年产5000套10kw垂直轴风力发电机建设项目可行性研究报告.docx

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年产5000套10kw垂直轴风力发电机建设项目可行性研究报告

年产5000套10kw垂直轴风力发电机建设项目

可行性研究报告

附表：

第一章总论

1.1项目名称及承办单位

1.1.1项目名称

年产5000套10kw垂直轴风力发电机建设项目

1.1.2项目法定代表人

########################

1.1.3项目承办单位

############################

1.1.4项目负责人

总负责人################

技术负责人############

经济负责人############

1.1.5项目建设地点

########市工业园区创业中心

1.1.6项目性质：

新建

1.1.7项目单位基本情况

################是成立于2009年3月，坐落在########市工业园区创业中心，是由哈尔滨一批老科技工作者领办的，和哈尔滨工业大学机电学院合作以大学和企业---产学研形式创建的科技创新型企业。

现有工业园区创业中心提供的办公室120平方米，厂房建筑面积800m2。

另外和北安市华龙新型建材有限公司达成协议，该公司以场地17000平方米和675平方米办公室、厂房以及水电等公用工程设备入股本项目。

目前，公司现有科技人员22人，其中高级职称以上者占70%，科研力量较强。

项目公司已经和哈尔滨工业大学机电学院签订了10kw垂直轴风力发电机科技项目合作协议，该技术有独立的知识权，项目产品已经获得国家专利，现已经研制出第二批样机。

1.1.8技术依托

哈工大是一所国家重点知名学府，已有近百年历史。

她拥有机电工程、能源动力、空间飞行器、电机控制等相关学科的研究条件和理论基础，完全有能力和有条件研制出大功率垂直轴风力发电机组。

本课题组经过前期的深入研究，已确定了活动叶垂直轴风力发电机的设计方案，通过理论分析、计算机仿真和模拟实验验证等工作，取得了风机研发的关键技术和重要数据，本研究的活动叶式垂直轴风力发电机具有很好的可行性。

不仅具有启动风速低（4--4.5m/s可以启动）、风能利用率高（可望达到或超过45%）、可靠性高、风速适应范围广、噪音低等特性，而且可以实现兆瓦级的大功率设计目标，既可在风速较低的城镇地区使用，也可在风速较高的旷野、高山和沿海使用，具有非常广阔的开发和应用前景，将产生巨大的经济效益和社会效益。

目前已申请2项专利，专利授权证书见附件。

1.1.9项目建设的意义

随着石油和煤炭两大主要能源的日趋减少，可再生能源将成为世界未来的主要能源。

温室气体排放引起全球气候变暖，备受国际社会广泛关注，发展风力发电是节能减排的重要措施之一，也是应对全球气候变化，进一步加强节能减排工作的迫切需要。

在可再生能源领域中，风能具有开发潜力大、成本相对低廉、风电技术相对成熟、便于推广和应用等优势，已受到世界各国的高度重视和研究。

不仅如此，从环保方面来看，风力发电还可减轻由于环境污染对人身健康和生物的危害，减少环境污染所引起的损失。

据相关资料统计，对于平均每年投产300万千瓦的风电机组，可发电65亿KWh，相当于节煤250万吨，可减少SO2有害气体排放43000吨，氮氧化物28640吨，烟尘36600吨。

因此，风力发电具有非常好的发展前景。

1.2研究工作的范围

1.2.1依据

a、国家计委关于建设项目评价的规定、要求

b、国家关于节能减排项目的产业政策

c、项目合作协议

d、北安市政府工业园区创业中心优惠政策。

e、10kw垂直轴风力发电机建设项目技术工作报告

1.2.2研究工作范围

a、对项目投资的意义和必要性进行论述。

b、对产品品种、质量、生产规模以及市场销售情况进行分析和预测。

c、对生产的工艺方案及主要设备选择的先进性、合理性、可靠性提出论证意见。

d、对拟建厂址、原料供应及相关条件进行分析和论证。

e、对项目的环保、劳动安全卫生、节能和消防进行评述。

f、对项目实施计划和进度安排提出建议。

g、对项目投资进行估算。

h、对项目投产后的经济效益进行分析和预测。

1.3研究工作概况

我单位于受项目单位的委托，立即组成项目工作组，对该项目的建厂条件、基础设施条件、自然状况等事宜进行了详细的调研和收资，听取了公司领导和有关技术人员对项目实施的设想，并结合我单位多年的工作经验和技术积累与公司有关人员对项目的生产规模、产品方案、设备选择等问题进行了深入的探讨。

