CN113272545B - 用于模块化放大风力发电系统的集成协同式多涡轮、多叶片阵列 - Google Patents

Abstract

一种大型模块化风力发电结构和系统，包括环形或卵形的风力放大结构/模块，所述结构/模块可竖直堆叠以形成塔架，所述塔架根据伯努利原理被动地加速围绕所述模块中的每一个移动的风流。每个放大级别包括形成协同系统的多个竖直轴线风力涡轮和发电机组件、整流罩和叶片，其中与在集成和放大的风力系统之外运行的涡轮组件相比，竖直轴线涡轮和发电机组件的效率以及每个模块可产生的能量得以显著提高。

Description

用于模块化放大风力发电系统的集成协同式多涡轮、多叶片 阵列

相关申请的交叉引用

本申请要求提交于2019年1月15日的美国临时专利申请No.62/792,807的优先权，其全部内容以引用的方式并入本文中。

技术领域

本申请一般涉及发电，以及更具体地，涉及一种用于从风中产生电能的设备和方法。

背景技术

在过去几十年里，化石燃料的价格波动以及产油区的政治不稳定加大了对开发替代能源的付出，这些替代能源逐渐变得更加清洁、高效、可靠，而且对土地的影响更小。风力发电系统一直受到特别关注，部分原因在于它们是目前最具经济竞争力的大规模可再生能源形式之一。一般来说，术语“风力发电”是指其中利用转子/涡轮组件将风流转化为电能的过程，该转子/涡轮组件水平或竖直于环境风的流动定向。涡轮组件的转子叶片将运动空气的能量转换成涡轮组件的驱动轴上的旋转运动。然后，联接到驱动轴的发电机将旋转运动转换成电能。

然而，传统的风力发电系统面临许多挑战。术语“传统”在本文中通常指的是描述一种系统，该系统包括单极塔架，该单极塔架具有单个多叶片转子，该转子围绕与环境风流水平并且位于塔架的顶部或顶部附近的轴线旋转，即水平轴线风力涡轮或“HAWT”系统。一般来说，传统的风力发电机仅在风速高于某个最小速度时运行，仅在某个风速范围内运行，以及在更小的风速范围内以最大功率输出水平运行。这些风力发电机也有危害鸟类和发出明显且有害的次声脉冲噪声的历史。因此，风力发电的生产成本通常较高，并且不可靠。相应地，传统的风力涡轮制造商的组件已经朝着非常大的转子组件(其转子直径通常等于或大于125米)和非常高的塔架研发，以便获得至少一些规模经济，并在更高的高度处获得更高的速度和更稳定的风。

讽刺的是，传统转子直径尺寸的增加带来了许多额外的问题。大型转子更难制造，因为每个叶片的尺寸降低了大规模生产的能力，并且因为叶片上的风力需要特殊且昂贵的材料。将大型转子运送到发电现场也是很大的问题，这通常需要专门的卡车系统、帮助清理拥挤的道路以及风电场附近更宽/更长的通道，考虑到风电场的位置偏远和山坡位置，这些通常是不可行的。考虑到无法快速且容易地接触到损坏的部件，并且无法快速传送替换部件，维护也是一项挑战。此外，大型转子在机舱轮毂上产生更大的扭矩和平衡问题，这通常需要由稀有合金成分组成的更硬的齿轮箱组件。

传统涡轮的另一个众所周知的问题是此种技术所需要的占地面积。风力涡轮需要平滑的风来获得最大的转换效率。来自相邻涡轮的湍流迫使塔架跨越很远的距离，以使风重获最佳的风特性。转子越大，湍流的尾流越长，并且在给定的风电场面积上可放置的塔架数量就越少。此外，由于此种大型转子不能有效地适应转子表面上的不同高度处的不均匀风况，运行效率降低。换句话说，单个大型转子很难在单个转子的直径内处理来自不同方向和/或不同速度的风。

或者，放大的风力发电系统使用漏斗或导流面，例如涡轮附近的全部或部分护罩、整流罩和/或叶片，以基于被称为“伯努利效应”的物理原理被动地增大穿过转子叶片的环境风的速度。因为我们从“风力方程”中知道风力涡轮产生的电能在某种程度上是风速的三次函数，所以已经证明放大风力发电系统能够显著增加给定尺寸的风力涡轮产生的功率量。尽管有许多可能的配置，护罩、漏斗、整流罩和叶片结构可以竖直地堆叠成塔架，其中一个或多个涡轮组件位于风力放大表面附近。有许多类型的风力放大设备，但是一些在美国专利No.4,156,579(Weisbrich)、美国专利No.4,288,199(Weisbrich)、美国专利No.4,332,518(Weisbrich)、美国专利No.4,540,333(Weisbrich)、美国专利No.5,520,505(Weisbrich)、美国专利No.7,679,207(Cory)和美国专利No.9,127,646(Cory)中进行了描述。上述所有七项专利都以引用方式并入本文。

将在后面详述示例性实施例的具体优点，但是一般来说，比起传统的风力涡轮系统，对于放大系统来说，使用较小的转子来产生与较大转子相当数量的能量具有许多优点。首先，较小的涡轮更容易大规模生产，并且更容易运输到风电场。第二，较小的转子直径需要较小直径的风流来运行，这减少了在不同高度处具有不同风况的低效率。第三，“切入”速度较低，即其中涡轮开始发电的速度较低，因为较小的叶片通常较轻，并且更能在较低的风况下运行。第四，具有较小转子的塔架的占地面积得到显著改善，因为湍急的尾流的尺寸更短，并且塔架可彼此放置得更为靠近。第五，对轮毂齿轮的扭矩影响显著减小，从而减少对较重工程和稀有材料的需求。第六，在部分或全部护罩、整流罩或叶片附近以较高速度旋转的较小转子为鸟类提供了避开转子叶片路径所需的视觉信号，从而减少了传统塔架系统中常见的意外鸟类死亡。

然而，并非所有的放大系统都提供同等的好处。一些放大系统仍然没有优化至完全有效地最大化风力放大，或者以经济上理想的方式这样做。说明性的示例将包括在美国专利号7,679,209中描述的最近的系统。这座塔架利用单一的圆柱形核心来产生边际风力放大，并在一个核心附近的仅两个轴上使用一系列圆柱形转子来将风能转换成电能。

由于各种原因，这种配置对于以经济上有利的方式进行能量转换来说不是最佳的。首先，与环形塔架不同，单个圆柱形塔架只能使风沿一个方向(横向)偏转，从而只能略微提高风速。换句话说，在环形塔架中以更有效的方式捕获和汇集更多的风，从而产生更大体积的更快的气流。第二，圆柱形转子组件只是整个塔架轮廓的一小部分，这带来了不必要的塔架成本和给定风电场的潜在风能的额外损失。第三，单个开口圆柱将关键部件暴露在自然环境中，这导致不必要且昂贵的维护成本。第四，转子仅连接到两个旋转轴，这意味着整个装置的发电机数相对较少(两个)，从而限制了塔架的发电能力。第五，由于整个塔架只有两个竖直轴，因此不能使转子自动面对不同高度处的气流方向，这再次降低了塔架在较大尺寸下的适用性及其经济效率。尽管这是提高环境风速的有趣想法，但是在7,679,209和其它类似文献中描述的系统不能有效地与传统的大型涡轮系统或与本文描述的实施例竞争。

