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毕业设计（说明书）2012 届题目垂直轴风力发电机设计专业机械设计制造及其自动化学生姓名╳╳╳学号指导教师╳╳╳论文字数完成日期湖州师范学院教务处印制原创性声明本人郑重声明：本人所呈交的毕业论文，是在指导老师的指导下独立进行研究所取得的成果。
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论文作者签名：日期：指导老师签名：日期：垂直轴风力发电机设计摘要：本次毕业设计主要是完成垂直轴风力发电机设计。
风力发电现今发展飞速，其中小型发电机组以其设备简单、成本较低、风能利用率高、启动、制动性能好等优点，得到越来越多青睐。
本论文主要介绍了小型风力发电机的机械结构部分，从独立型风力发电机组的构成特点、运行特点、保护措施等各方面，介绍了实现机组无人值守全自动运行的设计思想和实施办法。
本设计利用机电一体化设计使整个系统组成简单，结构精巧，控制方便，性能可靠，应用前景广阔。
关键词：垂直轴，风力发电机，设计Vertical axis wind turbine designAbstract: The graduation project is mainly to complete the vertical axis wind turbine design. Wind power in rapid development, in which small generation units with its simple equipment, low cost, high wind energy utilization rate, starting, braking performance is good wait for an advantage, get more and more popular. This paper mainly introduces the small-scale wind turbine mechanical structure part, from the independent type of wind turbine characteristics, operation characteristics, protection measures and other aspects, introduced the implementation of unmanned automatic operation unit of the design idea and implementation method.This design is the use of mechanical and electrical integration design of the whole system with simple structure, compact structure, easy control, reliable performance, wide application prospect.Key words: Vertical axis，wind turbine，design目录第1章绪论 (8)第2章风力发电机部件结构设计 (11)2.1风力发电机介绍................................................................................................ 错误!未定义书签。
小型垂直轴风力发电系统设计方案第一章绪论1.1国外风力发电的发展现状及其趋势随着能源紧缺及化石燃料对环境污染日趋严重，开发新型能源成为各国经济发展的关键，目前可再生能源有太阳能、风能、地热能等。
风能发电是目前为止技术最为成熟，历史最为悠久的发电方式，是具有大规模发展潜力的可再生能源，有可能成为重要的替代能源。
自13世纪起，水平轴风车产业就成为了农村经济结构的主要部分，而利用风力发电的历史可以追溯到19世纪晚期，美国的Brush研制了第一台12kW的直流风力机。
Golding(1955)、Shepherd 和Divone(1994)记录了早期的风力机发展史。
1931年，联制造了一台100KW、直径30m的Balaclava(巴拉克拉法帽)风力机；19世纪50年代早期，英国制造了一台100KW、直径24m 的Andrea Enfield(安德鲁-恩菲)风力机。
1956年，丹麦建造了一台200KW、直径24m的Gedser(盖瑟)风力机，1963年法国电力工业试验了一台功率1.1MW、直径35m的风力机。
