CWPE2019：中國船舶重工七一二所鄭軍：2MW高溫超導(dǎo)風(fēng)力發(fā)電機研制與應(yīng)用展望

 

　　以下為演講實錄：

 

　　我們所主要是做船舶電力推進(jìn)裝置，這次來主要是向各位匯報一下我們所在超導(dǎo)應(yīng)用方面，特別是超導(dǎo)電機研制所取得的一個工作，包括超導(dǎo)電機在風(fēng)電領(lǐng)域應(yīng)用的淺淺的分析，實際上應(yīng)用的展望還過了一點。另外還得感謝主辦單位給予我這次的機會。

 

　　報告的題目是2MW超導(dǎo)風(fēng)力發(fā)電機研制與應(yīng)用展望，主要分四塊：一個是超導(dǎo)電機技術(shù)內(nèi)涵與研究現(xiàn)狀；第二個是我所剛剛完成的一臺2MW超導(dǎo)風(fēng)力發(fā)電機的研制情況；第三個是超導(dǎo)電機在直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電應(yīng)用展望；第四塊是結(jié)語。

 

　　先簡單介紹一下超導(dǎo)材料的發(fā)展，因為超導(dǎo)電機和超導(dǎo)應(yīng)用的發(fā)展離不開超導(dǎo)材料，其發(fā)現(xiàn)是在1911年由荷蘭的物理學(xué)家Onnes在研究Hg的電阻率隨溫度變化的時候，突然發(fā)現(xiàn)了在絕對溫度，也就是零下269度左右，那么Hg的電阻率有一個變化，變成零，處于無電阻的狀態(tài)。這樣的發(fā)現(xiàn)也揭開了超導(dǎo)研究的序幕，這位先生1913年獲諾貝爾物理學(xué)獎。超導(dǎo)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)了以后，引起了世界各國物理學(xué)家的重視，但是80年代之前，超導(dǎo)材料的發(fā)現(xiàn)，實際上我們右下方這個圖畫了一個烏龜，它的速度是很慢的，這到1986年，德國科學(xué)家謬?yán)蘸偷轮Z茲發(fā)現(xiàn)了銅氧化物陶瓷具有超導(dǎo)電性，揭開了高溫恩超導(dǎo)的研究熱潮，獲1987年諾貝爾物理學(xué)獎。還有兩位華裔科學(xué)家朱經(jīng)武先生和趙忠賢幾乎同時獨立發(fā)現(xiàn)了YBCO材料，這里說是高溫其實是相對高溫，是在4K左右，甚至是有的是在20K、30K，這個是90K，在液氮溫區(qū)以上，是一個相對高溫。包括日本科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了鐵級超導(dǎo)，在趙院士的推進(jìn)下，鐵級超導(dǎo)在中國的研究處于世界的先進(jìn)水平。以及前兩年聽到的報告，美國的一位華裔青年發(fā)現(xiàn)了室溫超導(dǎo)體等。

 

　　但是真正能夠應(yīng)用于超導(dǎo)的電力設(shè)備，這里面主要有三大類：

 

　　一大類是低溫超導(dǎo)，我們左下角這個叫Nb3Sn（鈮鈦三錫），已經(jīng)成功應(yīng)用于國家的大科學(xué)工程，強電子的對撞，以及跟大家密切相關(guān)的就是去醫(yī)院做CT，超導(dǎo)磁體就是由這兩種超導(dǎo)代材制成的。

 

　　另外是實用化的，叫二硼化鎂（MgB2）。這個材料與低溫超導(dǎo)材料一樣，金屬性強，相對的轉(zhuǎn)變溫度高一點，在40K左右。

 

　　現(xiàn)在我們說的實用化的高溫超導(dǎo)，主要是一種是釔鋇銅氧，還有鉍鍶鈣銅氧，這兩個超導(dǎo)一個轉(zhuǎn)變溫度是90K，一個是110K。針對高溫超導(dǎo)，特別是二代高溫超導(dǎo)代材，國內(nèi)外都有生產(chǎn)廠家，比如說釔鋇銅氧，國外是有Superpower，國內(nèi)是有Samri，還有美國的超導(dǎo)公司，國內(nèi)是有上創(chuàng)超導(dǎo)，還就日本的Fujikura，有上海超導(dǎo)，還有SuNam，在BSCCO國內(nèi)有北京的因納（音）。這些單位，國外的市場風(fēng)云能力比國內(nèi)好一點，但是國內(nèi)也具備小批量的生產(chǎn)能力。

