制造更大更好的风轮机

风力发电是美国发展最快的发电形式之一，陆上增容更多，超过煤炭和核能发电增容之和，在过去四年就是这样。但是，为了维持这种较高的增长速度，进入下一个十年，这个行业将不得不开始开发海上风能资源，这就创造了一个需求，要求风力涡轮机更大，需要更少的维护，而且可以提供更多的功率，又有较轻的重量。

为了支持这方面的研究，美国能源部已提供750万美元，给予6个项目，每个项目都旨在开发先进的动力传动系统（drivetrains），所用风力涡轮机高达10兆瓦的规模。五个项目都使用直接驱动、无齿轮的动力传动技术，以提高可靠性，而且至少有两个项目使用超导技术，目的是为了提高效率，降低重量。

目前的设计不能在经济上扩大规模。美国各地部署的2万5千多台风力涡轮机，大多数额定功率在3兆瓦或更低，而且包含复杂的变速箱系统。这些变速箱匹配慢速涡轮转子（每分钟15到20转之间），达到每分钟2000转，这是他们的发电机所需的。更高速度可以带来更紧凑、更便宜的发电机，但是，传统的变速箱是复杂互动的齿轮和轴承，需要定期维护，容易出现故障，尤其是在更高的速度。

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在陆地上，涡轮机较容易接近，变速箱的维修问题可以容忍。在恶劣的海上环境，租用驳船，派遣船员去修复或维护大风损坏的机器，这样的成本让人望而却步。“变速箱不在那里，就是最可靠的变速箱，”福特•菲尔柯（Fort Felker）说，他是国家再生能源实验室（National Renewable Energy Laboratory）风能技术中心主任。

为了提高可靠性，降低维修成本，很多公司，其中有德国西门子和爱纳康公司（Enercon），法国阿尔斯通（Alstom）和中国的金风科技（Goldwind Global），都已开发出直接驱动或“无齿轮”传动系统。在这样的设置中，转子轴直接连接到发电机，两者都以同样的速度转动。但是，这带来了一个新的挑战：增加了重量。

要达到的功率输出不亚于变速箱为基础的系统，这样，直接驱动系统必须有较大的内部直径，这就会增加半径，从而提高速度，磁铁就以此速度旋转，绕线圈产生电流。这也意味着，需要更大地依赖日益昂贵的稀土金属，用来制造永磁铁。

吉路巴•哈兰（Kiruba Haran）是通用电气全球研发中心（GE Global Research）电机实验室经理，这个实验室也获赠美国能源部的资金，哈兰说，直接驱动系统会不成比例地加重，因为它的额定功率要提高。一部4兆瓦的发电机可能重85吨，但是，在8兆瓦，它就接近200吨。

驱动时间：西门子开发的直接驱动风力发电机组。来源：麻省理工科技创业

GE认为，它可以开发一种8兆瓦的发电机，重量仅50吨，需要适配超导电磁铁（superconducting electromagnets），用于磁共振成像（magnetic resonance imaging）。不同于永久磁铁，电磁铁产生磁场，需要电流接通它。线圈用超导导线制成时，就没有电阻，可以使它更有效，但条件是它必须被冷却到零下250°C。这种办法就不需要稀土材料，可以设想，GE可以使成本足够低，使它有利可图。

佛罗里达州（Florida）高级磁铁实验室也获得了美国能源部的资金，实验室认为，它可以制造10兆瓦的发电机，重量仅为70吨。与GE公司的技术一样，这家公司创新的核心是超导直接驱动发电机。这家公司开发了一种紧凑型线圈设计，是基于双螺旋绕组（double-helix windings），可以传导强大电流，处理系统中所产生的巨大磁力。

高级磁铁实验室总裁马克•森提（Mark Senti）说，超导材料和低温冷却的成本高，毫无意义，对于今天的3兆瓦风力涡轮机而言就是这样。但他认为，超过6兆瓦，这种系统就可竞争传统的发电机设计。在10兆瓦，“它就会带给你最高的重量功率比。”

仍然有显著的进步空间。森提说，今天，大部分超导导线成本是每米400美元，但新材料的制备采用了廉价的镁（magnesium）和硼粉（boron powders），有望大幅度降低成本。因为制造业的改进和更便宜的冷却技术，森提计算出，超导技术最终可能成为经济性的，使所用风力涡轮机小到两兆瓦，就可以理想地用于陆上和海上市场。

超导并不在每个人的计划中。另一家受资助者博尔德风力发电公司（Boulder Wind Power），正在集中设计更好的定子（stator），也就是静止线圈（stationary coil），用于直接驱动系统。不是用铜线围绕沉重的铁核，这家公司定子的制备是采用印刷电路板。这些轻型组件可以大批量生产，模块组装，这就使它们更容易维修，在遥远的海域也是这样。“有了这个设计，你只要派几个家伙去那里，拆下定子片（stator segment），照样装上一个新的就行，”说：德里克•普莱齐（Derek Pletch）说，他是博尔德风力公司涡轮机开发副总裁。

同时，国家再生能源实验室（NREL）正在采取一种混合方法，设计中速传动系统，使用更简单的单级变速箱（single-stage gearbox）和中型发电机。菲尔柯说，这种方法很容易适应现有的设计，在市场上销售更快。克里普风能公司（Clipper Windpowe）和戴尔森联营公司（Dehlsen Associates）也获得了资金。六个月后，美国能源部预计会罗列这些设计，额外给予每个项目200万美元，进行性能测试。