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  电力 > 超导技术能否为风力发电带来革命性发展    

超导技术能否为风力发电带来革命性发展

可输出超大功率的紧凑型发电机,风机机头重量减半,线损极小的高效电能传输......所有这些都是可再生能源行业发展的前景,而且也是目前一些不断推出新技术且具有前瞻性的公司的主要发展目标。

这些公司与一些学术机构展开合作并解决了电阻的问题。电阻是目前人类技术基础体系中导致电能(主要以废热的形式)大量损失的根本原因。如果电阻可以消除,或基本消除,电线或设备中通过的电流就可以更多,相同的电量可以做更多的工作。可以实现这点的技术就是超导电性。

大约一个世纪之前,荷兰物理学家卡末林·昂内斯(heike kamlerlingh onnes)发现金属汞在特定条件下通过直流电时电阻会消失,因此成为极佳的导体。自此之后,人们对于超导电性的热情就没有减退过。但是水银要展现其独特性能的话,温度必须降低到开氏4.2度— 基本接近绝对零度-273摄氏度。要想达到如此低的温度,不管对水银还是其他类似低温超导体(lts)来说,都需要通过先进的技术才能实现,而且花费昂贵;而这也一直是导致超导电性无法得到应用的原因。

不过,人们也在积极开发新的材料,能够在相对较高但是可以达到的温度下实现超导。目前,这方面的努力有了成果。1986年,ibm公司的两位科学家发现镧钡铜氧化物具有35k(开氏35度)的高温超导性,该温度要比之前最高实现超导性的温度高12k。该发现被认为是一个突破性的进展。

人们至今发现其他铜酸盐材料的超导转变温度最高可以达到130k,其中有些可以通过液态氮有效实现。氮气可以在77k时液化,要好于之前采用的液态氦及低温冷却器。液态氮是一种比较常见的工业用冷却介质,而且可以用于冷却这些材料 — 或称为高温超导体(hts)。

今天,开发的重点主要放在稀土铜酸盐材料上,尤其是钇钡铜氧化物(ybco),但是采用ybco材料很难制备具有连续性的超导线或超导带,直至不久前研究人员不得不采用之前的铋锶钙铜氧化物(bscco),并制备出第一代超导体。

不过这种复杂的金属氧化物具有像陶瓷一样的脆性,很难弯曲,因此线缆生产商,比如美国超导公司(amsc),在生产带材时采用柔软的银包覆bscco线,然后缠到线缆中,然后还要套上用于充冷却液化氮的管材。即使如此,这样的线缆可以通过的电能是铜线缆的三到五倍。而且经过证明bscco超导体生产的线缆长度可以超过千米。

基于稀土铜酸盐ybco超导体的第二代线带材的制造成本要比第一代低,其采用的解决方法是将ybco活性材料通过化学方法涂覆到镍线材或其他导体基材上。在最终产品上并不采用银。美国超导和superpower公司在美国橡树岭国家实验室(oak ridge national laboratory,简称ornl)和桑迪亚国家实验室(sANDia national laboratory)研究结果的基础上开发了连续送料涂装工艺,适用于第二代线材的制造。目前,二代线材已经取代第一代产品投入到使用中。最新的二代线缆可以传导的电能最高可以是铜线缆的十倍。

newmaker.com
高温超导电缆局部放大特写
(图片由美国超导公司提供)。

商业应用

超导体已经开始在一些应用中创造切实的利益。大约七年前,在通向美国底特律市的地下总线中大约8吨左右的铜电缆被110kg的第一代超导电缆替换掉。三条120m长的电缆只占了以前总共9条地下管道中的3条,为以后的扩充预留了空间。自此,越来越多的超导电缆应用到各个领域,主要是第一代电缆,但是目前第二代电缆应用得越来越多。

超导电缆生产商如美国超导、superpower inc、southwire与丹麦nkt cables的合资公司ultera、zenergy power、nexans superconductors、sumitomo electric industries等公司为美国纽约和哥伦布与荷兰阿姆斯特丹、丹麦哥本哈根及韩国首尔等城市中心的高压地下网络提供超导电缆。

美国超导公司不久前向电力公共事业公司consolidated edison供应了由ultera公司采用美国超导公司二代线材生产的17km高温超导电缆,用于曼哈顿市电网建设。这种被称为安全超级电网(ssg)电缆的传输能力是传统铜电缆的十倍,而且可以实现故障电流限制。这主要借助超导体的特性实现的,当电流突然激增达到极限时(主要由浪涌抑制装置决定,而不是线材电阻),线材会立即停止电流传导并变成电阻模式,这样就实现了故障电流的传输。

