高溫超導(dǎo)風(fēng)力發(fā)電 找到提升超導(dǎo)現(xiàn)象環(huán)境溫度的辦法

時間:2013-07-30

來源:網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)載

導(dǎo)語:目前最新的超導(dǎo)體是通過在相對便宜的基體金屬上放置陶瓷超導(dǎo)層制成的。當(dāng)其冷卻到極低的溫度時,不會產(chǎn)生電阻,因此其繞組導(dǎo)線的橫截面可以非常小,達(dá)到傳統(tǒng)銅繞組橫截面的2%。

為了把成本降低40%,該公司宣布開始研制織物型葉片,這是一項(xiàng)能夠?qū)︼L(fēng)電技術(shù)發(fā)展起到革命性推動作用的技術(shù)方向。6月,GE又與國電龍?jiān)措姎夂炇鹆丝蚣軈f(xié)議,進(jìn)一步加深雙方的合作關(guān)系,為國電龍?jiān)措姎馓峁?.5MW及2MW變頻器的核心。

而坐落于英國、投資高達(dá)5千萬英鎊的大型風(fēng)電機(jī)組測試設(shè)備也將很快向整機(jī)商開放。這個設(shè)備有能力處理全部機(jī)艙的性能、耐力和壓縮生命周期測試,由一臺15MW永磁發(fā)電機(jī)驅(qū)動。

最近,一項(xiàng)影響范圍更廣的技術(shù)被GE攻破,這個冠名為“Hydrogenie”的緊湊型高溫超導(dǎo)發(fā)電技術(shù)順利通過了測試試驗(yàn),使整個能源、動力領(lǐng)域都可以開始倒數(shù)其產(chǎn)業(yè)化一天的到來。“高溫超導(dǎo)發(fā)電”這一名詞聽上去有點(diǎn)科幻,其“高”在哪里,“超”在哪里,并不是字面意思那么簡單。例如,這里所謂的“高溫”,并不是指我們平常生活中普遍意義上的高溫,而是指“并不算太低的低溫”。眾所周知,科學(xué)家發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象的緣由,是將汞冷卻到零下268.98℃時,汞的電阻可以突然消失。但利用汞的超導(dǎo)能力并不現(xiàn)實(shí)。在此后的研究中,人們了解到許多金屬及合金都具有在低溫下失去電阻的特性。利用這些超導(dǎo)體,可以達(dá)到兩個目的——體積小,效率高。

目前最新的超導(dǎo)體是通過在相對便宜的基體金屬上放置陶瓷超導(dǎo)層制成的。當(dāng)其冷卻到極低的溫度時,不會產(chǎn)生電阻,因此其繞組導(dǎo)線的橫截面可以非常小,達(dá)到傳統(tǒng)銅繞組橫截面的2%。

按照一般理論,發(fā)電機(jī)的電磁鐵線圈的繞組匝數(shù)越多,能夠形成的發(fā)電功率越大。目前看來,正是受制于重量和體積,10兆瓦級風(fēng)電機(jī)組應(yīng)該算是風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)方面的一個坎。如果能夠利用超導(dǎo)體,十兆瓦級的風(fēng)電機(jī)組將不再成為技術(shù)瓶頸。而在相同的重量和體積下,發(fā)電機(jī)效率將有不少提高。

但由于超導(dǎo)一般發(fā)生在極低溫度條件下,各國科學(xué)家不斷試驗(yàn),希望找到提升超導(dǎo)現(xiàn)象環(huán)境溫度的辦法,用最低的成本、最可靠的方式利用該現(xiàn)象,從而產(chǎn)生了相對高溫的高溫超導(dǎo)體。這類高溫超導(dǎo)體與普通超導(dǎo)體相比,采用的絕緣結(jié)構(gòu)可以簡單一些,同時為冷卻付出的功率也更小一些。

GE研制“Hydrogenie”緊湊型高溫超導(dǎo)發(fā)電技術(shù)的思路與此相仿。這個技術(shù)使超導(dǎo)體能夠在43開爾文或零下230℃的環(huán)境中工作。為創(chuàng)造這樣的工作環(huán)境,需要攻克低溫冷卻和熱絕緣兩個技術(shù)難題。利用特殊的方法,極冷的氦氣通過一個旋轉(zhuǎn)的聯(lián)接器送到機(jī)器的轉(zhuǎn)子內(nèi),然后在單個線圈周圍循環(huán)。然而,雖然轉(zhuǎn)子位于真空中,但仍會通過轉(zhuǎn)子的軸與外部環(huán)境接觸、摩擦,造成了轉(zhuǎn)子軸周圍的大溫差,從而需要不斷地為其提供冷卻能力,利用低電阻熱接頭和組件保證冷卻線圈需要最小的冷卻功率,從而使轉(zhuǎn)矩從冷態(tài)的高溫超導(dǎo)線圈傳送給機(jī)器的轉(zhuǎn)子。

