專利名稱：用于風力應用的包括超導直接驅(qū)動發(fā)電機的系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的實施例概要地涉及超導發(fā)電機，更具體來說，涉及用于 風力應用的包括超導直接驅(qū)動發(fā)電機的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在這方面，已經(jīng)通過構(gòu)建超導材料("超導體")而不是普通銅材 料的發(fā)電機勵磁線圏(它通常承載近似直流)來制作超導發(fā)電機。與例 如銅等傳統(tǒng)導體相比，超導體的重量通常較輕、尺寸較小(例如相對 于載流容量)，并且在傳導電流(特別是在較低頻率)時也更為有效。 因此，風力應用、如風力渦輪發(fā)電機中超導體的使用提供諸如更有效 的性能、較低發(fā)電機重量、非變速箱直接驅(qū)動操作以及較低制造和安 裝成本等的有益效果。但是，超導體要求極冷的操作溫度(例如大約
-269至-196攝氏度或者4至77開氏度)以便進行超導，同時超導體 在承載非交流("DC")電流時具有零阻抗，在攜帶交流("AC")電流 時，阻抗隨頻率增加而增加，這導致抵消上述有益效果的發(fā)熱形式的 損耗。因此，超導發(fā)電機的電樞線圈(它通常承載較高頻率的AC電流) 仍然由銅構(gòu)成。但是，將超導體用于風力應用中使用的超導發(fā)電機的 電樞線圈是合乎需要的。
發(fā)明內(nèi)容
在一個示范實施例中，用于風力應用的包括超導直接驅(qū)動發(fā)電機 的系統(tǒng)包括超導直接驅(qū)動風力發(fā)電機，它包括由第 一超導材料構(gòu)成的 電樞線圈以及由第二超導材料構(gòu)成的勵^磁線圈，其中，在發(fā)電機運行 期間，電樞線圈和勵磁線圈進行電磁通信，并且勵磁線圈響應通過其的勵磁電流而產(chǎn)生磁場，磁場在生成電力輸出的電樞線圈中感應輸出 電流。
另一個示范實施例包括一種用于發(fā)電的系統(tǒng)，它包括超導發(fā)電 機，包括由第 一超導材料構(gòu)成的電樞線圈以及由第二超導材料構(gòu)成的 勵磁線圏，其中，在發(fā)電機運行期間，電樞線圈和勵磁線圈進行電磁 通信，并且勵i茲線圈響應通過其的勵》茲電流而產(chǎn)生》茲場，,茲場在生成 電力輸出的電樞線圏中感應輸出電流；以及渦輪轉(zhuǎn)子，以直接驅(qū)動配 置與發(fā)電機連接。
另一個示例實施例包括一種風力渦輪電力系統(tǒng)，它包括超導發(fā) 電機，包括由超導材料構(gòu)成并且與發(fā)電機的轉(zhuǎn)子附連的電樞線圈以及 由超導材料構(gòu)成并且與發(fā)電機的定子附連的勵磁線圈；以及渦輪轉(zhuǎn) 子，以直接驅(qū)動配置經(jīng)與發(fā)電機的轉(zhuǎn)子連接的軸與發(fā)電機連接，其中， 渴輪轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動使勵磁線圏附近的電樞線圈轉(zhuǎn)動，這在電流通過勵磁 線圈被輸入時從電樞線圈生成電力輸出。
通過參照附圖閱讀以下詳細描述，會更好地理解這些及其它特 征、方面和優(yōu)點，附圖中，相似符號在整個附圖中表示相似部件，其
中
圖1是根據(jù)本發(fā)明的示范實施例、包括超導發(fā)電機的示范風力系 統(tǒng)的圖示。
圖2是圖1的超導發(fā)電機的示范截面圖的圖示。
具體實施例方式
在以下詳細描述中，闡明大量具體細節(jié)，以便提供對各種實施例 的透徹理解。但是，即^f吏沒有這些具體細節(jié)也可實施實施例。在其它 情況下，沒有詳細描述眾所周知的方法、過程和組件。