超导体还可以应用在功率强大的电磁体及磁悬浮列车;紧凑型变压器、发电机及马达;及储能装置中。超导线材还应用在许多基础设施中,从移动电话基站到位于瑞士日内瓦欧洲核子研究组织(cern)的大型强子对撞器等。

几年前美国超导公司制造出功率为5000hp的马达,但是尺寸仅是铜线材电机的五分之一,很可能帮助船舶推进系统带来革命性的技术提升。不久前,美国超导公司联合northrop grumman公司再次推出一台36.5mw(49,000hp)电机,尺寸仅为传统电机的一半。将机械能转变为电能的电机称为发电机,对通用电气公司在美国能源部提出的spi(superconductivity partnership initiative)研究计划中开发的100mw超级发电机来说,超导线材非常关键。

应用于风机制造

如果高温超导电缆果真可以以合理的成本减少电网传输的电量损失的话,这将帮助风力发电厂将电能成功传输到遥远的分配电网中。在一项新的提议中,美国计划建设一个新的电网,将内陆各州的风能及其他可再生能源资源与其他人口密集的区域(基本都是沿海地区)连接起来。美国超导公司生产的高温超导线材正被考虑用于该电网建设中。

不过,美国超导公司能做的不仅仅如此,他们还可以参与到风力发电机制造中。据总部位于英国的商用高温超导材料制造商及开发商zenergy power plc公司表示,如果可以将风力发电机的尺寸减少三分之二,重量减少四分之三,大型风力发电机的安装和风场建设的效率将得到大幅提高,尤其在未来超过10mw海上风电设备的建设方面。该公司发言人还称,实现这点还可以使发电成本最多降低四分之一左右。

zenergy power公司与法国电力公司converteam group sas达成了一项五年合作计划,目前已经进入第二年。在该合作框架下,双方将为风能及小型水力发电市场联合开发高温超导发电机。此外,converteam公司还负责一个由英国商业、企业和管理改革部(berr,即之前的贸易和产业部门,dti)赞助的项目,采用zenergy公司的高温超导线材开发8mw直驱超导风能发电机。这两家公司认为海上风力发电将是高温超导技术最大的潜在商用领域。他们之前曾计划在2009年内对首台高温超导风力发电机进行测试。

zenergy公司主席michael fitzgerald解释道:“风能代表了可再生能源发电中最成熟的资源。converteam公司的看法与我们一致,而且表明了要走在行业发展前面的决心。我们很高兴两家公司可以共同合作,采用我们专利性的材料和产品开发先进的技术。”

converteam公司总裁兼ceo pierre bastide也表示,“我们相信高温超导风力发电机卓越的电力效率和功率密度是解决新能源发电行业面临的技术和成本压力问题的最可行的解决方案。”

此类风力发电机主要采用直驱系统,因为这种方式省去了齿轮箱,而且减少了轴承和其他容易损坏部件的数量,这样也就减少了风机维护的次数以及运营成本。超导磁体的使用提高了此类风机的可行性,尤其是在提高风机功率重量比方面。一位业内人士指出,如果类似ybco这样的高温超导材料成本可以如愿得到降低的话,额定功率兆瓦数可以达到两位数的超导风机在未来五年左右的时间内就可以实现。

美国超导公司最初的主业是电力分配系统,踏入风能行业也算是一种合理的业务延伸。目前,美国超导公司正在与其位于奥地利的全资子公司amsc windtec共同分析采用直驱超导发电机的10mw级别的风力发电机组的成本。分析结果将被美国国家风电技术中心(nwtc)用来标定和评估风机的经济效益,包括初期采购成本及长期运营成本。

nwtc属于美国国家可再生能源实验室(nrel),而nrel又直属于美国能源部。nrel主任dan arvizu去年上半年在该中心与美国能源部签订一项研发合作协议之后表示,“高温超导技术可以帮助降低风力发电的整体成本。我们很高兴可以与美国超导公司共同推进这项技术的发展。”

美国超导公司超导业务总经理dan mcgahn表示,“超导技术今天已经向人们证明其对电力事业和大型电力用户在功率密度和效率方面的巨大优势。这次合作项目可以将这些优势同样带给快速发展的风力发电市场。”

