(57)【要約】 【課題】  マグナス効果による揚力を利用したマグナス風車の風力発電技術の改良には多くの努力が積み重ねられているが、まだ多くの改良の余地がある。更に改良を加え整合のとれた効率のよい風力発電用マグナス風車を開発する。【解決手段】  次の観点から開発する。１）自己起動（self start）させるため、スピン回転用風車を具備する。２）回転の慣性モーメントの総和を極力小さくし、回転し易い構造を形成する。３）各種の抗力、摩擦や損失をできる限り小さくする。４）ディンプルを用いて風による揚力を大きく、また抗力を小さくする。  これらの４項目が整合の取れた形で実現できたときその風車は効率の高い風車と言える。すなわち揚力が減少しても、慣性モーメントの総和を小さくするとともに、各種の抗力や摩擦や損失を少なくし、トータルとして高効率の風車を実現する。【選択図】  図１
2011106420.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
円錐型のマグナス円錐柱（１）と当該マグナス円錐柱（１）に結合されてスピン回転を与えるスピン回転用風車（３）はローター主軸（２）を軸としてスピン回転可能に組まれ、さらに当該ローター主軸の先端にはエンドプレート（４）を持ったマグナス円錐翼（６）の複数基がハブ（５）で発電主軸（１１）に結合され、発電ユニット（７）内で発電機に直結した構造を持つハイブリット型マグナス風車。
【請求項２】
翼型形状をしたエンドプレートであって、キャンバーは零で上下対象形状であり、最大翼厚Ｄａはマグナス円錐翼（６）の先端直径Ｄの約二倍であり、翼幅Ｄｂは最大翼厚の約２倍とした形状を持ったエンドプレート（１４）を具備した請求項１のハイブリット型マグナス風車。
【請求項３】
任意の大きさのディンプルを任意の配置パターンを持って刻したマグナス円錐柱（１ａ）を具備した請求項１のハイブリット型マグナス風車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
水平軸型マグナス風車の翼を含む風車構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
風を受けて円柱あるいは円球が揚力を生ずる原理を図４に示す。自転回転する円柱Ｍに風Ａが流れると円柱Ｍは揚力Ｌを図の方向に生ずる。この現象を発見した人物の名前を取りマグナス効果と呼ばれている。このマグナス効果を利用し回転力を生じさせる風車をマグナス風車といい、多くの技術が先行している。例えば特許文献１および特許文献２などである。その円柱をマグナス円柱翼Ｍと呼ぶ。その特徴は通常のプロペラ翼を持つ風車はその翼が自転回転することはないが当該マグナス円柱翼Ｍはスピン回転と呼ぶ自転をしていることが大きな特徴である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−０８５３２７号広報
【特許文献２】特開２００８−０８２１８５号広報
【特許文献３】特許第４２４７６０４号広報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
マグナス効果による揚力を利用したマグナス風車の風力発電技術の改良には多くの努力が積み重ねられているが、まだ多くの改良の余地がある。更に改良を加え整合のとれた効率のよい風力発電用マグナス風車を提案する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
次の観点から改良を加える。
１）自己起動（self start）させるため、スピン回転用風車を具備する。
２）回転の慣性モーメントの総和を極力小さくし、回転し易い構造を形成する。
３）各種の抗力、摩擦や損失をできる限り小さくする。
４）ディンプルを用いて風による揚力を大きく、また抗力を小さくする。
