WO2005075820A1

WO2005075820A1 - マグナス型風力発電装置

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Publication number: WO2005075820A1
Application number: PCT/JP2004/008321
Authority: WO
Inventors: Nobuhiro Murakami; Jun Ito
Original assignee: Mekaro Akita Co.,Ltd
Priority date: 2004-02-09
Filing date: 2004-06-14
Publication date: 2005-08-18
Also published as: EP1715181B1; AU2004315175B2; AU2004315175A1; JP3962755B2; EP1715181A4; CA2552297C; EP1715181A1; CN1846056B; KR100724045B1; US7504740B2; US20070046029A1; BRPI0418484A; JPWO2005075820A1; RU2006132397A; CN1846056A; KR20060035626A; RU2330988C2; HK1092515A1; CA2552297A1

Abstract

【課題】　低風速域から比較的高風速域にかけて効率よく発電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】　発電機構部２に回転トルクを伝達する水平回転軸３と、この水平回転軸３から放射状に配設された回転円柱５と、各々の回転円柱５をこれら回転円柱５の軸周りに回転駆動する駆動モータ１５とを備え、各々の回転円柱５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３を回転させて発電機構部２を駆動するマグナス型風力発電装置Ａであって、回転円柱５の外周表面に空気流動を発生させてマグナス揚力を増大させる空気流動手段６が設けられている。

Description

明細書

マグナス型風力発電装置

技術分野

[0001] 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前記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に関する。

背景技術

[0002] 効率型風力発電装置として、サボ二ウス風車を用いたものが実用化されているが、サボ二ウス風車の翼は風速以上に回転することができず、発電能力も小さレ、ことから、大電力発電には不向きであり、一方、比較的発電能力の高い実用的風力発電装置としてプロペラ型風車を用いたものがある力風車効率を比較的低風速域で高めることができないとレ、う問題がある。

[0003] これら方式の他には、水平回転軸に対して放射状に所要数配設した回転円柱にマグナス揚力を発生させ、水平回転軸を回転させて発電を行うマグナス型風力発電装置もすでに公知である（例えば、特許文献 1、 2参照）。

[0004] 特許文献 1：米国特許第 4366386号明細書

特許文献 2：ロシア連邦特許第 2189494C2号明細書

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0005] 特許文献 1に示すようなマグナス型風力発電装置は、回転円柱を回転させることでマグナス揚力を発生させ、水平回転軸を回転させて発電を行っているため、発電量を上げるためには、回転円柱の回転速度を上げてマグナス揚力を強める必要がある。し力、し、回転円柱を高速で回転させるためには、多くのエネルギーが消費されてしまい発電効率が悪くなる。

[0006] また、特許文献 2に記載のマグナス型風力発電装置は、風力により回転するサボ二ウスロータを用いて回転円柱を回転させているので、回転円柱の伝動機構を省略でき、かつ回転円柱を回転させるための駆動モータ等を設ける必要がなレ、が、サボユウスロータは風速以上に回転することができず、回転円柱の回転速度を上げることができないため、大きなマグナス揚力を発生できず、効率のよい発電には不向きとなる。

[0007] 本発明は、このような問題を一挙に解決し、低風速域から比較的高風速域にかけて効率よく発電できるマグナス型風力発電装置を提供するものである。

課題を解決するための手段

[0008] 上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、該水平回転軸から放射状に所要数配設された回転円柱と、該各回転円柱をこれら回転円柱の軸周りに回転駆動する駆動モータとを備え、前記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空気流動を発生させてマグナス揚力を増大させる空気流動手段が、所定位置に設けられていることを特徴としている。本発明は、自然風や回転円柱と伴に回転する回転円柱の表層の空気の動きとは別に、回転円柱の外周表面に空気流動を発生させることにより、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が増大するという発明者が見出した新しい原理に基づいており、発電機構部を駆動する水平回転軸の回転トルクを増大させ、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ることに成功した。

[0009] 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に記載のマダナス型風力発電装置であって、前記空気流動手段は、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手段であることを特徴としている。

この特徴によれば、自然風と、回転円柱と伴に回転する回転円柱の表層の空気の動きとで形成されるマグナス揚力に対して、更に回転円柱の軸と平行の空気流の成分を与えることにより、三次元的な空気流が形成され、実験で確認されるように、マグナス揚力、すなわち回転円柱に加わる力が増大する。ここで、空気流動手段で与えられる空気の流れは、全てが回転円柱と平行である必要はなぐ少なくとも回転円柱と平行なベクトル成分があれば十分効果がある。 [0010] 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、前記空気流動手段は、前記回転円柱の外周表面に該回転円柱の軸と平行、かつ前記水平回転軸から離れる方向に向けて空気の流れ成分を発生させる手段であることを特徴としている。

この特徴によれば、空気流動手段によって、回転円柱の外周表面に、水平回転軸力離れる方向に向けて空気の流れを発生させることで、回転円柱に生じるマグナス揚力が増大されるようになる。

[0011] 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 1または 2に記載のマグナス型風力発電装置であって、前記空気流動手段は、前記回転円柱の外周表面に該回転円柱の軸と平行、かつ前記水平回転軸に向けて空気の流れ成分を発生させる手段であることを特徴としてレ、る。

この特徴によれば、空気流動手段によって、回転円柱の外周表面に、水平回転軸に向けて空気の流れを発生させることで、回転円柱に生じるマグナス揚力が増大されるようになる。

[0012] 本発明の請求項 5に記載のマグナス型風力発電装置は、請求項 1ないし 4に記載のマグナス型風力発電装置であって、前記空気流動手段は、前記回転円柱の外周表面に形設されたフィン部材であることを特徴としている。

この特徴によれば、回転円柱の回転時に、回転円柱の周りの空気がフィン部材で流動されるようになり、回転円柱に生じるマグナス揚力を増大できる。

[0013] 本発明の請求項 6に記載のマグナス型風力発電装置は、請求項 5に記載のマダナス型風力発電装置であって、前記空気流動手段としてのフィン部材は、前記回転円柱の外周表面に形設されたスパイラル状の突条であることを特徴としている。

