JP2009008041A - マグナス型風力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回転円柱の先端部側の領域におけるスパイラル条に加わる空気抵抗の影響を低減させ、発電効率を向上させることができるマグナス型風力発電装置を提供すること。
【解決手段】各回転円柱７がこれら回転円柱７の軸周りに回転することで、各回転円柱７の回転と風力との相互作用で生じるマグナス揚力により水平回転軸５を回転させて発電機構部３を駆動するマグナス型風力発電装置１であって、回転円柱７の外周表面には、凸状に形成されたスパイラル条８ａ，８ｂ，８ｃが設けられ、このスパイラル条８ａ，８ｂ，８ｃにより回転円柱７の外周表面に、少なくとも回転円柱７の軸と平行な空気の流れ成分Ｖを発生させる構造を有し、スパイラル条８ａ，８ｂ，８ｃのリード角θが、回転円柱７の水平回転軸５に近い基端部側よりも回転円柱７の先端部側の方が小さく形成されている。
【選択図】図４

Description

本発明は、各回転円柱の回転と風力との相互作用で生じるマグナス揚力により水平回転軸を回転させて発電機構部を駆動させるマグナス型の風力発電装置及びその制御方法に関する。

従来、水平回転軸に対して放射状に所要数配設した回転円柱を備え、駆動モータを駆動させることにより各回転円柱をその軸周りに回転させ、これらの回転する回転円柱に自然風が当たったときに、回転円柱の回転と風力との相互作用で生じるマグナス効果による揚力により水平回転軸を回転させて、その水平回転軸の回転を発電機に伝達することで発電を行うマグナス型風力発電装置があり、この種のマグナス型風力発電装置は、回転円柱を高速で回転させるために、多くのエネルギーが消費されてしまい発電効率が悪い（例えば、特許文献１参照）。

そこで、マグナス型風力発電装置における回転円柱の長手方向の全長に渡って、スパイラル条が、回転円柱の外周面に一体に巻き回して形設され、自然風や回転円柱の回転によって発生する回転円柱の表層の空気の動きとは別に、スパイラル条によって回転円柱の外周面に空気流動を発生させることで、マグナス揚力を増大させ、風力発電装置の発電効率を低風速域から比較的高風速域にかけて格段に上昇させたマグナス型風力発電装置がある（例えば、特許文献２参照）。

米国特許第４３６６３８６号明細書 国際公開第２００７／１７９３０号パンフレット

しかしながら、特許文献２に記載のマグナス型風力発電装置にあっては、回転円柱にスパイラル条を設けることでマグナス揚力を増大させることができるが、そのスパイラル条の傾き角度（リード角）が、回転円柱の長手方向の全長に渡って均一に形成されおり、回転円柱が水平回転軸を中心として回動した際に、回転円柱の先端部側の領域には、その基端部側の領域よりも多くの空気流が当たってスパイラル条に加わる風圧が高くなっているため、スパイラル条に加わる空気抵抗が増大する傾向にあり、結果的に回転円柱を軸周りに回転させるための消費エネルギーが増え、マグナス型風力発電装置の発電効率を充分に高められないという問題がある。

本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、回転円柱の先端部側の領域におけるスパイラル条に加わる空気抵抗の影響を低減させ、発電効率を向上させることができるマグナス型風力発電装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明の請求項１に記載のマグナス型風力発電装置は、
発電機構部に回転トルクを伝達する水平回転軸と、該水平回転軸から略放射状に所要数配設された回転円柱とを備え、該各回転円柱がこれら回転円柱の軸周りに回転することで、該各回転円柱の回転と風力との相互作用で生じるマグナス揚力により前記水平回転軸を回転させて前記発電機構部を駆動するマグナス型風力発電装置であって、
前記回転円柱の外周表面には、凸状に形成されたスパイラル条が設けられ、該スパイラル条により前記回転円柱の外周表面に、少なくとも該回転円柱の軸と平行な空気の流れ成分を発生させる構造を有し、
前記スパイラル条のリード角が、前記回転円柱の前記水平回転軸に近い基端部側よりも前記回転円柱の先端部側の方が小さく形成されていることを特徴としている。
この特徴によれば、回転円柱が水平回転軸を中心として回動されると、回転円柱の先端部側の周速度は、基端部側の周速度よりも速くなっており、その状態の回転円柱の先端部側には、基端部側よりも速度の速い空気流が当たるようになっている。そのためスパイラル条のリード角を回転円柱の基端部側よりも先端部側の方を小さく形成することで、回転円柱の先端部側の領域において、前記空気流がスパイラル条の大きな抵抗にならず、回転円柱を軸周りに回転させるための消費エネルギーを増やさずに済むようになり、マグナス型風力発電装置の発電効率を向上させることができる。

