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新型永磁技术-怒海中的超导风力涡轮机

2018-12-06  电机CAD

作者:Samuel K. Moore

来源:悦智网


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想象这样一幅画面:在海浪的上方矗立着一座100米高的细塔。塔顶有一个250吨重的机舱,舱内装有涡轮发电机和发电所需的其他设备,当风电机长约60米的桨叶转动带动机舱工作时,塔周边是一片海水翻腾。


而现在,当你让刚才想象的所有东西的尺寸都增大1倍后,重量却变成了原来的5倍。


这就是始终困扰海上风力电厂建设者们的一个问题。一般来说,尺寸越大,风力发电机的效率越高,这就意味着每台涡轮机能产生更多的电力。因此,长久以来,风力电厂运营商一直在要求更大功率的海上涡轮机,而制造商们也一直在满足他们的需求。今年4月,由维斯塔斯风力系统公司生产的8.8兆瓦涡轮机在苏格兰的海岸边成功安装,这是目前功率最大的涡轮机,而即将建设的北海风力电厂的投标则有望在2025年左右实现13到15兆瓦的涡轮机。这些涡轮机在工作时,能为大约9000个家庭供电。虽然风电机的尺寸越大越好,但如果其核心技术没有相应的巨大变革,更大的尺寸很快就会变得荒唐可笑。



根据一项名为InnWind的欧盟项目计算,如果用现有技术制造一台20兆瓦的风力涡轮机,仅其机舱的重量就接近1100吨(相当于11头蓝鲸的重量)。涡轮机的3个桨叶的单片重量将接近40吨,直径超过250米(相当于8头蓝鲸的长度)。要想支撑起海浪上方170米高处的这头兆瓦巨怪,下面的塔架需要重达1800吨。现在,让我帮大家把整这幅画面补充完整:18头蓝鲸作为塔架支撑着作为机舱的另外11头,还有8头蓝鲸像鲸鱼风车那样旋转着。(不用谢。)


“而现在的问题是当前的技术限制了大尺寸风电机的建造,”西班牙应用研发机构Tecnalia研究院(Tecnalia Corporación Tecnológica)可再生能源与存储系统小组的电力工程师、欧盟超导涡轮机项目Suprapower的协调员艾克·马里诺(Iker Marino)说道,“顶部的机构太重了。”


那么该如何从由磁铁、齿轮、铁芯和数千米的铜线绕组制造的机器中减少数百吨质量呢?或许可以把磁铁甚至铜绕组换成超导体线圈。


很简单,对吧?实际上并非如此。最近,纵观数年的跨国研究工作,可以得出结论,尽管建造这类涡轮机是可行的,但也面临着巨大的技术挑战。随着永磁体越来越好、越来越便宜,采取这种做法的意愿越来越弱。实际上,基于永磁体的技术作为黑马竞争者,正在将超导体挤出10兆瓦的领域。除非超导体的经济性或特性能够大大提升(事实上这两种情况都是有可能的),否则在未来,甚至20兆瓦的海洋巨神也将与超导体无缘。


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力涡轮机非常复杂。它们通过机械、磁力和电力过程相互作用而运行,每个参数的微调都会使整个过程发生复杂变化。然而,它们基本上都有相同的基础条件与组件。当叶片以相当平稳的速度转动时会产生很大的扭矩,但这缓慢的速度对发电来说并不理想,因此,齿轮涡轮机,尤其是应用在陆地上的大多数齿轮涡轮机,都采用变速箱将速度提高数百倍,驱动发电机快速旋转。


但为了降低维护成本,一些制造商选择了一种被称为“直接驱动”的海上涡轮机技术,该技术不需要变速箱。该技术中,转子是一个巨大的环,内含许多具有交替极性的永磁体。发电机的另一核心组件是环绕着转子的定子,它包含铜线圈,转子的磁场在定子的线圈中感应产生电压。


从根本上来说,超导体可以降低发电机的重量,因为超导线圈制成的较轻的电磁铁可代替直接驱动的永磁体。这些电磁铁相对较轻,因为超导体能够承载大量电流——也就是说,它们具有较高的电流密度。该机器中的铜导体每平方毫米截面的安培数最高也仅为个位数。在为Suprapower 10兆瓦涡轮项目建造的实验性超导涡轮绕组中,电流密度跃升至惊人的58安/平方毫米。