この特徴によれば、回転円柱の回転時に、スパイラル状の突条によって空気を均一かつ安定させて回転円柱の広い表面に流すことができ、マグナス揚力を増大できるとともに、風切り音が低減されるようになる。

[0014] 本発明の請求項 7に記載のマグナス型風力発電装置は、請求項 1ないし 7のいずれかに記載のマグナス型風力発電装置であって、前記回転円柱の先端に該回転円柱より大径のエンドキャップが設けられてレ、ることを特徴としてレ、る。この特徴によれば、前記空気流を与えた場合に、エンドキャップを取り付ける方が、マグナス効果が高まることが実験的に証明できており、また、実験によれば、エンドキヤップを設けた場合、水平回転軸方向に空気を流す本方式が、それと逆に放射方向に空気を流す方式に比較してマグナス効果が増大していることが分かる。

[0015] 本発明の請求項 8に記載のマグナス型風力発電装置は、請求項 6または 7に記載のマグナス型風力発電装置であって、前記突条は、多条スパイラルで構成されていることを特 ί敷としてレ、る。

この特徴によれば、多条スパイラルを設けることで、スパイラルの径を大きくしなくても、より多くの空気を滑らかに回転円柱の表面に流すことができ、マグナス効果が向上する。

[0016] 本発明の請求項 9に記載のマグナス型風力発電装置は、請求項 1ないし 8に記載のマグナス型風力発電装置であって、前記回転円柱の外周表面には、複数のデンプルが形成されてレ、ることを特徴としてレ、る。

この特徴によれば、回転円柱が軸周りに回転する際、複数のデンプノレが回転円柱の表層流 (境界層）を力べ乱し、剥離を抑えて循環を増し、回転円柱に生じるマグナス揚力を付カ卩的に増大させることができる。ここでデンプルとは表層流とかく乱させるための凹凸であればどのような形状でもよい。

[0017] 本発明の請求項 10に記載のマグナス型風力発電装置は、請求項 6に記載のマグナス型風力発電装置であって、前記突条の先端外表面にデンプル又は突起が形設されてレ、ることを特徴としてレ、る。

この特徴によれば、デンプル又は突起が突条の先端外表面の表層流 (境界層）を力べ乱し、剥離を抑えて循環を増し、マグナス揚力が付カ卩的に増える。

[0018] 本発明の請求項 11に記載のマグナス型風力発電装置は、請求項 1ないし 10のいずれかに記載のマグナス型風力発電装置であって、前記回転円柱は、水平回転軸に対し径方向に伸縮自在に支持されてレ、ることを特徴としてレ、る。

この特徴によれば、回転円柱が伸縮自在となっていることで、自然風の向きや風速に応じて回転円柱を伸縮させて発電できるようになり、通常時には、回転円柱を伸ばして受風面積を最大にして回転円柱の揚力を増大させることができ、かつ強風時には、回転円柱を縮めることで、受風面積を小さくでき、支台の倒壊や回転円柱の破損を防ぐことができる。

[0019] 本発明の請求項 12に記載のマグナス型風力発電装置は、請求項 1ないし 11のいずれかに記載のマグナス型風力発電装置であって、前記回転円柱の所要数よりも少ない数の前記駆動モータを用いて該各回転円柱を同時に回転駆動できるようになつていることを特徴としている。

この特徴によれば、駆動モータを駆動させるための電力を節約できるので、風力発電装置の発電効率を上げることができる。

図面の簡単な説明

[0020] [図 1]本発明の実施例 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。

[図 2]マグナス揚力の説明図である。

[図 3]図 1における回転円柱を示す A— A断面図である。

[図 4]突条が設けられた回転円柱を示す正面図である。

[図 5]実施例 2における複合体が設けられた回転円柱を示す正面図である。

[図 6]実施例 3における複合体における突条にデンプルが設けられた回転円柱を示す正面図である。

[図 7]実施例 4における凹条が設けられた回転円柱を示す正面図である。

[図 8]実施例 5における 2条の突条が設けられた回転円柱を示す正面図である。

[図 9]2条の突条が設けられた回転円柱を示す斜視図である。

[図 10]実施例 6における回転円柱を示す正面図である。

[図 11]実施例 7におけるエンドキャップを示す斜視図である。

[図 12]実施例 8におけるマグナス型風力発電装置を示す正面図である。

[図 13]実施例 9におけるマグナス型風力発電装置の回転体を示す縦断側面図である。

[図 14]図 13における回転体を示す B— B縦断背面図である。

符号の説明

[0021] A マグナス型風力発電装置

1 支台発電機構部水平回転軸

回転体

、 5b、 5c 回転円柱

d、 5e 回転円柱

f、 5g 回転円柱

、 6b、 6c、突条 (空気流動手段、フィン部材)e、 6f 突条 (空気流動手段、フィン部材）g フィン (空気流動手段）b、 7c デンプル

b、 8c 被覆材

b、 9c 複合体

0c 天面 (先端外表面）

5 駆動モータ

6、 16d エンドキャップ

6e、 16f エンドキャップ

6g エンドキャップ

7d 凹条 (空気流動手段）

9 内筒

0 外筒

1 支台

3 水平回転軸

4 回転体

5 回転円柱

6 突条 (空気流動手段、フィン部材)5 駆動モータ

9 内筒

外筒 41 回転体

42 水平回転軸

43 回転円柱

44 駆動モータ

45、 46 傘歯車

発明を実施するための最良の形態

[0022] 本発明の実施例を以下に説明する。

実施例 1

[0023] 本発明の実施例に係るマグナス型風力発電装置を図面に基づいて説明すると、先ず図 1は、本発明の実施例 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 2は、マグナス揚力の説明図であり、図 3は、図 1における回転円柱を示す A— A 断面図であり、図 4は、突条が設けられた回転円柱を示す正面図である。

