چگونه خطوط برق فوق رسانا کار می‌کنند و چه چالش‌های اصلی‌ای جلوی استفاده گسترده آنها در شبکه‌های برق شهری را می‌گیرد

خطوط برقی فوق‌رسانا از ویژگی‌های مواد فوق‌رسانایی برای انتقال انرژی الکتریکی استفاده می‌کنند. مواد فوق‌رسانایی در دمای پایین (معمولاً زیر دمای بحرانی خود) مقاومت صفر نشان می‌دهند، به این معنا که جریان می‌تواند بدون هیچ اتلافی از طریق فوپررسانا جریان یابد. در ادامه یک مرور اجمالی از نحوه عملکرد خطوط برقی فوق‌رسانا آورده شده است:

• مواد فوق‌رسانا: از موادی که در دماهای پایین خاص می‌توانند فوق‌رسانا شوند، مانند آلیاژ نیوبیم-تانال (NbTi) یا مواد فوق‌رسانا با دمای بالا مانند اکسید کبالت باریوم یتریوم (YBCO) استفاده می‌شود.

• سیستم خنک‌سازی: برای حفظ وضعیت فوق‌رسانایی، سیستم خنک‌سازی لازم است تا ماده را زیر دمای بحرانی خود نگه دارد. رسانه‌های خنک‌سازی معمول شامل هلیوم مایع (برای فوق‌رساناهای دمای پایین سنتی) یا نیتروژن مایع (برای فوق‌رساناهای دمای بالا) هستند.

• انتقال قدرت: در حالت فوق‌رسانایی، جریان از طریق رسانا با تقریباً بدون هیچ اتلافی جریان می‌یابد، که به طور قابل توجهی کارایی انتقال قدرت را بهبود می‌بخشد. علاوه بر این، به دلیل چگالی جریان بالا در فوق‌رساناهای، حجم کمتری از کابل فوق‌رسانا می‌تواند بیشتر قدرت را نسبت به کابل‌های معمولی منتقل کند.

چالش‌های اصلی مانع گسترده شدن در شبکه‌های شهری

با اینکه خطوط برقی فوق‌رسانا مزایای قابل توجهی مانند کاهش اتلاف قدرت و افزایش ظرفیت انتقال قدرت را ارائه می‌دهند، چالش‌های متعددی وجود دارد که مانع گسترده شدن آنها در شبکه‌های شهری می‌شوند:

• نیازهای خنک‌سازی: خطوط برقی فوق‌رسانا نیاز به خنک‌سازی کریوژنیک مداوم دارند، که پیچیدگی و هزینه سیستم را افزایش می‌دهد. تجهیزات خنک‌سازی نه تنها هزینه سرمایه‌گذاری اولیه را ایجاد می‌کنند بلکه هزینه‌های عملیاتی و نگهداری مداوم را نیز تولید می‌کنند.

• هزینه تولید: در حال حاضر، مواد فوق‌رسانا گران‌تر از مواد رسانای سنتی هستند. علاوه بر این، فرآیند تولید کابل‌های فوق‌رسانا پیچیده‌تر است، که هزینه‌ها را افزایش می‌دهد.

• تغییر بنیادی زیرساخت: زیرساخت‌های موجود برق ممکن است نیاز به تغییرات گسترده‌ای برای استقرار خطوط برقی فوق‌رسانا داشته باشند. این شامل به‌روزرسانی سیستم‌های توزیع، زیرстанیون‌ها و دیگر تسهیلات مرتبط است.

• قابلیت اطمینان و ایمنی: کابل‌های فوق‌رسانا می‌توانند تحت شرایط حدی (مانند بار بیش از حد) از حالت فوق‌رسانایی خود خارج شوند، که این پدیده «کوئنش» نامیده می‌شود. در طی کوئنش، فوپررسانا به حالت مقاومت‌دار بازمی‌گردد، که منجر به افزایش سریع دما می‌شود و می‌تواند کابل را آسیب ببیند. مکانیزم‌های محافظت قابل اعتماد ضروری است تا از وقوع چنین حوادثی جلوگیری شود.

• فناوری و استانداردها: خطوط برقی فوق‌رسانا یک فناوری نسبتاً جدید هستند و مشخصات فنی و استانداردهای صنعتی مربوط به آنها هنوز در حال توسعه هستند. فقدان استانداردهای پخته می‌تواند از تجاری‌سازی آنها جلوگیری کند.

• پذیرش عمومی: معرفی فناوری‌های جدید معمولاً زمان می‌برد تا اعتماد و حمایت عمومی را کسب کنند، به ویژه وقتی که شامل تغییرات چشمگیر در زیرساخت و فناوری است.

خلاصه

خطوط برقی فوق‌رسانا با استفاده از ویژگی‌های مقاومت صفر مواد فوق‌رسانایی در دماهای پایین به طور کارآمد انرژی الکتریکی را منتقل می‌کنند. با این حال، چالش‌هایی که با آن مواجه هستند شامل نیازهای خنک‌سازی بالا، هزینه‌های تولید، نیاز به تغییر بنیادی زیرساخت، نگرانی‌های قابلیت اطمینان و ایمنی، و فناوری و استانداردهای در حال توسعه هستند. حل این چالش‌ها به ترویج و توسعه فناوری فوق‌رسانایی در انتقال قدرت کمک خواهد کرد.