磁悬浮垂直轴风力发电机风光互补型项目可行性研究报告编制提纲.docx

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磁悬浮垂直轴风力发电机风光互补型项目可行性研究报告编制提纲

磁悬浮垂直轴风力发电机（风光互补型）项目

可行性研究报告编制提纲

一、立项的背景和意义

目前，能源紧缺已经成为阻碍各国发展的重要问题，风力发电作为新能源中比较成熟的技术正受到人们的重视，成为各国加紧研究的对象。

风力发电和太阳能发电一样，最初是为了解决应急电源和边远地区供电而开发出来的产品，因而在最初发展并不是很快。

然而，到了上个世纪二、三十年代，全球经济危机带来的能源紧张，让世界各国的专家想到了以风力发电作为补充能源的可行性，各国纷纷进行研究，由于当时的技术水平较差，启动风速要求较高，发电噪音也很大，所以只能将风力发电机放在人迹罕至的地方或风力较大的地方。

随着能源紧张的进一步加剧和科学技术的飞速发展，为风能发电技术开辟了广阔的前景。

随着技术的进步，风电成本已经降到和火电成本相接近，但是水平轴风力发电机的噪声和对鸟类的危害比较严重，另外，某些科学家还指出，在同一地区大量采用超大型水平轴风力发电机还可能会对当地的季风流动产生影响。

使得风力发电机的大发展又一次遇到了困难。

但可喜的是，垂直轴风力发电机将不产生噪音和对季风风向改变等影响，旋转速度将大幅放慢，对鸟类几乎不受影响。

英国一家公司和美国GE都提出了一项计划，开展新型风力发电机的研究，它是垂直轴风力发电机形式，它的发电成本是火力发电的一半左右，成本低，设置地点灵活、使区域性调节电力输出成为了可能。

本项目研制离网型的小型磁悬浮轴承垂直轴自调桨距风力发电机。

可在微风下起动，可应用于山区、湖边以及远离发电厂的地方，还可用于渔民海上作业，用于高速公路路灯更是免去了铺架电线之投资多、线路繁、不利于维护的弊端。

风光互补型更是增强了抵御天气变化的保证。

将为我国偏远山区、边防及海岛哨所等地带来巨大的变化。

本单位虽然是刚成立的单位，但是，研究人员对于自己所从事的研究领域大多有十年及以上的时间。

即对于磁悬浮轴承的研究，垂直轴可调桨距风力机的研究，对于发电机的研究以及控制领域的研究大多有十年及以上的时间。

所以技术来源是自有技术。

研发形式是以自己为主，加工和试验是外协。

"磁悬浮垂直轴风力发电机（风光互补型）"以其自身的三大技术优势：

磁悬浮轴承；垂直轴可调桨距风力机，风光互补，低压可充电，将为我国的风力发电技术的应用带来飞跃的发展。

二、国内外现状和发展趋势〔包括知识产权现状〕

风电技术是一项综合性的高技术。

涉及空气动力学、结构动力学、材料科学、声学、机械工程、动力工程、电气工程、控制技术、气象学、环境科学等多个学科和多种领域及相互交叉。

风力发电和太阳能发电一样，最初是为了解决应急电源和边远地区供电而开发出来的产品，因而在最初发展并不是很快。

然而，到了上个世纪二、三十年代，全球经济危机带来的能源紧张，让世界各国的专家想到了以风力发电作为补充能源的可行性，但由于当时的技术水平较差，启动风速要求较高，发电噪音也很大，所以只能将风力发电机放在人迹罕至的地方或风力较大的地方。

随着能源紧张的进一步加剧和科学技术的飞速发展，为风能发电技术开辟了广阔的前景：

风电成本已经降到和火电成本相接近，但是水平轴风力发电机的噪声和对鸟类的危害比较严重，使得风力发电机的大发展又一次遇到了困难。

垂直轴风力发电机将不产生噪音和对季风风向改变等影响，旋转速度将大幅放慢，对鸟类几乎不受影响。

英国一家公司和美国GE都提出了一项计划，开展新型风力发电机的研究，它是垂直轴风力发电机形式，它的发电成本是火力发电的一半左右，成本低，设置地点灵活、使区域性调节电力输出成为了可能。