[0024] 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 2に示すように、回転円柱 Cの正面側に当たった空気の流れは、図 2のような回転円柱 Cの回転方向と空気流の向きでは、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、空気の流れと直角をなす方向にマグナス揚力 Yが発生するようになっている。

0

[0025] 図 1の符号 Aは、本発明の適用されたマグナス型風力発電装置であり、このマダナス型風力発電装置 Aは、地面に立設された支台 1の上部に、鉛直モータ（図示略）を中心に水平方向に旋回自在に軸支される発電機構部 2が配置されており、この発電機構部 2は、垂直方向に回転自在に軸支された水平回転軸 3を有し、この水平回転軸 3の一端は、発電機構部 2の内部に配設された発電機（図示略）に連結されるとともに、水平回転軸 3の他端は回転体 4に固着される。

[0026] 図 1に示すように、回転体 4の内部には、 6つの駆動モータ 15が配置されるとともに、回転体 4の外周には、 6本の回転円柱 5が放射状に配置されており、各々の回転円柱 5の基部は、回転体 4内部に配設された各々の駆動モータ 15に連結され、各々の回転円柱 5が各々の駆動モータ 15の駆動によって回転できるように軸支される。また、回転円柱 5の先端面には、回転円柱 5の直径よりも大きな直径を有する円盤状のェンドキャップ 16が取り付けられている。

[0027] 回転円柱 5の軸外周面には、本実施例における空気流動手段としてのフィン部材、すなわちスパイラル状の突条 6がー体に卷き回して形設されており、この突条 6は合成樹脂等の材質、若しくは耐候性軽量合金等の材質などで製作することができ、この突条 6について説明すると、図 4に示すように、所要幅、所要高さの 1条の突条 6が、回転円柱 5の先端面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

[0028] 図 1に示すマグナス型風力発電装置 A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（図示略)が鉛直モータ（図示略)を駆動させて、回転体 4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 2を旋回させる。そして、回転体 4内部の各々の駆動モータ 15を駆動させることで、各々の回転円柱 5を回転させる。

[0029] 回転円柱 5の回転方向と突条 6の卷き方について詳述すると、図 1及び図 3に示すように、回転円柱 5の先端部方向から見たときに、回転円柱 5のスパイラル状の突条 6 の卷き方が右ネジ状の右螺旋状をなす場合、回転円柱 5の回転方向は左回りとなつている。突条 6のスパイラルの卷き方向が回転円柱 5の回転方向に対して逆向きとなつているため、回転円柱 5の外周表面を流れる空気を水平回転軸 3側に向けて流すこと力 Sできる。尚、突条 6のスパイラルの卷き方向が回転円柱 5の回転方向と同じ向きになっている場合には、回転円柱 5の外周表面を流れる空気を水平回転軸 3から離れる方向（放射方向）に向けて流すことができる。

[0030] 図 4に示すように、スパイラル状の突条 6が回転円柱 5に施されることにより、回転円柱 5の回転時に、スパイラル状の突条 6によって、空気の流れ Fが発生する。この際、回転円柱 5の外周表面に、自然風ゃ回転円柱 5と伴に回転する回転円柱 5の表層の空気の動きとは別に、回転円柱 5の軸と平行な空気の流れ成分 Vを発生させることができる。

[0031] 図 3及び図 4に示すように、回転円柱 5の外周の空気流、すなわち回転円柱 5の外周表面に空気流動 Fを発生させることで、自然風と、回転円柱 5と伴に回転する回転円柱 5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。

[0032] 後述する実験で確認されるように、各々の回転円柱 5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（図 3参照）。ここで言う空気流動手段で与えられる空気の流れ Fは、全てが回転円柱 5と平行である必要はなぐ少なくとも回転円柱 5 と平行なベクトル成分 Vがあれば十分効果がある。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 5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レ、ると考えられる。

[0033] また、エンドキャップ 16を利用すると、マグナス効果が向上する点も実験的に証明されている。すなわちエンドキャップ 16が回転円柱 5の先端面に設けられることによつて、このエンドキャップ 16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。また、後述するように、実験によればエンドキャップ 16を設けた場合、水平回転軸方向に空気を流す本方式が、それと逆に放射方向に空気を流す方式に比較してマグナス効果が増大してレ、ることが分力る。

[0034] 図 1に示すように、各々の回転円柱 5に発生したマグナス揚力 Yによって、回転円柱 5及び回転体 4は、水平回転軸 3を中心として回転されるようになり、水平回転軸 3 の一端に連結された発電機（図示略)が駆動されて発電を行うことができるようになつている。そして、スパイラル状の突条 6が回転円柱 5に設けられることによって、発電機（図示略）を駆動する水平回転軸 3のトノレク値（回転トルク）が増大されるようになり、マグナス型風力発電装置 Aの発電効率を上げることができるようになつている。発電機（図示略）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 5 を回転させるための駆動モータ 15に供給させ、補助電力として利用できる。

[0035] 次に、本実施例に用いられる回転円柱 5を風洞実験室内にて実証実験を行った。

本実施例におけるマグナス型風力発電装置 Aの回転円柱 5と、他の発明における回転円柱及び理想流体における周速比 Θと揚力係数 Cyに関して表 1を用いて説明すると、表 1は、周速比 Θと揚力係数 Cyとの関係を示すグラフであり、回転円柱の直径（ m)を dとし、回転円柱の毎秒の回転数 (r/s)を nとし、風速（mZs)を uとすると、回転円柱の周速比 Θは、 θ = π dnZuで表され、揚力係数 Cyは、揚力 Yを単位体積あたりの風の運動エネルギー（1/2) p u²と、回転円柱の投影面積 dl (lは回転円柱の長さ）との積で割った値であり、理想流体では Cy= 2 Θで表される。周速比 Θは、直径 d、回転数 n、風速 uの違いによってできるだけ実験結果が変化しなようにするためのものであり、揚力係数 Cyも実験結果ができるだけ風速 uや回転円柱の寸法 d、 1や流体の密度 pによって変わらないようにするために用いられるものである。

