试着绕过这个：一个细长的塔在海浪上方延伸100米。每个长度接近60米的刀片，当它们在塔顶部转动一个250吨的机舱时，面朝着盐水喷雾，这个机舱容纳涡轮发电机和发电所需的一切。
现在，所有东西都增加了一倍，重量增加了五倍。
这是最终将面临海上风电场建设者的问题。一般来说，每个涡轮机更大的兆瓦数更好。因此，风电场运营商一直在要求更高功率的海上风机，而制造商一直在提供。维斯塔斯风力系统公司安装的最强大的涡轮机，一台8.8兆瓦的机器，于4月份从苏格兰海岸上升，一些即将到来的北海风力发电场的投标是在13至15兆瓦的涡轮机的预期下进行的。将在下一个十年中期推出。当风在吹动时，这种涡轮机可以为大约9,000个家庭供电。但是，虽然更大可能会更好，但如果风力涡轮机的核心技术没有一些同样大的变化，那么更大的变得更加荒谬可笑。
一项名为InnWind的项目计算得出，如果使用当今的技术建造一个20兆瓦的风力涡轮机，那么仅它的机舱将重达近1,100公吨(11只蓝鲸的质量)。涡轮机的三个叶片本身重量将近40公吨，直径超过250米(长度为8只蓝鲸)。这个巨型兆瓦下面的塔需要重达1800吨，以便在波浪上方约170米处支撑所有这些结构。完成图片：那是18只蓝鲸支撑着另外11只，其中8只像鲸类风车那样旋转。(别客气。)
大型机器：今天最大的海上风机与拟议的20兆瓦涡轮机相形见绌。由InnWind财团设计的低成本系统显示超导体[最右侧]制造了一个体积较小的系统。但是，新兴的永磁技术[右起第二]是最轻的。
西班牙应用研究机构TecnaliaCorporaciónTecnológica的可再生能源和存储系统小组的电气工程师，超导涡轮机项目的协调员Iker Marino说：“问题在于用现有技术进行构建是有限制的。” Suprapower。“机器顶部的重量太大了。”
那么如何从由磁铁，齿轮，铁芯和数千米的铜绕组制成的机器中移除数百吨?交换磁铁，甚至铜绕组用于超导体线圈。
简单吧?实际上，没有。长达数年的跨国研究工作最近得出结论，尽管可行，但建造这样的涡轮机将是一项巨大的技术挑战。这样做的情况正在减弱，因为永久磁铁越来越好，越来越便宜。事实上，一个黑马竞争者的技术基于永磁体，有望在10兆瓦的范围内轻推超导体。除非超导体的经济性或属性得到极大改善 – 事实上，这两种情况确实是可能的 – 即使未来20兆瓦的海洋巨头也可能无超导体。
风力涡轮机很复杂。它们通过机械，磁性和电气过程的相互作用而运行，这些过程随着参数的每次调整以复杂的方式变化。然而，它们基本上都具有相同的基本条件和组件。虽然有很大的扭矩，但是叶片以相当平稳的速度转动。这种缓慢的速度远非理想的发电，因此在齿轮传动涡轮机中 – 大多数，尤其是陆上 – 齿轮箱将速度提高数百倍，将快速旋转用于发电机的旋转。
但是为了降低维护成本，一些制造商正在转向另一种称为直接驱动的替代海上涡轮机技术，该技术不需要变速箱。这里，转子是一个巨大的环，可以容纳许多具有交替极性的永久磁铁。发电机的另一个关键部件 – 定子 – 围绕转子。它包含铜线圈，其中电压由转子的磁场引起。
基本上，超导体可以减轻发电机的重量，因为它们可以用由超导线圈制成的较轻的电磁铁代替直接驱动的永磁体。这些电磁铁相对较轻，因为超导体可以承载大量的电流 – 也就是说，它们具有高电流密度。这种机器中的铜导线以每平方毫米横截面安培的单个数字排在最前面。在为Suprapower 10-MW涡轮机项目建造的实验性超导涡轮机绕组中，电流密度跃升至惊人的58 A / mm 2。
