能源部正在資助通用電氣和美國超導公司設計大型低溫冷卻機器。
去年的這個時候，工程師們正準備將第一臺超導風力發(fā)電機吊到丹麥的塔頂。這臺渦輪機為歐洲一個雄心勃勃的團體的努力畫上了句號，他們試圖找到一種方法來增加海上渦輪機的功率，同時又不會使其過于龐大而無法建造。現(xiàn)在輪到美國了。美國能源部將撥款800萬美元，用于三項先進的動力傳動系統(tǒng)項目，其中兩項將依賴于超導體。
總部位于馬薩諸塞州艾耶爾的美國超導體公司(ASMC)將建造一臺基于高溫超導體(HTS)的發(fā)電機。紐約州尼斯卡尤納的通用電氣研究公司將開發(fā)一種使用低溫超導體的發(fā)電機，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。
世界各國領導人近日齊聚紐約參加了聯(lián)合國氣候行動首腦會議，預計他們將提出切實可行的計劃，將全球變暖控制在不超過1.5攝氏度。根據(jù)政府間氣候變化專門委員會(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。這類計劃很可能會對風能產(chǎn)生巨大的推動作用，而更大、更強大的風力渦輪機正是海上風電場所需要的。
通用電氣正在部署世界上最大的風力渦輪機，12兆瓦的HaliadeX，它一年內(nèi)可以一手為6000多個美國家庭提供電力，可能取代23000公噸的煤炭，限制氣候變化。
但如今最先進的商業(yè)技術，直接驅動發(fā)電機——一種使用基于稀土元素的巨大永磁體環(huán)的無齒輪機器，最終可能會達到極限。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，但在某個時候，它們會變得如此巨大，以至于我們再也無法將它們放置在塔頂。”
美國能源部正在尋找能將發(fā)電機質量減少至少35%，提高效率1%或2%(比看起來更大)以及將發(fā)電機每單位質量的扭矩密度力提高35%至50%的技術。為了實現(xiàn)這些目標，超導線圈可以取代永磁體。
使用超導體，這是一種內(nèi)在的昂貴材料，需要昂貴的冷卻技術，且需要更昂貴的發(fā)電機。然而，發(fā)電機仍應至少降低10%的水平化電力成本(LCoE)，即發(fā)電機壽命內(nèi)的盈虧平衡電價。
“通過驅動包括重量和效率在內(nèi)的性能指標，更昂貴的發(fā)電機系統(tǒng)可能會降低風電廠的整體LCoE，”能效和可再生能源辦公室的風技術項目經(jīng)理Mike Derby解釋道。
丹麥技術大學風能系高級研究員Asger Bech Abrahamsen認為，冷卻成本對實現(xiàn)這些目標至關重要。他領導了作為歐洲最大的項目之一，長達5年、耗資2000萬歐元的InnWind項目的傳動系統(tǒng)的工作。
AMSC和GE都認為它們能解決這個問題。AMSC已經(jīng)將兩種高溫超導技術商業(yè)化，并于2017年收購了低溫冷卻器公司Infinia Technologies。“我們現(xiàn)在控制著所有的低溫技術，”AMSC首席執(zhí)行官Daniel P.McGahn說。“我們已經(jīng)提出了一些非常具體的想法……我們認為可以降低冷卻系統(tǒng)周圍的風險。”低溫冷卻器目前被用于船載超導系統(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的技術是基于一種名為Amperium的專有高溫超導體來研發(fā)的。使用高溫材料應降低冷卻成本，因為要保持的溫度要求較低。然而，它們通常比低溫超導體更貴。InnWind設計中使用過的高溫超導體二硼化鎂的成本導致在設計中需要減少材料的數(shù)量。這導致需要更多的磁鋼來集中磁場，給系統(tǒng)增加了不必要的重量。
GE的低溫冷卻能力和超導體都來自其制造磁共振成像設備的經(jīng)驗，在這種設備中，必須使用液氦將鈮鈦超導體保持在10 K以下，以產(chǎn)生超強磁場。Torrey說：“我們使用的金屬絲與所有的MRI設備中使用的金屬絲是一樣的，這些設備不僅是通用電氣制造的，而且是我們的競爭對手制造的。”他說這比競爭高溫超導體便宜兩個數(shù)量級。
通用電氣的風力渦輪機設計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將所需的氦氣量減少了100倍，基本上可以在發(fā)電機的使用壽命內(nèi)將氦氣密封起來。他說：“這一進展在很大程度上讓我們相信，超導發(fā)電機在商業(yè)上是可行的。”
目前，這兩個團隊還沒有確定具體的目標電力輸出，但能源部希望能達到10兆瓦以上的規(guī)模。InnWind瞄準了10兆瓦和20兆瓦兩種設計，出乎意料的是，一種黑馬非超導技術最終成為成本最低的設計。能源部顯然對這種可能性持開放態(tài)度。該機構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。
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