在德国，Hutter(胡特)于19世纪50年代和60年代建立了一些新型的风力机。
由于石油价格突然上涨，美国开始建造一系列示风力机组，如1975年的功率100KW、直径38m的Mod-0风力发电机组和1987年的功率2.5MW、直径97.5m的Mod-5B风力发电机组。
目前世界上最大的风力发电机是德国制造的E-126，高达120m，风轮直径126m，每个叶片长达61.4m，每片重18t，装机功率达到5MW[1]，如图1-1所示。
图1-1 Enercon的E-126型风力发电机我国风能资源丰富，根据第三次风能普查结果，我国技术可开发的陆地面积约为24×104km2。
考虑到风电场中风力发电机组的实际布置能力，按照5MW/km2计算，陆上技术可开发量为120×104MW。
目前我国风能资源开发利用的重点区域有自治区、省、省、省、省、新疆维吾尔自治区、省等，其中自治区技术可开发量约为50×104MW，居全国之首[2]如图1-2所示。
风力发电机组方案设计
满足客户需求
一、背景介绍
风力发电机组是利用风力机组的原理将风吹过特定型号叶片的旋转能转变为电能的发电装置。
在有风的地方，风力发电机组能够使用本地资源发电，而不会影响环境。
由于其能源利用的可再生性，风电发电机组被认为是可持续发展的优选技术，具有投资不高、可预测性好、节能环保等优点，被广泛应用于家庭、农村、工厂、学校等用电场所。
风力发电设计该提供给客户的解决方案将覆盖风力发电机组的供电范围、发电量等，具体要求如下：
1.功率范围：50kW-1000kW
2.电压：6kV-35kV
3.风速：从3.0m/s到25.0m/s
二、发电机组结构
根据客户提供的条件，选择风力发电机组结构，首先考虑使用技术可行性，同时也考虑风力机组的安装条件，选择合适的结构解决方案。
1.机组安装：风力发电机组采用水平安装或者倾斜安装，具体根据现场情况考虑，一般选择水平安装。
2.叶片：风力发电机组的叶片选择由客户提供，根据机组安装位置及风能资源分析选择叶片型号，提供常用的叶片型号。
3.齿轮箱：根据发电机组工况，选择低转速高扭矩的变速箱，提供低速大功率变速箱等方案。
适用经济型小型垂直轴风力发电系统的设计1．小型垂直轴风力发电系统的分类(1)桨叶式风力机桨叶式风力机是一种阻力型风力机，因它的叶片形状而得名。
这种风力机的关键集中在如何减少逆风方向叶片的阻力，对此有许多设计方案。
使用遮风板的，也有改变迎风角的，不过桨叶式风力机的效率很低，除了在日本局部地区曾经使用过外，实际上几乎没有制造和使用的实例。
一般来说，这种风力机归类为垂直轴型，但是也有把它设计成水平轴的。
(2)萨布纽斯式风力机萨布纽斯式风力机是20年代发明的垂直轴风力机，它以发明者萨布纽斯的名字命名(我国有时称它为S型风力机)。
这种风力机通常由两枚半圆筒形的叶片所构成，也有用三一四枚的。
这种风力机往往上下重叠多层。
效率最大不超过10％，能产生很大的扭矩。
在发展中国家有人用它来提水、发电等。
(3)达里厄型风力机达里厄风力机是一种新开发的垂直轴式风力机，以法国发明者达里厄的名字命名，下图为普通的Φ形达里厄风力机和特殊的Δ形达里厄风力机。
其叶片多为2—3枚。
该风力机回转时与风向无关，是升力型的。
它装置简单，成本也比较便宜，但起动性能差，因此也有人把这种风力机和一部萨布纽斯风力机组合在一起使用。
(4)旋转涡轮式风力机垂直轴升力型旋转涡轮式风力机，这种风力杉L垂直安装3—4枚对称翼形的叶片。
它有使叶片自动保持最佳攻角的机构。
因此结构复杂价格也较高，但它能改变桨距、起动性能好、能保持一定的转速，效率极高。
这种风机也有把同样的叶片固定安装的形式。
(5)弗来纳式风力机在气流中回转的圆筒或球，可以使该物体的周围的压力发生变化而产生升力。
这种现象叫马格努斯效应，利用这个效应的发电装置叫弗来纳式风力发电装置。
在大的圆形轨道上移动的小车上装上回转的圆筒，由风力驱动小车，用装在小车轴上的发电机发电。
这种装置，是1931年由美国的J·马达拉斯发明的，并实际制造了重15吨、高27米的巨大模型进行了实验。
这个实验的详细情况不清，但时间很短便中止了。
垂直轴风力发电案例是一种利用风能转化为电能的发电技术，其核心部分是风力发电机。
垂直轴风力发电机的设计理念与传统水平轴风机不同，它们专注于在所有风向条件下都能捕捉风能，并具有更强的抗台风能力。
以下是一个具体的垂直轴风力发电案例。
这个案例设定在位于我国西部的一个风力资源丰富的地区，这里的风速大、风向多变，对风力发电设备的要求极高。
在这个案例中，我们将介绍一个由当地企业研发并制造的垂直轴风力发电机组。
这个垂直轴风力发电机组的设计独特，由多个小型涡轮机组成，可以同时捕捉各种方向的风。
