(57)【要約】【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３に回転トルクを伝達する水平回転軸５と、この水平回転軸５から放射状に所要数配設された回転円柱７と、各回転円柱７をこれら回転円柱７の軸周りに回転駆動する駆動モータとを備え、各回転円柱７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５を回転させて発電機構部３を駆動するマグナス型風力発電装置１であって、回転円柱７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８が、回転円柱７の所定位置に設けられるとともに、回転円柱７の軸心β１が、水平回転軸５の軸心α１と交差しないように傾けられている。【選択図】  図２【特許請求の範囲】
【請求項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前記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、前記回転円柱の所定位置に設けられるとともに、前記回転円柱の軸心が、前記水平回転軸の軸心と交差しないように傾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。
【請求項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、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り、かつ前記回転円柱の先端が前記水平回転軸の回転方向に向くように、前記回転円柱が傾けられていることを特徴とする請求項１に記載のマグナス型風力発電装置。
【請求項３】
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、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り、かつ前記回転円柱の先端が前記水平回転軸の回転方向と逆方向に向くように、前記回転円柱が傾けられていることを特徴とする請求項１に記載のマグナス型風力発電装置。
【請求項４】
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前記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、前記回転円柱の所定位置に設けられるとともに、前記回転円柱の先端が、正面側および背面側のいずれかに向くように、前記回転円柱が傾けて配設されていることを特徴とするマグナス型風力発電装置。
【請求項５】
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、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り、かつ前記回転円柱の先端が風上方向に向くように、前記回転円柱が傾けて配設されていることを特徴とする請求項４に記載のマグナス型風力発電装置。
【請求項６】
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、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り、かつ前記回転円柱の先端が風下方向に向くように、前記回転円柱が傾けて配設されていることを特徴とする請求項４に記載のマグナス型風力発電装置。
【請求項７】
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する請求項１ないし６のいずれかに記載のマグナス型風力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【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。【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】
【発明が解決しようとする課題】
【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。【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。【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】
前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前記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、前記回転円柱の所定位置に設けられるとともに、前記回転円柱の軸心が、前記水平回転軸の軸心と交差しないように傾けられていることを特徴としている。
