专利名称：马格纳斯型风力发电装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及通过由各旋转圆柱的旋转与风力的相互作用生成的马格纳斯升力，使上述水平旋转轴旋转，来驱动发电机构部的马格纳斯型(Magnus type)风力发电装置。
背景技术：
作为效率型风力发电装置，利用萨伏纽斯风车的装置已得到实际应用，但由于萨伏纽斯风车的叶片不能超过风速进行旋转，发电能力小，所以不适用大电力发电。另一方面，作为发电能力较高且实用的风力发电装置，具有利用螺旋桨型风车的装置，但存在风车效率在低风速区不能得到提高的问题。
除了这些方法以外，一种马格纳斯型风力发电装置也已众所周知(例参考专利文献1，2)，其相对于水平旋转轴，将所需数量的旋转圆柱配置成放射状，以使之产生马格纳斯升力，使水平旋转轴旋转，来进行发电。
专利文献1美国专利第4366386号说明书。
专利文献2俄罗斯联邦专利第2189494C2号说明书。
发明欲解决的问题专利文献1所示的马格纳斯型风力发电装置，由于是通过使旋转圆柱旋转而产生马格纳斯升力，使水平旋转轴旋转，来进行发电，所以若要提高发电量就必须提高旋转圆柱的转速来增大马格纳斯升力。但为使旋转圆柱高速旋转，就会消耗较多的能量，导致发电效率降低。
专利文献2中记载的马格纳斯型风力发电装置，由于利用了随风转动的萨伏纽斯转子使旋转圆柱旋转，故可省略旋转圆柱的传动机构，且没有必要设置使旋转圆柱旋转的驱动马达等。但由于萨伏纽斯转子不会超过风速进行旋转，不能提高旋转圆柱的旋转速度，所以不能产生大的马格纳斯升力，不适用于高效率发电。
发明内容
本发明一举解决了这些问题，提供从低风速区到高风速区均能够高效率发电的马格纳斯型风力发电装置。
为解决上述课题，本发明的第一方面所述的马格纳斯型风力发电装置具有向发电机构部传递旋转力矩的水平旋转轴；从该水平旋转轴呈放射状地配置的所需数量的旋转圆柱，以及使该各旋转圆柱围绕这些旋转圆柱的轴转动的驱动马达，通过由上述各旋转圆柱的旋转和风力的相互作用产生的马格纳斯升力，使上述水平旋转轴旋转，来驱动发电机构部，其特征在于在上述旋转圆柱的外表面的预定位置上，设置有产生气流来增大马格纳斯升力的空气流动单元。
除了自然风和随旋转圆柱的旋转的旋转圆柱的表面的空气流动外，通过在旋转圆柱的外周表面上产生气流，而使由各旋转圆柱的旋转和风力的相互作用而产生马格纳斯升力增大，本发明正是基于发明者发现的这一新的原理，使驱动发电机构部的水平旋转轴的旋转力矩增大，成功地使风力发电装置的发电效率从低速区到较高风速区都大大得到提高。
本发明第二方面所述的马格纳斯型风力发电装置，在第一方面记载的马格纳斯型风力发电装置的基础上，其特征在于，上述空气流动单元，在上述旋转圆柱的外周表面上产生至少和该旋转圆柱的轴平行的空气的分流。
根据该特征，相对于由自然风和随旋转圆柱旋转的旋转圆柱的表面的空气流动而产生马格纳斯升力，又有和旋转圆柱轴平行的空气分流，由此形成三维气流，如试验确认的那样，使马格纳斯升力即加在旋转圆柱上的力增大，在这里由空气流动单元所赋予的气流不必全部都和旋转圆柱平行，至少有和旋转圆柱平行的矢量成分就会有充分的效果。
本发明第三方面所述的马格纳斯型风力发电装置在第一或第二方面所述的马格纳斯型风力发电装置基础上，其特征在于，上述空气流动单元在上述旋转圆柱的外周表面上产生和该旋转圆柱的轴平行且朝向远离上述水平旋转轴的方向的空气分流。
根据该特征，通过空气流动单元，在旋转圆柱的外周表面上产生远离水平旋转轴的气流，因此使在旋转圆柱上产生的马格纳斯升力增大。