每台涡轮机都由一个轻量级、高强度的碳纤维材料制成的垂直轴驱动，这种设计可以更好地抵抗强风的影响。
同时，该机组还采用了先进的控制技术，能够在风速变化时调整涡轮机的旋转速度，以实现最佳的风能转换效率。
在安装方面，该机组被安装在预先设计好的支架上，这些支架经过精确的计算和测量，能够最大限度地利用风能。
同时，为了确保安全，该机组还配备了自动故障诊断和紧急停止功能，一旦出现异常情况，能够立即停止发电机组，防止事故发生。
在实际运行中，该垂直轴风力发电机组运行稳定，效率高，能够满足当地电网的电力需求。
同时，该机组还具有噪音小、无污染的优点，对环境的影响很小。
此外，该机组的维护成本低，只需定期检查和维护即可，大大降低了运营成本。
总的来说，这个垂直轴风力发电机组在当地取得了巨大的成功，不仅满足了当地的电力需求，还为当地创造了就业机会，推动了当地经济的发展。
它的成功经验表明，垂直轴风力发电机组在风能资源丰富的地区具有广阔的应用前景。
然而，随着技术的发展和市场的变化，我们还需要进一步研究和改进垂直轴风力发电机组，以适应不同的环境和需求。
垂直轴风力发电机的设计与实现随着能源需求的不断增长和对环境保护意识的增强，新能源的开发和利用逐渐成为人们关注的热点。
其中，风能作为一种清洁、可再生资源，得到了越来越多的关注和重视。
风力发电机作为利用风能的主要设备之一，不断进行着技术革新和创新。
其中，垂直轴风力发电机的出现，为风能的利用带来了新的思路和技术路线。
一、垂直轴风力发电机的优点相较于传统的水平轴风力发电机，垂直轴风力发电机具备以下优点：1.更加适合复杂地形和城市环境。
由于垂直轴叶片朝向不固定，而且发电机自重轻，可以更好地适应复杂的风场环境和城市建筑群丛。
2.性能更加稳定。
垂直轴风力发电机在不同风速下，发电效率均能保持在较高的水平，稳定性更好。
3.维护成本更低。
由于垂直轴风力发电机拥有更少的部件，并且更方便进行维护、更换，因此维护成本更低。
二、1.叶片设计垂直轴风力发电机的叶片设计主要考虑叶片的形状、倾斜角度、长度等因素。
一般来说，叶片应当尽可能长，以增加风能利用率，并且采用气动优化技术对叶片进行设计，以保证更好的风能利用效率。
2.轴承设计垂直轴风力发电机的轴承设计需要考虑到机组旋转过程中的扭矩、径向载荷、轴向载荷等因素，以保证其稳定性和可靠性。
同时，采用高强度材料和关键部件的精密加工技术，以确保轴承的耐用性和可靠性。
3.发电机设计垂直轴风力发电机需要配备高效、稳定的发电机，以将捕捉到的风能转化为电能。
发电机设计主要考虑电机转速、功率输出能力、电机散热等因素。
4.控制系统设计垂直轴风力发电机的控制系统需要采用先进的数字控制技术，实现对风车旋转速度、匹配不同风速下的灵活调节等功能，最大化利用风能资源。
5.结构设计垂直轴风力发电机结构设计应当注重轻量化、紧凑化，以便于安装和运输。
同时，应考虑到抗风性能、防腐性能等因素。
三、垂直轴风力发电机的应用前景垂直轴风力发电机因其在适应复杂地形和城市环境方面的优势，以及更加稳定、便于维护、性价比更高等优点而备受关注。
清洁能源与新能源小型家用垂直轴风力发电系统的设计范正萍,王心尘,杜华夏,王亚军(厦门大学物理与机电工程学院物理系,厦门361005)摘 要:本文介绍了一种小型家用垂直轴风力发电系统的设计方案。
该系统针对传统萨窝纽斯形(Savonius)风机叶片的形状进行优化———扭曲叶片,对各项动力学参数进行模拟实验及计算。
结果表明,这种扭曲叶片型的Savonius风力机与汽车发动机相结合可以使风能利用效率得到更好的开发。
关键词:垂直轴;风力发电;叶片 中图分类号:TM614 文献标识码:A 文章编号:100527439(2007)0520279204An innovative Design of V ertical-axis Wind Turbines for H ome UseFAN Zheng2ping,WANG Xin2chen,DU H u a2xia,WANG Ya2jun(Physics Dept.,Xiamen University,Xiamen361005,China)Abstract:An innovative vertical-axis wind power generating system for home use has been proposed and tested.The emphasis is placed on optimizing the configuration of a traditional Savonius rotor(twisting the blades), simulating and experimenting.The computing results show that a Savonius rotor with twisted blades combined witha car-alternator can reach a better coefficient of performance.K eyw ords:Vertical axis,Wind power,Twisted blade,Savonius rotor 随着新能源产业的发展,作为家用的小型水平轴百瓦级风力发电机被越来越多的人们所接受。
