美国将建造高温超导海上风力发电机

能源部正在资助通用电气和美国超导公司设计大型低温冷却机器。

去年的这个时候，工程师们正准备将第一台超导风力发电机吊到丹麦的塔顶。这台涡轮机为欧洲一个雄心勃勃的团体的努力画上了句号，他们试图找到一种方法来增加海上涡轮机的功率，同时又不会使其过于庞大而无法建造。现在轮到美国了。美国能源部将拨款800万美元，用于三项先进的动力传动系统项目，其中两项将依赖于超导体。

总部位于马萨诸塞州艾耶尔的美国超导体公司（ASMC）将建造一台基于高温超导体（HTS）的发电机。纽约州尼斯卡尤纳的通用电气研究公司将开发一种使用低温超导体的发电机，利用其在核磁共振仪中使用液氦将材料冷却到10 K以下的经验。

世界各国领导人近日齐聚纽约参加了联合国气候行动首脑会议，预计他们将提出切实可行的计划，将全球变暖控制在不超过1.5摄氏度。根据政府间气候变化专门委员会（International Panel on Climate Change）的数据，全球气温已经比工业化前上升了1摄氏度。这类计划很可能会对风能产生巨大的推动作用，而更大、更强大的风力涡轮机正是海上风电场所需要的。

通用电气正在部署世界上最大的风力涡轮机，12兆瓦的HaliadeX，它一年内可以一手为6000多个美国家庭提供电力，可能取代23000公吨的煤炭，限制气候变化。

但如今最先进的商业技术，直接驱动发电机——一种使用基于稀土元素的巨大永磁体环的无齿轮机器，最终可能会达到极限。通用电气研究公司（GE Research）首席工程师David Torrey表示：“我们不清楚上限究竟是多少，但在某个时候，它们会变得如此巨大，以至于我们再也无法将它们放置在塔顶。”

美国能源部正在寻找能将发电机质量减少至少35%，提高效率1%或2%（比看起来更大）以及将发电机每单位质量的扭矩密度力提高35%至50%的技术。为了实现这些目标，超导线圈可以取代永磁体。

使用超导体，这是一种内在的昂贵材料，需要昂贵的冷却技术，且需要更昂贵的发电机。然而，发电机仍应至少降低10%的水平化电力成本（LCoE），即发电机寿命内的盈亏平衡电价。

“通过驱动包括重量和效率在内的性能指标，更昂贵的发电机系统可能会降低风电厂的整体LCoE，”能效和可再生能源办公室的风技术项目经理Mike Derby解释道。

丹麦技术大学风能系高级研究员Asger Bech Abrahamsen认为，冷却成本对实现这些目标至关重要。他领导了作为欧洲最大的项目之一，长达5年、耗资2000万欧元的InnWind项目的传动系统的工作。

AMSC和GE都认为它们能解决这个问题。AMSC已经将两种高温超导技术商业化，并于2017年收购了低温冷却器公司Infinia Technologies。“我们现在控制着所有的低温技术，”AMSC首席执行官Daniel P.McGahn说。“我们已经提出了一些非常具体的想法……我们认为可以降低冷却系统周围的风险。”低温冷却器目前被用于船载超导系统中，该系统掩盖了海军舰艇的磁性特征，使其不受地雷的攻击。

AMSC的技术是基于一种名为Amperium的专有高温超导体来研发的。使用高温材料应降低冷却成本，因为要保持的温度要求较低。然而，它们通常比低温超导体更贵。InnWind设计中使用过的高温超导体二硼化镁的成本导致在设计中需要减少材料的数量。这导致需要更多的磁钢来集中磁场，给系统增加了不必要的重量。

GE的低温冷却能力和超导体都来自其制造磁共振成像设备的经验，在这种设备中，必须使用液氦将铌钛超导体保持在10 K以下，以产生超强磁场。Torrey说：“我们使用的金属丝与所有的MRI设备中使用的金属丝是一样的，这些设备不仅是通用电气制造的，而且是我们的竞争对手制造的。”他说这比竞争高温超导体便宜两个数量级。

通用电气的风力涡轮机设计也依赖于其基于液氦的磁共振冷却系统。Torrey表示，在一些磁共振成像系统中使用的一种新的传热技术将所需的氦气量减少了100倍，基本上可以在发电机的使用寿命内将氦气密封起来。他说：“这一进展在很大程度上让我们相信，超导发电机在商业上是可行的。”

目前，这两个团队还没有确定具体的目标电力输出，但能源部希望能达到10兆瓦以上的规模。InnWind瞄准了10兆瓦和20兆瓦两种设计，出乎意料的是，一种黑马非超导技术最终成为成本最低的设计。能源部显然对这种可能性持开放态度。该机构还资助了位于佐治亚州德卢斯的WEG Energy公司，该公司正在研发一种更好的永磁技术。