风向系统的制作方法

风向系统
相关申请的交叉引用
1.本技术要求2020年6月5日提交的在先申请的共同未决的美国临时专利申请第63/035366号的优先权，其全部内容通过引用并入本文。发明背景
1.技术领域
2.本发明涉及风力涡轮机系统，更具体地涉及用于在风经过建筑物时引导风的集风器。
2.

背景技术：

3.建筑物自然地充当所有撞击建筑物表面并需要经过建筑物顶部的风的集中器。在这一过程中产生的压力差和风的集中自然导致风在经过建筑物边缘时加速。尽管许多屋顶风力涡轮机公司已尝试以某种方式利用这种增加的风速来发电，但由于当风经过屋顶边缘时会出现大规模的流动分离，因此所有解决方案都未能发挥其发电潜力。这种流动分离意味着只有一小部分这种较快的风可以在靠近屋顶边缘的地方被捕获，导致屋顶边缘的大部分较快速度的风需要庞大、昂贵且丑陋的塔来捕获。这种塔不仅有碍美观，还会阻挡太阳能电池板的光线，且安装起来既困难又费时。
4.因此，本领域需要可以在不损失风速的情况下将风引向较低轮廓的风力涡轮机的结构。
附图说明
5.图1a和1b为示出风向系统的示例性实施例如何改变建筑物上方的气流的图像。
6.图2a、2b、2c、2d、2e、2f和2g示出了风向系统的示例性实施例的侧视图。
7.图3示出了可纳入风向系统的实施例中的风力涡轮机的示例性实施例的透视图。
8.图4示出了可纳入风向系统的示例性实施例中的风力涡轮机动力总成的示例性实施例的平面图。
发明概要
9.本发明是一种风向系统。所述系统包括至少一个下翼型，其具有前缘、前表面、中表面、后表面和后缘，以及安装在所述至少一个下翼型上方的至少一个风力涡轮机。所述下翼型安装在建筑物表面。所述前缘和所述前表面延伸到建筑物前表面和建筑物上表面之间形成的建筑物边缘。所述下翼型的所述前表面相对于所述中表面成一定角度进入气流。
10.所述风向系统的另一实施例包括至少一个下翼型，其具有前缘、前表面、中表面、后表面和后缘，安装在所述下翼型上方的至少一个上翼型，以及安装在所述下翼型和所述上翼型之间的至少一个风力涡轮机。所述下翼型安装在建筑物表面，而所述下翼型的所述前表面相对于所述中表面成一定角度进入气流。
11.所述风向系统的另一实施例包括至少一个下翼型，其具有前缘、前表面、中表面、后表面和后缘，安装在所述下翼型上方的至少一个风力涡轮机，以及可操作地连接到所述风力涡轮机的至少一个动力总成组件。所述下翼型安装在建筑物表面。所述下翼型的所述前表面相对于所述中表面成一定角度进入气流，而所述下翼型的所述后表面相对于所述中表面以向下的角度延伸。
12.本发明的目的和优点将从以下对本发明的实施例和示例的详细描述中得到更充分的体现。
具体实施方式
13.在本说明书中，为了简洁、清晰和理解而使用了某些术语。在现有技术的要求之外，不应对其施加不必要的限制，因为这些术语仅用于描述性目的且意在进行广义解释。本文所述的不同系统和方法可以单独使用，也可以与其他系统和方法结合使用。在说明书的范围内，各种等同物、备选和修改都是可能的。只有当术语“手段”或“步骤”在各自的限制中被明确提及时，每个限制才意在援引35u.s.c.
