美國(guó)將建造高溫超導(dǎo)海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)

能源部正在資助通用電氣和美國(guó)超導(dǎo)公司設(shè)計(jì)大型低溫冷卻機(jī)器。

去年的這個(gè)時(shí)候，工程師們正準(zhǔn)備將第一臺(tái)超導(dǎo)風(fēng)力發(fā)電機(jī)吊到丹麥的塔頂。這臺(tái)渦輪機(jī)為歐洲一個(gè)雄心勃勃的團(tuán)體的努力畫(huà)上了句號(hào)，他們?cè)噲D找到一種方法來(lái)增加海上渦輪機(jī)的功率，同時(shí)又不會(huì)使其過(guò)于龐大而無(wú)法建造?，F(xiàn)在輪到美國(guó)了。美國(guó)能源部將撥款800萬(wàn)美元，用于三項(xiàng)先進(jìn)的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)項(xiàng)目，其中兩項(xiàng)將依賴于超導(dǎo)體。

總部位于馬薩諸塞州艾耶爾的美國(guó)超導(dǎo)體公司(ASMC)將建造一臺(tái)基于高溫超導(dǎo)體(HTS)的發(fā)電機(jī)。紐約州尼斯卡尤納的通用電氣研究公司將開(kāi)發(fā)一種使用低溫超導(dǎo)體的發(fā)電機(jī)，利用其在核磁共振儀中使用液氦將材料冷卻到10 K以下的經(jīng)驗(yàn)。

世界各國(guó)領(lǐng)導(dǎo)人近日齊聚紐約參加了聯(lián)合國(guó)氣候行動(dòng)首腦會(huì)議，預(yù)計(jì)他們將提出切實(shí)可行的計(jì)劃，將全球變暖控制在不超過(guò)1.5攝氏度。根據(jù)政府間氣候變化專門(mén)委員會(huì)(International Panel on Climate Change)的數(shù)據(jù)，全球氣溫已經(jīng)比工業(yè)化前上升了1攝氏度。這類計(jì)劃很可能會(huì)對(duì)風(fēng)能產(chǎn)生巨大的推動(dòng)作用，而更大、更強(qiáng)大的風(fēng)力渦輪機(jī)正是海上風(fēng)電場(chǎng)所需要的。

通用電氣正在部署世界上最大的風(fēng)力渦輪機(jī)，12兆瓦的HaliadeX，它一年內(nèi)可以一手為6000多個(gè)美國(guó)家庭提供電力，可能取代23000公噸的煤炭，限制氣候變化。

但如今最先進(jìn)的商業(yè)技術(shù)，直接驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)——一種使用基于稀土元素的巨大永磁體環(huán)的無(wú)齒輪機(jī)器，最終可能會(huì)達(dá)到極限。通用電氣研究公司(GE Research)首席工程師David Torrey表示：“我們不清楚上限究竟是多少，但在某個(gè)時(shí)候，它們會(huì)變得如此巨大，以至于我們?cè)僖矡o(wú)法將它們放置在塔頂。”

美國(guó)能源部正在尋找能將發(fā)電機(jī)質(zhì)量減少至少35%，提高效率1%或2%(比看起來(lái)更大)以及將發(fā)電機(jī)每單位質(zhì)量的扭矩密度力提高35%至50%的技術(shù)。為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，超導(dǎo)線圈可以取代永磁體。

使用超導(dǎo)體，這是一種內(nèi)在的昂貴材料，需要昂貴的冷卻技術(shù)，且需要更昂貴的發(fā)電機(jī)。然而，發(fā)電機(jī)仍應(yīng)至少降低10%的水平化電力成本(LCoE)，即發(fā)電機(jī)壽命內(nèi)的盈虧平衡電價(jià)。

“通過(guò)驅(qū)動(dòng)包括重量和效率在內(nèi)的性能指標(biāo)，更昂貴的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)可能會(huì)降低風(fēng)電廠的整體LCoE，”能效和可再生能源辦公室的風(fēng)技術(shù)項(xiàng)目經(jīng)理Mike Derby解釋道。

