世界上第一个采用高温超导体升级的风力涡轮机

超导体首次进入能源行业。此前，一台正常运转的传统风力涡轮机的永磁体被超导胶带取代。这一转变意味着有可能建造更轻、更小、更少依赖昂贵稀土元素的风力涡轮机。这意味着涡轮机的价格可能会下降，进而降低能源成本。

超导正在走出象牙塔

特温特大学的Marc Dhalle

今天的风力发电机经常使用永磁体钕-铁硼原子，这使得它们很重。就像自行车发电机一样，这些磁铁转动内部线圈，将磁力转化为电能。然而，它们需要大量的稀土金属，这些金属价格昂贵，而且大多只在一个国家——中国——开采这导致了对供应安全的担忧．

然而，发电机可以由超导磁体制成，在尺寸和重量上都有显著的节省。“我们可以制造一种机器，它可以提供相同的功率，而重量和体积大约是普通风力涡轮机的一半，”他说Marc Dhalle他是荷兰特温特大学的材料科学家。欧盟资助的项目，EcoSwing由丹麦涡轮机公司昂科威(Envision)协调。

新型发电机的直径为4米，比传统发电机小1.5米。它位于丹麦thy硼的一个88米高的3.6兆瓦涡轮机内。

磁带

其新颖之处在于使用了由复合胶带和陶瓷超导层制成的磁铁:钆-氧化钡-铜(GdBaCuO)。超导层位于钢带上，具有灵活性和强度。这盘磁带是德国的西瓦制作的。

当研究小组最初开始尝试将这种超导体放在柔性金属基板上时，人们认为他们——让我们客气一点——过于乐观了

特温特大学的Marc Dhalle

超导带还可以通过氧化镁层和银．氧化镁还可以作为GdBaCuO所需的精确晶体结构的模板。外层铜层提供了电气和热稳定性。这种胶带有几十公里长，安装在新的风力涡轮机里。

Dhalle说:“当研究小组最初开始尝试将这种超导体放在柔性金属基板上时，人们认为他们过于乐观了。”“很多技术细节都需要掌握，但他们都是有远见的人。”

现在已经有了收获。“一台发电1兆瓦的风力发电机的磁铁中含有大约1吨的钕。Dhalle说:“在我们的发电机中，我们使用了大约1公斤的(稀土)钆，所以我们使用的这种相对稀有和昂贵的材料少了几个数量级。”Roskill和Asian Metal的数据显示，在涡轮机中取代钕的钆，每公斤氧化钆的成本仅为18.7美元，而每公斤氧化钕的成本为45.50美元。

英国SHI Cryogenics公司的现成冷冻机将超导体冷却到-240°C。这些冷却器与普通冰箱中使用的冷却器类似，尽管它们要强大得多。

昂科威公司对这些冷却器的坚固性特别感兴趣。Dhalle说:“这些冷却器通常用于医院的核磁共振机，比风力涡轮机的环境更清洁。”“因此，关键是要证明它们在工作涡轮机中是稳健的。”

测试周期

这种发电机在上个月被运往丹麦之前，在德国不莱梅港的一个测试设施中进行了测试，该测试由弗劳恩霍夫研究所(Fraunhofer Institute)负责。“这个项目是史无前例的。Dhalle解释说:“我们从绘图板开始，建造了这个发电机，现在在现场条件下进行了演示。”

玛格尼同时挪威Sintef公司的能源研究员，他也认为这样做的主要好处是每公斤发电机重量能增加更多的瓦数。多年来，人们一直在预测电缆、变压器甚至发电机等各种超导电力元件将会有一个巨大的市场。这还没有成为现实。”业界往往不愿意使用未经验证的技术。但如果他们造出了一个全尺寸的风力涡轮机原型机，并投入了正常使用，那就是一项成就。”

超导体有三类。低温超导体需要冷却到10K以下。这些通常是金属合金，如铌钛，经常用于医院的核磁共振扫描仪，需要非常昂贵的冷却装置。GdBaCuO是高温陶瓷超导体，包括氧化钇钡铜或YBCO陶瓷，其超导温度在100K左右。

二硼化镁(MgB₂)处于中间范围，在39K处超导。“在风力涡轮机中冷却这比陶瓷要稍微复杂一些，”他说Asger Bech Abrahamsen他是丹麦技术大学的风能专家InnWind该项目试用了MgB₂在发电机中，可能有一天会被用于大型海上风力涡轮机。MgB₂需要冷却到低于陶瓷超导体的温度，这成本更高。它的优点是便宜。MgB₂每米成本几欧元，而陶瓷复合材料的成本为数十欧元。

Dhalle说，新的涡轮设计得很保守，而下一个版本将是一个更精简的原型机。他说:“超导正在走出象牙塔，我们曾在那里从事大型科学项目，比如欧洲核子研究中心(Cern)的粒子加速器，以及国际热核聚变反应堆(Iter)的大型磁体。”我们现在所处的阶段是，这种材料可以开始与现有技术竞争。