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112第六段加以解释。
14.本风向系统100使用现代翼型空气动力学理论来操纵最靠近建筑物上表面的气流，使在建筑物边缘自然较快的风容易被捕获并用于发电。使用精心调校的下翼型110会导致风在经过建筑物上表面的边缘时被向下牵引。该技术允许在靠近建筑物上表面的地方捕获这种较快的风速，从而产生比以前的涡轮机所允许的明显更多的能量捕获。
15.图1a和1b示出了所述系统100如何改变气流的图像。当安装在建筑物表面时，所述下翼型110的设计包含了实现两个重要功能中的至少一个的特征。首先，所述下翼型110的前部延伸到建筑物边缘导致风在经过边缘时被向下牵引。所述建筑物边缘形成在建筑物前表面和建筑物上表面之间。其次，所述下翼型110的后部的轻微下弯将气流向下拉向建筑物，进一步减少了所述下翼型110后方的尾流量，并增加了可被拉向安装在所述下翼型110上方以及在一些实施例中安装在所述下翼型110后方的风力涡轮机130的空气量。图2a中示出了组合的下翼型110和风力涡轮机130。
16.由于最快的风速仍然集中在所述下翼型110的前部，所述下翼型110后方的风力涡轮机130可能难以充分利用较快的气流。附加实施例将所述下翼型110(导致风被向下吸向建筑物)与重新定向、再循环和/或集中气流的附加元件进行组合，允许风进一步加速和定向，使得所述风力涡轮机130能够容易地捕获较快的风速。这些附加元件可包括附加的下翼型110、至少一个分离下翼型140、至少一个上翼型120、至少一个分离上翼型145，和/或至少一个再循环翼型150。
17.在某些实施例中，如图2d至2g所示，所述下翼型110可包括多个下翼型110以提供对气流和气流方向的增加的控制。在某些实施例中，每个下翼型110可具有前表面112、中表面113和后表面114。在其他实施例中，前表面112、中表面113和/或后表面114可以在至少两个不同的下翼型110之间分割和/或复制。在某些实施例中，所述下翼型110也可分割成下翼型110和至少一个分离下翼型140。所述附加的下翼型110和/或分离下翼型140可以从所述下翼型110横向和/或纵向位移。所述分离下翼型140延长了所述下翼型110的有效表面并且还允许增加对气流和气流方向的控制。
18.在某些实施例中，如图2a至2g所示，可以使用至少一个上翼型120，其迫使被所述
下翼型110吸入的气流停留在可以更好地捕获气流的通道中，而不是最终分离并逃逸到大气中。在某些实施例中，所述上翼型120可简单地采用所述下翼型110上方的平板形式。
19.然而，该上翼型120的其他实施例提供了附加好处，即所述上翼型120进一步集中了气流，提高了通道内的风速。上翼型120的倾斜前部表面121作为集中器，将空气汇集到在上翼型120的中心表面122和下翼型110的中表面113之间形成的通道中并提高气流速度。上翼型120的背表面123可相对于中心表面122以向上的角度延伸。这可以使上翼型120作为扩散器，拉动这种速度较快的风进一步通过系统100。与现有解决方案相比，在建筑物边缘使用集中器和扩散器以及下翼型110的组合，显著增加了功率输出。
20.上翼型120和下翼型110在实心或空心内部上方具有实心曲线或平面。上翼型120和下翼型110可通过铸造、3d打印或加工库存片材形成。
21.上翼型120可提供额外的气流整形，也可起到扩散气流的作用，而下翼型110使风沿着建筑物的前表面和上表面行进。下翼型110可具有与建筑物前表面齐平的下翼型110的下表面116，使前缘111与建筑物前表面接触，且前表面112与中表面113成大约90度角。在其他实施例中，下翼型110可包括在下翼型110的前缘111和建筑物前表面之间的封闭间隙。通过使下翼型的下表面116与建筑物前表面成大约45度角来产生封闭间隙。尽管风不能通过封闭间隙，但下翼型110的前表面112迎风成一定角度。下翼型110的中表面113向后延伸至后表面114，后表面114终止于后缘115。后表面114可以从中表面113向建筑物上表面向下弯曲或成一定角度，以减少尾流并迫使气流更靠近建筑物上表面行进。
22.在某些实施例中，下翼型110还可以与至少一个垂直于下翼型110的中表面113延伸的垂直导向面117连接。同样使用至少一个上翼型120的实施例可具有至少一个在上翼型120和下翼型110之间延伸的垂直导向面117。垂直导向面117可以与上翼型120和/或下翼型110融为一体，添加到上翼型120和/或下翼型110上，或作为单独结构的一部分。垂直导向面117可以提供额外的气流集中和方向，以及系统的结构加固。
