CN102575647A - 发电蒙皮结构及用于其的发电*** - Google Patents

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Abstract

一蒙皮结构具有蒙皮及附接到所述蒙皮的发电***。所述发电***具有：涡轮机；一个或一个以上管，其流体耦合到所述涡轮机；及发电机，其经配置以响应于所述涡轮机的运动而发电。所述蒙皮结构可形成固定结构(例如，建筑物)的外覆盖物或者载人或不载人运载工具(例如，地面或航空机动运载工具或者水上或水下机动运载工具)的外覆盖物的一部分。

Description

发电蒙皮结构及用于其的发电***
相关申请案交叉参考
本申请案涉及2009年5月15日申请的标题“移动水力发电***及用于其的进水口(KINETIC HYDROPOWER GENERATION SYSTEM AND INTAKE THEREFORE)”的序号为12/466,840的美国专利申请案(待决)，所述申请案为2009年2月12日申请的标题为“用于风能转换***的涡轮机-进气塔(TURBINE-INTAKE TOWER FOR WINDENERGY CONVERSION SYSTEMS)”的序号为12/369,949的美国专利申请案(待决)的部分接续案，所述两个申请案被共同受让且所述两个申请案以全文引用的方式并入本文中。
技术领域
本发明一般来说涉及发电，且更明确地说，本发明涉及发电蒙皮结构。
背景技术
将例如空气(风)或水的流动流体的动能转换成电力是一种用于产生电力的具吸引力方法。此通常涉及引导流动流体穿过涡轮机。流动流体致使涡轮机使发电机旋转，从而致使发电机产生电力。
将流动流体的动能转换成电力的***的实例包含风能转换***及移动水利发电***。移动水利发电***通常涉及将涡轮机浸没在水下且引导流动水流(例如，由于波浪、潮汐等所致)穿过涡轮机。
风能转换***通常包含安装在塔顶部上且通常大且有噪音的风力涡轮机及发电机。此些***并不很适合于(尤其是在住宅中)产生用于个别住宅的电力，例如，补充电力。一些风能转换***涉及将风力涡轮机置于住宅或商业建筑物的屋顶上。然而，这些涡轮机易受风暴损坏且可需要将添加到建筑物的额外支撑结构以支撑涡轮机的重量。
还可将流体流相对于移动穿过流体环境的主体的动能转换成电力。举例来说，空气相对于移动的地面及航空(载人或不载人)机动运载工具以及水相对于移动的水上及水下(载人或不载人)机动运载工具的动能可用于产生供由相应运载工具使用的电力。然而，将涡轮机安装在机动运载工具的外部因涡轮机产生噪音、振动及添加的拖曳力而是不切实际的，且不具有深奥的吸引力。然而，使用在机动运载工具的前面具有相对大开口的导管以将流体流引导到机动运载工具的内部内的一个或一个以上涡轮机可在所述运载工具上产生额外拖曳力。
针对上述原因，及针对所属领域的技术人员在阅读及理解本说明书后将即可明了的下述其它原因，所属领域中需要对用于将流动流体的动能转换成电力的现有***的替代***。
发明内容
本发明的实施例提供一种蒙皮结构。所述蒙皮结构具有蒙皮及附接到所述蒙皮的发电***。所述发电***具有：涡轮机；一个或一个以上管，其流体耦合到所述涡轮机；及发电机，其经配置以响应于所述涡轮机的运动而发电。
附图说明
图1是根据本发明的实施例的蒙皮结构的实施例的外部的透视图。
图2是图1的蒙皮结构的内部的透视图。
图3是根据本发明的另一实施例的蒙皮结构的电力***的实施例的一部分的截面视图。
图4是根据本发明的另一实施例的蒙皮结构的电力***的另一实施例的一部分的截面视图。
图5图解说明根据本发明的另一实施例的蒙皮结构的电力***的涡轮机/发电机的实施例。