本发明第四方面所述的马格纳斯型风力发电装置是在第一或第二方面所述的马格纳斯型风力发电装置的基础上，其特征在于，上述空气流动单元在上述旋转圆柱的外周表面产生和该旋转圆柱的轴平行且指向上述水平旋转轴方向的空气分流。
根据该特征，通过空气流动单元，在旋转圆柱的外周表面上产生指向水平旋转轴的气流，因此使在旋转圆柱上产生的马格纳斯升力增大。
本发明第五方面所述的马格纳斯型风力发电装置，是在第一至第四方面所述的马格纳斯型风力发电装置的基础上，其特征在于，上述空气流动单元在上述旋转圆柱的外周表面上设置有翅片(fin)部件。
根据该特征，在旋转圆柱旋转时，使旋转圆柱周围的空气在翅片部件上流动，可以增大在旋转圆柱上产生的马格纳斯升力。
本发明第六方面所述的马格纳斯型风力发电装置是在第五方面所述的马格纳斯型风力发电装置的基础上，其特征在于，作为上述空气流动单元的翅片部件是，在上述旋转圆柱的外周表面上设置的螺旋状的突条。
根据该特征，在旋转圆柱旋转时，通过螺旋状突条使空气均一，稳定地在旋转圆柱的宽广表面上流动，可以增大马格纳斯升力，并且也可降低风声(風切り音)。
本发明第七方面所述的马格纳斯型风力发电装置，在第一至第七方面的任何一项所述的马格纳斯型风力发电装置的基础上，其特征是，在上述旋转圆柱的顶端设置有比该旋转圆柱直径大的端盖。
根据该特征，实验证明在产生上述气流时，安装端盖可提高马格纳斯效果。另外根据实验可以看出，在设有端盖的情况下，使气流流向水平旋转轴的此方式，比与此相反地使气流呈放射状流动的方式更能增大马格纳斯效果。
本发明第八方面所述的马格纳斯型风力发电装置，是在第六或第七方面所述的马格纳斯型风力发电装置的基础上，其特征在于，上述突条由多条螺旋状突条组成。
根据该特征，通过设置多条螺旋状突条，即使不加大螺旋状突条的直径也可使更多的空气平滑在旋转圆柱的表面上流动，从而提高马格纳斯效果。
本发明第九方面所述的马格纳斯型风力发电装置，是在第一至第八方面所述的马格纳斯型风力发电装置的基础上，其特征在于，在上述旋转圆柱的外周表面上，形成多个凹凸部(デンプル)。
根据该特征，在旋转圆柱绕轴旋转时，大量的凹凸部可扰乱该圆柱表面的气流(边界层)，可抑制剥离，增加循环，追加地增大旋转圆柱上所产生的马格纳斯升力。此处凹凸部只要是能扰乱表面气流的凹凸，无论什么形状均可。
本发明第十方面所述的马格纳斯型风力发电装置，是在第六方面所述的马格纳斯型风力发电装置的基础上，其特征是在上述突条的顶端外表面上，设置有凹凸部或突起。
根据该特征，凹凸部或突起可扰乱突条的顶端外表面的表面气流(边界层)，可抑制剥离，增加循环，追加地增大马格纳斯升力。
本发明第十一方面所述的马格纳斯型风力发电装置，在第一至第十方面的任何一项所述的马格纳斯型风力发电装置的基础上，其特征在于，所述旋转圆柱被支撑为，相对于上述水平旋转轴在直径方向上自由伸缩。
根据该特征，通过使旋转圆柱能自由伸缩，可对应自然风的风向或风速使旋转圆柱伸缩来进行发电，通常的情况下，使旋转圆柱伸长，使受风面积最大，从而可增大旋转圆柱的升力，且在强风时，通过使旋转圆柱缩短，可使受风面积变小，从而能防止支柱的倒塌或旋转圆柱的破损。
本发明第十二方面所述的马格纳斯型风力发电装置，是在第一至第十一方面的任何一项所述的马格纳斯型风力发电装置基础上，其特征在于，利用比上述旋转圆柱的所需数量要少的上述驱动马达，可同时驱动该各旋转圆柱旋转。
根据该特征，可节省用于对驱动马达进行驱动的电力，可提高风力发电装置的发电效率。
图1是表示本发明实施例1中马格纳斯型风力发电装置的主视图。
图2是马格纳斯升力的说明图。
图3是图1中的旋转圆柱的A-A剖面图。