黑龙江科学HEILONGJIANG SCIENCE第11卷第20期2020年10月Vol. 11Oct. 2020垂直轴小型风力发电机设计杨永海蔦孟凡召2(1.山东中茂圣源实业有限公司，山东德州253500；2.山东华宇工学院机械工程学院，山东德州253034)摘要：为解决垂直轴小型风力发电机自启、电量存储等问题，分析了我国风力发电设备的特点及应用情况，设计了一种小型垂直轴 风力发电机结构，包括叶片、支撑架、变向器等结构件。
指出了小型垂直轴风力发电机调速系统、启动系统的设计思路，验证了设计结构的可行性。
关键词：垂直轴;小型;风力发电机;设计中图分类号：TM464；TM315 文献标志码：A 文章编号：1674 -7646(2020)20 -0097 -02Design of Vertical Axis Small Wind TurbineYang Yonghai 1, 6eng Fanzhao 2(1. Shandong Zhongmao Shengyuan Industrial Co. , Ltd. , Dezhou 253500, China ;2. School of 6echanicc1 Engineering , Shandong Huayu University of Technology , Dezhou 253034, China )Abstraci : In order to solve the problems of self-stari of verticcl axis small wind turbine and electric quantity , we analyzethe characteristicc and application of existing wind power generation equipment. On this basis , a small vvrticcl-axis windturbine is designed , including vvne , support frame and turning device. We point out the design thinking vertical axis small wind turbine speed ogulving system and start system , Key worbt : Vertical axis; SmaH ； Wind turbine ; Designo 引言风能是可再生能源,资源丰富,来源广,具有安全、 干净的特点［1］（为了缓解日益增长的能源问题和环境问题，世界各国的研究机构都在加速风力发电技术 研究，着力开发各种风力发电机等设备［2］（风力发电机根据其功率大小可以分为50 - 1 000 w 的微型风力发电机、1 ~10 kW 的小型风力发电机、10 ~100 kW 的 中型风力发电机和100 kW 以上的大型风力发电机组。
摘要本次设计的垂直式微风启动风力发电机用于城郊等还未充分利用的低风速的微风 地区，设计了一台额定风速 2.85～3.00m/s，输出功率为 100W 的垂直式微风启动风力 发电机，增加了增速器，并为其设计了对应的支架，使得当风力小的时候，还能保证发 电机依旧可以工作，并且通过ANSYS有限元对风场进行模拟分析，设计出叶片，再对设 计出的风轮加以优化,控制叶片的挠度，有较好的稳定性，具有良好的现实意义。
最后，添加了PLC控制程序，用以控制发电机的电能传输给蓄电池或者用电器，以 此来保护蓄电池，不让其长期处于充电状态，延长其使用寿命。