由于其可能的独特属性，经受住时间考验的一个系统是美国专利No.4,156,579(Weisbrich)中进行了扩展。专利No.5,520,505(Weisbrich)，美国专利No.7,679,207(Cory)和美国专利No.9,127,646(Cory)中介绍的环形风力塔架。这种配置使用一系列可竖直堆叠、部分遮盖的塔架模块，以将风引导至位于每个模块的中空部分内的涡轮系统对上。

这种配置具有许多好处。首先，许多工程专家对环形形状的大量研究表明，由于风速大幅提高，特别是在离核心塔架的侧面最近的位置处，这种配置的效率很高。独特的形状允许大量的风从三个侧面(顶部、底部和侧面)流向塔中空部分的涡轮，而不是仅从一个侧面。第二，涡轮对独立于其它水平的涡轮运行，这允许每组涡轮在其特定高度直接面向风。第三，因为每对涡轮都独立于其它对，所以当风力条件和维护活动需要时，塔架可产生其总容量的一部分。例如，如果风移动得足够快以在较高模块的水平而不是在较低模块的水平发电，较高模块的涡轮仍然可运行并发电，从而增加塔架的整体“容量因数”，即，与潜在最大值相比每年的实际能量输出。部分生产也是降低维护成本的明显优势，因为当固定涡轮的子集时，塔架仍然可产生一些功率。传统的风力涡轮需要在其整个大直径区域内有足够的平均风流量来产生任何电力，从而实现全功率或无功率输出。部分生产是环形塔架结构相对于传统塔和其它放大系统(诸如美国专利7,679,209中的系统)的优势。第四，环形塔架结构也是可扩展的，以允许产生数兆瓦规模的电力。第五，环形塔架允许在单个塔架上接入和维护多个涡轮，从而降低大型塔架的维护成本。这些好处是附加于上述放大系统的一般优点的，诸如更小的占地面积、更低的切入速度、减少的齿轮箱需求、大规模生产带来的更低的成本以及减少鸟类死亡。

尽管环形构造比起其它放大系统甚至具有一些明显的优势，但它在有效商业化方面的成果至今仍然有限。迄今为止，制约此技术采用的关键因素在于无法制造出转子和发电机系统，以充分利用由环形塔架有目的地创造的独特的“水平风切变”流型。如图1所示，由于伯努利效应存在水平风切变，其中最靠近环形塔架壳的风速比远离塔架的风速传播得更快。换句话说，气流离塔架越远，放大效应越小，并且因此风速越低。迄今为止，工程师们一直依赖在环形塔架上使用传统的HAWT涡轮，但是这些涡轮受到强烈的水平风切变环境的严重阻碍。具体地，HAWT转子的叶片垂直穿过水平风切变行进，使得最靠近塔架的叶片尖端比叶片的其余部分或远离塔架的那些叶片接收更大的风力。这些因素在单个叶片和整个涡轮上产生不同的扭矩，导致效率显著降低，并且涡轮失灵/故障增多。

美国专利No.9,127,646(Cory)中描述的实施例对传统的竖直轴线风力涡轮(“VAWT”)和发电机配置进行了独特的适应性组合，该组合特别适应水平风切变流模式，并优化了多级环形塔架(或产生类似风力放大条件的塔架形状)的益处，以实现低成本、大规模发电的目标。

VAWT系统是一种风力涡轮，其中主转子轴竖直于、而不是水平于环境气流。VAWT涡轮相对于HAWT涡轮的公认优势包括全方位运行(可同时接受来自任何方向的风)、低噪音以及即使在湍急风况下也具有出色的耐用性。VAWT的传统缺点包括转换效率较低和每次旋转时产生的脉动扭矩。后面的方法通过使用转子叶片的螺旋扭转解决了扭矩问题。此外，因为VAWT涡轮一般更难安装在单极塔架上，所以它们通常安装在更靠近基座或地面的地方，这通常会导致获得更低的速度和更急的湍流。

萨沃纽斯(Savonius)系统是VAWT风力发电机系列的子集。萨沃纽斯VAWT系统是一种“拖曳”型设备，其具有两个(或更多个)深圆的叶片，就像风速计中使用的叶片一样。萨沃纽斯VAWT风力涡轮的旋转是因为杯形叶片的凸面和凹面之间存在压差。或者，达里尔斯形式的VAWT由安装在竖直轴或轴线的顶部和底部的许多弯曲翼型叶片组成。类似于飞机机翼，风通过机翼叶片时产生“升力”条件，使转子绕竖直轴线加速。在水平风切变环境中(诸如，在环形风塔架中产生的风切变环境)，VAWT涡轮将受益于集中的风的不同速度，因为在塔架附近的更快的风将冲击全部或大部分单个叶片，而远离塔架的较慢的风将在涡轮围绕其中心轴线旋转时对涡轮上的其它转子提供相对较小的阻力。因此，VAWT涡轮应在水平风切变环境中具有更高的效率，更重要的是，应避免垂直切过风切变湍流的HAWT涡轮所面临的挑战和低效率。

此外，补充内容是最近由多家公司制造的永磁发电机的商业化，这部分内容应改善所提出的VAWT涡轮的效率、产量和成本。这些发电机允许驱动轴和发电机之间的直接连接，使得可减少或基本取消复杂且昂贵的齿轮箱。此外，这些发电机的较小尺寸对于放大风力发电系统的较小转子和较高转速是特别有利的。如美国专利No.7,679,207(Cory)所述，与使用无级变速器(“CVT”，目前在数百万辆汽车和卡车中运行)作为变速驱动接口的潜在优点相呼应，新的发电机应该有助于明显改善和扩展放大风力发电系统中涡轮组件的功率曲线，尽管此类优点对于显现当前专利的优点而言不是必需的。

美国专利No.9,127,646(Cory)和美国专利No.7,679,207(Cory)中描述的发明在能源密度、成本、安全和环境影响方面为大规模风力发电设备提供了重大飞跃。然而，最近的工程研究和复杂的计算机建模分析表明，在这些基础设计中可添加额外的、独特的和新颖的修改，以显著增加模块化放大风力结构的能量密度，甚至还同时减少塔架的尾流，从而减少给定容量风电场所需的土地量。

