CN101408064A - 基于屋顶的能量转换系统 - Google Patents

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CN101408064A CNA2008101315215A CN200810131521A CN101408064A CN 101408064 A CN101408064 A CN 101408064A CN A2008101315215 A CNA2008101315215 A CN A2008101315215A CN 200810131521 A CN200810131521 A CN 200810131521A CN 101408064 A CN101408064 A CN 101408064A
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克里斯托弗·G·E·奈廷格尔
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Dragon Energy Pte Ltd
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Dragon Energy Pte Ltd
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Abstract

一种用于带有屋顶(13)的建筑物(12)的基于屋顶的能量转换系统(10)，包括屋顶框架(14)和多个太阳能转换瓦片组件。太阳能转换瓦片组件可包括在将太阳能转换成电能的光电瓦片组件(100)和将太阳能转换成热能的热瓦片组件之间的选择。两种瓦片组件具有大致相同的外观，以便在在同一屋顶结构上放置在一起时视觉上不可区分。能量转换系统还可合并水电系统(200)，其构造为将从屋顶结构流下的雨水的动能转换成电能，以及风能转换系统(300)，其将运动空气的动能转换成电能。电能管理系统(20)可设置为接收来自瓦片、水电系统和风能转换系统的电能。该管理系统合并电池并包括连接系统(30)，以使得由系统产生的能量传输到供电网。

Description

基于屋顶的能量转换系统
技术领域
本发明涉及一种用于建筑物的基于屋顶的能量转换系统，且特别涉及一种基于屋顶的可更新或可更换的能量转换系统。
背景技术
已有文件证明，使用矿物燃料来为诸如机动车引擎和发电站这样的能量转换装置和系统提供动力会带来潜在的环境、经济和文化方面的危险。为了减少和避免这些危险，一些人提倡增加核动力的使用。然而，这会带来涉及放射性废料的安全存放的其它难题。此外，由于它们的副产品有可能用于建造核武器，所以核发电站被许多人和政府所反对。
人们已经做出很多尝试来开发基于清洁可替换能源和/或能量转换系统的发电站，这些能量转换系统例如地热能设施、风力发电站和大型太阳能电池阵列。然而，许多这些系统的局限在于，它们仅在特定地理位置上商业可用，并且需要相对较高的资本投入。
发明内容
根据本发明的一个方面，本发明提供了一种基于屋顶的能量转换系统，包括：
屋顶框架结构；和
多个太阳能转换瓦片，每个太阳能转换瓦片包括底部瓦片和一个或多个覆盖瓦片，所述底部瓦片固定至所述屋顶框架结构的至少一部分，所述一个或多个覆盖瓦片附着到相应的底部瓦片，其中底部瓦片构造为沿相邻边缘彼此密封地配合，以形成用于屋顶结构的该部分的基本上防水的覆层。
多个太阳能转换瓦片可以包括(a)将太阳能转换成电能的多个光电瓦片；或(b)将太阳能转换成热能的多个热瓦片；或(c)至少一个光电瓦片和至少一个热瓦片的组合。底部瓦片可构造或形成为与屋顶结构热绝缘。
屋顶框架结构可以包括倾斜的屋顶框架结构，该倾斜的屋顶框架结构具有至少两个沿向上的方向朝向彼此会聚的倾斜侧。
用于光电瓦片和热瓦片的覆盖瓦片可以形成为具有各自的外观上基本相同的暴露表面。以这种方式，光电瓦片和热瓦片在固定至屋顶框架结构时视觉上具有相同的外观。