これらの４項目が整合の取れた形で実現できたときその風車は効率の高い風車と言える。すなわち揚力が減少しても、慣性モーメントの総和を小さくするとともに、各種の抗力や摩擦や損失を少なくし、トータルとして高効率の風車を実現する。
【０００６】
先ず図５によりマグナス円柱翼Ｍに作用する諸種の力を明らかにしよう。マグナス円柱翼Ｍには二種類の風が吹いている。第一は自然に吹く風である。自然に吹く風で例えばグライダーは加速され、時には上層気流を得て高度を上げる。うまく自然の風を受ければグライダーは飛行を続けることができる。マグナス円柱翼Ｍはこの自然に吹く風を受けて回転Ｒを得る。この自然に吹く風を自然風Ａという。
【０００７】
二つ目はマグナス円柱翼Ｍ自らが回転することにより受ける風である。グライダーが初速を得て、無風状態の空間を滑空飛行している状態と同じである。抗力や空気の摩擦抵抗を受けて、漸次減速しやがては失速する。このマグナス円柱翼Ｍ自らが回転することにより受ける風を相対風Ｂという。
【０００８】
風は方向と大きさを持った力であり、ベクトルとして扱うことができる。ベクトルは合成したり分解したりすることができる。従って風の力も合成したり分解したりできる。
また回転するマグナス円柱翼Ｍにこの相対風Ｂと自然風Ａが作用する力を分析するとき、回転する翼を止めて、風を動かして分析することは理解しやすい手法である。
【０００９】
マグナス円柱翼Ｍはスピン回転Ｓをしており、自然風Ａに対しては揚力Ｌａと抗力Ｄａを発生する。揚力Ｌａを得たマグナス円柱翼Ｍは回転Ｒを得て相対風Ｂを受け、揚力Ｌｂおよび抗力Ｄｂを生ずる。揚力Ｌａと揚力Ｌｂに起因する誘導抗力は回転Ｒに対し損失Ｉを生む。また機械的流体的な摩擦Ｆや風損に起因する風損Ｗも回転Ｒに対し損失となる。さらに発電付加Ｌｏが加わり、揚力Ｌａの反作用となる。そして、次式を満たすとき、回転Ｒは定常状態で回転する。
Ｌａ＝Ｄｂ＋Ｉ＋Ｆ＋Ｗ＋Ｌｏ
すなわち風車の発電力を高めるには揚力Ｌａを高める以外に、抗力Ｄｂ、損失Ｉ、摩擦Ｆ、風損Ｗの減少と発電付加Ｌｏの効率向上が不可欠であることが分かる。
【００１０】
また、揚力Ｌｂと抗力Ｄａはマグナス円柱翼Ｍに曲げ応力を加えることとなる。この曲げ応力によりスピン回転Ｓが減少すると揚力Ｌａの減少につながるので、マグナス円柱翼Ｍはその曲げ応力に対し歪が小さいことが要求される。
【発明の効果】
【００１１】
マグナス効果を利用する風力発電用風車の多方面の要素が整合のとれた形で実現できた時、構造が簡単で効率の良い風車を実現できる。そしてマグナス型風車の利用分野が拡大する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】ハイブリット型マグナス風車の正面図である。
【図２】ハイブリット型マグナス風車の側面図である。
【図３】スピン回転用風車の側面図と断面図である。
【図４】マグナス効果を説明する図である。
【図５】マグナス円柱翼に作用する諸種の力を示す図である。
【図６】遠心力風による損失軽減を示す図である。
【図７】翼型エンドプレートの構造を示している。
【図８】マグナス円錐翼に刻したディンプルの例を示している。
【発明を実施するための形態】
【実施例１】
【００１３】
図１に提案するハイブリット型マグナス風車の正面図、図２に側面図を示した。円錐型のマグナス円錐柱１と当該マグナス円錐柱１に結合されてスピン回転を与えるスピン回転用風車３はローター主軸２を軸としてスピン回転可能に組まれている。またローター主軸２の先端にはエンドプレート１４を持っている。当該マグナス円錐翼６の複数基がハブ５で発電主軸１１に結合され、発電ユニット７内で発電機に直結している。次に四つの観点に沿って、上で述べた知見を実現する実施例を詳しく述べる。
【００１４】
１）自己起動（self start）すること。