很多高温超导体(如钇钡铜氧化物(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 – 足够温暖，可用廉价的液氮代替非常昂贵的液氦冷却。几年前，一家领先的YBCO制造商AMSC生产了一种粗糙的涡轮机设计。(该公司没有回应对本文发表评论的请求。)但是，最近欧洲超导风力涡轮机项目的大多数都独立地选择了不同的超导体：二硼化镁。
二硼化镁的超导性仅在2001年被发现，虽然它在低于40 K之前不会失去抵抗力，但它在每次成本分析中击败YBCO的成本都低得多。每米胶带约4欧元(4.63美元)，MgB 2 “可能不是提供最佳性能的材料，但它具有最佳的性价比，”Marino说。
Columbus Superconductors总部位于热那亚，是领先的MgB 2线材供应商，也是Suprapower和早期能源部项目的合作伙伴。该公司还为InnWind和最近的法国项目EolSupra20做出了贡献。
其中，Suprapower最近产生了一些有形的东西。该项目于2017年5月结束，耗资540万欧元(625万美元)，为期五年，不仅旨在设计一台10兆瓦的直驱式超导涡轮发电机，而且还旨在建造设计的关键部分 – 两个48个超导电磁铁线圈组成一个完整的转子。该设计需要一台重达163吨的发电机，与采用当今永磁技术制造的产品相比，质量减少了26%。
转子线圈由扁平铜线制成，其中嵌入了MgB 2线。铜增强了相对脆弱的MgB 2并将热量从其中导出。对于哥伦布来说，线圈的几何形状是困难的部分，该项目的公司总经理Gianni Grasso说。这些“跑道”线圈的形状大致呈矩形，尖角会在导线上产生应力，导致超导体破裂。“我们必须开发一种特殊的工具来进行缠绕，”他说。
找到一种方法将绕组保持在20K并且在海上完成 – 这是一个更大的挑战。“所有围绕热提取的工程都是可行但复杂的，”马里诺说。“离岸条件是复杂性的问题。”
通常，超导体，例如MRI机器中的超导体，通过将它们浸入液态氦等低温液体中来冷却。但Suprapower裁定该选项。在海上任何类型的维护期间，必须移除该流体以加热发电机的内部，然后更换。在风力冲击塔的顶部处理这种流体并且在重新液化气体所需的设备周围运输似乎并不实际。
相反，Suprapower的工程师选择通过传导来冷却线圈。Gifford-McMahon低温冷却器将为分布式模块化低温恒温器 – 外壳提供冷却功率，以保持其内部温度。该模块化系统中的每个超导线圈都有自己的低温恒温器，用于保持线圈处于真空状态。
Marino说，希望这些低温恒温器的模块化特性将使维护更容易。如果它或它所包围的线圈需要更换，技术人员必须将该特定部分带到室温，然后将其更换冷却。这种便利可以加快维修速度，但Marino预计维护仍需要比传统机器更长的时间。
虽然Suprapower能够建造一个超导风力涡轮机的关键部件，但它没有回答是否应该建造它，甚至更大的超导涡轮机的问题。这就是InnWind的目标。2012年开始的2000万欧元(2320万美元)项目开发了多种基于各种新技术的设计，包括MgB 2超导体。它旨在以最低的成本设计完整的10兆瓦和20兆瓦风力涡轮机，用于50米水，从而指明未来的发展方向。然而，在前往未来的道路上发生了一件有趣的事：它变得更加复杂。
在过去五年中，先进涡轮机所需的永磁体价格下降了四倍多，达到每公斤约25欧元(29美元)。丹麦技术大学风能部门的高级研究员Asger Bech Abrahamsen领导了InnWind的动力传动系统设计工作，他表示，“凭借这种投入价格水平，超导机器无法与之竞争。
