新型永磁技術(shù)-怒海中的超導風力渦輪機

想象這樣一幅畫面：在海浪的上方矗立著一座100米高的細塔。塔頂有一個250噸重的機艙，艙內(nèi)裝有渦輪發(fā)電機和發(fā)電所需的其他設(shè)備，當風電機長約60米的槳葉轉(zhuǎn)動帶動機艙工作時，塔周邊是一片海水翻騰。

而現(xiàn)在，當你讓剛才想象的所有東西的尺寸都增大1倍后，重量卻變成了原來的5倍。

這就是始終困擾海上風力電廠建設(shè)者們的一個問題。一般來說，尺寸越大，風力發(fā)電機的效率越高，這就意味著每臺渦輪機能產(chǎn)生更多的電力。因此，長久以來，風力電廠運營商一直在要求更大功率的海上渦輪機，而制造商們也一直在滿足他們的需求。今年4月，由維斯塔斯風力系統(tǒng)公司生產(chǎn)的8.8兆瓦渦輪機在蘇格蘭的海岸邊成功安裝，這是目前功率最大的渦輪機，而即將建設(shè)的北海風力電廠的投標則有望在2025年左右實現(xiàn)13到15兆瓦的渦輪機。這些渦輪機在工作時，能為大約9000個家庭供電。雖然風電機的尺寸越大越好，但如果其核心技術(shù)沒有相應的巨大變革，更大的尺寸很快就會變得荒唐可笑。

根據(jù)一項名為InnWind的歐盟項目計算，如果用現(xiàn)有技術(shù)制造一臺20兆瓦的風力渦輪機，僅其機艙的重量就接近1100噸（相當于11頭藍鯨的重量）。渦輪機的3個槳葉的單片重量將接近40噸，直徑超過250米（相當于8頭藍鯨的長度）。要想支撐起海浪上方170米高處的這頭兆瓦巨怪，下面的塔架需要重達1800噸。現(xiàn)在，讓我?guī)痛蠹野颜@幅畫面補充完整：18頭藍鯨作為塔架支撐著作為機艙的另外11頭，還有8頭藍鯨像鯨魚風車那樣旋轉(zhuǎn)著。（不用謝。）

“而現(xiàn)在的問題是當前的技術(shù)限制了大尺寸風電機的建造，”西班牙應用研發(fā)機構(gòu)Tecnalia研究院（Tecnalia Corporación Tecnológica）可再生能源與存儲系統(tǒng)小組的電力工程師、歐盟超導渦輪機項目Suprapower的協(xié)調(diào)員艾克?馬里諾（Iker Marino）說道，“頂部的機構(gòu)太重了?！?/p>

那么該如何從由磁鐵、齒輪、鐵芯和數(shù)千米的銅線繞組制造的機器中減少數(shù)百噸質(zhì)量呢？或許可以把磁鐵甚至銅繞組換成超導體線圈。

很簡單，對吧？實際上并非如此。最近，縱觀數(shù)年的跨國研究工作，可以得出結(jié)論，盡管建造這類渦輪機是可行的，但也面臨著巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。隨著永磁體越來越好、越來越便宜，采取這種做法的意愿越來越弱。實際上，基于永磁體的技術(shù)作為黑馬競爭者，正在將超導體擠出10兆瓦的領(lǐng)域。除非超導體的經(jīng)濟性或特性能夠大大提升（事實上這兩種情況都是有可能的），否則在未來，甚至20兆瓦的海洋巨神也將與超導體無緣。

風力渦輪機非常復雜。它們通過機械、磁力和電力過程相互作用而運行，每個參數(shù)的微調(diào)都會使整個過程發(fā)生復雜變化。然而，它們基本上都有相同的基礎(chǔ)條件與組件。當葉片以相當平穩(wěn)的速度轉(zhuǎn)動時會產(chǎn)生很大的扭矩，但這緩慢的速度對發(fā)電來說并不理想，因此，齒輪渦輪機，尤其是應用在陸地上的大多數(shù)齒輪渦輪機，都采用變速箱將速度提高數(shù)百倍，驅(qū)動發(fā)電機快速旋轉(zhuǎn)。

