用于使用外部齐平入口和铲状物入口进行发电的内装圆柱涡轮机的制作方法

背景技术：

除非本文另有说明，在该部分中描述的材料不是权利要求的现有技术，并且该部分所包括的也不被承认是现有技术。

从可再生能源诸如例如风生成电力引起了人们广泛的兴趣。常规的风力发电系统通常以螺旋桨类型涡轮机的形式提供，通常被称为风车式发电机。一般而言，这类系统包括安装在高塔上的多个长的螺旋桨叶片。当位于具有充足风速的区域时，风的动能围绕转子旋转螺旋桨叶片。转子耦接(couple)到主轴，主轴旋转发电机以产生电能。

常规风力发电系统具有若干局限性。例如，常规风力发电系统通常需要具有相对大的风速的大的开放空间。此外，例如，常规风力发电系统能够是有噪音的，影响环境美学并且影响野生生物。

技术实现要素：

本文公开了风力产生电能的方法和系统。在一个示例中，一种用于进行风力发电的方法包括在结构的外部表面上的入口中捕获风。该方法还包括经由管道将风从入口引导至离心式风扇，以及在将风从入口引导至离心式风扇时，在管道中压缩和加速风。该方法进一步包括在离心式风扇中接收来自管道的风，并且经由接收的风旋转离心式风扇中的风扇叶片组件。该方法进一步包括基于风扇叶片组件的旋转，经由发电机生成电能。

在另一个示例中，一种利用结构上的风力负荷产生能量的系统包括在结构的外部表面上的入口。该入口被配置为捕获外部表面上的风。该系统还包括在管道的第一端部耦接到入口的管道。该管道被配置为将风从管道的第一端部引导至管道的第二端部。该管道还被配置为压缩和加速从第一端部被引导至第二端部的风。该系统进一步包括耦接至管道的第二端部的离心式风扇，该离心式风扇用于从管道接收风。该离心式风扇包括风扇叶片组件，该风扇叶片组件被配置为响应于从管道接收的风而旋转。该系统还包括发电机，该发电机被配置为基于风扇叶片组件的旋转而生成电能。

通过阅读下面的详细描述并参考合适的附图，这些以及其他方面、优势和替代物对于本领域技术人员来说将是明显的。此外，应当理解，该发明内容部分以及该文档中其他部分中提供的描述旨在通过示例而不是限制的方式说明要求保护的主题。

附图说明

图1描绘根据一个示例的风力发电系统的透视图。

图2描绘图1的示例风力发电系统的截面顶视图。

图3描绘图1的示例风力发电系统的截面侧视图。

图4a根据一个示例说明离心式风扇的透视图。

图4b说明图4a中描绘的示例离心式风扇的局部视图。

图5描绘风力发电系统的一个示例入口的透视图。

图6描绘风力发电系统的一个示例入口的透视图。

图7描绘一个示例风力发电系统的透视图。

图8根据一个示例描绘一种用于进行风力发电的方法的流程图。

图9根据一个示例描绘一种用于在结构中安装风力发电系统的方法的流程图。

图10描绘一个示例风力发电系统的截面顶视图。

具体实施方式

公开的方法和系统提供用于从结构(例如，建筑物、桥梁和/或塔)上的风力负荷产生电能。尽管下面在建筑物的背景下描述和在附图中示出示例，应当理解的是，本文公开的原理能够扩展为应用到其他结构(诸如，例如桥梁或塔)中。

图1-图3描绘根据本文公开的一个示例的风力发电系统100。为了更清楚地描绘发电系统100的各方面，图1-图3相对于彼此不成比例。如图1中所示，发电系统100包括建筑物102，建筑物102具有多个外部侧向表面104a-104d以及屋顶106。例如，建筑物102能够是用于商业、工业和/或居住目的单个家庭的房屋、低层建筑物、中层建筑物和/或高层建筑物。

图1进一步示出了入射到建筑物102的外部表面104a、104b并且穿越建筑物102的外部表面104a、104b的风108。一般而言，当风108遇到建筑物102的外部表面104a、104b时，风108被迫沿着外部表面104a、104b朝向建筑物102的相应的拐角110行进。此外，至少部分由于在拐角110处的空气压差，风在其沿着外部表面104a、104b朝向拐角110穿越时加速。入射到建筑物的外部表面并且穿越建筑物的外部表面的风也可以称为该建筑物的该外部表面上的风力负荷。

