高温超导材料：产业化与应用现状

高温超导材料的临界温度较高，可以工作在液氮温区，因而制冷运行成本低，是应用于电力工业的最理想的超导材料。如今，具有实用意义的高温超导材料主要有第一代高温超导材料和第二代高温超导材料。第一代高温超导材料包括前面提到的Bi-2223和Bi-2212等Bi系高温超导材料，其中又以Bi-2223的研究最为广泛和成熟；第二代高温超导材料主要是基于钇系薄膜（YBCO）的超导材料。第一代Bi系高温超导材料的成相机制和制备工艺比第二代高温超导材料简单，然而第二代高温超导材料在总体性能上要优于第一代高温超导材料。例如第一代Bi系高温超导材料在液氮温区的不可逆场强较低、交流损耗大、制备工艺离不开昂贵的银使其成本居高不下、机械性能差等各种缺点；而第二代高温超导材料不但具有优越的电流传输特性（临界电流密度大于10⁶A/cm²）、良好的高磁场中电流传输性能，而且它还具有第一代高温超导材料所没有的良好的机械性能，因此第二代高温超导材料今后将成为超导电力应用发展的最佳选择。

20世纪90年代末，第一代Bi系高温超导导线（主要是Bi-2223）的制备技术取得重大突破，使其迅速形成商业化生产，极大地推动了超导应用技术的发展。至今，世界上许多国家已有利用第一代高温超导导线研发的高温超导电缆、故障限流器、超导磁体、超导磁储能装置、超导电机和超导变压器等投入使用或正在研制试运行。第二代高温超导导线的制备技术的发展成熟相对晚于第一代，但随着第二代高温超导导线制备技术的发展，随着导线性能的不断提高，世界各国已经逐渐把研究的重点从第一代高温超导导线转移到了第二代高温超导导线上来。总的来讲，目前二代导线的价格还远高于一代导线。第二代高温超导导线从长远来看、由于其原材料便宜，有可能在价格上与铜有竞争能力，将使得超导在电力方面最终获得大规模应用。

高温超导导线最直接的应用就是高温超导电缆。目前远程大容量电力输送一般采用架空铝裸线，大城市的输电一般采用地下电缆，导体为铜线或铝线。使用这些传统的电线或电缆，电能在输送过程中要损失5%～10%。而对于超导电缆，由于超导材料的直流无电阻特性，超导电缆的使用将会大幅地减少输电路的损耗，进而降低电网的损耗，这不仅可以提高电网的效率，而且可降低燃煤发电量，从而减少污染和CO₂的排放；而且超导电缆还具有大容量、载流密度高、交流损耗低、结构紧凑等特点，可用来远距离大容量输电、为大负荷特殊场合供电、用于变电站电流传输母线、替换海底电缆等。使用超导电缆能够节约大量金属材料和安装成本。因此自20世纪90年代末以来，世界各主要国家都在加紧对超导电缆的开发研制，有的已经并网运行至今。

由于超导材料的电流传输性能远高于铜材料，所以需达到相同效果时，超导变压器相比于传统型的充油式变压器，可以做的更小、更轻，而且可以大幅减小损耗。随着性能更优越的第二代高温超导导线的应用，变压器的尺寸可以进一步减小，而且第二代高温超导导线代替第一代导线后，可以使得原先存在的交流损耗大幅减小，从而使其冷却系统可以做的更小，运行成本更低。(www.xing528.com)

目前，相比于第一代高温超导导线，第二代高温超导导线是应用于电力工业的更理想的选择，但价格居高是限制第二代高温超导导线大规模应用的重要因素，它的成本目前约为500美元/kA·m，但这一数值在世界各国的努力研发下正在迅速降低。特别是第二代高温超导导线可以通过有效增加超导层厚度实现大电流性能（约1000A/cm），从而可以大幅度降低导线成本，提高性价比，而这一工作近年来在日本和美国都取得了突破性进展。据预测，在未来5～10年之内，第二代高温超导导线的价格将会下降到接近甚至低于铜的价格，那时，第二代高温超导导线的大规模应用将变为可能，而且在这5～10年内，高温超导电力器件的开发技术也会越来越成熟，最终能够满足电网的要求并替代传统器件，超导器件的市场占有比例于15年之后将会增加到50%左右。

即使在目前第二代高温超导导线价位仍然较高的情况下，全世界的年需求量仍可达约1000km，主要用于高温超导电缆、变压器等应用产品的示范项目，市场总值约为4000万美元/年。而目前第二代高温超导导线的制备产业在全球各发达国家还普遍处于中试规模，只有美国的两家公司（SuperPower和AMSC）可以实现供货，但总产量尚无法满足需求。总的来说，第二代高温超导导线具有广阔的市场前景。随着其制备工艺的不断完善和应用技术的不断成熟，以它为基础的高温超导技术在未来十年将进入快速的实质化扩张阶段。