(57)【要約】      （修正有）【課題】外部動力を必要とせずに円筒自体を回転させることが出来るマグヌス効果を利用する風力発電機を提供する。【解決手段】プラネタリ型遊星歯車機構を用い、一つの遊星歯車２に、遊星歯車の軸と円筒翼の中心軸とが一致するように円筒翼３を取り付け、これを流体の流れに対し円筒翼の中心軸が垂直になるように流体中に設置する。円筒翼後部に発生するカルマン渦列等によって生じる擾乱を切っ掛けとして、円筒翼は、太陽歯車１の軸を中心として公転方向を変えながら自転公転を繰り返す。この振動現象は、円筒翼のマグヌス効果による揚力と流体抗力によって励起される自律振動であり、この運動によって回動する太陽歯車の軸を動軸として発電機に繋げて発電する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラネタリ型遊星歯車機構を用い、一つの遊星歯車に、遊星歯車の軸と円筒翼の中心軸とが一致するように円筒翼を取り付け、自転公転させる。この運動によって回動する太陽歯車の軸を動軸として発電機に繋げ発電させる発電手法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、マグヌス効果によって励起される自律振動を電気エネルギーに変換する発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】  風や水流といった流体の持つエネルギーを電気エネルギーに変換する発電装置の多くは、プロペラ翼等の回転体を回転させる機構を有する。一方、回転体を用いない発電装置としては、カルマン渦列による励起振動を利用する振動発電が知られており、流れ場内に位置する円柱の並進振動を用いる方法（特許文献１参照）、水平軸に回転軸を有する半楕円柱の振り子運動を用いる方法（特許文献２、特許文献３参照）、垂直軸に回転軸を有する振り子運動を用いる方法（特許文献４、特許文献５参照）などが提案されている。また、羽ばたき型の発電装置（特許文献６参照）なども提案されている。他にプロペラ翼を用いない発電装置としては、円筒翼の回転によって生じるマグヌス効果による揚力を利用した発電装置が知られており、従来から様々なものが提案されている（特許文献７、特許文献８、特許文献９、特許文献１０参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許７４９３７５９Ｂ２
【特許文献２】特許第４９２３２４５号
【特許文献３】特許第５３０３６８６号
【特許文献４】特開昭５４−０３９７４３号
【特許文献５】特許第６００１７３２号
【特許文献６】特開２０１６−０６５４９１号
【特許文献７】特開２００５−２５６６０６号
【特許文献８】特開２００８−１７５０７０号
【特許文献９】特開２０１７−０８９５９９号
【特許文献１０】特願２０１７−５２１６１０号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】  現在の風力発電装置の主流は水平軸型プロペラ翼式であるが、発電コストを抑えるために大型化してきており広大な設置面積を必要とする。また風向変化に対してナセルの向きを変えるわけだが、短時間での風向変化が激しい土地に設置するにはロスが大きく適さない。また、強風時には安全のため運転を停止する。【０００５】  また、「水平軸型」「垂直軸型」に依らず回転翼やプロペラ翼を用いる場合は、流れ場の急激な変化や流れ場内に存在する漂流物を巻き込むことによる機械的破損の恐れや、風力であれば鳥類等、水力であれば魚類等の生物を傷つける恐れがある。さらに、回転翼やプロペラ翼は比較的複雑な形状をしており、製造コストも高くなりやすい。【０００６】  流体励振利用による振動発電機は、比較的簡単な鈍形構造であるため、堅牢であり、低コストを実現しやすい。しかし、流体励起振動発電機は、水力利用には適しているものの流体密度が約１／８３０となる風力利用では励振力の小ささゆえに難しい。【０００７】  一方、マグヌス効果を利用する発電機についても、翼が円筒構造であるため、堅牢であり、低い製造コストを実現しやすいと言える。しかしながら、マグヌス効果を得るために円筒自体を回転させる動力を要し、エネルギー収支が悪くなる問題を抱えている。［特許文献９］において円筒自体を回転させる動力を要さないものが提案されているが、水平軸型であり、水平軸型固有の問題は解決されていない。また、単独起動が出来ず起動させるのに外部動力を必要とする。【０００８】  本発明は以上の点を鑑みてなされたものであり、省スペース、低コスト、風力でも稼働する垂直軸型振動発電装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】  プラネタリ型遊星歯車機構を用い、一つの遊星歯車に、遊星歯車の軸と円筒翼の中心軸とが一致するように円筒翼を取り付け、これを流体の流れに対し円筒翼の中心軸が垂直になるように流体中に設置する。【００１０】  円筒翼後部に発生するカルマン渦列等によって生じる擾乱を切っ掛けとして、円筒翼は、太陽歯車の軸を中心として公転方向を変えながら自転公転を繰り返す。この振動現象は、円筒翼のマグヌス効果による揚力と流体抗力によって励起される自律振動であり、この運動によって回動する太陽歯車の軸を動軸として発電機に繋げて発電する。
