中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：這話并不夸張，有抱負(fù)的風(fēng)電企業(yè)都在燒錢搞超導(dǎo)技術(shù)，而且全世界的風(fēng)電都在等超導(dǎo)風(fēng)電技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。所以歐盟給中國企業(yè)遠(yuǎn)景能源資助1億人民幣，并不是心血來潮。
更大或者更省
風(fēng)機(jī)單機(jī)功率從十年前的750KW到現(xiàn)在發(fā)展到最大8MW，風(fēng)機(jī)葉片直徑已經(jīng)大到足以開進(jìn)一輛公交車，還能更大么?
Bigger than bigger，大無止境，多數(shù)人還在關(guān)注5MW級(jí)別的風(fēng)電機(jī)時(shí)，一小部分公司已經(jīng)默默地在研發(fā)10MW級(jí)別了，不過，他們發(fā)現(xiàn)自己幾乎別無選擇，只能依靠超導(dǎo)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)Bigger than bigger。
此外，利用超導(dǎo)技術(shù)高功率密度的優(yōu)勢研發(fā)中型風(fēng)機(jī)，還可以做到Less than less。
超導(dǎo)是一種神奇的現(xiàn)象。1911年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在低溫環(huán)境下，汞的電阻消失了(卡茂林˙昂內(nèi)斯因此獲得了諾貝爾獎(jiǎng))，又過了22年，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)這種超導(dǎo)體不僅沒有電阻，而且內(nèi)部磁場也為零。
抗磁性可以使物體在無摩擦的狀態(tài)下前進(jìn)，因此航空運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)正在積極研發(fā)超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)。
零電阻特性無法像抗磁性這樣直觀展示，但超導(dǎo)體零電阻的特性對能源行業(yè)意義重大。因?yàn)槌瑢?dǎo)體的零電阻特性，所以超導(dǎo)電纜可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程大容量輸電、超導(dǎo)計(jì)算機(jī)可以告別散熱問題、超導(dǎo)發(fā)電機(jī)可以大幅提高功率。
目前看來，通往10MW級(jí)別及以上的風(fēng)電機(jī)組的道路，幾乎別無他路，但這條路十分難走。難就難在，導(dǎo)體只有在低溫環(huán)境下才有超導(dǎo)特性。最開始科學(xué)家是發(fā)現(xiàn)汞在-268.98℃時(shí)變成超導(dǎo)體，之后又經(jīng)過幾十年的努力，到了1987年，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)在溫度為77K時(shí)釔鋇銅氧具有超導(dǎo)特性。這個(gè)溫度對應(yīng)我們常用的攝氏度，接近-200度，試想在工業(yè)應(yīng)用時(shí)，要保持-200度的低溫，為此付出的成本將多么高昂。
因此工程師和科學(xué)家們將攻關(guān)重點(diǎn)放在兩個(gè)地方：一是想辦法以低廉的成本創(chuàng)造低溫環(huán)境;二是以各類手段尋找高溫超導(dǎo)體。在下游應(yīng)用領(lǐng)域，風(fēng)電行業(yè)表現(xiàn)十分積極，投入了大量的人力、物力、智力。
永磁發(fā)電機(jī)帶領(lǐng)風(fēng)電行業(yè)成功走向了5MW級(jí)別，但再進(jìn)一步邁向10MW級(jí)別，永磁直驅(qū)或者雙饋風(fēng)機(jī)都難堪大任。因?yàn)樵谀壳暗募夹g(shù)條件下，8/10MW是一個(gè)門檻，如果想更大一點(diǎn)兒，發(fā)電機(jī)的尺寸和重量就會(huì)嚇?biāo)廊?，沒法更大了。
超導(dǎo)技術(shù)是當(dāng)前唯一可以解決發(fā)電機(jī)過大過重的技術(shù)。超導(dǎo)體的零電阻特性不僅解決了散熱問題，而且由于電流密度較傳統(tǒng)電機(jī)提高數(shù)倍乃至數(shù)十倍，功率密度將會(huì)大幅提升。因此，同樣功率條件下，超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的重量、體積和材料消耗將遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)。
對下一代風(fēng)機(jī)技術(shù)的沖鋒已經(jīng)開始，堂吉訶德大戰(zhàn)風(fēng)車的故事在歐洲、美國、中國輪番上演，但各方的戰(zhàn)略目標(biāo)卻并不相同。
全球最早的10MW風(fēng)機(jī)ST10