但為了降低維護成本，一些制造商選擇了一種被稱為“直接驅(qū)動”的海上渦輪機技術(shù)，該技術(shù)不需要變速箱。該技術(shù)中，轉(zhuǎn)子是一個巨大的環(huán)，內(nèi)含許多具有交替極性的永磁體。發(fā)電機的另一核心組件是環(huán)繞著轉(zhuǎn)子的定子，它包含銅線圈，轉(zhuǎn)子的磁場在定子的線圈中感應產(chǎn)生電壓。

從根本上來說，超導體可以降低發(fā)電機的重量，因為超導線圈制成的較輕的電磁鐵可代替直接驅(qū)動的永磁體。這些電磁鐵相對較輕，因為超導體能夠承載大量電流——也就是說，它們具有較高的電流密度。該機器中的銅導體每平方毫米截面的安培數(shù)最高也僅為個位數(shù)。在為Suprapower 10兆瓦渦輪項目建造的實驗性超導渦輪繞組中，電流密度躍升至驚人的58安/平方毫米。

為了開發(fā)高溫超導體的潛力，如釔鋇銅氧化物（YBCO），人們已經(jīng)做了大量工作。YBCO在低于90開爾文的溫度下會變成超導體——該溫度足夠高，可以使用便宜的液氮代替非常昂貴的液氦進行冷卻。幾年前，業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的YBCO制造商美國超導公司（AMSC）提出了一種粗略的渦輪機設(shè)計。（該公司并未對本文的置評請求做出回應。）但最近多數(shù)的歐洲超導風力渦輪機項目都選定了另外一種超導體——二硼化鎂（MgB2）。

二硼化鎂的超導性在2001年才被發(fā)現(xiàn)，盡管它要在溫度低于40開爾文時才會失去電阻，但它便宜得多，在每次成本分析中都能擊敗YBCO。每米大約4歐元（合4.63美元）的二硼化鎂膠帶“可能不是性能最佳的材料，但它具有最佳性價比”。馬里諾說道。

哥倫布超導體（Columbus Superconductors）是一家業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的二硼化鎂線材供應商，也是Suprapower和早先美國能源部項目的合作伙伴，總部位于意大利熱那亞。Innwind和法國最近的一項名為EolSupra20的項目就是由該公司促成的。

其中，Suprapower最近生產(chǎn)出了一些切實的東西。該項目于2017年5月結(jié)束，耗資540萬歐元（合625萬美元），為期5年，不僅設(shè)計了一臺10兆瓦的直接驅(qū)動超導渦輪發(fā)電機，還制成了設(shè)計的關(guān)鍵部分——補足48個超導電磁線圈中的2個，從而組成一個完整的轉(zhuǎn)子。該設(shè)計要求發(fā)電機質(zhì)量為163噸，與使用當前的永磁體技術(shù)建造相比減少了26%。

轉(zhuǎn)子線圈由嵌入二硼化鎂線材的扁平銅線制成。銅可增強相對脆弱的二硼化鎂，并導出熱量。項目期間擔任公司總經(jīng)理的吉安尼?拉格索（Gianni Grasso）表示，對于哥倫布超導體來說，線圈的幾何形狀是相對困難的部分。這些類似“跑道” 形狀的線圈大致是矩形，尖角對線材產(chǎn)生應力，會破壞超導體?！耙虼?，我們不得不開發(fā)一種特殊的工具來進行卷繞?！?/p>

而更大的挑戰(zhàn)是，找到一種方法使繞組線圈能夠在海上保持20開爾文的溫度?！八袊@熱去除的工程都是可行的，但也是復雜的，”馬里諾說，“海上條件是一個復雜問題?！?/p>

通常，超導體（例如磁共振機器中的超導體）通過浸入到液氦這樣的低溫溶液中來進行冷卻。但Suprapower排除了這個選擇。在進行海上維護時，必須將該液體移除，加熱發(fā)電機內(nèi)部，然后更換部件。在風力發(fā)電塔的塔頂上處理此類液體，還要拖帶對氣體進行再液化的設(shè)備，似乎并不實際。

