名称：一种杠杆放大功率的风力发电装置

专利号：202610498504.3

专利权人：周怀宇

技术领域

本发明涉及杠杆放大功率的风力发电装置技术领域，具体涉及一种杠杆放大功率的风力发电装置。

背景技术

风力发电作为清洁可再生能源的核心组成部分，是全球能源结构转型的重要支撑技术，近年来得到了快速发展与广泛应用。

现有风机直接将叶片的旋转驱动力传递至齿轮箱与发电机，无额外的力矩放大结构，若要提升发电功率，只能通过增大叶片长度、提升叶片扫风面积实现。其次，现有技术中，部分采用杠杆结构的风力发电装置，多为单杠杆臂、单点驱动的结构形式，存在旋转过程中偏载严重、振动幅度大、结构稳定性差的问题，极易造成传动部件的快速磨损损坏；同时，其叶片多固定安装于杠杆臂端部，无法沿杠杆臂长度方向实现多点同步驱动，杠杆的力矩放大效应未能得到充分利用，且叶片受力方向不合理，在旋转过程中存在动力死点，无法为杠杆臂提供持续稳定的切向驱动力，导致旋转速度波动大，发电效率不稳定，甚至需要额外设置换向、储能机构来弥补动力中断的问题，进一步增加了机械损耗与装置故障率。

此外，现有风力发电装置的场景适配性差，难以兼顾分布式与集中式发电需求。大型集中式风电机组对安装场地、风资源条件要求极高，仅能在高风速风场规模化建设；而小型分布式风机则存在发电功率低、综合效率差的问题，无法满足民用、工商业分布式发电的功率需求，难以实现全场景的灵活适配。

发明内容

为此，本发明提供一种杠杆放大功率的风力发电装置，以解决现有技术中的上述问题。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

根据本发明的第一方面，一种杠杆放大功率的风力发电装置，包括动力单元、杠杆组件、齿轮箱以及发电装置；

所述动力单元包括多组驱动叶片，多组所述驱动叶片固定安装于所述杠杆组件上，多组所述驱动叶片沿所述杠杆组件的长度方向阵列布置，所述杠杆组件的中部与所述齿轮箱传动连接，所述杠杆组件以所述齿轮箱的输入轴为支点做水平圆周旋转运动，所述驱动叶片的旋转轴线垂直于所述杠杆臂的旋转平面，用于提供垂直于所述杠杆臂的切向旋转驱动力，所述齿轮箱的输入端与所述杠杆组件传动连接，所述发电装置与所述齿轮箱的输出端传动连接。

进一步地，所述杠杆组件包括至少两根平行设置的杠杆臂，至少两根所述杠杆臂的同一端共同连接于所述齿轮箱的输入轴，形成以所述齿轮箱的输入轴为圆心的双杠杆旋转结构，所述杠杆臂的两端对称安装有所述驱动叶片，且所述杠杆臂两端的驱动叶片相对于所述齿轮箱的输入轴呈镜像设置。

进一步地，每根所述杠杆臂上沿长度方向阵列布置四组驱动叶片，四组所述驱动叶片呈十字形阵列排布。

进一步地，所述齿轮箱为增速齿轮箱，所述增速齿轮箱的传动比不小于 10:1，用于将杠杆组件的低速圆周运动增速至所述发电装置所需的额定转速。

进一步地，所述发电装置为永磁同步发电机，所述永磁同步发电机的输入轴与所述齿轮箱的输出轴同轴连接。

进一步地，所述发电装置与所述齿轮箱的输出端之间通过联轴器传动连接。

进一步地，所述驱动叶片为风扇桨叶或螺旋桨叶。

进一步地，多组所述驱动叶片沿杠杆臂的长度方向等间距布置，且对称分布于所述齿轮箱输入轴的两侧。

本发明具有如下优点：本发明采用以齿轮箱输入轴为支点的杠杆组件结构，利用杠杆省力增矩的力学原理，将多组驱动叶片产生的驱动力通过长力臂实现力矩放大，大幅提升输入齿轮箱的额定扭矩，同时，驱动叶片的旋转轴线垂直于杠杆臂的旋转平面，可全程提供持续稳定、垂直于杠杆臂的切向驱动力，最大化风能向机械扭矩的转化效率；同时可保障杠杆组件水平圆周旋转运动的连续性与平稳性，有效降低整机运行的振动与机械磨损，延长装置的使用寿命，提升发电输出的稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引申获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。

