能源部正在資助通用電氣和美國超導(dǎo)公司設(shè)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(dǎo)風(fēng)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(dǎo)體。

     總部位于馬薩諸塞州艾耶爾的美國超導(dǎo)體公司（ASMC）將建造一臺基于高溫超導(dǎo)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(dǎo)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(lǐng)導(dǎo)人近日齊聚紐約參加了聯(lián)合國氣候行動首腦會議，預(yù)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(fēng)能產(chǎn)生巨大的推動作用，而更大、更強大的風(fēng)力渦輪機正是海上風(fēng)電場所需要的。

     通用電氣正在部署世界上最大的風(fēng)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(shù)，直接驅(qū)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(zhì)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(zhì)量的扭矩密度力提高35%至50%的技術(shù)。為了實現(xiàn)這些目標，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。然而，發(fā)電機仍應(yīng)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(qū)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(fēng)電廠的整體LCoE，”能效和可再生能源辦公室的風(fēng)技術(shù)項目經(jīng)理Mike Derby解釋道。

     丹麥技術(shù)大學(xué)風(fēng)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(guān)重要。他領(lǐng)導(dǎo)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(dǎo)技術(shù)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(shù)，”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(fēng)險。”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)體來研發(fā)的。使用高溫材料應(yīng)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(dǎo)體更貴。InnWind設(shè)計中使用過的高溫超導(dǎo)體二硼化鎂的成本導(dǎo)致在設(shè)計中需要減少材料的數(shù)量。這導(dǎo)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(dǎo)體都來自其制造磁共振成像設(shè)備的經(jīng)驗，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)生超強磁場。Torrey說：“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，而且是我們的競爭對手制造的。”他說這比競爭高溫超導(dǎo)體便宜兩個數(shù)量級。

     通用電氣的風(fēng)力渦輪機設(shè)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(shù)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(dǎo)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(shè)計，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。能源部顯然對這種可能性持開放態(tài)度。該機構(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)。

文章來源：北極星電力網(wǎng)