经过紧张的工作，双方密切配合，达成共识，最终较理想地完成了研究工作。

1.4推荐方案与研究结论

1.4.1生产规模及产品方案

生产规模、产品方案

年产10kw为主要机型的垂直轴风力发电机5000套。

1.4.2生产方法

本项目采用流程短、效率高的生产工艺流程进行产品的生产。

1.4.3总投资和资金来源

本项目总投资31770.02万元，其中建设投资22452.18万元，流动资金9317.84万元。

（考虑项目资金情况，项目可分部实施，一期工程投资8500万元）。

项目资金来源由企业自筹1770.02万元，融资解决30000万元。

1.4.4主要技术经济指标

序号

指标

单位

数量

备注

1

生产规模

垂直轴风力发电机

套

5000

2

产品方案

垂直轴风力发电机

Kw

10

3

总投资

万元

31770.02

3.1

建设投资

万元

22452.18

3.2

流动资金

万元

9317.84

4

投资指标

每百元销售收入占用总投资

元/百元

68.81

每百元销售收入占用建设资金

元/百元

48.63

每百元销售收入占用流动资金

元/百元

20.18

5

全厂定员总计

人

450

其中:

管理人员

人

45

技术人员

人

30

生产人员

人

350

辅助生产人员

人

25

6

全年生产天数

d

240

7

主要原材料、辅料需用量

发电机和叶片

件/a

5000

其他配件

件/a

25000

包装材料

T/a

100

8

运输量

t/a

600

其中:

运入量

t/a

300

运出量

t/a

300

9

厂区总占地面积

M2

45000

10

年平均总成本

万元

26761.61

11

年平均销售收入

万元

46167.50

12

年平均销售税金及附加

万元

4901.04

13

年平均所得税

万元

4786.60

14

年平均税后利润

万元

9718.25

15

投资利润率

%

45.66

16

投资利税率

%

61.08

17

财务内部收益率

%

37.68

所得税后

18

投资回收期

年

4.38

税后，含建设期2年

1.4.5研究结论

a、本项目符合国际和国家节能减排的产业政策。

其选用技术和设备先进合理，对产业化龙头基地建设和地方经济发展将起积极的推动作用。

b、本项目从财务评价看，主要财务效益指标较高，项目社会效益也十分可观。

综上所述，本项目从市场、原材料供应，技术方案、财务评价等方面的分析结果可以看出，项目是可行的，建议各有关部门积极支持，使项目尽快实施，早见效益。

1.4.6建议

a、本项目经济效益与社会效益良好，建议建设单位尽快决策，有关主管部门批准本报告，以便加快建设速度，使项目早日建成，早投产、早见效益。

b、建设单位应统筹规划，合理安排工程设计、工程施工、设备采购、工艺安装、人员培训等各个重要环节，以确保项目的如期建成投产。

第二章项目背景与建设必要性

2.1项目提出背景

温室气体排放引起全球气候变暖，备受国际社会广泛关注。

进一步加强节能减排工作，也是应对全球气候变化的迫切需要，是我们应该承担的责任。

风是最常见的自然现象之一，是太阳对地球表面不均衡加热而引起的“空气流动”，流动空气具有的动能称之为风能，是地球表面空气从压力高的地方向压力低的地方移动时产生的动能,是一种干净的可再生资源,随着计算机技术与先进的控制技术应用到风电领域,风力发电技术得到了较快发展,风力发电已完全具备了走向产业化的基本条件。