相反，Suprapower的工程師采用傳導的方式來冷卻線圈。古福德-麥克馬洪循環(huán)低溫制冷機可為分散式模塊化的低溫恒溫器提供冷卻能力，從而保持低溫恒溫器的內(nèi)部溫度。該模塊化系統(tǒng)中的每個超導線圈都有自己的低溫恒溫器，其設(shè)計目的是使線圈保持真空狀態(tài)。

馬里諾表示，希望這些低溫恒溫器的模塊化特性能夠使維護變得更加容易。如果低溫恒溫器或其密封的線圈需要更換，技術(shù)人員僅需攜帶接近室溫的特定部件，更換后再將其冷卻。這種便利性可以加快維修速度，但馬里諾預計，其維護的工作仍需要比傳統(tǒng)機器花費更長的時間。

盡管Suprapower建造了超導風力渦輪機的一個重要部件，但它還是沒有回答是否能夠建造更大的超導渦輪機這一問題。這是InnWind的目標。2012年InnWind啟動了一項價值2000萬歐元（合2320萬美元）的項目，研發(fā)了各種基于新技術(shù)的設(shè)計，其中包括二硼化鎂超導體。它的目的是：以盡可能低的成本，設(shè)計并完成可用于50米水深的10兆瓦和20兆瓦的風力渦輪機，從而為未來的發(fā)展指明方向。但是，在通往未來的路上，發(fā)生了一件有趣的事：它變得更加復雜了。

在過去的5年中，先進渦輪機所需的那種永磁體的價格已經(jīng)降低到原來的1/4，大約為每公斤25歐元（合29美元）。丹麥技術(shù)大學風力能源系的高級研究員阿舍爾?貝奇?亞伯拉罕森（Asger Bech Abrahamsen）曾領(lǐng)導過InnWind的動力傳動設(shè)計工作，他表示：“憑借這種投入價格水平，超導機器無法與之競爭?！?/p>

InnWind的研究人員的目標是使整個渦輪機系統(tǒng)（包括基礎(chǔ)、塔架和葉片）的平準化度電成本（LCOE）為最低。LCOE是渦輪機在其使用周期中為實現(xiàn)收支平衡所需要的基本電價。該數(shù)據(jù)考慮到了制造、建設(shè)、維護、效率、退役和其他因素，也是風力電廠投資者用以決定建造什么和在哪里建造的關(guān)鍵指標之一。

在InnWind尋求最低LCOE的過程中，永磁體價格下降，迫使其在10兆瓦超導渦輪機設(shè)計中減少了超導材料的使用量，并增加磁性鋼的用量來輔助集中剩余的超導體磁場。由于出現(xiàn)了意想不到的結(jié)構(gòu)共振，InnWind不得不增加更多的鋼材。而產(chǎn)生這個問題的原因是塔頂?shù)馁|(zhì)量太輕，當41.7噸的葉片擺過塔架時，轉(zhuǎn)動葉片對塔結(jié)構(gòu)作用力的頻率與固有頻率太接近，這會縮短基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)所要求的25年的使用壽命。亞伯拉罕森解釋說，更為不幸的是，模擬試驗表明，渦輪發(fā)電機越輕，共振就越強。InnWind的設(shè)計師們面對著發(fā)電機變得越輕，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)越昂貴這樣一種情況，他們將10兆瓦超導動力傳動系統(tǒng)的質(zhì)量飆升到286噸，而若按比例增大基于永磁體直接驅(qū)動技術(shù)的系統(tǒng)，其質(zhì)量僅為215至237噸。

雖然InnWind的20兆瓦二硼化鎂設(shè)計沒有共振問題，但它仍然需要大量鋼材來彌補設(shè)計中減少的超導體的使用量。亞伯拉罕森說，使用超導體的本意是使最輕、最小的渦輪發(fā)電機成為可能，但從低LCOE的角度來看，“我們不得不說，輕量發(fā)電機并非總是有益的。”

永磁體的價格暴跌也為超導體的黑馬競爭者提供了機會?？偛课挥谟⒏裉m謝菲爾德的英國馬格諾動力學公司（Magnomatics）開發(fā)了一種磁性齒輪系統(tǒng)，稱為磁性偽直接驅(qū)動（PDD）。