[表 1]

0 0. 5 1 1. 5 2 周速比 Θ

[0037] 表 1に示すように、グラフ（ィ）は、本発明のマグナス型風力発電装置 Aの回転円柱

5の周速比 Θと揚力係数 Cyとの関係を示すグラフであり、グラフ（口）は、 ITAM (ロシァ）のマグナス型風力発電装置の回転円柱の周速比 Θと揚力係数 Cyとの関係を示すグラフであり、グラフ（ハ）は、プロペラ風車型の風力発電装置に採用されることの多い NACA4415の翼（迎角 12度のプロペラ翼）に係る周速比 Θ (回転円柱の周速比 Θに対応する換算値)と揚力係数 Cyとの関係を示すグラフである。

[0038] ITAMの回転円柱のグラフ（口）及び NACA4415の翼のグラフ（ハ）と、本発明の回転円柱 5のグラフ（ィ）を比較した場合、本発明の回転円柱 5のグラフ (ィ）は、理想流体 (摩擦や剥離を考慮する必要がない、理想的に流動する損失の生じない流体）のグラフに近い曲線を描くようになつている。

[0039] 特に、本発明の回転円柱 5のグラフ（ィ）と、 ITAMの回転円柱のグラフ（口）とを比ベてみると、周速比 Θが低い状態（Θ = 1. 5以下）において、本発明の回転円柱 5のグラフ（ィ）の揚力係数 Cyの方力 ITAMの回転円柱のグラフ（口）の揚力係数 Cyの方よりも高くなつている。

[0040] このことは、回転円柱の回転数 nが比較的低い状態において、本発明のマグナス型風力発電装置 Aの回転円柱 5が、最も効率よくマグナス揚力 Yを発生させることが可能であることを示しており、本発明のマグナス型風力発電装置 Aは、回転円柱 5が低い回転数 nであっても高いマグナス揚力 Yで水平回転軸 3を回転させることができるので、回転円柱 5を回転駆動させるための駆動モータ 15の消費電力を節約でき、効率よく発電できるようになってレ、る。

[0041] 次に、本実施例におけるマグナス型風力発電装置 Aのエンドキャップ 16と、発電機構部 2における水平回転軸 3のトルク値 N (回転トルク）と、周速比 Θに関して表 2及び表 3を用いて説明する。以下、本実施例において回転円柱 5の外周表面を流れる空気を水平回転軸 3に向けて流す回転円柱 5の回転方向を正回転と称し、回転円柱 5 の外周表面を流れる空気を水平回転軸 3から離れる方向に向けて流す回転円柱 5の回転方向を逆回転と称する。

[0042] 表 2は、直径が 70 Φの回転円柱 5を正回転させたときの周速比 Θとトノレク値 Nの関係を示すグラフであり、グラフ（a)は、スパイラル状の突条 6やエンドキャップ 16が設けられていない回転円柱 5の周速比 Θとトルク値 Nの関係を示すグラフであり、グラフ (b)は、スパイラル状の突条 6が設けられた回転円柱 5の周速比 Θとトルク値 Nの関係を示すグラフであり、グラフ）は、スパイラル状の突条 6が設けられた回転円柱 5 に直径が 140 Φのエンドキャップ 16を取り付けたときの周速比 Θとトルク値 Nの関係を示すグラフであり、グラフ（d)は、スパイラル状の突条 6が設けられた回転円柱 5に直径が 200 Φのエンドキャップ 16を取り付けたときの周速比 Θとトルク値 Nの関係を示すグラフである。

[0043] [表 2] Cd) 突条有リ正回転

エンドキャップ (2000 )有り

(c) 突条有リ正回転

エンドキャップ (1400 )有り

Cb) 突条有リ正回転

エンドキャップ無し

(a) 突条無し

エンドキャップ無し

0. 00 0. 20 0. 40 0. 60 0. 80 1. 00 1 . 20

周速比 Θ

[0044] スパイラル状の突条 6が設けられていない回転円柱 5のグラフ（a)と、スパイラル状の突条 6が設けられた回転円柱 5の正回転のグラフ（b)を比較すると、突条 6によって回転円柱 5に生じるマグナス揚力 Yが増大されるため、突条 6が設けられた回転円柱 5のグラフ（b)のトルク値 Nの方が、突条 6が設けられていない回転円柱 5のグラフ（a) のトルク値 Nよりも高くなつている。

[0045] また、スパイラル状の突条 6が設けられた回転円柱 5の正回転のグラフ（b)及びダラフ（c)において、エンドキャップ 16が設けられていない回転円柱 5のグラフ（b)と、回転円柱 5に直径が 140 Φのエンドキャップ 16を取り付けたときのグラフ（c)を比較すると、エンドキャップ 16には、回転円柱 5におけるエンドキャップ 16近傍に発生するマグナス効果によるトルク値 Nの向上が見られ、エンドキャップ 16が設けられることによつて、回転円柱 5の先端面近傍に大きなマグナス揚力 Yが発生している。すなわちェンドキャップ 16が設けられた回転円柱 5のグラフ（c)のトルク値 Nの方力エンドキヤップ 16が設けられていない回転円柱 5のグラフ（b)のトノレク値 Nよりも高くなるようになつている。

[0046] 正回転時において、回転円柱 5に直径が 140 Φのエンドキャップ 16を取り付けたときのグラフ（c)と、回転円柱 5に直径が 200 Φのエンドキャップ 16を取り付けたときのグラフ（d)を比較すると、直径の大きいエンドキャップ 16を取り付けた回転円柱 5のグラフ（d)のトルク値 Nの方が、直径の小さいエンドキャップ 16を取り付けた回転円柱 5 のグラフ（c)のトルク値 Nよりも高くなるようになつている。この表 2に示すように、突条 6 が設けられた回転円柱 5にエンドキャップ 16を取り付けることによって、より大きなマグナス揚力 Yが発生することが分かる。