风力发电是新能源中技术最成熟的、最具规模开发条件和商业化发展前景的发电方式，目前其发电成本已接近常规发电方式。

中国的风能资源十分丰富。

目前，我国的并网型风机主要由国外厂家提供的，大型风机也只能依赖进口或者与外商合作生产。

在风机制造水平上，我国生产的最大风电机组功率为750千瓦，国际主流机型兆瓦级风电设备在我国还处于研发阶段。

但可以预计，随着兆瓦级风电设备的国产化和成功应用推广，中国即将成为世界风电发展最令人瞩目的国家之一。

今后，国内外风力发电技术和产业的发展速度将明显加快。

据世界气象组织（WMO）和中国气象局气象科学研究院分析，地球上可利用的风能资源为200亿kW，是地球上可利用水能的20倍。

中国陆地10m高度层可利用的风能为2.53亿kW，海上可利用的风能是陆地上的3倍，50m高度层可利用的风能是10m高度层的2倍，风能资源非常丰富。

　　中国风力发电产业的发展实际是从小型风力发电机组开始，并由小及大的。

我国小型风力发电的技术比较成熟，能够自行研发容量从100W到10kW的风力发电机组，累计保有量已经居于世界第一位。

离网型风电经过20多年的发展，为农村电气化做出巨大贡献。

主要产品品种有100W、150W、200W、300W、500W、600W、1kW、2kW、5kW、10kW风电机组等。

同时，中国企业通过合资、合作等形式引进了国外公司的离网型风电机组技术。

如内蒙华德新技术公司与德国WENUS公司合作，生产出5kW风电机组，并成功地在新疆、内蒙古、广东等地安装了20多台（套），该机组或风力/柴油/蓄电池独立供电系统、风力提水系统及电视差转台风力供电系统，很好地解决了当地人民群众的生活和生产用电。

内蒙古天力风力机械厂引进法国AEROWATT公司的一个系列7个品种的风力发电机组，其中51kW机组全部国产化。

内蒙古商都牧机厂与瑞典斯维阿勃（SVIAB）公司合作生产了SVLAB065—24型风力发电机组。

湖南湘潭电机厂和美国BERGEY公司成立了合资公司，生产600W、1kW风电机组。

　　离网风电现在进入稳定的产业化发展时期，与国外同类型机组相比，我国产品具有启动风速低、低速发电性好、限速可靠、运行平稳等优点，而且价格便宜。

但在外观质量、叶片材料的应用和制作工艺水平上以及在较大容量的离网型机组的生产制造技术方面，还存在一定差距。

　　中国政府为了推动并网风电的商业化发展，2003年9月国家发改委明确提出我国风电发展的规划目标：

2005年全国风电装机容量达到100万千瓦，2010年全国风电装机容量达到400万千瓦，2015年全国风电装机容量达到1000万千瓦，2020年全国风电装机容量达到2000万千瓦，占全国总装机容量的2%左右。

这就意味着在今后5年时间内，每年平均装机容量需达到近60万千瓦，2010到2015年，需达到近120万千瓦，2015到2020年，需达到近200万千瓦。

可以预计，中国即将成为世界风电发展最令人瞩目的国家之一。

2.2项目建设的必要性

一是能源结构战略性调整，实现节能减排目标的需要

哥本哈根世界气候大会确定了减少碳排放、实现节能减排的战略方针，中国政府也郑重承了中国的减排目标。

发展新能源是要实现这一目标的重要措施。

二是新型生活理念建设的需要

目前环境问题日益严重，人们向往建设安全、环保的绿色家园。

开发新型能源产业和高新技术产业已迫在眉睫。

项目建成后可改善能源结构，有利于促进社会自然和谐健康发展。

三是日益增长的市场需要

随着我国社会主义新农村建设和新的消费时尚的兴起，人们对健康环保的风力发电机市场需求量与日骤增，市场覆盖率也逐渐提高。

风力发电已经成为朝阳产业。

四是企业发展的需要

北安市路佳科技有限公司联合哈工大等单位，致力于新能源可高科技领域发展，在充分考虑国内外市场趋势和产业政策的基础上，整合各方优势，聚集人才，引进智力成果，为打造风力发电产业生产基地，为节能减排做出自己的贡献。

