CN110675988B - 一种真空超导输电系统和输电方法 - Google Patents

一种真空超导输电系统和输电方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种真空超导系统和输电方法。所述系统设有依次连接的电子发射区、真空超导管和电子接收区；所述电子发射区设有用于产生和发射电子束的电能转化电子装置、用于给电子加速的静电加速器、发射区外壳以及维持系统真空状态的发射区真空泵；所述真空超导管其侧壁由外至内包括外侧保护层、中间静电屏蔽层和内侧电子反射层，电子束在所述真空超导管内传播后进入到电子接收区；所述电子接收区设有用于给电子减速的静电减速器、用于接收减速后的电子并转化成电能的电子转化电能装置、接收区外壳以及维持系统真空状态的接收区真空泵。本发明利用加速的电子在真空中定向的无电阻运动达到超导输电的效果，降低电子无用做功，实现无损输电。

Description

一种真空超导输电系统和输电方法
技术领域
本发明涉及输电技术领域，具体地说，涉及一种真空超导系统和输电方法。
背景技术
通常情况下，输电线路中的电子在电压的作用下发生定向运动，从而产生电流，但由于电阻的影响，会因电阻做功，造成输电损耗，浪费电能。目前主要是通过高压或者超高压来减少输电损耗，但即使电压越来越高，仍未达到完全无损耗输电。
研究发现，许多金属以及合金在低温下失去电阻的现象为超导现象，而处于超导状态的导体称之为超导体，超导体的电阻率在一定低温下突然消失，被称作为零电阻效应。超导是目前研究的重点，但现阶段的超导因为材料限制，仍需要在低温条件下进行，无法在正常气温下实现超导输电。虽然国内外超导临界温度已经提高到零下120℃即153K左右，然而超导体的应用还必须用液态氮来冷却，从而限制了超导输电的实际应用。专利文献CN205318929U，公告日2016.06.15，公开了一种高效率电线，所述高效率电线包括绝缘护套、高真空与超级绝热材料层、高温超导体材料、骨架，所述绝缘护套内层设置有电绝缘套，所述电绝缘套内层连接有液氮输出波纹管，所述液氮输出波纹管内层连接有所述高真空与超级绝热材料层，所述高真空与超级绝热材料层内层设置有所述高温超导体材料，所述高温超导体材料内层支撑有所述骨架，所述骨架内层设置有液氮输入波纹管，其取得的技术效果在于：电线阻抗非常小，有效改善了超导输电电缆的传输性能。然而，该实用新型的高效率电线由于需要液氮持续输入和输出，难以应用到实际中。
总的来说，目前由于临界温度较高的超导体还未进入使用阶段，超导输电的温度控制难题未得到解决，其他的无损输电技术也都处于研发阶段，未实现真正的无损输电，因此，开辟一种新的具备实际可操作性的方法以达到超导输电的目的，是目前有效的方法。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中的不足，提供一种真空超导系统。
本发明的另一目的是，提供一种输电方法。
为实现上述第一个目的，本发明采取的技术方案是：
一种真空超导系统，设有电子发射区、真空超导管和电子接收区，所述电子发射区和电子接收区分别连接在真空超导管的两端；所述电子发射区设有电能转化电子装置、静电加速器、发射区外壳和发射区真空泵，所述电能转化电子装置用于产生电子和发射电子束，所述静电加速器用于给电子加速，所述发射区真空泵用于维持发射区外壳内部和真空超导管的真空状态；所述真空超导管其侧壁由外至内包括外侧保护层、中间静电屏蔽层和内侧电子反射层，电子束在所述真空超导管内传播后进入到电子接收区；所述电子接收区设有电子转化电能装置、静电减速器、接收区外壳和接收区真空泵，所述静电减速器用于给电子减速，所述电子转化电能装置用于接收减速后的电子并转化成电能，所述接收区真空泵用于维持接收区外壳内部和真空超导管的真空状态。
作为本发明的一个优选例，所述内侧电子反射层设有基板和若干个固定于基板并呈叠瓦式排列的电子反射板，各电子反射板之间互相不接触。
