高溫超導發(fā)電，GE又笑了

GE設計的15MW永磁電機

GE的風電變流器

正在測試的緊湊高溫超導發(fā)電技術(shù)

重量級企業(yè)搞技術(shù)創(chuàng)新，沒有點戰(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，從而在市場發(fā)生革命性變化之時，利用該優(yōu)勢在各領(lǐng)域全面開花。

這段時間，GE在風電領(lǐng)域顯得很是活躍。

為了把成本降低40%，該公司宣布開始研制織物型葉片，這是一項能夠?qū)︼L電技術(shù)發(fā)展起到革命性推動作用的技術(shù)方向。6月，GE又與國電龍源電氣簽署了框架協(xié)議，進一步加深雙方的合作關(guān)系，為國電龍源電氣提供1.5MW及2MW變頻器的核心。而坐落于英國、投資高達5千萬英鎊的大型風電機組測試設備也將很快向整機商開放。這個設備有能力處理全部機艙的性能、耐力和壓縮生命周期測試，由一臺15MW永磁發(fā)電機驅(qū)動。

最近，一項影響范圍更廣的技術(shù)被GE攻破，這個冠名為“Hydrogenie”的緊湊型高溫超導發(fā)電技術(shù)順利通過了測試試驗，使整個能源、動力領(lǐng)域都可以開始倒數(shù)其產(chǎn)業(yè)化一天的到來。

“高溫超導發(fā)電”這一名詞聽上去有點科幻，其“高”在哪里，“超”在哪里，并不是字面意思那么簡單。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，科學家發(fā)現(xiàn)超導現(xiàn)象的緣由，是將汞冷卻到零下268.98℃時，汞的電阻可以突然消失。但利用汞的超導能力并不現(xiàn)實。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。利用這些超導體，可以達到兩個目的——體積小，效率高。

目前最新的超導體是通過在相對便宜的基體金屬上放置陶瓷超導層制成的。當其冷卻到極低的溫度時，不會產(chǎn)生電阻，因此其繞組導線的橫截面可以非常小，達到傳統(tǒng)銅繞組橫截面的2%。

按照一般理論，發(fā)電機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，正是受制于重量和體積，10兆瓦級風電機組應該算是風電機組設計方面的一個坎。如果能夠利用超導體，十兆瓦級的風電機組將不再成為技術(shù)瓶頸。而在相同的重量和體積下，發(fā)電機效率將有不少提高。

但由于超導一般發(fā)生在極低溫度條件下，各國科學家不斷試驗，希望找到提升超導現(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)生了相對高溫的高溫超導體。這類高溫超導體與普通超導體相比，采用的絕緣結(jié)構(gòu)可以簡單一些，同時為冷卻付出的功率也更小一些。

GE研制“Hydrogenie”緊湊型高溫超導發(fā)電技術(shù)的思路與此相仿。這個技術(shù)使超導體能夠在43開爾文或零下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技術(shù)難題。利用特殊的方法，極冷的氦氣通過一個旋轉(zhuǎn)的聯(lián)接器送到機器的轉(zhuǎn)子內(nèi)，然后在單個線圈周圍循環(huán)。然而，雖然轉(zhuǎn)子位于真空中，但仍會通過轉(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)的高溫超導線圈傳送給機器的轉(zhuǎn)子。

“這就相當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)。”Hydrogenie項目經(jīng)理Martin Ingles說，“該技術(shù)確實是突破性的，它能夠從根本上提高設備利用水和風發(fā)電的效率，而且還適合將來的應用。”

實際上，Hydrogenie基本上已經(jīng)涵蓋了使用高溫超導技術(shù)進行商業(yè)化發(fā)電所需的全部技術(shù)，使發(fā)電機能夠在較小的空間內(nèi)，以214rpm旋轉(zhuǎn)，達到甚至超過額定的滿載1.7兆瓦功率。

據(jù)悉，作為2006年至2010年歐盟第六框架計劃扶持項目的一部分，Hydrogenie實驗于2012年下半年完成，這項技術(shù)和測試是由一個名曰GE Power Conversion的部門在英格蘭拉格比的GE Power Conversion工廠完成的。據(jù)了解，這個業(yè)務范圍涉及能源、船舶等領(lǐng)域的部門，主要工作是設計和定制化生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)先的電動機、變頻器、自動化與過程控制系統(tǒng)，而其追求的正是更清潔、更高效的工業(yè)趨勢。有消息稱，除了高溫超導發(fā)電機外，GE Power Conversion還在高溫超導傳輸可再生能源電力方面頗有建樹，并已完成了相關(guān)測試。

因為在有限的空間可以提供較大的功率，Hydrogenie技術(shù)很適合于應用在高轉(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，而且通過結(jié)合DC或可變AC系統(tǒng)的高溫超導技術(shù)，可以節(jié)約4%的燃料。也可以用于升級老的水力發(fā)電站，通過將高溫超導發(fā)電機與水輪機連軸變速運行，在帶部分負載的條件下，提高12%的效率。

據(jù)GE的Power Conversion部門透露，在更受關(guān)注的風電領(lǐng)域，采用高溫超導技術(shù)的風電機組，也具有類似的兩項優(yōu)勢。一則是因為重量與空間需求更少，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)的風電機組的節(jié)能壽命成本只相當于普通10兆瓦風電機組的20%。

當然，GE在超導領(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發(fā)電機，并且有意將該技術(shù)運用于風力發(fā)電。而以電力分配系統(tǒng)為主業(yè)的美國超導公司，同樣在為10兆瓦級別的海上發(fā)電機組開發(fā)高溫超導體及相關(guān)技術(shù)。據(jù)稱，采用該公司高溫超導技術(shù)的10兆瓦風電機組將僅重120噸，而傳統(tǒng)同容量的機組則需300噸。

顯然，高溫超導技術(shù)已經(jīng)被眾多國家和企業(yè)看做未來發(fā)電、輸電、用電技術(shù)的重點發(fā)展方向之一，而該技術(shù)獲得商業(yè)化突破之時，最先獲益的很可能將是風力發(fā)電行業(yè)。因此，無論是從科技戰(zhàn)略還是市場、經(jīng)濟的角度看，我國風電制造商應有相當?shù)谋匾獙υ摷夹g(shù)加以關(guān)注，做一點有創(chuàng)新性貢獻的事情。

高溫超導發(fā)電，GE又笑了

本刊記者 趙靚