智能梯度垂直轴风力机生产制造项目可行性研究报告Word文档格式.docx
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1.1.4资产负债
无
1.1.5现有生产能力
风力发电设备年生产能力为100万千瓦(智能梯度型垂直轴风力发电机组)。
1.2项目概况:
1.2.1项目建设背景:
当前地球能源紧缺,人类赖以利用的石油、天然气以及煤炭等热能矿产资源,是极其有限的。
随着社会生产的发展,人类生存的需求,大量的开采使有限的能源资源越来越少,甚至总有一天会达到枯竭的地步。
近年来,世界上发展最快的可再生能源当属风力发电,装机容量每年增长超过30%。
风电发展最快的德国,据统计,2004年风电约占发电总量的5.3%。
德国是世界上风力发电规模最大的国家,风电装机总量占世界的55%,达12001MW,可满足4.5%的国家电力需求。
我国风能资源丰富,理论可开发总量将近2.53×
108kW,与世界先进水平相比,我国风电发展有很大差距,但近年来我国风电也得到了较快的发展。
截止到2008年底,我国除台湾省外累计风电机组几万台,装机总容量达3000万kW,占全国电力装机容量8亿kW的3.7%。
目前国内外风电企业已投入运营的风力机大多是三叶片水平轴风力机,分析全球近十年来已装机正在运行的风力机目前使用情况,总体情况如下:
运行成本高,风电成本高出火电或水电成本一倍以上,仅次于太阳能电价,发电效率低下,特别风能利用效率低,1MW以上大功率水平轴风力机技术上存在的问题日趋明显:
首先4米/秒以下风速发不出电,18米/秒以上发电机超负荷入不了网,全年平均发电时数在2200小时左右。
这些问题严重困扰和阻碍全球风电产业的发展。
智能梯度垂直轴风力发电机与传统三叶片水平轴风力发电机相比,具有多方面的技术优势和市场优势。
本项目为**大学的科技项目,已经达到工业化生产的成熟水平。
具有地域适用性广、发电时数长达6000小时/年、可安全并网、发电功率大等特点,是一种先进的风力发电技术。
智能梯度垂直轴发电机项目包括智能梯度垂直轴风力发电机制造技术、钠硫电池、高分子复合材料风力机叶片等在内的十多项国家发明专利和实用新型专利。
1.2.2建设地点:
某某工业园、湖北工业园区、江苏工业园区、辽宁工业园区、北京工业园区、四川工业园区。
1.2.3主要建设内容和规模:
投资2000亿元人民币,在全国建造六处风力发电生产基地(智能梯度型垂直轴风力发电机组),总生产能力为2000万千瓦。
1.2.4产品和工程技术方案:
1.2.4.1智能梯度型垂直轴风力发电机组的技术介绍
传统的风力发电机的捕风模式沿用的大多是传统的水平轴三叶式风轮,而智能梯度垂直轴风力发电机的捕风模式是垂直轴6—12叶风轮。
三叶式风力发电机的发电能力主要受三个因素影响:
风速υ、桨距角β和高速特性数λ。
由于风速υ是自然界给定的,因此人们在这里所能做的事情只能围绕着后面两个条件进行改进,然而人们为改善这两个条件所能做的事情实际十分有限,其中最主要的原因是在同等受风的条件下,风轮直径和风轮的转速呈反比关系。
由于转速是发电机工作的先决条件,因此如何在不降低风轮转速的前提下提高风轮的功率(扭距)输出也就成了风力发电中的焦点问题,而这个问题几乎又是三叶式风力发电机的死结。
包括三叶式风轮在内的所有水平轴发电机的风轮在受风时的状态可视同一个二维平面,在一个二维平面内,人们就如何提高风轮的捕风能力所能做的事情无非是对桨距角的调整和对叶型的各种改变,对于提高风轮的捕风能力,这些事情的作用无疑十分有限。
于是便有了一个59.3%的最大风能利用系数——所谓贝兹极限,而人们真正所能做到的在最好的情况下也不超过47%。
由于垂直轴风轮是三维立体受风,它的捕风能力可随风轮的高度增加而增加,根本不受风轮直径的限制。
