מבוא: התפקיד הקריטי של מגנטים ברוח המודרנית Turbines

אנרגיית הרוח ממשיכה להתרחב כאבן הפינה של תערובת האנרגיה המתחדשת העולמית.על פי מועצת האנרגיה העולמית של הרוח העולמית, יכולת הרוח המותקנת כיום עולה על 900 GW ברחבי העולם.כאשר מפתחים דוחפים טורבינות גדולות ויעילות יותר כדי להפחית את העלות המותאמת של אנרגיה (LCOE), כל רכיב חייב לספק ביצועים מקסימליים.אחד המרכיבים המשפיעים ביותר אך לעתים קרובות להתעלם מהם הוא הגנרטור, ובמיוחד את המגנטים הקבועים שמאפשרים ללא חשמל חיצוני.

היעילות, האמינות והעלות של גנרטור טורבינות רוח קשורות ישירות לחומרים המגנטיים המשמשים.קידום טכנולוגיות מגנטיות – החל מסגסוגת חדשה לייצור חידושים – מאפשרת לטורבינות לייצר יותר כוח ליחידת שטח רוטור, לפעול באופן אמין בסביבה קשה, ולהפחית את התלות על אלמנטים נדירים-earth. מאמר זה בוחן את מצב הטכנולוגיה הנוכחית של גנרטורים טורבינות, פריצות דרך, והבטחות עתידיות להאיץ את המהירות של אנרגיה נוספות.

הבנת טכנולוגיית מגנטית ב- Wind Turbine Generators

רוב טורבינות הרוח המודרניות להשתמש גנרטורים כפולים (Def) עם הילוכים או ישירות כונן מגנטי קבוע synchronous גנרטורים (PMSG) עיצוב PMSG, במיוחד, צבר פופולריות עבור offshore ו טורבינות על החוף גדול כי זה מבטל את תיבת הילוכים, צמצום תחזוקה ואמינות מוגברת.

הביצועים של PMSG תלויים במידה רבה על צפיפות השטף המגנטית והיציבות התרמית של המגנטים. מגנטים חזקים יותר מאפשרים גנרטור קטן יותר, בהיר יותר עבור אותו פלט חשמל, או לעומת זאת, תפוקת חשמל גבוהה יותר מאותו גודל הגנרטור.זה משפיעה ישירות על משקל התא של טורבינה, דרישות מבניות המגדל, ועלות ההון הכוללות.

חומרים מגנטיים מסורתיים: Neodymium-Iron-Boron (NdFeB)

מאז שנות ה-80, החומרים הדומיננטיים של מגנטים קבועים בעלי ביצועים גבוהים כבר ניאודימיום-ברזל-ברזל (NdFeB) מגנטים אלה מציעים את המוצר האנרגיה הגבוה ביותר (BHmax) בין מגנטים קבועים זמינים מסחרית, המאפשר צפיפות גבוהה להורדת גבוהה בגנרטורים.עם זאת, מגנטים NdFeB מכילים כ 30% ניאודימיום (Nd) על ידי משקל, נדיר נדיר נדיר-earth יקר של קיבולת של מחזורית נדיר של תאים רדיואקטיביים נדירים, לעתים קרובות.

למרות חסרונות אלה, הביצועים המגנטיים של NdFeB כבר קשה להחליף.החזרות הגבוהה של החומר ואת coercivity מאפשרים גנרטורים לפעול בטמפרטורות גבוהות (עד 150 מעלות צלזיוס) ללא ירידה במגנטיזציה, אשר קריטי עבור טורבינות שנחשפו לרכיבה תרמית ושמש ישיר.