本発明の請求項２に記載のマグナス型風力発電装置は、請求項１に記載のマグナス型風力発電装置であって、
前記回転円柱の基端部側のスパイラル条の最大リード角を略４５度とし、前記回転円柱の先端部側に行くに従い、スパイラル条のリード角が略４５度よりも小さくなっていることを特徴としている。
この特徴によれば、検証実験の結果、スパイラル条の最大リード角を略４５度として回転円柱の先端部側に行くに従い略４５度よりも小さくなるリード角が適していることが分かった。

本発明の請求項３に記載のマグナス型風力発電装置は、請求項１または２に記載のマグナス型風力発電装置であって、
前記回転円柱には、該回転円柱の基端部側の領域と、該回転円柱の先端部側の領域と、の少なくとも２つの領域が設けられており、前記スパイラル条のリード角は、それぞれの前記領域内で、それぞれ一定のリード角として形成されていることを特徴としている。
この特徴によれば、マグナス型風力発電装置の製造時に、回転円柱の各領域毎に異なる一定のリード角のスパイラル条を形成すればよく、スパイラル条を設けた回転円柱の製造が容易になる。

本発明の請求項４に記載のマグナス型風力発電装置は、請求項３に記載のマグナス型風力発電装置であって、
前記回転円柱には、該回転円柱の基端部の領域と、該回転円柱の中央部の領域と、該回転円柱の先端部の領域と、の少なくとも３つの領域が設けられていることを特徴としている。
この特徴によれば、回転円柱を３つ以上の各領域に分けることで、回転円柱の各領域毎のリード角を徐々に変化させたスパイラル条の態様とほぼ同じ効果を達成できる。

本発明に係るマグナス型風力発電装置を実施するための最良の形態を実施例に基づいて以下に説明する。

本発明の実施例を図面に基づいて説明すると、先ず図１は、マグナス揚力の説明図であり、図２は、実施例１におけるマグナス型風力発電装置を示す正面図であり、図３は、マグナス型風力発電装置を示す側面図であり、図４は、スパイラル条が設けられた回転円柱を示す正面図であり、図５は、図４における回転円柱を示すＡ−Ａ断面図であり、図６は、回転円柱に当たる空気流を示す説明図であり、図７は、実施例１のスパイラル条と従来のスパイラル条を用いた場合の風速と出力との関係を示すグラフである。以下、図２及び図４の紙面手前側をマグナス型風力発電装置の正面側（前方側）とし、図３、図５、図６の紙面右方側をマグナス型風力発電装置の正面側（前方側）として説明する。

一般的なマグナス揚力の発生メカニズムについて説明すると、図１の円筒形状を成す回転円柱Ｃの断面図に示すように、回転する回転円柱Ｃに当たった空気の流れは、図１のような回転円柱Ｃの回転方向（左回り）と空気流Ｎ_０の向きでは、回転円柱Ｃの回転とともに上方に流れるようになり、このとき回転円柱Ｃの上方側を流れる空気が、回転円柱Ｃの下方側を流れる空気の速度よりも速く流れるので、回転円柱Ｃの上方側の負圧と下方側の正圧とで空気圧に差が生じるマグナス効果が生じるようになり、回転円柱Ｃには、空気の流れＮ_０と垂直をなす方向にマグナス揚力Ｙ_０が発生するようになっている。

図２及び図３に示す符号１は、本発明の適用されたマグナス型風力発電装置であり、このマグナス型風力発電装置１は、地面に立設された支台２の上部に、水平方向に旋回自在に軸支される発電機構部３を有しており、この発電機構部３は、内部に配置された鉛直モータ４を駆動させることで水平方向に旋回できるようになっている。

図２及び図３に示すように、発電機構部３の正面側には、回転の軸心が水平方向を向く本実施例における水平回転軸としての回転体５が配置されており、この回転体５は図２を参照すると正面視で右回りに回転するように軸支されている。回転体５の正面側には、フロントフェアリング６が取り付けられており、回転体５の外周には、５本の略円筒形状の回転円柱７が放射状に配置されている。各々の回転円柱７は、これら回転円柱７の軸周りの予め決められた回転方向に回転自在に軸支されている。

図４に示すように、回転円柱７の外周表面７’には、回転円柱７の基端部から先端部までの全長に渡って、スパイラル（螺旋）状に形成されたスパイラル条８ａ，８ｂ，８ｃが一体に巻き回して形成されており、このスパイラル条８ａ，８ｂ，８ｃは、回転円柱７の外周表面７’から突出するように略凸状に形成されている。また、この凸状スパイラル条８ａ，８ｂ，８ｃは、１つの回転円柱７の外周表面７’に６条設けられている。

また、回転円柱７の直径は、その基端部から先端部にかけて同径に形成されており、更に、回転円柱７の先端面には、回転円柱７の直径よりも大きな直径を有する円盤状のエンドキャップ９が取り付けられている。

所要幅、所要高さの６重螺旋をなすスパイラル条８ａ，８ｂ，８ｃは、回転円柱７の長手方向の全体に渡って設けられ、回転円柱７の先端側から見たときに右ネジ状の右螺旋状をなすように固着されている（図５参照）。