風以外の動力を利用しないと起動しないのでは風車の機能として大きく見劣りすることは言うまでも無い。ここで提案する図１のマグナス円錐翼６にはその回転中心部にスピン回転を与える回転用風車３を持っており、この風車は抗力形風車で風力が零近傍から作動を始めるので自己起動能力を持っている。
【００１５】
図３によりスピン回転を与える回転用風車３を説明する。中空の半円筒８ａ、８ｂ、８ｃを中心円筒９の周りに等間隔で、傾きを付けて捩じり固定している。これらは回転用風車の３の受風筒となる。上下の仕切り版１０ａによってマグナス円錐柱１と結合されローター主軸２に回転可能に組まれる。半円筒８ａ、８ｂ、８ｃの中間には風を効率よく受けるために仕切り版１０ｂが複数枚取り付けられている。
【００１６】
２）回転し易い構造を持つことが肝要である。その指標の一つとして回転の慣性モーメ
ントの総和が小さいことが必要である。慣性モーメントの値が大きいことは動き難さを現しており、風車の全構造について検討を要する。
【００１７】
当該マグナス円錐翼６がスピン回転用風車３を持つことは、他から当該スピン回転用エネルギーを得る必要が無く、その装置および機構にかかわる慣性モーメントを減じることができる。また当該スピン回転用風車３をマグナス円錐翼６の基部に配置することは中央部や先端部に設けるよりも慣性モーメントを減じることにつながる。
【００１８】
スピン回転用風車３は回転中心部の風力をも取り込むべくカバー１２は自然風Ａに向かって滑らかな凸状形態をしている。
【００１９】
マグナス円錐翼６の揚力を発する部分であるマグナス円錐柱１は円錐型に構成して先端部分を細くすることにより慣性モーメントを減らしている。
また、図には記載していないが、全ての構造物を軽量化し、回転軸に沿って細長い構造にし、強度が許す限り中空構造にすることは慣性モーメントを小さくすることにつながるのは当然である。
【００２０】
３）  回転に抗する各種の抗力や摩擦や損失が少ないことはあらゆるシステムについて言い得る事である。ここでは具体的に損失Ｉを減少する手法を述べる。
【００２１】
誘導抗力に起因する損失Ｉは揚力を用いる翼には避けて通れないものである。一般には翼のアスペクト比を大きく、すなわち細長い翼にすると共に、翼端にウイングレットを具備させる。当該マグナス円錐翼６では円錐型にすることはアスペクト比を大きくすると共に、回転モーメントの減少につながる。またマグナス円錐翼６の先端にエンドプレート４を具備している。
【００２２】
エンドプレート４は一般の航空機の翼に設けられるウイングレットに相当し損失Ｉの減少につながる。先にあげた先行技術では円形のものを具備しているが、ここでは更に改良した形状を図７に示す。図７（イ）は翼の先端から回転中心に向かってエンドプレートの正面図を描いたものである。図７（ロ）は側面図である。マグナス円錐翼６はＲ方向に回転している。
【００２３】
エンドプレート１４は翼断面形状を持っている。キャンバーは零で上下対象形状である。最大翼厚Ｄａはマグナス円錐翼６の先端直径Ｄの約二倍である。翼幅Ｄｂは最大翼厚の約２倍としている。このエンドプレート１４は損失Ｉを減少すると共に、水平軸型回転翼に生じる遠心力風とも言われる風損Ｗをも減少する働きがある。
【００２４】
水平軸型回転翼に付き物の風損Ｗが減少するメカニズムを図６と図７を用いて以下に述べる。
風損Ｗの原因は翼が回転Ｒをすると、回転中心から翼端に至るまで周速度が漸次大きくなるため、この周速度差が起因となり、回転中心から翼端に向かって自然風Ａの一部が流れ込み風損風Ｃｗとなる。これを減少するため当該マグナス円錐翼６はその先端にエンドプレート１４を具備している。またマグナス円錐翼６の回転軸近傍にスピン駆動用風車３を設け風損風Ｃｗのスタート点を回転中心Ｏｒからスピン駆動用風車３のＣｓへ移動させているので風損風Ｃｗを減少させている。