能量转换系统还可以包括水电系统，所述水电系统构造为将从屋顶的一部分上流下的雨水的动能转换成电能。水电系统可包括一个或多个水槽和落水管；和一个或多个水力涡轮机，其中水槽和落水管布置为将从屋顶框架结构的一部分上流下的雨水收集起来，以形成驱动所述水力涡轮机或每个所述水力涡轮机的水流。可以想到，一个或多个落水管的上端设置有蓄水池，以调整到相关联的涡轮机的水流。可以设置一个或多个屋顶通道，其对角地跨过屋顶设置，导向至所述水槽。水电系统还可包括储存罐以收集雨水，用于整个能量转换系统或用于建筑物的水系统中。
能量转换系统还可包括风力发电系统，该风力发电系统具有一个或多个由屋顶框架结构支承的风力涡轮机，将大量运动空气的动能转换成电能。在该实施例中，风力发电系统还可包括位于一个或多个风力涡轮机上方的整流罩或子屋顶，其与屋顶框架结构一起产生风洞，该风洞使运动的空气向屋顶框架上方流动，流过所述一个或多个风力涡轮机。该风力涡轮机可以沿屋顶框架结构的顶部安装。
能量转换系统还可包括能量管理系统，该能量管理系统接收和管理来自太阳能转换瓦片、水电系统和风力发电系统的电能。还有，该能量管理系统可包括与供电网连接的连接部，并且构造为管理能量转换系统和供电网之间的电能的双向流动。更具体地，能量管理系统可以包括电能储存设备，能量管理系统构造为在电能储存设备处于完全充电状态时将电能供应至供电网，以及在电能储存设备具有低于阈值水平的电荷水平时将供电网连接至电能储存设备。能量管理系统还可包括测量、控制和确保能量输入的装置以及将电力供应转化成提供来自电能储存设备的交流电的装置。
附图说明
现在仅参考所附附图并以实例的方式对本发明的实施例进行描述，其中：
图1为建筑物的截面图，该建筑物合并有根据本发明实施例的基于屋顶的能量转换系统；
图2为图1所示的建筑物的局部侧视图；
图3为光电瓦片组件的底部瓦片的截面图，该光电瓦片组件合并到图1和2所示的基于屋顶的能量转换系统中；
图4为图3所示的底部瓦片的顶部正视图；
图5为合并到光电瓦片组件中的覆盖瓦片的截面图；
图6为图5所示的覆盖瓦片的顶部正视图；
图7为光电瓦片组件的侧向截面图；
图8为光电瓦片组件的横断截面图；
图9为合并到光电瓦片组件中的电连接柱的示意性表示；
图10为合并到光电瓦片组件中的电连接管的透视图；
图11为图10所示的管的平面图；
图12为图10和11所示的管的截面图；
图13为图5和6所示的覆盖瓦片的一部分的截面图；
图14为合并到图1和2所示的基于屋顶的能量转换系统中的水电系统
实施例的示意性表示；
图15为合并到图14所示的水电系统的落水管的顶部正视图；
图16为水电系统的侧部正视图；
图17为合并到图1和2所示的基于屋顶的能量转换系统中的风能转换系统的端视图；和
图18为图17所示的系统的局部侧视图。
具体实施方式
参见图1和2，用于建筑物(例如带有屋顶13的房子12)的基于屋顶的能量转换系统(roof based energy conversion system)10包括屋顶框架结构14和多个太阳能转换瓦片组件。每个瓦片组件包括固定至屋顶框架结构14的至少一部分上的底部瓦片(base tile)，和可附着于相应底部瓦片的一个或多个覆盖瓦片(cover tile)。底部瓦片构造为沿相邻边缘彼此密封地配合，以便形成基本上防水的用于屋顶结构的它们所安装的那部分的覆层。如下面更详细的描述，瓦片组件可以从将太阳能转换成电能的光电(PV)瓦片组件100和将太阳能转换成热能的热瓦片(thermal tile)组件(未示出)中选择。热瓦片可包括水流过的管道，该瓦片吸收太阳辐射以加热流过管道的水。这两种瓦片具有结构和构造基本相似的底部瓦片。进一步想到的是，各个覆盖瓦片可具有相同的形状、构造和外观，以便一起放置在同一屋顶框架结构14上时在视觉上不可区分。但是，覆盖瓦片的构造对于PV瓦片和热瓦片是不同的，以便实现将太阳能转换成电能和热能的不同任务。在不同的实施例中，系统10可仅加入PV瓦片或仅加入热瓦片，然而所确信的是更有效的实施例将包括PV瓦片和热瓦片的组合。