[0047] 表 3は、回転円柱 5を逆回転させたときの周速比 Θとトノレク値 Nの関係を示すグラフであり、グラフ（a)は、スパイラル状の突条 6やエンドキャップ 16が設けられていない回転円柱 5の周速比 Θとトルク値 Nの関係を示すグラフであり、グラフ）は、スパイラル状の突条 6が設けられた回転円柱 5の周速比 Θとトルク値 Nの関係を示すグラフであり、グラフ（f)は、スパイラル状の突条 6が設けられた回転円柱 5に直径が 140 Φのエンドキャップ 16を取り付けたときの周速比 Θとトルク値 Nの関係を示すグラフであり、グラフ（g)は、スパイラル状の突条 6が設けられた回転円柱 5に直径が 200 Φのェンドキャップ 16を取り付けたときの周速比 Θとトルク値 Nの関係を示すグラフである。

[0048] [表 3]

0. 00 0. 20 0. 40 0. 60 0. 80 1. 00 1 . 20

周速比 Θ

[0049] スパイラル状の突条 6が設けられていない回転円柱 5のグラフ（a)と、スパイラル状の突条 6が設けられた回転円柱 5の逆回転のグラフ（e)を比較すると、突条 6によって回転円柱 5に生じるマグナス揚力 Yが増大されるため、突条 6が設けられた回転円柱 5のグラフ（e)のトルク値 Nの方が、突条 6が設けられていない回転円柱 5のグラフ（a) のトルク値 Nよりも高くなつている。

[0050] また、スパイラル状の突条 6が設けられた回転円柱 5の逆回転のグラフ（e)及びダラフ（f)において、エンドキャップ 16が設けられていない回転円柱 5のグラフ（e)と、回転円柱 5に直径が 140 Φのエンドキャップ 16を取り付けたときのグラフ（f)を比較すると、エンドキャップ 16には、回転円柱 5におけるエンドキャップ 16近傍に発生するマグナス効果によるトルク値 Nの向上が見られ、エンドキャップ 16が設けられることによつて、回転円柱 5の先端面近傍に大きなマグナス揚力 Yが発生している。すなわちェンドキャップ 16が設けられた回転円柱 5のグラフ（f)のトノレク値 Nの方力エンドキヤップ 16が設けられていない回転円柱 5のグラフ（e)のトルク値 Nよりも高くなるようになつている。

[0051] 逆回転時において、回転円柱 5に直径が 140 Φのエンドキャップ 16を取り付けたときのグラフ（f)と、回転円柱 5に直径が 200 Φのエンドキャップ 16を取り付けたときのグラフ（g)を比較すると、直径の大きいエンドキャップ 16を取り付けた回転円柱 5のグラフ（g)のトルク値 Nの方が、直径の小さいエンドキャップ 16を取り付けた回転円柱 5 のグラフ（f)のトノレク値 Nよりも高くなるようになつている。この表 3に示すように、突条 6 が設けられた回転円柱 5にエンドキャップ 16を取り付けることによって、より大きなマグナス揚力 Yが発生することが分かる。

[0052] また、表 2及び表 3に示すように、突条 6などの空気流動手段を設けた回転円柱 5のグラフ（b— g)方が、空気流動手段を設けてない回転円柱 5のグラフ（a)よりもトノレク値 Nが増大されることが分かり、この実験結果から自然風ゃ回転円柱 5と伴に回転する回転円柱 5の表層の空気の動きとは別に、回転円柱 5の外周表面に空気流動を発生させることにより、各回転円柱 5の回転と風力との相互作用で生じるマグナス揚力 Yが増大するという新しい原理を見出すことができ、本実施例におけるマグナス型風力発電装置 Aにおレ、て、発電機構部 2を駆動する水平回転軸 3のトルク値 Nを増大させ、マグナス型風力発電装置 A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ることに成功した。また、空気流を与えた場合に、エンドキャップ 16を取り付ける方が、マグナス効果が高まることが実験的にも証明されたことになる。

[0053] 更に、表 2と表 3とを比較した場合、回転円柱 5を正回転させたグラフ（b— d)と、回転円柱 5を逆回転させたグラフ（e— g)を比較すると、回転円柱 5の外周表面を流れる空気を水平回転軸 3に向けて流すように回転円柱 5を正回転させる方が、トルク値 N が増大されており、この実験結果によれば、エンドキャップ 16を設けた場合、水平回転軸 3の方向に空気を流す方式が、それと逆に水平回転軸 3から離れる方向（放射方向）に空気を流す方式と比較してマグナス効果が増大してレ、ることが分かる。

[0054] 次に、本実施例におけるマグナス型風力発電装置 Aの突条 6と、発電機構部 2における水平回転軸 3のトノレク値 N (回転トルク）と、風速 uに関して表 4を用いて説明する。表 4は、回転円柱 5を回転数 1080 [miiT¹]で回転させたときの風速 uとトルク値 Nの関係を示すグラフであり、グラフ (h)は、スパイラル状の突条 6が設けられていない回転円柱 5の風速 uとトルク値 Nの関係を示すグラフであり、グラフ（i)は、スパイラル状の突条 6が設けられた回転円柱 5の風速 uとトルク値 Nの関係を示すグラフである。

[0055] [表 4]

風 is u [m/ s ]

[0056] すなわち、回転円柱 5に沿って空気流動を付加する手段としての突条 6が設けられていない回転円柱 5のグラフ（h)と、突条 6が設けられた回転円柱 5のグラフ（i)を比較すると、突条 6が設けられていない回転円柱 5のグラフ（h)のトルク値 Nは、風速 u に係らずほぼ一定であるのに対し、突条 6が設けられた回転円柱 5のグラフ（i)のトノレク値 Nは、風速 uが高速になるに伴って増大されるようになっており、風力が効率よくマグナス揚力 Yに換えられてレ、ることが分かる。