图6图解说明根据本发明的另一实施例的蒙皮结构的电力***的涡轮机/发电机的另一实施例。
图7图解说明图6的涡轮机/发电机的涡轮机的实施例。
图8是根据本发明的蒙皮结构的另一实施例的内部的透视图。
图9是根据本发明的另一实施例的图8的蒙皮结构的电力***的一部分的截面视图。
具体实施方式
在以下对本发明实施例的详细描述中，参考形成本发明一部分且其中以图解说明方式展示可实践特定实施例的附图。充分详细地描述这些实施例以使所属领域的技术人员能够实践所揭示的标的物，但应了解，可利用其它实施例，且可在不背离本发明的范围的情况下做出过程、电或机械改变。因此，不应在限制意义上考虑以下详细描述，且所主张标的物的范围仅由所附权利要求书及其等效物界定。
图1是根据实施例的蒙皮结构100的外部的透视图。图2是蒙皮结构100的内部的透视图。蒙皮结构100可包含蒙皮102。对于一个实施例，蒙皮102且因此蒙皮结构100可形成固定结构的外覆盖物的一部分(例如，建筑物的屋顶及/或侧面)。如此，蒙皮102且因此蒙皮结构100的内部表面107(图2)可形成固定结构的内部表面的一部分，且蒙皮102且因此蒙皮结构100的外部表面108(图1)可形成固定结构的外部表面的一部分。
对于另一实施例，蒙皮102且因此蒙皮结构100可形成运载工具的外覆盖物的一部分，所述运载工具例如是地面或航空(载人或不载人)机动运载工具(例如，汽车、飞机等)或水上或水下(载人或不载人)机动运载工具(例如，船、潜水艇等)。如此，蒙皮102且因此蒙皮结构100的内部表面107可形成运载工具的内部表面的一部分，且蒙皮102且因此蒙皮结构100的外部表面108可形成运载工具的外部表面的一部分。
蒙皮结构100包含附接到蒙皮且位于蒙皮102的内部侧上的发电***104。发电***104转换流体流110(水流或气流)相对于蒙皮102且因此蒙皮结构100的外部表面108且在其上方移动的动能，如图1中所展示。举例来说，流体流可大致平行于外部表面108。应注意，发电***104的位于蒙皮结构100的内部侧上的部分在图1中无法观看到，且因此在图1中使用虚线来展示。
流体流110可以是在蒙皮结构100为固定时(例如，当蒙皮结构100形成固定结构的外覆盖物时)移动过蒙皮结构100的风。另一选择是，流体流110可以是相对于移动穿过空气或水的运载工具的气流或水流。如此，流体流110可称为强制流体流。
发电***104在蒙皮102的内部侧上具有一个或一个以上管120，其连通地(例如，流体地)耦合到形成于蒙皮102的内部侧上的涡轮机/发电机125的涡轮机。举例来说，发电***104可包含歧管130，歧管130间置于涡轮机/发电机125与多个管120之间且将多个管120连通地耦合到涡轮机/发电机125的涡轮机，如图1及2中所展示。对于一个实施例，可将成对的管120耦合到间置于歧管130与管120之间的歧管140。每一歧管140将其一对管120连通地耦合到歧管130。
管120中的每一者具有通到蒙皮结构100的外部侧上的进口135。对于一个实施例，进口135可具有圆形横截面，其具有约为一微米或一纳米的直径。如此，管120可称为微型管或纳米管，且发电***104可称为微型发电***或纳米发电***。应注意，微型管或纳米管的大小在图1及2中被放大，且对于一些实施例可比蒙皮102的厚度小数个数量级。
在操作期间，流体流110经由进口135进入管120。相应管120将其相应流引导到涡轮机/发电机125的涡轮机。举例来说，成对的管120将其相应流引导到相应歧管140。每一歧管140组合来自相应一对管120的流且将所组合的流引导到歧管130。歧管130组合来自相应歧管140的流且将所组合的流引导到涡轮机/发电机125的涡轮机。如此，涡轮机接收流动穿过管120中的每一者的流。
