高温超导电力技术全球发展态势

    

    付佳佳　范秀凤　申雅琪

    仲汇慧　王　一　陈　琛

    1　引言

    高温超导（high-temperature superconductivity）是一种物理现象，指一些具有较其他超导物质相对较高的临界温度的物质在液态氮的环境下产生的超导现象。高温超导技术的发展以高温超导材料和低温制冷技术的发展为基础，其应用以在电力、通信行业的应用为主，其他涉及高新技术装备和军事装备方面的应用。随着高温超导材料和超导技术的发展，许多科学家认为，超导电力技术将是21世纪具有经济战略意义的高新技术，是电网技术发展的一个重要方向，高温超导技术也被认为将在一定程度上决定一个国家智能电网的竞争力，因此，对于超导产业而言，对高温超导材料技术和电力技术应用发展趋势的研究将为该产业的发展提供良好的导向作用。^[1]

    1.1　高温超导技术的发展历程

    1911年荷兰物理学家海克·卡末林·昂内斯（Heike Kamerlingh Onnes）首先在汞中发现超导现象，即将汞冷却到4.15 K的低温条件下其电阻突然变为零，这一温度称之为超导临界温度（Tc）。限定超导电性具有3个重要参量，即临界温度（Tc）、临界磁场（Hc）和临界电流密度（Jc）。临界温度在23 K以下的为低温超导材料（金属、合金和化合物）和临界温度77 K以上为高温超导材料（金属氧化物）。

    高温超导材料经过了一个从简单到复杂，即由一元系到二元系、三元系直至多元系的过程，每一次发展都对高温超导电力应用技术的发展产生了重要影响。^[2]

    1.1.1　低温金属超导体（NbTi，Nb3Sn线材）

    Nb3Sn和NbTi是低温金属超导体材料的代表，1954年贝尔实验室发现Nb3Sn超导材料^[3]，青铜法加工工艺是Nb3Sn商业化生产的主要制造工艺。Nb3Sn在磁约束核聚变（MFE）和高能物理（HEP）的研究中发展迅速，另外也应用于医疗和科学仪器方面的研究，如用于医学诊断的核磁共振波谱仪（NMR）和核磁共振成像仪（MRI）的研究与应用^[4]；1961年报道发现NbTi合金超导体^[5]，具有良好的中低磁场超导性能，且塑性好、强度高，主要用于核磁共振成像系统（MRI）和磁悬浮列车等。^[6]因此Nb3Sn和NbTi在制备工艺和实际应用均已完全成熟，尤其在全球医疗和科学仪器方面，如医学诊断的核磁共振成像仪（MRI）及用于谱线分析的核磁共振仪（NMR）等均已实现商品化的生产工艺和运用。

    1.1.2　第一代高温超导带材（Bi系带材）

    Bi系超导线材又称第一代高温超导带材，根据临界温度不同分为3种超导相：Bi–2201（Bi2Sr2CuO6）、Bi–2212（Bi2Sr2CaCu2O8）、Bi–2223（Bi2Sr2Ca2Cu3O10），其中Bi–2201制备需要以液氦作为制冷剂才能达到较低的临界温度，难度相对较高，所以研究较少；Bi–2212和Bi–2223超导材料的制备方法主要是浸涂法（dip coating process, DCP）和粉末套装法（powder in tube,PIT）。Bi系高温超导材料主要应用领域分为强电和弱电应用，在强电领域主要超导变压器、超导电缆、超导感应加热器、超导储能器和超导磁体等；在弱电领域主要是超导滤波器和超导量子干涉仪等^[7]。

    1.1.3　第二代高温超导带材（Y系，YBCO材料）

    Y系超导线材又称第二代高温超导带材（也称为高温超导涂层导体），与Bi系超导线材相比具有较高的不可逆场，在强磁场中能够承载较大的临界电流；Y系超导体制备技术主要建立在薄膜外延生长技术上故也称为高温超导涂层导体。

    由于Y系超导体晶体间结合较弱，利用传统的粉末套装法（PIT）工艺难以制备Y系超导线材，第二代高温超导带材在结构上主要由金属基带、多层隔离层、YBCO超导层和保护层等组成；主要的制备工艺有：轧制辅助双轴织构基带技术（RABTiTS）、离子束沉积技术（IBAD）和倾斜衬底技术（ISD），YBCO带材也尝试应用于超导电力装置，如超导储能、超导限流器和变压器等。^[8]

    1.1.4　新型高温超导材料

    2001年初发现超导临界温度达到39 K的二硼化镁（MgB2）超导体，^[9]二硼化镁（MgB2）线带材的加工工艺主要有：粉末装管法（PIT）、连续粉末成型法（CTFF）和中心镁扩散工艺（IMD），改进工艺提高线带材在磁场下的临界电流密谋和上临界场是MgB2超导材料的研究突破点，利用化学掺杂是一种便捷有效地提高超磁通钉扎能力的方法。二硼化镁（MgB2）线带材也应用于MRI医学诊断系统。

    2008年发现临界温度高达55 K的铁基超导体材料，^[10]铁基超导体的晶界弱，连接效应小，一般采用成本较低的粉末装管法（PIT）的工艺进行带材制备。目前，铁基超导材料在高场MRI、NMR和高场超导储能系统（SMES）等具有应用优势，今后利用PIT先位法进行铁基超导线带材研究将成为产业化的研究重点。

    1.2　高温超导电力的细分技术

    高温超导技术在电力中的应用主要分为电力技术和非电力技术的应用。电力技术包括高温超导电缆、电机、发电机、限流器、变压器和超导储能装置，非电力技术以谐振器、过滤器、磁悬浮、超导磁共振成像、量子干涉仪和其他超导加速器、磁分离器、感应加热器和太赫兹等技术。具体细分技术如表1所示。