尽管在使用中风轮的高度也要根据实际需要设定,但是在理论上这里不存在极限。
也就是说,垂直轴风轮十分轻松地突破了贝兹极限。
对于风力发电,这个突破无疑具有巨大的本质意义,比如它可以直接导出如下几个优势:
1、三叶式风力发电机要想加大发电功率,它们通常主要依靠加长浆叶,增加塔杆高度来实现,而这样必然会使整个发电机的形体越做越大,致使发电机的制造运行和维护成本变的越来越高。
比如德国Repower公司的5兆瓦的风力发电机总高度200余米,风轮扫风直径126.5米,风叶长度61.5米,重量17.7吨,很明显,作为商业运营,这组数据已经表明对三叶式风力发电机的进一步开发已经到了极限。
由于垂直轴风力发电机风轮的结构特点,不仅可以使单个风轮的风能利用系数轻松突破贝兹极限,而且在同一根轴上还可以使单个风轮根据实际需要一个个逐级叠加,据初步计算,垂直轴风力发电机可在100余米左右的高度内实现5兆瓦发电。
与三叶式风力发电机相比,垂直轴风力发电机的制造运行和维护成本无疑将大大降低。
2、由于在同等受风条件下,风轮的转速与风轮的直径大小成反比,因此在发电机发电功率相同的情况下,叠加在一起做功的垂直轴风轮比三叶式风轮的直径就要小的多,而转速自然就要高的多。
就拖动发电机发电而言,转速高无疑比转速低更具优势。
3、三叶式风力发电机的风叶是以一端固定在轮毂上,在气流的作用下,风叶很容易发生振动,从而有可能引发整个系统的同频和倍频共振,这是极其危险的。
因此在三叶式风力发电机这里,如何防止系统共振就是一个十分突出而且急待解决的问题。
垂直轴风力发电机的风叶是用双支架两头固定,很明显,风叶经这种固定后必然很难发生振动.而也就是说,在垂直轴风力发电机这里基本不存在系统共振的问题.
4、在风向多变的自然界,为了保证最大的能量产出和避免倾斜来风引起的附加负载,三叶式风力发电机除了需用尾舵来保证风叶正面受风外还必须在系统上设置一个复杂的偏航系统,而这就要加大发电机的制作成本。
垂直轴风力发电机几乎可以在任何方向上同等受风,这个特征不仅体现了它在性能上的优越,而且比三叶式风力发电机节省了成本。
5、三叶式风力发电机风叶的固定方式使它自身天然缺乏刚性,因此它必须为系统的安全性考虑而专门投入大量材料,以此来保证自身的抗破坏能力,但是这就会直接加大制作成本。
垂直轴风力发电机包括风叶在内的所有部件都是全紧固状态下的刚性连接,这个结构特征不仅有效的保证了系统的可靠性和安全性,而且与三叶式风力发电机相比,它的制作成本必然会大大降低。
图1智能梯度垂直轴立式风轮风力发电机示意图
6、在新型风力发电系统中还存在着一个传统的三叶式风力发电机上所没有的装置,这个装置就是助力电动机。
该电动机是安装于系统主轴上,可以拖动发电机主轴旋转的助力电动机。
它的驱动电能可来自蓄电池和其它直流电源。
由于风轮与主轴间的连接是通过单向轴承实现的,因此该电动机拖动主轴旋转时,所产生的拖动并不会拖动风轮。
这个设计具有如下意义:
a、风轮拖动发电机必须达到一定的转速才能发电,对于已有的风力发电机来说,由于机械损耗,每秒三米以下的风速对于发电机只具有启动意义,五米以上的风速才开始具有发电效果。
但是由于助力电动机不仅可以拖动发电机以与风速三米相对应的速度旋转,而且还可以在这个速度下发电,只是这里的发电要扣除机械损耗。
值得注意的是,风轮这时也在对应三米风速旋转,风轮的旋转必然会拖动主轴旋转,很明显,这里必然会有一个动能叠加到助力电动机的动能上。
如果这个动能大于电动机和发电机的机械损耗,那这个来自三米风速的动能实际就具有了发电意义。
事实证明这个意义是存在的。
b、在自然界,风必然时大时小,时东时西,时有时无,风的这种震荡性必然会给系统的发电带来很多困扰。
但是如果助力电动机总是会拖动主轴沿着各时段风速的平均值旋转,于是,在风速以较大幅度高于平均值时,助力电动机实际就是在空转,从而节省了输入时的电能,而且一部分动能还能以惯量的形式储存于风轮内,其效果类似储能飞轮。