ST10由挪威公司Sway設(shè)計(jì)研發(fā)，這家公司的成立使命就是研發(fā)10MW風(fēng)機(jī)，從2005年開始，他們一直醉心于研發(fā)10MW的風(fēng)機(jī)。
Sway ST10渦輪機(jī)有一個(gè)大直徑的永久磁鐵環(huán)式無鐵芯發(fā)電機(jī)，直接由渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)。該系統(tǒng)與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比重量顯著減少，消耗更少的能源成本，特別適合離岸安裝。
ST10的主要優(yōu)勢是節(jié)省稀土，比傳統(tǒng)的永磁直驅(qū)式發(fā)電機(jī)能夠節(jié)省35-40%的稀土成本;此外，結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化，使得發(fā)電機(jī)重量比傳統(tǒng)同樣大小的永磁直驅(qū)式發(fā)電機(jī)輕55-60%?？傮w節(jié)省的成本約為20%左右。
ST10功率10MW，轉(zhuǎn)子直徑164米，葉片長度67米，截至2012年年底，Sway已投入了超過20百萬歐元研發(fā)ST10。ST10樣機(jī)計(jì)劃安裝在挪威西海岸，項(xiàng)目已經(jīng)獲得挪威政府批準(zhǔn)。
或許是因?yàn)镾way在10MW風(fēng)機(jī)上投入的時(shí)間之長、成本之高令人心生敬畏，此后研發(fā)10MW風(fēng)機(jī)的公司幾乎全部放棄了永磁技術(shù)路線，轉(zhuǎn)戰(zhàn)超導(dǎo)發(fā)電機(jī)。
美國SeaTitan 10MW風(fēng)電機(jī)組
因?yàn)楹腿A銳風(fēng)電的訴訟，AMSC(美國超導(dǎo))在中國廣為人知，AMSC一直致力于超導(dǎo)領(lǐng)域的研究和應(yīng)用。AMSC此前曾為美國海軍設(shè)計(jì)過超導(dǎo)發(fā)電機(jī)用來推動(dòng)輪船，并在2009年成功應(yīng)用于36.5MW的海軍發(fā)動(dòng)機(jī)上，完成了全功率測試。
在此基礎(chǔ)上，2010年AMSC開始研發(fā)風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)，并于2012年完成設(shè)計(jì)。該風(fēng)機(jī)輪轂高近125米，塔筒頂部直徑5米，底部直徑近8米。管狀鋼結(jié)構(gòu)的塔筒能放置在各種類型的傳統(tǒng)導(dǎo)管架及深水基礎(chǔ)上。SeaTitan風(fēng)機(jī)的核心部分采用高溫超導(dǎo)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，它在全功率時(shí)電能損失能降低一半。
SeaTitan采用直驅(qū)式發(fā)電機(jī)，因此不用考慮主軸偏移帶來的影響，并且能夠通過大間隙的自由運(yùn)動(dòng)進(jìn)行抵消。 除此之外，這項(xiàng)新技術(shù)還具有風(fēng)機(jī)功率密度高、部分負(fù)載效率高、噪音小、沒有諧波、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。
由于發(fā)電機(jī)的重量減輕，這樣發(fā)電機(jī)可直接放在塔筒上，從而可以改進(jìn)主機(jī)架設(shè)計(jì)，并將負(fù)載直接從輪轂傳遞到塔筒。
AMSC正在為SeaTitan10MW風(fēng)機(jī)尋找商業(yè)合作伙伴以批量化生產(chǎn)。
歐盟SUPRAPOWER項(xiàng)目
2013年4月23日，歐委會(huì)積極倡導(dǎo)，由西班牙Tecnalia能源公司(風(fēng)力發(fā)電強(qiáng)項(xiàng))和德國Karisruhe技術(shù)研究所(低溫和超導(dǎo)強(qiáng)項(xiàng))聯(lián)合領(lǐng)導(dǎo)的歐洲SUPRAPOWER研發(fā)團(tuán)隊(duì)正式組成。研發(fā)團(tuán)隊(duì)目前有9家歐洲頂尖的新能源技術(shù)企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)參與，項(xiàng)目初期的研發(fā)經(jīng)費(fèi)由Tecnalia公司承擔(dān)，歐盟第七研發(fā)柜架計(jì)劃(FP7)已經(jīng)承諾提供技術(shù)研發(fā)資助。
利用超導(dǎo)體的巨大潛力來發(fā)展風(fēng)能，是歐盟資助的項(xiàng)目SUPRAPOWER的研究目標(biāo)。帶有超導(dǎo)體的發(fā)電機(jī)可以將功效提高到10兆瓦，在電機(jī)中使用超導(dǎo)材料能減少同步電抗和勵(lì)磁損失，增加空氣縫隙中的磁通量密度，無需鐵磁芯。與永磁發(fā)電機(jī)相比，能夠減少約50%的重量。