表1　高温超导电力应用技术的细分技术

    

    1.2.1　电力技术

    超导技术越来越成为一种不可替代的具有经济战略意义和巨大发展潜力的高新技术，将会对国民经济和人类社会的发展产生巨大推动作用。特别值得指出的是：高温超导线带材可制备成各类器件，包括超导储能、变压器、电缆、限流器等广泛用于先进电网之中，可望提升电力工业的发展水平和促进电力业的重大变革。因此，世界主要发达国家均把超导电力技术视为具有经济战略意义的高新技术。超导电力技术的根本原理是利用超导体在特殊情况下可以达到零电阻这一特性，研制各种超导设备。

    1）电缆

    高温超导材料具有零电阻和电流密度高的特点，因此高温超导电缆的电流损耗低、截流能力大，传输容量比常规电缆高3 ～ 5倍。在结构上采用液氮作为冷却液，能够使电缆产生的磁场集中于内部，也不会产生漏油等情况，避免环境污染和产生火灾隐患。城市的发展使用电负荷也日益增加，现在往往采用地下电缆将电能输入城市负荷中心，利用高温超导作为地下输电电缆可以发挥其大容量和低损耗输电的优势。

    2）电机

    最早超导电机的研究重点是单极直流电动机，主要用于船舶的推进系统。随着超导技术的发展、超导材料性能的提高和电机交流调速技术的成熟，推动了超导交流电动机如超导同步电动机的研究探索。随后超导线材和块材等应用到直线发动机中，研究出各种类型的能够将电能直接转换成直线运动的高温超导直线电动机，如美国用YBCO块材超导磁体研制的直线材超导磁体电动机（LBSCM）主要应用于电磁飞机弹射系统（EMALS）。其他还有诸如高温超导磁阻、磁滞和永磁电动机等。^[11]

    3）发电机

    超导发电机依据临界温度分为低温超导（low temperature superconductor, LTS）发电机和高温超导（high temperature superconductor, HTS）发电机；依据磁通方向，又可分为径向磁通电机和轴向磁通电机两种。超导发电机基本由：超导励磁绕组、支架结构、冷却回路、低温恒温器、电磁屏蔽、电枢绕组、交流定子绕组、机座铁芯、定子绕组支架、轴承和机壳^[12]组成。在工业领域的应用主要是风力和水力发电，在军事上用于舰船和航空器上的电驱动电源空运驱逐系统、自保系统和激光束武器等。

    4）限流器

    超导限流器是当通过超导体的电流超过其临界值时，瞬间电阻增加限制短路电流，直到最终被与超导体串联的断路器动作而消除故障的设备。按照动作原理可分为失超型超导限流器（SFCL）和不失超型限流器；按照结构特点不同，分为电阻型、饱和铁芯型、变压器型、磁屏蔽型、三相电抗器型和桥路型^[13]。

    超导限流器具有检测、触发和限流的功能，广泛应用在发电厂、输电网和变电站等，在关键节点和线路、大型变压器、大容量发电机组和电力系统网络之间安装超导限流器，可以提高电路电网的安全性和稳定性，减少事故风险性。

    5）变压器

    根据绕组所用的带材发展历程可分为低温超导变压器和高温超导变压器，高温超导变压器主要结构为铁芯、超导绕组、低温容器、引线和其他附件组成。超导变压器与常规变压器相比，采用超导材料替代铜来做变压器绕组，并将超导绕组浸在液氮环境中运行，具有重量减轻、噪声减小但能提高电力传输效力的优点。^[14]

    6）超导储能系统

    超导储能装置是利用超导线圈产生的电磁场将电磁能形式储存起来，需要时再将电磁能通过整流逆变器返回电网。由于超导线圈无焦耳热损耗，电流密度高于常规线圈，故能够长时间无损耗高密度高效率地储存电磁能。

    超导储能系统核心部件是超导线圈，另外有低温冷却系统、磁体保护系统、变压器、变流器和控制系统等组成部件。超导储能系统的核心技术在于超导材料，大致可分为低温、高温和室温超导材料。^[15]

    1.2.2　非电力技术

    1）谐振器和滤波器

    高温超导薄膜的微波表面电阻（Rs）低于正常金属，利用这一特性可以制备各种微波无源器件，如谐振器和滤波器等。高温超导滤波器主要包括高温超导滤波放大电路、深度制冷系统、精确控制系统、真空绝热系统4个部分。^[16]目前广泛应用于无线移动通信、气象雷达探测、射电天文观测、空间技术应用、引力波探测和高能物理等领域的研究。^[17]

    2）超导磁悬浮

    超导磁悬浮列车是在车轮旁边安装小型超导磁体，通过列车前进时超导磁体向轨道产生的强大磁场，使列车上浮并通过周期性地变换磁极方向获得推进力。超导磁铁是由超导材料制成的超导线圈构成，超导材料在相当低的温度下电阻为零，而且可以传导普通导线无法比拟的强大电流。

    3）超导核磁共振成像（NMRI）

    核磁共振成像是将核磁共振（NMR）原理和计算机断层扫描（CT）技术结合起来的检测装置，其核心部件是磁体系统，利用超导磁体可产生比常规磁体更强的主磁场，而且其稳定性、均匀性和成像效果好，已经广泛应用于核磁共振成像医学仪器。

    4）超导量子干涉仪（SQUID）

    超导量子干涉仪是目前探测磁信号最灵敏的传感器，而且还能探测一切可以转化为磁场的物理量，如电流、电压、电阻、电感、磁场梯度、磁化率等，如用于电测量和磁测量的SQUID检流计、SQUID微微伏计、SQUID磁强计、SQUID磁场梯度计、SQUID磁化率仪；以及SQUID温度遥测器和显微镜等超导量子干涉仪。^[18]