美国超导公司还同teco westinghouse motor公司建立了合作关系,为10mw级别的海上风机开发高温超导体及相关技术。2007年,一项投入680万美元、为期30个月的设计项目已经开始实施。该项目其中有一半的资金来自美国全国科学与技术研究所设立的高级技术计划。合作双方表示超导技术可以帮助风机很轻松地突破10mw的瓶颈,而且新的风机尺寸要小于传统同等功率的直驱风机,重量也会减半。一台10mw采用高温超导技术的风机约为120吨,而传统直驱10mw风机的重量要300吨。

美国超导公司投资者和媒体关系总监jason fredette表示,英国是最主要的目标市场。他说,“英国方面表示其风电市场要增加约上百亿瓦的电能,具体要达到33gw。你可以采用7,000~8,000台小型风机,也可以采用3,000~4,000台10mw级别的风机。我们的目标是几年后在海上风能行业真正启航时可以将第一台风机研发出来。我们会在这段时间进行系统商业化推广。”

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fcl测试

美国超导公司因其电压控制系统早已在英国能源行业得到广泛的认可,比如其提供的d-var系统可以让风场按照英国电网的协议与电网相连。10mw风机项目还将受益于美国超导公司参与美国海军的一项总投入为1亿美元的项目。在该项目中,美国超导公司采用超导线圈替代传统的铜线线圈开发了一台36.5mw轮船推进马达。

fredette指出美国超导公司在高功率密度设备方面的开发已经有17年之久,因此该技术已经得到了不断的验证。他表示美国超导公司不会自己生产风机,而会向一家英国或北欧合作伙伴供应超导部件,由合作伙伴制造和供应最终风机产品。

事实上,美国超导公司在风电行业的业务不仅限于此。在收购奥地利windtec公司之后,美国超导公司还从事风机的设计,并把这些设计授权给其客户。一些来自欧洲和远东地区的公司已经在生产,或计划生产windtec公司设计的风机。比如,土耳其model enerji ltd公司购买了一台wt1650机型(1.65mw)的技术许可,而且还将购买2mw和2.5mw机型的设计许可权。

windtec公司还向中国许继集团授权了wt2000双馈式感应风机的设计,此外还为该客户自己设计的风机提供核心风机零部件。此外,windtec公司也为沈阳鼓风机(集团)有限公司授权了风机设计许可,而且还为该公司所有的风机提供全套电力系统。南车株洲电力机车研究所有限公司也为其1.65mw风机订购了核心零部件。

总部位于北京的华锐风电科技(集团)股份有限公司向美国超导公司订购了价值1800万美元的系统及零部件,用于windtec公司开发的3mw风机上。5mw设备项目也将随之启动。还有一家中国风机企业,东方汽轮机有限公司也将生产windtec设计的2.5mw风机。

韩国现代重工也于去年获得了windtec公司设计的1.65mw和2mw电机许可权,并计划于同年投入生产。加拿大aaer inc在延续之前的订单基础上又为其1.5mw设备从美国超导公司采购了核心电力设备,而且还将生产windtec设计的一台2mw风机。ghodwat industries印度公司也将生产windtec开发的wt1650风机。

虽然以上所有这些业务都没有涉及到超导技术的推广,但是所有这些商业活动都加深了美国超导公司在风电行业的参与程度,为超导风机应用的开发提供了收入流,而且随着技术的发展为公司向主要的风能市场提供超导解决方案铺平了道路。

超导技术还可以帮助提高低风速地区的发电效率。2006年在第三届亚洲风能大会及国际风能设备展览上首次亮相的全永磁悬浮风力发电机,据称可以在全球低风速区域带来新的机会,帮助利用未开发的资源。中国科学院广州能源研究所表示他们开发的全永磁悬浮风力发电机可以比传统风力发电机提高发电量20%左右,同时还可使风电场运行成本下降50%左右。

超导时代的到来也许不再遥不可及了,风能行业将率先推动这项技术的应用和商业化。超导技术不仅可以在风机尺寸和重量确定的情况下真正使其功率提高一倍,还可以降低风场电力传输和分配的成本。除了风能外,其他可再生能源行业如水力、潮流和波浪等也会随之获利。随着超导技术逐渐从梦想转变为现实,投资者应该密切关注这项技术的进一步发展。对可再生能源尤其是风能来说,这项技术将具有革命性的意义。

 


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