この特徴によれば、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し、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ができ、かつ回転円柱の軸心が水平回転軸の軸心と交差しないように傾けられていることで、回転円柱が水平回転軸を中心として回転したときに、回転円柱に当たる空気流が回転円柱の外周表面に対して斜め方向から当たるようになるので、空気流によって回転円柱に加わる抗力が低減され、スムーズに回転できるようになる。【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少なくとも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り、かつ前記回転円柱の先端が前記水平回転軸の回転方向に向くように、前記回転円柱が傾けられてい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り、かつ回転円柱の先端が水平回転軸の回転方向に向くように、回転円柱が傾けられていることで、回転円柱が水平回転軸の回転方向に回転されるときに、回転円柱に当たる空気流が水平回転軸に向けて流れ易くなり、回転円柱の外周表面の空気の流れを速めることができる。【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少なくとも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り、かつ前記回転円柱の先端が前記水平回転軸の回転方向と逆方向に向くように、前記回転円柱が傾けられてい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り、かつ回転円柱の先端が水平回転軸の回転方向と逆方向に向くように、回転円柱が傾けられていることで、回転円柱が水平回転軸の回転方向に回転されるときに、回転円柱に当たる空気流が水平回転軸から離れる方向に向けて流れ易くなり、回転円柱の外周表面の空気の流れを速めることができる。【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、
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前記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、前記回転円柱の所定位置に設けられるとともに、前記回転円柱の先端が、正面側および背面側のいずれかに向くように、前記回転円柱が傾けて配設されていることを特徴としている。
この特徴によれば、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し、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ができ、かつ回転円柱の先端が、正面側および背面側のいずれかに向くように、回転円柱が傾けて配設されていることで、正面側から回転円柱に当たる自然風が、回転円柱の外周表面に対して斜め方向から当たるようになるので、自然風を水平回転軸に向かう方向、若しくは水平回転軸から離れる方向に流し易くなり、空気流動手段による空気流動を向上させることができる。【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少なくとも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り、かつ前記回転円柱の先端が風上方向に向くように、前記回転円柱が傾けて配設されてい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り、かつ回転円柱の先端が風上方向に向くように、回転円柱が傾けられていることで、回転円柱に当たる自然風が、回転円柱の外周表面を水平回転軸に向けて流れ易くなり、空気流動手段による空気の流れ成分を更に向上できる。【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少なくとも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り、かつ前記回転円柱の先端が風下方向に向くように、前記回転円柱が傾けて配設されてい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り、かつ回転円柱の先端が風下方向に向くように、回転円柱が傾けられていることで、回転円柱に当たる自然風が、回転円柱の外周表面を水平回転軸から離れる方向に向けて流れ易くなり、空気流動手段による空気の流れ成分を更に向上できる。【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６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、マグナス揚力、すなわち回転円柱に加わる力が増大する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】マグナス揚力の説明図である。
【図２】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３】実施例１におけるマグナス型風力発電装置を示す側面図である。
【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】図２における回転円柱を示すＡ−Ａ断面図である。
【図６】実施例２におけるマグナス型風力発電装置を示す側面図である。
【図７】実施例３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８】実施例３におけるマグナス型風力発電装置を示す側面図である。
【符号の説明】
【００１６】
１                マグナス型風力発電装置
３                発電機構部
