超导材料和直接驱动技术是否可以解决风力发电机的难题？

风力发电机，每一个扇叶都将近60米长，面对着浪花在塔顶上转动，大约250吨的机舱里面装着涡轮发电机和其他需要发电的东西。如果所有的东西都放大一倍，再放大五倍，庞大的体积和重量是海上风电场的建设者最终面临的问题。
　　一般来说，每台涡轮机功率越大越好，风电场运营商一直要求更高功率的海上涡轮机。如果用当今的技术建造一个20兆瓦的风力发电机，机器顶部的重量非常大，仅其机舱就将重达近1100吨，涡轮机的三个叶片本身重量接近40吨，跨度超过250米，需要重达1800吨的基座，才能支撑所有这些结构物，高出海浪约170米。
　　技术创新集中在电机的转子上
　　风力涡轮机很复杂，它们是机械、磁和电过程相互作用的结果，随着参数的每一次调整而以复杂的方式变化。它们基本上都有相同的基本条件和组成部分，叶片以相当快的速度转动，有很大的扭矩。缓慢的速度远不是理想的发电速度，因此在齿轮涡轮机中，齿轮箱可以提高速度数百倍，借助齿轮箱的快速旋转用于发电机的旋转。
　　但为了降低维护成本，一些制造商正转向一种叫做直接驱动的替代海上涡轮技术，这种技术不需要变速箱。转子是一个巨大的圆环，里面有许多极性交替的永磁体，发电机的另一个关键部件定子，它环绕着转子，它包括转子磁场感应电压的铜线线圈。

　　超导线圈有望减轻风力电机的重量
　　为了减轻发电机的重量，用更轻的由超导线圈制成的电磁铁代替直接驱动的永磁体，电磁铁相对较轻，超导体可以携带大量电流，它们具有高电流密度，铜导体的最大横截面为每平方毫米几个安培。在为超功率10兆瓦涡轮机项目建造的实验性超导涡轮绕组中，电流密度跃升到惊人的58 A/mm~2。设计要求使用163公吨的发电机，与采用当今的永磁技术建造的东西相比，其重量可减轻26％。
　　高温超导体（如氧化钇钡铜（ybco））的潜力很大，因为它们在低于90开尔文的温度下变得超导，温度足以用廉价的液氮而不是昂贵的液氦冷却。几年前，氧化钇钡铜的一家领先制造商AMSC生产了一种粗糙的涡轮设计，但最近欧洲超导风力涡轮机项目中的大多数都独立地解决了另一种超导体—二硼化镁。
　　二硼化镁的超导电性是在2001年才被发现的，它在低于40k时才失去电阻，但它的成本要低得多，以至于在每一项成本分析中都超过了氧化钇钡铜，每米4欧元（合4.63美元）的二硼化镁，也许不是性能最好的材料，但它的性价比最好。

　　转子线圈由扁平铜线制成，其中嵌入了一根二硼化镁线，铜强化了相对易碎的二硼化镁，并将热量从中带走， 超导体二硼化镁的细丝包裹在铜和其他元素的带状支撑结构中。然后，丝带被小心地卷成“赛道”形状，形成涡轮的大功率电磁铁，线圈的几何形状是最困难的部分。“赛道”线圈的形状大致呈矩形，尖角会在电线上产生应力，从而导致超导体破裂，必须开发一种特殊的工具来进行缠绕。
　　直接驱动技术
　　直接驱动技术在效率上超过了超导设计，通过在低风速下保持高效率而获得最大收益，超导电机也能达到相当高的效率，但它需要一个冷却系统，即使在风力不大的情况下，冷却系统也会不断消耗能量。
　　考虑其他因素，如建造成本，分散在涡轮的25年寿命，效率对成本有更直接的影响。
　　直接驱动是一组三个同心圆柱体，内圈和外圈分别由具有交替极性的永磁体条组成，外圆柱有很多条纹，内圆柱只有几个永磁条纹，中央圆柱体由钢和非磁性支撑材料的交替条纹组成。
　　在运行中，外圈保持静止，而涡轮机的低速输入来自叶片，使中心钢环旋转，该圆柱操纵外圆柱的永磁体的磁力线，以使它们形成一个磁场，该磁场沿钢圆柱体的相反方向快速旋转，该场与内筒的永磁体耦合以产生高速旋转。为了将这种齿轮变成发电机，在外圈周围安装了铜线线圈，它们在线圈中经受着与内圈相同的快速移动磁场，快速移动的磁场在铜线线圈中感应出电压。