תפקיד מגנטית וטמפרטורות יציבות

מגנטים בגנרטורים של טורבינות רוח הם מדורגים על ידי המוצר האנרגיה המקסימלי שלהם (מחושים ב MGOe) ועל ידי שיעור טמפרטורה (למשל, N, H, SH, UH) עבור טורבינות offshore הפועלות ב תרסיס מלח קורוזי ותנאים תרמיים משתנים, גבוה יותר רמות טמפרטורה כמו (150C) או UH (180 ° C) נדרשים התקדמות לאחרונה בסגסוגת המיוצרים NBeartium יקר יותר עם חומרים איטי יותר מאשר חומרים איטי יותר מאשר רמות גבוהות יותר מאשר לעתים קרובות יותר מאשר רמות גבוהות יותר מאשר חלש יותר מאשר רמות גבוהות יותר מאשר רמות גבוהות יותר מאשר נמוך יותר מאשר נמוך יותר מאשר ניאו-C) או UH (180 מעלות צלזיוס) או UH (180 מעלות צלזיוס) או UH) נדרשים לעתים קרובות יותר מאשר רמות גבוהות יותר מאשר לעתים קרובות יותר מאשר נמוך יותר מאשר נמוך יותר מאשר רמות גבוהות יותר מאשר רמות גבוהות יותר מאשר נמוך יותר מאשר רמות גבוהות יותר מאשר נמוך יותר מאשר נמוך יותר מאשר נמוך יותר מאשר רמות גבוהות יותר מאשר נמוך יותר מאשר רמות גבוהות יותר מאשר נמוך יותר מאשר נמוך יותר מאשר רמות גבוהות יותר מאשר רמות גבוהות יותר מאשר נמוך יותר מאשר נמוך יותר מאשר נמוך יותר מאשר נמוך יותר מאשר נמוך יותר מאשר נמוך יותר מאשר נמוך יותר מאשר נמוך יותר מאשר רמות גבוהות יותר מאשר רמות גבוהות יותר מאשר רמות גבוהות

נכס חשוב נוסף הוא הגורם הריבועי של עקומת דה-מגנטיזציה. ריבוע גבוה מבטיח כי מגנטי שומרת על מלוא עוצמתו עד השדה ההפוך החל מתקרב לסף התווך, ואז טיפות בחדות.התנהגות זו חיונית למניעת דה חלקית במהלך תנאים פגומים כגון מעגלים קצרים או הפרעות רשת.

התקדמות טכנולוגית מגנטית עבור Wind Turbines

מונע על ידי סיכוני שרשרת האספקה ודאגות סביבתיות, הן מחקר אקדמי ותעשייתי להאיץ את הפיתוח של חומרים מגנטיים חלופיים וטכניקות ייצור.ההתקדמות הזו נועדה להפחית או לחסל תוכן נדיר, עלויות נמוכות יותר ולשפר את הביצועים בתנאים טורבינות רוח תובעניים.

צמצם את המגנטים הנדירים והבודדים של כדור הארץ

כמה מסלולים מבטיחים יצאו:

  • (FLT:0) NdFeB עם תוכן ניאודימיום מופחת:FLT 1 על ידי שינוי מבנה הדגנים ושימוש בכמויות קטנות של צוואר הרחם או lanthanum - יותר בשפע ופחות יקר אלמנטים נדירים - חוקרים יצרו מגנטים עם ביצועים דומים למגנטים סטנדרטיים NdFeB. Cerium-substitued מגנטיים (למשל, ND) יכול להפחית עלויות בינוניות מספיקות ל- 30 מעלות צלזיוס) על ידי שמירה על ידי מגנטיות סטנדרטיות סטנדרטיות סטנדרטיות (pB).
  • (FLT:0) מגנטים מבוססי-פלרלי: ההרחבה של Barium או Sterentium ferrite מגנטיs זולים, מכילים לא אדמה נדירה, והם זמינים נרחבים.מוצר האנרגיה שלהם הוא רק כ-4 MGOe בהשוואה ל-50 MGOe עבור NdFeB, כלומר גנרטורים גדולים יותר ויותר כבדים נדרשים.
  • (FLT:0) AlNiCo (aluminum-nickel-cobalt) מגנטים: ibph:1 אלה מציעים יציבות טמפרטורה מעולה (עד 500 מעלות צלזיוס) ונכסים מגנטיים בינוניים.הם משמשים לעתים רחוקות בגנרטורים רוחיים בשל קוהרנטיות נמוכה, אך שיטות עיבוד חדשות (למשל, לחץ חם) שיפרו את התנגדותם demagnetization.
  • (FLT:0) MnBi (manganese-bismuth) מגנטים: ⁇ 1 A מבטיח חלופה ללא-earth-earth חינם עם coercivity גבוהה ואפקט טמפרטורה חיובי של coercivity - לא כמו רוב מגנטים, ההתנגדות שלהם לדהמהורציה משתפרת בטמפרטורות גבוהות יותר.