所述流随后流动穿过涡轮机，从而致使涡轮机旋转。涡轮机/发电机125的发电机响应于涡轮机的旋转而发电。也就是说，发电机将涡轮机的旋转转换成电力。
所述流经由出口150排出涡轮机且因此电力***104。也就是说，涡轮机的出口流体耦合到出口150。出口150可位于且可通到蒙皮结构100的外部侧上，且经由出口150排出电力***104的流152可返回到流110，如图1中所展示。另一选择是，出口150可位于且通到蒙皮结构100的内部侧上，使得经由出口150排出电力***104的流152经引导而远离蒙皮结构100。对于另一实施例，出口150可位于固定结构或运载工具的未暴露于流体流110的一部分中。
对于一个实施例，固定结构或运载工具可具有多个电力***104。对于此实施例，举例来说，可将来自每一电力***104的电力引导到蓄电池以供储存(例如，用于辅助电力)以减小机动运载工具的发动机的电力需求或减小需要购买以为例如建筑物的固定结构供电的电力。
图3是根据另一实施例的电力***104的一部分的截面视图。如图所展示，每一管120内的流道可为渐缩的且可从进口135到涡轮机/发电机125沿着管的长度会聚。也就是说，每一管120内的流道的横截面积(垂直于流动方向)从进口135到涡轮机/发电机125降低。
使所述流穿过管120致使所述流会聚且因此加速。也就是说，每一管120接收流体流110且使流体流110加速。对于其中使用歧管130及140的实施例，歧管130及140还可具有用于使所接收的流在那儿加速的会聚流道。经加速的流传递到涡轮机。应注意，可通过可发生在蒙皮结构100的外部侧与内部侧之间(例如，进口135与到涡轮机的进口之间)的温度差来进一步增加(例如，热辅助)管120、歧管130及歧管140内的流速。
到涡轮机的进口处的增加的流速允许较短的涡轮机叶片。举例来说，一些涡轮机的电力输出与涡轮机进口速度的立方阶成比例且通常与叶片长度的平方成比例。此意味着由于涡轮机的电力输出与涡轮机进口速度的立方阶成比例且与叶片长度的平方成比例，因此涡轮机可具有较短叶片而仍具有较高电力输出。
较短叶片比较长叶片产生较少拖曳力且因此比较长叶片产生较少能量损失。与较长叶片相比，较短叶片产生较低的材料成本、安装成本及维修成本。较短叶片比较长叶片较不易受缺陷及故障，占据较小空间且产生较小噪音及振动。
如图1及3中所展示，每一管120的进口135可延伸高出蒙皮102的外部表面108，例如，与外部表面108成一角度。每一管120的进口135延伸高出外部表面108的距离d可约为一微米或一纳米，以便不显著地增加拖曳力。如图1及3中所展示，使每一管120的进口135成角度使得进口135能够俘获流体流110的一部分且将流体流110的所述部分引导到相应管120中。每一管的出口150还可延伸高出蒙皮102的外部表面108(例如，与外部表面108成一角度)约为一微米或一纳米的距离，以便不显著增加拖曳力。
另一选择是，进口135及出口150可与外部表面108齐平(例如，大致齐平)，如图4的截面视图中所展示。在图4的配置中，流体流110可平行(例如，大致平行)于外部表面108或可垂直(例如，大致垂直)于外部表面108，如图4中所展示。应注意，在图4的配置中，出口150可位于固定结构或运载工具的未暴露于流体流110的一部分中，例如由图4中的断面所指示。
微型致动器或纳米致动器160可与每一管120的外表面物理接触地耦合(如图3中所展示)且与歧管130及歧管140的外表面物理接触地耦合。致动器160电耦合到控制器(未展示)以用于从其接收电信号。