５                回転体（水平回転軸）
７                回転円柱
８                突条（空気流動手段）
１０              アウターシャフト（水平回転軸）
１５              発電機
１８              駆動モータ
２３              マグナス型風力発電装置
２４              回転体（水平回転軸）
２５              回転円柱
２６              突条（空気流動手段）
２７              マグナス型風力発電装置
２８              回転体（水平回転軸）
２９              回転円柱
３０              突条（空気流動手段）
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の実施例を以下に説明する。
【実施例１】
【００１８】
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、マグナス揚力の説明図であり、図２は、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３は、実施例１におけるマグナス型風力発電装置を示す側面図であり、図４は、突条が設けられた回転円柱を示す正面図であり、図５は、図２における回転円柱を示すＡ−Ａ断面図である。以下、図３および図５の右側をマグナス型風力発電装置の正面側（前方側）として説明する。【００１９】
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１の円筒形状を成す回転円柱Ｃの断面図に示すように、回転する回転円柱Ｃに当たった空気の流れは、図１のような回転円柱Ｃの回転方向（左回り）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、空気の流れと垂直をなす方向にマグナス揚力Ｙ０が発生するようになっている。【００２０】
図２および図３に示す符号１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１は、地面に立設された支台２の上部に、水平方向に旋回自在に軸支される発電機構部３を有しており、この発電機構部３は、内部に配置された鉛直モータ４を駆動させることで水平方向に旋回できるようになっている。【００２１】
図２および図３に示すように、発電機構部３の正面側には、回転の軸心α１が水平方向を向く本実施例における水平回転軸としての回転体５が配置されており、この回転体５は図２を参照すると正面視で右回りに回転するように軸支されている。回転体５の正面側には、フロントフェアリング６が取り付けられており、回転体５の外周には、５本の回転円柱７が放射状に配置されている。各々の回転円柱７は軸周りに回動自在に軸支されている。【００２２】
また、図２に示すように、回転円柱７は、回転円柱７の先端面が回転体５の回転方向を向くように傾けられおり、この回転円柱７の軸心β１は、回転体５の軸心α１に交差しないように、回転体５の軸心α１に交差する線分Ｌから所定角度θ１（本実施例ではθ１≒３０°）開くように回転体５の回転方向に傾けられている。尚、本発明における放射状とは、線状のものが中心から四方に延びた状態を示すのみならず、図２の回転円柱７に示すように、中心から四方に延びた線状のものが途中で傾斜された状態であっても放射状と称する。【００２３】
更に、回転円柱７の軸外周面には、本実施例における空気流動手段としてスパイラル状の２条の突条８が一体に巻き回して形設されており、この突条８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る。この突条８について説明すると、図４に示すように、所要幅、所要高さの二重螺旋をなす突条８は、回転円柱７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。回転円柱７の先端面には、回転円柱７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９が取り付けられており、このエンドキャップ９には、所定曲率のラウンド面９ａが形成されている。【００２４】
また図３に示すように、発電機構部３の内部には、長手方向が水平方向を向く本実施例における水平回転軸としてのアウターシャフト１０が配置されており、アウターシャフト１０は発電機構部３内部に配置されたベアリング１１を介して垂直方向に回動自在に支持されている。このアウターシャフト１０の軸内は貫通されており、アウターシャフト１０の軸内には、インナーシャフト１２が挿設されている。【００２５】
図３に示すインナーシャフト１２はアウターシャフト１０内部に配置されたベアリング１３を介して垂直方向に回動自在に軸支されている。アウターシャフト１０およびインナーシャフト１２は互いに独立して回動することができ、互いの回転方向が同じで回転速度が異なっていてもよいし、互いの回転方向が異なっていても回動できるようになっている。【００２６】
図３に示すように、アウターシャフト１０の後端には、ギア１４が固着されており、このギア１４は、発電機構部３内の発電機１５に接続されているギア１６と係合されている。アウターシャフト１０の前端には、発電機構部３の外方に突出されており、このアウターシャフト１０の前端に回転体５が固着されている。【００２７】