丹麥技術(shù)大學(xué)風(fēng)能系高級(jí)研究員Asger Bech Abrahamsen認(rèn)為，冷卻成本對(duì)實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)至關(guān)重要。他領(lǐng)導(dǎo)了作為歐洲最大的項(xiàng)目之一，長(zhǎng)達(dá)5年、耗資2000萬(wàn)歐元的InnWind項(xiàng)目的傳動(dòng)系統(tǒng)的工作。

AMSC和GE都認(rèn)為它們能解決這個(gè)問(wèn)題。AMSC已經(jīng)將兩種高溫超導(dǎo)技術(shù)商業(yè)化，并于2017年收購(gòu)了低溫冷卻器公司Infinia Technologies。“我們現(xiàn)在控制著所有的低溫技術(shù)，”AMSC首席執(zhí)行官Daniel P.McGahn說(shuō)。“我們已經(jīng)提出了一些非常具體的想法……我們認(rèn)為可以降低冷卻系統(tǒng)周圍的風(fēng)險(xiǎn)。”低溫冷卻器目前被用于船載超導(dǎo)系統(tǒng)中，該系統(tǒng)掩蓋了海軍艦艇的磁性特征，使其不受地雷的攻擊。

AMSC的技術(shù)是基于一種名為Amperium的專有高溫超導(dǎo)體來(lái)研發(fā)的。使用高溫材料應(yīng)降低冷卻成本，因?yàn)橐３值臏囟纫筝^低。然而，它們通常比低溫超導(dǎo)體更貴。InnWind設(shè)計(jì)中使用過(guò)的高溫超導(dǎo)體二硼化鎂的成本導(dǎo)致在設(shè)計(jì)中需要減少材料的數(shù)量。這導(dǎo)致需要更多的磁鋼來(lái)集中磁場(chǎng)，給系統(tǒng)增加了不必要的重量。

GE的低溫冷卻能力和超導(dǎo)體都來(lái)自其制造磁共振成像設(shè)備的經(jīng)驗(yàn)，在這種設(shè)備中，必須使用液氦將鈮鈦超導(dǎo)體保持在10 K以下，以產(chǎn)生超強(qiáng)磁場(chǎng)。Torrey說(shuō)：“我們使用的金屬絲與所有的MRI設(shè)備中使用的金屬絲是一樣的，這些設(shè)備不僅是通用電氣制造的，而且是我們的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手制造的。”他說(shuō)這比競(jìng)爭(zhēng)高溫超導(dǎo)體便宜兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

通用電氣的風(fēng)力渦輪機(jī)設(shè)計(jì)也依賴于其基于液氦的磁共振冷卻系統(tǒng)。Torrey表示，在一些磁共振成像系統(tǒng)中使用的一種新的傳熱技術(shù)將所需的氦氣量減少了100倍，基本上可以在發(fā)電機(jī)的使用壽命內(nèi)將氦氣密封起來(lái)。他說(shuō)：“這一進(jìn)展在很大程度上讓我們相信，超導(dǎo)發(fā)電機(jī)在商業(yè)上是可行的。”

目前，這兩個(gè)團(tuán)隊(duì)還沒(méi)有確定具體的目標(biāo)電力輸出，但能源部希望能達(dá)到10兆瓦以上的規(guī)模。InnWind瞄準(zhǔn)了10兆瓦和20兆瓦兩種設(shè)計(jì)，出乎意料的是，一種黑馬非超導(dǎo)技術(shù)最終成為成本最低的設(shè)計(jì)。能源部顯然對(duì)這種可能性持開(kāi)放態(tài)度。該機(jī)構(gòu)還資助了位于佐治亞州德盧斯的WEG Energy公司，該公司正在研發(fā)一種更好的永磁技術(shù)。