举例来说，例如蒙皮结构100、运载工具或固定结构的流速传感器(未展示)可检测流体流110的流速且将指示流速的信号发送到控制器。对于一些实施例，流速传感器可感测流体流110相对于蒙皮结构100的外部表面108的速度。举例来说，流体流110的速度可以是风速或包含蒙皮结构100的运载工具的速度。流速传感器可以是微型或纳米传感器。
控制器可向致动器160施加电压，从而致使致动器调整管120的形状(例如，管120的直径)及/或歧管130的形状(例如，歧管130的直径)及/或歧管140的形状(例如，歧管140的直径)以在到涡轮机的进口处产生某一流速。控制器还可基于流体流110的所检测流速而致使致动器调整管120及/或歧管130及/或歧管140的直径以减小流损失。此类似于序号为12/466,840的美国专利申请案及序号为12/369,949的美国专利申请案中的致动器的控制及操作，所述两个申请案展示及描述致动器、流速传感器及控制器。
图5图解说明针对一个实施例可用于电力***104的涡轮机/发电机125的涡轮机/发电机525。举例来说，涡轮机/发电机525可包含具有围绕旋转轴线515旋转的叶片的轴流式涡轮机510，旋转轴线515平行(例如，大致平行)于例如在到涡轮机510的进口处排出歧管130的流体流517。在所述流流过涡轮机510之后，经由出口150(图1及3)将其引导出电力***104。
发电机520(例如60Hz AC发电机)经由轴及适合的传动机构耦合(例如，机械耦合)到涡轮机120。对于水应用，发电机520经适当防水处理以防止电短路及腐蚀。另一选择是，发电机520位于流体流之外，且所述轴及传动机构可将旋转输送到发电机520的位置。
对于一个实施例，涡轮机/发电机525可约为一微米或一纳米，且可称为微型或纳米涡轮机/发电机。举例来说，涡轮机510可以是微型或纳米涡轮机且具有约为一微米或一纳米的转子直径(例如，叶片尖部间的距离)，且发电机520可以是微型或纳米发电机且具有约为一微米或一纳米的大小。
在操作期间，流体流517致使涡轮机510旋转。所述旋转经由轴及传动机构传送到发电机520，借此致使发电机旋转并发电。
图6及7图解说明针对另一实施例可用于电力***104的涡轮机/发电机125的涡轮机/发电机625。举例来说，涡轮机/发电机625可包含围绕旋转轴线615(图7)旋转的径流式涡轮机610，旋转轴线615平行(例如，大致平行)于例如在到涡轮机610的进口处排出歧管130的流体流617(图6及7)。在进入涡轮机610之后，流体流617转动约90度且在涡轮机叶片619上方远离旋转轴线615且朝向涡轮机610的***622以离心分量流动，如图7中所展示。在***622处，所述流转动约90度且平行(例如，大致平行)于轴线615流动。
所述流经由出口624在平行(例如，大致平行)于轴线615的方向上排出涡轮机610，出口624形成于装纳涡轮机610的固定外壳626中且位于***622周围，如图6及7中所展示。接着经由出口150(图1及3)将所述流引导出电力***104。应注意，涡轮机610位于外壳626内且在图7中无法观看到，且因此在图7中使用虚线来展示。
对于一个实施例，固定外壳626可包含固定发电机(未展示)，所述固定发电机从涡轮机610的叶片619的尖部的运动或涡轮机610的***622的运动来发电，其方式类似于位于美国新泽西州 莫里森镇(Morristown，NJ)的霍尼韦尔国际有限公司(HONEYWELL International，Inc.)开发的WT6000风力涡轮机无齿轮叶尖电力***。对于水应用，发电机经适当防水处理以防止电短路及腐蚀。另一选择是，涡轮机610可通过轴及适合的传动机构以类似于上文结合发电机520描述的方式耦合到发电机。