图4是表示设置了突条的旋转圆柱的主视图。
图5是表示实施例2中设置了复合体的旋转圆柱的主视图。
图6是表示实施例3中在复合体的突条上设置了凹凸部的旋转圆柱的主视图。
图7是表示实施例4中设置了凹条的旋转圆柱的主视图。
图8是表示实施例5中设置了2条突条的旋转圆柱的主视图。
图9是表示设置了2条突条的立体图。
图10是表示实施例6中旋转圆柱的主视图。
图11是表示实施例7中端盖的立体图。
图12是表示实施例8中马格纳斯型风力发电装置的主视图。
图13是表示实施例9中马格纳斯型风力发电装置旋转体的纵剖侧视图。
图14是表示图13中旋转体的B-B纵剖后视图。
A 马格纳斯型风力发电装置1 支柱2 发电机构部3 水平旋转轴4 旋转体5、5b、5c 旋转圆柱5d、5e旋转圆柱5f、5g旋转圆柱6、6b、6c 突条(空气流动单元，翅片部件)
6e、6f突条(空气流动单元，翅片部件)6g翅片(空气流动单元)7b、7c凹凸部8b、8c覆盖材料9b、9c复合体10c 顶面(顶端外表面)15驱动马达16、16d 端盖16e、16f 端盖16g 端盖17d 凹条(空气流动单元)19内筒20外筒21支柱23水平旋转轴24旋转体25旋转圆柱26突条(空气流通单元，翅片)35驱动马达39内筒40外筒41旋转体42水平旋转轴43旋转圆柱44驱动马达45、46锥齿轮具体实施方式
以下是本发明实施例的说明。
实施例1根据附图对本发明的实施例涉及的马格纳斯型风力发电装置进行说明，首先图1所示是表示本发明实施例1中的马格纳斯型风力发电装置的主视图，图2是马格纳斯升力的说明图，图3所示为图1中旋转圆柱的A-A剖面图，图4是设置了突条的旋转圆柱的主视图。
如果对一般的马格纳斯升力产生原理进行说明，则如图2所示碰到旋转圆柱C端面的气流，朝向图2那样的旋转圆柱C的旋转方向的气流的指向，随旋转圆柱C的旋转流向上方，此时流过旋转圆柱C上方侧的空气的流速比流过旋转圆柱C下方侧的空气流速大，所以通过旋转圆柱C上方侧的负压和下方侧的正压使空气压产生压力差的马格纳斯效果，在旋转圆柱C上，在与气流垂直的方向上产生马格纳斯升力Y0。
图1的符号A是适用于本发明的马格纳斯型风力发电装置，该马格纳斯型风力发电装置A在直立设置于地面的支柱的上部，设置了以铅垂马达(未图示)为中心沿水平方向能自由旋转地被枢转支撑的发电机构部2，该发电机构部2具有在垂直方向被枢转支撑成自由旋转的水平旋转轴3，该水平旋转轴3的一端和设置在发电机构部2的内部的发电机(未图示)联接，同时，水平旋转轴3的另一端固定在旋转体4上。
如图1所示，在旋转体4的内部设置了6个驱动马达15，并且，在旋转体4的外周呈放射状地设置了6根旋转圆柱5，各旋转圆柱5的基部被连接在设置于旋转体4的内部的驱动马达15上。各旋转圆柱5被枢转支撑为通过各驱动马达15的驱动而可以旋转。另外，在旋转圆柱5的顶端面上设安装了具有比旋转圆柱5直径大的圆盘状端盖16。
旋转圆柱5的轴外周面上，一体地缠绕设有作为本实施例的空气流动单元的翅片部件即螺旋状的突条6。该突条6可用合成树脂等材料或耐气候性轻型合金材料制成。对该突条6进行说明，如图4所示，具有所需要宽度、所需要高度的一条突条6被固定成，从旋转圆柱5的顶端面看时形成右螺纹状的右螺旋状。
如图1所示在使用马格纳斯型风力发电装置A发电时，首先由风向仪(图示略)检查出风向，控制电路(图示略)驱动铅垂马达(图示略)，配合风向使发电机构部2旋转，以使风碰到旋转体4的正面侧，然后通过使旋转体4内部的各驱动马达15驱动，而使各旋转圆柱5旋转。