如果沒有看到它在運轉(zhuǎn)，你很難完全理解這套系統(tǒng)。是這樣的：PDD是一組由3個同心圓柱體組成的集合。內(nèi)圓環(huán)和外圓環(huán)分別由交替極性的永磁體條帶組成。外圓柱體有很多條帶，內(nèi)圓柱體則只有幾個。中間的圓柱體由交替的鋼條帶和非磁性支撐材料組成。當系統(tǒng)運行時，外圓環(huán)保持靜止，而來自渦輪機葉片的輸入使中間的鋼圓柱體低速旋轉(zhuǎn)。該圓柱體操縱外圓柱永磁體的磁力線，形成一個與鋼圓柱體方向相反的快速旋轉(zhuǎn)磁場。該磁場與內(nèi)圓柱的永磁體耦合作用，產(chǎn)生內(nèi)圓柱的高速旋轉(zhuǎn)。為了將該裝置轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電機，在外圓環(huán)周圍安放銅線圈，與內(nèi)圓環(huán)一樣，線圈經(jīng)歷了快速移動的磁場?？焖僖苿拥拇艌鲈阢~線材線圈中感應產(chǎn)生電壓。

在InnWind的分析中，這種設(shè)置在效率上擊敗了超導設(shè)計。PDD“即使在低風速下也能通過其高效率獲得最大收益?！眮啿鄙f道。他指出：“一臺超導機器也能達到很高的效率，但它需要冷卻系統(tǒng)?！崩鋮s系統(tǒng)即使在沒有風的情況下，也會持續(xù)消耗能量。雖然其他因素（如建設(shè)成本）也都分攤在渦輪機25年的壽命中，但效率對成本的影響更為直接。

馬格諾動力學公司的驅(qū)動技術(shù)首席工程師大衛(wèi)?鮑威爾（David Powell）說：“聽起來不多，但效率提高2%，意味著LCOE提高2%。” 他補充說，在風電行業(yè)，“2%的意義非同凡響?！?/p>

PDD采用較小尺寸的齒輪渦輪機，無須承受機械齒輪的能量損失，因而獲得了相對較高的效率。每級損失可達到1%到2%，很多渦輪機有3個齒輪級，鮑威爾解釋道。然而，在PDD中沒有機械連接；圓柱體之間懸浮，由氣隙彼此隔開，甚至不需要潤滑劑。

雖然風電行業(yè)的主要賣點是PDD系統(tǒng)的效率，但它的體積也相當小，并且比現(xiàn)有技術(shù)所需的銅繞組更少。10兆瓦PDD設(shè)計的動力傳動系統(tǒng)質(zhì)量比超導二硼化鎂設(shè)計的質(zhì)量要輕100噸以上。渦輪機的直徑只有6米，而參考設(shè)計值是10米。鮑威爾說，這種尺寸差異可帶來制造優(yōu)勢，因為渦輪機制造商可選擇在老舊的小型工廠中建造新的高兆瓦渦輪機。

馬格諾動力學公司計劃利用這一勝利成果。但要將容量擴展到10兆瓦或更高，還有很多工作要做。用傳統(tǒng)技術(shù)建造的機器已經(jīng)下水，距10兆瓦僅差1兆瓦多一點，“我們需要加快趕上，”鮑威爾指出，“現(xiàn)在這一切都發(fā)生在我們身上。我們只需要抓住合適的人選?！?/p>

雖然非超導體技術(shù)在成本方面勝過了InnWind，但該行業(yè)聯(lián)盟的分析并不是唯一的。一個規(guī)模較小的名為EolSupra20的法國項目，基于對LCOE的探索，目標直指20兆瓦，并得出了截然不同的結(jié)果。

與其他項目不同，EolSupra20設(shè)計的轉(zhuǎn)子和定子中都有二硼化鎂超導體?！澳阋棉D(zhuǎn)子創(chuàng)建一個非常大的磁場?！卑屠杷_克雷大學助理教授洛伊克?韋爾瓦（Lo?c Quéval）說道。因此你需要用直流電，因為它在超導體中的流動不會有損失，也不會產(chǎn)生熱量。