更优选地，每个电子反射板大小形状相同。
作为本发明的另一优选例，所述中间静电屏蔽层完全由金属包裹。
作为本发明的另一优选例，所述外侧保护层由抗大气压的材料制成。
作为本发明的另一优选例，所述外侧保护层和中间静电屏蔽层之间还设有中间电磁屏蔽层。
作为本发明的另一优选例，所述电能转化电子装置为电子发射枪。
作为本发明的另一优选例，所述电子转化电能装置为电子接收器。
作为本发明的另一优选例，所述电子发射区和电子接收区与所述真空超导管相连接的部分还分别设有一个第三阀门。
为实现上述第二个目的，本发明采取的技术方案是：
一种输电方法，采用了如上任一所述的真空超导系统。
本发明优点在于：
1、本发明的真空超导系统，利用加速的电子在真空中定向的无电阻运动，达到超导输电的效果，降低电子无用做功，达到无损输电。
2、当真空超导管发生弯曲时，电子反射板由于电场的作用，使电子(束) 像光线遇到镜子一样发生反射作用，在真空管中传播。
3、电子反射板呈叠瓦式(或鱼鳞式)排列，每一块互相不接触，使得每块电子反射板能够单独对电子(束)产生反射作用，使电子(束)在弯曲的真空超导管内发生转弯，向远端传播。
4、真空超导管的壁设有中间静电屏蔽层，还进一步设有中间电磁屏蔽层，因此既有静磁场屏蔽，又有高频磁场屏蔽。
5、静电加速器使发射端的电子(束)速度加速，便于电子(束)快速传播，静电减速器使电子接收端的电子(束)速度减速，便于电能转化电子装置将电子(束)转化成电能。
6、电子发射区以及电子接收区的阀门便于控制真空泵抽吸真空超导管中的空气，使超导管内形成真空。
附图说明
附图1是本发明实施例1的真空超导系统组成示意图。
附图2为真空超导管横切面结构示意图。
附图3是真空超导管纵切面结构示意图。
附图4是电子反射板排列状态示意图。
附图5是本发明实施例2的真空超导系统组成示意图。
附图6是本发明实施例3的真空超导管横切面结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的具体实施方式作详细说明。
附图中涉及的附图标记和组成部分如下所示：
1.电子发射区 2.真空超导管
3.电子接收区 11.电能转化电子装置
12.静电加速器 13.发射区外壳
14.发射区真空泵 141.第一气泵
142.第一阀门 143.第一连接管
21.外侧保护层 22.中间静电屏蔽层
23.内侧电子反射层 231.基板
232.电子反射板 24.中间电磁屏蔽层
31.电子转化电能装置 32.静电减速器
33.接收区外壳 34.接收区真空泵
341.第二气泵 342.第二阀门
343.第二连接管 4.第三阀门
实施例1
请参见图1，图1是本发明实施例1的真空超导系统组成示意图。所述真空超导系统设有电子发射区1、真空超导管2和电子接收区3，所述电子发射区1和电子接收区3分别连接在真空超导管2的两端。
所述电子发射区1设有电能转化电子装置11、静电加速器12、发射区外壳13和发射区真空泵14。所述电能转化电子装置11用于产生电子，并用于发射电子束，具体可以是电子发射枪。所述静电加速器12用于给电能转化电子装置11所发射的电子束加速。其中电子束自从电能转化电子装置11发出后即处于所述发射区外壳13内。所述发射区真空泵14设有第一气泵141、第一阀门142和第一连接管143，所述第一连接管143与所述发射区外壳13相连从而使得所述发射区真空泵14可以将发射区外壳13内部抽真空。由静电加速器12 加速后的电子束进入到所述真空超导管2。
请参见图2-4，图2为真空超导管横切面结构示意图，图3是真空超导管纵切面结构示意图，图4是电子反射板排列状态示意图。所述真空超导管2为长圆柱形，内径为0.01-100cm，其侧壁由外至内包括外侧保护层21、中间静电屏蔽层22和内侧电子反射层23。所述内侧电子反射层23设有基板231和若干个固定于基板231并呈叠瓦式(或鱼鳞式)排列的电子反射板232，每个电子反射板232大小形状相同，面积为0.0001-1000cm2，各电子反射板232之间互相不接触。所述中间静电屏蔽层22完全由金属包裹，厚度为0.001-1cm。所述外侧保护层21由能抗大气压的材料制成。