可以想到，当系统10包括PV瓦片和热瓦片两者时，应将PV瓦片放置在屋顶13的上部，以有利于风冷却且更高度地暴露，由此有助于在电能产生方面具有最优的效率。当然，如果系统10仅加入PV瓦片，那么这些瓦片可放在屋顶13的整个暴露的区域上，或者如果系统仅使用有限数量的PV瓦片，那么如上所述，这些瓦片应放置在屋顶13的上部。
随后更加详细地描述PV瓦片组件100。
能量转换系统10还可合并水电系统200，该水电系统构造为将从屋顶结构14流下的雨水的动能转换为电能。下面将详细描述水电系统200。
此外，系统10还可合并风能转换系统300，该风能转换系统将运动空气(即风)的动能转换为电能。
能量转换系统10还包括能量管理系统20，该能量管理系统经由电缆22接收由PV瓦片100产生的电能，并经由电缆24接收由水电系统200产生的电能，以及经由电缆26接收由风能转换系统300产生的电能。可以想到，能量管理系统20可包括电缆可插入到其中的多个输入插座28，该电缆提供来自各种能量转换组件和系统100、200、300的输出电流。能量管理系统20可并入电能存储装置，例如用于将各种能量转换系统产生的电能存储起来的可充电电池。能量管理系统20还可包括具有线缆32的连接系统30以连接供电网，以及控制器以管理电池和供电网之间的双向电力流动。以这种方式，系统10例如在电池完全充电时可将电力馈送到供电网络，并能在电池中的电荷水平低于预定水平时从供电网络获取电力。当然，能量管理系统还将包括将DC转换至AC和将AC转换至DC的转换器以及逆变器(inverter)，以首先对由能量转换系统产生的电流类型进行转换，其中有必要从AC转换成DC从而能存储在电池中，且其次将电力从电池传输至供电网或传输至电源插座以及建筑物内的通常以AC运行的电器。
光电瓦片组件100
参见附图中的图3-13，光电瓦片组件100(后文简单地称之为“组件”)的一个实施例包括底部瓦片112，该底部瓦片112具有至少一个(在此实施例中具有四个)坚固区域(solid region)114，诸如钉子或螺钉的机械紧固件穿过该坚固体区域，以将底部瓦片112紧固到诸如屋顶结构的下层结构上。可以想到，坚固区域不必预先钻孔或形成有用于机械紧固件的孔，以允许安装者选择紧固件的最佳位置。然而，在该实施例的变化例中，可以形成一个或多个这样的孔。
组件100还包括一个或多个覆盖瓦片116，每个覆盖瓦片都具有光电池118，用于将太阳能转换成电力。该电池118产生分别在正极和负极输出端子120a和120b(后文中一般称为“输出端子120”)上可用的电流。
可以提供两种形式的覆盖瓦片116。在覆盖瓦片116的第一形式中，电池118大致设置在瓦片116的整个表面区域上，除了具有输出端子120的表面区域部分以外。在覆盖瓦片116的第二形式中，位于输出端子120紧下方的大约三分之一的表面区域空着(即没有光电池118)，以使得仅瓦片116的少于三分之二的表面区域形成有电池118。如下文详细描述的那样，在瓦片组件100中，覆盖瓦片116由其三分之一表面区域所交迭，且第一形式的覆盖瓦片116位于最上方并完全暴露，同时下方的瓦片116具有第二形式且其多于三分之一的表面区域被覆盖。
覆盖瓦片116通过电连接柱122(后文中一般称为“柱”)而电连接且机械连接至相应的底部瓦片112。柱122支承在底部瓦片112中且具有第一端部124，该第一端部124与覆盖瓦片116的各个输出端子120接触并提供与其的电连接。此外，第一端部124穿过覆盖瓦片116，以提供覆盖瓦片与底部瓦片112的机械连接。如以下更详细描述的那样，特别是参见图8，每个柱122还具有第二端部126，该第二端部电连接至电连接管128，该电连接管有助于将覆盖瓦片116电连接到能量管理系统20。
更详细地参见组件100的部件，底部瓦片112通常是方形板的构造，并具有平面的且基本连续的上表面130。上表面130的连续性仅被柱122沿垂直于表面130的平面的方向穿过该表面130的延伸所阻断。柱122在该实施例中布置成两条平行线。如以下更详细的描述，防水密封件围绕柱122在柱延伸穿过表面130的地方形成。
