Ecoswing超导风机究竟是什么

　　7月，远景超导风机Ecoswing计划获得欧盟地平线1亿欧元资助的消息曾经刷屏朋友圈，但是超导风机到底是怎么回事？现在超导风机的研究进行到哪儿了？今天能豆君就准备来给大家科普一下超导风机，并搭配精美图片与业内人士点评，相信分享这篇文章，足以秒杀朋友圈。

　　什么是超导风机？

　　讨论超导风机之前，先来看看超导是什么？

　　超导是指某些物质在一定温度条件下电阻降为零的性质。但由于超导一般发生在极低温度条件下，所以寻找提升超导现象环境温度的办法、生产相对高温的高温超导体，一直是各国科学家努力的方向。

　　现在，超导材料已经在电力领域有所应用，包括用超导线缆解决远距离电力输送问题，通过超导变电站改善供电质量，降低损耗等。2011年2月中国第一个超导变电站在甘肃白银高新技术产业开发区建成。

GE高温超导（HTS）发电机Hydrogenie的组件

　　超导风机就是在风力发电机中用高温超导体来代替普通电机的铜线圈作为电机励磁绕组的电机。

　　好吧，其实超导风机的定义是什么不太重要，我们只需要了解它的特点就好。

　　超导风机最大的特点就是：发电效率高！小！轻！

　　高温超导材料的低电阻甚至是零电阻的特点能够有效提高发电效率。从理论上说，对于相同容量的发电机，高温超导发电机的重量可以降低为常规电机的1/2-1/3，这对需要把大功率电机安放到十数米甚至更高的地方的风机来说，可以极大的降低风电长的建设和安装成本；如果保持发电机的体积重量不变，高温超导发电机的容量可以提高数倍，有效降低风电场的发电成本。

　　超导风机同时还有同步阻抗低、噪音低、谐波含量少、维护简单、励磁绕组不易产生热疲劳等优点。

　　现在的风机技术&未来风机前景

　　目前，风电市场上应用广泛的是双馈式风力发电机和直驱式风力发电机。

　　小科普

　　双馈异步风力发电机（DFIG，Double-Fed Induction Generator）是目前应用最为广泛的风力发电机，发电机主要由电机本体和冷却系统两大部分组成。电机本体由定子、转子和轴承系统组成。定子绕组直接与电网相连，转子绕组通过变流器与电网连接，转子绕组电源的频率、电压、幅值和相位按运行要求由变频器自动调节，机组可以在不同的转速下实现恒频发电，满足用电负载和并网的要求。

　　直驱式风力发电机（Direct-driven Wind Turbine Generators），是一种由风力直接驱动发电机，亦称无齿轮风力发动机，这种发电机采用多极电机与叶轮直接连接进行驱动的方式，免去齿轮箱这一传统部件。

　　二者的主要差异在于前者有齿轮箱，后者没有。

　　现在风机技术的研究方向主要有两个，一个是规模上求大，即继续研发10MW风机，一个是材料上求新，即研究超导风机。

　　1.电风机难以承受之重

　　不要多想，这里的“重”就是说重量沉。大家都知道大部分兆瓦级双馈式和直驱永磁等电机组都又沉又大。除此之外，兆瓦级风机还要面临可靠性，运行过程中发电效率降低以及原材料可获得性低等问题。

　　风机市场中机型的分布情况也从一个侧面反应了现在主流风力发电机技术上的问题。中国风能协会7月公布的2015年上半年中国风电装机容量统计显示，从机型分布上看，2MW机组终于超越1.5MW机组成为上半年装机的主力机型，容量达到509.6万千瓦，占到上半年全部装机容量的50%；1.5MW机组装机容量占全部装机容量的35.8%。1.5MW与2MW机组占全部装机容量的85.8%。同时MAKE亚太区首席代表孙文轩也向小编介绍了国内外大功率风机的基本情况，目前国内市场中3MW风机市场份额比较小，金风科技的3MW机型仍处样机及测试阶段，未获得足够订单实现批量生产，远景3MW平台机型也没有批量化生产。国际上3MW机型的销售情况比中国要好一点，但主流机型仍是2MW平台。

　　现阶段，相较3MW的“大家伙”，显然2MW平台能够更好的适应市场需求。

　　至于8/10MW的“巨无霸”，有业内专家认为，如果说永磁直驱技术将风机推进到了5MW的世界，在更大功率10MW的风机面前，永磁直驱或双馈式技术都过于勉强，因为在这个功率设计下，发动机的尺寸和重量都难以想象。孙文轩表示，10MW的风机现在还在研发阶段，暂时还没有任何一家风机生产商获得重大突破，其技术限制较大，需重大创新突破才能实现商业化的10MW+机型。预计在2020年前都看不到10MW风机出现。