对于一个实施例，涡轮机/发电机625的大小可约为一微米或一纳米，且可称为微型或纳米涡轮机/发电机。举例来说，涡轮机610可具有约为一微米或一纳米的直径且可称为微型或纳米涡轮机。
图8是根据另一实施例的蒙皮结构800的内部的透视图。在图8及图1-3中使用共用参考编号以识别相同或大致类似的组件。蒙皮结构800可包含上文结合图1-3描述的蒙皮102。上文结合图1-3描述的发电***104位于蒙皮结构800的内部侧上，其中管120的进口135位于蒙皮结构800的内部侧上。
蒙皮结构800的内部侧上的流体(例如，水或空气)的温度大于蒙皮结构800的外部侧上的流体的温度。举例来说，蒙皮结构800可形成固定结构的外覆盖物的一部分，例如建筑物的屋顶，其中建筑物的内部处于比外部高的温度下。如此，蒙皮102且因此蒙皮结构800的内部表面107(图8及9)可形成固定结构的内部表面的一部分，且蒙皮102且因此蒙皮结构800的外部表面108(图9)可形成固定结构的外部表面的一部分。
蒙皮结构800可形成机动运载工具的发动机隔舱的覆盖物(例如，外罩)的一部分，其中发动机隔舱的内部处于比机动运载工具的外部高的温度下。举例来说，蒙皮102且因此蒙皮结构800的内部表面107可形成发动机隔舱的内部表面的一部分，且蒙皮102且因此蒙皮结构800的外部表面108可形成发动机隔舱的外部表面的一部分。
内部与外部的温度差在蒙皮结构800的内部侧上产生流体流810，流体流810经由其相应进口135进入管120，如图9(电力***104的一部分的截面视图)中所展示。也就是说，流810为热驱动的流。应注意，进口135通到蒙皮结构800的内部侧上且因此通到固定结构或运载工具的内部。
所述流体流动穿过每一管120，进入到相应歧管140(图8)中且进入到歧管130中，如上文结合图1及2所描述。所述流随后流动穿过涡轮机发电机125的涡轮机，从而致使涡轮机旋转。涡轮机/发电机125的发电机响应于涡轮机的旋转而发电。所述流经由蒙皮102且因此蒙皮结构800的外部侧上的出口150排出涡轮机且因此电力***104。也就是说，涡轮机的出口可流体耦合到蒙皮102的外部侧。
应注意，涡轮机/发电机125可与上文结合图5描述的涡轮机/发电机525相同(例如，大致相同)。另一选择是，涡轮机/发电机125可与上文结合图6-7描述的涡轮机/发电机625相同(例如，大致相同)。
应注意，电力***104且因此蒙皮结构800将相对暖的流从内部侧引导到外部侧同时发电。此用于使固定结构的内部(例如，在夏季期间屋顶下的温暖楼顶)或机动运载工具的内部(例如，机动运载工具的发动机隔舱)通风。也就是说，蒙皮结构800在产生电力的同时提供冷却。
对于一个实施例，蒙皮结构100及蒙皮结构800可一起用于固定结构或机动运载工具上。
结论
尽管本文中已图解说明及描述了特定实施例，但明确地打算所主张标的物的范围仅由所附权利要求书及其等效物限定。

Claims (20)

1.一种蒙皮结构，其包括：
蒙皮；及
发电***，其附接到所述蒙皮，所述发电***包括：
涡轮机；
一个或一个以上管，其流体耦合到所述涡轮机；
发电机，其经配置以响应于所述涡轮机的运动而发电；及
致动器，其耦合到所述一个或一个以上管中的至少一者，可调整所述一个或一个以上管中的所述至少一者的形状。
2.根据权利要求1所述的蒙皮结构，其中所述发电***为微型发电***或纳米发电***。
3.根据权利要求1所述的蒙皮结构，其中所述涡轮机及发电机位于所述蒙皮的内部侧上，且到所述一个或一个以上管中的每一者的进口通到所述蒙皮的外部侧上。