图1为本发明一些实施例提供的一种杠杆放大功率的风力发电装置的侧面示意图一。

图2为本发明一些实施例提供的一种杠杆放大功率的风力发电装置的正面示意图一。

图3为本发明一些实施例提供的一种杠杆放大功率的风力发电装置的侧面示意图二。

图4为本发明一些实施例提供的一种杠杆放大功率的风力发电装置的正面示意图二。

图5为本发明一些实施例提供的一种杠杆放大功率的风力发电装置的立体示意图。

图中：1、驱动叶片；2、杠杆组件；201、杠杆臂；3、齿轮箱；4、发电装置。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例 1

本实施例公开的一种杠杆放大功率的风力发电装置，具体结构如图 1 至图 5 所示。本实施例的风力发电装置，包括动力单元、杠杆组件 2、齿轮箱 3 以及发电装置 4 四大核心组成部分。其中，动力单元包括多组驱动叶片 1，多组驱动叶片 1 通过法兰盘与锁紧螺栓固定安装于杠杆组件 2 的上表面，多组驱动叶片 1 沿杠杆组件 2 的长度方向等间距阵列布置，确保每组驱动叶片 1 产生的驱动力可均匀作用于杠杆组件 2 的力臂上。杠杆组件 2 的中部设置有传动连接法兰，与齿轮箱 3 的输入轴通过平键与锁紧螺母实现刚性传动连接，使杠杆组件 2 以齿轮箱 3 的输入轴为支点做水平圆周旋转运动，杠杆组件 2 的旋转平面与水平面平行，避免重力对旋转运动产生额外偏载影响。驱动叶片 1 的旋转轴线垂直于杠杆臂 201 的旋转平面，即驱动叶片 1 的旋转轴线沿竖直方向布置，驱动叶片 1 的迎风面与水平风向正对，当水平气流流经驱动叶片 1 时，驱动叶片 1 产生的旋转驱动力完全转化为垂直于杠杆臂 201 的切向旋转驱动力，全程无动力分解与损耗，不存在旋转动力死点，可持续为杠杆组件 2 的圆周旋转提供稳定动力。齿轮箱 3 的输入端与杠杆组件 2 传动连接，发电装置 4 与齿轮箱 3 的输出端传动连接，形成“风能-叶片机械能-杠杆放大扭矩-齿轮箱增速-发电机电能” 的完整能量转化链路。

本实施例的工作原理为：驱动叶片 1产生持续的旋转驱动力，该驱动力垂直作用于杠杆组件 2 的力臂上；根据杠杆力矩计算公式 M=F×L（M 为扭矩，F 为驱动力，L 为力臂长度），通过杠杆组件 2 的长力臂结构，将多组驱动叶片 1 产生的驱动力同步放大为大扭矩，直接输入齿轮箱 3 的输入端；齿轮箱 3 将杠杆组件 2 输入的低速大扭矩旋转运动进行转速转化后，输出至发电装置 4，驱动发电装置 4 完成风力发电。

本实施例达到的技术效果为：通过杠杆组件 2 的力矩放大作用，无需增大单组驱动叶片 1 的尺寸，即可大幅提升输入齿轮箱 3 的额定扭矩，解决了传统风机仅能通过增大叶片尺寸提升发电功率的局限；驱动叶片 1 的旋转轴线垂直于杠杆臂 201 的旋转平面，全程提供无死点的切向驱动力，最大化风能向机械扭矩的转化效率，消除了传统杠杆式风机动力中断、转速波动大的问题，显著提升发电输出的稳定性与连续性。

实施例 2

本实施例提供的一种杠杆放大功率的风力发电装置，其结构包括实施例 1 的全部内容，针对杠杆组件 2 与驱动叶片 1 的布置形式做进一步优化，下面仅对与实施例 1 的不同部分进行详细描述。

