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新技术助海上大型风机减重

更新时间:2011-07-23

在美国,风电发展速度迅猛。过去4年,陆上风机装机总量超过煤炭和核能装机容量总和。为了在未来10年维持高速增长,风电行业除了在陆上发展外还必须开发海上风能资源,这意味着风电行业需要更大的风力涡轮机、更有效的发电及更轻的机身。

  对此,美国能源部已给6个项目提供750万美元用于研发,每个项目都计划开发先进的动力传动系统、发展10兆瓦的风机。但是,目前的设计无法实现规模化发展。美国各地2.5万多台风力涡轮机功率大多在3兆瓦或更低,且有复杂的变速箱系统。传统变速箱包含复杂的齿轮和轴承,需要定期维护,尤其是在高速运转时,很容易出现故障。

  在陆上,涡轮机能很容易进行维护,变速箱的维修问题也可以轻易解决。但是,在恶劣的海上环境中,派遣船员需要租用驳船去修复或维护大风损坏的机器,高成本让人望而却步。为了提高风电的可靠性、降低维修成本,包括德国西门子、爱纳康公司(Enercon)、法国阿尔斯通(Alstom)和中国金风科技在内的多家公司已开发出直接驱动或无齿轮的传动系统。在该设置中,转子轴直接连接到发电机,并以同样的速度转动。但是,这也带来了新挑战:风机重量增加了。

  新传动系统功率要想大于或等于传统变速箱系统,直接驱动系统必须有较大的内部直径,从而提高速度,磁铁就以此速度绕线圈旋转从而产生电流。这意味着,人们需要依赖稀土来制造永磁铁,但稀土的造价日渐昂贵。

  通用电气全球研发中心电机实验室经理吉路巴·哈兰表示:“随着额定功率的提高,直接驱动系统的重量会不成比例地加重。一部4兆瓦的发电机可能重85吨,但是,8兆瓦的重量接近200吨。”路巴·哈兰认为,“通过安装超导电磁铁能将8兆瓦的发电机重量控制在50吨,超导电磁铁通常用于核磁共振中。该方案不需要使用稀土,因此可以降低成本。”

  美国佛罗里达州高级磁铁实验室也获得了美国能源部的资金,实验室研究人员认为,他们可以将10兆瓦的发电机重量控制在70吨左右。该实验室核心技术是超导直接驱动发电机。新开发的新型紧凑型线圈设计呈双螺旋型,这可以传导强大电流,处理系统中所产生的巨大磁力。

  高级磁铁实验室总裁马克·森提表示:“超导材料和低温冷却的成本高,这对于降低造价毫无意义。但是如果风机超过6兆瓦,该系统的优越性明显。在10兆瓦的风机中,新材料带来最高的重量功率比。大部分超导导线成本是每米400美元,但新材料的制备采用了廉价的镁和硼粉,有望大幅度降低成本。”

  美国博尔德风力发电公司则用其他方式来降低成本。目前,博尔德风力发电公司正在集中设计更好的定子,即静止线圈用于直接驱动系统。这家公司定子的制造是采用印刷电路板,而非用铜线围绕的沉重铁核。这些轻型组件可以大批量生产、实现模块组装,这就使它们更容易维修,在遥远的海域也是如此。博尔德风力发电公司涡轮机开发副总裁德里克·普莱齐表示:“有了这个设计,你只要派几个员工去拆下定子片然后照样装上一个新的就行。” 另据悉,美国国家再生能源实验室(NREL)正在设计中速传动系统,使用更简单的单级变速箱和中型发电机。