第三章市场需求预测与建设规模

3.1国内外风力发电的历史和现状

风能，是人类最早使用的能源之一。

远在公元前2000年，埃及、波斯等国已出现帆船和风磨，中世纪荷兰与美国已有用于排灌的水平轴风车。

我国是世界上最早利用风能的国家之一，早在距今1800年前，我国就有风力提水的记载。

1890年丹麦的P·拉库尔研制成功了风力发电机，1908年丹麦已建成几百个小型风力发电站。

自二十世纪初至二十世纪六十年代末，一些国家对风能资源的开发，尚处于小规模的利用阶段。

随着大型水电、火电机组的采用和电力系统的发展，1970年以前研制的中、大型风力发电机组因造价高和可靠性差而逐渐被淘汰，到二十世纪六十年代末相继都停止了运转。

这一阶段的试验研究表明，这些中、大型机组一般在技术上还是可行的，它为二十世纪七十年代后期的大发展奠定了基础。

1980年以来，国际上风力发电机技术日益走向商业化。

主要机组容量有300kW、600kW、750kW、850kW、1MW、2MW。

1991年丹麦在Vindeby建成了世界上第一个海上风电场，由11台丹麦Bonus450kW单机组成，总装机4.95MW。

随后荷兰、瑞典、英国相继建成了自己的海上风电场。

目前，已经备离岸风力发电设备商业生产能力的厂家，主要有丹麦的Vestas（包括被其整合的NEG-Micon），美国的GE风能，德国的Norde####、Repower、Pfleiderer/Prokon、Bonus和德国著名的Enercon公司。

单机额定功率覆盖范围从2MW、2.3MW、3.6MW、4.2MW、4.5MW到5MW。

叶轮直径从80m、82.4m、100m、110m、114m、116m到126m。

近30年来，国际上在风能的利用方面，无论是理论研究还是应用研究都取得了重大进步。

风力发电技术日臻完善，并网型风力发电机单机额定功率最大已经到5MW，叶轮直径达到126m。

截止2005年世界装机容量已达58,982MW，风力发电量占全球电量的1%。

中国成为亚洲风电产业发展的主要推动者之一，其总装机容量居世界第8位，2005年新增装机容量居世界第6位。

和其他国家相比较，我国的并网型风力发电的进展比较缓慢，风力发电仅占全国总装机容量的0.14%，尽管已经建立了40座风电场，但是平均每个风电场的装机容量不足1.5万千瓦，还未形成规模。

另外一方面，由于各方面条件的制约，我国并网风力发电技术的研究和开发与世界先进水平相比，差距甚大，也远远落后于我国风电场建设的要求。

特别是我国资金短缺，尚不能在风电场建设方面大量投资，因此这一市场目前基本上是由外国占据着，已装机的87%是从国外引进的设备。

目前，我国的并网型风机主要由Bonus，Vestas，NEG-Micon、Nordtank、Norde####，Gamesa等国外厂家提供的，在风机制造水平上，已经成为国际主流机型的兆瓦级机型在中国还处于研发阶段，本土化生产的最大风电机组功率仅为750千瓦。

目前大型风机只能依赖进口或者与外商合作生产。

国产化取得一定的成果，但是总体上，还是进口产品的占有统治地位。

截止到2003年底，我国累计运行中的风力发电机组以600kW为主，共有497套，1MW（含）以上的机组共有16套，处于600kW（含）-1000kW（不含）这个范围内的机组占总数的65%，包括660kW、750kW以及850kW几个功率等级。