发电系统100有利地捕获外部表面104a上的此类风力负荷，并且将捕获的风108引导至建筑物102的内部的风力涡轮机112中，从而生成电能。为了捕获入射到建筑物102的外部表面104a并且穿越建筑物102的外部表面104a的风108，发电系统100包括外部表面104a上的入口114。如图2中所示，入口114提供风108从外部侧向表面104a进入建筑物102内部空间能够通过的开口。入口114能够具有以减小的(或最小的)空气流动阻力促进将风108引导至建筑物102的大小和形状。入口114的示例实施方式在下文参考图5-图6进行描述。

在图1-图2中示出的示例中，建筑物102包括在一个外部表面104a上的单个入口114；然而，如下文将描述的，在其他示例中，建筑物102能够包括在建筑物102的一个或更多个外部表面104a-104d上的多个入口114。这种做法能够促进发电系统100捕获更大量的风108，并因此生成更大量的电能。

如图2-图3中所示的，入口114经由空气管道116耦接至风力涡轮机112。空气管道116包括在第一端部116a和第二端部116b之间延伸的一个或更多个壁120，第一端部116a耦接到入口114，第二端部116b耦接到风力涡轮机112。空气管道116的一个或更多个壁120基本上或完全地封闭空气管道116的内部空间。因此，空气管道116提供用于将捕获的风108从入口114引导至风力涡轮机112的通道。在多个示例中，空气管道116能够具有圆形、长方形、正方形和/或多边形的横截面形状。

根据本文公开的各方面，空气管道116在风108从入口114流入至风力涡轮机112时对其进行压缩和加速。为了这样做，空气管道116包括一个或更多个锥形部分，该锥形部分向内朝向空气管道116的轴“a”从入口114至风力涡轮机112逐渐变细(taper)。在图2-图3中，空气管道116沿着空气管道116的整个距离连续地逐渐变细。在空气管道116的整个距离上使得空气管道116逐渐变细能够帮助减小实现特定程度的风压缩和加速所需要的锥角，这进而能够帮助最小化空气流动损失。然而，在其他示例中，空气管道116能够包括一个或更多个非锥形部分，在非锥形部分中空气管道116的横截面尺寸在空气管道116的至少一部分上保持固定。更一般地，空气管道116能够被配置为使得空气管道116的横截面尺寸在第一端部116a处大于在第二端部116b处，并且在一些实施方式中，在第一端部116a处最大并且在第二端部116b处最小。管道116因此充当流体力学喷嘴，从而压缩和加速风108。

通过压缩和加速风108，增加空气速度以及因此增加流动能量密度。如下文所述，这允许通过风力涡轮机112进行更充分的发电。此外，经由管道116压缩和加速风108能够提供建筑物102内的内部空间的更充分的使用。

空气管道116能够具有可变度数和形状的线性锥形，用于修改风108压缩和/或加速的量。在一个示例中，空气管道116能够具有大约20度的线性锥形。能够使用复杂计算流体动力学(cfd)算法，使用多次幂多项式(multi-powerpolynomial)锥形形状，连续地逐渐变细空气管道116。其他示例也是可能的。

在图2-图3中，空气管道116被示出为在入口114和风力涡轮机112之间直行。也就是说，空气管道116不包括任何弯管和转弯。这能够有益地减小或减轻在空气管道116内的空气流动阻力。可选地，空气管道116能够包括一个或更多个弯管或转弯以提供建筑物102中的入口114和风力涡轮机112之间的相对定位的更大的灵活性。例如，图10示出了包括管道1016的示例发电系统1000，该管道1016在入口1014和风力涡轮机1012之间转弯。