本実施例では、スパイラル条８ａ，８ｂ，８ｃは、ポリカーボネート等の比較的硬質な合成樹脂の材質で形成されている。尚、スパイラル条８ａ，８ｂ，８ｃは、耐候性及び耐久性を有する軽量合金等の材質で製作してもよい。

図３に示すように、発電機構部３の内部には、長手方向が水平方向を向く本実施例における水平回転軸としてのアウターシャフト１０が配置されており、アウターシャフト１０は発電機構部３内部に配置されたベアリング１１を介して垂直方向に回動自在に支持されている。このアウターシャフト１０の軸内は貫通されており、アウターシャフト１０の軸内には、インナーシャフト１２が挿設されている。

図３に示すインナーシャフト１２はアウターシャフト１０内部に配置されたベアリング１３を介して垂直方向に回動自在に軸支されている。アウターシャフト１０及びインナーシャフト１２は互いに独立して回動することができる。

図３に示すように、アウターシャフト１０の後端には、ギア１４が固着されており、このギア１４は、発電機構部３内の発電機１５に接続されているギア１６と係合されている。アウターシャフト１０の前端には、発電機構部３の外方に突出されており、このアウターシャフト１０の前端に回転体５が固着されている。

図３に示すように、インナーシャフト１２の後端は、アウターシャフト１０から突出されたギア１７が固着されており、このギア１７は、発電機構部３内の駆動モータ１８と連動されているギア１９と係合される。また、インナーシャフト１２の前端は、アウターシャフト１０から突出されており、このインナーシャフト１２の前端には、大径のベベルギア２０が固着されている。

図３に示す駆動モータ１８とギア１９との間には、駆動モータ１８の回転力を一方向に伝達するワンウェークラッチ２２が配置されており、ギア１９の回転によって駆動モータ１８に逆方向の回転力が加わっても、ワンウェークラッチ２２によって駆動モータ１８の逆回転を防止できるようになっている。更に、発電機構部３内部には、駆動モータ１８の起動用の電力を蓄えるバッテリー２３が配置されている。尚、鉛直モータ４や駆動モータ１８は、マグナス型風力発電装置１の周囲環境の風向や風速を観測する風向計（図示略）や風速計（図示略）に接続された制御回路２４によって制御されるようになっている。

図２に示すように、インナーシャフト１２に固着された大径のベベルギア２０は、アウターシャフト１０に固着された正面側の回転体５内部の中心に配置されるとともに、このベベルギア２０は前方側に向かって窄まるように配置されている。更に、この大径のベベルギア２０には、５つの小径のベベルギア２１が係合されており、５つの小径のベベルギア２１は、回転体５の外周に配置された５本の回転円柱７の基部に連結されている。

図３に示す発電機構部３内部の駆動モータ１８を駆動させるとインナーシャフト１２を介して駆動モータ１８の動力が大径のベベルギア２０に伝達され、このベベルギア２０に係合される５つの小径のベベルギア２１が回転され、各々のベベルギア２１に連結された５本の回転円柱７が、該回転円柱７の軸回りに回転されるようになっている。

マグナス型風力発電装置１を用いて発電する際には、先ず風向計（図示略）によって風向きを検出し、制御回路２４が鉛直モータ４を駆動させて、回転体５の正面側から風が当たるように、風向きに合わせて発電機構部３を旋回させる。すると図３に示すように、マグナス型風力発電装置１の正面側から自然風Ｎが当たるようになる。

そして、発電機構部３内部のバッテリー２３に蓄えられている起動用の電力を駆動モータ１８に供給し、駆動モータ１８を駆動させる。インナーシャフト１２及びベベルギア２０、２１を介して駆動モータ１８の動力が伝達され、各々の回転円柱７が回転しはじめる。各々の回転円柱７の回転と風力との相互作用で生じるマグナス揚力Ｙによって、回転円柱７及び回転体５は、アウターシャフト１０を軸心として回転されるようになる。

図５を参照して回転円柱７の回転方向とスパイラル条８ａ，８ｂ，８ｃの巻き方について詳述すると、回転円柱７の先端側から見たときに、回転円柱７のスパイラル条８ａ，８ｂ，８ｃの巻き方が右ネジ状の右螺旋状をなす場合、回転円柱７の回転方向は左回りとなっている。スパイラル条８ａ，８ｂ，８ｃの巻き方向が回転円柱７の回転方向に対して逆向きとなっているため、図２及び図４に示すように、回転円柱７の外周表面７’を流れる空気を回転体５に近づく方向に向けて流すことができる。

図４に示すように、スパイラル条８ａ，８ｂ，８ｃが回転円柱７に施されることにより、回転円柱７の回転時に、スパイラル条８ａ，８ｂ，８ｃによって、空気の流れＦが発生する。この際、回転円柱７の外周表面７’に、自然風Ｎや回転円柱７と伴に回転する回転円柱７の表層の空気の動きとは別に、回転円柱７の軸と平行な空気の流れ成分Ｖ（ベクトル成分Ｖ）を発生させることができる。図２に示すように、この空気の流れ成分Ｖは、回転円柱７の先端側から回転体５（回転円柱７の基端側）に向けて流れるようになっている。

