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。