超导材料和直接驱动技术是否可以解决风力电机的难题？

风力发电机，每一个扇叶都将近60米长，面对着浪花在塔顶上转动，大约250吨的机舱里面装着涡轮发电机和其他需要发电的东西。如果所有的东西都放大一倍，再放大五倍，庞大的体积和重量是海上风电场的建设者最终面临的问题。一般来说，每台涡轮机功率越大越好，风电场运营商一直要求更高功率的海上涡轮机。如果用当今的技术建造一个20兆瓦的风力发电机，机器顶部的重量非常大，仅其机舱就将重达近1100吨，涡轮机的三个叶片本身重量接近40吨，跨度超过250米，需要重达1800吨的基座，才能支撑所有这些结构物，高出海浪约170米。

技术创新集中在电机的转子上

风力涡轮机很复杂，它们是机械、磁和电过程相互作用的结果，随着参数的每一次调整而以复杂的方式变化。它们基本上都有相同的基本条件和组成部分，叶片以相当快的速度转动，有很大的扭矩。缓慢的速度远不是理想的发电速度，因此在齿轮涡轮机中，齿轮箱可以提高速度数百倍，借助齿轮箱的快速旋转用于发电机的旋转。但为了降低维护成本，一些制造商正转向一种叫做直接驱动的替代海上涡轮技术，这种技术不需要变速箱。转子是一个巨大的圆环，里面有许多极性交替的永磁体，发电机的另一个关键部件定子，它环绕着转子，它包括转子磁场感应电压的铜线线圈。

超导线圈有望减轻风力电机的重量

为了减轻发电机的重量，用更轻的由超导线圈制成的电磁铁代替直接驱动的永磁体，电磁铁相对较轻，超导体可以携带大量电流，它们具有高电流密度，铜导体的最大横截面为每平方毫米几个安培。在为超功率10兆瓦涡轮机项目建造的实验性超导涡轮绕组中，电流密度跃升到惊人的58 A/mm~2。设计要求使用163公吨的发电机，与采用当今的永磁技术建造的东西相比，其重量可减轻26％。

高温超导体（如氧化钇钡铜（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，温度足以用廉价的液氮而不是昂贵的液氦冷却。几年前，氧化钇钡铜的一家领先制造商AMSC生产了一种粗糙的涡轮设计，但最近欧洲超导风力涡轮机项目中的大多数都独立地解决了另一种超导体—二硼化镁。

二硼化镁的超导电性是在2001年才被发现的，它在低于40k时才失去电阻，但它的成本要低得多，以至于在每一项成本分析中都超过了氧化钇钡铜，每米4欧元（合4.63美元）的二硼化镁，也许不是性能最好的材料，但它的性价比最好。

转子线圈由扁平铜线制成，其中嵌入了一根二硼化镁线，铜强化了相对易碎的二硼化镁，并将热量从中带走， 超导体二硼化镁的细丝包裹在铜和其他元素的带状支撑结构中。然后，丝带被小心地卷成“赛道”形状，形成涡轮的大功率电磁铁，线圈的几何形状是最困难的部分。“赛道”线圈的形状大致呈矩形，尖角会在电线上产生应力，从而导致超导体破裂，必须开发一种特殊的工具来进行缠绕。

直接驱动技术

直接驱动技术在效率上超过了超导设计，通过在低风速下保持高效率而获得最大收益，超导电机也能达到相当高的效率，但它需要一个冷却系统，即使在风力不大的情况下，冷却系统也会不断消耗能量。考虑其他因素，如建造成本，分散在涡轮的25年寿命，效率对成本有更直接的影响。