中国作为风资源大国和未来制造业基地，发展本国的风力发电机制造业刻不容缓。

客观形势及市场发展要求必须尽快地在引进国外先进技术的基础上开发研制国产化风力机；同时，为确保我国风电产业的健康发展，必须建立自主知识产权的设计体系。

因此，我国风电技术发展应走消化、吸收、再创新的道路。

这需要从与国外联合设计开始，逐渐吃透、掌握国外的设计方法，并在已有工作的基础上，针对性地加强基础性研究和应用研究与开发，逐步建立和完善我国自己的设计体系。

再创新是我国风电技术发展的根本保障，只有不断创新，才能探索风电的新方式、新机型、新技术。

2001年我国率先开始了新型垂直轴风力发电机的研究，由部队牵头，上海某公司为研发主体，西安军电、西安交大、同济大学、复旦大学等高校的多位专家配合，在短短的一年时间里就生产出了世界上首台新型垂直轴风力发电机。

并在5年不到的时间里将功率扩展至200W--100KW，处于世界领先地位。

世界上其他国家也都进行了新型垂直轴风力发电机的研制，日本在2002年初开始研究，2003年初产品投放市场，功率在0.5--30KW之间。

美国、英国、德国、奥地利、韩国等国家也都在去年已生产出样机，准备投入规模化生产，目前功率都在10KW以内。

由于水平轴风力发电机的特性，小型风力发电在后来的相当长的时间里未得到较好的发展。

本单位研究的是“磁悬浮垂直轴风力发电机（风光互补型）”，公司成立时间虽短，但是公司里的核心技术人员对于风力机技术、磁悬浮技术以及发电机技术的研究都有着10余年的研究历史，公司还在成立时就已经开始了模型研发阶段。

研发的模型机如图1所示：

图1研制的500W模型机

目前已经在改进图纸并选择叶片等的材料，研发改进型的风力发电机并已经联系了南部山区的风力发电试验基地。

三、现有研究基础、特色和优势

对于模型机的测试结果令课题组研究人员兴奋的是，各项技术指标与设计计算结果相符，例如启动风速一项即比现有的风力发电机要低。

本项目的创新点主要是：

（1）现有的磁悬浮轴承技术用于风力发电机的只是单自由度的磁悬浮，本项目采用五自由度磁悬浮轴承技术，摩擦小、启动风速低、效率高。

（2）本垂直轴风力机不需要推杆或其他复杂的结构而实现桨距自动调节。

受风无方向限制，且可以自启动，抗风能力强。

（3）根据风力资源的不同，同规格主机可使用不同的叶片。

这是其它任何风力发电机不具备的独特之处。

（4）双转子径向磁场永磁电机、低速高效，采用铁氧体降低了发电机价格。

我们的优势为：

1、安全性

采用了垂直叶片和三角形双支点设计，并且主要受力点集中于轮毂，因此叶片脱落、断裂和叶片飞出等问题得到了较好的解决。

2、效率高

采用了五自由度磁悬浮轴承，可以在微风下启动，效率高。

3、噪音

采用了水平面旋转以及五自由度磁悬浮轴承，使得噪音降低到在自然环境下测量不到的程度。

4、抗风能力

采用三角形双支点设计原理，使得它受风压力小，而且自调速，可以抵抗每秒45米的超强台风。

5、回转半径

由于设计结构和运转原理的不同，比水平轴等其他形式风力发电机具有更小的回转半径，节省了空间，同时提高了效率。

6、桨距自动调节技术

与现有的垂直轴风力机比较，本垂直轴风力机不需要推杆或者其他复杂的结构而实现桨距自动调节。

受风无方向限制，且可以自启动，桨距可以可以根据实际风力情况调节，抗风能力强，使用寿命长。

7、发电曲线特性

由于磁悬浮垂直轴旋翼式风力发电机运转特性，它的启动风速低于其他形式的风力发电机，发电功率的上升幅度较平缓，因此在5-8米风速范围内，它的发电量较其他类型的风力发电机高10%—20%。

8、运行维护

由于采用双转子径向磁场永磁电机，无需齿轮箱和转向机构，使用寿命长。

我们的创新点主要是研究人员在各自的研究领域的成果的集成创新的结晶。

我们课题组有博士2名，硕士4名，老中青结合，既有经验丰富飞教授，又有年富力强的中青年，而且专业结构合理，我们还将拟聘请一位外国专家来我公司短期工作交流。

再加之我们对于智能低压控制器的研究，我们在风力发电研究方面可以说是具备强劲的实力。

四、应用或产业化前景、市场需求。

我国是一个风能资源丰富分布广泛的国家。

与其他可再生能源相比，风力发电是近期内技术比较成熟、具有大规模发展潜力的可再生能源技术、在远期有可能成为世界重要的替代能源。

据测算,我国风能经济可开发量为2.53亿千瓦，如果按年利用小时数2000~2500计，风电的年发电量可达5060亿~6325亿千瓦。

我国政府一直关注支持风能的开发利用，制定实施了一系列的政策，经过二十多年的发展，风力发电从无到有，从小到大，在边远地区推广了20多万台小型风力发电机，为无电地区农牧民送去了光明，培育了世界上最大的小风机产业和市场，建设了43个并网风电场，总装机为76万千瓦；通过成功实施风力发电特许权项目，大幅度降低了风电上网电价，初步培育了中国的风电产业。