 

　　現(xiàn)在匯報一下電機。超導(dǎo)電機這里主要是說同步旋轉(zhuǎn)型電機的結(jié)構(gòu)形式。根據(jù)轉(zhuǎn)子的冷卻結(jié)構(gòu)分為兩大類，左側(cè)是整個轉(zhuǎn)子軸系是常溫，只是磁體和支撐部分是低溫。冷卻是通過左圖的冷卻系統(tǒng)一個冷卻管路進(jìn)入轉(zhuǎn)軸類，然后通過靜像冷卻超導(dǎo)磁體，右側(cè)的是分側(cè)的軸，右側(cè)的是常溫，低溫系統(tǒng)通過軸向傳遞通道來冷卻轉(zhuǎn)子的軸，通過轉(zhuǎn)軸傳導(dǎo)和冷卻超導(dǎo)磁體。那么定子的話，有常規(guī)的結(jié)構(gòu)形式，也有氣隙結(jié)構(gòu)形式這是根據(jù)我們的應(yīng)用不同。

 

　　超導(dǎo)在電機的應(yīng)用，最先想到的是在船舶推進(jìn)這塊領(lǐng)域，于是美國在2009年的時候完成了一臺36.5兆瓦的高溫超導(dǎo)電機的研究，這上面大的是跟常規(guī)電機所做的一個形象的對比。那么超導(dǎo)電機有什么優(yōu)勢呢？常規(guī)電機的功率與直徑的平方呈正比，跟軸下尺寸呈正比。超導(dǎo)電機的轉(zhuǎn)子我們可以做成氣隙合金飽和的，這時候的轉(zhuǎn)子尺寸X轉(zhuǎn)子氣隙。如果采用氣隙的話，可以增加定子的線復(fù)合，在保證定子電力相對不變的情況下，這樣兩個公式代到一個公式里面，得到它的功率近似跟電機直徑的5次方呈正比，把軸向長度也是等同于直徑。這是近似的概念性說明，為什么超導(dǎo)電機有優(yōu)勢，主要的優(yōu)勢是什么？主要是體積小、重量輕。超導(dǎo)電機作為大容量，40兆瓦或者是風(fēng)電10個等級的話，轉(zhuǎn)矩密度考慮到轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩密度是常規(guī)電機的2—3倍，效率也有一定的提升，關(guān)鍵是它的轉(zhuǎn)子沒有一側(cè)的損耗。實際上真正地對于大容量電機來說，低溫冷卻系統(tǒng)的功耗占到整個的消耗比例是小的。另外是低噪聲，這跟結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，采用氣隙電收的話，沒有定子的鐵損，那么定子的齒槽引起的轉(zhuǎn)機的脈動和噪聲從結(jié)構(gòu)上消除了，另外還有很強的過載能力，假如說用于銅箔鐵氧機，轉(zhuǎn)子始終工作在低溫環(huán)境下，雖然一直有變化，但是不會對轉(zhuǎn)子溫度產(chǎn)生變化，對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生一個熱疲勞。

 

　　先說說美國，其研究歷程到現(xiàn)在接近30年，1990年研究超導(dǎo)電機，從一個馬丁、兩個馬丁，最后到36.5MW，這一階段他們經(jīng)歷了接近20年，10臺樣機不斷迭代和修正和完善的過程，所以超導(dǎo)是很投入錢和經(jīng)費的，不能急于求成。這臺電機在整個的電機研制史上具有強大的意義，向世人證明了超導(dǎo)電機實實在在的優(yōu)勢。這臺電機的重量是70噸，低溫輔助是5噸，所以最后我們寫重量是70+5噸，是這個的意思。常規(guī)這臺電機為了DBD1000，當(dāng)時做了永磁電機、超導(dǎo)電機和感應(yīng)電機，當(dāng)時感應(yīng)電機做出來160噸，永磁110噸，超導(dǎo)電機是在70+5噸，這從數(shù)字上很顯著地體現(xiàn)了它的優(yōu)勢。國際上做得相對好的是日本，2010年完成了1個兆瓦電機的研究，2013年是3MW，下一步是針對20WM級的液化天然氣的船舶進(jìn)行使用，因為夜化天然氣的船舶功需也是液氮功需。實際上還有德國、韓國等國家做過超導(dǎo)電機。綜合起來1個兆瓦以上的是有韓國、中國、日本、德國西門子和美國。那么目前美國是處于絕對的技術(shù)領(lǐng)先的狀態(tài)，只是說這臺電機的技術(shù)處于領(lǐng)先的狀態(tài)。