此外，各種操作可描述為以有助于理解本發(fā)明的實施例的方式所執(zhí)行的多個分立步驟。但是，描述的順序不應當理解為暗示這些操作 需要按照它們所表述的順序來執(zhí)行或者它們甚至是順序相關(guān)的。此 外，短語"在一個實施例中"的重復使用不一定都表示同一個實施例， 盡管也可能表示同 一個實施例。最后，本申請中所使用的術(shù)語"包含"、 "包括"、"具有"等是同義的，除非另有指示。
與相同或相似容量的傳統(tǒng)發(fā)電機相比，超導發(fā)電機(例如具有一 個或多個超導組件的發(fā)電機)提供更輕的重量、更小的尺寸以及更有 效的操作，因此在例如風力渦輪系統(tǒng)等風力應用中是有利的。直接驅(qū) 動超導發(fā)電機可運行于足夠低的頻率，以便除了超導勵磁線圈之外還 允許包括超導電樞線圈，從而在風力應用中提供甚至更高程度的上述 有益效果。
圖1示出根據(jù)本發(fā)明的示范實施例、包括超導發(fā)電機102的示范 風力系統(tǒng)IOO。示范系統(tǒng)IOO還包括其中包括一個或多個葉片105的 渦輪轉(zhuǎn)子104。渦輪轉(zhuǎn)子104以直接驅(qū)動配置與發(fā)電機102連接。例 如，渦輪轉(zhuǎn)子104可經(jīng)軸106與發(fā)電機102連接。風力系統(tǒng)100的發(fā) 電機102、渦輪轉(zhuǎn)子104的一個或多個部分、軸106和其它組件(未 示出)可以至少部分包含在殼體108中，殼體108在現(xiàn)有技術(shù)中也可 稱作"才幾搶(nacelle)"。
發(fā)電機102和渦輪轉(zhuǎn)子104由支撐結(jié)構(gòu)110支撐，支撐結(jié)構(gòu)110 是能夠在地面或其它表面之上支撐這些組件的結(jié)構(gòu)。如圖所示，支撐 結(jié)構(gòu)IIO還可支撐包括其中所包含組件的殼體108。雖然未示出，但 是，電力承載導體(例如電纜)能與發(fā)電機102的輸出連接，并且沿支 撐結(jié)構(gòu)IIO(例如在內(nèi)部或外部)延伸下來，以便與電網(wǎng)(例如發(fā)電、
配電和/或#r電系統(tǒng))連^妻。
圖2示出圖1的超導發(fā)電機102的示范截面圖。如圖所示，發(fā)電 沖幾102包括外同心組件204和內(nèi)同心組件206。在一些實施例中，外 組件204可以是發(fā)電機102的定子(即固定部分)，而內(nèi)組件206可以 是(例如以內(nèi)部轉(zhuǎn)子配置的)發(fā)電機102的轉(zhuǎn)子(即轉(zhuǎn)動部分)。但是，在其它實施例中，外組件204可以是發(fā)電沖幾102的轉(zhuǎn)子，而內(nèi)組件 206可以是(例如以外部轉(zhuǎn)子配置的)發(fā)電機102的定子。間隙(或"空 氣間隙")205包含在外組件204與內(nèi)組件206之間，并且允許它們 之間的運動(例如轉(zhuǎn)動)。此外，在一些實施例中，軸106可如圖所示 與內(nèi)組件206連接，而在其它實施例中，軸106可與外組件204連接。
發(fā)電機102還包括與外組件204附連的一個或多個載流導體("線 圏，，)208的第一集合以及與內(nèi)組件206附連的一個或多個載流導體 ("線圏")210的第二集合。在發(fā)電機102的運行期間，這些線圈208、 210進行電i茲通信。在一些實施例中，線圏208可以是發(fā)電機102的 電樞線圈，而線圈210可以是發(fā)電機102的勵/磁線圈。在其它實施例 中，線圈208可以是發(fā)電才幾102的勵;茲線圏，而線圈210可以是發(fā)電 機102的電樞線圈。在這類實施例中，勵磁線圈與勵磁電流源(例如 "勵磁機")連接，通過其中的電流產(chǎn)生跨躍勵磁線圈的磁場，以及 電樞線圈與發(fā)電機102的輸出連接(例如經(jīng)輸出端子)，以便傳導輸出 電流和電力輸出。雖然示出幾個線圈208、 210，但是，在各種實施 例中，分別在外組件206和內(nèi)組件208周圍可存在更多或更少的線圈 208、 210和/或其繞組，例如以便配置發(fā)電機102的極數(shù)，并由此配 置發(fā)電機102的發(fā)電頻率和/或其它運行特性。