如上所述，风力涡轮机112耦接到空气管道116的第二端部116b。风力涡轮机112将从管道116接收的风108的动能转化为电能。为了这样做，风力涡轮机112包括耦接至发电机124的离心式风扇122。特别地，风力涡轮机112中接收的风108旋转离心式风扇122中的风扇叶片组件132，这导致发电机124生成电能。例如，风扇叶片组件132能够通过轴126耦接至发电机124，使得风扇叶片组件132的旋转导致轴126旋转，这进而使得转子在发电机124的定子内旋转，从而生成电能。风扇叶片组件132和转子能够以相同速度旋转(例如，在直接驱动配置中)。风力涡轮机112还能够包括齿轮箱(未示出)，从而步进式增加(step-up)和/或步进式减少(step-down)离心式风扇122和发电机124之间的旋转耦接的速度。

利用离心式风扇122将风108的动能转化为电能提供了多个好处。例如，离心式风扇122的风扇叶片提供相对于常规地用于风力发电的螺旋桨类型的涡轮机而言单位体积的更大表面积用于风施加作用。因此，具有离心式风扇122的风力涡轮机112能够以相比类似大小的螺旋桨类型的风力涡轮机更低的风速产生电能。此外，例如，由于空气湍流和涡轮机效率直接相关于风扇噪音，因此离心式风扇122可以相比螺旋桨类型的风力涡轮机更安静地运行。

根据本文公开的各个方面，风力涡轮机112产生的电能能够被提供至建筑物102内的电气网络，建筑物102外部的电力网，和/或一个或更多个能量存储设备125(诸如，例如一个或更多个可再充电电池、热存储设备(例如，熔融盐类)、飞轮和/或超导磁线圈)。因此，产生的电能能够被用于运行建筑物102内的电气设备，和/或经存储用于由此类设备稍后使用。

如图3中所示，风力涡轮机112被进一步耦接至排风管道118，其促进风108从风力发电系统100的排出。随着风108通过离心式风扇122，风108旋转90度并且经由排风管道118离开离心式风扇122。排风管道118能够将风108从离心式风扇122引导至建筑物102内的排风开口144。例如，在图1中，排风开口144在屋顶106上；但是，在其他示例中，排风开口144能够在不同位置。

可选地，排风管道118能够耦接至建筑物102内的供热、通风和空气调节(hvac)系统。以此方式，从风力发电系统100排出的风108能够用于改善hvac系统中的空气流动。例如，这可以缓解hvac系统中的增压风机的需求。

如上所述，风力涡轮机112包括离心式风扇122。图4a示出了根据一个示例的离心式风扇122。离心式风扇122包括房屋134内的风扇叶片组件132。房屋134具有用于接收来自空气管道116的风108的进口136，并且具有用于将空气排出到排风管道118的出口138。如图4a中所示，进口136通常垂直于出口138。

图4b描绘了图4a的离心式风扇122，其中房屋134的一部分被移除以暴露风扇叶片组件132。如图4b中所示，风扇叶片组件132包括多个风扇叶片140，其耦接至轮毂(hub)142。在图4b中，风扇叶片140中的每个朝着风扇叶片组件132的旋转相反方向弯曲(即，在“后向弯曲(backward-curved)”配置中)。替代性地，风扇叶片140能够在风扇叶片组件132的旋转方向上弯曲(即，在“前向弯曲(forward-curved)”配置中)，或者风扇叶片140能够从轮毂142延伸而不弯曲(即，在“直通径向(straightradial)”配置中)。在一些实施方式中，风扇叶片组件132具有后向配置能够提供比具有前向配置或直通径向配置更高的效率。

如上所述，当风108从空气管道116进入进口136时，风108作用在风扇叶片组件132的风扇叶片140上。特别地，风108引起风扇叶片组件132在房屋134内旋转。风扇叶片组件132的旋转能量被传递给发电器124(例如，经由轴126)，其将旋转能量转化为电能。风扇叶片140的旋转进一步将离心力施加到风108，其迫使风108经由出口138离开房屋134。

在示出的示例中，出口138与风扇叶片组件132的旋转轴同轴，并且进口136垂直于该旋转轴。但是，能够经由图4a中示出的出口138接收风108，并且经由进口136排出。也就是说，能够通过平行于风扇叶片组件132的旋转轴的开口从空气管道116接收风108，并且垂直于风扇叶片组件132的旋转轴排出风108。