4.根据权利要求3所述的蒙皮结构，其中每一进口经配置以俘获在所述蒙皮的所述外部侧上相对于所述蒙皮流动的流体流的一部分，且将所述流体流的所述所俘获部分引导到所述涡轮机。
5.根据权利要求3所述的蒙皮结构，其中每一进口与所述蒙皮的外部表面齐平，或延伸高出所述蒙皮的所述外部表面某一距离。
6.根据权利要求1所述的蒙皮结构，其中一个或一个以上管包括多个第一管，且所述蒙皮结构进一步包括：
歧管，其流体耦合到所述多个第一管；及
第二管，其将所述歧管流体耦合到所述涡轮机。
7.根据权利要求1所述的蒙皮结构，其中所述蒙皮经配置以形成固定结构或运载工具的外覆盖物的一部分。
8.根据权利要求1所述的蒙皮结构，其中所述一个或一个以上管中的每一者内的流道从所述相应管的进口沿着所述管的长度会聚。
9.根据权利要求1所述的蒙皮结构，其进一步包括：
控制器，其电耦合到所述致动器；
其中所述控制器经配置以向所述致动器发送信号，所述信号致使所述致动器基于流体流相对于所述蒙皮结构的速度来调整所述一个或一个以上管中的所述至少一者的所述形状。
10.根据权利要求1所述的蒙皮结构，其中所述一个或一个以上管经配置以俘获热驱动的流且将所述热驱动的流引导到所述涡轮机。
11.根据权利要求1所述的蒙皮结构，其中所述涡轮机为轴流式涡轮机或径流式涡轮机。
12.一种蒙皮结构，其包括：
蒙皮，其经配置以形成固定结构或运载工具的外覆盖物的一部分；及
发电***，其附接到所述蒙皮，所述发电***包括：
涡轮机，其具有流体耦合到所述蒙皮的外部侧的出口；
多个管，其流体耦合到所述涡轮机，所述管具有通到所述蒙皮的内部侧上的进口，其中所述蒙皮的所述内部侧上的温度高于所述蒙皮的所述外部侧上的温度；及
发电机，其经配置以响应于所述涡轮机的运动而发电；
其中所述管的所述进口经配置以俘获通过所述蒙皮的所述内部侧上的所述温度与所述蒙皮的所述外部侧上的所述温度之间的差驱动的流体流，且将所述所俘获流体流引导到所述涡轮机。
13.根据权利要求12所述的蒙皮结构，其中所述蒙皮的所述内部侧对应于机动运载工具的内部或固定结构的内部。
14.一种使用蒙皮结构发电的方法，所述方法包括：
在所述蒙皮结构的管附接到所述蒙皮结构的蒙皮的进口处接收流体流，所述进口通到所述管的外部；
经由所述管的会聚流道将来自所述进口穿过所述管的所述流体流会聚到所述蒙皮结构的涡轮机，所述会聚流道从所述进口延伸到所述涡轮机，所述涡轮机附接到所述蒙皮且具有流体耦合到所述蒙皮的外部侧的出口，其中所述流体流致使所述涡轮机旋转；及
使用所述蒙皮结构的发电机将所述涡轮机的所述旋转转换成电力，所述发电机附接到所述蒙皮结构的所述蒙皮。
15.根据权利要求14所述的方法，其进一步包括基于所述流体流相对于所述蒙皮结构的速度，使用附接到所述管的致动器来调整所述管的形状。
16.根据权利要求14所述的方法，其中在所述管的所述进口处接收所述流体流包括俘获正在所述蒙皮结构的所述蒙皮的外部侧上流动的流体流。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述蒙皮形成固定结构的外覆盖物的一部分，且所述流体流为风。
18.根据权利要求16所述的方法，其中所述蒙皮形成运载工具的外覆盖物的一部分，且所述流体流为在所述运载工具移动穿过空气或水时相对于所述运载工具的气流或水流。
19.根据权利要求16所述的方法，其中在于所述管的所述进口处接收所述流体流之前，所述流体流大致垂直于所述蒙皮。
20.根据权利要求14所述的方法，其中在所述管的所述进口处接收所述流体流包括俘获正在所述蒙皮结构的所述蒙皮的内部侧上流动的热驱动的流体流。
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