我国开始建设的风电，大约9000-10000元/千瓦，后来部分国产化以后，造价降到7000元左右/千瓦。

以600 千瓦风电机组为例，几个主要部件进行价格如下：

①齿轮箱（从18 转左右增到1500 转）。

进口约60万元，国产约18万元一台。

②发电机（4 极1500 转600 千瓦）。

进口约58 万元国产约13～18 万元。

③风叶。

国产约每只18万元，价格大概是进口产品的1/3～1/2。

而对于变速风机还需加上变频器的价格，大约1000～1500元/kW，对于双馈变速恒频风力发电系统来说，变频器的容量大约是整个系统容量的1/3左右，即变频器占整个系统成本的不到十分之一。

3.2垂直轴风力发电机的优势

目前，水平轴风力发电机仍占据着主体地位，但垂直轴风力发电机已日益转变为关注和研究的热点。

与水平轴相比，垂直轴风力发电机有许多优点：

1）垂直轴风力发电机无需对风向和对风机构。

因而无对风损失，发电效率高，整机结构相对简单，可靠性高。

2）叶片翼形设计相对简单独特。

垂直轴风力发电机的叶片可简化成二维模型，而水平轴必须采用三维模型进行模拟和计算。

垂直轴风力发电机已可采用计算流体力学（CFD）技术模拟复杂的空气流动情况，而水平轴风力发电机的叶片设计普遍采用的是动量—叶素理论。

3）垂直轴风力发电机的风能利用率较高。

通常水平轴风力发电机的风能利用率仅有23%～29%，而垂直轴风力发电机的空气利用率可达40%以上，甚至更高。

4）垂直轴风力发电机具有较低的起动风速。

水平轴风力发电机的起动风速一般在4～5m/s之间，最大到5.9m/s。

而垂直轴风力发电机的起动风速可低至2m/s。

5）垂直轴风力发电机具有静音运行特性。

水平轴风轮的尖速比一般在5~7，叶片切割气流将产生很大的气动噪音，而且对电磁波等信号造成一定干拢，因此，在城镇公共设施、工厂、民宅等场所的应用受到很大限制，而垂直轴风力发电机的尖速比一般在1.5～2，基本可实现无噪音运行。

6）垂直轴风力发电机在结构上优势明显。

水平轴风力发电机的叶片在高速旋转过程中受到一个交变载荷，对于叶片材质和结构要求高，而且维修不便，成本高，可靠性低；垂直轴风轮的叶片所受的是恒定载荷，叶片疲劳寿命要比水平轴风轮长。

垂直轴的发电机可以放在风轮的下部或是地面，便于安装和维护。

但是尖速比低是困扰着垂直轴风轮应用的主要问题，随着科技发展，相继开发出Darrieus风轮和H型风轮，垂直轴风轮的尖速比得到很大提高，并具有较高的风能利用率。

这表明，垂直轴风轮由阻力型向升力型、活动叶型、升阻复合型转变，已成为大功率垂直轴风力发电机的发展方向。

目前大功率风力发电机组技术保密严格，而一些公开的机型都有专利保护，设计资料和设计数据极其缺乏。

作为产品开发，不能仿制他人设计。

可以说大型风力发电机组的设计只能走独立研发的道路！

但是垂直轴大功率风力发电机也存在着一些技术难题，如背风侧减阻、遇强风卸荷、大直径风轮的结构和强度等问题。

本研究组在深入研究后提出了一些有创新性的解决方案，使大功率垂直轴活动叶风力发电机开发具有可行性。

3.3大功率垂直轴活动叶风力发电机的设计理念

本研究的活动叶式垂直轴风力发电机所采用的风轮，具有独特设计理念，其关键技术是利用了升阻复合、互补原理，在结构方面，设计的核心目的是增大驱动力矩，尽可能减小背风面阻力矩和风轮旋转过程的风阻，从而提高了尖速比，可实现大功率。

主要设计理念如下：

（1）利用升阻复合、互补原理

所设计的活动叶片结构实现了升力型和阻力型的复合与互补。

即在风轮转速较低或风速较小时，以阻力型做功为主，可以低速启动，弥补了升力型在低风速时启动能力差、风能利用率低的不足；当风速较高或风轮转速达到某一值后，阻力型做功的运行机制演变为升力型，使转速进一步升高至额定值，从而弥补了阻力型尖速比小，难以实现大功率的问题。