図４及び図５に示すように、回転円柱７の外周の空気流、すなわち回転円柱７の外周表面７’に空気流動Ｆを発生させることで、自然風Ｎ（空気流Ｎ’）と、回転円柱７と伴に回転する回転円柱７の表層の空気の動きとで形成される三次元的な空気流が形成される。

そして図５に示すように、各々の回転円柱７の回転と風力との相互作用で生じるマグナス揚力Ｙが増大される。ここで言うスパイラル条８ａ，８ｂ，８ｃで与えられる空気の流れＦは、全てが回転円柱７の軸と平行な方向を向いている必要はなく、少なくとも回転円柱７の軸と平行なベクトル成分Ｖがあれば充分効果がある。発明者の１つの考察であるが、マグナス揚力Ｙが高まる理由として、回転円柱７に加わる負圧と正圧との差圧が高まる現象や、揚力発生面が拡大する現象等が発生していると考えられる。

また、エンドキャップ９を利用すると、マグナス効果が向上するようになっている。すなわちエンドキャップ９が回転円柱７の先端面に設けられることによって、このエンドキャップ９が空気流Ｆに好影響を与え、マグナス揚力Ｙの向上が見られる。

図３に示すように、回転体５が回転すると、アウターシャフト１０の後端に連結された発電機１５が駆動されて発電が行われる。更に、この回転円柱７の回転に基づいて、スパイラル条８ａ，８ｂ，８ｃによる回転円柱７の軸方向への空気の流れが増大するので、回転円柱７のマグナス揚力Ｙが増大され、発電機１５を駆動するアウターシャフト１０の回転トルクが増大されるようになる。従って、マグナス型風力発電装置１の発電効率を上げることができるようになっている。

尚、発電機１５によって発電が開始されると、この発電された電力の一部を、回転円柱７を回転させるための駆動モータ１８に供給させて補助電力として利用でき、かつ次回の起動用の電力としてバッテリー２３に蓄えることもできる。

次に、本実施例のマグナス型風力発電装置１に用いられている凸状スパイラル条８ａ，８ｂ，８ｃについて詳述する。先ず図５に示すように、スパイラル条８ａ，８ｂ，８ｃの形状は、断面視で略矩形状を成しており、このスパイラル条８ａ，８ｂ，８ｃの断面形状は、各々のスパイラル条８ａ，８ｂ，８ｃの長手方向全体に渡って同一になるように形成されている。

また、本実施例におけるスパイラル条８ａ，８ｂ，８ｃにおいて、回転円柱７の外周表面７’からスパイラル条８ａ，８ｂ，８ｃの上端部までの突出長は、略２０ｍｍ程度となっており、スパイラル条８ａ，８ｂ，８ｃの長手方向に沿って同一の突出長になるように形成されている。尚、スパイラル条８ａ，８ｂ，８ｃの突出長は、略１０ｍｍ以上、略６０ｍｍ以下の範囲内であればよい。

更に、本実施例におけるスパイラル条８ａ，８ｂ，８ｃの幅は、略１０ｍｍ程度となっており、スパイラル条８ａ，８ｂ，８ｃの長手方向に沿って同一の幅になるように形成されている。尚、スパイラル条８ａ，８ｂ，８ｃの幅は、略３ｍｍ以上、略３０ｍｍ以下の範囲内であればよい。

図４に示すように、スパイラル条８ａ，８ｂ，８ｃは、そのリード角θ_１，θ_２，θ_３が略４０〜４５度の角度で傾けられた状態で、回転円柱７に設けられている。尚、本実施例では、スパイラル条８ａ，８ｂ，８ｃ上の任意点Ｐを通る回転円柱７の軸心αに対して直角な平面βと、スパイラル条８とがなす角をリード角θ_１，θ_２，θ_３と称する。

本実施例では、４５度のリード角θ_１を有するスパイラル条８ａと、４２.５度のリード角θ_２を有するスパイラル条８ｂと、４０度のリード角θ_３を有するスパイラル条８ｃの３種類のリード角θ_１，θ_２，θ_３の異なるスパイラル条８ａ，８ｂ，８ｃが設けられている。また、回転円柱７は、回転体５に近い側から順に、基端部の領域Ｄ_１と、中央部の領域Ｄ_２と、先端部の領域Ｄ_３との３つの領域に区分けることができる。

図４及び図５に示すように、回転円柱７における基端部の領域Ｄ_１には、４５度のリード角θ_１を有するスパイラル条８ａが、回転円柱７の断面円周上において等間隔に設けられている。また、回転円柱７における中央部の領域Ｄ_２には、４２.５度のリード角θ_２を有するスパイラル条８ｂが、回転円柱７の断面円周上において等間隔に設けられている。更に、回転円柱７における先端部の領域Ｄ_３には、４０度のリード角θ_３を有するスパイラル条８ｃが、回転円柱７の断面円周上において等間隔に設けられている。