为了开发高温超导体的潜力,如钇钡铜氧化物(YBCO),人们已经做了大量工作。YBCO在低于90开尔文的温度下会变成超导体——该温度足够高,可以使用便宜的液氮代替非常昂贵的液氦进行冷却。几年前,业内领先的YBCO制造商美国超导公司(AMSC)提出了一种粗略的涡轮机设计。(该公司并未对本文的置评请求做出回应。)但最近多数的欧洲超导风力涡轮机项目都选定了另外一种超导体——二硼化镁(MgB2)。


二硼化镁的超导性在2001年才被发现,尽管它要在温度低于40开尔文时才会失去电阻,但它便宜得多,在每次成本分析中都能击败YBCO。每米大约4欧元(合4.63美元)的二硼化镁胶带“可能不是性能最佳的材料,但它具有最佳性价比”。马里诺说道。


哥伦布超导体(Columbus Superconductors)是一家业内领先的二硼化镁线材供应商,也是Suprapower和早先美国能源部项目的合作伙伴,总部位于意大利热那亚。Innwind和法国最近的一项名为EolSupra20的项目就是由该公司促成的。


其中,Suprapower最近生产出了一些切实的东西。该项目于2017年5月结束,耗资540万欧元(合625万美元),为期5年,不仅设计了一台10兆瓦的直接驱动超导涡轮发电机,还制成了设计的关键部分——补足48个超导电磁线圈中的2个,从而组成一个完整的转子。该设计要求发电机质量为163吨,与使用当前的永磁体技术建造相比减少了26%。


转子线圈由嵌入二硼化镁线材的扁平铜线制成。铜可增强相对脆弱的二硼化镁,并导出热量。项目期间担任公司总经理的吉安尼·拉格索(Gianni Grasso)表示,对于哥伦布超导体来说,线圈的几何形状是相对困难的部分。这些类似“跑道” 形状的线圈大致是矩形,尖角对线材产生应力,会破坏超导体。“因此,我们不得不开发一种特殊的工具来进行卷绕。”


而更大的挑战是,找到一种方法使绕组线圈能够在海上保持20开尔文的温度。“所有围绕热去除的工程都是可行的,但也是复杂的,”马里诺说,“海上条件是一个复杂问题。”


通常,超导体(例如磁共振机器中的超导体)通过浸入到液氦这样的低温溶液中来进行冷却。但Suprapower排除了这个选择。在进行海上维护时,必须将该液体移除,加热发电机内部,然后更换部件。在风力发电塔的塔顶上处理此类液体,还要拖带对气体进行再液化的设备,似乎并不实际。


相反,Suprapower的工程师采用传导的方式来冷却线圈。古福德-麦克马洪循环低温制冷机可为分散式模块化的低温恒温器提供冷却能力,从而保持低温恒温器的内部温度。该模块化系统中的每个超导线圈都有自己的低温恒温器,其设计目的是使线圈保持真空状态。



马里诺表示,希望这些低温恒温器的模块化特性能够使维护变得更加容易。如果低温恒温器或其密封的线圈需要更换,技术人员仅需携带接近室温的特定部件,更换后再将其冷却。这种便利性可以加快维修速度,但马里诺预计,其维护的工作仍需要比传统机器花费更长的时间。


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尽管Suprapower建造了超导风力涡轮机的一个重要部件,但它还是没有回答是否能够建造更大的超导涡轮机这一问题。这是InnWind的目标。2012年InnWind启动了一项价值2000万欧元(合2320万美元)的项目,研发了各种基于新技术的设计,其中包括二硼化镁超导体。它的目的是:以尽可能低的成本,设计并完成可用于50米水深的10兆瓦和20兆瓦的风力涡轮机,从而为未来的发展指明方向。但是,在通往未来的路上,发生了一件有趣的事:它变得更加复杂了。