本文描述的实施例包括对模块化风力放大塔架设计进行的新颖改进，其有助于在个体基础上以及在添加到结构中的新特征之间的相互作用(协同作用)方面提高性能。这些改进包括：a)在风力放大结构的每一侧上增加以协调顺序工作的多个涡轮，b)在结构的前部增加整流罩，该整流罩平分迎面而来的环境风流，并增加附加的放大表面，c)在多个涡轮组件前后增加多个叶片以提供多种功能(稍后讨论)，d)在VAWT涡轮组件的圆形旋转内沿竖直轴线增加叶片，以及e)将最前面一组的涡轮组件定位在前部整流罩附近以利用独特的曲线风流模式，该模式允许达里尔斯型或类似的VAWT涡轮的升力弧长增大，从而明显增加涡轮组件的效率和输出。

放大结构的每个侧上的多涡轮。即使在调整了由前面的涡轮的湍急的尾流带来的涡轮的效率损失之后，增加风力塔架的每个模块级别的涡轮数量也将增大塔架的总容量。与水平轴线风力涡轮不同，VAWT可具有独特的尾流结构，其允许将VAWT涡轮彼此定位在更靠近的位置(即，以反向旋转的顺序)，以更好地从前面的涡轮的尾流中捕获能量，从而大大地减少给定风力发电能力所需土地的占地面积(Dabiri，2011年)。然而，在放大的风力结构中，侧模块壁的形状、壁的下部和上部延伸部的形状、中间叶片的位置和形状以及前向整流罩的位置和形状可更充分地管理和优化在VAWT之间顺序移动的风流的形状、方向和速度。与独立式配置相比，增加每个模块级别的涡轮数量并管理风流以提高涡轮的输出极大地增加了每个模块级别的能量输出，并因此增加了较大模块塔架的能量产出。

前向整流罩。增加前向整流罩的基本好处是增加了第四个放大表面，从而增大环境气流的速度。在环形形状的凹入部分中已经有三个放大表面：凹入开口的上部曲线顶部、凹入开口的下部曲线底部和环形的曲线侧壁(其围绕塔架的中心轴线)。前向整流罩也设想为是曲线形的，使得环境风流在将冲击环形壁的侧面之前随着其向整流罩的任一侧向下移动而获得动量。此外，整流罩的第二个可能的好处是与允许原始风流直接冲击更钝或更平的侧壁表面的可能情况相比，在环形侧面周围为环境风流提供更有效的过渡。使用曲线形前向整流罩的第三个潜在好处在于，它产生了弯曲型的气流形状，其能够对VAWT转子的升力弧长进行新的调整(如下所述)。在提高环形塔架周围的风的过渡效率的同时增加风流的放大有助于提高多涡轮阵列的整体能量潜力。

每个模块级别上的多个叶片阵列。已经将大量的时间、工程和计算机建模集中在将风向叶片引入风力放大模块凹入部分内的VAWT阵列上。在喷气式飞机发动机中使用叶片来优化气流的方向、速度和背压是经过充分证明的科学。然而，将这些原理应用于放大的风表面结构上的顺序的多VAWT涡轮阵列是新颖的，并且是在提高给定风力塔架的能量产出方面迈出了重要的一步。

这些风向叶片至少有五种主要的潜在用途。第一种用途涉及在最前面的涡轮组件后面放置叶片。考虑到模块的环形形状，该叶片可定位成受到来自前部涡轮的更湍急的尾流以及环境中湍急程度更低的风流的冲击，即没有直接受到前部涡轮组件的冲击。将环境风流引入湍急的尾流加上叶片相对于模块壁的形状和位置可有助于重组或重新排序组合风流，从而提高可由后续涡轮组件从此风中提取的可能的能量。第二种用途涉及相同的叶片(位于最前面的涡轮组件后面)。附加于重构组合的环境和湍急的尾流风流之外，叶片可成形为稍微弯曲，使得其提供又一个放大表面。换句话说，附加于在风流冲击顺序的涡轮组件之前进行重组，还可进一步放大组合的风流。叶片的第三个用途是控制背压，背压会影响通过叶片阵列和涡轮组件的气流。具体地，叶片可配置成在塔架周围的特定位置产生低压区域，这有助于将气流引向或引离塔架周围的特定其它位置。例如，最小化背压有助于使气流更容易地穿过阵列，从而提高气流穿过涡轮组件转子的效率和速度。叶片的第四个用途是帮助被动地偏航或旋转围绕放大模块外部的整流罩、叶片和涡轮组件的集成组。在以前的专利中，涡轮组件围绕塔架外部自由旋转的能力(如天气风向叶片被动旋转以面对谷仓或建筑物顶部的风)是允许模块化塔架的每个级别上的涡轮在其特定高度独立面对风向的重要特征。在至少一个实施例中，可将叶片添加到整流罩、叶片和涡轮组件的集成阵列中，以帮助提供改进的力来更有效地使阵列围绕模块偏转。叶片的第五个用途是有目的地从尾流中产生较小的涡流或漩涡，尾流受到各种涡轮组件的冲击，使得涡流在模块的轮廓之外或以其它方式降低速度。有目的地偏转一小部分湍急的风流有助于减少塔架后面的整体尾流，这还提高了将塔架定位成彼此更靠近的能力，从而改善了风电场的能量密度。

沿着VAWT涡轮的中心轴线的叶片。在另一个实施例中，VAWT涡轮特有的叶片的位置沿着涡轮组件的中心轴线。特别是在较低的风速下，很大一部分风流以对转子升力作用最小的方式流过转子组件本身。位于VAWT转子的圆形旋转内侧的叶片可帮助集中尾流，以在涡轮叶片进入其弧的最强“升力”部分时提高穿过涡轮叶片的风速，或者帮助为涡轮的尾流提供改进的结构。这种对VAWT涡轮组件的新颖补充与放大的风面和其中环境风特别慢的情况下特别相关。换句话说，随着风速增加，VAWT转子的旋转速度增加，并且转子可表现出被称为“固化”的现象，其中转子移动得太快，以至于它们被风流感知为越来越坚固。当气流遇到固体物体时，它倾向于围绕物体运动，这意味着随着转子的RPM增加，中心叶片将偏转量减少的风。

可调的叶片角度。为了补充风向叶片在VAWT涡轮组件外部和内部的定位，可在每个叶片上增加小型电机和致动器，以允许实时调节叶片相对于迎面而来的风流的角度，从而允许在不同天气或操作场景下改善风流的优化。

VAWT涡轮与曲线形状的前向整流罩的相互作用，导致弯曲和轻微放大的风流。多年来，人们一直在研究VAWT涡轮的转换效率和尾流特性，但重点通常是在正常的、“独立的”风流环境中，其中进入的风的方向基本上是进入并穿过VAWT转子直径的直线。在这种传统情况下，达里尔斯型VAWT转子具有特定的时间周期，或者更准确地说，特定的行程距离，即弧长，其中它们提供“升力”，该力推动转子围绕中心竖直轴线旋转。在当前的实施例中，在风力放大模块的前部放置曲线整流罩产生了独特的风流模式，其可显著提高VAWT涡轮的效率。具体地，如果人们将VAWT涡轮组件定位在前部整流罩和放大模块的环形壁的交点附近，则风流的形状将是曲线形状，并且风速将略大于风处于传统直线且未被放大的情况。将VAWT涡轮定位在曲线风流中明显增加了弧长(即，转子向较大的涡轮组件提供升力的时间量)，这会带来每个涡轮组件的效率和输出的改善。