勵磁線圈、如線圈210由例如鈮-鈦(NbTi)、鈮-錫(Nb3Sn)或鎂-硼(MgB》等超導材料構(gòu)成。此外，根據(jù)本發(fā)明的示范實施例，電樞線 圏、如線圈208也由例如NbTi、 Nb3Sn或MgB2等超導材料構(gòu)成，而不 是由傳統(tǒng)超導發(fā)電機中那樣由銅構(gòu)成。在一些實施例中，線圈208、 210由不同的超導材料構(gòu)成，而在其它實施例中，它們由相同的超導 材料構(gòu)成。此外，在一些實施例中，電樞線圈208和/或勵》茲線圈210 可由例如鉍鍶鉤銅氧化物(例如BSCCO-2212或BSCCO-2223)或者 釔鋇銅氧化物(例如YBa2Cu307或"YBCO")等高溫超導體(HTS)構(gòu) 成。
在示范操作中，風通過葉片105上方，由此使渦輪轉(zhuǎn)子104轉(zhuǎn)動。這種轉(zhuǎn)動引起發(fā)電機102的轉(zhuǎn)子(例如內(nèi)組件206)的相應轉(zhuǎn)動，這可 例如經(jīng)軸106進行，因為發(fā)電機102以直接驅(qū)動配置與渦輪轉(zhuǎn)子104 連接。因此，勵磁線圏(例如線圈210)在電樞線圈(例如線圈208)附 近轉(zhuǎn)動。引起例如是近似DC(例如接近一赫茲或更小)的勵》茲電流例 如經(jīng)勵;茲機流過勵z磁線圈210。勵》茲線圏210響應這個勵》茲電流而產(chǎn) 生磁場，以及當勵磁線圈210在電樞線圏208附近轉(zhuǎn)動時，該磁場在 電樞線圈208中感應輸出電流。與跨躍電樞線圏208產(chǎn)生的電壓耦合 的該輸出電流生成例如經(jīng)電力電纜從發(fā)電機102到電網(wǎng)的電力輸出。
作為直接驅(qū)動發(fā)電機102，發(fā)電機102配置成運行于大約每分鐘 10至25轉(zhuǎn)(rpm)的轉(zhuǎn)速，以及感應頻率大約為1至10赫茲(Hz)(或 周期/秒)的電樞電流。這種低頻特性允許使用超導電樞線圈208而沒 有例如因發(fā)熱損耗而抵消或消除超導材料的有益效果，這種發(fā)熱損耗 會出現(xiàn)在傳統(tǒng)風力系統(tǒng)超導發(fā)電機中，其運行于(例如變速箱驅(qū)動) 較高轉(zhuǎn)速并且產(chǎn)生較高頻率電樞線圈電流。
本書面描述使用包括最佳模式的示例來公開本發(fā)明，并且還允許 實施本發(fā)明，包括制作和使用任何裝置或系統(tǒng)，以及執(zhí)行任何結(jié)合方 法。本發(fā)明的專利范圍由權(quán)利要求來定義，并且可包括其它示例。如 果這類其它示例具有與權(quán)利要求的文字語言完全相同的結(jié)構(gòu)元件，或 者如果它們包括具有與權(quán)利要求的文字語言非實質(zhì)差異的等效結(jié)構(gòu) 元件，則它們意在處于權(quán)利要求的范圍之內(nèi)。各部分列表
風力系統(tǒng)100 超導發(fā)電機102 渦輪轉(zhuǎn)子104 葉片105 軸106 殼體108 支撐結(jié)構(gòu)110 外同心組件、定子204 間隙、空氣間隙205 內(nèi)同心組件、轉(zhuǎn)子206
一個或多個載流導體、線圈、電樞線圈208的第一集合 一個或多個載流導體、線圈、勵磁線圏210的第二集合
權(quán)利要求
1.一種用于發(fā)電的系統(tǒng)(100)，包括超導直接驅(qū)動風力發(fā)電機(102)，包括由第一超導材料組成的電樞線圈(208)；以及由第二超導材料組成的勵磁線圈(210)；其中，在所述發(fā)電機(102)的運行期間，所述電樞線圈(208)和所述勵磁線圈(210)進行電磁通信，以及所述勵磁線圈(210)響應通過它的勵磁電流而產(chǎn)生磁場，所述磁場在生成電力輸出的所述電樞線圈(208)中感應輸出電流。