　　电机的温度和共振解决
　　如何找到一种将绕组保持在20℃的方法，围绕降低绕组温度的工程都是可行的，过程很复杂，这对海上工作是一个更大的挑战。超常导体，比如磁共振成像仪中的超导体，是通过在液氦这样的低温液体中浸泡来冷却的，在海上进行任何形式的维护时，必须清除这些液体以加热发电机内部，然后进行更换。在塔顶处理这样的液体，在需要重新安装液化气体的设备，这很不现实。
　　选择通过超导来冷却线圈，低温冷却器将为一组分布式模块化低温稳定器外壳提供冷却动力，以保持其内部的温度。这个模块化系统中的每一个超导线圈都有自己的低温恒温器，它被设计成将线圈保持在真空中，这些低温装置的模块化特性将使维护变得更容易。如果它或它所包含的线圈需要更换，技术人员只需将该特定的部分加热到室温，然后将其更换下来。
　　涡轮发电机越轻，共振越强，发电机更轻，将导致更昂贵的下部结构的情况，设计人员允许10兆瓦超导动力传动系统的质量膨胀至286公吨，相比之下，基于永磁的直接驱动技术的质量为215至237公吨。
　　20兆瓦二硼化镁设计没有共振问题，但它仍然需要大量的钢来弥补设计中减少的超导体数量。对于超导体来说，本能是要制造出最轻、最小的涡轮发电机，但从低LCoE的角度来看，一个总是有益的轻型发电机并不总是正确的。

　　通过采用较小尺寸的齿轮涡轮而不受机械齿轮能量损失的影响，获得了相对较高的效率，每级齿轮传动损失可能是1%到2%，许多涡轮机有三个齿轮级。在直接驱动中，没有机械连接，气缸通过气隙彼此浮动，因此系统甚至不需要润滑剂。
　　虽然风电行业的主要卖点是直接驱动系统的效率，但它也比现有技术小得多，对铜绕组的要求也低得多。10兆瓦直接驱动设计的传动系统质量比超导二硼化镁设计轻100公吨以上。涡轮直径只有6米，而参考设计是10米。这种尺寸差异在制造业中提供优势，这将使涡轮机制造商可以选择在较老的较小工厂建造新的高兆瓦涡轮机。
　　超导体技术让设计人员将涡轮的功率密度提高了一倍，使得涡轮发电机体积缩小了40%，超导体的超导临界温度是大多数人关注的，但它实际上是导致超导的三重态条件，有一个临界电流密度，超过这个密度，这种现象就会崩溃，同时有一个最大磁场。超导体转子是创造一个真正的大磁场，在超导体中流动而没有损耗，也不会产生热量。
　　结论
　　研究人员正在寻找能够使整个涡轮机（包括基础、塔架和叶片）的电力成本（LCoE）最低的系统。电力成本基本上是一台涡轮机在其使用寿命内，为了达到收支平衡所需的电价，这一数字考虑了制造、建造、维护、效率、退役和其他因素，是风电场投资者用来决定建造什么和在哪里建造的关键指标之一。
　　如果二硼化镁磁带每米的价格是1欧元（1.16美元），而不是4欧元（4.64美元），一个20兆瓦的设计可能会增加更多的成本，制造出更强大的磁铁，而不需要太多繁琐的磁钢，但这样的设计还需要将冷冻器和冷却设备的估计成本降低10倍，使其具有竞争力。大规模超导风力发电机的商业化是否会创造足够的需求，从而导致两种技术的价格都那么低，这是一个悬而未决的问题。