　　只有研发具有更高功率密度的发电机才能更好的适应未来风力发电技术发展的需求。

　　2.小而经济的超导新选择

　　出于实际应用中的经济性考虑，或许超导风机更有利于实现风机技术的长远发展。超导体的零电阻特性不仅解决了散热问题，同时减小体积与重量；另外，相比于目前广泛使用的永磁风力电机，超导体电机仅需要不到其1%的稀土。因此超导体可以使风机设备高效、稳固、简洁，并可大大节省原材料、降低建设、运营与维护成本、提高电机的使用寿命。

　　他们在研究超导风机

　　1.美国超导公司的Seatitan

　　借助在美国海军项目的船舶推进电机上的技术和超导领域的领先技术，美国超导公司的Seatitan风机发电机组技术理论上可以是目前最大的风力发电机输出功率翻一倍，达到10MW。直径约为5m，重约160t的高温超导直驱发动机将是项目成功的关键。相对而言，同样输出功率从的永磁直驱电机直径要达到10m，重量也要超过200t。大额定功率的风电机组能够降低已建成风场单位兆瓦功率的发电成本，超导风力发电机的功率密度也能都实现大功率高经济性的风电机组。

　　同时，AMSC声称，虽然目前注重的是10MW的Seatitan系统，但是用高温超导技术设计20MW风机也是可行的。

Seatitan超导风机概念图

　　2.远景能源的Ecoswing

　　近来，远景在最新设计的一款大兆瓦智能风电机组实施EcoSwing超导风机计划。与传统的发电机相比，EcoSwing超导风机的优势在于其在输出相同转矩下，重量可以减轻40%以上，这使整个机舱的重量减轻25%，而且也会成比例地减少其他原材料的用量。“一台轻量化并极具竞争力的超导发电机，其发展潜力相当令人振奋。” 远景能源丹麦全球创新中心总裁Anders Rebsdorf评价说，“在我们不断追求降低可再生能源成本的道路上，EcoSwing超导风机将是一个重要的进步。”

　　Anders Rebsdorf还表示，“EcoSwing超导风机技术可以降低风电度电成本30%以上，远景能源希望利用自己的尖端前沿技术，使风能和太阳能到2025年成为全球主流能源的重要一步。”

远景超导风机概念图

　　3.Technalia&Karisruhe联合领导的SUPRAPOWER

　　欧盟资助的SUPRAPOWER的研究目标是利用超导体发展风能， 参与该项目的共有9个来自工业与科研领域的伙伴，德国卡尔斯鲁尔理工学院（KIT）的技术物理研究所将为该项目建造旋转式低温恒温器，利用吉福德-麦克马洪散热器，通过纯热传导，使超导线圈冷却至零下253.15摄氏度。在这个温度下，超导体不出现电阻现象，可以实现无损耗导电。

　　大家谈：超导风机走出实验室还需要5-10年

　　MAKE新能源咨询孙文轩：超导风机应该说目前还只是一个概念，超导技术在其他领域的应用是有的，但是应用在风机上，个人认为现阶段还是不太可行的。如果说有一个重大技术突破或者生产出样机，可能至少还需要5-10年，至于大规模商业化生产，还需要30-50年都是有可能的。

　　目前超导风机的技术限制比较多，最重要的是低温环境的问题，如何在风机里做到这一点还是比较困难的。另一个是超导材料的供应量和价格都是问题，超导风机如果要大规模投产的话，这是一定要考虑的。

　　在效率方面，超导技术的特性理论上确实可以提高发电效率，但是现在也没有任何一家公司可以提供准确的数据来证明在多大程度上可以实现提高效率，降低成本。

　　知乎ID峻衣：目前来说超导风机的研发方向是高温超导，温度能提高到40K左右，是比较高端的技术了。这种技术我没有接触过。但是首先，我比较担心密封性，运行时风机上的振动非常大，而且随风速有不同频率的谐振，急停的时候振动更大，会对密封有非常高的要求，因为超导内部是液态氮制冷，一旦泄露会对其他设备造成无法修复的损失。其次就是大风大雨雷电天气可能会造成风机线路故障，对于这种高端技术部分一旦故障，维修成本会很高，而且一般人员无法完成，会影响可利用率。

　　就目前风机的技术来说，如果只是单单在发电部分应用高端技术，而其他部分没有同步提高，那么也不可能大规模推广。大规模生产我认为暂时不会。现在有试验站，但是实验站这东西都要好多年的。

　　能豆粉王勇：我觉得风机样机也是5-10年的事情，大规模就没有办法说了。超导发电机主要是高温超导材料的问题，现在的高温超导材料的温度也在零下100多度，持续液氮冷却。不过一旦技术成熟，确实可能成本下降30%以上，但技术成熟时间就太长了，而且用在用在更大容量发电机上更合算。（【无所不能 文|大珂珂】）