总的来说，增加多个VAWT涡轮组件、前向整流罩、多个可调叶片以及产生曲线气流以增加某些VAWT转子的弧长为风力放大模块风力塔架的能量密度和运行提供了许多新颖和重要的改进。本文公开的实施例的重点是体现此种增强。

发明内容

提供了一种大型模块化放大风力发电系统。风力发电系统包括：护罩或部分护罩风力放大表面(诸如环形塔架模块的外壁)；在环形塔架或类似放大表面的基本相对侧上的两个或多个VAWT涡轮组；一个或多个整流罩型结构，其在相对的VAWT涡轮组的中心具有至少一个整流罩，其中该整流罩旨在面对环境风流的迎面而来的方向；前部VAWT涡轮的可选位置，其靠近前部整流罩，使得为转子产生独特且延伸的加速弧(“升力”)；以及各种叶片，其在各种竖直涡轮组件之间、后面以及可能在其内部，以重构并进一步放大环境风流。每个涡轮直接或通过变速驱动型接口连接到发电机，该发电机能够将转子组件传递的机械能转换成电能。在中央塔架或放大结构的给定高度处的每组VAWT涡轮/发电机组件、整流罩和叶片可以互连到可摆动的框架上，该框架使得组件、整流罩和叶片的组合集能够自由且被动地绕固定塔架或风力放大护罩的中心一致旋转。

一种用于风力发电的方法可与成组集成的VAWT涡轮和发电机组件、整流罩和叶片一起使用，其位于多个竖直堆叠的环形风加速模块的空腔内或者邻近另一种形状的风放大护罩或部分护罩表面。该方法包括定位涡轮、整流罩和叶片，以改善通过阵列的风流的结构、加速度、背压和尾流涡流，从而在系统效率、能量产生和塔架尾流的长度/形状方面产生协同改善。该方法包括将机械能从VAWT涡轮传递到位于VAWT涡轮内部、上方、下方或附近的发电机的步骤。该方法还包括用发电机产生电能的步骤，将该电能传输到环形塔架或可选形状的护罩结构内的电力收集系统。VAWT涡轮/发电机组件、整流罩和叶片可安装到可摆动的框架上，该框架可以位于圆盘传送带轨道上，使得涡轮/发电机组件、整流罩和叶片可自由且被动地围绕固定的环形塔架或护罩结构一致地旋转。

在描述以下具体实施方式之前，阐述结合所公开的示例性实施例使用的某些单词和短语的定义可能是有利的：术语“包括”和“包含”及其派生词意指包括但不限于；术语“或”是包括性的，意指和/或；短语“与……相关联”和“与其相关联”及其派生词可以意指包括、包括于……内、与……互连、包含、包含在……内、连接到或与……连接、联接到或与……联接、能够与……通信、与……合作、交错、并列、接近于、绑定到或与……绑定、具有、具有……的性质等等；且术语“控制器”意指控制至少一个操作的任何设备、系统或其一部分，此设备可以用硬件、固件或软件或者其中至少两个的某一组合来实施。应注意，与任何特定控制器相关联的功能性可以是集中的或分布式的，无论是本地的还是远程的。贯穿本公开提供了对某些字词和短语的定义，本领域普通技术人员应理解，在许多实例中(如果不是大多数实例)，此类定义适用于如此定义的字词和短语的以前以及将来的使用。

附图说明

为更全面地理解本实施例及其优点，现参考结合附图的以下描述，在附图中相同的附图标记表示相同的部分：

图1示出了根据一个或多个示例性实施例的典型的“水平风切变”环境，该环境由围绕放大护罩表面(诸如环形放大风力发电系统)的环境风的放大引起。

图2描绘了根据一个或多个示例性实施例的集成的VAWT涡轮、无级变速器(“CVT”)和发电机(“VCG”)组件如何安装在风力放大表面(诸如环形风力模块或塔架)的凹入部分内的侧视图。

图3A描绘了根据一个或多个示例性实施例的集成VCG组件，其中CVT和发电机位于VAWT涡轮下方。

图3B描绘了根据一个或多个示例性实施例的集成VCG组件，其中CVT和发电机位于机舱型外壳内，该外壳位于靠近中心轴线的转子周边内。

图4描绘了根据一个或多个示例性实施例的布置在风力放大结构(诸如环形模块)的凹入部分内的VCG组件、整流罩和多个加速叶片的集合的侧视图。

图5描绘了根据一个或多个实施例的模块化放大风力发电塔架，其由多个环形模块组成，每个环形模块具有其自己的围绕中心塔架或轴线竖直堆叠的VCG组件、整流罩和加速叶片的集合。

图6A描绘了根据一个或多个实施例的环形风力放大结构的俯视图，其描绘了其中前部的VCG组件对非常靠近前部中央整流罩的位置，以允许每个单独的VAWT转子叶片在其围绕竖直轴线旋转期间进行提升或加速的情况下延伸运转弧。

图6B描绘了根据一个或多个实施例的环形风力放大结构的俯视图，其描绘了其中前部的VCG组件对基本上位于前部中央整流罩的下游，从而受益于塔架的放大的风流，但不一定会像定位成紧邻整流罩的情况时那样受益于增大的运转弧。

图7A示出了根据一个或多个实施例的曲线风流，其有助于驱动如图6A所示的前部VCG组件对的内部的VAWT转子的更大运转弧。

图7B示出了根据一个或多个实施例，当前部VCG组件对未足够靠近中心整流罩以充分受益于如图6B中所述的增大的运转弧时，围绕环形塔架的放大的风流。

图8描绘了根据一个或多个实施例的可能的风流的路径，该风流已经由位于前部VCG组件和后部VCG组件之间的加速叶片重新定向。

图9描绘了根据一个或多个实施例的“后部”VCG组件对加上位于后部VCG组件后面的两组风力重组和修整叶片。

图10A示出了根据一个或多个示例性实施例的环形风力放大表面。

图10B示出了根据一个或多个示例性实施例的卵形风力放大表面的两种形式。

图11示出了根据一个或多个示例性实施例的位于竖直轴线转子的旋转圆周内的重定向叶片的两种表现的俯视透视图。

具体实施方式

下面讨论的图1至图11以及本文公开的实施例的各种描述仅是示例性的，并且不应被解释为限制性的。本领域技术人员将理解，本公开的原理可以在适当布置的放大风力发电系统中实施。

美国专利No.9,127,646(Cory)中的附图示出了当围绕风力放大环形结构和包括成对的VAWT涡轮和发电机的堆叠模块(层)系统移动时产生的水平风切变环境。美国专利No.9,127,646(Cory)和美国专利No.7,679,207(Cory)还示出了集成VAWT涡轮、变速驱动器(诸如无级变速器，“CVT”)和发电机的各种方法。这些图示是当前专利的可应用背景，并且可参考附加的特征或实施例。

