年新增风电装机台，容量累计装机台，容量，如图所示。图历年我国装机储量小型垂直轴风力发电机发展概况二〇年四月二十五日星期垂直轴风力机或的风轮轴与风向垂直，风轮的转动与风向无关，但是由于其启动风速较高且功率不稳定，其发展并不像水平轴风力机那么迅速。随着计算科学的飞速发展，垂直轴风力机的优异空气动力性能尤其是达里厄风力机渐渐为世人所认识，近年来广泛受到各国研究人员的关注。国外较大的风力发电公司有加拿大的公司，其主导产品是种额定功率为的升力型叶轮风力发电机，整套系统由玻璃钢纤维和钢材组成，约重，叶轮高，轮辐直径。年，中国垂直风力发电机实验基地在内蒙古化德县启动运行，目前小样机组已投入运行开始发电，如图所示。年，西峡瑞发水电设备公司和哈尔滨发电设备研究中心联合开发设计的垂直轴永磁风力发电机研制成功，并在张家口风电场安装运行。图德化县垂直轴风力机二〇年四月二十五日星期第二章风力发电基本原理风特性风能量空气的流动现象称为风，风是由于不同地方的空气受热不均匀，从个地方向另个地方运动的空气分子产生的，风的能量就是空气分子的动能，如图所示。图空气流的动能风功率计算公式为联立以上各式得从式容易看出风速对风能的影响是最大的，因此在沿海地区设计风力机时必须要考虑强台风对设备的影响。二〇年四月二十五日星期湍流特性湍流指的是短时间内的风速波动，随着海拔气候地形等变化。影响湍流的因素很多，产生湍流的主要原因有由地形差异引起的气流与地表的摩擦。由于空气密度差异和气温变化的热效应空气垂直运动。湍流往往是有这两种原因相互作用形成的。湍流无法用简单的数学公式完整的表达出来，其复杂程度超出了人类现有的认识能力。虽然它的活动遵循定的定律，但是人类想要用这些定律来描述湍流过程是相当困难的，因此只能通过统计学来大致描述湍流。湍流风速变化基本上服从高斯函数，风速变动相对于风速均值服从正态分布,湍流强度是用来描述湍流总体水平的，计算公式如下式中为湍流强度为脉动风速的均方根为脉动风速动能为平均风速。湍流强度由地表的粗糙度和高度决定，通常是在很短的段时间内计算得到的，如几分钟到小时。风力发电系统结构框架小型垂直轴风力发电机不需要并网，只要选择合适的蓄电池就能够提供般家庭的生活用电，本次设计的发电系统主要由以下几部分构成叶轮发电机传动机构包括刹车塔架整流功率控制系统，如图所示。图系统结构图二〇年四月二十五日星期第三章小型垂直轴风力发电的总体设计风力机的种类及选择风力机的分类方法很多，其中按风力机主轴布置方向可分为水平轴风力机和垂直轴风力机，水平轴风力机的旋转主轴与风向平行，如图所示。水平轴风力机组有两个主要优势实度较低，能量成本低叶轮扫掠面的平均高度可以更高，有利于增加发电量。图水平轴风力发电机垂直轴风力机的旋转主轴与风向垂直，如图所示，垂直轴风力机设计简单，风轮无需对风，其优点有可以接受任何风向的风，无需对风齿轮箱和发电机可以安装在地面，检修维护方便。二〇年四月二十五日星期图垂直轴风力发电机按照桨叶受力方式分类可分为升力型风力机和阻力型风力机。升力型风力机利用叶片的升力带动旋转轴转动，从而转化风能为电能，这种风力机目前较为常见，大部分水平轴风力机都属于升力型风力机。目前大中型风电主要采用水平轴风力机，属升力型风力机，具有转速高风的利用率较高等优点，其叶尖速比通常在以上，最大功率系数可达，如图所示。阻力型风力机利用叶片上受到的阻力来驱动发电机发电，大部分阻力型风力机为垂直轴，目前较少，如图所示。