底部瓦片112的下侧132形成有多个壁或肋，其将下侧132分成多个不同的部分。在该具体实施例中，底部瓦片112的四个角落的每一个都由坚固的材料形成，从而形成坚固部分114，诸如钉子或螺钉的机械紧固件被推动而穿过坚固部分。一对平行壁134在底部瓦片112的相对侧136和138之间延伸，且部分地形成坚固部分114的边界。该底部瓦片还包括多个另外的壁140，这些壁垂直于壁134延伸，且还限制坚固部分114的各个侧边。壁140在底部瓦片112的各个相邻侧边142和144与最近的壁134之间延伸。通过这种构造，瓦片112的下侧132形成有邻近侧边142和144的隔间146以及形成有更大的中心隔间148。
隔间146和148可以留作未填充的空间。但是，可以想到，隔间146将包含有热绝缘材料，且隔间148可选择地包含诸如电池150的电能存储器件，而在空间148中的剩余空间内填充绝缘材料。当然，在不具有电池150的情况下，整个隔间可被填充热绝缘材料。在任何一种情况下，包括热绝缘材料或由热绝缘材料制造的底部瓦片112可以实现热绝缘功能。壁134和140还可设置纵向延伸的凹部，用于放置连接管128。每个管的长度等于放置有管的壁134和140中的凹部的长度。
组件100还包括瓦片连接系统，用于提供相邻的瓦片组件之间的防水连接。在该实施例中，连接系统包括侧向延伸的舌状物152，该舌状物沿底部瓦片112的相邻侧边138和144行进。每个舌状物152进一步设置有纵向延伸的橡胶密封件154。瓦片连接系统还包括互补的沟槽156，该沟槽沿底部瓦片112的相邻侧边136和142纵向延伸。舌状物152和沟槽156的设置使得瓦片组件100在四个侧边上以防水方式连接至另外的相同的瓦片组件100。
具体参见图7、8和9，可以看到每个柱122都是在第一端部124处具有开口的管的形式，用于接收橡胶扣环158形式的端盖。端盖或扣环158由诸如橡胶的弹性材料形成，且通过过盈配合和使用粘接剂这两种方式中的一种或两种而被保持在端部124中。柱122本身由诸如钢或不锈钢的导电材料制成，且形成有一对周边且轴向隔开的沟槽或凹部160。导电弹簧162电连接且机械连接至端部126。
凹部160接收相应的在孔中形成的突出部，该孔形成在底部瓦片112中，柱122插入到该孔中。这样布置以在每个柱122和底部瓦片112之间提供防水密封。更具体地，柱122被推入底部瓦片112中的相应孔中，以使得端部124从表面130突出，由此有助于与覆盖瓦片116连接，同时端部126突出到在壁134内形成的凹部中，以使得能够与各个连接管128连接。
图8、10、11和12更详细地描述了电连接管128的特征。该管包括开口164，以配合各个柱122的第二端部126并提供与其的电连接。每个开口164包括纵向狭槽166，所述狭槽在该实施例中延伸管128的整个长度，还包括多个从纵向狭槽166延伸的第二狭槽168。第二狭槽168包括沿周向方向延伸的第一长度170，和沿轴向方向延伸的第二长度172。第二长度172终止于圆形部174。
电气端连接器176和178设置在连接管128的每个轴向端，以实现相邻管128之间的端对端的电连接。在此方面，端连接器176可以是弹簧负载或偏压的阳插塞的形式，而端连接器178可以是阴插槽的形式。阳插塞176可以退回，以在安装PV瓦片的过程中与相应的管128的相邻端大致平齐，且随后被弹簧的动作推到相应的阴插槽178中。第一导体180将端连接器176中的一个与端连接器178中的一个相连接，且还提供与一组第二狭槽168的电连接。类似地，第二导体182提供另一端连接件176与178之间的电连接，以及与第二组第二狭槽168的电连接。更具体地，导体180和182提供与交替狭槽168的电连接，该交替狭槽与PV电池118的正极端子120a和负极端子120b电连接。由此实际上，每个PV电池118的正极端子120a与导体180电连接，同时每个PV电池118的负极端子120b与导体182电连接。
管128的每个轴向端可以以有助于与相邻管机械连接的方式形成。理想的是，这可以通过相邻管128之间的过盈配合或“卡扣连接(clickconnection)”的方式来实现。