23.在某些实施例中，如图2d和2f所示，所述上翼型120可包括多个上翼型120以增加对气流和气流方向的控制。在某些实施例中，每个上翼型120可具有前部表面121、中心表面122和背表面123。在其他实施例中，前部表面121、中心表面122和/或背表面123可以在至少两个不同的上翼型120之间分割和/或复制。在某些实施例中，所述上翼型120也可分割成上翼型120和至少一个分离上翼型145。所述附加的上翼型120和/或分离上翼型145可以从所述上翼型120横向和/或纵向位移。所述分离上翼型145延长了所述上翼型120的有效表面并且还允许增加对气流和气流方向的控制。
24.如图2g所示，包括在所述上翼型120后方并与之对齐的至少一个再循环翼型150允许较快的气流通过所述系统100输送回来。所述再循环翼型150具有较平的再循环下表面151和较圆的再循环上表面152。在其他实施例中，这样的再循环翼型150可以位于所述下翼型110后方并与之对齐。
25.将所述下翼型110设在建筑物边缘的另一个好处是它允许为所述风力涡轮机130进行节省空间的设计，使其更好地集成到建筑物结构中。可以使用图3所示的垂直轴(va)风力涡轮机130。这种风力涡轮机在本领域中是已知的。在图2a所示的示例性实施例中，所述va风力涡轮机130的旋转轴旋转90度以平行于建筑物上表面并与气流方向垂直。
26.因此，旋转垂直轴(rva)或横流式风力涡轮机130围绕水平轴旋转，在下翼型110的
前表面112、中表面113或后表面114上方沿着建筑物边缘在长圆筒中延伸。风力涡轮机130的长度通常达到风力涡轮机130的直径的两倍，尽管也考虑到了增加的长度超过两倍的直径。多个风力涡轮机130可利用共同的齿轮箱和发电机在同一轴上联接在一起。
27.与典型的三叶水平轴风力涡轮机相比，风力涡轮机的重新定向是节省空间的方法，通过使用横流式风力涡轮机来增加风力涡轮机130的功率输出。作为非限制性示例，由于结构限制，这种具有与横流式涡轮机130相似高度的水平轴风力涡轮机的尺寸将被限制为产生小于一半功率的单元。在这种较高的功率水平上，由于机械组件和电力电子设备的规模经济效益，整体系统成本下降。此外，在建筑物边缘操作横流式风力涡轮机130还存在结构上的好处。所述横流式风力涡轮机130可以在两侧用轴承支撑，减少了va风力涡轮机常见的结构问题，因为va风力涡轮机在其垂直配置中只能在一侧支撑。
28.在其他实施例中，所述风力涡轮机130以其标准va风力涡轮机配置使用，其中va风力涡轮机130的旋转轴垂直于建筑物上表面。该配置允许所述系统100包含和/或容纳常规安装的va风力涡轮机130。
29.在其他实施例中，所述风力涡轮机130是本领域中常见的水平轴风力涡轮机，其中所述风力涡轮机130的旋转轴平行于建筑物上表面并平行于气流方向延伸。该配置还允许所述系统100包含和/或容纳更多传统的风力涡轮机130。
30.所述风力涡轮机130的动力总成131通常可以占到总成本的50％。图4所示的架构允许使用几乎所有的cots组件，这些组件具有其他用途，可以通过规模降低成本。这包括齿轮箱、工业电机(作为发电机反向运行)、变频驱动器(vfd)(反向运行并重新用作有源整流器)和逆变器。多个vfd可以连接到单个逆变器上。所述逆变器可以是为太阳能应用设计的逆变器。
31.该架构的特别之处在于将vfd重新利用，作为有源整流器运行。通常，vfd用于从墙上获取交流电并将其转换为用于控制电机的信号。为了实现这一目标，vfd包括将交流电转换为直流电的无源整流器，以及控制交流电输出到电机的有源逆变器。风向系统将此反向运行：有源逆变器成为有源整流器，这使我们能够获取发电机的交流输出，并将其控制为可以馈入逆变器的可靠直流电压。然后将其组合到直流母线中并馈入单个逆变器。所示逆变器为25千瓦逆变器，尽管也考虑到了其他逆变器的功率。这些逆变器已知可与太阳能电池板一起使用，并且使用单个逆变器可以利用大型系统较低的美元/千瓦成本。
32.为了进一步降低控制成本，控制算法使用户能够准确地将风力涡轮机130的速度控制在其最佳操作点，而不需要昂贵的电力电子设备。
33.在上述说明书中，为了简洁、清晰和理解而使用了某些术语。在现有技术的要求之外，不应从中推断出不必要的限制，因为这些术语用于描述性目的且意在进行广义解释。本文所述的不同配置、系统和方法步骤可以单独使用，也可以与其他配置、系统和方法步骤结合使用。可以预见，在所附权利要求的范围内，各种等同物、备选和修改都是可能的。