    5）其他非电力技术

    高温超导电力技术还应用非电力产品的其他领域，如高能粒子加速器、磁分离器、感应加热器和太赫兹等方面。目前已利用超导磁体研制出超导回旋加速器、超导同步加速器、超导对撞机和超导直线加速器等。超导磁分离器是使用超导磁体作为磁分离磁场源，超导磁体几乎不消耗电能，只需很小的维持低温条件的电能就能获得强磁场。^[19]

    2　主要国家发展战略要点

    2.1　美国

    世界上超导电力技术研究的带头国家是美国。1999年，开始推进世界上最大规模的SPI研究计划，以发展超导电力技术及相关技术。计划的研究内容包括超导电缆、超导变压器、超导电机、超导磁悬浮飞轮储能、超导限流器等项目的研究。^[20] 2001年，美国能源部宣布，计划在未来的3 ～ 4年内资助7个高温超导项目，项目总经费为1.17亿美元。其中6个项目使用Bi系列高温超导材料。^[21] 2003年，美国总统科学技术顾问委员会发布报告“能源效率调查和建议”，提出将超导技术应用到电力系统的各个方面。同年7月，美国能源部提出了“美国电网2030计划”，计划提出10年内实现数十公里超导电缆，20年内安装长距离的超导电缆，到2030年建立超导骨干网。^[22] 2008年4月，美国纽约长岛电力局（LIPA）和美国超导公司联合宣布世界上第一条高温超导电缆在商业电网中投入运行。随即，纽约市宣布启动名称为Project Hydra的计划，即“九头蛇计划”，这一计划的启动对美国开展国家统一电网的超导技术开启了新的大门。2009年，美国经济复兴计划决定投入45亿美元加速部署智能电网，在打造智能电网的进程中计划使用超导输电技术，未来20年将累计投资1 650亿美元。^[23] 2011年，美国能源部下属的能源办公室（ARPA–E）给予420万美元资金，支持来自瑞士的ABB和几个合作伙伴一起建立一个3.3 kWH的概念性超导磁项目，以实现兆瓦级的应用。^[24]

    2.2　欧盟

    1997年，欧盟开展了超导电性欧洲网10年计划（1997—2006），计划涉及14个欧洲国家的42个学术机构和21个工业中心，共同建立欧洲区域研究平台。2007年，欧洲基金会发布了2007—2012年超导纳米科学与工程项目计划，涉及15个欧洲国家、68个研究团队。主要研究纳米尺度超导电性演变、混合纳米系统的超导性、纳米结构超导体和S N / S M混合纳米系统的受限通量以及磁通量子、超导器件基本原理研究等。一些大的公司如ABB、西门子、NEXAN等也积极投资于这方面的研究，以争取未来的市场。欧盟发布了Strategic Energy Technologies Plan, SET–Plan、A European Strategy for Sustainable, Competitive and Secure Energy Strategy、EEGI Roadmap for Public Consultation，旨在协调和指导各成员国智能电网发展步伐。在电网基础设施建设中提到：利用新技术（如HVDC）扩展欧盟电网，使其更有效率；研发新的输电线路结构，提高输电容量，减低电磁干扰；利用高温超导等新技术重建或者加强现有高压线路；研发介入分布式电源后提高电能质量的方法和设备；研究电网资产管理和规划新方法，提高电网资产利用率。

    欧洲超导材料的研发工作由德国牵头，英国、法国、意大利、西班牙、芬兰等国积极参与。欧洲已有20个国家共计90多个组织投入到第二代高温超导带材的研究中，形成了良好的合作网络。其中，德国2020高科技战略中将智能电网作为战略重点，将进一步为与能源和气候有关的信息与通信技术的研发提供资助。大力推动跨行业的合作，旨在探索能源和信息通信技术之间的建立新合作，高温超导电力技术作为智能电网建设的重要环节，也受到充分重视。2012年德国卡尔斯鲁尔技术研究院（KIT）、德国能源企业RWE 公司和法国的电缆制造企业Nexans公司，正在德国西部城市埃森进行高温超导（THS）输电试验项目——“Ampa City”。计划在德国埃森市中心地段铺设长度为1 km的高温超导输电电路，目前这是世界上最长的高温超导电缆试验线路。^[25]

    2.3　日本、韩国

    日本在20世纪90年代实施了SuperGM等超导电力技术研究计划，并成立了国际超导技术研究中心（ISTEC），积极开展超导电力技术的研究工作。2003年，日本政府为了保持其超导材料技术在国际的领先优势，设立了为期5年的第二代高温超导带材研发国家计划，总投资超过1.5亿美元，目标研发出高性能和低成本带材。该计划完成后，在2008年日本政府开始新一轮的高温超导带材的批量化制备计划，目标为开发3 000条10 km长，工程临界电流I e =50 kA/cm2（77 K，自场）的第二代高温超导带材，并开展较大规模示范。2011年8月，日本政府公布了第四期《科学技术基本计划》，计划规定：有效利用能源，减少资源的风险，减少对环境的影响，创建新的材料和功能。在此基本计划指导下，日本重视发展高温超导电力技术以实现能源的有效利用，减少对环境的不利影响，以实现节能环保的功效。2015年，日本科学省纳米科技材料科学技术委员会发布JST–CRDS报告，报告中确定了39个发展的主要领域，其中将发展高温超导作为环境能源产业的重要领域。2015年日本教育部科学计划白皮书中多处涉及高温超导电力技术，充分强调了高温超导电力技术的重要性以及广泛前景。在交通领域，高温超导磁石技术成为修建新干线的关键技术。其中在医疗领域中，超导技术也可用在医院MRI的精密检查，并具有广泛前景^[26]。