再请参见图1，所述电子接收区3设有电子转化电能装置31、静电减速器 32、接收区外壳33和接收区真空泵34。电子束在所述真空超导管2内传播后进入到电子接收区3，具体地，所述静电减速器32用于给进入到电子接收区3 的电子减速，所述电子转化电能装置31用于接收减速后的电子，将所述电子转化成电能，具体可以是电子接收器。所述电子一旦进入电子接收区3则处于接收区外壳33内。所述接收区真空泵34设有第二气泵341、第二阀门342和第二连接管343，所述第二连接管343与所述接收区外壳33相连从而使得所述接收区真空泵34可以将接收区外壳33内部抽真空。所述电子发射区1和电子接收区3与所述真空超导管2相连接的部分还分别设有一个第三阀门4。
实施例2
请参见图5，图5是本发明实施例2的真空超导系统组成示意图。本实施例的真空超导系统与实施例1的真空超导系统组成基本相同，不同之处仅在于所述真空超导管2为弯曲的管状。
实施例3
本实施例的真空超导系统与实施例1的真空超导系统组成基本相同，不同之处仅在于所述真空超导管的壁的结构。请参见图6，附图6是本发明实施例 3的真空超导管横切面结构示意图，所述真空超导管2其侧壁由外至内包括外侧保护层21、中间电磁屏蔽层24、中间静电屏蔽层22和内侧电子反射层23。所述内侧电子反射层23设有基板231和若干个固定于基板231并呈叠瓦式(或鱼鳞式)排列的电子反射板232，每个电子反射板232大小形状相同，面积为 0.0001-1000cm2，各电子反射板232之间互相不接触。所述中间静电屏蔽层22完全由金属包裹，厚度为0.001-1cm。所述中间电磁屏蔽层24用于屏蔽高频磁场(为了增强屏蔽效果，中间电磁屏蔽层24可采用多层屏蔽体，其外层一般采用电导率高的材料，以加大反射作用，而其内层则采用磁导率高的材料，以加大涡流效应)，所述外侧保护层21由抗大气压的材料制成。
针对上述各实施例，需要说明的是，本发明的真空超导系统能够使电子在真空管内在不受外界电磁场的影响下发生定向运动，从而产生电流；由于从发射端到接收端无电阻，因此随着电子流动，可达到零电阻电流，为无电阻输电，所以属于另一种形式的超导输电。当所述真空超导管2发生弯曲时，电子反射板232由于电场的作用，使电子(束)像光线遇到镜子一样发生反射作用，进而在真空超导管2中传播；电子反射板232呈叠瓦式(或鱼鳞式)排列，每一块互相不接触，使得每块电子反射板232能够单独对电子(束)产生反射作用，使电子(束)在弯曲的真空超导管2内发射转弯，向远端传播。所述外侧保护层21、中间电磁屏蔽层24、中间静电屏蔽层22和内侧电子反射层23之间是贴合的，附图仅用于说明其结构组成。所述第一阀门142、第二阀门342、第三阀门4用于控制发射区真空泵15、接收区真空泵35抽吸真空超导管2中的空气以形成真空环境。所述静电加速器12使发射端的电子(束)速度加速，便于电子(束)快速传播，所述静电减速器32使接收端的电子(束)速度减速，便于电子转化电能装置31将电子(束)转化成电能。所述电能转化电子装置11可以是电子发射枪等，所述电子转化电能装置31可以是电子接收器等，如金属板，用于接收电流。所述外侧保护层21由抗大气压的材料制成，可以是高强度钢板、石墨烯或碳纤维等。
实施例4
本实施例给出了检测本发明真空超导系统(结构如实施例1或2)输电功能的实验。
1方法
打开电子发射区以及电子接收区的第一阀门、第二阀门、第三阀门，打开发射区真空泵和接收区真空泵以抽吸真空超导管中的空气，令真空超导管内形成真空，使本发明真空超导系统里面的大气压力小于1*10-6Pa。