风力发电已经进入发展的快车道。

目前，我国风电装机容量约有300万千瓦。

根据国家发改委的能源中长期发展规划，到2010年，我国风电装机容量要达到500万千瓦，且所有项目的机组本地化率要达到70％，否则不予核准。

也就是说，"十一五"期间，全国新增风电装机容量约400万千瓦，未来5年内平均每年要增加80万千瓦。

到2015年，我国风电规模将达到1500万千瓦，2020年，更将达到3000万千瓦，风电产业将以替代能源的姿态迅猛发展。

我国沿海风力资源丰富，年均每秒6米的风速能达到4000小时，每平方米的风能达到300瓦。

每一公里的海岸线可开发能源达到1万千瓦，我国6000公里的海岸线可开发利用达到6000万千瓦，是长江三峡电站的4倍，是目前全国用电量的两倍，并可减少输送电能的投资。

到2020年以后随着化石燃料资源减少，成本增加，风电则具备市场竞争能力，会发展得更快。

2030年以后水能资源大部分也将开发完，对风电的发展将提出新的要求，风电产业将以替代能源的姿态迅猛发展。

小型离网式风力发电机也必将得到大力发展！

我国目前有7000多万无电人口,这些人口所在的地区都远离电网,负荷小而分散,无法用延伸电网的方式供电。

小型离网式风力发电非常适合我国风力资源丰富的偏远山区、农村、海岛等不适合大规模建设电力网的地区进行供电，使用磁悬浮风力发电机后，由于启动风速和额定运转速度均比现有的风力发电机小，将给正在实施的“中国光明工程”带来契机,可使这一工程大面积地降低成本和难度。

成为一次能源的重要补充。

从2006到2020年我国新增风电装机容量将超过2,900万千瓦，以风电场每千瓦7,000元（目前约10,000元）的单位造价计算，投资高达2,000亿元以上。

按设备费用占项目总投资60％计算，2020年前我国风电设备的市场容量高达1200亿元以上，而全球风电工业规模可望达到1,200亿美元。

根据2005年7月4日发布的《国家发展改革委员会关于风电建设管理有关要求的通知》（发改能源[2005]1204号）中“风电设备国产化率要达到70%以上，不满足设备国产化率要求的风电场不允许建设，进口设备海关要照章纳税。

”的规定，可以推算出2020年在中国风电市场国产风电机组需求将至少达到840亿元，相关风电设备制造企业正面临千载难逢的发展机遇和巨大的商机。

据不完全统计，到2001年底，在西藏、四川、青海、新疆等西部省区，尚有1061个乡2万多个村约3000万人口没有用上电。

这些无电乡分布在西部欠发达地区和偏远山区，交通不便，远离电网，负荷小而分散，通过延伸电网供电很不经济。

所以国家“送电到乡”工程利用这些地区拥有的丰富的太阳能、风能、水能等可再生能源资源，应用现代光电转换技术、风力发电技术和小水电技术，建设独立离网运行的太阳能光伏电站、风光互补电站和小水电站，解决这些无电地区农牧民的生活用电问题。

其中就有我国自行研制、生产的离网型小型风力发电机组，来解决他们的用电需求。

在过去的近30年中，经过全国各有关科研、生产、推广部门及当地政府的努力，我国的户用小型风力发电机组有了很大发展。

全国的户用小型风力发电机组的累积安装达到19万台。

在这些机组中，绝大部分的功率输出为50W和100w。

其中，有的机组已达到或超过设计寿命（设计寿命接15年计），需要更新换代或加大功率，这是一个潜在的、稳步增长的市场。

在边远地区的边防连队、哨所，海岛驻军、渔民、地处野外高山的微波站、电视差转台站、气象站、公路、铁路无电小站、森林中的了望火台、石油天燃气输油管道、滩涂养殖业及沿海岛屿（全国有7000多公里的海岸线）等多数地方使用柴油或汽油发电机组供电，供电成本相当高，有些地方高达3元/度。

而这些地方绝大部分处在风力资源丰富地区。

通过采用风力发电机/柴（汽）油联合发电系统或风力发电机/光电池互补系统供电，可以既保证全天24小时供电，又节约了燃料和资金，同时还减少了对环境的污染，可谓一举三得，有着十分显著的经济效益和社会效益。