可以想到的是，底部瓦片112成包地与一包扣环158一起提供，并且覆盖瓦片116设置在分开的包中。
为了将瓦片组件100安装在屋顶框架结构14上，柱122(没有扣环158)插入到在底部瓦片112中形成的相应孔中，使得端部124突出超过表面130，且端部126突出到在壁134和140中形成的凹部或沟槽中。接下来，各个底部瓦片112通过将钉子钉入到坚固部分114中来附着到屋顶结构上。各个连接管128随后放置在壁134和140中的凹部内，并且柱122的端部126位于狭槽166中且对准第二狭槽168。这些管随后旋转并滑动以将它们锁定到位，使得柱122的端部126与各个圆形部174相配合，且弹簧162挤压在圆形部174的下表面上，以有助于与相应的导体180或182电接触。
随后对相邻的底部瓦片112重复这个过程，在柱122已经插入之后，该底部瓦片112向上推靠之前已经放置好的底部瓦片112，以使得其中一个底部瓦片的舌状物152容纳在另一个底部瓦片112的沟槽156中。在安装相邻瓦片内的连接管128的过程中，一个管的阳插塞176可以退回，同时相邻底部瓦片112的连接管128旋转到位。此后，如果之前放置的瓦片和相邻的瓦片的管128正确对准，那么插塞176与阴插槽178配合并延伸到其中。
在可能的更简单的安装过程中，在底部瓦片112固定至屋顶框架结构14之前，底部瓦片112可以组装为包括柱122和连接管128。在该过程中，当下一个瓦片112被放置时，安装者仅需要将舌状物152与沟槽156相配合，且在将下一个瓦片112固定至屋顶框架结构14之前使阳插塞176与阴插槽178配合。
一旦底部瓦片112已经被放置且紧固在适当的位置时，覆盖瓦片116通过将端部124推过在覆盖瓦片116中形成的相应孔，且随后将扣环158推到柱122的端部124中而简单地被夹到相应的底部瓦片112上。这些孔相应于覆盖瓦片116的输出端子120。由于每个连接管128的相对端部通过使一个管的连接件176与相邻管的连接件178相接合而彼此电接触，因而沿每一排瓦片组件100连续地设置有电连接。于是通过利用位于在壁170中形成的凹部(参见图3)内的类似的管连接件128，相邻的排设置有电连接。来自组件100的电流经由电缆22耦合到电力管理系统20。
在传统的木瓦或瓦片屋顶中，覆盖瓦片116被设定尺寸并构造为彼此垂直地交迭它们表面区域的大约三分之一，以使得一个瓦片的下部交迭在垂直相邻但更低的瓦片的上部。另外，在特定的底部瓦片112上的最下方的覆盖瓦片116的下部交迭在垂直相邻但更低的底部瓦片112上的最上方瓦片116的上部。此外，覆盖瓦片116由防水材料制造。因而，以这种方式放置的覆盖瓦片116实际上提供了用于屋顶13的第二防水层以及额外的热绝缘。
如图7和8所示，每个瓦片的下部放置在下方覆盖瓦片116的成行的扣环158上，且被其衬垫。此外，当连接覆盖瓦片116时，常规的瓦片夹状物或钩状物117可插在相邻覆盖瓦片116之间，所述覆盖瓦片116钩着上方瓦片116的底部边缘上面，并且钩着相邻的下方瓦片的上边缘下面。
PV电池118可具有常规结构。但是为了增强效率可使用如图13所示的PV电池118，该PV电池包括多个光电材料层184a、184b，所述光电材料层吸收不同频率的光，其中单向镜面薄膜(one way mirror film)186设置在电池118的关联进入光的一侧上，并位于层184a的上方，并且反射器188设置在位于层184b下面的层上，且面对单向镜面薄膜186。以这种方式，穿过单向镜面186进入电池118的光连续地被反射，穿过单向镜面186和反射表面188之间的光电层184a和184b。透光分隔层190可以设置在光电层184a和184b之间。此外，保护薄膜或层191a和191b设置在电池118的相对侧上，其分别邻近镜面薄膜186和反射器188。
水电系统200