nnWind研究人员寻求的系统能够为整个涡轮机(包括基础，塔架和叶片)提供最低的电力成本(LCOE)。LCOE基本上是涡轮机在其使用寿命期间需要获得的电价，以实现收支平衡。该数字考虑了制造，建造，维护，效率，退役和其他因素，并且是风电场投资者用来决定建造什么和在哪里的关键指标。
在InnWind寻求最低LCOE的过程中，永磁体价格的下降迫使其减少其10兆瓦超导涡轮机设计中的超导体数量，并增加磁钢以帮助集中剩余的超导体磁场。然后，由于结构中的意外共振，InnWind不得不添加更多钢材。这个问题是由于塔顶部的质量很轻，当41.7公吨的叶片摆过塔架时，它们以一个太接近其固有频率的频率使结构变形。最终，该应变会缩短基础结构所需的25年寿命。此外 – 也是最不幸的是 – 模拟显示共振更轻Abrahamsen解释说，涡轮发电机成为了现实。面对使发电机打火机导致更昂贵的下部结构的情况，InnWind设计师允许10兆瓦超导传动系统的质量膨胀至286公吨，而按比例放大为215至237公吨永磁体直驱技术的版本。
虽然InnWind的20兆瓦MgB 2设计没有共振问题，但它仍然需要大量的钢来弥补设计减少的超导体量。Abrahamsen说，对于超导体，本能是使最轻，最小的涡轮发电机成为可能，但从低LCOE的角度来看，“我们必须得出结论，轻量级发电机总是有益的并不总是如此。”
永久磁铁的价格暴跌也为黑马竞争对手的超导体提供了机会。它被称为磁性伪直接驱动(PDD)，它是位于英国谢菲尔德的Magnomatics正在开发的一种磁性齿轮系统。
系统很难完全掌握，除非你看到它在运动，但这里说：PDD是一组三个同心圆柱体。内圈和外圈各自由具有交替极性的永磁体条带构成。外筒有许多条纹，内部只有几条。中心圆柱体由交替的钢条和非磁性支撑材料组成。在操作中，外环保持静止，而涡轮机从叶片输入的低速旋转中心钢制气缸。该圆柱体操纵外圆柱体的永磁体的磁力线，使得它们形成磁场，该磁场在钢圆柱体的相反方向上快速旋转。该磁场与内圆柱的永磁体耦合以产生高速旋转。要将这个齿轮变成发电机，铜线圈围绕外圈设置，在那里它们经历与内圈相同的快速移动磁场。该快速移动的磁场在铜线圈中感应出电压。
在InnWind的分析中，这种设置超越了超导设计的效率。Abrahamsen说，PDD“即使在低风速下也能通过高效率获得最大收益”。他指出，“超导机器也可以达到相当高的效率，但它需要一个冷却系统，”即使在几乎没有吹风的情况下，也会不断消耗能量。虽然其他因素(如建筑成本)分布在汽轮机25年的使用寿命中，但效率对成本的影响更为直接。
Magnomatics的驱动技术首席工程师大卫鲍威尔说：“听起来并不多，但效率提高2%意味着LCOE增加2%。” 他补充道，在风电行业，“2%是一个大问题。”
通过采用更小尺寸的齿轮传动涡轮机而PDD获得相对高的效率而不会遭受机械齿轮中的能量损失。鲍威尔解释说，这些损失可以达到每级1%到2%，许多涡轮机有三个齿轮级。然而，在PDD中，没有机械连接; 气缸彼此浮动，由气隙隔开，因此系统甚至不需要润滑剂。
虽然风电行业的主要卖点是PDD系统的效率，但它也相当小，并且比现有技术需要更少的铜绕组。10兆瓦PDD设计的动力传动系统质量比超导MgB 2设计轻100多公吨。涡轮机的直径仅为6米，而参考设计为10米。鲍威尔说，这种尺寸差异可能会在制造业中提供优势，因为它可以让涡轮机制造商选择在老旧的小型工厂中建造新的高兆瓦涡轮机。