在过去的5年中,先进涡轮机所需的那种永磁体的价格已经降低到原来的1/4,大约为每公斤25欧元(合29美元)。丹麦技术大学风力能源系的高级研究员阿舍尔·贝奇·亚伯拉罕森(Asger Bech Abrahamsen)曾领导过InnWind的动力传动设计工作,他表示:“凭借这种投入价格水平,超导机器无法与之竞争。”


InnWind的研究人员的目标是使整个涡轮机系统(包括基础、塔架和叶片)的平准化度电成本(LCOE)为最低。LCOE是涡轮机在其使用周期中为实现收支平衡所需要的基本电价。该数据考虑到了制造、建设、维护、效率、退役和其他因素,也是风力电厂投资者用以决定建造什么和在哪里建造的关键指标之一。


在InnWind寻求最低LCOE的过程中,永磁体价格下降,迫使其在10兆瓦超导涡轮机设计中减少了超导材料的使用量,并增加磁性钢的用量来辅助集中剩余的超导体磁场。由于出现了意想不到的结构共振,InnWind不得不增加更多的钢材。而产生这个问题的原因是塔顶的质量太轻,当41.7吨的叶片摆过塔架时,转动叶片对塔结构作用力的频率与固有频率太接近,这会缩短基础结构所要求的25年的使用寿命。亚伯拉罕森解释说,更为不幸的是,模拟试验表明,涡轮发电机越轻,共振就越强。InnWind的设计师们面对着发电机变得越轻,基础结构越昂贵这样一种情况,他们将10兆瓦超导动力传动系统的质量飙升到286吨,而若按比例增大基于永磁体直接驱动技术的系统,其质量仅为215至237吨。


虽然InnWind的20兆瓦二硼化镁设计没有共振问题,但它仍然需要大量钢材来弥补设计中减少的超导体的使用量。亚伯拉罕森说,使用超导体的本意是使最轻、最小的涡轮发电机成为可能,但从低LCOE的角度来看,“我们不得不说,轻量发电机并非总是有益的。”


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永磁体的价格暴跌也为超导体的黑马竞争者提供了机会。总部位于英格兰谢菲尔德的英国马格诺动力学公司(Magnomatics)开发了一种磁性齿轮系统,称为磁性伪直接驱动(PDD)。


如果没有看到它在运转,你很难完全理解这套系统。是这样的:PDD是一组由3个同心圆柱体组成的集合。内圆环和外圆环分别由交替极性的永磁体条带组成。外圆柱体有很多条带,内圆柱体则只有几个。中间的圆柱体由交替的钢条带和非磁性支撑材料组成。当系统运行时,外圆环保持静止,而来自涡轮机叶片的输入使中间的钢圆柱体低速旋转。该圆柱体操纵外圆柱永磁体的磁力线,形成一个与钢圆柱体方向相反的快速旋转磁场。该磁场与内圆柱的永磁体耦合作用,产生内圆柱的高速旋转。为了将该装置转变为发电机,在外圆环周围安放铜线圈,与内圆环一样,线圈经历了快速移动的磁场。快速移动的磁场在铜线材线圈中感应产生电压。



在InnWind的分析中,这种设置在效率上击败了超导设计。PDD“即使在低风速下也能通过其高效率获得最大收益。”亚伯拉罕森说道。他指出:“一台超导机器也能达到很高的效率,但它需要冷却系统。”冷却系统即使在没有风的情况下,也会持续消耗能量。虽然其他因素(如建设成本)也都分摊在涡轮机25年的寿命中,但效率对成本的影响更为直接。


马格诺动力学公司的驱动技术首席工程师大卫·鲍威尔(David Powell)说:“听起来不多,但效率提高2%,意味着LCOE提高2%。” 他补充说,在风电行业,“2%的意义非同凡响。”


PDD采用较小尺寸的齿轮涡轮机,无须承受机械齿轮的能量损失,因而获得了相对较高的效率。每级损失可达到1%到2%,很多涡轮机有3个齿轮级,鲍威尔解释道。然而,在PDD中没有机械连接;圆柱体之间悬浮,由气隙彼此隔开,甚至不需要润滑剂。