（2）增加风轮迎风边的受风面积，减小阻风边的阻风面积。

根据公式：

可知，在风速V一定时，风产生的作用力与其受风面积A成正比。

采用活动叶片，可使叶片在迎风边（叶片旋转方向与风向相同的一侧）具有最大的受风面积；而在阻风边（叶片旋转方向与风向相反的一侧）具有最小的阻风面积，从而使风力对风轮产生最大的综合驱动力矩。

（3）通过叶片的适时顺风摆动，来减小风轮旋转引起的阻转力矩。

风轮在旋转过程中，将产生很大的风阻和阻转力矩，特别是在尖速比较大时。

本项目采用自适应的控制方法，使处于非正功区域的叶片适时顺风，最大限度地减小风阻。

（4）增大风轮的做功区域

一般情况下，垂直轴风轮的阻风边是产生阻转力矩的，但根据叶片处于不同相位时所受到的主风向和风阻方向的适时变化，巧妙地设计叶片的开角和结构，可利用升力在阻风边的一定范围内产生驱动力矩，在迎风边，利用升力和阻力产生驱动力，从而使风轮的总驱动力矩增大。

（5）结构设计优化

本风力机风轮由轮毂、风叶框架、活动叶片组成，具有结构简单、制造成本低、叶片受力状态好、工作可靠、抗强风能力强、使用寿命长等特性。

（6）弹性控制活动叶片的转角范围

控制活动叶片的转角范围的目的是使风机具有最佳的风能利用率，采用弹性控制的优点是，一方面明显减轻了叶片摆动产生的冲击、震动和噪音，另一方面，当遇强风时，叶片可超越所限定的摆角范围，实现部分卸荷，确保风机安全，还可实现强风发电。

（7）提高运行平稳性，降低噪音

对风机在运行过程中的冲击、震动和共振等问题进行全面的计算机模拟和分析，通过结构优化设计实现风机平稳、可靠地运转，基本消除噪音现象。

3.4活动叶升阻复合型垂直轴风车设计方案

该关键技术部件——新型风车的工作原理示意图如图1和图2所示。

风力机在启动过程中或低风速时，风轮主要靠活动叶片所产生的驱动力作用下旋转，此时风力机的运行机制主要为阻力型；当风速较大或者当风轮转速升高到一定值后，活动叶片在离心力作用下完全张开，从而演变成为一个升力型叶片，风轮在升力作用下，转速进一步提高，并按照所设计的尖速比在额定功率下运转，此时风轮转变为以升力为主的运行机制。

对于每个叶片，在旋转到不同相位时，具有不同的运行机制。

在迎风边，活动叶片依次处于闭合-打开-闭合状态，因而叶片的运行机制也相应地呈升力-阻力-升力的周期性变化，在阻风边，活动叶片则一直处于闭合状态，此时主要以升力型和减小风阻为主要特征。

3.5风能资源

风能是一种广义的太阳能。

据世界气象组织（WMO）和中国气象局气象科学研究院分析，地球上可利用的风能资源为200亿kW，是地球上可利用水能的20倍。

中国陆地10m高度层可利用的风能为2.53亿kW，海上可利用的风能是陆地上的3倍，50m高度层可利用的风能是10m高度层的2倍，风能资源非常丰富。

2005年中国除台湾省外新增风电机组592台，装机容量50.3万kW。

与2004年当年新增装机19.8万kW相比，2005年当年新增装机增长率为254%。

截至2005年底，中国除台湾省外累计风电机组1864台，装机容量126.6万kW，风电场62个。

与2004年累计装机76.4万kW相比，2005年累计装机增长率为65.6%。

2005年风电上网电量约15.3亿kW.h。

中国“十一五”国家科技支撑计划重大项目“大功率风电机组研制与示范”支持1.5~2.5MW、2.5MW以上双馈式变速恒频风电机组的研制；1.5~2.5MW、2.5MW以上直驱式变速恒频风电机组的研制；1.5MW以上