Magnomatics计划利用这一胜利。但要扩大到10兆瓦或更高，还有很多工作要做。鲍威尔指出，由于传统技术已经在水中，距离该标记仅1兆瓦，“我们需要很快到达那里”。“现在，这一切都在发生在我们身上。我们只需抓住合适的人选。“
对接机动：工人准备将3.6兆瓦的Ecoswing超导发电机[蓝色]连接到一台模拟风力涡轮机扭矩和其他方面的机器[灰色]。
虽然非超导体技术在成本上赢得了InnWind，但该联盟的分析并不是唯一的。这个规模较小的法国项目名为EolSupra20，其LCOE探测直接针对20兆瓦的标记，并得出了截然不同的结果。
与其他产品不同，EolSupra20的设计包括转子和定子中的MgB 2超导体。“你想要的转子就是创造一个非常大的磁场，” 巴黎 – 萨克莱大学助理教授洛伊克·奎瓦尔说。因此，您所需要的只是直流电流，它在超导体中流动而不会损失并且不会产生热量。
“定子是不同的，”他说。当转子的磁场穿过它时，定子绕组中的电流会改变方向。令人惊讶的是，超导体在承载交流电流时确实会有一些损失。这对设计有两个影响。首先，它需要一种不同形式的超导线来完成这项工作。交变磁场在超导体的表面中引起损耗诱导的电流回路。不幸的是，超导体 – 特别是高温品种 – 通常以带子而不是线材的形式生产，因此它们具有大量可以形成这些环的表面区域。“生产低交流损耗的高温超导体几乎是不可能的，”哥伦布超导体公司的格拉索说，该公司也生产这种材料。“但这可能与MgB 2有关“。
哥伦布一直在研究具有较小表面积的MgB 2格式，而不是胶带。它生产的线材中嵌入了许多直径为10微米的MgB 2圆形长丝。Grasso解释说，这些细丝的表面积太小，无法形成许多电流环。在一种形式中，91个这样的细丝嵌入铜 – 镍 – 六角形线中。然后将这些电线包装成称为卢瑟福电缆的扁平形式，尽管尚未达到有用的长度。
具有超导定子的第二个结果是它必须被冷却，并且那些冷却需求将比转子需要的更陡。EolSupra20设计使用一组低温冷却器将转子保持在10 K，这个温度可以使超导体的载流能力最大化。定子安装在一组独立的低温冷却器上，使其保持在20K，因为它需要太多的功率才能保持低于此温度的温度。
为了满足这些需求，该设计总共要求不少于85个低温冷却器。“我们把冷冻机放在各处，”奎瓦尔说。采购功能强大的低温冷却器是一个问题，因此EolSupra20使用了多个较小的低温冷却器。EOLSupra20在其设计中使用的住友重工RDK-0408S2两级低温制冷器重量仅为18千克，可以从线圈中提取几瓦特到几十瓦的热量，但代价是能量的100倍左右。“现在，效率真的很低，”Quéval说
EolSupra20的超导设计确实击败了其使用传统技术构建的涡轮机LCOE版本。它的报价为每兆瓦时119欧元(140美元/兆瓦时)，而传统涡轮机为129欧元/兆瓦时(152美元/兆瓦时)。根据Quéval和EolSupra20团队的不同，超导体产生的发电机质量大大降低。在178公吨，完全超导发电机不到传统发电机的体积的三分之一。
EolSupra20的LCOE明显高于InnWind的参考20兆瓦涡轮机，即93欧元(108美元)/ MWh。Quéval指出LCOE在某种程度上是当地的事情。InnWind的目标是北海更深的水域，竞争激烈，电网连接计划，如果还不充足的话。未来风电场的承诺价格不到100欧元(116美元)/兆瓦时。法国大西洋沿岸在经济和地理上都是一个不同的环境。法国目前没有海上风电场，尽管有一个长而多风的海岸。但自2012年以来，该国已经以3,000欧元(232美元)/兆瓦时的高价格为3000兆瓦的海上运输能力进行了招标。这个数字可能会很快改变。看到北海价格意外快速下跌法国政府开始表示希望在三月重新谈判。
