“神极”,何以成为节电“能手”、雾霾“克星”?

2020-09-22 10:52 金路达集团

这是一个困扰中西方百年的世纪难题。

从俄亥俄州立大学到威斯康星大学再到剑桥大学,世界顶尖高校的研究成果接连折戟,遭遇瓶颈停滞不前,是什么制约了他们科研的脚步?

一次与欧美争分夺秒的赛跑。

在落后半个世纪的情况下,华中科技大学如何力挽狂澜,彻底扭转被动追赶的局面,在群雄角逐的科技赛道上脱颖而出?

一场工业领域不见硝烟的战争。

西门子派出高规格谈判团队,匆匆来到中国,为何铩羽而归?无声厮杀的谈判场,中国如何决胜对手,捍卫专利权?

一份亟需兑现的减排承诺。

落实《巴黎协定》,中国如何按时履约不负众望,展现大国担当?全民共治保卫蓝天,从发电到用电再到空气污染改善,又是谁在背后默默助力?

创新驱动发展,科技引领未来。

中国智造领跑世界的时代逐渐来临,自主研发越来越被国人所重视。

在此背景下,华中科技大学研发出的“神极”电机,核心技术拿下中国专利金奖,从国内外学术与资本的重重包围中实现突击,率先突破技术瓶颈,摘得工业领域“皇冠上的明珠”。

从研发到工业实际应用,百年老校遇上百年企业,会碰撞出怎样的火花?“神极”的问世,又将掀起行业内怎样的风潮?

时人不识凌云木,直待凌云始道高。“神极”是什么,它凭什么能转动中国?


攻关顶级课题,破译无刷双馈百年之谜

无刷双馈电机是一种结构简单、坚固可靠、异同步通用的电机,可在无刷情况下实现双馈。它具有功率因数可调、高效率的特点,可应用于调速系统和变速恒频发电系统中。因此,一直是现代电机技术的重要研究方向。

近百年来,“无刷双馈”技术作为世界电机领域久攻不下的攻关难题,早在半个世纪之前,世界上工业发达国家已投入研发,特别是近几年又有较大进展。英国剑桥大学、美国威斯康星大学及俄亥俄州立大学,都纷纷研制出了实验室样机。

剑桥大学、威斯康星大学、俄亥俄州立大学

而现在,从全球电机市场的竞争格局来看,占主导地位的仍是几家大型跨国企业,全球电机产品主要制造商掌握着世界上先进的电机设计制造技术,在技术上占有一定优势,电机性能更优异。中国国产电机市场在这些大品牌挤压下日渐萎缩,在市场的洪流中艰难求生。

这样的形势下,发展中国自己的电机品牌、掌握自有电机技术、开发更高效节能的电机便迫在眉睫,这不仅是科研实力的体现,也是目前市场所迫切需要的。

无刷双馈电机的研发被提上了日程。国内高校纷纷投入到对无刷双馈电机紧锣密鼓地研究中。最终于2002年,国家自然科学基金将这个项目交给了华中科技大学,并且提出了两个要求,一是必须寻求一个更高效节能的电动机,二是要减少电动机调速系统对电网的污染。

这在当时是一个世界性的难题,节能就要调速,但是调速系统却对电网有很大的污染,即谐波污染,危害在于它会使其他用电器产生额外的发热和额外的损耗。

面对这样的研究困境,在拿到这个课题后,华中科技大学王雪帆教授领衔的课题组便迅速展开研究,夜以继日,攻坚克难。

王雪帆教授

无刷双馈电机的结构设计内容主要包括电机定子绕组的设计和电机转子结构的设计。王雪帆教授团队把目光放在了转子结构——绕线转子上。

事实证明,这一决策无比正确。


再创中国速度,“绕线转子”转动中国

中国在无刷双馈电机领域的研究,比西方国家晚了近百年。在这样的形势下,如何扭转局面,反败为胜?这无疑是一个难题。

任何发明的诞生都伴随着艰苦的历程,科研之路从不轻松。一方面,国外的研究早已起步,顶尖的大学,成熟的团队,雄厚的资金,而在国内,这方面的研究才刚刚浮出水面。市场不等人,谁的产品能率先走出试验室,谁就能占据高地,拿下这场不见硝烟的战争。

国外捷报频传。美国俄亥俄州立大学、英国剑桥大学纷纷研制出各自研究方向的实验室样机。

但与此同时,国外的研究也陷入困境。他们的产品至今均未能进入工业实用,仍停留于“实验室样机”改进阶段,因为电机本身还存在问题,电机气隙磁场谐波含量大且随负荷的变化而变化,转子电磁材料利用率低,电机效率低,噪音振动大等。这些问题的技术瓶颈在于它们的转子结构。