    2011年7月，韩国科技部成立了超导应用技术中心（CASI），主要任务是发展促进和利用商业化超导技术，负责管理“应用超导技术发展先进能源系统”（DAPAS）计划的实施。^[27]DAPAS计划主要研究开发高温超导电缆、限流器、变压器和电动机等超导能源设备。该计划确定了第二代高温超导带材的研发的3阶段：2001—2003年，发展HTS电缆和系统技术；2004—2006年，改进技术，发展原型设备；2007—2010年，实现现场测试，发展带材的产业化。

    2.4　中国

    国家“863”专项计划对我国超导带材制备、超导强电应用、超导弱电应用方面有了相应的指导。“973计划”围绕促进我国从“材料大国”向“材料强国”转化和建立新材料产业等目标，对超导材料的发展做了进一步的部署。1998年中科院电工所研制出我国第一根高温超导电缆，1999年我国第一台微型超导储能样机问世；2002年新型高温超导限流器被成功研制；2003年研制出交流高温超导电缆系统；2003年，研制出我国第一台高温超导变压器；并先后研制出高温超导电缆、高温超导限流器、高温超导储能系统和高温超导变压器。在我国2006—2020年《国家中长期科学和技术发展规划纲要》中高温超导技术被列为前沿技术，是新材料技术的发展方向之一。2011年，《国家十二五科学和技术发展规划》中对其指出，要抢占超导材料等前沿材料制高点。2013年，中国科学院物理研究所、中国科技大学“40 K以上铁基高温超导体的发现及若干基本物理性质的研究”获年度国家自然科学一等奖，标志着我国高温超导技术已走向世界前列。2015年5月，国务院颁布《中国制造2025》，规划中指出：大力推动重点领域突破发展中，突破高温超导材料等级关键元器件和材料的制造及应用技术；在新材料中高度关注超导材料、生物基材料和纳米材料等前沿材料提前布局和研制。图1中显示NSFC对高温超导电力技术相关项目的资金投入情况，总体上是上升的趋势，累计资助项目987项，累计资助金额高达64 777.25万元。

    

图1　NSFC对高温超导电力技术项目资助情况

    在NSFC资助项目中（见表2）高温超导领域资助项目主要集中在中国科学院物理研究所、清华大学、南京大学等高校和科研院所。资助金额大于等于300万元的项目有22项。其中“太赫兹超导阵列成像系统”“多通道超导单光子探测器”“新型非常规超导材料的探索和机理研究”“新型层状超导和热电材料的设计、制备与结构性能关系研究”4个项目资助最多，均达到1 000万元。

表2　NSFC对高温超导相关项目资助情况

    

（续表）

    

    3　高温超导电力技术论文分析

    为全面了解量子信息研究领域发展状况，从1997年至今和最近3年间（2012—2014）发表的核心期刊论文和1987年至今的专利申请情况两方面进行数据统计和定量分析，检索策略详见6。

    3.1　领域发展概况

    超导技术的研究起始于20世纪50年代，但前期研究成果的产出量不高，从1986年高温超导材料YBCO的发现，高温超导技术得到了迅猛发展。全球高温超导电力应用技术1997年至今SCIE数据库中的论文总产出量为3 710篇，从图2可以看到，论文产出总趋势呈现出曲折上升的态势，总体发展趋势向好。

    

图2　高温超导电力技术论文发表量年度趋势分布

    具体看高温超导电力应用技术领域内各细分技术的发文年度变化（见图3a、图3b），电力技术中超导电缆领域论文产出（尤其是2011—2013年）增长幅度较大，超导电机次之，而超导发电机、限流器、变压器和储能系统技术的发展趋势大致相同，在经历的过程中小幅上升；而非电力技术的几个技术方向均曲折波动。

    

图3a　主要电力技术论文产出年度分布

    

图3b　主要非电力技术论文产出年度分布

    将所有细分方向分成早期（1997—2004）和近期（2005—2015）两个时间段，对比分析电力技术和非电力技术的热点变迁情况。SCIE早期论文数量（蓝色）占论文总量的36%，在图中横坐标36%的位置画一条基准线，超过基准线代表技术热点的迁移。电力技术中的技术热点主要向电机、发电机、电缆、限流器发展，储能系统与变压器不是近期的研究热点（见图4a）。而在非电力技术当中，磁悬浮和其他非电力技术（包含太赫兹、电磁加速器、磁分离器和热感应加热器等）技术等方向都是近期研究热点，量子干涉仪、超导磁共振成像、滤波器、谐振器等技术发展不是近年来的研究热点（见图4b）。

    

图4a　电力技术热点变迁图

    

图4b　非电力技术热点变迁图

    3.2　主要国家分析

    从1997—2015年各国高温超导电力技术领域论文发表数量（见图5）可以看出，具备较强科技实力的国家有日本、美国、中国、德国、韩国等。其中，日本与美国论文发文量占比分别是21.1%、21.0%，遥遥领先；第三至第五位依次是中国（15.6%）、德国（10.5%）、韩国（9.1%），第六至第十位分别是英国（6.9%）、俄罗斯（4.7%）、法国（3.9%）、意大利（3.8%）、瑞士（3.0%）。其他国家的发文均低于发文总量的3.0%。

    