[0057] このことは、自然風における風速が低速の通常時から風速が高速の強風時に渡つて、本発明のマグナス型風力発電装置 Aの回転円柱 5が、最も効率よくマグナス揚力 Yを発生させることが可能であることを示しており、そのため水平回転軸 3の回転効率を向上させることができ、エネルギー損失の少なレ、マグナス型風力発電装置 Aの製作が可能となっているとともに、自然風における低速域から高速域に渡って発電できることを示してレ、る。

[0058] また表 4に示すように、突条 6が設けられていない回転円柱 5のグラフ（h)において、風速 uが 20mになったときに、逆マグナス効果が発生してトルク値 Nがマイナスを示すようになっているが、グラフ（i)に示す突条 6が設けられた回転円柱 5では逆マダナス効果の影響を受け難ぐトルク値 Nが増大されることを示している。

[0059] 次に、本実施例におけるマグナス型風力発電装置 Aを屋外にて実証実験を行い、その実験結果を用いて、本実施例におけるマグナス型風力発電装置 Aと、プロペラ型風力発電装置との風速と発電された発電出力 Wに関して表 5を用いて説明する。表 5は、風車の直径が 2mの本実施例におけるマグナス型風力発電装置 Aと、プロべラ型風力発電装置の風速と発電出力 Wの関係を示すグラフであり、グラフ①は、従来型のプロペラ型風力発電装置の風速と発電出力 Wを示すグラフであり、グラフ（k) は、本実施例におけるマグナス型風力発電装置 Aの風速と発電出力 Wを示すグラフであり、グラフ（1)は、年間平均風速を 6mとしたときの風速のレイリー分布を示すダラフである（観測地:秋田県)。

[0060] [表 5]

風速 [ m/ s ]

[0061] 年間平均風速のレイリー分布のグラフ（1)における風速相対度数（％)の最も高い風速 5m付近において、従来型のプロペラ型風力発電装置のグラフ (j)の発電出力 Wと、本実施例におけるマグナス型風力発電装置 Aのグラフ（k)の発電出力 Wを比較すると、マグナス型風力発電装置 Aのグラフ（k)の発電出力 Wの方が、プロペラ型風力発電装置のグラフ (j)の発電出力 Wよりも高くなつている。

[0062] このことは、年間を通じて平均して発生することが最も多い風速が低速域（5m以下 )の自然風において、本実施例におけるマグナス型風力発電装置 A力プロペラ型風力発電装置よりも高い効率で発電できること示しており、本実施例のマグナス型風力発電装置 Aを用いれば、従来のプロペラ型風力発電装置に比べて、より多くの年間発電量を確保できるようになつている。

実施例 2

[0063] 次に、実施例 2に係る回転円柱 5bの空気流動手段について、図 5を参照して説明する。尚、前述した構成と同一構成で重複する説明を省略する。

[0064] 図 5は、実施例 2における複合体 9bが設けられた回転円柱 5bを示す正面図であり、合成樹脂製や耐候性軽量合金製などで構成された被覆材 8bの表面に、多数のデンプル 7bが凹凸設され、この被覆材 8bの表面に所要リードで一体に卷き回される本実施例における空気流動手段としてのフィン部材、すなわちスパイラル状の突条 6bとの組み合わせによる複合体 9bが、回転円柱 5bの軸外周面に一体に被覆されている

[0065] 図 5に示すように、デンプル 7bが回転円柱 5bの表面に設けられることで、回転円柱 5bの表面積が増えるとともに、複数のデンプル 7bで表層流 (境界層）がかく乱されるようになり、空気の流れをスパイラル状の突条 6bによって滑らかに回転円柱 5bの表面に流すことができ、回転円柱 5bの外周表面に発生する空気流動 Fの空気の流れ成分 Vを発生させることで剥離を抑えて循環が増し、回転円柱 5bに生じるマグナス揚力 Yが増大されるようになってレ、る。

[0066] 尚、被覆材 8bを用いることなく回転円柱 5bの表面に直接、多数のデンプル 7bを凹凸設して、デンプル 7bが凹凸設された回転円柱 5bの表面に突条 6bを卷き回すものであってもよい。また、ここで言うデンプノレ 5bとは表層流をかく乱させるための凹凸であればどのような形状であってもよい。

実施例 3

[0067] 次に、実施例 3に係る回転円柱 5cの空気流動手段について、図 6を参照して説明する。尚、前述した構成と同一構成で重複する説明を省略する。

[0068] 図 6は、実施例 3における複合体 9cにおける突条 6cにデンプル 7cが設けられた回転円柱 5cを示す正面図であり、多数のデンプル 7cが凹凸設された被覆材 8cと、この被覆材 8cの表面に設けられた本実施例における空気流動手段としてのフィン部材、すなわちスパイラル状の突条 6cと、スパイラル状の突条 6cの本実施例における先端外表面としての天面 10cに凹凸設された多数のデンプル 7cの組み合わせによる複合体 9cが、回転円柱 5cの軸外周面に一体に被覆されている。

[0069] 図 6に示すように、被覆材 8cに凹凸設された多数のデンプル 7cの他に、スパイラル状の突条 6cの天面 10cに、多数のデンプル 7cが形成されることによって、かつ複数のデンプル 7cで表層流 (境界層）力 Sかく乱されるため、回転円柱 5cに生じるマグナス揚力 Yが増えるようになっている。また、突条 6cによって、空気を滑らかに回転円柱 5 cの表面に流すことができ、回転円柱 5cの外周表面に発生する空気流動 Fの空気の流れ成分 Vを発生させることができる。

[0070] 尚、この複合体 9cの突条 6cにおける先端外表面としての天面 10cには、デンプル 7cの他に、半球形状の突起を突設することもでき、デンプノレ 7cまたは突起が突条 6c の先端外表面の表層流を力べ乱するとともに、剥離を抑えて循環を増大させ、回転円柱 5cに生じるマグナス揚力 Yが付加的に増大されるようになる。