虽然风电行业的主要卖点是PDD系统的效率,但它的体积也相当小,并且比现有技术所需的铜绕组更少。10兆瓦PDD设计的动力传动系统质量比超导二硼化镁设计的质量要轻100吨以上。涡轮机的直径只有6米,而参考设计值是10米。鲍威尔说,这种尺寸差异可带来制造优势,因为涡轮机制造商可选择在老旧的小型工厂中建造新的高兆瓦涡轮机。


马格诺动力学公司计划利用这一胜利成果。但要将容量扩展到10兆瓦或更高,还有很多工作要做。用传统技术建造的机器已经下水,距10兆瓦仅差1兆瓦多一点,“我们需要加快赶上,”鲍威尔指出,“现在这一切都发生在我们身上。我们只需要抓住合适的人选。”


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虽然非超导体技术在成本方面胜过了InnWind,但该行业联盟的分析并不是唯一的。一个规模较小的名为EolSupra20的法国项目,基于对LCOE的探索,目标直指20兆瓦,并得出了截然不同的结果。


与其他项目不同,EolSupra20设计的转子和定子中都有二硼化镁超导体。“你要用转子创建一个非常大的磁场。”巴黎萨克雷大学助理教授洛伊克·韦尔瓦(Loïc Quéval)说道。因此你需要用直流电,因为它在超导体中的流动不会有损失,也不会产生热量。


“而定子则不同。”他说道。当转子的磁场穿过它时,定子绕组中的电流会改变方向。令人惊讶的是,超导体在承载交流电时,确实会产生一些损失。这对设计产生了两个影响。首先,它需要不同形式的超导线材来解决这个问题。交变磁场在超导体表面产生感应电流环损耗。很可惜,超导体(尤其是高温超导体)通常被制成带状而非线状,因此形成的这些感应电流环的表面积很大。哥伦布超导体公司的拉格索说:“生产低交流损耗的高温超导体几乎是不可能的,但采用二硼化镁就有可能。”该公司就生产这种材料。


哥伦布超导体公司一直在研究非带状且具有较小表面积的二硼化镁材料。它正在生产的线材中嵌有很多直径为10微米的二硼化镁圆形细丝。这些细丝表面积非常小,无法形成很多电流环,拉格索解释道。在一种型号中,91根这样的细丝被嵌入一条六角形铜镍线材中。这些线材随后被制成扁平状,称为卢瑟福(Rutherford)电缆,不过现在还没有达到可用的长度。



超导定子的第二个影响是它必须被冷却,并且要比转子的冷却更急剧。EolSupra20设计使用一组制冷机来让转子保持在10开尔文的温度,在这个温度下,转子可以实现最大化超导体的载流能力。定子用另一组独立的制冷机,温度设置为20开尔文,因为若要维持比这更低的温度水平,它需要更大的功率。


为了满足这些需求,该设计需要总数不少于85台的制冷机。“我们把制冷机放在各处。” 韦尔瓦说道。采购大功率制冷机是个问题,因此EolSupra20使用了多个小型制冷机。EolSupra20在设计中使用的是住友重机械工业RDK-0408S2二级制冷机,仅有18公斤重,能够从线圈中吸收几瓦特到几十瓦特的热功率,但消耗的功率约为其100倍左右。“目前,效率真的很低。”韦尔瓦说道。


EolSupra20的超导设计确实在LCOE方面成功击败了使用传统技术生产的涡轮机。它的报价为每兆瓦时119欧元(合140美元),而传统涡轮机的报价是每兆瓦时129欧元(合152美元)。据韦尔瓦和EolSupra20团队所言,其差别是由超导体生产的发电机重量大大下降。全超导发电机的重量是178吨,体积仅是传统发电机的1/3。


Eolsupra20的LCOE明显高于InnWind使用的20兆瓦涡轮机,即每兆瓦时93欧元(合108美元)。韦尔瓦指出,在某种意义上,LCOE是有地方差异的。InnWind的目标是北海的深水域,那里竞争激烈,正规划建立电网连接。未来的风力电厂已经得到承诺,当地的价格将低于每兆瓦时100欧元(合116美元)。法国大西洋沿岸在经济上和地理上都是完全不同的环境。法国尽管有着长长的、多风的海岸线,但目前没有海上风电厂。2012年以来,该国已经以每兆瓦时200欧元(合232美元)的高价,为3000兆瓦的海上发电量招标。该数字可能很快就会发生变化。鉴于北海的价格意外地飞速下跌,法国政府在3月表示希望能重新谈判。