尚、スパイラル条８ａ，８ｂ，８ｃは、各々のスパイラル条８ａ，８ｂ，８ｃが設けられたそれぞれの領域Ｄ_１，Ｄ_２，Ｄ_３内では、一定のリード角θ_１，θ_２，θ_３として形成されている。すなわち、スパイラル条８ａは、回転円柱７の基端部の領域Ｄ_１内で、一定のリード角θ_１に形成され、スパイラル条８ｂは、回転円柱７の中央部の領域Ｄ_２内で、一定のリード角θ_２に形成され、スパイラル条８ｃは、回転円柱７の先端部の領域Ｄ_３内で、一定のリード角θ_３に形成されている。

このようにスパイラル条８ａ，８ｂ，８ｃのリード角θ_１，θ_２，θ_３を、回転円柱７の基端部側の領域Ｄ_１よりも先端部側の領域Ｄ_３の方を小さく形成することで、回転円柱７の先端部側の領域Ｄ_３では、スパイラル条８ｃの延設方向が、空気流Ｎ’が流れる向きと平行な向きに近づくようになり、スパイラル条８ｃに加わる空気抵抗を低減させることができる。尚、本実施例で言う空気流Ｎ’が流れる向きとは、図４に示す平面βとほぼ平行な向きとなっている。

より詳述すると、図５に示す回転円柱７に当たる空気流Ｎ’は、回転円柱７が回転体５を中心として回動した際に、回転円柱７がその回転方向から受ける空気流Ｋと自然風Ｎとが合成された空気流Ｎ’となっている。また、回転円柱７が回転体５を中心として回動されると、回転円柱７の先端部側の周速度は、基端部側の周速度よりも速くなっており、その状態の回転円柱７が受ける空気流Ｎ’の速度は、回転円柱７の基端部側が受ける空気流Ｎ’よりも、回転円柱７の先端部側が受ける空気流Ｎ’の方が速くなっている。

尚、本実施例における周速度とは、回転円柱７が回転体５を中心として回転した際に、回転円柱７の回転数と、回転の中心である回転体５からの距離に比例する速度であり、回転円柱７の基端部よりも先端部の方が、その周速度が速くなっている。そのため本実施例のスパイラル条８ａ，８ｂ，８ｃでは、高風速の空気流Ｎ’が当たりやすい回転円柱７の先端部側の領域Ｄ_３のスパイラル条８ｃのリード角θ_３が小さくなっている。

より詳述すると、図６に示すように、回転円柱７には、正面側から当たる自然風Ｎと、回転円柱７が回転体５の中心を軸心γとして回転した際に、その回転方向から当たる空気流Ｋとがある。回転円柱７の回転方向から当たる空気流Ｋは、回転円柱７の先端部側の領域Ｄ_３にて特に速くなっているため、回転円柱７の先端部側の領域Ｄ_３のスパイラル条８ｃのリード角θ_３を小さくすることで、回転円柱７の回転方向から当たる空気流Ｋから受ける空気抵抗が効果的に低減されるようになっている。

次に、発明者が行ったスパイラル条のリード角θの検証実験の結果について詳述する。図７に示したのは、本実施例のスパイラル条８ａ，８ｂ，８ｃが設けられたマグナス型風力発電装置１と、従来のスパイラル条が設けられたマグナス型風力発電装置と、を比較するための風速[m/s]と出力[W]との関係を示すグラフである。ここで言う正味出力[W]とは、マグナス型風力発電装置１が発電した電力から、駆動モータ１８の駆動に用いた電力を減算したときの電力である。

尚、本検証実験で用いた従来のスパイラル条のリード角θは略４５度となっており、該リード角θは回転円柱の基端部側から先端部側にかけて同一になるように形成されている。更に尚、従来のスパイラル条は、リード角θ以外の構成条件が全て同一になるように形成されている。

図７に示すグラフ（ａ）は、実施例１のスパイラル条８ａ，８ｂ，８ｃが設けられたマグナス型風力発電装置１の風速[m/s]と出力[W]との関係を示すグラフであり、グラフ（ｂ）は、従来のスパイラル条が設けられたマグナス型風力発電装置の風速[m/s]と出力[W]との関係を示すグラフである。

図７に示すように、実施例１のスパイラル条８ａ，８ｂ，８ｃを用いたマグナス型風力発電装置１のグラフ（ａ）と、従来のスパイラル条が設けられたマグナス型風力発電装置のグラフ（ｂ）と、を比較すると、全ての風速域において、実施例１のマグナス型風力発電装置１のグラフ（ａ）の出力[W]の値が、従来のマグナス型風力発電装置のグラフ（ｂ）の出力[W]の値よりも高くなっていることが分かる。