五、研究内容与预期目标

总体目标，项目投资总额为400万元，项目完成时实现500万元的产值，一年后达到1000万元。

年销售实现国500万元，人员规模到大约40人，我们走的是高科技产品研发的路子，只掌握核心技术，其余委托加工，所以可以带动相关的工厂也扩大规模。

项目完成时，主要技术性能指标为：

启动风速：

1.5m/s

工作风速:

2.5-25m/s

额定风速:

10m/s

安全风速:

40m/s

额定功率:

1000w

输出电压:

24VDC

逆变器输出电压：

220VAC，50Hz

塔架高度:

5.5m

限速类型:

自动

并且可以获得发明专利2项，实用新型专利1项。

六、研究方案、技术路线、组织方式与课题分解

本课题欲借鉴国内外最新研究成果，克服原来诸多影响风力发电力性能的因素，研制出适应宽泛风速范围、风电转换效率高的风力发电机。

风力发电机的几部分即有密切联系又相对比较独立，本项目在研究中采用技术指标统一研究制定，各个部分灵活实现的原则。

1．总体结构的设计：

目前的风力发电机结构方式有水平轴和垂直轴两种。

传统的水平轴式风力发电机结构存在以下的缺点：

1.风轮占据空间和占地面积大2.对风塔要求较高3.风轮受风不均匀4.变速箱和发电机体积大、结构复杂。

本课题将研制垂直轴风力发电机。

总体结构图见图2。

为了避免了不同高度风力层面风力不同对叶片所造成的受力不匀，本课题采用垂直轴形式，其风轮是在水平方向上旋转，风叶不存在上下运动（见），这个突出的优点可以使风轮的尺寸不必做得很大（与同功率的水平轴方式相比）。

图2总体结构图

1鼻卡2叶鼻3风叶支撑杆4轮臂5上盖板6挡板7定位盘8轴承盖9上联轴节10下联轴节11电机支撑板12风机框架13腹板14风机支撑架

2.垂直轴风力机

对于风力机部分，

（1）本项目的研究从设计上采用了流体力学和结构力学等原理，在仿真分析计算的基础上，经过实验最终确定结构。

风力机结构设计采用空气动力学原理，三角形向量法的连接方式，用以大大降低风的正压力对叶片的威胁，从而降低了叶片的造价。

叶片的自调桨距使得它在强风时受风压力小，以达到可以抵抗超强台风的目的。

还能自行启动，亦即不需要任何的启动装置。

叶片在风轮转动中能任意调整桨距，始终保持最佳迎风角，以产生最大推力。

（2）反复实验，以便根据风力资源情况的不同，叶片可以做成尺寸不同的备用套件，同规格主机可使用不同尺寸的叶片。

这一点是其它任何风力发电机不具备的独特之处。

3.全磁悬浮结构系统的研究。

利用磁极之间的吸力或者斥力可以使物体达到无接触悬浮支承，然而由于磁场力的特性，这种支承是典型的非线性和本质不稳定结构，因而使得要达到稳定悬浮是很困难的。

永磁磁悬浮轴承的形状对磁力的影响很大，一般把空气隙中产生最大磁能积的点，称为最佳工作点。

处于最佳工作点的磁铁形状，称为最佳形状。

只有在该形状下才能充分发挥永磁材料的磁能积。

在结构设计中采用优化设计，以磁轴承体积、承载力、刚度等为目标，求得最佳几何尺寸。

磁悬浮系统的主体部分采用钕铁硼（NdFeB）永磁材料，NdFeB永磁是当今永磁性能最高的材料，不仅磁性最高，加工性也比SmCo等合金优越，成本

也低廉。

因此是较理想的选材。

但是NdFeB合金的温度稳定性差，抗腐蚀性不好。

普通的NdFeB合金其居里温度Tc=312℃,可逆温度系数α＝－0.12696/℃.只能在＋80℃以下的温度范围内工作。

因此需选用高稳定耐腐蚀NdFeB合金。

采用热扎工艺的钕铁硼（NdFeB）可制做大块磁体，是其他方法难以达到的。

其抗拉强度大，机械强度大，含氧量低，抗氧化性强。

磁悬浮系统的主体部分是轴向推力平衡轴承，风轮和发电机转子的重量由永磁磁悬浮推力平衡轴承支撑，见图3。

另外还有两部分磁悬浮机构，分别承担风轮和发电机转子所承受的径向力，见图4。

3.双转子永磁发电机研究

永磁发电机如果采用钕铁硼永磁材料，可以得到高效、高功率密度的电机性能，但磁体材料价格昂贵，导致发电机成本很高；如果采用价格低廉但磁性能低的铁氧体永磁尽管可以得到较高的效率，但电机的功率密度很低，体积庞大，电机的结构材料、铜材、铁心材料用量也就大大增加，从而也具有很高的制造成本。