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因此,面对种种因素的影响,是选择超导体还是PDD?哪种技术将在未来统治海洋? InnWind所做的肯定是一项全面的综合研究,历时5年,调查了大约27家工业和研究机构。尽管如此,它也在报告中承认了其技术有很多不确定性。InnWind对两种动力传动系统技术进行了评判:还同处于“实验室测试”的级别。


一个更好的问题,也是InnWind尝试回答的问题,可能是:为了与PDD驱动竞争,超导体需要些什么?根据亚伯拉罕森和他InnWind的同事们的说法,要实现和永磁体类似的降价幅度,二硼化镁还有很长的路要走。如果二硼化镁每米价格1欧元(合1.16美元),而不是4欧元(合4.64美元),20兆瓦设计就能增加更多的二硼化镁,制造更强力的磁铁,从而减少笨重的磁性钢。但这种设计要具有竞争力,还需要将低温恒温器和冷却设备的预算成本降低90%。超导风电涡轮机的大规模商业化能否产生足够的需求,同时降低两种技术的价格,还是一个悬而未决的问题。


但价格并不是唯一可以改变的东西。超导体开始起超导作用的临界温度是大多数人所关注的,但实际上,它只是导致超导的三重条件之一。还有临界电流密度和最大磁场,它们超出临界条件也会导致超导性被破坏。例如,将临界电流值提高到原来的4倍,也会产生与降价相似的效果,因为你可以用1/4的超导体数量产生更强的磁场。更好的是,它将适用于不同的动力传动系统设计。“线材越好,系统的其余部分就越简单。”Suprapower的拉格索总结道。


也许对极大型涡轮机的LCOE分析有点为时过早。另一个名为EcoSwing的欧盟项目旨在证明中等规模超导发电机的竞争力,并且其工程已几近完成。到2019年3月,这个1400万欧元(合1630万美元)的项目计划在一台改装的3.6兆瓦涡轮机内,安装一台超导发电机,安装将在陆上进行,因为安装和维护比较容易。


和高装机容量的海上项目不同,EcoSwing项目的目标是进入当今陆上中等规模设备的市场。超导体技术的设计已将涡轮机的功率密度提高了1倍,涡轮发电机体积缩小了40%,比市场领先者的成本降低了15%,ECO 5的EcoSwing项目总监尤尔根·凯勒(Jürgen Kellers)说道。ECO 5是一家工程公司,是EcoSwing项目的9家参与者之一。


除了尺寸以外,EcoSwing的发电机与InnWind及其他海上设计的不同之处,在于EcoSwing使用单台大型低温恒温器,而不是很多模块化低温恒温器。它还用高温超导体YBCO来代替二硼化镁。该公司不考虑成本而选择了前者,是因为YBCO更容易冷却。“你可以说二硼化镁已经处于YBCO未来的成本水平,” 凯勒说道,“可另一方面,冷却它却不像冷却YBCO那样简单。”


5月22日,该项目在弗劳恩霍夫研究所风能系统动态实验室完成了对其发电机的测试,该实验室能够提供扭矩和其他条件,测试全尺寸风力涡轮发电机。这是第一台进行此类测试的超导机器。


动态实验室测试以后,该机器将留在荷兰特文特大学进行最后的组装,随后装船运到丹麦,安装在涡轮机中。“然后我们将它吊装起来,看看EcoSwing发电机在北海的严酷条件下表现如何。” 凯勒说道。


马格诺动力学公司的磁性伪直接驱动技术也并不落后。它下一阶段要制造一台500千瓦的发电机,并将在位于英国布莱斯的国家可再生能源中心的动力计上进行测试。然后,“我们将尝试在机舱中安装一台2至3兆瓦的机器,来获取真实数据。”马格诺动力学公司的鲍威尔说道。



未来设计的竞争可能已经转向了PDD,但证明两种技术是否真正奏效的竞争才刚刚开始。

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