(57)【要約】【課題】マグナス効果を利用する風力発電機のローターが最大の揚力を発生するための構造を提供する【解決手段】風速１２とタービン回転速度１３から生じるローター表面の実風速１４が、タービン回転軸からの距離に関わらずローターのいずれの位置でもローターの周速と合致（シンクロ）可能な形状とすることで、ローターの発生する揚力の最大化が可能となる。【選択図】図４
2014109267.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マグナス効果により揚力を生み出す回転駆動ローターの回転速度を制御可能なマグナス型風力発電機において、流体中に置かれる回転駆動ローターのマグナス効果による揚力発生が流体の流速と回転駆動するローターの表面周速が一致することにより最大化する性質を利用し、風力発電機の設置場所の風況をもとに決められる定格風速とその定格風速時のタービン定格回転数において、風速とタービン回転速度から生じるローター表面の実風速が、タービン回転軸からの距離に関わらずローターのいずれの位置でもローターの周速と合致（シンクロ）可能な形状のマグナス型風力発電機用ローター。
【請求項２】
ローター表面の実風速とローター周速との速度差が、タービン回転軸からの距離に関わらずローターのいずれの位置でもローター表面の実風速の２０％を越えない範囲となる形状の請求項１記載のマグナス型風力発電機用ローター。
【請求項３】
径の異なる短い円筒をつなぐ構造とした請求項２記載のマグナス型風力発電機用ローター。
【請求項４】
ローター回転面の一部の風速を増速する機能を有し、その増速度合がタービン軸を中心とする同心円状に分布するするマグナス型風力発電機において、ローターのいずれの位置でも実風速がローター表面周速と一致する形状となる請求項１及び２記載のマグナス型風力発電機用ローター。
【請求項５】
請求項１ないし４記載のローターを装備したマグナス型風力発電機。
【請求項６】
マグナス効果を利用した水力発電機に用いる請求項１ないし４記載のローター。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】本発明は、マグナス効果を利用した風力発電機に関する。
【背景技術】
【０００２】マグナス効果を利用した風力発電機が開発されているが、マグナス効果による揚力発生の仕組みは完全には解明されていないのが現状であり、マグナス効果によって発生する揚力をさらに増大する技術開発の余地が残されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−１２１５８６（図１）
【特許文献２】米国特許４３６６３８６
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】日本機械学会誌特集号２００５年４月号（第１０８巻，第１０３７号）Ｐ２７７「流体摩擦の低減」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】マグナス効果として知られる揚力発生の仕組みは十分に解明されていないが、一般的にマグナス効果によって発生する揚力は複数の要因により構成されると考えられており、それらの要因の一つが流体と回転駆動する円筒（以下「ローター」という）表面との摩擦である可能性を示唆する報告がある。（非特許文献１参照）。【０００６】この流体とローター表面との摩擦は、流体の速度とローター表面の周速とのズレから生じるものであって、流体の流れの方向と同じ向きに回転するローター側面で小さく、流れの方向と反対向きに回転するローター側面では大きくなると考えられる。【０００７】流体との摩擦はローター表面に正圧（この場合、ローター表面からローターの中心軸に向かう圧力）を生み、摩擦の大きさに応じて該正圧が偏って分布するため、該正圧の合力として揚力が生じると仮定すると、マグナス効果によって揚力が流れに垂直に発生すると考えられていること、また、マグナス効果により発生する揚力の方向が流体の流れと反対方向に回転するローター側面側から流体の流れと同方向に回転するローター側面側に向かうことを合理的に説明可能である（図１参照）。【０００８】そこで流体とローター表面に生じる摩擦がマグナス効果に関わる主な要素であることを前提として考えると、ローター表面における風速がローター表面の周速に合致（以下「シンクロ」という）することがローター表面における摩擦の偏りを最大化し、効果的な揚力発生を可能にすると考えられる（図１参照）。【０００９】マグナス効果を船の推進力として利用する技術（特許文献１参照）の場合、回転円筒の基部と該円筒上部の風速は基本的に違わないが、マグナス型風力発電機（特許文献２参照）の場合、発電機構につながる水平回転軸（以下「タービン軸」という）の回転に伴い、ローター表面の風速（以下「実風速」という）は増速し、しかもその増速幅はタービン軸に近いローター基部では小さく、タービン軸から離れるほど拡大する。（図４参照）【００１０】したがってマグナス型風力発電機の回転駆動する円筒型ローター表面の周速（以下「ローター周速」という）を制御しても、実風速にシンクロするのはローター表面の一部分に限られ、ローター全域がシンクロ（以下「フルシンクロ」という）する場合に比べローター全体が生み出す揚力は大幅に縮小する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】本案は、マグナス型風力発電機のローターの径をタービン軸からの距離に応じて変えることで、ローターのフルシンクロが可能となる条件を整備するものである（図５参照）。