将直流数字式微安表(ZGF-II型量程0-1999μA)连接在电路中的电子接收区后部，将真空超导管为1米、电子发射枪发射电子束为1mA的真空超导系统的真空超导管放在0、0.001、0.01、0.1、1豪特斯拉的电场中，静电加速器(0.5MeV)，磁场为0，检测末端电流3次，取均值。
测试真空超导管为1米时，电子发射枪发射电子束为1mA时，外面电场及磁场为0时，真空超导管发生0、1、2、3、4个弯曲时，静电加速器(0.5MeV)，电子在真空超导管中的传播，检测末端电流3次，取均值。
测试电子发射枪发射电子束为1mA时，电场、磁场为0，真空超导管弯度为0，真空超导管长度为0、0.001、0.01、0.1、1米时，静电加速器(0.5MeV)，电子在真空超导管中的传播，检测末端电流3次，取均值。
数据处理使用SPSS软件11.0版本，采用空白对照进行X2检验。
2结果
将真空超导管长度为1米、电子发射器发射电子束为1mA的真空超导系统的真空超导管放在0、0.001、0.01、0.1、1豪特斯拉的电场中，磁场为0，检测末端电流，单位微安，结果见下表。
Figure BDA0002233211160000061
当真空超导管为1米时，电子发射器发射电子束为1mA时，外面电场及磁场为0时，真空超导管发生0、1、2、3、4个弯曲时，电子在真空超导管中传播，检测末端电流，结果见下表。
Figure BDA0002233211160000062
Figure BDA0002233211160000071
电子发射器发射电子束为1mA时，电场、磁场为0，真空超导管弯度为0，检测真空超导管长度为0、0.001、0.01、0.1、1米时，电子在真空管中传播，检测末端电流，结果见下表。
Figure BDA0002233211160000072
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种真空超导输电系统，其特征在于，设有电子发射区、真空超导管和电子接收区，所述电子发射区和电子接收区分别连接在真空超导管的两端；所述电子发射区设有电能转化电子装置、静电加速器、发射区外壳和发射区真空泵，所述电能转化电子装置用于产生电子和发射电子束，所述静电加速器用于给电子加速，所述发射区真空泵用于维持发射区外壳内部和真空超导管的真空状态；所述真空超导管其侧壁由外至内包括外侧保护层、中间静电屏蔽层和内侧电子反射层，电子束在所述真空超导管内传播后直接进入到电子接收区的静电减速器；所述电子接收区设有电子转化电能装置、静电减速器、接收区外壳和接收区真空泵，所述静电减速器用于给电子减速，所述电子转化电能装置用于直接接收减速后的电子并转化成电能，所述接收区真空泵用于维持接收区外壳内部和真空超导管的真空状态。
2.根据权利要求1所述的真空超导输电系统，其特征在于，所述内侧电子反射层设有基板和若干个固定于基板并呈叠瓦式排列的电子反射板，各电子反射板之间互相不接触。
3.根据权利要求2所述的真空超导输电系统，其特征在于，每个电子反射板大小形状相同。
4.根据权利要求1所述的真空超导输电系统，其特征在于，所述中间静电屏蔽层完全由金属包裹。
5.根据权利要求1所述的真空超导输电系统，其特征在于，所述外侧保护层由抗大气压的材料制成。
6.根据权利要求1所述的真空超导输电系统，其特征在于，所述外侧保护层和中间静电屏蔽层之间还设有中间电磁屏蔽层。
7.根据权利要求1所述的真空超导输电系统，其特征在于，所述电能转化电子装置为电子发射枪。
8.根据权利要求1所述的真空超导输电系统，其特征在于，所述电子转化电能装置为电子接收器。
9.根据权利要求1所述的真空超导输电系统，其特征在于，所述电子发射区和电子接收区与所述真空超导管相连接的部分还分别设有一个第三阀门。
10.一种输电方法，其特征在于，采用了如权利要求1-9任一所述的真空超导输电系统。
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