图1描绘了典型的放大护罩(诸如环形护罩)的外表面102和由放大的风力系统产生的水平风切变环境100。最快的风定位成最靠近塔架表面102。离塔架表面102越远，风力的放大越小。在图1中，在紧邻塔架表面102的位置处存在风流模式104。先前的研究表明，在此种形状的表面内，在区域106中，风流速度可是环境风速的大约2.16倍(Weisbrich&Pucher，1996年)。在区域108中，风速随着离墙壁的距离增加而减慢，直至比环境风速快大约2.0倍。在区域110中，风速愈加减慢，直至比环境风速快大约1.95倍，以此类推。结果，为了从放大的风流中获取最大的能量，一个实施例可包括VAWT转子的叶片，其形状设计为符合塔架壁的曲线形状或轮廓，以在塔架附近实现最快风速。为了便于涡轮、叶片和整流罩的旋转，还可设置圆盘传送带环112，其上涡轮、叶片和整流罩围绕护罩壁102的外部参数行进。

图2描绘了包括轮组203的VCG组件201如何适应风力放大表面的轮廓形状，诸如如上所述的环形模块202的外壁，该轮组允许VCG沿着圆盘传送带环移动到塔架中进行更换或修理。环形模块的壁的形状(或者如果不是环形的话，放大结构的表面)可根据应用进行修改。类似地，VCG组件上的VAWT转子的相对高度和宽度也可根据需要进行修改以适应大量的目标，包括但不限于管理扭矩、功率容量、风流湍流等。结合起来说，环形表面的形状和VAWT转子的形状是相互依存的，并且应该针对特定的应用进行调整和优化。放大表面的精准形状不限于环形，并且VAWT涡轮也不限于特定的卵形或球形形状。此外，VAWT涡轮可具有任意数量的转子、转子和轴线之间的支柱，或者VAWT组件的其它附加件，这些附加件适合于特定的环境和目标组。

图3A示出了VCG组件的实施例，其中CVT 301和发电机302位于VAWT涡轮303下方。考虑到大型公用事业规模的风力塔架的可能尺寸，每个VAWT转子的高度可轻松超过10米，其具有成比例的宽度，从而有足够的空间来安装无级变速器和堆叠在较大转子组件下方的轴向永磁体。

图3B示出了VCG组件的实施例，其中CVT 301和发电机302位于机舱304内，机舱位于沿着竖直轴线的转子周边内。虽然这种配置在放大塔架的模块(或层)之间留下了更多的竖直空间，但通过VAWT转子的气流可能受到影响，因此会使得需要针对这种情况进行优化。尽管如此，可能有这种情况，其中空间限制和用例使这种配置更优越。

图4示出了实施例的侧视图，该实施例包括多个VCG组件401、整流罩402和多个加速叶片403，加速叶片位于风力放大表面404(诸如环形模块的外壁)的轮廓形状附近。这种描述的含义之一是VCG组件、整流罩、叶片或其它风力成形设备或功率转换组件的数量不限于如先前技术中所描述的塔架或放大结构的每侧一个VCG。此外，一旦多个组件、整流罩和/或叶片定位在给定的气流中，则可管理各种组件和设备的相互作用(正负协同作用)以增加能量的产生，并以非常有价值且以仅单对VCG组件不可能实现的方式更好地控制下游尾流。例如，可对风流中的组件或设备中的任何一个、例如单个风向叶片的尺寸、角度、轮廓、组成和表面纹理，进行大量的微小修改，使得各种组件和设备的相互作用根据用户的需要几乎是不受限的。具有优化风流中组件和设备的各种属性的可选性是此种系统的工程和经济价值的主要来源，也是本专利创造的价值的重要部分。

图5描绘了包括多个VCG组件502、整流罩503和加速叶片504的单个层(或模块)501如何连接到核心内部塔架或结构并堆叠以形成独立操作模块的竖直系统500。尽管已经在先前的技术(例如，美国专利No.9,127,646(Cory))中描述过环形或其它风力放大结构的堆叠，由单个模块上的多个VCG组件、整流罩和叶片创建的系统可在多个级上成倍增加，从而在固定的占地面积内显著提高塔架的容量、能量密度和运行产出。这一点是很重要的，因为传统风电场的占地面积(给定发电量所需的土地面积)是对风能的经济性以及将风电场设在离电力用户更近的区域的能力的重大限制。可选地，由多个高能量密度模块(每个模块具有独立的操作)组成的单个窄直径塔架500使得所有者/操作者能够极大地增加从单个塔架产生的电量和可部署在风电场中的塔架的数量，从而促进来自给定风电场(即，固定面积的空间)的能量生产的指数增长。正是这些因素的结合可帮助大规模风力发电达到前所未有的生产水平，并降低每兆瓦时的生产成本。

图6A示出了VCG、整流罩和加速叶片阵列的一个实施例，其中前部VCG601定位成非常靠近中心整流罩602，以允许VAWT转子受益于通过弯曲的风流的更大的运转弧，其中转子通过风流提升和加速的周期显著长于可在更常见的直线风力场景中实现的周期。这对于VAWT涡轮来说是独特的风力环境，在以前的风力发电技术或商业应用中还没有发现，并且必须严格研究增加的推进力的确切好处。然而，很明显，不仅每个转子可有更长的提升周期，而且如果在VAWT涡轮上有足够的(例如，四个或更多个)转子叶片，那么应显著减少和/或消除正常的“动态失速”状态，该状态在每个转子叶片的旋转的每次旋转中瞬时影响每个转子叶片。如果可减少或消除这种短暂的失速状态，并且随后的转子叶片可在第一转子叶片完成其延伸弧之前进入加速气流，那么应甚至进一步提高VAWT的效率和功率。

图6B描绘了VCG、整流罩和加速叶片阵列的另一个实施例，其中前部VCG601基本上位于中心整流罩602的下游，从而受益于放大的风流，但不一定会像定位成紧邻整流罩的情况时那样受益于增大的运转弧。尽管将VCG组件定位在整流罩附近可能会提高转子效率和输出，但该位置也减少了由环形塔架壁放大气流的时间。在某些情况下，将前部转子从整流罩明显向下游移动是有利的，这可集中受益于放大的风流，该风流应该通过整流罩的存在而得到增强，而不是通过延伸的升力弧。

图7A示出了沿着整流罩702的侧面以弯曲路径流动的风流701，其产生了独特的曲线形状，该形状允许实现如图6A所述的前部VCG组件对703的更大的运转弧。

图7B示出了当前部VCG组件对703未足够靠近中心整流罩702以充分受益于如图6B中所述的增大的运转弧时，围绕风力放大表面704(诸如环形塔架)的放大的风流705。在这种情况下，整流罩既提供了更有效的方式来启动塔架周围的风转向，又提供了更多的表面积来用于放大风。这带来了更平滑和更大的风流。