图5　高温超导电力技术主要国家论文产出

    从发文影响力来看（见图6），虽然日本、美国发文量接近，但论文篇均被引，美国（22.78次）高出日本（11.65次）近一倍，充分说明了美国的论文产出质量之高。其次是德国（15.14次）、法国（14.02次）、英国（13.43次）。中国、韩国的论文篇均被引分别是5.46次、5.34次，相对较低，说明这两个国家的核心技术论文、关键技术节点论文产出不多。

    

图6　高温超导电力技术主要国家论文影响力

    图7给出了发文量Top5国家在高温超导电力技术应用领域各细分技术方向上的发文分布。日本的论文产出主要在超导电缆、电机、超导磁共振成像、量子干涉仪等技术方向，谐振器、滤波器、磁悬浮等技术方向的产出也较多；美国的论文产出主要在超导磁共振成像、电缆、谐振器、电机等方向；中国投入较多关注度的方向是磁悬浮、滤波器和谐振器。德国论文主要产出方向是量子干涉仪、超导磁共振成像和超导电缆；韩国的论文产出中，电缆技术方向最多，其次是电机与限流器技术方向。

    

图7　高温超导电力技术主要国家优势技术领域

    从国家近3年（2012—2014年）活跃度来看，图8显示高温超导电力技术领域研究论文发文Top10国家依然是以上10个国家，但顺序有所变动。中国取代日本，成为发文量最多的国家；排名上升的国家有韩国、瑞士、意大利。从10个国家1997—2011年与2012—2014年两个时期的发文变化（见图9）也可以看出，中国、瑞士和韩国在近3年的发文量占比相对较高，反映这3个国家近3年在高温超导领域投入更多。考虑论文影响力，德国、瑞士、英国和美国的论文篇均被引相对较高。中国虽然发文量最高，但是篇均被引却很低，说明我国虽然论文数量产出较高，但是论文的质量还有待提高。

    

图8　近3年高温超导电力技术主要国家发文量及其影响力

    

图9　近3年高温超导电力技术主要国家论文产出百分比

    3.3　主要机构分析

    基于1997—2015年全球高温超导电力技术应用领域研究论文的发文，整理出论文产出排名前15位机构数据，如表3所示。中科院以133篇发文量居第一位，其次是西南交通大学与韩国电气技术研究所。从国家分布看，前15位机构中，日本有4所（日本国际超导产业技术研究中心、东京大学、住友电气工业株式会社和东北大学），中国有3所（中科院、西南交通大学、清华大学），美国3所（麻省理工学院、Los Alamos国家实验室、橡树岭国家实验室），韩国2所（韩国电气技术研究所、延世大学），德国、俄罗斯、英国各1所。从发文影响力看，这15位机构中，东京大学以篇均被引41.05次位居榜首，其次分别是Los Alamos国家实验室（32.77次）、麻省理工学院（30.75次）、剑桥大学（22.41次）和橡树岭国家实验室（19.04次）。

表3　高温超导电力技术Top5机构论文产出及影响力

    

（续表）

    

    图10显示Top10机构在各细分技术方向的发文分布。中科院在滤波器、电缆、谐振器技术方向较有优势；西南交通大学在磁悬浮技术方面的优势非常明显；韩国电力技术研究所的优势方向是电缆与电机；麻省理工学院在超导磁共振成像方向发文较多；日本国际超导产业技术研究中心在量子干涉仪和电缆方向有相当的研究产出；东京大学主要研究方向是磁悬浮与超导磁共振成像；清华大学优势技术方向是滤波器与谐振器；卡尔斯鲁厄理工学院主要研究方向是电缆和电机；而俄罗斯科学院和Los Alamos国家实验室在各方向产出均表现一般。

    

图10　Top10机构在高温超导电力技术各方向论文产出分布

    图11显示发文量Top15机构之间的发文合作情况。合作关系主要体现在国家与地区内：日本国际超导产业技术研究中心与住友电气工业株式会社，东京大学与日本东北大学；美国的Los Alamos国家实验室与橡树岭国家实验室存在合作关系；韩国的延世大学与韩国电气技术研究所。麻省理工学院的国外合作相对较多，与日本东北大学、韩国延世大学都有多次合作。

    

图11　Top15机构主要合作网络

    从机构近3年（2012—2014）的发文表现来看（见表4），中科院以42篇的发文量排名第一位，西南交通大学和清华大学以31篇、30篇分列第二、第三。与总体发文量比较，近3年清华大学发文上升，韩国电气技术研究所排名下降。此外，国立昌原大学、韩国电力研究院、冈山大学、电子科技大学近三年进入Top10机构。从发文影响力看，德国卡尔斯鲁厄理工学院表现最突出，篇均被引8.70次，其次是麻省理工学院，篇均被引4.82次。

表4　近3年Top10机构论文产出与发文影响力

    

    3.4　论文研究主题分析

    表5对1997年至今的研究论文进行主题词分析，高温超导研究中涉及的电流方面的研究主要有：交流电损失、临界电流、故障电流和临界电流密度等；电力技术方面的研究有：超导故障电流限制器、高温超导变压器、超导电机、约瑟夫森结、超导电缆、超导线圈、高温超导电缆和薄膜等；在非电力技术研究方向有：磁悬浮带通滤波器、高温超导滤波器、超导滤波器、介质谐振器、微带滤波器、核磁共振、超导量子干涉器件等节能产品；另外涉及氧化钇钡铜（Yttrium Barium Copper Oxide，YBCO）、Bi–2223带材、高温超导磁体、加速腔和超导磁铁、辐射硬磁铁、永久磁铁和超导磁带等高温超导材料。

表5　高温超导电力技术的主要主题分布

    

（续表）

    