 

　　剛才說的是船舶推進(jìn)這塊研究的現(xiàn)狀，現(xiàn)在匯報一下風(fēng)電領(lǐng)域超導(dǎo)電機國際研究的現(xiàn)狀，主要是以歐洲的兩個項目作為代表來介紹，雖然其他國家包括美國的超導(dǎo)公司GE，包括丹麥的科技大學(xué)等很多的國家包括韓國，都做了一些概念性的超導(dǎo)電機的研究、設(shè)計。但是實際上都沒有樣機出來。那么這兩個項目我認(rèn)為做得相對比較深入一些，所以跟大家匯報一下。

 

　　這個是由歐盟的9個單位，一個比較軟的基金項目，他們只是做了概念性的設(shè)計，磁體的冷卻做了樣練，主要的設(shè)計人員已經(jīng)是在上海科技大學(xué)，主要是做低溫冷卻的，是咱們?nèi)A人的一位研究生當(dāng)時是在KIT，回來也與我們交流了一下。他整個的名頭比較響但是真正做工程應(yīng)用結(jié)構(gòu)是不合適的，采用的材料是二硼化鎂，材料便宜。

 

　　另外是歐盟的地平線項目2020，這臺樣機已經(jīng)今年4月份掛網(wǎng)運行。我們?nèi)ツ甑降聡咴L了一下，還有荷蘭的特溫特大學(xué)去交流了一下，這臺電機的定子應(yīng)該是常規(guī)的永磁電機，只是將它轉(zhuǎn)子永磁換超導(dǎo)。它這里的結(jié)構(gòu)他是超導(dǎo)線圈繞在轉(zhuǎn)子鐵芯的骨架上，整個轉(zhuǎn)子是零下243度，相當(dāng)于絕對溫度30K左右這樣的溫區(qū)，這是它主要的結(jié)構(gòu)形式。當(dāng)然國內(nèi)網(wǎng)上也看到了遠(yuǎn)景的一個宣傳。

 

　　國內(nèi)的話，我們所主要是針對船舶推進(jìn)一直在做超導(dǎo)電機的研究。80年代—90年代，當(dāng)時因為國家的經(jīng)費有限，陸陸續(xù)續(xù)提供，所以超導(dǎo)電機的研究時間特別長，1992年我們完成了300千瓦低溫單導(dǎo)超級電機，當(dāng)時做完影響可以，電機的效果可以，但是低溫冷卻系統(tǒng)是4K的低溫，低溫冷卻系統(tǒng)龐大，所以在船舶使用不合適，中間隔了一段。2004年清華大學(xué)的韓老師從丹麥把高溫超導(dǎo)材料帶回國家，然后開展了研究。在863項目的滾動支持下，完成了一百千瓦的高溫超導(dǎo)電機和一個兆瓦的高溫超導(dǎo)電機。我們不能說做完報個獎就完事了，我們是想應(yīng)用的。那要應(yīng)用我們就分析應(yīng)用如何做？我們針對整個的船舶推進(jìn)和風(fēng)電，這兩個方向?qū)嶋H上2012—2015年中間還有一個小過程，針對于大容量電機的脫骨結(jié)構(gòu)進(jìn)行了驗證，然后2014年正好是有一個軍方項目的支持，我們立了20MW發(fā)電機的項目，然后這個對大容量電機的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了驗證，對核心的技術(shù)路線進(jìn)行了驗證，實際上后面的幾個圖也是代表了超導(dǎo)電機的整個發(fā)展方向，一個是推進(jìn)，一個是風(fēng)電。另外如果將旋轉(zhuǎn)改為直線的，對于大噸位的火箭發(fā)射、航天飛機的發(fā)射，包括軌道磁浮也是很有作用。

 