图升力型风力发电机图阻力型风力发电机二〇年四月二十五日星期垂直轴升力型风力机既有垂直轴风力机结构简单维修方便等优点，又和升力型风力机样具有较高转速，风能利用率有所提高。由于运行过程中受力比水平轴好得多，疲劳寿命要更长。垂直轴风力机空气动力学如图所示建立平面坐标系，假定风速矢量为，叶片端线速度矢量为交给了光电编码器，光电编码器通过光电转换收集转轴转速数据，再将数据送往主控电路般为单片机进行分析，最后产生个控制信号使执行件动作。图为套轴式编码器，轴孔直接与电机轴配合，通过螺钉锁紧，当电机轴转动时带动光电编码器转子转动并产生光电信号。光电编码器套轴式编码器内孔光电编码器的参数如表所示。表光电编码器数据电源电压最大机械转矩输出电压高电平，低电平抗震力方向各续上表二〇年四月二十五日星期消耗电流抗冲击方向各次响应频率防护防水防油防尘输出波形方波工作寿命，载空比工作温度启动力矩储存温度转动惯量工作湿度无结霜轴最大负荷径向,轴向重量约用光电编码器对制动器进行控制不仅控制精度高，而且灵活性较大，用户可以通过简单的修改数据就可以对制动器的触发转速进行修改，这特点对于不同地方不同环境下的制动非常有利。塔架的设计支撑件受力分析支架选用低合金碳钢，在满足强度要求的同时尽量减少重量，现选择牌号结构用无缝钢管，壁厚，外径，长度，我们考虑最坏情况，即气流直接作用于静止的叶片上，这样将四个叶片等效于个平板，平板的面积为四个叶片投影面面积之和，如图所示。图等效受力图根据流体力学伯努利方程，作用于平板上的正压力为风速等效平板面积二〇年四月二十五日星期作用于平板的合力为四个叶片所受到的力最后传递到中间支撑杆，支撑杆为合金钢空心结构，重量轻，强度高，如图所示。图中间支撑杆图支撑杆受力简图杆受弯矩为钢管截面模量为其中为外径为内径与外径比。中间支撑杆二〇年四月二十五日星期受到最大弯应力查机械设计手册单行本常用工程材料表得合金钢的许用应力为，所以能够满足强度要求。拉索的受力计算塔架的稳定方式有很多，有拉杆式拉索式桁架式等，而拉索式凭借其简单的结构低廉的价格及安装简易等特点被广泛应用于各种塔架的固定。塔架用三条拉索固定与地面，每根拉索在水平面投影的夹角为，与塔架夹角为，拉索布置如图所示。图拉索的布置按最不利原则，风速方向与轴平行，受力如图所示。图单根拉索受力分析由图可得到下式二〇年四月二十五日星期查机械设计手册起重机部分可得如表所示。表拉索力学性能钢丝绳公称直径材料近似质量钢丝公称抗拉强度钢丝绳最小破断拉力钢芯钢丝绳钢丝绳数据目前市场上能够买得到的钢绳成品有许多，南通力森钢丝绳有限公司生产的类钢丝绳直径为钢丝绳可以满足我们设计需求，在地面准确位置固定地脚螺栓钢筋，钢筋端部弯成环状与钢丝绳套环连接。蓄电池和选型蓄电池的种类及工作基本原理电化学电池是种把氧化还原反应所释放出来的能量直接转变成低电压直流电能的装置，蓄电池分为酸性电池和碱性电池两大类，酸性电池也称铅酸电池，其电解质为硫酸，负极为，正极为。铅酸蓄电池广泛应用于各个行业，电池价格便宜，为镉镍蓄电池的高倍率放电性能良好，可用于引擎启动，多用于汽车发动机的启动电池电压在使用蓄电池中最高，可达到且易于浮充使用，没有记忆效应。鉴于以上优点，本次设计我们采用铅酸蓄电池来作为储能原件。蓄电池选型沈阳松下蓄电池有限公司生产的型蓄电池满足我们的设计要求，基本参数如表所示。表蓄电池参数二〇年四月二十五日星期松下蓄电池电池类型阀控密闭铅酸蓄电池使用产品容量电压其他特征箱体的设计箱体主要用于安装发电机等重要部件，使这些部件免受风雨的侵蚀，要求能够防锈密封。