JP3962755B2 - マグナス型風力発電装置 - Google Patents

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に関する。

効率型風力発電装置として、サボニウス風車を用いたものが実用化されているが、サボニウス風車の翼は風速以上に回転することができず、発電能力も小さいことから、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が、風車効率を比較的低風速域で高めることができないという問題がある。

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）。

米国特許第４３６６３８６号明細書 ロシア連邦特許第２１８９４９４Ｃ２号明細書

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。しかし、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。

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ニ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いが、サボニ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。

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。

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おり、該空気流動手段は、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。
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。
尚、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く、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。

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、水平回転軸から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。

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。

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ないし３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。

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。

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１ないし５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いることを特徴としている。
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、エンドキャップを設けた場合、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。

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５または６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徴としている。
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。

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、
前記回転円柱の外周表面には、複数のデンプルが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、回転円柱が軸周りに回転する際、複数のデンプルが回転円柱の表層流（境界層）をかく乱し、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加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。

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５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いることを特徴としている。
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）をかく乱し、剥離を抑えて循環を増し、マグナス揚力が付加的に増える。

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１ないし９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。

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っ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。

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。 マグナス揚力の説明図である。 図１における回転円柱を示すＡ−Ａ断面図である。 突条が設けられた回転円柱を示す正面図である。 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。 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。 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。 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。 ２条の突条が設けられた回転円柱を示す斜視図である。 実施例６における回転円柱を示す正面図である。 実施例７におけるエンドキャップを示す斜視図である。 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。 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

Ａ マグナス型風力発電装置
１ 支台
２ 発電機構部
３ 水平回転軸
４ 回転体
５、５ｂ、５ｃ 回転円柱
５ｄ、５ｅ 回転円柱
５ｆ、５ｇ 回転円柱
６、６ｂ、６ｃ、突条（空気流動手段、フィン部材）
６ｅ、６ｆ 突条（空気流動手段、フィン部材）
６ｇ フィン（空気流動手段）
７ｂ、７ｃ デンプル
８ｂ、８ｃ 被覆材
９ｂ、９ｃ 複合体
１０ｃ 天面（先端外表面）
１５ 駆動モータ
１６、１６ｄ エンドキャップ
１６ｅ、１６ｆ エンドキャップ
１６ｇ エンドキャップ
１７ｄ 凹条（空気流動手段）
１９ 内筒
２０ 外筒
２１ 支台
２３ 水平回転軸
２４ 回転体
２５ 回転円柱
２６ 突条（空気流動手段、フィン部材）
３５ 駆動モータ
３９ 内筒
４０ 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

本発明の実施例を以下に説明する。

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。

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_０が発生するようになっている。

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、このマグ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。

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エンドキャップ１６が取り付けられている。

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が一体に巻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。

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。

回転円柱５の回転方向と突条６の巻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の巻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っている。突条６のスパイラルの巻き方向が回転円柱５の回転方向に対して逆向きとなっているため、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ができる。尚、突条６のスパイラルの巻き方向が回転円柱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。

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、自然風や回転円柱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。

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。

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く、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いると考えられる。

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って、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いることが分かる。

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っている。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のトルク値（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っている。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。

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（ｍ／ｓ）をｕとすると、回転円柱の周速比θは、θ＝πｄｎ／ｕ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）ρｕ^２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＝２πθ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、ｌや流体の密度ρ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に示すように、グラフ（イ）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（ロ）は、ＩＴＡＭ（ロシア）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。

ＩＴＡＭの回転円柱のグラフ（ロ）及びＮＡＣＡ４４１５の翼のグラフ（ハ）と、本発明の回転円柱５のグラフ（イ）を比較した場合、本発明の回転円柱５のグラフ（イ）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っている。

特に、本発明の回転円柱５のグラフ（イ）と、ＩＴＡＭの回転円柱のグラフ（ロ）とを比べてみると、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（イ）の揚力係数Ｃｙの方が、ＩＴＡＭの回転円柱のグラフ（ロ）の揚力係数Ｃｙの方よりも高くなっている。

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いる。

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。

表２は、直径が７０Φの回転円柱５を正回転させたときの周速比θとトルク値Ｎの関係を示すグラフであり、グラフ（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（ｃ）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１４０Φ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２００Φ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。

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よりも高くなっている。

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）及びグラフ（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１４０Φ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って、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。すなわちエンドキャップ１６が設けられた回転円柱５のグラフ（ｃ）のトルク値Ｎの方が、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）のトルク値Ｎよりも高くなるようになっている。

正回転時において、回転円柱５に直径が１４０Φ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２００Φ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っている。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。

表３は、回転円柱５を逆回転させたときの周速比θとトルク値Ｎの関係を示すグラフであり、グラフ（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（ｅ）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１４０Φ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２００Φ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。

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よりも高くなっている。

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）及びグラフ（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１４０Φ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って、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。すなわちエンドキャップ１６が設けられた回転円柱５のグラフ（ｆ）のトルク値Ｎの方が、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）のトルク値Ｎよりも高くなるようになっている。

逆回転時において、回転円柱５に直径が１４０Φ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２００Φ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）のトルク値Ｎよりも高くなるようになっている。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。

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）よりもトルク値Ｎが増大されることが分かり、この実験結果から自然風や回転円柱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において、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。

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いることが分かる。

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のトルク値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［ｍｉｎ^−１］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。

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）のトルク値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に換えられていることが分かる。

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って、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い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いる。

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では逆マグナス効果の影響を受け難く、トルク値Ｎが増大されることを示している。

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、プロペ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（ｊ）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（ｌ）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グラフである（観測地：秋田県）。

年間平均風速のレイリー分布のグラフ（ｌ）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よりも高くなっている。

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が、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っている。

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。

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巻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。

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いる。

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を巻き回すものであってもよい。また、ここで言うデンプル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。

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。

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。

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）がかく乱されるため、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５ｃ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。

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、デンプル７ｃまたは突起が突条６ｃの先端外表面の表層流をかく乱するとともに、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。

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。

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ル状の凹条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。

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のスパイラル巻き方向は回転円柱５ｄの回転方向に対して逆向きとなっている。

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。

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。

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。

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く、３条や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く、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。

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。

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っている。

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。

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１６ｇ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ィン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。

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、エンドキャップ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、エンドキャップ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。

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。

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いる。

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ル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っている。

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っており、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っている。

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っており、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。

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。

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。

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っている。

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、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く、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。

更に、上記実施例では、円盤状のエンドキャップが、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く、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。

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が、本発明はこれに限定されるものではなく、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。

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 (11)

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おり、該空気流動手段は、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形設されたフィン部材である請求項１ないし３のいずれかに記載のマグナス型風力発電装置。
5. 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４に記載のマグナス型風力発電装置。
6. 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ないし５のいずれかに記載のマグナス型風力発電装置。
7. 前記突条は、多条スパイラルで構成されている請求項５または６に記載のマグナス型風力発電装置。
8. 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７のいずれかに記載のマグナス型風力発電装置。
9. 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５に記載のマグナス型風力発電装置。
10. 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ないし９のいずれかに記載のマグナス型風力発電装置。
11. 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っている請求項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。

Images