　　這是2MW在我們實驗室的照片，以及它主要的參數(shù)。這臺電機我們是針對推進(jìn)來做的，所以是有段蓋和軸承，如果將這個去掉，其他的輔助系統(tǒng)去掉，我們用的風(fēng)電是在40噸左右。剛才說了這臺電機主要的成果是驗證了大型超導(dǎo)電機總體的技術(shù)路線和核心的關(guān)鍵技術(shù)，應(yīng)該說目前是國際上第二個具備大容量高溫超導(dǎo)電機研制能力的國家。第一個是美國，德國的技術(shù)路線太Low了，我不看好德國和歐盟整個的技術(shù)路線。這是我們這臺電機的結(jié)果，上面是扭矩、下面是轉(zhuǎn)速，最底下是功率，右側(cè)是定子相電流波形，可以發(fā)現(xiàn)我們是非常完美的正向波，這是超導(dǎo)電機很重要的特點。

 

　　評價一臺電機，歐盟的項目技術(shù)方案比較落后，評價一臺電機的相對性。我們做了因子的設(shè)定，一個是在相同等級轉(zhuǎn)矩條件下的體積，重量轉(zhuǎn)矩密度高，體積小。另外是氣隙磁密水平，另外是相同等級轉(zhuǎn)矩條件下的冷媒工作溫度、冷媒量和降溫時間，因為風(fēng)電發(fā)電10兆瓦級，降溫太長時間對工程肯定是不好的。再者就是超導(dǎo)線的用量，主要考慮成本，還有是整機的相同轉(zhuǎn)矩下所實現(xiàn)的工藝性，也就是制造成本、難度和周期。針對這些，我們相對應(yīng)的總體的方案是整機降溫時間縮短了2/3，去年在德國訪問時，他們說德國那臺超導(dǎo)電機3.6個MW，降溫時間14天，半個月左右。同時我們整個的拓樸結(jié)構(gòu)提高軸系剛度和磁體運行穩(wěn)定性，以及超導(dǎo)線用量減少。另外是磁體方案做得很好，它的區(qū)域磁密達(dá)到了8.5—3.0的特斯拉，氣隙磁密達(dá)到了1.5—2.0，我們設(shè)計的是1.4。這一數(shù)值的話，目前國際上可查的超導(dǎo)樣機有實際樣機的里面是最高的。氣磁密基本上是常規(guī)的兩倍，還有關(guān)鍵技術(shù)上的一個提升。

 

　　這個是我們將前面的風(fēng)電結(jié)合起來，將我們的放進(jìn)去我們輸出做了一個對比。后面的三個是倒數(shù)第二個、第三個實際是有樣機的，察看的都是概念性的設(shè)計，有些高校搞的概念性設(shè)計都是很奇葩的，而且有些基本上是不可實現(xiàn)的。學(xué)術(shù)上不能做 這種批判，但是很不好的。比如說丹麥的這種磁場搞了9.1T，那你其他的漏磁場是非常大的，整個的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)無法滿足高磁密的結(jié)構(gòu)的。真正懂電機設(shè)計的話，我們電機小體積輕，磁密越高越好，但是高到一定的程度對我們的結(jié)構(gòu)提出了巨大的壓力，有不可實現(xiàn)性。

 

　　這是在超導(dǎo)風(fēng)電做了初步的概念性設(shè)計，這不是最終的設(shè)計。我們初步分了10個兆瓦級的超導(dǎo)電機外精6M，如果采用內(nèi)外電輸?shù)脑挘也荒苷f在超導(dǎo)電機能夠?qū)崿F(xiàn)，假如能夠?qū)崿F(xiàn)的話，這個參數(shù)直徑進(jìn)一步減少，相對的轉(zhuǎn)矩密度進(jìn)一步地提高。然后做了一些大量的概念性的設(shè)計，右側(cè)的圖是早些年的時候美超公司在宣傳超導(dǎo)電機在風(fēng)電應(yīng)用的時候他們所做的一些分析，這是起來研究上，也形象說出了超導(dǎo)電機的優(yōu)勢。

 

　　我們再匯報一下這個超導(dǎo)電機在風(fēng)電的應(yīng)用展望，我們從技術(shù)能力來說。通過前面我們的匯報，我們所在大型電機的設(shè)計能力方面具備了雄厚的積累，我們現(xiàn)在可以開展4—10兆瓦級的直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機的示范運營的研制能力。整個水平處于領(lǐng)先水平，如果美國30.5兆瓦的超導(dǎo)電機的團隊和人員沒有解散的話，他們還占優(yōu)勢，但是實際上國外團隊都是分散型的，這么多年以后都是私營企業(yè)，這些人都到別的國家地區(qū)去了。目前我們這個團隊比較穩(wěn)定的是堅定一個方向做研究的一個團隊，目前處于國際領(lǐng)先的水平，這不是一個驕傲，事實存在是這樣的。