相比于目前廣泛使用的永磁風(fēng)力電機(jī)，超導(dǎo)體電機(jī)僅需要不到其1%的稀土。而且，由于驅(qū)動(dòng)電壓低(約100 mV)，超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子的絕緣層熱老化效應(yīng)減弱，因而沒有絕緣失效的風(fēng)險(xiǎn)。另外，超導(dǎo)發(fā)電機(jī)零電阻特性決定了風(fēng)機(jī)超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)過熱的情況。
參與該項(xiàng)目的共有9個(gè)來自工業(yè)與科研領(lǐng)域的伙伴，其中Karisruhe技術(shù)研究所(KIT)為該項(xiàng)目建造旋轉(zhuǎn)式低溫恒溫器，利用吉福德-麥克馬洪散熱器，通過純熱傳導(dǎo)，使超導(dǎo)線圈冷卻至零下253.15攝氏度。在這個(gè)溫度下，超導(dǎo)體可以實(shí)現(xiàn)無損耗導(dǎo)電。
目前這個(gè)項(xiàng)目的樣機(jī)測試等后續(xù)進(jìn)展還沒有進(jìn)一步的消息。
中國公司遠(yuǎn)景能源進(jìn)軍超導(dǎo)風(fēng)機(jī)
中國企業(yè)研發(fā)超導(dǎo)風(fēng)機(jī)的消息早已有之，但是傳言多于實(shí)際行動(dòng)，今年，全球最大的科研創(chuàng)新框架計(jì)劃歐盟“地平線2020”計(jì)劃決定資助遠(yuǎn)景能源主導(dǎo)研發(fā)的EcoSwing超導(dǎo)風(fēng)機(jī)，資助1億元人民幣，由歐盟和歐盟成員國提供資金支持。
和其他進(jìn)軍超導(dǎo)技術(shù)的顯著不同之處是，EcoSwing超導(dǎo)示范風(fēng)機(jī)功率只有3.6MW，遠(yuǎn)景能源的目標(biāo)看起來不是大，而是要推動(dòng)風(fēng)電成本的降低。
遠(yuǎn)景能源全球創(chuàng)新中心總裁Anders V.Rebsdorf對媒體介紹，同樣的輸出轉(zhuǎn)矩，采用遠(yuǎn)景能源的EcoSwing超導(dǎo)風(fēng)機(jī)，重量較傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)可以減輕40%以上，這使整個(gè)機(jī)艙的重量減輕25%，其他原材料的用量也會(huì)成比例地減少。同時(shí)，稀土使用量至少減少兩個(gè)數(shù)量級(jí)。
由于EcoSwing在轉(zhuǎn)矩密度方面的優(yōu)勢，依靠EcoSwing超導(dǎo)風(fēng)機(jī)，風(fēng)力發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性將會(huì)得到極大程度的提升。據(jù)遠(yuǎn)景能源全球創(chuàng)新中心測算，采用EcoSwing超導(dǎo)風(fēng)機(jī)技術(shù)，風(fēng)電度電成本有望下降至少30%以上。
為能使此項(xiàng)技術(shù)得以成功應(yīng)用，EcoSwing項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)將進(jìn)行全面的風(fēng)險(xiǎn)研究與評估，在EcoSwing通過認(rèn)證的實(shí)驗(yàn)室測試后，計(jì)劃在遠(yuǎn)景丹麥的大兆瓦風(fēng)電機(jī)組上至少運(yùn)行1年的時(shí)間，并且定期維護(hù)及開展相關(guān)測試及驗(yàn)證。
通過比較可以發(fā)現(xiàn)，四家企業(yè)中，Sway起步最早，美國超導(dǎo)有核心技術(shù)優(yōu)勢，Tecnalia能源公司和KIT強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，遠(yuǎn)景能源擅長后發(fā)制人，各有千秋。但超導(dǎo)技術(shù)優(yōu)勢勝過永磁發(fā)電機(jī)，Sway雖然起步早，進(jìn)展緩慢錯(cuò)在方向有誤;美國超導(dǎo)以及Tecnalia&KIT技術(shù)實(shí)力雄厚，但超導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用于風(fēng)電領(lǐng)域需要探索，疊加上10MW大功率風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)和制造難度，批量化生產(chǎn)尚需時(shí)間;遠(yuǎn)景能源選擇的3.6MW超導(dǎo)風(fēng)機(jī)路線，是在原3MW風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)以及批量生產(chǎn)難度較低，產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程有可能后來居上。
原標(biāo)題:有抱負(fù)的風(fēng)電企業(yè)都在燒錢搞超導(dǎo)技術(shù)