关键词：垂直式，发电机，ANSYS，可编程逻辑控制器ABSTRACTThe design of the vertical breeze starts a breeze of wind turbines for the suburbs, not yet take full advantage of low wind speed areas, designed for a rated wind speed 2.85 ~ 3.00m/ s, the output power of 100W of vertical breeze to start the wind power generation machine, accelerator, and to design the corresponding bracket, making the time when the wind is small, but also to ensure that the generator can still work, and by the ANSYS finite element simulation analysis of the wind field, the design leaves, and then wind turbine design to be optimized to control the deflection of the blade, good stability, good practical significance. Finally, add a PLC control program to control the generator power transmission to the battery or electrical appliances, in order to protect the battery, without their longterm in the state of charge, extending its life.Keywords: vertical breeze, generat or, ANS YS, Programmable Logic Controller目 录第 1 章 绪论 (1)1.1 风的概述 (1)1.2 人类利用风能的历史 (2)1.3风能的国内外发展基本概况 (2)1.4 风力发电机的发展意义及其应用前景 (4)1.5 本次毕业设计的设计背景与应用意义 (5)第 2 章 风力发电机概述 (6)2.1 风力发电机的分类 (6)2.2 水平轴风力发电机的概述 (6)2.3 垂直轴风力发电机的概述 (10)2.4 垂直轴风力发电机与水平轴风力发电机的比较 (13)第 3 章 风机所处风场的建立与模拟 (15)3.1风机所处风场的建立 (15)3.2风机所处风场的CFD分析过程简述 (15)3.3 风机所处风场的CFD分析结果 (17)3.4风机结构类型与整体尺寸确定 (18)3.5风机输出转矩的计算 (19)3.6风机叶片校核计算 (21)3.7连接杆的校核 (22)第 4 章 发电机选择 (28)4.1发电机的分类及设计类型选择 (28)4.2永磁同步发电机的选择 (28)第 5 章 增速器设计 (31)5.1 材料、种类选择 (31)5.2 传动比分配和模式确定 (31)5.3 按齿面接触强度设计 (31)5.4 按齿根弯曲强度计算 (33)5.5 比较结果和确定 (34)第 6 章风力发电机的电气控制 (36)6.1 PLC的选型 (36)6.2 蓄电池的选择 (37)6.3 传感器的选择 (37)6.4 PLC控制系统的结构 (38)6.5 工作模式 (38)第 7 章 结论 (40)参考文献 (41)致谢 (42)附录 (43)第 1章 绪论1.1 风的概述1.1.1风和风能的定义及其形成原因风是地球上由太阳热量引起的自然现象。
太阳能引起地球的整个表面的热，并产生 温差，从而引起大气对流风的形成风能是空气的动能，风能的大小取决于风速和空气密 度 [1] 。
据估计到达地球的太阳能，风能是只有2％左右的转换，但其总量仍是十分可观。
全球的风能约为2.74X109MW， 可以使利用风能2X107MW。
形成的气流和风力的动能。
风力发电是太阳能的形式转变。
太阳辐射到达地球表面的加热不均造成大气中，使空气 沿水平方向运动的压力分布不均。
风的形成是空气流动的结果。
风能是地球表面的空气流动的动能。
由于地面的太阳辐射，温度变化和水空气中的 水汽含量各地不同，从而造成一个压力差，显然，高压空气流向低压区在水平方向上， 即形成风。
风能资源决定于风的密度和风能累积。
风的风力发电装置的面积与风速和空 气密度的能量密度成正比。
据估计，世界上总风能约130亿千瓦，而中国的风能总量约 1.6亿千瓦 [2] 。
1.1.2 影响风向与风速的主要因素在在高纬度地区太阳高度角较小，日照时间较短，地面和大气吸收较小的热量，所 以温度低；而赤道等这些纬度低的地区，由于太阳的高度角大、日照时间较长和太阳辐 射强度较强，地面和大气吸收了较多的热量、所以温度高。