טכניקות ייצור מתקדמות

גם כאשר משתמשים בהרכבות NdFeB מבוססות, תהליכי ייצור חדשים מספקים ביצועים טובים יותר ועלויות נמוכות יותר:

  • (FLT:0) חם-דהפור (HD) NdFeBrea:FLT:1 תהליך זה משתמש עיוות מכני בטמפרטורות גבוהות כדי להתאים דגנים ננוקריסטלליין, השגת מוצר אנרגיה מקסימלי כמעט תיאורטי (עד 55 מ"ג) ללא תוספת נדירה-earth הנדרשת בדרך כלל עבור מגנטים מטומטמים.
  • (FLT:0) ייצור מתורבת (3D הדפסה) של מגנטים:FLT ( 1:1 הדפסה ישירה מאפשר מגנטית מורכבת גיאוגרפית מורכבת כגון קשתות מעוקלות או ערוצי קירור מוטבעים אשר מייעלים את המעגל המגנטי ולשפר את הניהול התרמי.זה יכול להגביר את יעילות הגנרטור על ידי 1–2% ולהקטין פסולת חומרית עד 90% בהשוואה למנצ'ינג קונבנציונלי.
  • (FLT:0 ,Bonded מגנטים עם כובלים מתקדמים:BuildFLT:1 Mixing אבקה מגנטית עם כונני פולימר ולאחר מכן הזרקת עובש או דחיסה מאפשר ייצור של מגנטים אנראריים גדולים עם סובלנות הדוקה. New high-tempture Cableers (למשל, פוליפנולן sulfide) מאפשר מגנטים עמידים בפני 150 מעלות צלזיוס, לפני כן, רק עם מגנטים אפשריים עם מגנטים.

Halbach Array ו-Gמטריה Mags

הסדר של מגנטים על הרוטב יכול להשפיע באופן משמעותי על הפצת פלוקס.המערך הליבך, שבו מגנטים של אוריינטציה משתנה ממוקמים ברצף, מתמקד השדה המגנטי בצד אחד (לעמוד על הממריץ) תוך כמעט ביטולו על השני (לעמוד על המשטח של מגנטיות רוטטור) זה מבטל את הצורך בגיונית מגנטית אחורית, צמצום משקל ובטורבינה המודרנית הם מאמצים יותר ויותר ממערך טמפרטורות מגנטיות מתקדמות למגנטיות או מ-15 מגנטיות מתקדמות.

ההשפעה של מגנטית מתקדמת על Wind Turbine Efficiency וביצועים

השיפורים המתוארים לעיל תרגם ישירות להטבות למדידה עבור מפעילי טורבינות רוח ומפתחים.

אנרגיה גבוהה יותר וגורם יכולת

מגנטים חזקים יותר מאפשרים גנרטורים לייצר יותר כוח במהירויות סיבוביות נמוכות יותר.בטורבינה ישירה, זה אומר שלכידת אנרגיה מתחילה במהירויות רוח נמוכות (מהירות חתלתול ניתן להפחית מ 4 מ"ג ל 3 מ"מ / s) במהלך שנה, זה יכול להגדיל את הגורם הקיבולת על ידי 2 עד 5 נקודות, אשר עבור 5MW יכול להוסיף מעל 400h של ייצור אנרגיה שנתי, בנוסף, שיפור הפחתת עוצמת חום, אפילו עם טמפרטורות גבוהות יותר מאשר ימים.

גודל גנרטור מופחת, משקל, ועלויות

הברזל ונחושה בחשבון גנרטור עבור חלק גדול של המסה והעלות שלה.על ידי שימוש במגנטים עם מוצר אנרגיה גבוה יותר, את השטף הדרוש ניתן לייצר עם פחות ליבה ברזל ופחות סיבובי רוח.A 6MW PMSG באמצעות המדינה-of-the-art NdFeB מגנטיs יכול לשקול כ 80 טון; להחליף אותו עם רמה גבוהה יותר של אנרגיה מתחדשת מגנטי יכול להפחית את המשקל ל -10 מעלות צלזיוס) כדי להפחית את משקל נמוך יותר.

שיפור יכולת וצמצום תחזוקה

גנרטורים של Wind טורבינות כפופים לרטטט, רכיבה תרמיים ולחות. קורוזיה של משטחים מגנטיים היא גורם מוביל להשפלה.התקדמות בטכנולוגיות ציפוי - כגון אלומיניום ion vapor deposition (IVD) או epoxy מבוסס ציפויים - עכשיו לספק יותר מ-5,000 שעות של עמידות מלח, מעל הדרישות של מתקנים offshore.