国内的研究渐入佳境,如火如荼。王雪帆教授领衔的课题组另辟蹊径,从电磁理论出发,开展绕线转子无刷双馈电机的理论分析、设计和控制技术方面的研究工作,发挥课题组在电机绕组理论和设计方面的优势,研究出如何获得高效转子绕组,说明了转子绕组应该按"双正弦"磁动势波来设计。

在此基础上,提出采用“绕线转子”并利用绕组齿谐波磁动势自然属性设计的方法,突破了无刷双馈电机的技术瓶颈。

2012年,王雪帆教授团队成功研发出绕线转子无刷双馈电机,率先走出实验室,在工业领域得到实际应用,并取得良好效果。

至此,困扰了学术界百年的无刷双馈转子结构问题,中国在落后百年的情况下,率先取得突破性进展,攻下了这一世界性难题。这场逆袭之战,中国后发制胜,彰显了中国速度。

在这样的中国速度下,诞生的成果便是“神极”电机。

“神极”一转,动的是中国电力和环境的双重命脉,也将彻底改写二者的未来。


成为节电“能手”,“神极”大显“神通”

电是现代社会不可或缺的能源之一,工业、生活都离不开电。一方面,电给我们的生活生产带来极大的便利,为经济的增长提供保障。

另一方面,发电带来的环境污染、电力浪费也是全社会普遍头疼的问题。业内有句话,节能减排要抓工业,工业要抓高压电机,电机就是“吃电老虎”。

“神极”电机既能作为电动机运行,也能作为发电机运行,兼有异步电机和同步电机的特点。改变控制绕组的连接方式及其供电电源电压和电流的幅值、相位以及频率,便能实现多种运行方式。

发电机领域主要包括风力发电机、水力发电机、船舶轴带式发电机、舰船柴电推进系统;电动机领域如工业泵类、风机、压缩机等用的中高压电机,大型水利系统智能调控泵站电机,大型装甲车、工程履带车电传系统等。产品广泛应用于石油、石化、电力、钢铁、煤矿、冶金、水利、建筑等相关行业。

使用场景的广泛性决定了它巨大的推广应用价值,再加上它本身独有的结构特性,“神极”在节电领域尽情施展着自己的十八般武艺。

2013年,相关院士专家进行鉴定,一致认为:该电机技术属国际首创,达到国际领先水平,在节能减排领域具有巨大的推广应用价值,在国内外有着不可估量的潜在市场。

2016年7月,基于该专利的绕线转子无刷双馈交流电机及智能调速系统问世,经相关机构鉴定,鉴定结果为:功率因数和系统效率均高于其他异步电机达30%-50%。

据国家能源局发布的数据信息显示,2019年,中国用电总量72255亿千瓦时,仅风机、水泵、压缩机等用的中高压电机,耗能就占整个社会用电总量的49%,即35405亿千瓦时。

如果以上设施全部采用“神极”电机,可实现节能30%至60%,即节能1万亿至2万亿千瓦时。

说是节电“神话”,这可一点也不为过,一出手便斩去全社会用电量的“半边天”,动辄便缔造出一个万亿级市场。全世界所有同类产品中,能做到的,也就一个“神极”。


解决雾霾问题,“神极”贡献中国智慧

长久以来,中国因碳排放问题一直为国际主流媒体所诟病。随着环境形势越来越严峻,国家出台了一系列政策,以期有所成效。

按照承诺,我国要做到二氧化碳排放在2030年左右达到峰值并争取尽早实现、单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降60%到65%。

但经济要发展,人民要生活。如何在保持经济持续发展的同时降低单位GDP 的能耗呢?

在能源生产、能源输送和能源消费三个环节同时采用有效措施提高能源利用效率,是在保持经济持续发展的同时降低单位GDP 能耗的唯一方法。

电力消费占总的能源消费50%以上,而电机用电量又占全社会用电量的50%。

因此,提高电机能效成为我国实现节能减排政策中的必要手段。电机及系统效率的提升已成为节能减排潜力最大的产业之一。

治理污染最好的办法不是稀释,而是从根源上杜绝它的产生。“神极”电机是治理雾霾的好帮手,因为它从源头上解决了用电问题,少用电意味着少发电。

2019年中国用电7万多亿千瓦时,“神极”电机可实现节电1万亿至2万亿千瓦时,相当于节约燃煤约4亿至8亿吨,减少二氧化碳排放约10亿至20亿吨,有了这么可观的减排数字,雾霾问题真可谓被扼杀在摇篮里了。

“神极”电机因其同时具备较强的经济效益和社会效益,对环境改善尤其是雾霾治理具有重要意义。目前,产品已入选山东省重点项目,并且被列入《国家工业节能技术装备推荐目录(2019)》。

大鹏一日同风起,扶摇直上九万里。随着推广政策的落实和推广力度不断加大,“神极”电机预计将迎来高速发展机遇期。(刘玉新)