所附附图中的图14-16示出了水电系统200的实施例，该水电系统用于将从房屋12的屋顶13流下的水的动能转换成电能。该系统200包括涡轮机216和至少一个落水管220，该涡轮机具有转子218和由转子218驱动的发电机219，该落水管具有用于接收从屋顶13流下的水的上端222。落水管220包括通道224a和224b(下文中通常称为“通道224”)，所述通道从上端222延伸至各个出口226a和226b(下文中通常称为“出口226”)。每个出口226设置为将从该处流出的水引导到转子218，以使得转子218沿同一方向转动。如该说明书后面的详细描述，通道224进一步以这样的方式构造使得通道224a溢流到通道224b中。
当转子218旋转时，上下固定环221a和221b将涡轮机216保持在落水管220a中的适当位置上，且可以用于在发电机219和能量管理系统20之间规定电缆24的路线。
系统200还包括水槽228，该水槽接收来自屋顶13的水，并将水引导到落水管220中。通道224a和224b以这样的方式构造，使得进入落水管220中的水最初流过通道224a，并从出口226a流出到转子218上，以驱动发电机219。但是，在暴雨中，通道224a会溢流到通道224b中。溢出的水随后流过通道224b并流过出口226b，以转动转子218，由此对发电机219提供进一步驱动。
从通道224a溢出到224b的水得益于形成具有高度逐渐增加的各个上边缘的通道224，由此溢出一个通道(例如通道224a)的上边缘的水可随后流到相邻通道224b中。对此，从图14中可看到，通道224a具有上边缘230a，同时通道224b具有比上边缘230a更高的上边缘230b。由此，如果通道224a充满水并溢出的话，那么溢出的水流过上边缘230a流到通道224b中。应理解，例如如果落水管220还设置有另外的第三通道，那么在水已经溢出第一通道224a的上边缘230a和第二通道224b的上边缘230b之后，水会流入第三通道。
为了提供流过通道224a的受控的稳定水流，落水管220的上端222设置有水流调节蓄水池232。蓄水池232包括直立壁236、基部237和第二直立壁238，直立壁236合并通道224a的上边缘230a，该基部向下倾斜，并且该第二直立壁与壁236间隔开。
蓄水池232设置有两个到通道224a的出口。第一出口234包括在壁238中形成的并靠近壁238与基部237结合部的狭槽或一系列孔。与上述第一出口隔开的第二出口是靠近壁238的上端形成的水平狭槽240。狭槽240实际上构成了到通道224a的溢出道路。由此，当聚集在蓄水池中的水处于低于第一狭槽240的水位时，其经由第一出口234流到通道224a中。出口234的尺寸定为蓄水池232中具有水压头时提供向下流入通道224a的稳定连续的水流。如果雨水量充分增加，则水开始流过狭槽240并流到通道224a中，为驱动涡轮机216提供额外的压力。如果蓄水池232中的水位增加速度足以大于水从出口234流出和流过狭槽240的速度，则随后水可以溢出边缘230a，向下流入第二通道224b。
通道224可以设置有相同或不同的水力直径。但是，在优选实施例中，通道224a可具有小于通道224b的水力直径。通道224a的水力直径的选择、开口234的尺寸和蓄水池232的容积可被选择，以提供恒定的水流流过通道224a。
流过落水管220并流过转子218的水可经由落水管220的尾部242流到水槽244中。水槽244可设置在地面或地下。水槽244贮存雨水，雨水能用于各种目的，包括非饮用的目的，例如用于灌溉花园、清洁户外区域、洗衣机和洗碗，或者设置适当的过滤器用于饮用水。此外，水槽244中的水可被泵送经过太阳能加热系统，以提供用在建筑物12内的热水，例如用于淋浴和洗衣机，或者被泵送经过用于加热目的的散热器。在这些实施例中，从水槽244泵送水可理想地通过由屋顶13上的太阳能电池产生的电来提供动力。水槽244还可设置有溢流阀246，该溢流阀构造为在整个落水管220充满水之前，如果水槽244的水压在预定水平之上这可能过量，那么打开溢流阀以允许过多的水排出水槽244。
图15示出了落水管220的具体构造，其中通道224a实际上包括在落水管中的管。水槽228将水直接送到通道224a的嘴或开口，当通道224a完全充满水时水可溢到通道224b中，该通道224b构成落水管220在通道224a的外侧和限定落水管220的外部管246的内侧之间的区域。