図３に示すように、インナーシャフト１２の後端は、アウターシャフト１０から突出されてギア１７が固着されており、このギア１７は、発電機構部３内の駆動モータ１８に接続されているギア１９と係合される。また、インナーシャフト１２の前端は、アウターシャフト１０から突出されており、このインナーシャフト１２の前端には、大径のベベルギア２０が固着されている。【００２８】
図２に示すように、インナーシャフト１２に固着された大径のベベルギア２０は、アウターシャフト１０に固着された正面側の回転体５内部の中心に配置されるとともに、このベベルギア２０は前方側に向かって窄まるように（前方側の直径が後方側の直径よりも小さくなるように）配置されている。このようにベベルギア２０を配置することで、ベベルギア２０の回転方向と回転体５の回転方向とを逆向きにすることができる。更に、この大径のベベルギア２０には、５つの小径のベベルギア２１が係合されており、５つの小径のベベルギア２１は、回転体５の外周に配置された５本の回転円柱７の基部に連結されるユニバーサルジョイント２２に取り付けられている。【００２９】
図３に示す発電機構部３内部の駆動モータ１８を駆動させるとインナーシャフト１２を介して駆動モータ１８の動力が大径のベベルギア２０に伝達され、このベベルギア２０に係合される５つの小径のベベルギア２１が回転され、各々のベベルギア２１に連結されたユニバーサルジョイント２２を介して５本の回転円柱７が軸回り（軸心β１回り）に回転されるようになっている。【００３０】
マグナス型風力発電装置１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４を駆動させて、回転体５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３を旋回させる。すると図３に示すように、マグナス型風力発電装置１の正面側から自然風Ｎが当たるようになる。【００３１】
そして、発電機構部３内部のバッテリー（図示略）に蓄えられている起動用の電力を駆動モータ１８に供給し、駆動モータ１８を駆動させる。インナーシャフト１２およびベベルギア２０、２１を介して駆動モータ１８の動力が伝達され、各々の回転円柱７が回転しはじめる。各々の回転円柱７の回転と風力との相互作用で生じるマグナス揚力Ｙによって、回転円柱７および回転体５は、回転体５およびアウターシャフト１０の軸心α１を中心として回転されるようになる。【００３２】
図５を参照して回転円柱７の回転方向と突条８の巻き方について詳述すると、回転円柱７の先端側から見たときに、回転円柱７のスパイラル状の突条８の巻き方が右ネジ状の右螺旋状をなす場合、回転円柱７の回転方向は左回りとなっている。突条８のスパイラルの巻き方向が回転円柱７の回転方向に対して逆向きとなっているため、図２および図４に示すように、回転円柱７の外周表面を流れる空気を回転体５に近づく方向に向けて流すことができる。【００３３】
図４に示すように、スパイラル状の突条８が回転円柱７に施されることにより、回転円柱７の回転時に、スパイラル状の突条８によって、空気の流れＦ１が発生する。この際、回転円柱７の外周表面に、自然風Ｎや回転円柱７と伴に回転する回転円柱７の表層の空気の動きとは別に、回転円柱７の軸と平行な空気の流れ成分Ｖ１を発生させることができる。図２に示すように、この空気の流れ成分Ｖ１は、回転円柱７の先端側から回転体５に向けて流れるようになっている。【００３４】
図４および図５に示すように、回転円柱７の外周の空気流、すなわち回転円柱７の外周表面に空気流動Ｆ１を発生させることで、自然風Ｎと、回転円柱７と伴に回転する回転円柱７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。【００３５】
そして図５に示すように、各々の回転円柱７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。ここで言う空気流動手段で与えられる空気の流れＦ１は、全てが回転円柱７と平行である必要はなく、少なくとも回転円柱７と平行なベクトル成分Ｖ１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７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。【００３６】
また、エンドキャップ９を利用すると、マグナス効果が向上するようになっている。すなわちエンドキャップ９が回転円柱７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９が空気流Ｆ１に好影響を与え、マグナス揚力Ｙの向上が見られる。【００３７】
そして図３に示すように、回転体５が回転すると、アウターシャフト１０の後端に連結された発電機１５が駆動されて発電が行われる。スパイラル状の突条８が回転円柱７に設けられることによって、マグナス揚力Ｙが増大され、発電機１５を駆動するアウターシャフト１０の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１の発電効率を上げることができるようになっている。【００３８】
尚、発電機１５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７を回転させるための駆動モータ１８に供給させて補助電力として利用でき、かつ次回の起動用の電力としてバッテリー（図示略）に蓄えることもできる。【００３９】
