有抱负的风电企业都在烧钱搞超导技术,而且全世界的风电都在等超导风电技术的实现。所以欧盟给中国企业远景能源资助1亿人民币,并不是心血来潮。
更大或者更省
风机单机功率从十年前的750KW到现在发展到最大8MW,风机叶片直径已经大到足以开进一辆公交车,还能更大么?
Bigger than bigger,大无止境,多数人还在关注5MW级别的风电机时,一小部分公司已经默默地在研发10MW级别了,不过,他们发现自己几乎别无选择,只能依靠超导技术来实现Bigger than bigger。
此外,利用超导技术高功率密度的优势研发中型风机,还可以做到Less than less。
超导是一种神奇的现象。1911年,科学家发现,在低温环境下,汞的电阻消失了(卡茂林˙昂内斯因此获得了诺贝尔奖),又过了22年,科学家们发现这种超导体不仅没有电阻,而且内部磁场也为零。
抗磁性可以使物体在无摩擦的状态下前进,因此航空运输等行业正在积极研发超导磁悬浮技术。
零电阻特性无法像抗磁性这样直观展示,但超导体零电阻的特性对能源行业意义重大。因为超导体的零电阻特性,所以超导电缆可以实现远程大容量输电、超导计算机可以告别散热问题、超导发电机可以大幅提高功率。
目前看来,通往10MW级别及以上的风电机组的道路,几乎别无他路,但这条路十分难走。难就难在,导体只有在低温环境下才有超导特性。最开始科学家是发现汞在-268.98℃时变成超导体,之后又经过几十年的努力,到了1987年,科学家们发现在温度为77K时钇钡铜氧具有超导特性。这个温度对应我们常用的摄氏度,接近-200度,试想在工业应用时,要保持-200度的低温,为此付出的成本将多么高昂。
因此工程师和科学家们将攻关重点放在两个地方:一是想办法以低廉的成本创造低温环境;二是以各类手段寻找高温超导体。在下游应用领域,风电行业表现十分积极,投入了大量的人力、物力、智力。
永磁发电机带领风电行业成功走向了5MW级别,但再进一步迈向10MW级别,永磁直驱或者双馈风机都难堪大任。因为在目前的技术条件下,8/10MW是一个门槛,如果想更大一点儿,发电机的尺寸和重量就会吓死人,没法更大了。
超导技术是当前唯一可以解决发电机过大过重的技术。超导体的零电阻特性不仅解决了散热问题,而且由于电流密度较传统电机提高数倍乃至数十倍,功率密度将会大幅提升。因此,同样功率条件下,超导发电机的重量、体积和材料消耗将远远小于传统发电机。
对下一代风机技术的冲锋已经开始,堂吉诃德大战风车的故事在欧洲、美国、中国轮番上演,但各方的战略目标却并不相同。
全球最早的10MW风机ST10
ST10由挪威公司Sway设计研发,这家公司的成立使命就是研发10MW风机,从2005年开始,他们一直醉心于研发10MW的风机。
Sway ST10涡轮机有一个大直径的永久磁铁环式无铁芯发电机,直接由涡轮机转子驱动。该系统与传统设计相比重量显著减少,消耗更少的能源成本,特别适合离岸安装。
ST10的主要优势是节省稀土,比传统的永磁直驱式发电机能够节省35-40%的稀土成本;此外,结构上的优化,使得发电机重量比传统同样大小的永磁直驱式发电机轻55-60%。总体节省的成本约为20%左右。
ST10功率10MW,转子直径164米,叶片长度67米,截至2012年年底,Sway已投入了超过20百万欧元研发ST10。ST10样机计划安装在挪威西海岸,项目已经获得挪威政府批准。
或许是因为Sway在10MW风机上投入的时间之长、成本之高令人心生敬畏,此后研发10MW风机的公司几乎全部放弃了永磁技术路线,转战超导发电机。
美国SeaTitan 10MW风电机组
因为和华锐风电的诉讼,AMSC(美国超导)在中国广为人知,AMSC一直致力于超导领域的研究和应用。AMSC此前曾为美国海军设计过超导发电机用来推动轮船,并在2009年成功应用于36.5MW的海军发动机上,完成了全功率测试。