図６（ロ）のＦ１は本来の風損に起因する風損風の大きさの分布を、図６（ハ）のＦ２は当該実施例における風損風の大きさの分布を示している。本来の風損は図６（ロ）のＦ１を積分したものであるが、当該構造を持つマグナス円錐翼６は図６（ハ）のＦ２を積分した値となるため、風損風Ｃｗが明らかに大きく減少する。
スピン回転用風車３をマグナス円錐翼６の基部に具備することの優位さがここにも現れている。
【００２５】
次に摩擦Ｆを減少させる手法を述べる。この摩擦には機械的な摩擦損失と流体力学的な摩擦損失とがある。機械的な摩擦損失は擦動部分の摩擦以外にベアリング摩擦やギヤー摩擦などであり、多くの軽減技術があるので極力この損失を少なくする。
また流体力学的な損失は流体干渉による干渉抗力と呼ばれており、より厳密には誘導抗力以外の抗力を有害抗力と呼ばれ多くの技術が発達している。航空機でよく利用されるフィレットやストレイクまたウイングレットなどがある。
【００２６】
４）  回転を司る風の揚力が大きいことは風車として当然追求すべき一項目である。揚力をＬａ上げ抗力Ｄｂを下げることは風車の効率を上げることに直接的な効果があることは当然である。マグナス風車の効率を上げるために多くの提案がなされている。ここではマグナス円錐柱１の表面にディンプルを設けることを図８により説明する。
【００２７】
ディンプルは流体が物体の表面から剥離し乱流となるのを遅らせる作用があり、揚力を増加し、抗力を低下する働きある。この機能を利用した例としてゴルフボールの構造は良く知られている。特許文献３をその一例として挙げることができる
【００２８】
図８にディンプルを刻したマグナス円錐柱を示した。マグナス円錐柱１ａの表面に設けるディンプルの形状はゴルフボールの場合とそのレイノルズ数が大きく異ならないのでゴルフボールのディンプルとほぼ同じで良い。
【００２９】
図８（イ）はマグナス円錐柱１ａに刻したディンプルの断面１５を示している。ディンプルの指標は直径ｄ１が４ｍｍ前後、深さｄ２が０．２ｍｍ前後、曲率半径ｒが１０ｍｍ前後となる。
図８（ロ）はマグナス円錐柱１ａに刻したディンプルのパターン図の例である。数種類の円形や他の形状を刻する場合もある。実施例では表面積の８０〜８５％を同じ形状のディンプルが占めている。
このディンプルによりマグナス円錐柱１ａはその揚力ＬａとＬｂを大きくし、ＤａとＤｂを小さくする。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
当該ハイブリット型マグナス風車を風力発電装置に利用すれば効率よく風力を電力に変換できる。また、今般大きな課題となっている地球規模での温暖化問題の解決手段の一端となり得る。従って、クリーンエネルギーの利用技術が加速する。
【符号の説明】
【００３１】
Ａ     自然風
Ｂ     相対風
Ｃｗ   遠心力風
Ｉ     誘導抗力による損失
Ｆ     摩擦
Ｒ     マグナス円錐翼の回転
Ｌo    発電負荷
Ｓ     マグナス円錐柱のスピン回転
Ｍ     マグナス円柱翼
１     マグナス円錐柱
１ａ   ディンプルを刻したマグナス円錐柱
２     マグナス円錐翼のローター主軸
３     スピン回転用風車
４     エンドプレート
５     ハブ
６     マグナス円錐翼    
７     発電ユニット
８ａ、８ｂ、８ｃ     半円筒
９     中心円筒
１０ａ、１０ｂ       仕切板
１１   発電主軸
１２   カバー
１３   支持柱
１４   翼型エンドプレート
１５   ディンプル断面
【図１】
2011106420.tif 000003
【図２】
2011106420.tif 000004
【図３】
2011106420.tif 000005
【図４】
2011106420.tif 000006
【図５】
2011106420.tif 000007
【図６】
2011106420.tif 000008
【図７】
2011106420.tif 000009
【図８】
2011106420.tif 000010