以上の検証実験の結果からも分かるように、風速[m/s]の状態を考慮しても、実用的なマグナス型風力発電装置１には、回転円柱７の先端部側の領域Ｄ_３に設けられたスパイラル条８ｃのリード角θ_３を小さく形成することが、最も効率的に発電効率を上昇できることが分かる。

以上、本実施例におけるマグナス型風力発電装置１では、回転円柱７の基端部側の領域Ｄ_１よりも先端部側の領域Ｄ_３に設けられたスパイラル条８ｃのリード角θ_３を小さく形成することで、回転円柱７の先端部側の領域Ｄ_３において、空気流Ｎ’（空気流Ｋ）がスパイラル条８ｃの大きな抵抗にならず、回転円柱７を軸周りに回転させるための消費エネルギーを増やさずに済むようになり、マグナス型風力発電装置１の発電効率を向上させることができる。尚、スパイラル条８ｃの延設方向は、空気流Ｎ’が流れる向きと完全に平行になる必要はなく、少なくとも平行な向きに近づければよい。

また、検証実験の結果、回転円柱７の基端部側のスパイラル条８ａの最大リード角θ_１を略４５度とし、回転円柱７の先端部側に行くに従い、スパイラル条８ｂ，８ｃのリード角θ_２，θ_３が略４５度よりも小さくなっていることが適していることが分かった。

尚、スパイラル条８ａ，８ｂ，８ｃが、略４５度以下のリード角θのスパイラル条８ａ，８ｂ，８ｃを含むことで、回転円柱７が回転体５を中心として回動された際に、略４５度以下のリード角θが、スパイラル条８ａ，８ｂ，８ｃに加わる空気抵抗を低減させることができる。

更に尚、スパイラル条８ａ，８ｂ，８ｃのリード角θが大きいと、回転円柱７をその軸周りに回転させたときに、回転円柱７の軸と平行な空気の流れ成分Ｖは増大するものの、スパイラル条８ａ，８ｂ，８ｃに加わる空気抵抗が増大してしまい、回転円柱７を軸周りに回転させるための消費エネルギー、すなわち駆動モータ１８を駆動するための消費電力が増える。そのためスパイラル条８ａ，８ｂ，８ｃのリード角θを略４５度以下とすることが好ましい。

また、回転円柱７には、該回転円柱７の基端部の領域Ｄ_１と、該回転円柱７の中央部の領域Ｄ_２と、該回転円柱７の先端部の領域Ｄ_３との３つの領域が設けられており、スパイラル条８ａ，８ｂ，８ｃのリード角θは、それぞれの領域Ｄ内で、それぞれ一定のリード角θとして形成されていることで、マグナス型風力発電装置１の製造時に、回転円柱７の各領域Ｄ毎に異なる一定のリード角θのスパイラル条８ａ，８ｂ，８ｃを形成すればよく、スパイラル条ａ，８ｂ，８ｃを設けた回転円柱７の製造が容易になる。更に、回転円柱７を３つ以上の各領域Ｄに分けることで、回転円柱７の各領域Ｄ毎のリード角θを徐々に変化させたスパイラル条の態様とほぼ同じ効果を達成できる。

次に、実施例２に係るスパイラル条８ｃ’につき、図８を参照して説明する。尚、前記実施例に示される構成部分と同一構成部分に付いては同一符号を付して重複する説明を省略する。図８は、実施例２におけるスパイラル条８ｃ’を示す拡大断面図である。以下、図８に示すスパイラル条８ｃ’における紙面上方側を、スパイラル条８ｃ’の上端部側（先端部側）として説明する。

図８に示すように、実施例２におけるスパイラル条８ｃ’を回転円柱７の外周表面７’に設ける際には、先ず発泡ポリエチレン等の弾性を有する可撓性部材により形成された基部材２５を回転円柱７の外周表面７’に接着剤により固着する。この基部材２５は、その内部にポーラスを有する略スポンジ状（多孔質体）となっている。尚、本実施例では、基部材２５の材質に発泡ポリエチレンを用いているが、発泡ウレタン等の材質を用いてもよい。更に尚、本実施例の基部材２５は、少なくとも硬質な回転円柱７よりも弾性を有していればよい。

また、本実施例で用いるスパイラル条８ｃ’の基部材２５の圧縮応力（ひずみ２５％）は、略１４０ｋＰａ程度となっている。尚、スパイラル条８ｃ’の基部材２５の圧縮応力は、略２０ｋＰａ以上、略５００ｋＰａ以下の範囲内であればよい。更に尚、本実施例で言う圧縮応力とは、部材が圧縮荷重を受けて縮もうとする際に、これに対抗して部材内に生じる応力のことである。

更に、本実施例で用いるスパイラル条８ｃ’の基部材２５の見掛け密度は、略６５ｋｇ／ｍ^３となっている。尚、スパイラル条８ｃ’の基部材２５の見掛け密度は、略２５ｋｇ／ｍ^３以上、略２５０ｋｇ／ｍ^３以下の範囲内であればよい。