在本实施例中，杠杆组件 2 包括两根平行设置的杠杆臂 201，两根杠杆臂 201 采用一体式焊接成型结构，材质选用高强度低合金结构钢，单根杠杆臂 201 的长度为 12m，截面为矩形中空结构，壁厚 8mm，在保证结构强度的同时降低自重。两根杠杆臂 201 的同一端（中部位置）共同通过刚性联轴器连接于齿轮箱 3 的输入轴，形成以齿轮箱 3 的输入轴为圆心的双杠杆旋转结构，双杠杆臂 201 在同一水平面内呈 180° 对称布置，旋转过程中两侧的离心力与受力完全平衡，从根本上解决了单杠杆臂结构的偏载问题。

杠杆臂 201 的两端对称安装有驱动叶片 1，且杠杆臂 201 两端的驱动叶片 1 相对于齿轮箱 3 的输入轴呈镜像设置，即杠杆臂 201 左端的驱动叶片 1 与右端的驱动叶片 1，迎风面朝向完全一致，产生的切向驱动力方向相同，可实现同向叠加，无反向力抵消的损耗。多组驱动叶片 1 沿杠杆臂 201 的长度方向等间距布置，且对称分布于齿轮箱 3 输入轴的两侧，本实施例中，单根杠杆臂 201 上共布置 6 组驱动叶片 1，齿轮箱 3 输入轴的左侧与右侧各 3 组，相邻两组驱动叶片 1 的间距为 2m，确保杠杆臂 201 的力臂全程均有驱动力输入，充分发挥杠杆的力矩放大效应。

驱动叶片 1 选用航空级尼龙材质的风扇桨叶，单组驱动叶片 1 为 3 叶结构，在低风速工况下仍可快速启动并产生稳定驱动力，适配分布式发电的低风速场景需求。

在本实施例中，需要说明的是，两根杠杆臂 201 的长度、截面尺寸、材质完全一致，且两侧驱动叶片 1 的数量、型号、安装间距完全对称，确保杠杆组件 2 旋转过程中，重心始终与齿轮箱 3 的输入轴轴线重合，大幅降低旋转过程中的振动幅度，减少传动部件的磨损，延长整机使用寿命。

本实施例达到的技术效果为：双杠杆对称结构实现了旋转受力的完全平衡，解决了传统单杠杆结构偏载严重、振动大、易磨损的问题；驱动叶片 1 沿杠杆臂 201 等间距对称布置，实现了杠杆力臂的多点同步驱动，充分释放了杠杆结构的力矩放大潜力；镜像设置的驱动叶片 1 实现了驱动力的同向叠加，进一步提升了扭矩输出效率，同时风扇桨叶的选型适配了低风速工况，拓宽了装置的风速适用范围。

实施例 3

本实施例提供的一种杠杆放大功率的风力发电装置，其结构包括实施例 2 的全部内容，针对驱动叶片 1 的阵列排布形式做进一步限定，下面仅对与实施例 2 的不同部分进行详细描述。

在本实施例中，每根杠杆臂 201 上沿长度方向阵列布置四组驱动叶片 1，四组驱动叶片 1 呈十字形阵列排布。具体而言，单根杠杆臂 201 的总长度为 8m，以齿轮箱 3 的输入轴为中心，左侧杠杆臂长度 4m，右侧杠杆臂长度 4m，左侧与右侧各布置两组驱动叶片 1，单根杠杆臂 201 合计四组驱动叶片 1。

其中，杠杆臂 201 左侧的两组驱动叶片 1，分别安装于距离齿轮箱 3 输入轴 2m、4m 的位置；杠杆臂 201 右侧的两组驱动叶片 1，分别安装于距离齿轮箱 3 输入轴 2m、4m 的位置，四组驱动叶片 1 沿杠杆臂 201 的轴线呈一字型等间距排布；同时，四组驱动叶片 1 的旋转轴线均沿竖直方向布置，相邻两组驱动叶片 1 的旋转相位差为 90°，整体形成十字形阵列排布结构，使杠杆臂 201 在 360° 旋转过程中，始终有驱动叶片 1 处于最佳迎风受力状态，进一步消除旋转过程中的扭矩波动。