実施例 4

[0071] 次に、実施例 4に係る回転円柱 5dの空気流動手段について、図 7を参照して説明する。尚、前述した構成と同一構成で重複する説明を省略する。

[0072] 図 7は、実施例 4における凹条 17dが設けられた回転円柱 5dを示す正面図であり、回転円柱 5dの軸外周面には、本実施例における空気流動手段としてのスパイラノレ状の凹条 17dが凹設されており、この凹条 17dは、回転円柱 5dの先端面から見たときに右ネジ状の右螺旋状をなすように形成されるとともに、回転円柱 5dの先端面には、エンドキャップ 16dが取り付けられている。

[0073] また、回転円柱 5dの回転させる場合には、回転円柱 5dの先端部方向から見たときに、回転円柱 5dの凹条 17dが右ネジ状の右螺旋状をなす場合、回転円柱 5dの回転方向は左回りとなっており、凹条 17dのスパイラル卷き方向は回転円柱 5dの回転方向に対して逆向きとなっている。

[0074] そのため回転円柱 5dの外周表面を流れる空気を水平回転軸側に向けて流すことができるので、回転円柱 5dの外周表面に空気流動 Fを発生させることができ、回転円柱 5dの軸と平行な空気の流れ成分 Vを発生させ、回転円柱 5dに生じるマグナス揚力 Yが増大されるようになっており、かつ回転円柱 5dの先端面に設けられたエンドキャップ 16dによって、エンドキャップ 16d近傍の空気の流れに影響を与えるようにし、回転円柱 5dのエンドキャップ 16d近傍に大きなマグナス揚力 Yが発生させるようになっている。

実施例 5

[0075] 次に、実施例 5に係る回転円柱 5eの空気流動手段について、図 8及び図 9を参照して説明する。尚、前述した構成と同一構成で重複する説明を省略する。

[0076] 図 8は、実施例 5における 2条の突条 6eが設けられた回転円柱 5eを示す正面図であり、図 9は、 2条の突条 6eが設けられた回転円柱 5eを示す斜視図であり、本実施例における空気流動手段としてのフィン部材、すなわち 2条のスパイラル状の突条 6eが、回転円柱 5eの軸外周面に取り付けられており、この二重螺旋をなす突条 6eは、回転円柱 5eの先端面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るとともに、回転円柱 5eの先端面には、エンドキャップ 16eが取り付けられている。

[0077] 尚、回転円柱 5eに設けられる突条 6eは 2条のスパイラルに限ることなぐ 3条ゃ 4条、若しくはそれ以上の多条スパイラルで構成されてもよぐ多数の突条 6eを設けることでスパイラルの径を大きくしなくても、より多くの空気を突条 6eで滑らかに回転円柱 5e の表面に流すことができるので、回転円柱 5eの外周表面に空気流動 Fを発生させることができ、回転円柱 5eの軸と平行な空気の流れ成分 Vが発生して、回転円柱 5eに生じるマグナス効果が向上し、マグナス揚力 Yが増大されるようになっている。

実施例 6

[0078] 次に、実施例 6に係る回転円柱 5fの空気流動手段について、図 10を参照して説明する。尚、前述した構成と同一構成で重複する説明を省略する。

[0079] 図 10は、実施例 6における回転円柱 5fを示す正面図であり、回転円柱 5fの先端部には、エンドキャップ 16fが取り付けられており、回転円柱 5fの先端部近傍の軸外周面には、本実施例における空気流動手段としてのフィン部材、すなわち 2つの突条 6f が取り付けられている。回転円柱 5fの先端部にエンドキャップ 16fが設けられるとともに、突条 6fが回転円柱 5fの先端部近傍に設けられることによって、回転円柱 5fの先端部近傍に生じるマグナス揚力 Yを増大することができるようになつている。

実施例 7

[0080] 次に、実施例 7に係る回転円柱 5gの空気流動手段について、図 11を参照して説明する。尚、前述した構成と同一構成で重複する説明を省略する。

[0081] 図 11は、実施例 7におけるエンドキャップ 16gを示す斜視図であり、回転円柱 5gの先端面には円盤状のエンドキャップ 16gが取り付けられており、このエンドキャップ 16 gの回転円柱 5gを向く内面には、本実施例における空気流動手段としての複数のフイン 6gが設けられている。このフィン 6gは外方に向かって放射状に広がるように取り付けられているとともに、回転円柱 5g近傍の空気を流動させるために湾曲して形成されている。

[0082] 図 11に示す回転円柱 5gを正回転させると、エンドキャップ 16g近傍の空気は、ェンドキャップ 16gに設けられたフィン 6gによって回転円柱 5g側に引き込まれるように流動されるので、回転円柱 5g表面に空気流動が発生し、回転円柱 5gに生じるマグナス揚力 Yを増大させることができる。また、回転円柱 5gを逆回転したときは、エンドキヤップ 16g近傍の空気が外方に放出されるように流動されるので、回転円柱 5g表面に空気流動が発生し、回転円柱 5gに生じるマグナス揚力 Yを増大させることができる。実施例 8

[0083] 次に、実施例 8に係るマグナス型風力発電装置 Aについて、図 12を参照して説明する。尚、前述した構成と同一構成で重複する説明を省略する。

[0084] 図 12は、実施例 8におけるマグナス型風力発電装置 Aを示す正面図であり、マグナス型風力発電装置 Aの回転円柱 25は、回転体 24に対して固着された内筒 39と、この内筒 39の外周に摺動自在に取り付けられた外筒 40で構成されており、外筒 40 は制御回路（図示略）の制御に応じて駆動される伸縮モータ（図示略）によって、水平回転軸 23に対して径方向にスライドされるようになってレ、る。