“而定子則不同?！彼f道。當轉(zhuǎn)子的磁場穿過它時，定子繞組中的電流會改變方向。令人驚訝的是，超導體在承載交流電時，確實會產(chǎn)生一些損失。這對設(shè)計產(chǎn)生了兩個影響。首先，它需要不同形式的超導線材來解決這個問題。交變磁場在超導體表面產(chǎn)生感應電流環(huán)損耗。很可惜，超導體（尤其是高溫超導體）通常被制成帶狀而非線狀，因此形成的這些感應電流環(huán)的表面積很大。哥倫布超導體公司的拉格索說：“生產(chǎn)低交流損耗的高溫超導體幾乎是不可能的，但采用二硼化鎂就有可能?！痹摴揪蜕a(chǎn)這種材料。

哥倫布超導體公司一直在研究非帶狀且具有較小表面積的二硼化鎂材料。它正在生產(chǎn)的線材中嵌有很多直徑為10微米的二硼化鎂圓形細絲。這些細絲表面積非常小，無法形成很多電流環(huán)，拉格索解釋道。在一種型號中，91根這樣的細絲被嵌入一條六角形銅鎳線材中。這些線材隨后被制成扁平狀，稱為盧瑟福（Rutherford）電纜，不過現(xiàn)在還沒有達到可用的長度。

超導定子的第二個影響是它必須被冷卻，并且要比轉(zhuǎn)子的冷卻更急劇。EolSupra20設(shè)計使用一組制冷機來讓轉(zhuǎn)子保持在10開爾文的溫度，在這個溫度下，轉(zhuǎn)子可以實現(xiàn)最大化超導體的載流能力。定子用另一組獨立的制冷機，溫度設(shè)置為20開爾文，因為若要維持比這更低的溫度水平，它需要更大的功率。

為了滿足這些需求，該設(shè)計需要總數(shù)不少于85臺的制冷機?！拔覀儼阎评錂C放在各處?！?韋爾瓦說道。采購大功率制冷機是個問題，因此EolSupra20使用了多個小型制冷機。EolSupra20在設(shè)計中使用的是住友重機械工業(yè)RDK-0408S2二級制冷機，僅有18公斤重，能夠從線圈中吸收幾瓦特到幾十瓦特的熱功率，但消耗的功率約為其100倍左右?！澳壳埃收娴暮艿?。”韋爾瓦說道。

EolSupra20的超導設(shè)計確實在LCOE方面成功擊敗了使用傳統(tǒng)技術(shù)生產(chǎn)的渦輪機。它的報價為每兆瓦時119歐元（合140美元），而傳統(tǒng)渦輪機的報價是每兆瓦時129歐元（合152美元）。據(jù)韋爾瓦和EolSupra20團隊所言，其差別是由超導體生產(chǎn)的發(fā)電機重量大大下降。全超導發(fā)電機的重量是178噸，體積僅是傳統(tǒng)發(fā)電機的1/3。

Eolsupra20的LCOE明顯高于InnWind使用的20兆瓦渦輪機，即每兆瓦時93歐元（合108美元）。韋爾瓦指出，在某種意義上，LCOE是有地方差異的。InnWind的目標是北海的深水域，那里競爭激烈，正規(guī)劃建立電網(wǎng)連接。未來的風力電廠已經(jīng)得到承諾，當?shù)氐膬r格將低于每兆瓦時100歐元（合116美元）。法國大西洋沿岸在經(jīng)濟上和地理上都是完全不同的環(huán)境。法國盡管有著長長的、多風的海岸線，但目前沒有海上風電廠。2012年以來，該國已經(jīng)以每兆瓦時200歐元（合232美元）的高價，為3000兆瓦的海上發(fā)電量招標。該數(shù)字可能很快就會發(fā)生變化。鑒于北海的價格意外地飛速下跌，法國政府在3月表示希望能重新談判。

因此，面對種種因素的影響，是選擇超導體還是PDD？哪種技術(shù)將在未來統(tǒng)治海洋？ InnWind所做的肯定是一項全面的綜合研究，歷時5年，調(diào)查了大約27家工業(yè)和研究機構(gòu)。盡管如此，它也在報告中承認了其技術(shù)有很多不確定性。InnWind對兩種動力傳動系統(tǒng)技術(shù)進行了評判：還同處于“實驗室測試”的級別。

