蓋著隔離層(16a)的電鍍穩(wěn)定劑層(18a)。還揭示了一種裝有超導(dǎo)帶的制品，以及其制造和使用方法。
文檔編號(hào)H01F6/00GK1813317SQ200480018114
公開日2006年8月2日 申請(qǐng)日期2004年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月27日
發(fā)明者李喜均, 謝義元 申請(qǐng)人:美國(guó)超能公司