技术特征：
1.一种风向系统，所述风向系统包括：至少一个下翼型，其具有前缘、前表面、中表面、后表面和后缘，其中所述至少一个下翼型安装在建筑物表面，其中所述前缘和所述前表面延伸到建筑物前表面和建筑物上表面之间形成的建筑物边缘，其中所述至少一个下翼型的所述前表面相对于所述中表面成一定角度进入气流；和安装在所述至少一个下翼型上方的至少一个风力涡轮机。2.如权利要求1所述的系统，其中封闭间隙在所述前缘和所述建筑物前表面之间延伸。3.如权利要求1所述的系统，其中所述前缘位于与所述建筑物前表面接触的位置。4.如权利要求1所述的系统，其中所述至少一个下翼型的所述后表面相对于所述中表面以向下的角度延伸。5.如权利要求1所述的系统，其中所述至少一个下翼型包括多个下翼型。6.如权利要求5所述的系统，其中所述前缘、前表面、中表面、后表面和后缘中的至少一个位于所述多个下翼型中的一个上，并且所述前缘、前表面、中表面、后表面和后缘中的另一个位于所述多个下翼型中的另一个上。7.如权利要求5所述的系统，其中所述多个下翼型中的至少一个下翼型位于所述多个下翼型中的另一个下翼型后方。8.如权利要求1所述的系统，其中所述至少一个风力涡轮机是至少一个横流式风力涡轮机，其中所述至少一个横流式风力涡轮机的旋转轴平行于所述建筑物上表面并垂直于气流方向延伸。9.如权利要求1所述的系统，其中所述至少一个风力涡轮机是至少一个垂直轴(va)风力涡轮机，其中所述至少一个va风力涡轮机的旋转轴垂直于所述建筑物上表面延伸。10.如权利要求1所述的系统，其中所述至少一个风力涡轮机是至少一个水平轴风力涡轮机，其中所述至少一个水平轴风力涡轮机的旋转轴平行于所述建筑物上表面并平行于气流方向延伸。11.如权利要求1所述的系统，进一步包括从所述至少一个下翼型的后表面后方的位置向后延伸的再循环翼型。12.一种风向系统，所述风向系统包括：至少一个下翼型，其具有前缘、前表面、中表面、后表面和后缘，其中所述至少一个下翼型安装在建筑物表面，其中所述至少一个下翼型的所述前表面相对于所述中表面成一定角度进入气流；安装在所述至少一个下翼型上方的至少一个上翼型；和安装在所述至少一个下翼型和所述至少一个上翼型之间的至少一个风力涡轮机。13.如权利要求12所述的系统，其中所述至少一个上翼型包括多个上翼型。14.如权利要求13所述的系统，其中前部表面、中心表面和背表面中的至少一个位于所述多个上翼型中的一个上，并且所述前部表面、中心表面和背表面中的另一个位于所述多个上翼型中的另一个上。15.如权利要求13所述的系统，其中所述多个上翼型中的至少一个上翼型位于所述多个上翼型中的另一个上翼型后方。
16.如权利要求12所述的系统，其中所述至少一个上翼型的背表面相对于所述至少一个上翼型的中心表面以向上的角度延伸。17.如权利要求12所述的系统，进一步包括从所述至少一个上翼型的背表面后方的位置向后延伸的再循环翼型。18.一种风向系统，所述风向系统包括：至少一个下翼型，其具有前缘、前表面、中表面、后表面和后缘，其中所述至少一个下翼型安装在建筑物表面，其中所述至少一个下翼型的所述前表面相对于所述中表面成一定角度进入气流，其中所述至少一个下翼型的所述后表面相对于所述中表面以向下的角度延伸；安装在所述至少一个下翼型上方的至少一个风力涡轮机；和可操作地连接到所述至少一个风力涡轮机的至少一个动力总成组件。19.如权利要求18所述的系统，其中所述动力总成包括可操作地连接到所述至少一个风力涡轮机的至少一个工业电机、可操作地连接到所述至少一个工业电机的至少一个变频驱动器(vfd)，以及可操作地连接到所述至少一个vfd的单个逆变器。20.如权利要求18所述的系统，进一步包括安装在所述至少一个下翼型上方的至少一个上翼型。

技术总结
本发明为一种风向系统。所述系统包括具有前缘、前表面、中表面、后表面和后缘的至少一个下翼型，以及安装在所述至少一个下翼型上方的至少一个风力涡轮机。所述下翼型安装在建筑物表面。所述下翼型的前表面相对于所述中表面成一定角度进入气流。所述下翼型导致经过建筑物的风气流“粘”在建筑物上表面，并被引向风力涡轮机，从而使风的利用率更高，并增加通过涡轮机的发电量。机的发电量。机的发电量。


技术研发人员：E
受保护的技术使用者：风力加速有限责任公司
技术研发日：2021.06.05
技术公布日：2023/6/27