【発明の効果】
【００１２】マグナス型風力発電機において定格回転時のローターが生み出す揚力を増大できる。【００１３】マグナス型風力発電機の大型化、特にローター長の延長による効果的な出力向上が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】マグナス効果による揚力発生構造説明図
【図２】本発明に係る一実施形態を示すマグナス風力発電機の斜視図
【図３】本発明に係る他の実施形態を示すマグナス風力発電機の斜視図
【図４】マグナス型風力発電機のローター上の風速説明図
【図５】マグナス型風力発電機（図２）のローターの正面図
【発明を実施するための形態】
【００１５】ローター回転面１６の風速がほぼ均一とみられる通常風を利用する場合、ローター径はタービン軸に近い部分を小さく、タービン軸から離れるにしたがって大きくする構造とする（図５）。
【００１６】例えば、設置場所の平均風速が毎秒１０ｍの場合、設計するマグナス型風力発電機の定格風速を毎秒１０ｍに設定し、タービンの定格回転速度を定格風速時に毎分２０回転とした場合、タービン軸中心から先端までの長さ１０ｍのローターの場合、定格風速、定格回転速度におけるローター表面の実風速は、タービン軸からの距離１ｍのローター基部１０では毎秒約１０．１ｍであるのに対しローター先端部１１においては毎秒約２３．２ｍに達する。
【００１７】このローターが円筒構造の場合、ローター基部１０が実風速にシンクロするローター回転数に制御すると、ローター先端部１１ではローター周速が実風速に比べて約４３％（＝１０．１／２３．２）と大幅に遅くなり揚力は最大化しない。
【００１８】そこでローター先端部１１における径を１ｍに設定した場合、ローター基部１０におけるローター径２０を０．４３５ｍ（≒１ｍ×１０．１／２３．２）とすることで、ローター先端部１１におけるローター周速が実風速（毎秒２３．２ｍ）と等しくなるローター回転数［毎秒約７．４回≒２３．２ｍ／（π×１ｍ）］の場合、ローター基部１０におけるローター周速は約１０．１ｍとなり、ローター先端部１１及びローター基部１０のいずれにおいてもローター周速が実風速に一致するフルシンクロ状態が生まれる。
【００１９】上記ローターを装備したマグナス型風力発電機を効果的に運用するには風速計、回転速度調整可能なローター駆動モーター、タービン回転計測装置及びこれらを電気的に連携する機構などのローター回転数とタービン回転数を一体的に制御する必要がある。
【００２０】ローター回転面がほぼ均一な風速となる一般的な設置状況では、ローターは正面図（図５）においてローター表面１７が直線の漏斗状となるが、径の異なる円筒をつなぐ構造（図３）としたローターもフルシンクロに準じた揚力発生を見込める。
【００２１】また、ローター回転面の一部分を増速する技術、例えば風力発電機のハブを大型にしてハブ周辺の風速を増速する技術やつば付きディフューザを利用して風力発電機のブレード回転域の外縁部周辺の風速を増速する技術など、ローター回転面の風速の増速度合がタービン軸を中心とする同心円状に分布する場合にはマグナス型風力発電機の出力向上に活かすことが可能である。
【００２２】その際、定格風速時のローター回転面１６における増速された風速の分布とタービンの定格回転速度を基に実風速の分布を求め、その実風速分布を基にタービン軸からの距離毎にシンクロするローター径を決めることで、フルシンクロ可能なローターの形状を決めることができる。
【符号の説明】
【００２３】  １  ローター周辺の風（矢印の長さは風速）
２  ローター表面
３  摩擦による正圧
４  ローター表面の正圧分布
５  揚力
６  ローター
７  ハブ
８  ナセル
９  タワー
１０  ローター基部
１１  ローター先端部
１２  風速
１３  ローター先端部におけるタービン回転に伴うローター速度
１４  ローター先端における実風速
１５  ローター基部における実風速
１６  タービン軸の中心
１７  タービンの回転によるローターの回転面
１８  タービン軸中心からローター基部までの距離
１９  タービン軸中心からローター先端部までの距離
２０  ローター基部の径
２１  ローター先端部の径
【図１】
2014109267.tif 000003
【図２】
2014109267.tif 000004
【図３】
2014109267.tif 000005
【図４】
2014109267.tif 000006
【図５】
2014109267.tif 000007