“這就相當(dāng)于要把冰塊保存到高溫烤箱內(nèi)的烤肉架上,只是我們的烤肉架采用了高技術(shù)。”Hydrogenie項(xiàng)目經(jīng)理MartinIngles說,“該技術(shù)確實(shí)是突破性的,它能夠從根本上提高設(shè)備利用水和風(fēng)力發(fā)電的效率,而且還適合將來的應(yīng)用。”實(shí)際上,Hydrogenie基本上已經(jīng)涵蓋了使用高溫超導(dǎo)技術(shù)進(jìn)行商業(yè)化發(fā)電所需的全部技術(shù),使發(fā)電機(jī)能夠在較小的空間內(nèi),以214rpm旋轉(zhuǎn),達(dá)到甚至超過額定的滿載1.7兆瓦功率。

據(jù)悉,作為2006年至2010年歐盟第六框架計(jì)劃扶持項(xiàng)目的一部分,Hydrogenie實(shí)驗(yàn)于2012年下半年完成,這項(xiàng)技術(shù)和測試是由一個名曰GEPowerConversion的部門在英格蘭拉格比的GEPowerConversion工廠完成的。據(jù)了解,這個業(yè)務(wù)范圍涉及能源、船舶等領(lǐng)域的部門,主要工作是設(shè)計(jì)和定制化生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)先的電動機(jī)、變頻器、自動化與過程控制系統(tǒng),而其追求的正是更清潔、更高效的工業(yè)趨勢。有消息稱,除了高溫超導(dǎo)發(fā)電機(jī)外,GEPowerConversion還在高溫超導(dǎo)傳輸可再生能源電力方面頗有建樹,并已完成了相關(guān)測試。

因?yàn)樵谟邢薜目臻g可以提供較大的功率,Hydrogenie技術(shù)很適合于應(yīng)用在高轉(zhuǎn)矩、低轉(zhuǎn)速的領(lǐng)域。其中在船舶行業(yè),不僅只需占用很小的空間,將寶貴的船艙空間留給乘客,而且通過結(jié)合DC或可變AC系統(tǒng)的高溫超導(dǎo)技術(shù),可以節(jié)約4%的燃料。也可以用于升級老的水力發(fā)電站,通過將高溫超導(dǎo)發(fā)電機(jī)與水輪機(jī)連軸變速運(yùn)行,在帶部分負(fù)載的條件下,提高12%的效率。

據(jù)GE的PowerConversion部門透露,在更受關(guān)注的風(fēng)電領(lǐng)域,采用高溫超導(dǎo)技術(shù)的風(fēng)電機(jī)組,也具有類似的兩項(xiàng)優(yōu)勢。一則是因?yàn)橹亓颗c空間需求更少,可以降低塔架的安裝質(zhì)量,也降低了安裝難度,節(jié)省了相關(guān)的成本。二則是采用該技術(shù)的風(fēng)電機(jī)組的節(jié)能壽命成本只相當(dāng)于普通10兆瓦風(fēng)電機(jī)組的20%。

當(dāng)然,GE在超導(dǎo)領(lǐng)域也不是孤家寡人。此前就有消息稱,一家名為ZenergyPower公司也在研制高溫超導(dǎo)發(fā)電機(jī),并且有意將該技術(shù)運(yùn)用于風(fēng)力發(fā)電。而以電力分配系統(tǒng)為主業(yè)的美國超導(dǎo)公司,同樣在為10兆瓦級別的海上發(fā)電機(jī)組開發(fā)高溫超導(dǎo)體及相關(guān)技術(shù)。據(jù)稱,采用該公司高溫超導(dǎo)技術(shù)的10兆瓦風(fēng)電機(jī)組將僅重120噸,而傳統(tǒng)同容量的機(jī)組則需300噸。

顯然,高溫超導(dǎo)技術(shù)已經(jīng)被眾多國家和企業(yè)看做未來發(fā)電、輸電、用電技術(shù)的重點(diǎn)發(fā)展方向之一,而該技術(shù)獲得商業(yè)化突破之時,最先獲益的很可能將是風(fēng)力發(fā)電行業(yè)。因此,無論是從科技戰(zhàn)略還是市場、經(jīng)濟(jì)的角度看,我國風(fēng)電制造商應(yīng)有相當(dāng)?shù)谋匾獙υ摷夹g(shù)加以關(guān)注,做一點(diǎn)有創(chuàng)新性貢獻(xiàn)的事情。

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