초고전도 원리(BCS이론) 및 현상
1)원리
- 초전도체의 임계온도 이하에 A전자가 지나간 자리에 느린 양이온이 모여 +영역이 형성된다
- B전자가 +영역으로 끌려 들어간다
- A, B 두 전자가 마치 당기는 것처럼 보이는데 이를 쿠퍼페어라 한다
- 임계온도 이하에서 대부분 전자는 쿠퍼페어를 형성하고 같은 방향 및 속도로 이동한다
- 임계온도 이하에서 대부분 전자는 쿠퍼페어를 형성하고 같은 방향 및 속도로 이동한다
- 이온격자진동(포논)과 충돌을 일으키지 않아 전기저항없이 큰 전류를 흘릴 수 있다.
2)현상종류
- 제로저항효과
- 초전도체는 임계온도 이하에서 직류전류에 대해 전기저항이 완전히 “0”이 된다.
- 저항이 없으므로 열이 발생하지 않아 에너지 손실(I²R)이 없다.
- 조셉슨 효과
- 초전도체 사이에 앏은 절연막을 삽입하여 쿠퍼페어에 의해 전류를 통과시킬수 있는 현상
- 매이스너 효과
- 일반도체는 외부에서 자기장을 가하면 도체 내부에 자기장이 발생한다.
- 초전도체는 내부 자속밀도가 0이 되는 표면전류(차폐전류)에의해 외부로 자기장을 밀어낸다.
3)초전도 유지조건
4)초전도체 종류
- 1종 초전도체
- 임계자기장을 경계로 정상 상태와 초전도 상태로의 전이
- 초전도 상태에 마이너 효과로 인하여 자기장이 침투하지 못함
- 단원자 초전도체들이 주종
- 2종 초전도체
- 온도 상태에 따라 상부 임계자기장(Hc2)과 하부 임계 자기장(Hc1)이 존재
- 하부임계자기장(Hc1) 이하 :
자기장이 침투하지 못하는 마이스너 효과 - 하부임계자기장(Hc1) 이상 :
초전도 상태를 계속 유지, 일부 자기장들이 초전도체를 침투 - 상부임계자기장(Hc2)이상 :
초전도 상태 상실 - 대부분 혼합물 및 산화물 고온 초전도체들이 이에 속함
- 거의 모든 초전도체 응용에 이와 같은 특성을 가지는 2종 초전도체를 이용
초전도의 특성
1)대용량 저손실
- 기존의 동도체에 비해 50~100배의 대전류 전송이 가능
- 교류손실이 1/20배 이하로 작고, 송전용량은 3배 이상 증가
2)저전압 송전이 가능
- 기존 전력케이블을 송전전압 상승시켜 송전용량이 증가
- 동일 용량 송전 시 대전류를 흘릴 수 있으므로 낮은 전압으로 송전이 가능
3)송전비용 절감
- 초고압 변전소의 에너지 절감, 송전비용 절감
- 절연레벨의 감소로 송 변전기기의 소형화 및 저가화가 가능
- 저전압으로 케이블 충전전류 감소하여 보상용 리액터 경감
4)기존 대비 전력케이블 소형화 가능
- 절연레벨 감소 및 대전류 송전이 가능하여 소형화가 가능
5)케이블 관로의 소형화 가능
- 전력구 터널의 직경을 60[%] 정도 작게 할 수 있다
- 기존 관로나 전력구 활용이 가능
6)장거리 송전이 가능
- 저손실 대전류 송전이 가능하여 케이블 허용전류 중 충전전류 비중이 작다
7)극저온 관로에 대해서는 냉각시스템과 초열 절연관로가 필요
전력분야 기여 방향
- 초전도 케이블
- 초전도 변압기
- 초전도 한류기
- 초전도 발전기 및 전동기
- 초전도 에너지 절감장치
문제점
- 기계적 유연성 및 도선 제조가 쉬운 선재의 개발
- 임계전류, 임계자계, 임계온도의 향상
- 교류 송전 시 손절 저감대책 마련
- 절연체를 설치한 전력케이블로서의 평가
결론(향후 전망)
전력분야뿐만 아니라 의료분야(검지설비), 계측분야(검파기 및 측정설비), 운송분야(자기부상열차)등 개발효과는 앞으로 엄청나며 향후 신성장 미래전략사업으로 국가적으로 기술개발에 투자하는 등 세계적으로 개발속도가 가속화되고 있다. 상온 초전도에의 개발도 가능할 시점이 다가올 것으로 기대된다.
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