图8示出了位于前部VCG组件802和后部VCG组件803之间的加速叶片801的实施例。该图描绘了未移动穿过前部VCG组件直径的环境风流804和移动穿过前部VCG转子的更湍急的风尾流805的聚集、修整和部分放大。聚集、修整、加速和将风流导向后部VCG组件的转子的系统是协同过程，其促成更稳定且具有更高势能的风流806，进而促成后部VCG组件的效率和输出的提高。

图9示出了风流901如何移动穿过后部VCG组件902并冲击将产生小的涡流/漩涡以帮助减少和偏转塔架后面的风的尾流的定向叶片903，或者冲击模块904后部的叶片，该叶片的作用类似于飞机上的尾翼，并有助于被动偏航或旋转围绕中心塔架结构的各种VCG、整流罩和叶片组件，类似于围绕中心轴线被动旋转的天气风向叶片。

本公开的大部分内容主要集中在环形风力放大结构上，但是如通篇所暗示的，本文描述的系统和过程并不旨在具体限于环形。尽管从顶部和底部的角度来看环形是圆形的，并且可更好地促进VCG、整流罩和叶片装备围绕固定塔架或轴线的更容易的旋转，但是可设想其它形状来提供本公开所描述的许多相同的益处。

例如，图10A示出了典型的环形风力放大结构10-01，其中环形的侧面在定向上是凹面10-02，并且环形的顶部基本上是圆形10-03。或者，可以将环形拉长成各种形式的卵形形状，如图10B所示。当从顶部10-04观察时，一种表现形式在形状上更像椭圆形，而从顶部10-05观察时，另一种表现形式可能更像鸡蛋或倒圆三角形。尽管这些形状可能使得整个放大结构而不仅仅是VCG、整流罩和叶片围绕中心轴线旋转，但是本文描述的风力放大系统的许多优点仍然适用。因此，本公开并不明确地仅限于真正的环形风力放大表面。

图11描绘了如何将VAWT涡轮内部的竖直轴线成形为又一叶片以进一步增强围绕放大塔架或结构的气流的结构化、放大或背压管理的两个实施例。具体地，如图3B所示，可能存在此情况，其中使VAWT涡轮11-01的中心轴线3-04更宽以容纳发电、CVT和/或监控装备的各种配置是有利的。可扩展这个基本概念，以进一步将中心轴线11-02的形状改变成对称叶片11-04或曲线叶片11-05，从而对气流模式11-03提供不同类型的改进。当涡轮以足够低的RPM旋转，使得大量的风仍然通过涡轮的中心区域时，这种适应在较低的风速下尤其重要。对于具有三个以上转子叶片的VAWT涡轮，它们旋转得越快，它们就越被风流感知为“固体”，然后自动且被动地在涡轮外部偏转。这种现象被称为“实度”，是多叶片VAWT涡轮的重要特征，因为它有助于减少过度旋转并排出多余的能量，从而有助于在更高的风速下保护涡轮。因此，当风速较慢且增加重组和放大的需求变大时，内部叶片更为有效。

尽管已经通过各种实施例描述了本公开，但是也可以设想各种其它变化和修改。本公开旨在包括落入所附权利要求范围内的这些变化和修改。

附加描述

提供以下条款作为对所公开发明的进一步描述。

条款1.一种风力发电系统，其包括：

多个竖直轴线风力涡轮组件；

多个竖直堆叠的风力放大模块，其包括至少一个环形模块；

多个可调风向叶片；

至少一个整流罩，其位于所述多个竖直轴线风力涡轮组件的中间和前方以平分风流，从而允许所述风流流经所述多个竖直堆叠的风力放大模块中的至少一者的侧面；以及

其中多个竖直轴线风力涡轮转子组件、叶片和整流罩中的至少一者位于由所述风力放大模块中的一个或多个的曲线表面形成的空腔中。

条款2.根据前述任一项权利要求所述的风力发电系统，其中所述多个可调风向叶片位于所述多个竖直轴线风力涡轮组件之间。

条款3.根据前述任一项权利要求所述的风力发电系统，其中所述多个可调风向叶片位于所述多个竖直轴线风力涡轮组件的后面。

条款4.根据前述任一项权利要求所述的风力发电系统还包括发电机组件，所述发电机组件位于所述多个竖直轴线风力涡轮转子组件的每一个的转子的旋转轨迹的上方、下方或之内。

条款5.根据前述任一项权利要求所述的风力发电系统，其还包括：

无级变速器，其联接到所述多个竖直轴线风力涡轮转子组件中的至少一者；

传感器，其联接到所述多个竖直轴线风力涡轮转子组件中的至少一者；以及

控制器，其电联接到所述传感器和所述无级变速器，

其中所述发电机组件机械联接到所述无级变速器。

条款6.根据前述任一项权利要求所述的风力发电系统，其还包括风向叶片，所述风向叶片沿着竖直中心轴线定位在所述竖直轴线风力涡轮组件中的一个或多个的转子的旋转轨迹内。

条款7.根据前述任一项权利要求所述的风力发电系统，其还包括在所述多个竖直轴线风力涡轮转子组件的每一个内的一个或多个转子叶片，

其中所述一个或多个转子叶片各自具有基本上符合所述空腔的曲线轮廓的边缘。

条款8.根据前述任一项权利要求所述的风力发电系统，其还包括：

塔架，其由成组堆叠的风力放大模块组成；以及

固定圆盘传送带轨道，其在所述多个放大模块中的每一个外部，所述固定圆盘传送带轨道牢固地固定到所述风力放大模块的顶部和底部。

条款9.根据前述任一项权利要求所述的风力发电系统，其还包括可摆动框架组件，所述可摆动框架组件将所述整流罩、竖直轴线风力涡轮组件和每个模块级别的风向叶片的组连接在一起。

条款10.根据前述任一项权利要求所述的风力发电系统，其还包括一组或多组辊，所述辊固定到所述可摆动框架，所述可摆动框架将所述整流罩、竖直轴线风力涡轮组件和风向叶片组件的顶部和底部连接在一起，

其中所述辊连接到固定圆盘传送带轨道的顶部和底部。

条款11.根据前述任一项权利要求所述的风力发电系统，其还包括一组或多组辊，所述辊固定到包括所述竖直轴线风力涡轮组件、所述无级变速器和所述发电机组件的部件集群上，使得所述集群能够移动到所述可摆动框架组件上和从所述可摆动框架组件上移开。

条款12.根据前述任一项权利要求所述的风力发电系统，其还包括致动器和电机，所述致动器和电机连接到所述多个模块中的每个模块上的所述可调风向叶片中的每个可调风向叶片。

条款13.根据前述任一项权利要求所述的风力发电系统，其还包括致动器和电机，所述致动器和电机连接到沿着所述竖直轴线风力涡轮转子的轨迹内的中心轴线定位的风向叶片中的每个风向叶片。