参考图16，可以进一步看到，水电系统200还可包括一个或多个屋顶通道248，该通道对角地从屋顶13的上部延伸到水槽228。屋顶通道248用于将从屋顶13流下的雨水引导为沿与水在水槽228中的流动方向成锐角的方向流动。这提供给水槽228中的水增加的动量或速度，从而增加其动能。取决于蓄水池232的状态和开口234的尺寸，为水带来的动能的增加会提供来自涡轮机的更大的电能输出。
由每个涡轮机216产生的电力经由相应的电缆24馈送到电力管理系统20。
既然已经详细地描述了水电系统200的实施例，那么对于本领域技术人员显而易见的是，在不脱离基本发明构思的范围内可做出大量的修改和改变。例如，系统200示出了被分成两个通道224a和224b的落水管。但是，如之前的描述，落水管220可以分成多于两个的通道。进而，尽管可以认为阿基米德螺旋形式的转子218可以构成转子最有效的形式，但是，可以使用轮或螺旋桨。还有，如上所述且显示的蓄水池232的作为狭槽240的第二出口可采用备选的形式。例如，壁238可简单地制造为高度等于狭槽240的底部，以使得壁238的最上边缘用作水流过的水坝壁。在进一步的改变例中，狭槽240可以用多个在壁238中相同高度的孔来代替。
风能转换系统300
所附附图中的图17和18示出了风能转换系统300的实施例，该风能转换系统用于建筑物12，并包括一个或多个风力涡轮机312，以及倾斜的屋顶结构14，涡轮机312安装在该屋顶结构上，该屋顶结构具有第一倾斜度，且盖板316支承在倾斜的屋顶结构14上且在涡轮机312的上方。盖板316具有第二倾斜度，该倾斜度小于第一倾斜度，即小于倾斜屋顶结构14的倾斜度。
倾斜屋顶结构14具有两个倾斜的侧面318和320，所述侧面沿向上的方向朝向彼此会聚。涡轮机312在脊区域322中支承在结构14上，该脊区域通过会聚的侧面318和320形成且位于二者之间。除了结构14的顶或脊区域322可打开用于安装涡轮机312之外，屋顶结构14通常是传统的形式和构造，且由此可以包括多个屋顶梁324，以及椽、托梁和压条(未示出)。
盖板316放在屋顶结构14的上部326上，且延伸至脊区域322的相对侧。实际上，盖板316和屋顶结构14的上部326形成或用作风洞328，该风洞引导风W在侧面318和320上向上流动穿过涡轮机312。
如之前的描述，盖板316的倾斜度小于屋顶结构14的倾斜度，以使得盖板316和第一结构14的上部326之间的垂直距离D沿朝向脊区域322的方向减小。由此，风洞328的横截面积朝向脊区域322减小。这具有增加空气压力的效果，且由此增加空气穿过涡轮机312的速度。可以理解，风洞328的构造具有从结构14的相对侧面引导风流过涡轮机312的效果。
每个涡轮机312包括风力转子330，该转子连接至驱动轴332，该驱动轴穿过风力转子330的旋转轴线。驱动轴332以及螺旋桨330的旋转轴线垂直于或横向于脊区域322的延伸方向或延长线。由此，驱动轴322基本平行于空气流过涡轮机312的方向。
为了进一步有助于集中空气流过涡轮机312，系统300还包括用于每个涡轮机312的整流罩334。每个整流罩334环绕在梁324上方延伸的相应的涡轮机312的上部，并具有引导空气向上流向屋顶结构14并穿过涡轮机312的敞开的相对端。整流罩334具有理想的空气动力学形状和构造，以集中空气流过或穿过风力转子330。在这点上，例如整流罩334的内表面可以构造为从相对的开口到中央区域逐渐地变细，在中央区域中风力转子330旋转。如图17和18所示，每个整流罩沿垂直方向在盖板316的内表面和屋顶结构14的外表面之间延伸。
驱动轴332的相对端连接至用于发电的各个发电机338。发电机338可构造为或被驱动为产生相同相位的电流，电流又经由电缆26供应给电力管理系统20。应理解，沿相对方向经过涡轮机312的风使得风力转子330沿相对方向旋转。取决于并入到系统300的发电机338的类型，重要的是保持由发电机338产生的电流的相位，而不管螺旋桨330的旋转方向。这可以通过在轴332和发电机338之间设置齿轮箱来实现，以使得不管螺旋桨330和旋转轴332的旋转方向，发电机338的转子(未示出)的旋转方向保持相同。
