不讓大容量風機「頭重腳輕」易傾斜,美能源部投入輕型發動機研究

發佈日期: 2019 年 05 月 27 日 16:00 | 作者: | 分類: 產業資訊

離岸風機正朝著 10MW 以上大容量發展,拚藉由提高發電量來降低整體成本,只不過隨著尺寸增加、葉片拉長,風力頂端也會愈來愈重,因此避免風機出現「頭重腳輕」容易傾斜情形,要如何減輕風機葉片、發電機的重量已成為產業共同面對的挑戰。

目前不少國家已投入新一代風力發電機研究,美國離岸風電雖然處於起步狀態,但近年來已積極在東海岸推動風場計畫,並致力打造在地產業鏈,將離岸風電產業根留美國,與此同時也推出抗颶風、新型發電機等研究,5 月初美國能源部(DOE)更投注 800 萬美元研發下一代離岸風力發電機。

全新計畫旨在開發更高效、更小,重量更輕的發電機,研究包括直接驅動發電機(direct-drive generator)與超導發電機,並涵蓋 ABB、WEG、美國超導體公司(AMSC)、奇異(GE)4 家廠商。DOE 認為,若研發有成,就可以將發電機尺寸與重量縮減 50%,進一步使風能均化發電成本降低 10% 到 25%。

其中直接驅動發電機的特性是用永久磁鐵(permanent magnet)取代傳統的齒輪箱,也被稱為無齒輪風力發動機,永久磁鐵會在線圈內旋轉進而發電、將機械能轉換成電能,而免去齒輪箱這一傳統零件更使得新發動機尺寸比較小,也更輕、更便宜,最重要的是,大幅降低製造所需的稀土。

ABB 所研發的輕型雙定子發電機(double stator generator)跟 WEG 的高效永磁直趨式發電機就屬上述技術,除此之外,ABB 也聲稱新型系統採用開創性的磁鐵冷卻系統,不僅能用在齒輪箱與直驅設計,更有機會研發出 15MW 的超大型風機。

另一方面,超導發電機為採用磁場更強的超導電感元件,發電容量有望比常規發電機還要高 5 到 10 倍,而重量、尺寸、稀土含量也都能大幅下降,像是先前歐盟資助的 EcoSwing 專案也運用超導材料打造發電機,成功將稀土使用量下降到 1,000 克,減輕風機重量與尺寸之餘,成本也從每公斤 45.50 美元下降到 18.70 美元。

在該專案中,AMSC 也透過高溫超導體(HTS)材料研發新型發電機,將尺寸與重量降低 50%;GE 則是利用自家的核磁共振成像開發出高效超輕低溫超導體(LTS)發電機,有望將單支風機容量提高到 12MW。

不過高溫超導發電機研發不易,超導發電機得在攝氏 -269 超級低溫下才能有效運作,這通常需要氦氣來維持冷卻,使得專案研究過程一切都很「冷」,還需逐一突破難題才能達成大規模商業化。

DOE 將贊助每個專案 40 萬美元,通過設計和分析階段後,還會提供其中一項專案 640 萬美元,用來補助新型風力發電機原型與測試,至於最後補助能落誰家,還得看這 4 家廠商們的努力。

(合作媒體:科技新報。首圖來源:Department of Energy and Climate Change via Flickr CC BY 2.0)

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