在风速小于平均值时,助力电动机仍可拖动发电机恒速发电。
也就是说,利用助力电动机可以有效克服已有风力发电机在不同风速条件下的不稳定受力状态,从而改善系统的发电性能和发电质量。
c、在强风条件下,三叶式风力发电机必须依靠改变桨距来避开较强的风能,在风速25米时,三叶式风力发电机还必须刹车。
在以上这些处置中,无疑有大量风能被无奈地舍弃了。
但是由于直流电动机同时也是发电机,在风速达到三叶式风力发电机必须设法避开的程度时,助力电动机这时已经被调整为发电机(相对于原有的发电机,我们称之为二级发电机),作为新增负载,它不仅会大量地吸收原来那些只能被三叶式风力发电机舍弃的风能,而且它还会使风力发电机在大多数强风状态下正常运行。
由于这种情况在风力发电中大量存在,因此仅此一项,助力电动机的意义也显得十分重大。
d、由于联网风力发电机的上网电压不能低于280伏,因此世界上最理想的联网风力发电机的满负荷发电小时不超过2200——2600小时。
全年8760小时,也就是说,在联网三叶式风力发电机这里,全年有近四分之三的时间没能被正常利用。
由于助力电动机可随机向旋转中的主轴补充动能,因此联网风力发电机的上网电压就可以在更多的时间内不低于280伏,而这就会使联网风力发电机的满负荷发电小时由现在最好的2200小时直接提高到6000小时以上。
图2 新型风力发电机与传统风力发电的发电对比谱图
1.2.4.2钠硫电池并网关键技术的介绍
由于风电和煤电的种种属性差异,风电的并网至今仍是世界性难题。
并不了网,风能转化成的电能就很难真正成为社会生产和人民生活需要的能源。
我国的风电已有很大规模,电网制约的矛盾也更加突出。
比如,甘肃的千万千瓦基地,按现有电力负荷,当地肯定无法消化。
江苏电网很强,但一旦千万千瓦风电规模形成,也会有很多问题。
此外,爆发式发展还可能带来质量控制问题,北京一个风电场,火车开过,三相电流就出了问题,这是大家想不到的。
现在的千万千瓦风电场,即便研制出了风机,当地电网、输送电设施等都是问题。
而要加强电网网架,又将使风电成本进一步提高。
中国工程院院士杨裕生说,就算能并网,风电发展仍有制约。
比如,我国北方地区建了不少风场,但普遍白天风小、晚上风大,而要在晚上本已负重运行的电网再加风电,这很不现实。
钠硫电池具有能量和功率密度大、充电时间快、充电放电效率高、使用寿命长、电池原料无污染、不受场地限制、维护方便等特点,所以它既可以作为一种先进的储能电源来提高整个电力行业的利用效率,同时也可以作为一种动力电池来应用到国防行业。
钠硫电池作为一种先进的储能电池,可以从根本上解决风能输出电力不稳定的问题。
大力发展可再生能源是全球未来电力生产的大方向。
我国近几年风力发电和太阳能发电都增长很快,且发展潜力巨大。
由于可再生能源的电力输出随着风、光照等资源的强度同步变化和波动,因此无法直接向电网输出或向用户出售,需要经过稳定后方可和电网安全对接输出。
而且,随着社会的发展,对于用电质量的要求日益提高,这也使得储能电池质量的高低直接决定了风能太阳能等可再生能源的应用前景。
钠硫电池的长寿命和快速充电等特性使得它成为与风能太阳能等发电方式配套的一种最理想的储能电池。
因此,随着风能太阳能产业的不断发展,钠硫电池产业比必将迎来一个崭新的发展机遇。
1.2.5主要设备选型和配套工程:
1.2.5.1配套设备
根据智能梯度垂直轴风力机制造工艺初步分析,所需和配套设备如下表:
表1 风力发电设备配套材料
设备名称
要求
来源
主机电机座
不锈钢底座
自产
发电机
低速可发电
与韩国合作
控制器
精确控制
自产(专利技术)
主轴
高强度合金材料
叶片
高强度尼龙合金
磁悬浮轴承
适用于高速运转
金属钠
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