一個更好的問題，也是InnWind嘗試回答的問題，可能是：為了與PDD驅(qū)動競爭，超導體需要些什么？根據(jù)亞伯拉罕森和他InnWind的同事們的說法，要實現(xiàn)和永磁體類似的降價幅度，二硼化鎂還有很長的路要走。如果二硼化鎂每米價格1歐元（合1.16美元），而不是4歐元（合4.64美元），20兆瓦設(shè)計就能增加更多的二硼化鎂，制造更強力的磁鐵，從而減少笨重的磁性鋼。但這種設(shè)計要具有競爭力，還需要將低溫恒溫器和冷卻設(shè)備的預算成本降低90%。超導風電渦輪機的大規(guī)模商業(yè)化能否產(chǎn)生足夠的需求，同時降低兩種技術(shù)的價格，還是一個懸而未決的問題。

但價格并不是唯一可以改變的東西。超導體開始起超導作用的臨界溫度是大多數(shù)人所關(guān)注的，但實際上，它只是導致超導的三重條件之一。還有臨界電流密度和最大磁場，它們超出臨界條件也會導致超導性被破壞。例如，將臨界電流值提高到原來的4倍，也會產(chǎn)生與降價相似的效果，因為你可以用1/4的超導體數(shù)量產(chǎn)生更強的磁場。更好的是，它將適用于不同的動力傳動系統(tǒng)設(shè)計?！熬€材越好，系統(tǒng)的其余部分就越簡單?！盨uprapower的拉格索總結(jié)道。

也許對極大型渦輪機的LCOE分析有點為時過早。另一個名為EcoSwing的歐盟項目旨在證明中等規(guī)模超導發(fā)電機的競爭力，并且其工程已幾近完成。到2019年3月，這個1400萬歐元（合1630萬美元）的項目計劃在一臺改裝的3.6兆瓦渦輪機內(nèi)，安裝一臺超導發(fā)電機，安裝將在陸上進行，因為安裝和維護比較容易。

和高裝機容量的海上項目不同，EcoSwing項目的目標是進入當今陸上中等規(guī)模設(shè)備的市場。超導體技術(shù)的設(shè)計已將渦輪機的功率密度提高了1倍，渦輪發(fā)電機體積縮小了40%，比市場領(lǐng)先者的成本降低了15%，ECO 5的EcoSwing項目總監(jiān)尤爾根?凱勒（Jürgen Kellers）說道。ECO 5是一家工程公司，是EcoSwing項目的9家參與者之一。

除了尺寸以外，EcoSwing的發(fā)電機與InnWind及其他海上設(shè)計的不同之處，在于EcoSwing使用單臺大型低溫恒溫器，而不是很多模塊化低溫恒溫器。它還用高溫超導體YBCO來代替二硼化鎂。該公司不考慮成本而選擇了前者，是因為YBCO更容易冷卻?！澳憧梢哉f二硼化鎂已經(jīng)處于YBCO未來的成本水平，” 凱勒說道，“可另一方面，冷卻它卻不像冷卻YBCO那樣簡單。”

5月22日，該項目在弗勞恩霍夫研究所風能系統(tǒng)動態(tài)實驗室完成了對其發(fā)電機的測試，該實驗室能夠提供扭矩和其他條件，測試全尺寸風力渦輪發(fā)電機。這是第一臺進行此類測試的超導機器。

動態(tài)實驗室測試以后，該機器將留在荷蘭特文特大學進行最后的組裝，隨后裝船運到丹麥，安裝在渦輪機中?！叭缓笪覀儗⑺跹b起來，看看EcoSwing發(fā)電機在北海的嚴酷條件下表現(xiàn)如何?！?凱勒說道。

馬格諾動力學公司的磁性偽直接驅(qū)動技術(shù)也并不落后。它下一階段要制造一臺500千瓦的發(fā)電機，并將在位于英國布萊斯的國家可再生能源中心的動力計上進行測試。然后，“我們將嘗試在機艙中安裝一臺2至3兆瓦的機器，來獲取真實數(shù)據(jù)?！瘪R格諾動力學公司的鮑威爾說道。

未來設(shè)計的競爭可能已經(jīng)轉(zhuǎn)向了PDD，但證明兩種技術(shù)是否真正奏效的競爭才剛剛開始。