    表6对高温超导近3年的主要研究主题词来看，高温超导研究的核心技术有：AC损耗、氧化钇钡铜（Yttrium Barium Copper Oxide，YBCO）高温超导带材、涂层导体、磁悬浮、临界电流、超导材料、正常导通、永磁器件、抗辐射磁铁、扭摆磁铁和波荡、加速腔和超导磁铁等；近3年在高温超导的相关技术中新出现了核聚变反应堆、微带线、钇钡铜氧化物（YBaCuO）、多路转换器、特高压直流输电、双工器和航天器接口等新技术。

表6　2012—2014年高温超导电力技术的核心主题和相关主题分布

    

（续表）

    

（续表）

    

注：[x]是引用该主题词的文献数量。

    利用TDA工具对2012—2014年近3年的论文进行分析（见表7），近3年在高温超导的研究中出现了很多材料、控制器件和分析方法。在高温超导材料研究中有REBCO高温超导带材、氧化钇钡铜（YBCO）、宽阻带、超导直流电缆；冷绝缘高温超导（CD）高温超导电缆；三轴高温超导电力电缆、堆叠带状电缆；球形螺线管磁体；小型核磁共振磁体和永久磁铁等；高温超导控制器件研究有：stub-loaded谐振器（SLR）；双频带通滤波器；Double-strip谐振器；静电加速器；开口环谐振器；可调滤波器；双工器和约瑟夫森混合器等；在高温超导研究中运用的研究方法有：有限元分析、淬火模拟、数值模拟和电路仿真等。

表7　2012—2014年高温超导电力技术中新出现的研究主题

    

（续表）

    

    4　高温超导电力技术专利分析

    4.1　技术发展概况

    在DII数据库中检索得到全球高温超导电力技术专利族总数为1 315个。图12是高温超导电力应用技术相关专利申请量年度变化趋势图。高温超导电力技术相关专利的申请起始于1987年，从1995年开始出现明显增长，1997年后平稳增长，2012年到达顶峰。总体来看，近20年高温超导电力应用技术的研究广受关注，发展迅猛。

    4.2　专利国家分析

    从图13可以看到全球高温超导电力技术位于前10位的分别是美国、中国、日本、德国、韩国等，美国共343个同族专利，占总数的26.1%，明显处于领先的地位，其次是中国，共310个同族专利，占总数的23.6%，日本位列第三，共238个同族专利，占全球专利总数的18.1%，德国和韩国以13.9%和5.8%的占比位列第四、第五位。由此可见，在高温超导电力应用技术领域这5个国家占有主导的研究地位。

    

图12　高温超导电力技术专利申请量年度趋势分布

    

图13　高温超导电力技术主要国家专利申请量

    从图14可以看出，在高温超导电力技术的各细分技术方向中，美国在超导技术的各个应用领域的技术都具备相当的实力，说明美国对高温超导电力技术的研究比较全面，具有扎实的研究基础。中国在滤波器、电机和电缆技术方面占有较大优势，谐振器和变压器技术也是中国主要的研究方向。日本在电机、电缆、发电机、滤波器、磁悬浮、超导磁共振成像和量子干涉仪等技术领域也占有相当的比例。超导电机是德国的研究重点，限流器和发电机也占一定比重。韩国在滤波器技术方面具有一定研究。

    

图14　主要国家高温超导技术领域分布图

    从表8排名前10位的专利权国家的保护区域分布中可以看出，美国在各国均有完备的专利布局。大部分国家均主要选择在本国进行专利保护，其次主要是申请世界知识产权组织或者欧洲专利组织的专利保护，比如德国、英国和新西兰等国家。还有一部分会选择在美国申请专利保护，比如日本和德国在美国申请专利保护的数量分别占到专利数量的16.0%和38.8%。中国和俄罗斯基本只申请了本国的专利保护。

表8　高温超导电力应用技术前10国家的专利保护区域

    

    从图15可以看出，高温超导电力技术领域授权专利占比排名前3位的是韩国、美国和英国，分别为80.3%、79.0%和71.0%。

    

图15　高温超导电力技术主要国家授权专利占比

    4.3　专利申请机构分析

    表9是全球高温超导电力应用技术相关专利的Top15申请机构，从表中可以看出，列于第一位的专利权机构是德国的西门子公司，共80个专利族。其次是美国超导公司和日本的住友电气工业有限公司，以41和31个专利族排名第二、第三位。美国通用电气公司、超能公司、日本的ZH铁道崇光技术研究所、瑞士的ABB研究公司、超导体技术公司、耐克森和日本的东芝株式会社均超过了20个专利族。关于授权情况，韩国电子科技研究协会以87.5%的比例位列第一，美国超导体技术公司以87%的比例排名第二，耐克森以85.7%的比例位列第三。

表9　高温超导电力技术专利数量排名前15位机构

    

（续表）

    

    图16是高温超导电力应用技术研究中重要专利产出机构的优势技术领域。西门子公司在电机、发电机和限流器技术领域具备相当的实力。超导公司在电缆、电机和发电机技术方面占有优势。住友电气工业有限公司在电缆、限流器和量子干涉仪技术领域占有相当的比例。通用电气公司在电机、发电机和核磁共振成像技术领域具备一定实力。超能公司在变压器和发电机技术领域占据一定比例。磁悬浮是ZH铁道崇光技术研究所研究的重点，超导体技术公司主要研究滤波器技术领域。

    

图16　重要申请机构的优势技术领域

    4.4　专利技术布局分析

    从表10可以看出，近10年高温超导相关专利位于前10位的专利技术中主要有超导器件（U14–F02B\U14-F）、约瑟夫森结元件（L04–E09）；其次是电缆（X12–D06A）、超导线圈（X12–C01D4、X12–C05）、磁体（X12–C05A）、波导和波导器件使用超导材料（W02–A08J）、超导薄膜/厚膜（U14–F02A）和超导器件/设备冷却（X12–C02A3）等。