水槽340设置为沿脊区域322在涡轮机312的下方行进，用于捕获任何可流过风洞328的水。水槽340可垂直进入水电系统200的水槽228。
从以上说明可以理解，能量转换系统10的一些实施例利用一或多种太阳辐射、风和雨这样的可再生能量源，该能量源能从不同尺寸、形状和建筑结构的建筑物屋顶产生动力。系统10允许对发电系统的混合和匹配接入，其中对于建筑物地点附近的有利条件，设计者/建筑者可选择最有效的特定能量转换系统/发电系统。
在本申请的权利要求中和本发明的说明书中，除了在内容需要的地方之外，其它的由于语言表达或需要暗含的地方，词语“包括”或诸如“包括”或“包含”的变化形式都用于包括的含意，即在本发明的各种实施例中，用以说明所述的特征的存在，而不是排除另外特征的存在或增加。

Claims (14)

1、一种基于屋顶的能量转换系统，包括：
屋顶框架结构；和
多个太阳能转换瓦片，每个所述太阳能转换瓦片包括底部瓦片和一个或多个覆盖瓦片，所述底部瓦片固定至所述屋顶框架结构的至少一部分，并且所述一个或多个覆盖瓦片附着到相应的底部瓦片，其中，所述底部瓦片构造为沿相邻边缘彼此密封地配合，以形成用于所述屋顶框架结构的该部分的基本上防水的覆层。
2、如权利要求1所述的能量转换系统，其中，能量转换瓦片包括(a)将太阳能转换成电能的多个光电瓦片；或(b)将太阳能转换成热能的多个热瓦片；或(c)至少一个光电瓦片和至少一个热瓦片的组合。
3、如权利要求2所述的能量转换系统，其中，所述屋顶框架结构包括至少两个沿向上方向朝向彼此会聚的倾斜侧面。
4、如权利要求3所述的能量转换系统，其中，所述多个太阳能转换瓦片包括至少一个光电瓦片和至少一个热瓦片，这些瓦片布置为使得所述光电瓦片固定在所述屋顶框架结构的该部分上比所述热瓦片更高的位置处。
5、如前述权利要求2-4中任何一项所述的能量转换系统，其中，用于所述光电瓦片和热瓦片两者的覆盖瓦片形成为具有各自的基本相同外观的暴露表面。
6、如前述权利要求1-5中任何一项所述的能量转换系统，其中，多个覆盖瓦片附着至每个底部瓦片，且其中所述覆盖瓦片中的至少两个彼此交迭。
7、如前述权利要求1-6中任何一项所述的能量转换系统，其中，所述底部瓦片形成为提供对所述屋顶框架结构的热绝缘。
8、如前述权利要求1-7中任何一项所述的能量转换系统，还包括水电系统，所述水电系统构造为将从屋顶的一部分流下的水的动能转换为电能。
9、如权利要求8所述的能量转换系统，其中，所述水电系统包括一个或多个水槽和落水管；以及一个或多个水力涡轮机，其中所述水槽和落水管布置为收集从所述屋顶框架结构的该部分流下的雨水，以产生驱动所述水力涡轮机或每个所述水力涡轮机的水流。
10、如前述权利要求1-9中任何一项所述的能量转换系统，还包括风能转换系统，所述风能转换系统具有一个或多个风力涡轮机，所述风力涡轮机由所述屋顶框架结构支承，其将大量运动空气的动能转换成电能。
11、如权利要求10所述的能量转换系统，其中，风力发电系统还包括盖板，所述盖板放置在所述一个或多个风力涡轮机的上方，以与所述屋顶框架结构一起形成风洞，所述风洞将运动的空气引导为沿所述屋顶框架结构向上流过所述一个或多个风力涡轮机。
12、如前述权利要求1-11中任何一项所述的能量转换系统，还包括能量管理系统，所述能量管理系统接收并管理来自所述太阳能转换瓦片、水电系统和风能转换系统的电能。
13、如权利要求12所述的能量转换系统，其中，所述能量管理系统包括连接至电力供应网的连接部，且构造为管理电能在所述能量转换系统和所述供电网之间的双向流动。
14、如权利要求12或13所述的能量转换系统，其中，所述能量管理系统包括电能储存设备，所述能量管理系统构造为当所述电能储存设备处于完全充电状态时将电能供应至所述供电网，并当所述电能储存设备具有低于阈值水平的电荷水平时将所述供电网连接至所述电能储存设备。
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