また、ベベルギア２０、２１を用いて回転円柱７の本数（５本）よりも少ない個数（１個）の駆動モータ１８を用いて各回転円柱７を回転させているため、駆動モータ１８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１の発電効率を上げることができるようになっている。尚、５つの小径のベベルギア２１が係合される大径のベベルギア２０が前方側に向かって窄まるように配置されており、このベベルギア２０の回転方向と回転体５の回転方向とが逆向きになっていることで、最小限度の駆動モータ１８の回転数（回転トルク）で回転円柱７を効率的に回転させることができる。【００４０】
図２および図４に示す符号Ｋは、各々の回転円柱７が回転体５の軸心α１を中心として回転したときに、回転体５の軸心α１に交差する線分Ｌに対して垂直方向に流れる空気流であり、例えば回転円柱７の軸心β１が、回転体５の軸心α１に交差している場合には、回転円柱７の外周表面に対して空気流Ｋが垂直に当たるようになっている。【００４１】
本実施例では、回転円柱７の軸心β１が、回転体５の軸心α１と交差しないように、回転円柱７の先端面が回転体５の回転方向に向くように傾けられていることで、回転円柱７に当たる空気流Ｋが回転円柱７の外周表面に対して斜め方向から当たるようになる。そのため回転円柱７に加わる空気流Ｋによる抗力が低減され、発電機１５を駆動する回転体５およびアウターシャフト１０の回転トルクが向上されるようになる。【００４２】
また、回転円柱７の先端面が回転体５の回転方向に向くように傾けられていることで、回転円柱７の外周表面の空気の流れ成分Ｖ１が、回転円柱７の先端から回転体５の方向に向けて流れ易くなり、空気の流れ成分Ｖ１の流速を速めることができる。そのため回転円柱７を回転させるための駆動モータ１８の消費電力を低減させることができる。【００４３】
尚、エンドキャップ９が所定曲率のラウンド面９ａを有していることで、空気流をスムーズに回転円柱７の先端面から回転円柱７の外周表面に流すことができ、回転円柱７の先端で発生するカルマン渦等の発生を低減させることができる。そのため回転円柱７の先端に加わる空気流Ｋによる抗力が低減される。【００４４】
尚、回転円柱７が回転体５の回転方向に対して傾けられることで、回転円柱７と回転体５が回動したときの正面視での直径を小さく構成できる。すなわち回転円柱７を傾けた分だけ回転円柱７の長さを長く構成できることを示しており、そのためマグナス型風力発電装置１の全体の大きさを変えずに、回転円柱７に当たる自然風の量を増大させることができる。【００４５】
従来用いられているプロペラ型風力発電装置では、発電を開始できる自然風の風速が比較的高速（５ｍ以上）である必要があり、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、効率よく発電することができなかった。本発明のマグナス型風力発電装置１は、回転円柱７を回転させるための電力が必要になっているが、風速が比較的高速域（５ｍ以上）の自然風のみならず、風速が低速域（５ｍ以下）の自然風であっても、プロペラ型風力発電装置よりも高い効率で発電でき、本実施例のマグナス型風力発電装置１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。【００４６】
また、本発明のマグナス型風力発電装置１は、自然風の風速が所定の風速以上になったときに、駆動モータ１８の動力を使用しなくても回転体５を回転させることができる。具体的に説明すると、例えば、回転体５の中心に配置される大径のベベルギア２０を固定させた状態で回転体５が回転されると、大径のベベルギア２０に係合されている小径のベベルギア２１が回転するようになっている。つまり自然風が有しているエネルギーが、回転体５が回転するときの摩擦抵抗と、回転円柱７が回転するときの摩擦抵抗とを合わせた抵抗を上回り、かつ回転円柱７を所定の回転数（マグナス揚力Ｙを発生させる回転数）で回転させるエネルギーを有していれば、回転体５が自然風のエネルギーのみで回転を持続できるようになっている。【００４７】
更に詳述すると、本発明のマグナス型風力発電装置１の制御回路（図示略）は、セルフチューニング機能を備えており、自然風の風速や、回転体５の回転数に合わせて駆動モータ１８の回転数（回転トルク）を任意に変化させることができる。制御回路（図示略）は、自然風の風速が所定の風速以上の場合に、発電開始時に駆動モータ１８を駆動させて回転円柱７を回転させた後、回転体５が回転し始めたら駆動モータ１８の駆動を停止させて自然風のエネルギーのみで発電をさせるように制御する。尚、自然風のエネルギーのみで回転体５を回転させようとすると、ベベルギア２０が逆回転する場合があるが、駆動モータ１８と、この駆動モータ１８に接続されているギア１９との間に、ワンウェークラッチ（図示略）を配置することで、駆動モータ１８を停止させても、ベベルギア２０が逆回転しないようになる。
【実施例２】
【００４８】
次に、実施例２に係るマグナス型風力発電装置２３について、図６を参照して説明する。尚、実施例１に示される構成部分と同一構成部分に付いては同一符号を付して重複する説明を省略する。図６は、実施例２におけるマグナス型風力発電装置２３を示す側面図である。以下、図６の右側をマグナス型風力発電装置２３の正面側（前方側）として説明する。【００４９】