2. 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)(100),其中，所述發(fā)電機(102) 配置成運行于每分鐘10至25轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速。
3. 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)(IOO)，其中，所述發(fā)電機(102)配 置成感應頻率為1至10赫茲(Hz)的輸出電流。
4. 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)(IOO),其中，所述電樞線圈(208) 與所述發(fā)電機(1G2)的定子(204)附連，而所述勵,茲線圈(210)與所述 發(fā)電機(102)的轉(zhuǎn)子(206)附連。
5. 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)(IOO)，其中，所述電樞線圈(208) 與所述發(fā)電機(102)的轉(zhuǎn)子(206)附連，而所述勵;茲線圈(210)與所述 發(fā)電機(102)的定子(204)附連。
6. 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)(IOO),其中，所述第一超導材料是 鈮-鈦(NbTi)、鈮-錫(Nb3Sn)或鎂-硼(MgB2),以及所述第二超導材料 是NbTi、 NbsSn或MgB2。
7. 如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)(100)，其中，所述第一超導材料 與所述第二超導材料相同。
8. 如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)(IOO)，其中，所述第一超導材料是 包括鉍鍶鉤銅氧化物(BSCCO)或者釔鋇銅氧化物(YBCO)的高溫超 導體。
9. 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)(100),其中，所述第二超導材料是 包括鉍鍶鉤銅氧化物(BSCCO)或者釔鋇銅氧化物(YBCO)的高溫超導體。
10. 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)(IOO)，還包括以直接驅(qū)動配置 與所述發(fā)電機(102)連接的渦輪轉(zhuǎn)子(104)。
11. 如權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)(1G0)，還包括支撐所述發(fā)電機 (102)和所述渦輪轉(zhuǎn)子(104)的支撐結(jié)構(gòu)(110)。
全文摘要
本發(fā)明名稱為“用于風力應用的包括超導直接驅(qū)動發(fā)電機的系統(tǒng)”。一種用于發(fā)電的系統(tǒng)(100)包括超導直接驅(qū)動風力發(fā)電機(102)，它包括由第一超導材料構(gòu)成的電樞線圈(208)以及由第二超導材料構(gòu)成的勵磁線圈(210)，其中，在發(fā)電機(102)的運行期間，電樞線圈(208)和勵磁線圈(210)進行電磁通信，并且勵磁線圈(210)響應通過其的勵磁電流而產(chǎn)生磁場，磁場在生成電力輸出的電樞線圈(208)中感應輸出電流。
文檔編號H02K55/00GK101527498SQ20091012747
公開日2009年9月9日 申請日期2009年3月6日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月6日
發(fā)明者E·T·拉斯卡里斯, J·W·布雷, K·西瓦蘇布拉馬尼亞姆 申請人:通用電氣公司