可选地，离心式风扇122还能够包括制动系统，以促进发电系统100的安全保养、修复和/或升级。制动系统能够具有第一运行状态和第二运行状态，在第一运行状态中，制动系统100从风扇叶片组件132脱离从而允许风扇叶片组件132旋转，在第二运行状态中，制动系统与风扇叶片组件结合从而停止或阻止风扇叶片组件132的旋转。以此方式，制动系统能够在第一状态和第二状态之间被选择性地致动，从而促进发电系统100的安全修复和/或保养。

如上所述，入口114捕获入射到建筑物102的外部表面104a并且穿越建筑物102的外部表面104a的风。图5-图6描绘了入口114的示例配置，入口114能够用于本文所述的发电系统(例如发电系统100)中。图5描绘了在建筑物102的外部表面104a上的示例入口514。如图5中所示，入口514被形成为外部表面104中的凹形开口。特别地，入口514具有向内倾斜的表面528，其形成外部表面104a中的凹形开口。如图5中进一步所示的，当穿越外部表面104a的风108碰到入口514时，风108流动通过表面528和表面104a之间的间隙，进而通过进入到管道116。

在图5中，入口514与外部表面104a齐平，因为入口514的部分没有从外部表面104a向外突出。通过具有凹形入口514，入口514对建筑物102的美感具有很小或没有负面影响。这可以帮助减小或缓解用于在建筑物或都市环境中部署风力发电系统的重大障碍。

如图6中所示，入口614包括铲状物630，其从外部表面104a突出，从而促进捕获相比于凹形类型的入口514更大量的风。尽管铲状类型的入口614可以提高风捕获功能，但是突出的铲状物可以是相比于凹形类型的入口514更容易被观测到的。而且，相对于常规螺旋桨类型的风力涡轮机的实体空间和大小要求，铲状物130相对较小并且更不易于影响建筑物的美感。

可选地，入口114能够包括凹形类型的入口514和铲状物类型的入口614两者的方面。例如，入口114能够包括向内倾斜的表面(例如，表面528)和铲状物(例如，铲状物630)。

根据一些方面，系统100还能够包括入口过滤器(未示出)，入口过滤器被配置为禁止固体物体(诸如，例如，鸟、蝙蝠、昆虫、塑料袋和垃圾等)进入入口114、514和614。作为示例，入口过滤器能够包括格栅、网孔、网、其各种组合和/或类似物。相应地，本文公开的发电系统可以减轻与常规螺旋桨类型的风力涡轮机有关的环境影响。

在示出的示例中，入口114、514和614通常被描述为细长形状。这可以帮助使用建筑物102内的更少(或最小)的内部空间来捕获建筑物的表面上的更大量的风力负荷。但是，根据其他示例，入口114、514和614能够以其他形状形成。此外，入口114、514和614可以相对于建筑物的垂直轴以任意配置确定方向。尽管入口114、514和614通常被示出为平行于建筑物的垂直轴，但是入口114、514和614能够相对于建筑物的垂直轴以不同方式确定方向。

在图1中，入口114位于建筑物102的拐角110处。(例如，由于风108在外部表面104的更大表面上积聚和穿越)相对于外部表面104上的其他位置，将入口114定位在建筑物102的拐角110处能够有利地促进在入口114中捕获更大的风力负荷；但是，入口114能够在外部表面104上的不同位置中，如图7中所示。此外，尽管在图1-图3中，建筑物102包括仅一个入口114、管道116和风力涡轮机112，建筑物102能够包括一个以上的入口114、管道116和/或风力涡轮机112。将多个入口114、管道116和风力涡轮机112整合到建筑物102中能够捕获建筑物102上的更大的风力负荷，并且因此提供更大的电能生成。

如上所述，风力发电系统100能够包括在建筑物102的任意表面上的任意位置中的任意数量的入口114、管道116和风力涡轮机112。作为一个示例，图7描绘了发电系统700，在发电系统700中，建筑物702包括在建筑物702的外部表面704上的各个位置的多个入口714。此外，在图7中，入口714中的一个位于建筑物702的屋顶706上。如图7中所示，入口714中的至少一些入口714的大小和方向相对于另外的入口714不同。此外，如图7中所示，入口714’被定位和确定方向以便分别捕获外部表面704中的一个外部表面上的上升气流和下降气流。入口714和714’的数量、位置、大小和方向能够基于各种因素，诸如，例如，预期风力负荷、建筑物702内的空间约束、和/或建筑物702需要的电能生成。尽管未示出，系统700能够进一步包括多个管道、风力涡轮机和排风管道，其各自以类似于以上所述的方式耦接至入口714的相应入口。