条款14.一种从风中产生电能的方法，其包括以下步骤：

将机械能从位于竖直堆叠的风力加速模块附近的竖直轴线风力涡轮转子组件传输到发电机，以及

将所述发电机输出的电能通过可摆动框架中的电线传输到加速模块塔架的内部核心，所述可摆动框架连接所述竖直堆叠的风力加速模块中的每一个上的多个整流罩、竖直轴线风力涡轮和叶片。

条款15.根据前述任一项权利要求所述的方法，其还包括：

沿着与所述模块的对称轴线同心的路径移动所述可摆动框架，所述可摆动框架连接所述多个整流罩、竖直轴线风力涡轮转子组件和风向叶片，

其中所述竖直堆叠的风加速模块基本上关于竖直轴线对称。

条款16.根据前述任一项权利要求所述的方法，其还包括根据感测的旋转速度防止机械能从所述竖直轴线风力涡轮转子组件传输到所述发电机。

条款17.根据前述任一项权利要求所述的方法，其还包括：

感测所述变速器输入和变速器输出的旋转速度；

在连续的数值范围内改变变速器输入的所述旋转速度与变速器输出的所述旋转速度之比：

确定旋转速度范围；以及

控制无级变速器，使得所述发电机在所述旋转速度范围内运行，所述旋转速度范围基于从传感器接收的信号。

条款18.根据前述任一项权利要求所述的方法，其还包括定位所述多个整流罩中的至少一个以平分环境气流,从而开始风力放大，帮助所述可摆动框架的被动旋转，并为位于所述多个整流罩中的所述至少一个附近的一个或多个竖直轴线风力涡轮提供增加的升力弧，所述可摆动框架连接所述多个整流罩中的所述至少一者、竖直轴线风力涡轮和叶片。

条款19.根据前述任一项权利要求所述的方法，其还包括将所述叶片定位在所述竖直轴线风力涡轮组件的前面，以重构湍急的风流，增加风流的放大，管理背压以增强通过所述竖直轴线风力涡轮组件的风流，并帮助所述可摆动框架的被动旋转，所述可摆动框架连接所述整流罩、竖直轴线风力涡轮和叶片。

条款20.根据前述任一项权利要求所述的方法，其还包括将所述叶片定位在所述竖直轴线风力涡轮组件的后面，以重构湍急的风流，增加风流的放大，管理背压以增强通过所述竖直轴线风力涡轮组件的风流，并帮助所述可摆动框架的被动旋转，所述可摆动框架连接所述整流罩、竖直轴线风力涡轮和叶片。

条款21.根据前述任一项权利要求所述的方法，其还包括使用致动器和电机来调节每个叶片相对于进入的气流的方向的角度，以改变所述叶片与所述气流的相互作用。

条款22.根据前述任一项权利要求所述的方法，其还包括使用致动器和电机来调节位于所述竖直轴线风力涡轮的所述转子的轨迹内的每个叶片相对于所述进入的气流的方向的角度，以改变所述叶片与所述气流的相互作用，从而提高所述竖直轴线风力涡轮中的一个或多个的输出。

条款23.根据前述任一项权利要求所述的方法，其还包括将包括所述竖直轴线风力涡轮组件、所述无级变速器和所述发电机组件内的部件集群重新定位在所述可摆动框架组件上和从所述可摆动框架组件上移开，以检查、修理和/或更换所述集群。

条款24.一种风力涡轮发电装置，其包括：

第一竖直轴线风力涡轮转子组件；

多个叶片，其在所述第一竖直轴线风力涡轮转子组件内，所述叶片的形状基本上符合风力加速模块的轮廓；

发电机组件，其位于所述第一竖直轴线风力涡轮转子叶片的球形轨迹的下方、上方或之内；以及

辊组，其固定到所述第一竖直轴线风力涡轮组件的顶部和底部以用于将所述组件移离第一可摆动框架组件和移至其上。

条款25.根据前述任一项权利要求所述的风力涡轮发电装置，其还包括：

无级变速器，其机械联接到所述第一竖直轴线风力涡轮转子组件；

发电机，其机械联接到所述无级变速器和所述第一竖直轴线风力涡轮转子组件中的一个上；

传感器，其联接到所述第一竖直轴线风力涡轮转子组件；以及

控制器，其电联接到所述传感器和所述无级变速器，其中所述发电机机械联接到所述无级变速器，

其中所述发电机配置成将由所述无级变速器或所述第一竖直轴线风力涡轮转子组件中的一个传递的机械能转换成电能。

条款26.根据前述任一项权利要求所述的风力涡轮发电装置，其还包括：

可调叶片，其沿着所述竖直轴线风力涡轮的所述转子的所述轨迹内的中心轴线定位；以及

至少一个致动器和电机，其用于调节位于所述竖直轴线风力涡轮的所述转子的所述轨迹内的每个叶片相对于进入的气流的方向的角度；

条款27.根据前述任一项权利要求所述的风力涡轮发电装置，其还包括：

框架，所述框架将多个整流罩、竖直轴线风力涡轮组件和叶片连接在一起；

多个辊，其固定在所述框架上，以允许其沿着固定在风力放大模块的所述外部的固定轨道组移动。

条款28.根据前述任一项权利要求所述的风力涡轮发电装置，其还包括电线，所述电线与所述整流罩、竖直轴线风力涡轮和风向叶片的所述第一可摆动框架组件相关联，其中所述发电机组件输出的电能通过所述电线传输到所述内部塔架核心中。

条款29.根据前述任一项权利要求所述的风力涡轮发电装置，其中连接所述整流罩、竖直轴线风力涡轮组件和所述风力叶片的所述第一可摆动框架将所有所述连接的风力叶片、竖直轴线风力涡轮组件和整流罩同时从第一位置移动到第二位置。

条款30.根据前述任一项权利要求所述的风力涡轮发电装置，其中所述第一可摆动框架组件安装成独立于第二可摆动框架组件操作，所述第二可摆动框架组件位于由所述风力放大模块的所述曲线表面形成的凹面中、位于所述第一可摆动框架组件上方或下方。

Claims (21)

1.一种风力发电系统，包括：

多个竖直轴线风力涡轮转子组件；

多个竖直堆叠的风力加速模块，包括至少一个环形形状的风力加速模块；

多个可调节的风向叶片；

至少一个整流罩，位于所述多个竖直轴线风力涡轮转子组件的前方以平分风流，从而允许所述风流跨所述多个竖直堆叠的风力加速模块中的至少一者的侧面流动；

其中多个竖直轴线风力涡轮转子组件、所述多个可调节的风向叶片和所述整流罩互连到单组的可摆动框架，所述可摆动框架经由一组辊组件设置在一组固定圆盘传送带轨道上，所述固定圆盘传送带轨道连接至所述多个竖直堆叠的风力加速模块中的至少一个，