そして、スパイラル条８ｃ’の基部材２５と、回転円柱７の外周表面７’とを連続的に覆うように、伸縮性及び耐水性を有するアクリルウレタン樹脂塗料を塗り付け、スパイラル条８ｃ’及び回転円柱７の表面全体に表面材としての塗膜２６を形成する。更に、本実施例で用いる塗料の伸縮性（伸び率）は、略３２０％程度となっている。尚、本実施例で用いる塗料の伸縮性は、略１０％以上、略１０００％以下の範囲内であればよい。更に尚、本実施例では、塗膜２６の形成にアクリルウレタン樹脂塗料を用いているが、ビニール塗料やシリコン樹脂塗料やフッ素樹脂塗料等であってもよい。

図８に示すように、スパイラル条８ｃ’は、回転円柱７に比較的高速な空気流Ｎ’が当たった際に、その上端部がスパイラル条８ｃ’の下流側に向って傾くように撓むようになっている。尚、空気流N’によって撓んだスパイラル条８ｃ’は、基部材２５が有する弾性や、回転円柱７の回転による遠心力によって元の形状に復元されるようになっている。

このようにスパイラル条８ｃ’が高風速の空気流Ｎ’により撓みやすくなっていることで、スパイラル条８ｃ’に対して追い風となる回転円柱７の揚力発生側のスパイラル条８ｃ’に、高風速の空気流Ｎ’が当たることで回転円柱７が過度に回転して、駆動モータ１８に負荷が加わったり、スパイラル条８ｃ’に対して向い風となる回転円柱７の非揚力発生側のスパイラル条８ｃ’に、高風速の空気流Ｎ’が当たることで回転円柱７の回転に抵抗が加わったりする虞がなくなる。

また、回転円柱７の非揚力発生側のスパイラル条８ｃ’には、回転円柱７の揚力発生側と比較して相対的に高速な空気流N’が当たり撓みやすくなっている。このようにすることで、回転円柱７の非揚力発生側のスパイラル条８ｃ’に加わる空気抵抗を低減させつつ、非揚力発生側よりも撓み難い回転円柱７の揚力発生側のスパイラル条８ｃ’によって、回転円柱７の外周表面７’に空気流動Ｆを効果的に発生させることができる。

次に、実施例３に係るスパイラル条８ｃ’’につき、図９を参照して説明する。尚、前記実施例に示される構成部分と同一構成部分に付いては同一符号を付して重複する説明を省略する。図９は、実施例３におけるスパイラル条８ｃ’’を示す拡大断面図である。以下、図９に示すスパイラル条８ｃ’’における紙面上方側を、スパイラル条８ｃ’’の上端部側（先端部側）として説明する。

図９に示すように、実施例３におけるスパイラル条８ｃ’’を回転円柱７の先端部側の領域Ｄ_３に設ける際には、先ずポリカーボネート等の比較的硬質な合成樹脂の材質で形成された第１基部材２７を回転円柱７の外周表面７’に接着剤により取り付ける。そして、略スポンジ状をなす発泡ポリエチレン等の弾性を有する可撓性部材により形成された第２基部材２８を、第１基部材２７の凸端面に接着剤により固着する。

すなわち実施例３におけるスパイラル条８ｃ’’では、回転円柱７に接着される基端部側が硬質な第１基部材２７により形成され、スパイラル条８ｃ’’の上端部側が弾性を有する第２基部材２８により形成されている。

更に、スパイラル条８ｃの第１基部材２７及び第２基部材と、回転円柱７の外周表面７’とを連続的に覆うように、伸縮性及び耐水性を有するアクリルウレタン樹脂塗料を塗り付け、スパイラル条８ｃ及び回転円柱７の表面全体に塗膜２６（表面材）を形成する。

次に、実施例４に係るスパイラル条８ｃ’’’につき、図１０を参照して説明する。尚、前記実施例に示される構成部分と同一構成部分に付いては同一符号を付して重複する説明を省略する。図１０は、実施例４におけるスパイラル条８ｃ’’’を示す断面図である。

図１０に示すように、実施例４におけるスパイラル条８ｃ’’’は、断面視で略フィン形状を成している。すなわちスパイラル条８ｃ’’’の断面形状が、回転円柱７の軸周りの予め決められた回転方向の回転時に生じる空気抵抗を低減させる形状となっている。

尚、実施例４では、スパイラル条８ｃ’’’は、回転円柱７の全ての領域に渡ってポリカーボネート等の比較的硬質な合成樹脂の材質で形成されている。尚、スパイラル条８ｃ’’’は、耐候性及び耐久性を有する軽量合金等の材質で製作してもよい。

以上、本発明の実施例を図面により説明してきたが、具体的な構成はこれら実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における変更や追加があっても本発明に含まれる。

例えば、前記実施例１では、スパイラル条８ａ，８ｂ，８ｃのリード角θ_１，θ_２，θ_３が回転円柱７におけるそれぞれの領域Ｄ_１，Ｄ_２，Ｄ_３内で、それぞれ一定のリード角θ_１，θ_２，θ_３として形成されているが、本発明はこれに限定されるものではなく、回転円柱７の長手方向全体に渡って設けられたスパイラル条のリード角θが、回転円柱７の基端部側から先端部側に行くに従って次第に小さくなるように形成してもよい。