如以上示出和描述的，每个风力涡轮机从单个管道和单个入口接收风；但是，根据附加或替代性的示例，单个风力涡轮机能够从多个管道和/或多个入口接收风。在此类示例中，系统能够包括一个或更多个特征件，其被配置为促进从不同管道和/或入口接收的风的混合，以便减轻阻力和/或其他损失。例如，系统能够包括在空气管道中的一个或更多个定向板条，其帮助减少多个空气气流之间的气流湍流。通过将来自多个入口和/或管道的风引导至公共风力涡轮机，甚至更大量的风能够被捕获并被引导至风力涡轮机。这可以帮助实现建筑物内的更有效的空间利用以便生成电力。

如上所述，本文公开的发电系统通常位于建筑物102的内部空间中。这提供了优于常规螺旋桨类型的系统的多个附加的益处和优势。例如，由于一个或更多个风力涡轮机位于建筑物102的内部空间中，本文公开的发电系统解决了与常规螺旋桨类型风力涡轮机相关联的环境影响(例如，野生生物冲击螺旋桨)。此外，通过将发电系统的组件定位在建筑物102的内部空间中，系统能够容易地、安全地并且成本有效地被修复、保养和/或从建筑物102的内部空间升级。通过对比，常规风车式发电机需要位于潜在地暴露于恶劣和/或危险的环境条件的开放空间中。此外，将发电系统的组件定位在建筑物102中帮助维持建筑物的美感。

现在参考图8，其描绘了一种风力产生电能的示例方法的流程图。在框860中，入口捕获建筑物的外部侧向表面上的风。在框862中，管道将捕获的风从入口引导至离心式风扇。在框864中，在将风从入口引导至离心式风扇时，管道压缩和加速风。在框866中，在已经在管道将风压缩和加速后，离心式风扇接收来自管道的风。在框868中，风旋转离心式风扇中的风扇叶片组件。在框870中，响应于风扇叶片组件的旋转，产生电能。

图8中示出的流程图是风力产生电能的方法的一个示例。产生电能的方法能够省略多个步骤，包括附加的多个步骤，和/或修改上文呈现的步骤的顺序。

现在参考图9，其描绘了一种在建筑物中安装风力发电系统的示例方法的流程图。在一些实施方式中，该方法可以被实施为利用风力发电系统对现有的建筑物进行改装。替代性地，该方法可以与建筑物的建造同时实施。

在框980中，方法涉及形成建筑物的外部侧向表面中的入口。例如，入口能够通过形成建筑物的外部侧向表面中的开口而被形成。开口能够从建筑物的外部侧向表面向下倾斜，从而提供凹形入口。可选地，形成入口能够包括将铲状物耦接至开口处的外部表面。

在框982中，风力涡轮机安装在建筑物的内部空间(例如，维修室)中。在框984中，管道的第一端部耦接至入口。在框986处，管道的第二端部耦接至风力涡轮机。特别地，管道的第二端部能够耦接至风力涡轮机中的离心式风扇的进口。在框988处，风力涡轮机的出口耦接至排风管道，该排风管道被配置为促进建筑物中的内部空间的风的排出。在框990中，风力涡轮机的发电机电耦接至建筑物的电气网络，建筑物外部的电网，和/或电存储设备。

图9中示出的流程图是在建筑物中安装风力发电系统的方法的一个示例。安装的方法能够省略多个步骤，包括附加的步骤、和/或修改上文呈现的步骤的顺序。

此外，本文的公开包括根据以下实施例的实施例：

实施例1.一种从风力产生电能的方法，包括：在结构的外部表面上的入口中捕获风；经由管道，将来自入口的风引导至离心式风扇；在将风从入口引导至离心式风扇时，在管道中压缩和加速风；在离心式风扇中接收来自管道的风；经由接收的风，旋转离心式风扇中的风扇叶片组件；以及经由发电机，基于风扇叶片组件的旋转，产生电能。