表10　高温超导电力技术专利主要技术方向

    

（续表）

    

    5　研究总结与发展建议

    5.1　研究总结

    5.1.1　论文情况分析

    （1）从高温超导电力技术领域发文情况看，该领域研究呈曲折上升的发展趋势，总体发展趋势向好。在细分技术方向中，高温超导电缆方面的论文产出位居榜首，谐振器、电机、超导磁共振成像、滤波器、磁悬浮、量子干涉仪次之，而超导磁分离器、感应加热器等技术领域论文产出相对较少。总体来看，高温超导电力技术中的技术热点主要向超导电机、发电机、电缆和限流器方向迁移；而在非电力技术当中，磁悬浮和其他非电力技术（包含太赫兹、电磁加速器、磁分离器和热感应加热器等）技术等方向都是近期研究热点。

    （2）从主要国家的发文情况来看，日本在高温超导电力应用技术领域的发文量稳居全球首位，美国紧随其后，中国位居第三。但美国始终保持较高水平，其文献被引频次最高，在全球范围内拥有较高的影响力。相较于美国和日本，中国的文献被引频次较少，需要提高文献质量和业界影响力。在高温超导细分技术的发文分布中，日本主要涉及超导电缆、电机、超导磁共振成像等技术方向；美国在超导磁共振成像、超导电缆、谐振器、超导电机等方向优势显著；中国投入较多关注度的方向是磁悬浮、滤波器和谐振器。德国在量子干涉仪与超导磁共振成像技术中产出较多；韩国主要分布在超导电缆和超导电机技术中。就近3年的发文量来看，中国位居各国之首，说明高温超导电力应用技术领域的研究在中国正处于上升期，发展势头很好。韩国、瑞士、意大利三国的发文占比也有提高，说明这几个国家对高温超导研究的关注度逐渐提升。

    （3）在机构分布中，中科院、西南交通大学、韩国电力技术研究所在高温超导电力应用技术领域内发文总量领跑全球，但篇均被引次数偏低，说明其技术领域内的影响力有待提高。东京大学、麻省理工学院和Los Alamos国家实验室的篇均被引次数较高，说明这几个机构的论文质量相对较高。在近3年的发文中，国立昌原大学、韩国电力研究院、冈山大学、电子科技大学上升趋势迅猛。德国卡尔斯鲁厄理工学院在近3年的发文影响力上表现突出。中科院在滤波器方向较有优势；西南交通大学在磁悬浮技术方面的优势非常明显；韩国电力技术研究所的优势方向是超导电缆与电机；麻省理工学院在超导磁共振成像方向发文较多；日本国际超导产业技术研究中心在量子干涉仪和电缆方向有相当多的研究产出。麻省理工学院为中心与日本东北大学、韩国延世大学都有多次合作。

    （4）对论文的研究主题进行分析，高温超导研究中涉及的电流方面的研究主要有交流电损失、临界电流、故障电流和临界电流密度等；电力技术方面的研究有：超导故障电流限制器、高温超导变压器、超导电机、约瑟夫森结、超导电缆、超导线圈、高温超导电缆和薄膜等；在非电力技术研究方向有磁悬浮带通滤波器、高温超导滤波器、超导滤波器、介质谐振器、微带滤波器、核磁共振、超导量子干涉器件等节能产品。

    近3年的主要研究主题词来看，也出现了冷绝缘高温超导（CD）高温超导电缆；三轴高温超导电力电缆、堆叠带状电缆、球形螺线管磁体、小型核磁共振磁体、stub-loaded谐振器（SLR）、双频带通滤波器、Double-strip谐振器、有限元分析、淬火模拟、数值模拟和电路仿真超导材料、技术与方法。

    5.1.2　专利情况分析

    高温超导电力技术相关专利的申请起始于1987年，从1995年开始出现明显增长，1997后平稳增长，2012年到达顶峰。总体来看，近20年高温超导电力应用技术的研究广受关注，发展迅猛。

    从国家的角度看，美国在高温超导技术领域的专利申请量处于遥遥领先的地位，中国、日本紧随其后，德国、韩国次之，这5个国家的申请量占总体申请量的87.5%。由此可见，在高温超导电力应用技术领域这5个国家占有主导的研究地位。其中，美国在各个细分领域的技术都具备相当的实力，说明美国对高温超导电力应用技术的研究比较全面，具有扎实的研究基础。中国在滤波器、电机和电缆技术方面优势明显。日本在电机、电缆、发电机等技术领域也占有相当的比例。此外，美国、德国、英国的专利在各个主要国家和组织中均有申请，而中国专利主要申请国家是本国，说明我国专利的国际保护意识急需提升。

    从专利申请机构分析，德国西门子公司的专利申请数量位居榜首，其次是美国超导公司和日本的住友电气工业有限公司，中国只有西南交通大学的专利数量较多。西门子公司在电机、发电机技术领域遥遥领先；超导公司在电缆、电机技术方面优势明显；通用电气公司在超导电机领域具备一定实力；超能公司在变压器和发电机技术领域占据一定比例；ZH铁道崇光技术研究所研究的重点是磁悬浮技术，超导体技术公司在滤波器技术领域方面一枝独秀。

    从专利技术布局分析来看，专利数量最多的技术主要有超导器件、约瑟夫森结元件、电缆、超导线圈、磁体、波导和波导器件使用超导材料、超导薄膜/厚膜和超导器件/设备冷却等。