以下对旋转圆柱5的旋转方向和突条6缠绕方式进行详细描述，如图1及图3所示，从旋转圆柱5的顶端部方向看时，在旋转圆柱5的螺旋状突条6的缠绕方式呈右螺纹状的右螺旋状的情况下，旋转圆柱5的旋转方向为左旋。由于突条6的螺旋缠绕方向和旋转圆柱5的旋转方向相反，所以可以使流过旋转圆柱5外周表面的空气流向水平旋转轴3一侧，另外，在突条6的螺旋缠绕方向和旋转圆柱5的旋转方向相同时，可以使流过圆柱5外周表面的空气向远离水平旋转轴3的方向(放射方向)流动。
如图4所示，在旋转圆柱5上设置螺旋状突条6，由此，在旋转圆柱5旋转时，通过螺旋状突条6产生气流F。此时在旋转圆柱5的外周表面，除了自然风和随旋转圆柱5旋转的旋转圆柱5表面的空气流动，另外可以产生和旋转圆柱5的轴平行的空气的分流V。
如图3和4所示，旋转圆柱5外周的空气流，即在旋转圆柱5外周表面上产生的气流V，和自然风及随旋转圆柱5旋转的旋转圆柱5的表面的空气的流动形成三维的气流。
如后述的实验中被确认那样，由各旋转圆柱5的旋转和风力的相互作用而产生的马格纳斯升力Y被增大(参照图3)，这里所说的由空气流动单元所产生的气流F，不必全部和旋转圆柱5平行，只要至少具有和旋转圆柱5平行的矢量分流V就会有充分的效果。虽是考察，但作为提高马格纳斯升力Y的原因，可以考虑提高加在旋转圆柱5上的负压和正压的压力差的现象，或者扩大升力产生面积现象等。
利用端盖16可提高马格纳斯效果的观点在实验中得到了证明。即通过在旋转圆柱5顶端面设置端盖16，可以发现该端盖16给气流F带来正面的影响，提高了马格纳斯升力Y，还有如后所述，根据实验可以了解到，在设置端盖16时，使空气向水平旋转轴方向流动的此方式比与此相反地使空气向放射方向流动的方式更能增大马格纳斯效果。
如图1所示，通过各旋转圆柱5产生的马格纳斯升力Y，使旋转圆柱5和旋转体4以水平旋转轴3为中心旋转，可以驱动连接在水平旋转轴3一端的发电机(图示略)进行发电，并且通过在水平旋转轴3上设置螺旋状突条6，使驱动发电机(图示略)的水平旋转轴3的力矩值(旋转力矩)增大，可以提高马格纳斯型风力发电装置A的发电效率。由发电机开始发电时，可以将该发电的电力的一部分供给用于使旋转圆柱5旋转的驱动马达15，用作辅助电力。
在风洞试验室中对本实施例中所用的旋转圆柱5进行验证试验。有关本实施例中马格纳斯型风力发电装置A的旋转圆柱5和其他发明中旋转圆柱与理想流体的周速比θ和升力系数Cy之间的关系用表1进行说明，表1是表示周速比θ和升力系数Cy的关系的曲线图，如果将旋转圆柱的直径(m)设为d，将旋转圆柱每秒的转数(r/s)设为n，将风速(m/s)设为u，则旋转圆柱的周速比θ用θ＝πdn/u来表示，升力系数Cy是升力Y除以单位体积的风的动能(1/2)ρu2和旋转圆柱的投影面积dl(l为旋转圆柱的长度)的积的值。如果是理想流体则用Cy＝2πθ来表示。周速比θ是使试验结果尽量不随直径d、转速n、风速u的不同而变化的值。升力系数Cy也是用于使实验结果尽量不随风速u、旋转圆柱的尺寸d、l、以及流体密度ρ而变化的值。
表1 如表1所示，曲线(I)表示本发明马格纳斯型风力发电装置A的旋转圆柱5的周速比θ和升力系数Cy的关系，曲线(RO)表示ITAM(俄罗斯)马格纳斯型风力发电装置的旋转圆柱的周速比θ和升力系数Cy的关系，曲线(HA)表示在螺旋桨型风力发电装置上采用较多的NACA4415的叶片(冲角(attack angle)12度的螺旋桨叶片)的周速比θ(对应旋转圆柱的周速比θ的换算值)和升力系数Cy的关系。
在将本发明的旋转圆柱5的曲线(I)与ITAM旋转圆柱的曲线(RO)及NACA4415的叶片的曲线(HA)相比较时，本发明旋转圆柱5的曲线(I)更接近理想流体(不必考虑摩擦和剥离的、理想地流动的无损失的流体)的曲线。