 

　　另外是研究平臺，我們是有國防經(jīng)費的支持和實驗研究條件的提供，特別是條保等。目前我們正在籌建國家級超導(dǎo)應(yīng)用研究實驗室，或者是工程中心。另外是國內(nèi)配套，超導(dǎo)電機的發(fā)展，低溫和超導(dǎo)材料兩個與眾不同的特點，它的配套能力也是非常重要的。那么國內(nèi)的話現(xiàn)在主要還是以二代超導(dǎo)帶材發(fā)展為主，蘇州新材料、上海超導(dǎo)和上創(chuàng)超導(dǎo)三家國內(nèi)二代超導(dǎo)帶材公司均能提供小批量的帶材，而且我們右側(cè)上面的是蘇州新材料公司為我們提供的帶材，我們?nèi)ツ暝陧n國有一個合作項目做這個二代高溫超導(dǎo)磁體，做了一個樣機。那么另外一個是低溫，低溫也是我們集團下面的一個子公司，南京紅利（音）公司，水平已經(jīng)接近了日本住友。但是不敢說國際領(lǐng)先的，因為這塊技術(shù)的提升空間還是很有一些的。但是目前他們做到的維護(hù)周期可以達(dá)到一年以上，整個的壽命是在4萬小時。

 

　　實際上剛才所說都是我們的基礎(chǔ)和配套條件，但是真正制約超導(dǎo)發(fā)展，超導(dǎo)電機在風(fēng)力發(fā)電應(yīng)用是在成本問題。國外的是有的在400—500塊錢一米，超導(dǎo)材料。昨天我寫這個的時候很頭疼，說技術(shù)我們可以說一些，這個計算真的有點頭疼不知道怎么分析。從超導(dǎo)材料整個的消耗來計算。對10個兆瓦，因為現(xiàn)在的價格至少是要2240萬人民幣，這還是非常昂貴的。但是作為軍工裝備來說還是可以接受的。但是民用的話，這個估計是很難接受的，我們有一個設(shè)想，超倒帶材40元/米，整個的超導(dǎo)帶材費用640萬人民幣，我感覺這個相對來說好一些。但是40元/米，這個實際上就是說應(yīng)該說是可以去各個生產(chǎn)廠家，就是產(chǎn)能批量化以后，產(chǎn)業(yè)化以后可能能夠接近的，甚至是有可能比這個更低的，當(dāng)時我們研究所王院士對各個廠家提出的是10元/米。一個是成本，另外一個是產(chǎn)能的問題，這兩個結(jié)合在一起，我認(rèn)為都是產(chǎn)業(yè)化的問題，假如說我們的需求上來的話，產(chǎn)能提高上去，這兩個都是可以去解決的。

 

　　最后做一個結(jié)語。首先就是說在前面的分析，超導(dǎo)電機在10MW級，實際上剛才所說的是兩個兆瓦，兩個兆瓦左右的優(yōu)勢是不明顯的，是不建議去工程化的。那么比如說我們這里建議的是在10MW級或者是以上的這種特大型的直驅(qū)風(fēng)力發(fā)展它具備絕對顯著的體積和重量優(yōu)勢。這里面還要再說一下，因為超導(dǎo)我們的氣隙比常規(guī)電機大得很多，比如說昨天袁老師寫的是8個毫米的氣隙，我們這里做10個、20個都是可以的，這對風(fēng)力的震動會有很好的阻力效應(yīng)，或者是適用效果。另外是在國內(nèi)，國內(nèi)超導(dǎo)電機的研究也已經(jīng)具備一定的研究基礎(chǔ)，國內(nèi)的配套也基本完善，我們可以開展超導(dǎo)電機這方面示范的條件。第三個是表達(dá)一些我們所合作的心態(tài)，我們希望能夠與各位風(fēng)電的同仁合作，在你們的指導(dǎo)和幫助下，我們把超導(dǎo)電機將它做完善，特別是超導(dǎo)風(fēng)電的產(chǎn)業(yè)化方面做出我們的貢獻(xiàn)。

 

　　（內(nèi)容來自現(xiàn)場速記，未經(jīng)本人審核）