双转子永磁电机即使采用价格低廉的铁氧体永磁材料，也具有与钕铁硼永磁电机相近的运行效率和更高的功率密度，从而使电机不但效率高，而且成本低廉。

双转子永磁电机是一台外转子永磁电机与一台内转子永磁电机套在一起而组成的一台新型电机。

该电机具有两个工作气隙，大大提高了电机的功率密度；该电机内外转子共用一定子，这一定子采用特殊的定子绕组结构，大大缩短了电机绕组端部，而且这一绕组端部与电机的外径无关，从而降低了电机的用铜量和电机电阻，提高了电机的运行效率；更主要的是，该电机的特殊结构使其具有更多、更有效方法改善电机的发电电压波形。

1、桨距自调节技术的实现根据空气动力学原理和流体力学原理设计计算，并由特别的构思--旋翼式结构相结合实现。

2、单自由度的磁悬浮我们的研发人员制作起来很容易，五自由度的电磁悬浮也不难，困难的是五自由度全永磁悬浮，国际上也没有实现，今年（2008年）8月将在日本召开第十一届磁悬浮轴承国际会议，本公司有2篇论文被录用。

本项目是结合了技术的巧妙才实现的

本项目是风力发电机整机开发，主要面临的风险是动负荷下全永磁五自由度的稳定悬浮而不是某一个自由度的悬浮。

应对措施是机械设计的准确以保证准磁悬浮。

本公司刚成立不久，主要研发人员齐心合力，没有因人员流动引起的技术实现的风险。

同时，公司将进一步发挥自主创新能力的优势，以“战略性开发和适应性开发相结合、引进技术和自主创新相结合、产学研相结合”的方针，加大研发投入，提高公司的产品技术水平。

七、年度计划内容

一、样机开发及行业需求和技术论证阶段。

2008年8月至2008年12月，本阶段确定样机的开发方案。

二、设计开发阶段。

2009年1月至2009年8月，本阶段通过对样机的试验和调试，提升样机的性能和功能，完成产品的研制工作，使产品技术指标达到项目要求。

三、中式阶段。

2009年9月至2010年4月，进行小规模推广，根据市场反馈信息完善产品设计，降低成本，具备规模生产能力。

四、验收在2010年7月进行。

五、生产阶段。

2010年7月以后，产品开始小规模的投放市场。

八、主要研究人员和单位简况及具备的条件

我们的创新点主要是研究人员在各自的研究领域的成果的集成创新的结晶。

我们课题组有博士2名，硕士4名，老中青结合，既有经验丰富飞教授，又有年富力强的中青年，而且专业结构合理，我们还将拟聘请一位外国专家来我公司短期工作交流。

单位法人1982年毕业于山东大学电子工程系，获理学学士学位，分别于1990年，2000年毕业于西安交通大学获工学硕士、工学博士学位。

2001年5月至2003年8月在清华大学精密仪器系从事博士后研究工作。

2005年7月至2006年8月作为访问学者在美国Michigan大学和Vigirnia大学做研究工作。

作为课题负责人，主持国家863计划，国家自然科学基金，国家“十一五”科技支撑计划，国家安全监察局科技发展计划，山东省攻关项目以及科技发展计划，山东省技术创新项目，济南市科技发展计划，山东大学引进人才科研启动基金等项目15项。

开展磁悬浮轴承的理论和应用研究近12年，在我国第一个成功进行了磁悬浮轴承在数控磨床上的应用试验，取得了开创性的研究成果。

在国内外重要学术期刊上发表学术研究论文40余篇，EI、ISTP收录十余篇。

做为副主编，参编国家规划教材3部。

申请发明专利3项、实用新型专利一项。

获得“山东省三八红旗手”，“山东省高校巾帼建功十大标兵”等称号。

现任山东省磁悬浮工程技术研究中心主任，IEEE高级会员，中国机械工程学会高级会员。

九、经费预算

项目新增资金来源，包括企业自有60万元、申请各级科技三项费120万元，其他资金即接受风险投资220万元。

科技三项经费的主要用途：

仪器设备购置费15万元、能源材料费60万元、试验外协费25万元、资料印刷费2万元、会议差旅费5万元、人员劳务费10万元、其它费用3万元。