箱体要有定的重量才能防止让整个系统重心比较低，起到稳定的作用。箱体的外形设计本系统的箱体主要以圆柱形为主，上部小，下部偏大，呈阶梯状，如图所示。图箱体外形箱体侧开矩形门，方便蓄电池的安装与检修，箱底内部两个导轨起到导向作用，能够让蓄电池在装入和取出时不偏移。为了防止箱体被大风倾覆，在箱体底部用个地脚螺栓与地面固定。箱体的防锈与密封导轨箱体地脚螺栓二〇年四月二十五日星期防锈箱体材料为铸铁，在户外工作环境中难免会受到水和空气的锈蚀，锈蚀后的箱体不仅密封性降低，而且强度也受到影响，因此，必须对箱体进行防锈处理。防锈处理的最简单方法是在箱壁上喷涂防锈漆。防锈漆有油性的和水性的两种，油性防锈漆在材料表面形成油性物质，去除难，现在般很少采用，水性防锈漆使用方便价格低廉，但是具有定毒性。防锈漆在市场上比较容易买到，在此不详细说明。密封光电耦合器发电机等都是比较容易受损的部件，如果箱体密封不严，些雨水等具有锈蚀作用的物质进入箱体将影响到他们的正常工作。箱体的密封方法很多，有垫密封胶密封填料密封等等。垫密封操作简单，广泛应用于管道压力容器及各种壳体结合面密封中，密封垫常用材料有橡胶皮革石棉纸等等。本次设计采用异丁橡胶密封垫，其渗透泄露较小。二〇年四月二十五日星期结论本文在参照各文献后做出了垂直轴风力机的个总体设计方案，此系统能够在较小风速下启动发电，能够满足般家庭的供电，与传统水平轴风力发电机相比，风能利用率更高，起动风速低，噪音少，应用前景广阔。整个设计过程包括风力机叶片的设计传动系统的设计及塔架的设计等，通过三维建模直观表现风力系统结构，通过比较后认为在低速运行的垂直风力机中运用低阻力系数和大雷诺系数的叶片能够产生比较好的发电效果。风力发电系统的设计涵盖了机械领域电力电子领域及气象学领域，综合性较强。本设计方案着重机械部分，电子控制部分还有待于日后进步完善。风力发电系统是个相当复杂的非线性系统，工作环境复杂，各种数据参数需要通过大量实测来获得，限于条件原因，本次设计中的些参数只能依照其他类似设计来取，将来将进步考虑增加实验来获得第手数据。二〇年四月二十五日星期致谢语首先感谢我的指导老师吴榕副教授这半年来的悉心指导与关怀，无论在论文选题还是文章结构安排上，吴老师都倾注了大量心血。在论文设计过程中，吴老师耐心的讲解常常使我茅塞顿开，他严谨的治学作风扎实的专业理论功底求真务实的工作态度深深地影响着我。值此论文完成之际，向吴老师表示衷心的感谢和诚挚的敬意,同时对李志辉老师张丹老师迟钦河老师在我毕业设计过程中给予的无私指导表示衷心感谢,最后感谢在我身边直默默支持我的家人，是他们的爱让我在四年的大学生活中渐渐长大，让我拥有强大的动力勇往直前,二〇年四月二十五日星期参考文献叶杭冶风力发电系统的设计运行与维护北京电子工业出版社，年月薛桁，朱瑞兆，杨振斌中国风能资源贮量估算太阳能学报年第卷第期中国可再生能源学会风能专业委员会年中国风电装机容量统计年宋丽莉，毛慧琴，钱光明热带气旋对风力发电的影响分析太阳能学报，年第卷第期芮晓明，马志勇，康传明并网型垂直轴风力机的基本构成与气动特性太阳能学报,年第期孙云峰小型垂直轴风力发电机组的设计与实验内蒙古内蒙古农业大学,年聂珣基于自适应转速观测器的双馈风力发电控制系统的研究长沙中南大学,年张国铭论制造兆瓦级垂直轴风力发电机的合理性风力发电，年第期宋海辉风力发电技术及工程中国水利水电出版社，年王心尘基于的垂直轴风力发电系统设计厦门厦门大学,年芮晓明，柳亦兵，马志勇风力发电机组设计北京机械工业出版社，年杨国良，高瑞斌，张纯垂直轴风