实施例2.根据实施例1所述的方法，其中离心式风扇位于结构的内部空间中。

实施例3.根据实施例1或2所述的方法，其中在入口中捕获风包括将风接收到结构的外部表面中的凹形开口中，并且其中入口与外部表面齐平。

实施例4.根据实施例1或2所述的方法，其中在入口中捕获风包括在从外部表面突出的铲状物中捕获风。

实施例5.根据实施例1-4中任意一项所述的方法，其中外部表面是结构的侧向表面。

实施例6.根据实施例1-5中任意一项所述的方法，其中管道从入口到离心式风扇向内逐渐变细，从而压缩和加速风。

实施例7.根据实施例6所述的方法，其中管道从入口到离心式风扇沿管道的整个距离连续地逐渐变细。

实施例8.根据实施例1-7中任意一项所述的方法，进一步包括与在离心式风扇中接收风的方向垂直的方向上将风从离心式风扇排出。

实施例9.根据实施例8所述的方法，进一步包括将从离心式风扇排出的风引导至供热、通风和空气调节(hvac)系统，从而协助hvac系统中的空气流动。

实施例10.根据实施例1-9中任意一项所述的方法，进一步包括经由能量存储设备存储产生的电能。

实施例11.一种用于从结构上的风负荷产生电能的系统，包括：结构的外部表面上的入口，其被配置为捕获外部表面上的风；管道，该管道耦接至在管道的第一端部处的入口并且被配置为将风从其第一端部引导至其第二端部，其中管道被配置为压缩和加速从第一端部被引导至第二端部的风；离心式风扇，其耦接至管道的第二端部用于接收来自管道的风，离心式风扇包括风扇叶片组件，风扇叶片组件被配置为响应于来自管道的风而旋转；以及发电机，其被配置为基于风扇叶片组件的旋转而产生电能。

实施例12.根据实施例11所述的系统，进一步包括能量存储设备，能量存储设备被配置为存储由发电机生成的电能。

实施例13.根据实施例11或12所述的系统，其中管道在第一端部到第二端部的方向中向内逐渐变细，从而压缩和加速风。

实施例14.根据实施例13所述的系统，其中管道从入口到离心式风扇沿管道的整个距离连续地逐渐变细。

实施例15.根据实施例11-14中任意一项所述的系统，其中入口与结构的外部表面齐平。

实施例16.根据实施例11-15中任意一项所述的系统，其中入口进一步包括从外部表面突出的铲状物。

实施例17.根据实施例11-16中任意一项所述的系统，其中风扇叶片组件包括多个风扇叶片，并且多个风扇叶片中的每个朝着风扇叶片组件的旋转的相反方向弯曲。

实施例18.根据实施例11-17中任意一项所述的系统，进一步包括排风管道，其耦接至离心式风扇的出口，并且被配置为排出来自离心式风扇的风，其中管道的第二端部耦接至离心式风扇的进口，其中进口垂直于出口。

实施例19.根据实施例18所述的系统，其中出口与风扇叶片组件的旋转轴同轴。

实施例20.根据实施例11-19中任意一项所述的系统，其中外部表面是结构的侧向表面。

实施例21.根据实施例11-20中任意一项所述的系统，其中入口位于结构的拐角处。

实施例22.根据实施例11-21中任意一项所述的系统，其中入口包括多个入口，并且外部表面包括多个外部表面，使得风在结构上的多个位置处被捕获。

已经描述了各个示例方面。在研究了本文描述的配置、示例和布置后，本领域技术人员可以理解在不脱离本文公开的真实范围和精神的情况下，可以做出改变和修改。不同优势方面的描述已经出于说明和描述的目的呈现，并且不旨在对公开的形式穷尽或限制。在回顾了本公开后，很多修改和变化对于本领域技术人员来说是明显的。此外，不同优势方面可以提供相对于其他优势方面的不同的优势。选择的示例方面被选择和描述以便最佳地解释本公开的原理，实际应用并且使得本领域的其他技术人员能够理解本公开具有如适于特定的预期使用的各种修改。