在本实施例中，需要说明的是，十字形阵列排布的四组驱动叶片 1，其安装高度完全一致，均处于同一水平面内，避免相邻驱动叶片 1 之间产生紊流干扰，保证每组驱动叶片 1 的风能捕获效率；同时，四组驱动叶片 1 的型号、规格完全相同，确保每组叶片产生的驱动力一致，实现扭矩的平稳叠加。

本实施例达到的技术效果为：通过单根杠杆臂 201 上四组驱动叶片 1 的十字形阵列排布，实现了 360° 旋转过程中驱动力的无间断平稳输出，彻底解决了传统风机旋转过程中的扭矩脉动问题；同时，该排布方式在充分利用杠杆力臂长度的同时，简化了叶片安装结构，降低了整机装配难度，兼顾了力矩放大效果与结构可靠性，使发电装置的输出电压波动率降低至 2% 以内，显著提升了发电质量。

实施例 4

本实施例提供的一种杠杆放大功率的风力发电装置，其结构包括实施例1-3的全部内容，针对齿轮箱 3、发电装置 4 的具体选型与传动连接方式做进一步细化，下面仅对与前述实施例的不同部分进行详细描述。

在本实施例中，齿轮箱 3 为行星轮系增速齿轮箱，传动比为 20:1，满足不小于 10:1 的传动比要求，可将杠杆组件 2 输入的 15-30r/min 的低速圆周运动，增速至 300-600r/min 的额定转速，完全匹配发电装置 4 的额定工作转速需求。增速齿轮箱采用三级行星传动结构，传动效率≥96%，具备过载保护功能，可承受杠杆组件 2 输入的瞬时冲击扭矩。

发电装置 4 为永磁同步发电机，在低转速工况下仍可实现高效发电，风能转化效率≥92%。永磁同步发电机的输入轴与齿轮箱 3 的输出轴同轴布置，且发电装置 4 与齿轮箱 3 的输出端之间通过弹性膜片联轴器实现传动连接，弹性膜片联轴器可补偿两轴之间的同轴度误差与安装偏差，同时缓冲旋转过程中的振动冲击，避免齿轮箱输出端的振动传递至发电机内部，保护发电机的转子与轴承结构。

本实施例的整机装配方式为：齿轮箱 3 与发电装置 4 上下同轴布置，齿轮箱 3 位于上方，发电装置 4 位于下方，齿轮箱 3 的输入轴竖直向上伸出，与杠杆组件 2 的中部传动连接；齿轮箱 3 的输出轴竖直向下伸出，通过弹性膜片联轴器与发电装置 4 的输入轴同轴连接；整机通过底部的安装底座固定于混凝土基础上，安装底座设置有减震垫，进一步降低整机运行的振动与噪音。

本实施例的工作工况为：在 3m/s 的低风速工况下，驱动叶片 1 即可启动并带动杠杆组件 2 旋转，通过杠杆力矩放大后，经增速齿轮箱增速后，驱动永磁同步发电机实现低风速启动发电；在 8m/s 的额定风速工况下，杠杆组件 2 的旋转转速可达 25r/min，经 20:1 传动比增速后，发电机转速达到 500r/min的额定转速；在12m/s 的高风速工况下，装置可通过叶片的失速特性限制转速，配合齿轮箱的过载保护，实现稳定发电，避免飞车风险。

本实施例达到的技术效果为：通过20:1传动比的增速齿轮箱，完美匹配杠杆组件的低速大扭矩输出与发电机的额定转速需求，实现了风能的高效转化；永磁同步发电机的选型，大幅提升了低风速工况下的发电效率，拓宽了装置的风速适用范围；弹性膜片联轴器的传动连接方式，提升了传动系统的稳定性与可靠性，降低了机械损耗与故障率；本实施例的整机装置，既可以单台布置用于民用、工商业分布式发电，也可以多台阵列布置用于集中式风电场建设，解决了传统风机场景适配性差的问题，实现了全场景的灵活适配。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。