GE設(shè)計(jì)的15MW永磁電機(jī)

GE的風(fēng)電變流器

正在測(cè)試的緊湊高溫超導(dǎo)發(fā)電技術(shù)

重量級(jí)企業(yè)搞技術(shù)創(chuàng)新，沒(méi)有點(diǎn)戰(zhàn)略安排是不行的。就像絕世武功要打通任督二脈，GE總是提前占領(lǐng)基礎(chǔ)科技的關(guān)鍵點(diǎn)，從而在市場(chǎng)發(fā)生革命性變化之時(shí)，利用該優(yōu)勢(shì)在各領(lǐng)域全面開(kāi)花。

這段時(shí)間，GE在風(fēng)電領(lǐng)域顯得很是活躍。

為了把成本降低40%，該公司宣布開(kāi)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(dòng)作用的技術(shù)方向。6月，GE又與國(guó)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(guó)電龍?jiān)措姎馓峁?.5MW及2MW變頻器的核心。而坐落于英國(guó)、投資高達(dá)5千萬(wàn)英鎊的大型風(fēng)電機(jī)組測(cè)試設(shè)備也將很快向整機(jī)商開(kāi)放。這個(gè)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(cè)試，由一臺(tái)15MW永磁發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

最近，一項(xiàng)影響范圍更廣的技術(shù)被GE攻破，這個(gè)冠名為“Hydrogenie”的緊湊型高溫超導(dǎo)發(fā)電技術(shù)順利通過(guò)了測(cè)試試驗(yàn)，使整個(gè)能源、動(dòng)力領(lǐng)域都可以開(kāi)始倒數(shù)其產(chǎn)業(yè)化一天的到來(lái)。

“高溫超導(dǎo)發(fā)電”這一名詞聽(tīng)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(jiǎn)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(shí)，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(gè)目的——體積小，效率高。

目前最新的超導(dǎo)體是通過(guò)在相對(duì)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(shí)，不會(huì)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(lái)，正是受制于重量和體積，10兆瓦級(jí)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(gè)坎。如果能夠利用超導(dǎo)體，十兆瓦級(jí)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(guó)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(duì)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(jiǎn)單一些，同時(shí)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(gè)技術(shù)使超導(dǎo)體能夠在43開(kāi)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(gè)技術(shù)難題。利用特殊的方法，極冷的氦氣通過(guò)一個(gè)旋轉(zhuǎn)的聯(lián)接器送到機(jī)器的轉(zhuǎn)子內(nèi)，然后在單個(gè)線圈周圍循環(huán)。然而，雖然轉(zhuǎn)子位于真空中，但仍會(huì)通過(guò)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)?！盚ydrogenie項(xiàng)目經(jīng)理Martin Ingles說(shuō)，“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)發(fā)電的效率，而且還適合將來(lái)的應(yīng)用?！?/p>

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(guò)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(cè)試是由一個(gè)名曰GE Power Conversion的部門(mén)在英格蘭拉格比的GE Power Conversion工廠完成的。據(jù)了解，這個(gè)業(yè)務(wù)范圍涉及能源、船舶等領(lǐng)域的部門(mén)，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(dòng)機(jī)、變頻器、自動(dòng)化與過(guò)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(shì)。有消息稱，除了高溫超導(dǎo)發(fā)電機(jī)外，GE Power Conversion還在高溫超導(dǎo)傳輸可再生能源電力方面頗有建樹(shù)，并已完成了相關(guān)測(cè)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(guò)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(jí)老的水力發(fā)電站，通過(guò)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Power Conversion部門(mén)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(shì)。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Zenergy Power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(guó)超導(dǎo)公司，同樣在為10兆瓦級(jí)別的海上發(fā)電機(jī)組開(kāi)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(guó)家和企業(yè)看做未來(lái)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(shí)，最先獲益的很可能將是風(fēng)力發(fā)電行業(yè)。因此，無(wú)論是從科技戰(zhàn)略還是市場(chǎng)、經(jīng)濟(jì)的角度看，我國(guó)風(fēng)電制造商應(yīng)有相當(dāng)?shù)谋匾獙?duì)該技術(shù)加以關(guān)注，做一點(diǎn)有創(chuàng)新性貢獻(xiàn)的事情。

高溫超導(dǎo)發(fā)電，GE又笑了

本刊記者 趙靚