在此基础上,2010年AMSC开始研发风机发电机,并于2012年完成设计。该风机轮毂高近125米,塔筒顶部直径5米,底部直径近8米。管状钢结构的塔筒能放置在各种类型的传统导管架及深水基础上。SeaTitan风机的核心部分采用高温超导发电机系统,它在全功率时电能损失能降低一半。
SeaTitan采用直驱式发电机,因此不用考虑主轴偏移带来的影响,并且能够通过大间隙的自由运动进行抵消。 除此之外,这项新技术还具有风机功率密度高、部分负载效率高、噪音小、没有谐波、易于维护等优点。
由于发电机的重量减轻,这样发电机可直接放在塔筒上,从而可以改进主机架设计,并将负载直接从轮毂传递到塔筒。
AMSC正在为SeaTitan10MW风机寻找商业合作伙伴以批量化生产。
欧盟SUPRAPOWER项目
2013年4月23日,欧委会积极倡导,由西班牙Tecnalia能源公司(风力发电强项)和德国Karisruhe技术研究所(低温和超导强项)联合领导的欧洲SUPRAPOWER研发团队正式组成。研发团队目前有9家欧洲顶尖的新能源技术企业和科研机构参与,项目初期的研发经费由Tecnalia公司承担,欧盟第七研发柜架计划(FP7)已经承诺提供技术研发资助。
利用超导体的巨大潜力来发展风能,是欧盟资助的项目SUPRAPOWER的研究目标。带有超导体的发电机可以将功效提高到10兆瓦,在电机中使用超导材料能减少同步电抗和励磁损失,增加空气缝隙中的磁通量密度,无需铁磁芯。与永磁发电机相比,能够减少约50%的重量。
相比于目前广泛使用的永磁风力电机,超导体电机仅需要不到其1%的稀土。而且,由于驱动电压低(约100 mV),超导发电机的转子的绝缘层热老化效应减弱,因而没有绝缘失效的风险。另外,超导发电机零电阻特性决定了风机超负荷运转时也不会出现过热的情况。
参与该项目的共有9个来自工业与科研领域的伙伴,其中Karisruhe技术研究所(KIT)为该项目建造旋转式低温恒温器,利用吉福德-麦克马洪散热器,通过纯热传导,使超导线圈冷却至零下253.15摄氏度。在这个温度下,超导体可以实现无损耗导电。
目前这个项目的样机测试等后续进展还没有进一步的消息。
中国公司远景能源进军超导风机
中国企业研发超导风机的消息早已有之,但是传言多于实际行动,今年,全球最大的科研创新框架计划欧盟“地平线2020”计划决定资助远景能源主导研发的EcoSwing超导风机,资助1亿元人民币,由欧盟和欧盟成员国提供资金支持。
和其他进军超导技术的显著不同之处是,EcoSwing超导示范风机功率只有3.6MW,远景能源的目标看起来不是大,而是要推动风电成本的降低。
远景能源全球创新中心总裁Anders V.Rebsdorf对媒体介绍,同样的输出转矩,采用远景能源的EcoSwing超导风机,重量较传统发电机可以减轻40%以上,这使整个机舱的重量减轻25%,其他原材料的用量也会成比例地减少。同时,稀土使用量至少减少两个数量级。
由于EcoSwing在转矩密度方面的优势,依靠EcoSwing超导风机,风力发电的经济性将会得到极大程度的提升。据远景能源全球创新中心测算,采用EcoSwing超导风机技术,风电度电成本有望下降至少30%以上。
为能使此项技术得以成功应用,EcoSwing项目团队将进行全面的风险研究与评估,在EcoSwing通过认证的实验室测试后,计划在远景丹麦的大兆瓦风电机组上至少运行1年的时间,并且定期维护及开展相关测试及验证。
通过比较可以发现,四家企业中,Sway起步最早,美国超导有核心技术优势,Tecnalia能源公司和KIT强强联合,远景能源擅长后发制人,各有千秋。但超导技术优势胜过永磁发电机,Sway虽然起步早,进展缓慢错在方向有误;美国超导以及Tecnalia&KIT技术实力雄厚,但超导技术应用于风电领域需要探索,叠加上10MW大功率风机的设计和制造难度,批量化生产尚需时间;远景能源选择的3.6MW超导风机路线,是在原3MW风机基础上进行改进,设计以及批量生产难度较低,产业化进程有可能后来居上。