また、前記実施例１では、スパイラル条８ａ，８ｂ，８ｃのリード角θ_１，θ_２，θ_３が略４０〜４５度となっていたが、スパイラル条８ａ，８ｂ，８ｃのリード角θ_１，θ_２，θ_３は、略３０〜５５度の範囲内であってもよい。

また、前記実施例１では、スパイラル条８ａ，８ｂ，８ｃの突出長が、スパイラル条８ａ，８ｂ，８ｃの長手方向に沿って同一の突出長になるように形成されているが、スパイラル条８ａ，８ｂ，８ｃの突出長を、回転円柱７の回転体５に近い基端部側から回転円柱７の先端部側にゆくに従って順次大きくなるように形成してもよく、このようにすれば、周速度が速く多くの空気流が当たる回転円柱７の先端部側の領域Ｄ_３において、突出長の大きいスパイラル条８ｃによって、効率よく回転円柱の軸と平行な空気の流れ成分Ｖを含んだ空気流Ｆとすることができる。

また、前記実施例２では、回転円柱７の外周表面７’に基部材２５を接着した後に、塗料を塗り付けて表面材としての塗膜２６を形成するようにしているが、表面材は塗膜２６に限らず、例えば、回転円柱７の外周表面７’に基部材２５を接着した後に、該回転円柱７を、加熱されることで収縮する材質で形成された熱収縮チューブ内に挿設し、熱収縮チューブを加熱して収縮させることで、熱収縮チューブにより表面材を形成するようにしてもよい。

本発明のマグナス型風力発電装置によれば、大型風力発電から家庭用の小型風力発電に及んで活用できるようになり、風力発電業界に多大に貢献するようになる。更に、本発明のマグナス型の揚力発生メカニズムを、ロータ船、ロータビークル等に利用すれば、乗物における運動効率も向上すると考えられる。

マグナス揚力の説明図である。 実施例１におけるマグナス型風力発電装置を示す正面図である。 マグナス型風力発電装置を示す側面図である。 スパイラル条が設けられた回転円柱を示す正面図である。 図４における回転円柱を示すＡ−Ａ断面図である。 回転円柱に当たる空気流を示す説明図である。 実施例１のスパイラル条と従来のスパイラル条を用いた場合の風速と出力との関係を示すグラフである。 実施例２におけるスパイラル条を示す拡大断面図である。 実施例３におけるスパイラル条を示す拡大断面図である。 実施例４におけるスパイラル条を示す断面図である。

符号の説明

１ マグナス型風力発電装置
３ 発電機構部
５ 回転体（水平回転軸）
７ 回転円柱
７’ 外周表面
８ａ，８ｂ，８ｃ スパイラル条
８ｃ’’，８ｃ’ スパイラル条
８ｃ’’’ スパイラル条
１０ アウターシャフト（水平回転軸）
１５ 発電機
２４ 制御回路
２５ 基部材（可撓性部材）
２６ 塗膜（表面材）
２７ 第１基部材（可撓性部材）
２８ 第２基部材（可撓性部材）

Claims (4)

1. 発電機構部に回転トルクを伝達する水平回転軸と、該水平回転軸から略放射状に所要数配設された回転円柱とを備え、該各回転円柱がこれら回転円柱の軸周りに回転することで、該各回転円柱の回転と風力との相互作用で生じるマグナス揚力により前記水平回転軸を回転させて前記発電機構部を駆動するマグナス型風力発電装置であって、
   前記回転円柱の外周表面には、凸状に形成されたスパイラル条が設けられ、該スパイラル条により前記回転円柱の外周表面に、少なくとも該回転円柱の軸と平行な空気の流れ成分を発生させる構造を有し、
   前記スパイラル条のリード角が、前記回転円柱の前記水平回転軸に近い基端部側よりも前記回転円柱の先端部側の方が小さく形成されていることを特徴とするマグナス型風力発電装置。
2. 前記回転円柱の基端部側のスパイラル条の最大リード角を略４５度とし、前記回転円柱の先端部側に行くに従い、スパイラル条のリード角が略４５度よりも小さくなっていることを特徴とする請求項１に記載のマグナス型風力発電装置。
3. 前記回転円柱には、該回転円柱の基端部側の領域と、該回転円柱の先端部側の領域と、の少なくとも２つの領域が設けられており、前記スパイラル条のリード角は、それぞれの前記領域内で、それぞれ一定のリード角として形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のマグナス型風力発電装置。
4. 前記回転円柱には、該回転円柱の基端部の領域と、該回転円柱の中央部の領域と、該回転円柱の先端部の領域と、の少なくとも３つの領域が設けられていることを特徴とする請求項３に記載のマグナス型風力発電装置。

Images