יתר על כן, חומרים מגנטיים חדשים עם גסות פנימית גבוהה יותר הם פחות רגישים לדהמה בלתי הפיכות של הרמוניות או תקלות רשתיות בלתי פתירות.זה מאפשר למעצבים לפשט אסטרטגיות ולצמצם את שולי הבטיחות שנדרשו קודם לכן, להפחית את העלות הכוללת של המערכת.

יתרונות סביבתיים ושרשרת האספקה

הפחתת התלות על ניאודימיום ודיספרוזיום מורידה את טביעת הרגל הסביבתית של טורבינות הרוח.הכרייה והעיבוד של אלמנטים נדירים-earth מייצרים כמויות גדולות של זנבים רעילים ודורשות קלטות אנרגיה משמעותיות. חלופות נדירות-חופשיות כגון ferrite או MnBi, אפילו אם כבד יותר, מציעים נתיב למגנטים בר קיימא באמת.

כיוונים עתידיים וטכנולוגיות מתפתחות

החיפוש אחר מגנטיות טוב יותר של טורבינות רוח ממשיך.כמה התפתחויות מרגשות הן באופק, עם פוטנציאל לשנות את התעשייה.

ביו-מבוסס ו-Recyclable מגנטי Composites

החוקרים בוחנים את השימוש בפולימרים ביו-דידידים כקשורים לרכיבים מגנטיים.חומרים אלה יכולים לאפשר למגנטים להיות מלוכדים או מופרדים בקלות בסוף החיים, לשחזר את האבקה המגנטית לשימוש חוזר. אבות טיפוס מוקדמים באמצעות חומצה פולילאקטית (PLA) הראו תאימות, אם כי כוח מכני ומגבלות תרמיות צריכות שיפור.

High-Temperature Superconductors (HTS) ב-Gorners

בעוד שלא מגנטים במובן המקובל, קלטות HTS (למשל, ytrium barium נחושת תחמוצת) יכולות לייצר שדות מגנטיים גבוהים מאוד (מעל 10 T) כאשר קריר עם חנקן נוזלי.ה גנרטורים HTS יכול באופן תיאורטי להשיג את ניתנות כוח סדר גודל גבוה יותר מאשר PMSG, המאפשרת נאים קומפקטיים מאוד עבור טורבינות מרובות-מגוגוואט.

Machine Learning for מגנטית Design and Grading Optimization

אינטליגנציה מלאכותית משמשת כדי להאיץ את גילוי של יצירות מגנטיות חדשות.מודלים למידה מכונה מאומן על מסדי נתונים של מעל 100,000 תרכובות מגנטיות ידועות יכולים לחזות את התכונות של ⁇ היפותטי, אפס על יצירות עם התחדשות גבוהה, coercivity, ותוכן נדיר נמוך. גישה זו כבר זיהתה כמה cerium- ו lanum מבוסס מגנטים כי הם עוברים מעבדה סינזה.

אדריכלות מודולרית ו- Scalable Generator Architectures

במקום גנרטור גדול יחיד, כמה עיצובים משתמשים במספר מודולים PMSG קטנים יותר המחוברים לפיר משותף.כל מודול מכיל סט משלו של מגנטים ומריצים. גישה זו מפשטת את הייצור ומאפשרת החלפת קלה יותר של מודול כושל בחו"ל.מתקדמים במדיות מגנטיות - שניתן על ידי נטיות מדויקות ואסיפה אוטומטית - הופכת עיצובים מודולים כאלה לקיום מסחרי.

מסקנה

הטכנולוגיה המגנטית נמצאת בלב הכונן לטורבינות רוח יעילות ויעילות יותר.ממגנטים NdFeB המסורתיים ועד למפתח חלופות נדירות-earth-free ושיטות ייצור מתקדמות, החידושים המתוארים לעיל הם שיפור מתמיד בביצועים, האמינות, וקיימות.כפי שמחקר ממשיך וכלכלות של קנה מידה מחזיקות, הדור הבא של טורבינות רוח יהנה ממגנטים חזקים יותר, זולים יותר, וסביבתיים יותר, יהיו מטרות אנרגיה באמת ידידותיות.