其中互连了多个竖直轴线风力涡轮转子组件、所述多个可调节的风向叶片和所述整流罩的至少一组可摆动框架具有位于由所述竖直堆叠的风力加速模块中的一个或多个的风力加速模块的曲线表面形成的空腔内部的所述竖直轴线风力涡轮转子组件、整流罩和可调节的风向叶片中的一者或多者，

其中所述多个可调节的风向叶片位于所述多个竖直轴线风力涡轮转子组件之间，并在所有的竖直轴线风力涡轮转子组件的后部。

2.根据权利要求1所述的风力发电系统，还包括发电机组件，所述发电机组件位于所述多个竖直轴线风力涡轮转子组件中的每一个的转子的旋转轨迹的上方.下方或内部。

3.根据权利要求2所述的风力发电系统，还包括：

无级变速器，其联接到所述多个竖直轴线风力涡轮转子组件中的所述至少一者；

传感器，其联接到所述多个竖直轴线风力涡轮转子组件中的至少一者；以及

控制器，其电联接到所述传感器和所述无级变速器，其中所述发电机组件机械联接到所述无级变速器。

4.根据权利要求1所述的风力发电系统，还包括另外的风向叶片，所述另外的风向叶片沿着竖直中心轴线定位在所述竖直轴线风力涡轮转子组件中的一个或多个的转子的旋转轨迹内。

5.根据权利要求1所述的风力发电系统，还包括在所述多个竖直轴线风力涡轮转子组件中的每一个内的一个或多个转子叶片，

其中所述一个或多个转子叶片各自具有基本上符合所述空腔的曲线轮廓的边缘。

6.根据权利要求1所述的风力发电系统，还包括：

塔架，其由成组堆叠的风力加速模块组成；以及

固定圆盘传送带轨道，其在多个风力加速模块中的每一个外部，牢固地固定到所述风力加速模块的顶部和底部。

7.根据权利要求1所述的风力发电系统，还包括可摆动框架组件，所述可摆动框架组件将每个风力加速模块的所述整流罩、竖直轴线风力涡轮转子组件和风向叶片的组连接在一起。

8.根据权利要求7所述的风力发电系统，还包括一组或多组第一辊，所述第一辊固定到所述可摆动框架，所述可摆动框架将所述整流罩、竖直轴线风力涡轮转子组件和风向叶片组件的顶部和底部连接在一起，

其中所述辊连接到固定圆盘传送带轨道的顶部和底部。

9.根据权利要求7所述的风力发电系统，还包括一组或多组第二辊，所述第二辊固定到包括所述竖直轴线风力涡轮转子组件、无级变速器和发电机组件的部件集群上，使得所述集群能够移动到所述可摆动框架组件上和从所述可摆动框架组件上移开。

10.根据权利要求7所述的风力发电系统，还包括致动器和电机，所述致动器和电机连接到所述多个风力加速模块中的每个风力加速模块上的所述可调节的风向叶片中的每个可调节的风向叶片。

11.根据权利要求4所述的风力发电系统，还包括致动器和电机，所述致动器和电机连接到沿着中心轴线定位在所述竖直轴线风力涡轮转子组件的轨迹内的所述另外的风向叶片中的每个另外的风向叶片。

12.一种利用风产生电能的方法，包括以下步骤：

将机械能从位于竖直堆叠的风力加速模块附近的竖直轴线风力涡轮转子组件传输到发电机，以及

将所述发电机输出的电能通过可摆动框架中的电线传输到风力加速模块塔架的内部核心，所述可摆动框架连接所述竖直堆叠的风力加速模块中的每一者上的多个整流罩、竖直轴线风力涡轮转子组件和可调节的风向叶片；

至少一个整流罩，位于所述多个竖直轴线风力涡轮转子组件的前方以平分风流，从而允许所述风流跨所述多个竖直堆叠的风力加速模块中的至少一者的侧面流动；

其中所述多个可调节的风向叶片位于所述多个竖直轴线风力涡轮转子组件之间，并在所有的竖直轴线风力涡轮转子组件的后部。

13.根据权利要求12所述的方法，还包括：

沿着与所述风力加速模块的对称轴线同心的路径移动所述可摆动框架，所述可摆动框架连接所述多个整流罩、竖直轴线风力涡轮转子组件和风向叶片，

其中所述竖直堆叠的风加速模块关于竖直轴线基本上对称。

14.根据权利要求12所述的方法，还包括根据感测的旋转速度防止机械能从所述竖直轴线风力涡轮转子组件传输到所述发电机。

15.根据权利要求12所述的方法，还包括：

感测无级变速器输入和无级变速器输出的旋转速度；

在连续的数值范围内改变无级变速器输入的旋转速度与无级变速器输出的旋转速度之比：

确定旋转速度范围；以及

控制无级变速器以使得所述发电机在所述旋转速度范围内运行，所述旋转速度范围基于从传感器接收的信号。

16.根据权利要求12所述的方法，还包括定位所述多个整流罩中的至少一者，从而平分环境气流以开始风力放大，帮助所述可摆动框架的被动旋转，并为位于所述多个整流罩中的所述至少一者附近的一个或多个竖直轴线风力涡轮转子组件提供增加的升力弧，所述可摆动框架连接所述多个整流罩中的所述至少一者、竖直轴线风力涡轮转子组件和可调节的风向叶片。

17.根据权利要求12所述的方法，还包括将所述可调节的风向叶片定位在所述竖直轴线风力涡轮转子组件的前面，以重构湍急的风流，增加风流的放大，管理背压以增强通过所述竖直轴线风力涡轮转子组件的风流，并帮助所述可摆动框架的被动旋转，所述可摆动框架连接所述整流罩、竖直轴线风力涡轮转子组件和可调节的风向叶片。

18.根据权利要求12所述的方法，还包括将所述可调节的风向叶片定位在所述竖直轴线风力涡轮转子组件的后面，以重构湍急的风流，增加风流的放大，管理背压以增强通过所述竖直轴线风力涡轮转子组件的风流，并帮助所述可摆动框架的被动旋转，所述可摆动框架连接所述整流罩、竖直轴线风力涡轮转子组件和可调节的风向叶片。

19.根据权利要求17所述的方法，还包括使用致动器和电机来调节每个可调节的风向叶片相对于进入的气流的方向的角度，以改变所述可调节的风向叶片与所述气流的相互作用。

20.根据权利要求12所述的方法，还包括使用致动器和电机来调节位于竖直轴线风力涡轮转子组件的转子的轨迹内的每个可调节的风向叶片相对于进入的气流的方向的角度，以改变所述可调节的风向叶片与所述气流的相互作用，从而提高所述竖直轴线风力涡轮转子组件中的一个或多个的输出。

21.根据权利要求12所述的方法，还包括将包括所述竖直轴线风力涡轮转子组件、无级变速器和发电机组件的部件集群重新定位在所述可摆动框架组件上和从所述可摆动框架组件上移开，以检查、修理和/或更换所述集群。