    5.2　发展建议

    结合前文的分析总结，提出如下发展建议，希望能对我国高温超导电力技术的发展提供参考。

    5.2.1　把握技术热点变迁趋势，调整战略布局

    从论文产出和专利申请情况来看，高温超导电力应用技术的研究热点正在由超导谐振器、滤波器、磁悬浮技术、电缆、变压器向超导电机、发电机、限流器和超导电磁加速器、热感应加热器、磁分离器等非电力技术领域变迁，而中国的技术优势领域还在磁悬浮技术（西南交通大学）、超导电缆（中科院）谐振器和滤波器（清华大学、中科院）等方向。因此，我国应该关注与把握学术热点变迁趋势，调整战略中心。

    5.2.2　提升发文质量，提升国际影响力

    从论文产出情况看，国内机构和个人近3年来活跃度很高，发文数量具有明显优势，普遍来看，国内机构发文被引次数与国外机构（尤其是美国）相比还具有显著差异，建议从强调论文产出数量转向提升论文质量，提升在技术领域内的国际影响力。一方面选择适合自己特色的技术路线，一方面关注国际行业动态发展趋势，吸取他国之长，保持未来发展的潜力和竞争力。

    5.2.3　加强外部和内部合作，寻求良好发展模式

    从高位超导电力应用技术高影响力机构来看，发展较好的机构均有比较稳固的合作团队。如日本既有企业和大学、研究机构之间有密切合作，也有和美国、韩国之间的合作，清华大学、西南交通大学各自是机构内部不同院系的密切合作。因此，建议我国加大对这些机构的关注力度，一方面适当地考虑与外部机构的合作，一方面可适度加强我国相关机构之间以合作与交流，以整体提高竞争优势。

    6　附录

    数据来源：论文数据来自Science Citation Index Expanded（SCIE）；专利数据来自（DII）。

    时间范围：全部时间。

    检索策略：见附表。

附表　高温超导研究检索策略

    

    【注释】

    [1]金建勋，郑陆海.高温超导材料与技术的发展及应用［J］.电子科技大学学报，2006，S1：612–627.

    [2]刘湘月.高温超导材料的发展进程与应用［J］.黑龙江科技信息，2015，12：74.

    [3]Matthias B T, Geballe T H, Geller S, etc.Superconductivity of Nb3Sn ［J］.Physical Review, 1954, 95 (6): 1435.

    [4]梁明，张平祥，卢亚锋等.磁体用Nb3Sn超导体研究进展［J］.材料导报，2006，20（12）：1–4.

    [5]Hulm J K, Blaugher R D.Superconducting solid solution alloys of the transition elements ［J］.Physical Review, 1961, 123 (5): 1569–1580.

    [6]李建峰，张平祥，刘向宏，等.磁体用NbTi超导体的研究进展［J］.材料导报，2009，23（3）：90–93.

    [7]王醒东，张立永，刘勇，等.Bi系超导材料的结构、制备及其应用［J］.浙江化工，2012，06：27–30.

    [8]马衍伟.实用化超导材料研究进展与展望［J］.物理，2015，10：674–683.

    [9]Nagamatsu J, Nakagawa N, Muranaka T, etc.Superconductivity at 39 K in magnesium diboride ［J］.Nature, 2001, 410 (6824): 63–64.

    [10]Kamihara Y,Watanabe T,Hirano M, etc.Iron-based layered superconductor La［O1-xFx］FeAs (x = 0.05-0.12) with Tc = 26 K［J］.Journal of the American Chemical Society, 2008, 130 (11): 3296–3297.

    [11]郑陆海，金建勋.高温超导电机的发展与研究现状［J］.电机与控制应用，2007，03：1–6.

    [12]赵朝会，李进才.超导发电机的研究现状及发展前景［J］.上海电机学院学报，2013，06：314–321.

    [13]应立.高温超导带材在10 kV电阻型超导限流器中的交流损耗研究［D］.上海交通大学，2013.

    [14]付珊珊，诸嘉慧，丘明，陈晓宇，郑晓东，马国蕾.高温超导变压器绕组的研究现状与设计技术展望［J］.低温与超导，2014，10：36–41.

    [15]墨柯.超导储能技术及产业发展简介［J］.新材料产业，2013，09：61–65.

    [16]季来运.高温超导滤波器系统及其应用［J］.电子产品世界.2008，（2）：137–140.

    [17]王三胜，范留彬.高温超导谐振器技术及其应用研究综述［J］.航天器环境工程，2012，04：379–383.

    [18]金建勋，郑陆海.高温超导材料与技术的发展及应用［J］.电子科技大学学报，2006，S1：612–627.

    [19]安德越.高温超导太赫兹检测器［D］.南京大学，2015.

    [20]蔡传兵，刘志勇，鲁玉明.实用超导材料的发展演变及其前景展望［J］.中国材料进展，2011，03：2011，03：1—8，35.

    [21]刘庆，董宁波.投资1.17亿美元推进高温超导产品市场化——美国能源部宣布新一轮高温超导计划［J］.新材料产业，2001，10：19–20.

    [22]鲁宗相，蒋锦峰.解读美国“Grid2030”电网远景设想［J］.中国电力企业管理，2004，05：37–40.

    [23]哲伦.美国智能电网计划［J］.资源与人居环境，2011，06：43–45.

    [24]美国能源部探索超导磁储能应用于电网储能［EB/OL］.［2015.12.24］.http://news.bjx.com.cn/html/20110401/276390.shtml.

    [25]德国建世界最长高温超导输电试验线路［J］.中国科技产业，2012，03：108.

    [26]日本科学技术基本计划［EB/OL］.［2015–09–21］.http://www.mext.go.jp/a_menu/kagaku/kihon/main5_a4.htm.

    [27]冯瑞华.国外超导材料技术研究政策和方向［J］.低温与超导，2008，08：22–30.