这种由于高、低纬度的温度 的差异， 从而形成的气压梯度在南北之间， 就像是空气做水平运动， 风向就沿水平方向， 呈梯度吹，即垂直与等压线从高压向低压吹。
地球不停自转，能让空气在水平运动作偏向的力，这个称为地转偏向力。
这种力可 以使北半球的气流向右边发生偏转，南半球的气流向左边发生偏转。
所以地球的大气运 动除了受到气压的梯度力，并且要受到地球自转的偏向力影响 [3] 。
所以地球大气的真实运动是上述的气压梯度产生的力和地转自偏而产生的力一起 影响的结果。
实际上， 地面风不仅由这两个力的作用， 而且在很大程度上受地形、 海洋等的影响： 丘陵、山地的磨擦，使得风速减少；山隘和海峡可以改变气流运动方向，能使风速增大； 而城市里高层建筑、 热岛效应都可以使得风速与方向得以改变而孤立； 山峰却因海拔高， 使风速增大……因此，风速和风向的空间分布很复杂。
1.2 人类利用风能的历史风能的利用，已有数千年的历史。
利用的形式、方式多种多样。
埃及、中国、伊拉 克等都是最早利用风能的国家。
最旱的利用方式是“风帆行舟”。
埃及被认为可能是最先利用风能的国家，约在几 千年前，他们的风帆船就在尼罗河上航行。
我国是最旱利用风能的国家之一，并将风能的利用发挥到了极致。
至少在 3000 年 前的商代，就出现了帆船。
我国风帆船的制造已领先于世界。
明代以后，风车得到了广 泛的使用，宋应星的《天工开物》一书中记载有：“扬郡以风帆数扇，俟风转车，风息 则止”，这是对风车的一个比较完善的描述。
方以智著的《物理小识》记载有：“用风 帆六幅，车水灌田，淮阳海皆为之”，描述了当时人们已经懂得利用风帆驱动水车灌田 的技术。
古代中国，在沿海沿江地区用风力提水灌溉、制盐、磨面和锯木的场景随处可 见 [4] 。
12 世纪风车从中东传入欧洲。
16 世纪荷兰人利用风车排水、与海争地，在低洼的 海滩地上建国立业，逐渐发展成为一个经济发达的国家。
如今，江河湖海上的各式帆船、中国遗留的古代著作及依旧使用的那些风力机械， 还有荷兰人将其视为国宝的风车、北欧国家保留的大量荷兰式的大风车等，这所有的一 切都已成为人类灿烂文明史的见证者。
1.3 风能的国内外发展基本概况国际风力发电现状自 20 世纪 80 年代起,美国等西方国家开始研究并设计风力发电 机设备,着手使用风能来发电,并切向着商业化而努力。
在短短的时间内，美国的风电装 置的数量得到飞速的提高,但由于一些原因，美国在1986年突然停止了对风力发电的优 惠政策和鼓励政策,风电装机容量的增长势头出现放慢。
相反在欧洲的一些国家却不断 制定出了相对全面的包括利用风能等的开发新能源并利用的政策,使得欧洲的风电装置 数量不断增加,所以在总体上,世界的风电装机容量还是处于一个增长的势头。
由丹麦 BTM咨询公司提供的数据,在1996~2001年中， 每年装机容量平均都增长了约为32.6%。
截止2001年底,全球累计总风力发电机容量已达到25 273 MW,而在短短的2001年，世 界新增装机容量就为6 824 MW。
如表11所示。
表1-1 2001年世界累计风电装机容量前10的国家年份 1999 2000 2001德国 4440 6110 8730美国 2450 2610 4250西班牙 1810 2840 3550丹麦 1740 2340 2460印度 1040 1220 1460意大利 280 420 700英国 360 430 530荷兰 430 470 520中国 260 340 410希腊 160 270 360全世界 13932 18449 25273 从表11中，我们能发现，发电机容量最多的国家是德国, 2001年新增装机容量为 2 620 MW,总量为8 730 MW,为世界之首;西班牙的新增发电机为710 MW,总量为3 550 MW,处于世界第三;丹麦是世界上制造风力发电设备水平比较发达的国家之一,它拥有世 界上较为先进的风力发电机制造产业。
除了这些,丹麦也大力发展自己国内的风力发电 事业,使得丹麦的风力发电机新增了120 MW,总量为2 460 MW,处于世界的第四位;世界 第五位的是印度，它是发展中国家风力发电事业最发达的国家,2001 年一年中，新增了 240 MW,总容量为1 460 MW。
70年代起，中国开始进行了并网型风力发电机的研究和开发设计。
山东从1983年 开始着手引进了 3 台丹麦 Vestas55 kW 的风力机组,进行了并网型风力发电机技术的试 验。
接着在1986和1989年在新疆的达坂城分别安装1台丹麦制造的 Micon 100 kW和 13台丹麦制造的Bonus150 kW风力发电机组,并且在内蒙古的朱日和装了5台美国制造 的 Windower 100 kW风力发电机组,从此开始了中国风电场的运行试验。