[0085] 外筒 40の軸外周面には、図 4に示した実施例 1における空気流動手段としてのフィン部材、すなわち突条 26が固着されるとともに、回転体 24に固定された内筒 39の軸外周面には、図 5に示した実施例 2における多数のデンプノレ 7bが凹凸設される。尚、図 6から図 11に示したその他の実施例 3— 7における空気流動手段を、内筒 19または外筒 20に設けることもできるようになつている。

[0086] 図 12に示すように、回転円柱 25が伸縮自在となっていることで、自然風の向きや風速に応じて回転円柱 25を伸縮させることができるようになつており、風速が低速の通常時においては、回転円柱 25の外筒 40を外方にスライドさせ、回転円柱 25を伸ばすことで回転円柱 25の受風面積を最大にすることができ、回転円柱 25に生じるマグナス揚力 Yを増大させることができるので、マグナス型風力発電装置 Aが効率よく発電できるようになつている。

[0087] また、風速が高速となる強風時には、回転円柱 25の外筒 40を内方にスライドさせ、回転円柱 25を縮めることで、回転円柱 25の受風面積を小さくでき、支台 21の倒壊や回転円柱 25の破損を防ぐことができるようになっている。更に強風時には、回転円柱 25を回転させる駆動モータ 35の駆動を停止させることで、回転円柱 25に生じるマグナス揚力 Yが無くなり、回転体 24の回転を停止できるようになつており、マグナス型風力発電装置 Aの破壊が防止されるようになっている。特に本実施例においては、突条 26を備えた外筒 40が回転円柱 25の先端側に存在するため、トルクを最大限獲得できることになる。

実施例 9

[0088] 次に、実施例 9に係るマグナス型風力発電装置について、図 13及び図 14を参照して説明する。尚、前述した構成と同一構成で重複する説明を省略する。

[0089] 図 13は、実施例 9におけるマグナス型風力発電装置の回転体 41を示す縦断側面図であり、図 14は、図 13における回転体 41を示す B— B縦断背面図である。図 13に示すように、発電機構部に連結された水平回転軸 42の正面側の回転体 41の外周には、 6本の回転円柱 43が配置されており、回転体 41の内部には、回転円柱 43を回転させるための 1個の駆動モータ 44が配置されている。

[0090] 駆動モータ 44は大径の傘歯車 45に連結されており、図 14に示すように、この傘歯車 45は回転体 41の中心に配置されているとともに、 6本の回転円柱 43に設けられた小径の傘歯車 46に連結されるようになっている。駆動モータ 44を駆動させると、 6本の回転円柱 43を回転させることができ、回転円柱 43の本数よりも少ない個数の駆動モータ 44を用いて各回転円柱 43を回転させることができるため、駆動モータ 44を駆動させるための電力を節約できるようになり、マグナス型風力発電装置の発電効率を上げることができるようになつている。

[0091] 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ぐ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つても本発明に含まれる。

[0092] 例えば、上記実施例では、回転円柱に施される空気流動手段として、スパイラル状の突条が設けられているが、本発明はこれに限定されるものではなぐ回転円柱の表面に揚力を発生させる面が形成されていれば、どのような方法で空気流動を与えてもよいことは明らかである。 [0093] 更に、上記実施例では、円盤状のエンドキャップ力回転円柱の先端面に設けられているが、本発明はこれに限定されるものではなぐ正圧側と負圧側の圧力差を維持する働きをすれば、どのような形状でもよい。

[0094] 尚、上記実施例では、 6本の回転円柱が回転体に設けられていた力 S、本発明はこれに限定されるものではなぐ 2本や 3本、若しくはそれ以上の所要本数の回転円柱を設けてもよい。

産業上の利用可能性

[0095] 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。

Claims

請求の範囲

[1] 発電機構部に回転トルクを伝達する水平回転軸と、該水平回転軸から放射状に所要数配設された回転円柱と、該各回転円柱をこれら回転円柱の軸周りに回転駆動する駆動モータとを備え、前記各回転円柱の回転と風力との相互作用で生じるマダナス揚力により前記水平回転軸を回転させて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空気流動を発生させてマグナス揚力を増大させる空気流動手段が、所定位置に設けられていることを特徴とするマグナス型風力発電装置。

[2] 前記空気流動手段は、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手段である請求項 1に記載のマグナス型風力発電装置。

[3] 前記空気流動手段は、前記回転円柱の外周表面に該回転円柱の軸と平行、かつ前記水平回転軸から離れる方向に向けて空気の流れ成分を発生させる手段である請求項 1または 2に記載のマグナス型風力発電装置。

[4] 前記空気流動手段は、前記回転円柱の外周表面に該回転円柱の軸と平行、かつ前記水平回転軸に向けて空気の流れ成分を発生させる手段である請求項 1または 2 に記載のマグナス型風力発電装置。

[5] 前記空気流動手段は、前記回転円柱の外周表面に形設されたフィン部材である請求項 1ないし 4に記載のマグナス型風力発電装置。

[6] 前記空気流動手段としてのフィン部材は、前記回転円柱の外周表面に形設されたスパイラル状の突条である請求項 5に記載のマグナス型風力発電装置。

[7] 前記回転円柱の先端に該回転円柱より大径のエンドキャップが設けられている請求項 1なレ、し 7のレ、ずれかに記載のマグナス型風力発電装置。

[8] 前記突条は、多条スパイラルで構成されている請求項 6または 7に記載のマグナス型風力発電装置。

[9] 前記回転円柱の外周表面には、複数のデンプルが形成されている請求項 1ないし

8に記載のマグナス型風力発電装置。

[10] 前記突条の先端外表面にデンプル又は突起が形設されている請求項 6に記載のマグナス型風力発電装置。

[11] 前記回転円柱は、水平回転軸に対し径方向に伸縮自在に支持されている請求項 1 なレ、し 10のレ、ずれかに記載のマグナス型風力発電装置。

[12] 前記回転円柱の所要数よりも少ない数の前記駆動モータを用いて該各回転円柱を同時に回転駆動できるようになつている請求項 1ないし 11のいずれかに記載のマグナス型風力発電装置。