実施例２におけるマグナス型風力発電装置２３の回転体２４（水平回転軸）は、図２に示す実施例１におけるマグナス型風力発電装置１と同様に、正面視で右回りに回転するように軸支されている。回転体２４の外周に放射状に配置されている回転円柱２５は、回転円柱２５の先端面が回転体２４の回転方向を向くように傾けられおり、この回転円柱２５の軸心β２は、回転体２４の軸心α２に交差する線分Ｌから所定角度θ２開くように回転体２４の回転方向に傾けられている。【００５０】
図６に示すように、回転円柱２５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２条の突条２６が一体に巻き回して形設されており、突条２６は、回転円柱２５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。回転円柱２５の先端面には、回転円柱２５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９が取り付けられており、このエンドキャップ９には、所定曲率のラウンド面９ａが形成されている。【００５１】
また図６に示すように、回転円柱２５は、回転円柱２５の先端面が風上方向、すなわちマグナス型風力発電装置２３の正面側（前方側）を向くように傾けられおり、この回転円柱２５の軸心β２は、側面視において鉛直方向を向く線分Ｔから所定角度θ２（本実施例ではθ２≒１５°）開くように正面側に傾けられている。【００５２】
マグナス型風力発電装置２３を用いて発電する際には、回転体２４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３を旋回させ、マグナス型風力発電装置２３の正面側から自然風Ｎが当たるようにし、駆動モータ１８を駆動させることで、回転円柱２５を軸周りに回転させる。すると各々の回転円柱２５の回転と風力との相互作用で生じるマグナス揚力Ｙによって、回転円柱２５および回転体２４は、回転体２４の軸心α２を中心として回転されるようになり、発電機１５が駆動されて発電が行われる。【００５３】
回転円柱２５の先端側から見たときに、回転円柱２５のスパイラル状の突条２６の巻き方が右ネジ状の右螺旋状をなす場合、回転円柱２５の回転方向は左回りとなっている。突条２６のスパイラルの巻き方向が回転円柱２５の回転方向に対して逆向きとなっているため、回転円柱２５の軸と平行な空気の流れ成分Ｖ２は、回転円柱２５の先端から回転体２４に近づく方向に向けて流れるようになっている。【００５４】
図６に示すように、回転円柱２５は先端面が風上方向（正面側）を向くように傾けられているため、マグナス型風力発電装置２３の正面側から流れる自然風Ｎが、回転円柱２５の外周表面に対して斜め方向から当たるようになり、回転円柱２５の外周表面の空気の流れ成分Ｖ２が回転体２４に近づく方向に向けて流れ易くなり、空気の流れ成分Ｖ２の流速を速めることができる。そのため回転円柱２５を回転させるための駆動モータ１８の消費電力を低減させることができる。【００５５】
尚、エンドキャップ９が所定曲率のラウンド面９ａを有していることで、自然風Ｎをスムーズに回転円柱２５の先端面から回転円柱２５の外周表面に流すことができ、回転円柱２５の先端で発生するカルマン渦等の発生を低減させることができる。そのため回転円柱２５の先端に加わる自然風Ｎによる抗力が低減される。
【実施例３】
【００５６】
次に、実施例３に係るマグナス型風力発電装置２７について、図７から図８を参照して説明する。尚、実施例１に示される構成部分と同一構成部分に付いては同一符号を付して重複する説明を省略する。図７は、実施例３におけるマグナス型風力発電装置２７を示す正面図であり、図８は、実施例３におけるマグナス型風力発電装置２７を示す側面図である。以下、図８の右側をマグナス型風力発電装置２７の正面側（前方側）として説明する。【００５７】
図７に示すように、実施例３におけるマグナス型風力発電装置２７の回転体２８（水平回転軸）は、正面視で右回りに回転するように軸支されている。回転体２８の外周に放射状に配置されている回転円柱２９は、回転円柱２９の先端面が回転体２８の回転方向と逆方向を向くように傾けられおり、この回転円柱２９の軸心β３は、回転体２８の軸心α３に交差する線分Ｌから所定角度θ３（本実施例ではθ３≒３０°）開くように回転体２８の回転方向と逆方向に傾けられている。【００５８】
図７および図８に示すように、回転円柱２９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２条の突条３０が一体に巻き回して形設されており、突条３０は、回転円柱２９の先端面から見たときに左ネジ状の左螺旋状をなすように固着されている。【００５９】
また図８に示すように、回転円柱２９は、回転円柱２９の先端面が風下方向、すなわちマグナス型風力発電装置２７の背面側（後方側）を向くように傾けられおり、この回転円柱２９の軸心β３は、側面視において鉛直方向を向く線分Ｔから所定角度θ４（本実施例ではθ４≒１５°）開くように背面側に傾けられている。【００６０】
マグナス型風力発電装置２７を用いて発電する際には、回転体２８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３を旋回させることで、マグナス型風力発電装置１の正面側から自然風Ｎが当たるようにし、駆動モータ１８を駆動させることで、回転円柱２９を軸周りに回転させる。すると各々の回転円柱２９の回転と風力との相互作用で生じるマグナス揚力Ｙによって、回転円柱２９および回転体２８は、回転体２８の軸心α３を中心として回転されるようになり、発電機１５が駆動されて発電が行われる。【００６１】