那么，鉴于混合信号，未来哪种技术将统治海洋，超导体还是PDD?InnWind肯定是一项综合性研究，由大约27个工业和研究机构进行了五年的研究。也就是说，即使是报告也承认了很多不确定性。InnWind评估两种动力传动技术的准备程度：“在实验室测试”。
一个更好的问题，也就是InnWind试图回答的问题，可能是：超导体与PDD驱动器匹配需要什么?根据Abrahamsen和他的InnWind同事的说法，与永久磁铁相比，降低MgB 2的价格将会有很长的路要走。如果MgB 2胶带每米成本1欧元(1.16美元)而不是4欧元(4.64美元)，那么20兆瓦的设计可以增加更多的磁铁，制造更坚固的磁铁，需要更少的磁性钢。但是，这样的设计还需要将低温恒温器和冷却设备的估计成本降低十倍，以使其具有竞争力。一个悬而未决的问题是，大规模超导风力涡轮机的商业化是否会产生足够的需求，导致这两种技术的价格都很低。
但价格不是唯一可以改变的东西。超导体开始超导的临界温度是大多数人关注的，但它确实是导致超导性的三环境条件。存在临界电流密度，高于该临界电流密度，现象崩溃，以及最大磁场。比如说，临界电流值的四倍增加会产生与降价相似的效果，因为你可以用超导体量的四分之一产生更强的场。更好的是，它将允许不同的动力传动系统设计。“电线越好，系统的其余部分就越简单，”Suprapower的Marino总结道。
对极大型涡轮机进行这些LCOE分析也有可能为时过早。另一个名为EcoSwing的项目旨在证明超导发电机可以在更适度的规模上竞争，其工程师几乎完成了它。到2019年3月，1400万欧元(1630万美元)的项目计划在陆地上改装的3.6兆瓦涡轮机内安装这种超导发电机，安装和维护更容易。
与高兆瓦的海上项目不同，EcoSwing的目标是进入当今的陆上市场。超导技术让设计人员将涡轮机的功率密度提高了一倍，使市场领先者的涡轮发电机体积缩小了40%，成本降低了15%，EcoSwing的ECO 5主管JürgenKellers说道，这是九个工程公司中的一个该项目的贡献者。
除了尺寸之外，EcoSwing发电机与InnWind和其他海上设计不同，EcoSwing使用单个大型低温恒温器而不是许多模块化低温恒温器。它还依赖于高温超导体 – 钇钡铜氧化物 – 而不是MgB 2。尽管成本很高，但公司选择了前者，因为YBCO更容易冷却。“你可能会说，MgB 2已经付出了YBCO未来的成本，”Kellers说。“另一方面，低温技术并不像YBCO那样简单和坚固。”
5月22日，该财团在弗劳恩霍夫风能系统研究所的DynaLab完成了对其发电机的测试，该研究所可以提供扭矩和其他条件来测试全尺寸风力涡轮发电机。这是第一台进行此类测试的超导机器。
从DynaLab，该机器将停在荷兰的特温特大学进行一些最终组装，然后通过船舶运往丹麦安装在涡轮机中。“然后我们有电梯，看看EcoSwing发电机如何在北海沿岸的恶劣条件下运行，”Kellers说。
Magnomatics的磁性伪直驱驱动器并不落后。它的下一阶段是一台500千瓦的发电机，它将在英国布莱斯的可再生能源中心的测功机上进行测试。从那里开始，“我们将尝试将2至3兆瓦的机器放入机舱并获得真实的数据，”Magnomatics的鲍威尔说。
未来设计的争夺可能已经进入PDD，但是证明两种技术是否真正有效的斗争才刚刚开始。。