【発明の効果】
【００１１】  請求項１の発明によって、簡単な構造を用いて、流体の擾乱等により発生する振動をトリガーにして、流体の持つエネルギーを回収する事が可能となる。風力によって生じる励振力は水流に比べて弱いものであり、それ自体からエネルギーを回収する事は難しいが、本発明はそれを可能にする。【００１２】  円筒翼であるため、製造コストを抑えることが可能であり、安価な発電装置を提供できる。また、回転半径が小さく、狭い場所にも設置できる。【００１３】  垂直軸型であるため風向変化が問題にならないばかりか、風向変化そのものが発電に寄与する。また、堅牢性に優れており、強風時でも発電が可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】  以下、本発明を実施するための最良の形態について説明する。【００１５】  図１に示すように、プラネタリ型遊星歯車機構の一つの遊星歯車（図１−２）と円筒翼（図１−３）との中心軸が一致するように、遊星歯車（図１−２）に円筒翼（図１−３）を取り付ける。また、太陽歯車（図１−１）の軸を動軸として、これを発電機に繋いで発電を行う。【００１６】  円筒翼（図１−３）の動きは遊星歯車（図１−２）の動きに一致するので、公転の回転向きと自転による回転向きは逆となる。これが重要な効果を果たす。変位角が小さい時、マグヌス効果によって得られる揚力が振動を増幅させる方向に働き、変位角が大きい場合は振動を抑える方向に働く。【００１７】  円筒翼（図１−３）が運動をしている場合は図１の右に示す相対速度Ｖ（１）を考える必要がある。風速Ｖ（０）、太陽歯車（図１−１）の半径をＲ（０）、遊星歯車（図１−２）の半径をＲ（１）、変位角θ、迎角αを図のように定義すると、以下の関係が成り立つ。
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【００１８】  円筒翼（図１−３）の回転によって生じる揚力は、円筒翼（図１−３）の半径をＲ（２）、高さをＬ，流体密度ρとして以下の式で表される（図２）。
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ただし、
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十分なマグヌス効果を得るためには、遊星歯車（図１−２）の半径Ｒ（１）が太陽歯車（図１−１）の半径Ｒ（０）と比較して小さい事、円筒翼（図１−３）の半径Ｒ（２）が大きい事が望まれる。しかし、Ｒ（０）、Ｒ（２）の値は系の慣性モーメントに影響を与えるので、適度な大きさで設計されなければならない。【００１９】  円筒翼（図１−３）が流体からの受ける抗力は以下の式で与えられる（図２）。
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【００２０】  したがって、円筒翼（図１−３）の公転に寄与するトルクＴは以下となる。
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【００２１】  図３に数値計算の結果を示す。初期に与えた微小振動が増幅されて系のリミットサイクルに収束する様子が分かる。自然環境下においては、風向きに対し変位角ゼロという状態は考えにくいので、円筒の受ける抗力によって初期起動が可能である。例え、変位角がゼロという状態であったとしても渦励振によって何等かの初動トルクが与えられる。
【産業上の利用可能性】
【００２２】  本発明に係る垂直軸型マグヌス振動発電機は、円筒、垂直軸型であり、回転半径も小さいため省スペースであって広大な設置面積を必要としない。また、製造コスト、メンテナンスコストの低減が可能であり、風向変化そのものを用いて発電が可能であって、強風などの悪条件にも耐えうる堅牢性を有している。したがって、設置箇所の制限は緩和され、平均風速が一定以上あれば採算のとれる発電設備の提供が可能となる。それゆえ、産業上の利用可能性は極めて高いと言える。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の一形態の上面図（左）と相対速度（右）
【図２】円筒に働く力の説明図
【図３】数値計算の結果
【図１】
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【図２】
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【図３】
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