図７を参照して回転円柱２９の回転方向と突条３０の巻き方について詳述すると、回転円柱２９の先端側から見たときに、回転円柱２９のスパイラル状の突条３０の巻き方が左ネジ状の左螺旋状をなす場合、回転円柱２９の回転方向は左回りとなっている。突条３０のスパイラルの巻き方向が回転円柱２９の回転方向に対して同じ向きとなっているため、回転円柱２９の外周表面を流れる空気を回転体２８から離れる方向に流すことができる。【００６２】
図７に示すように、回転円柱２９に施されたスパイラル状の突条３０によって、空気の流れＦ３が発生し、回転円柱２９の外周表面に、回転円柱２９の軸と平行な空気の流れ成分Ｖ３を発生させることができる。この空気の流れ成分Ｖ３は、回転体２８から離れるように回転円柱２９の先端側に向けて流れるようになっている。【００６３】
図７に示す符号Ｋは、各々の回転円柱２９が回転体２８の軸心α３を中心として回転したときに、回転体２８の軸心α３に交差する線分Ｌに対して垂直方向に流れる空気流である。本実施例では、回転円柱２９の軸心β３が、回転体２８の軸心α３と交差しないように、回転円柱２９の先端面が回転体２８の回転方向と逆方向に向くように傾けられていることで、回転円柱２９に当たる空気流Ｋが回転円柱２９の外周表面に対して斜め方向から当たるようになる。そのため回転円柱２９に加わる空気流Ｋによる抗力が低減され、発電機１５を駆動する回転体２８およびアウターシャフト１０（水平回転軸）の回転トルクが向上されるようになる。【００６４】
また図７に示すように、回転円柱２９の先端面が回転体２８の回転方向と逆方向に向くように傾けられていることで、回転円柱２９の外周表面の空気の流れ成分Ｖ３が、回転体２８から離れる方向に向けて流れ易くなり、空気の流れ成分Ｖ３の流速を速めることができる。そのため回転円柱２９を回転させるための駆動モータ１８の消費電力を低減させることができる。【００６５】
尚、回転円柱２９の外周表面の空気の流れ成分Ｖ３が、回転体２８から離れる方向に向けて流す際には、回転円柱２９の先端面に実施例１および実施例２のようなエンドキャップ９を設けない方が、空気流をスムーズに回転円柱２９の先端から風下方向に流すことができる。【００６６】
図８に示すように、回転円柱２９は先端面が風下方向（背面側）を向くように傾けられているため、マグナス型風力発電装置２７の正面側から流れる自然風Ｎ、回転円柱２９の外周表面に対して斜め方向から当たるようになり、回転円柱２９の外周表面の空気の流れ成分Ｖ３が回転円柱２９の先端側に向けて流れ易くなり、空気の流れ成分Ｖ３の流速を速めることができる。そのため回転円柱２９を回転させるための駆動モータ１８の消費電力を低減させることができる。【００６７】
また図８に示すように、実施例３におけるマグナス型風力発電装置２７の回転体２８の中心に配置される大径のベベルギア２０は、後方側に向かって窄まるように（後方側の直径が前方側の直径よりも小さくなるように）配置されている。このようにベベルギア２０を配置することで、ベベルギア２０の回転方向と、回転体５の回転方向とが同じ向きになり、自然風がマグナス型風力発電装置２７にあたって回転体２８が回転し始めるときに、回転体２８の回転がベベルギア２０の回転によって補助され、回転体２８が回転し易くなる。このようなベベルギア２０の配置は、マグナス型風力発電装置２７を大型化した場合や、年間平均風速が低い地域にマグナス型風力発電装置２７を設置する場合などに有効である。【００６８】
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。【００６９】
例えば、前記実施例では、回転円柱７、２５、２９に施される空気流動手段として、スパイラル状の突条８、２６、３０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７、２５、２９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。【００７０】
また、前記実施例では、回転円柱７、２５、２９の基部が、回転体５、２４、２８に固定されており、回転円柱７、２５、２９の軸心β１、β２、β３と、回転体５、２４、２８の軸心α１、α２、α３に交差する線分Ｌとの間の所定角度θ１、θ３や、回転円柱７、２５、２９の軸心β２、β３と、鉛直方向を向く線分Ｔとの間の所定角度θ２、θ４が固定されていたが、本発明はこれに限定されるものではなく、回転円柱７、２５、２９の基部を、回転体５、２４、２８に対して可動可能とし、自然風Ｎの速さや天候などの状況に応じて前記所定角度θ１、θ２、θ３、θ４を変化させ、回転円柱７、２５、２９の傾きを自在に変えられるようにしてもよい。【００７１】
尚、回転円柱７、２５、２９の軸心β１、β２、β３と、回転体５、２４、２８の軸心α１、α２、α３に交差する線分Ｌとの間の所定角度θ１、θ３、および回転円柱７、２５、２９の軸心β２、β３と、鉛直方向を向く線分Ｔとの間の所定角度θ２、θ４は０°〜３０°の角度範囲が適しており、この所定角度θ１、θ２、θ３、θ４の適する角度範囲は、自然風Ｎの速さや天候などの状況に応じて変化する。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
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。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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