特别地，如果将本发明旋转圆柱5的曲线(I)和ITAM旋转圆柱的曲线(RO)相比较，则在周速比较低的状态(θ≈1.5以下)下，本发明旋转圆柱5的曲线(I)的升力系数Cy，比ITAM旋转圆柱的曲线(RO)的升力系数Cy高。
这表明旋转圆柱的转速n在比较低的状态下，本发明的马格纳斯型风力发电装置A的旋转圆柱5，更能有效的生成马格纳斯升力Y。即使旋转圆柱5的转速是低转速n，本发明的马格纳斯型风力发电装置A也能够以较高的马格纳斯升力Y使水平旋转轴3旋转，所以可节省驱动马达15用于驱动旋转圆柱5旋转所消耗的电力，能够高效率发电。
本实施例中马格纳斯型风力发电装置A的端盖16，和发电机构部2的水平旋转轴3的力矩值N(旋转力矩)，以及周速比θ的关系用表2和3进行说明，以下，在本实施例中将使流过该旋转圆柱5的外周表面的空气朝向水平旋转轴3流动的旋转圆柱5的旋转方向称为正转，将使流过旋转圆柱5的外周表面的空气向远离水平旋转轴3方向流动的旋转圆柱5的旋转方向称为反转。
表2表示使直径为φ70的旋转圆柱5正转时的周速比θ和力矩值N的关系的曲线图，曲线a表示没有设置螺旋状突条6和端盖16等的旋转圆柱5的周速比θ和力矩值N的关系，曲线(b)表示设置了螺旋状突条6的旋转圆柱5的周速比θ和力矩值N的关系，曲线(c)表示在设置了螺旋状突条6的旋转圆柱5上安装有直径为φ140的端盖16时的周速比θ和力矩值N的关系，曲线(d)表示在设置了螺旋状突条6的旋转圆柱5上安装有直径为φ200的端盖16时的周速比θ和力矩值N的关系。
没有设置螺旋状突条6的旋转圆柱5的曲线(a)和设置了螺旋状突条6的旋转圆柱5的正转曲线(b)相比较，由于通过突条6可增大在旋转圆柱5上产生的马格纳斯升力Y，所以设置了螺旋状突条6的旋转圆柱5的曲线(b)的力矩值N，比没设置突条6的旋转圆柱5的曲线(a)的力矩值N要高。
在设置了突条6的旋转圆柱5的正转曲线(b)和曲线(c)中，没有设置端盖16的旋转圆柱5的曲线(b)和在旋转圆柱5上安装有直径为φ140的端盖16时的曲线(c)相比较，可以看出，通过在旋转圆柱5上的端盖16附近所产生的马格纳斯效果而使力矩值N提高，通过设置端盖16，而在旋转圆柱5的顶端面附近产生较大的马格纳斯升力Y，即设置了端盖16的旋转圆柱5的曲线(c)的力矩值N，比没有设置端盖16的旋转圆柱5的曲线(b)的力矩值N要大。
在正转时，在旋转圆柱5上安装有直径为φ140的端盖16的曲线(c)和在旋转圆柱5上安装有直径为φ200的端盖16的曲线(d)相比较，安装有大直径的端盖16的旋转圆柱5的曲线(d)的力矩值N比安装有小直径的端盖16的旋转圆柱5的曲线(c)的力矩值N大，如该表2所示，可以看出通过在设置了突条6的旋转圆柱5上安装端盖16，而产生更大的马格纳斯升力Y。
表3是表示旋转圆柱5反转时周速比θ和力矩值N的关系的曲线图，曲线(a)表示没有设置螺旋状突条6和端盖16的旋转圆柱5的周速比θ和力矩值N的关系，曲线(e)表示设置了螺旋状突条6的旋转圆柱5的周速比θ和力矩值N的关系，曲线(f)表示在设置了螺旋状突条6的旋转圆柱5上安装有直径为φ140的端盖16时的周速比θ和力矩值N的关系，曲线(g)表示在设置了螺旋状突条6的旋转圆柱5上安装有直径为φ200的端盖16时的周速比θ和力矩值N的关系。
没有设置螺旋状突条6的旋转圆柱5的曲线(a)和设置了螺旋状突条6的旋转圆柱5的反转曲线(e)相比较，由于通过突条6可增大在旋转圆柱5上产生的马格纳斯升力Y，故设置了突条6的旋转圆柱5的曲线(e)的力矩值N，比没有设置突条6的旋转圆柱5的曲线(a)的力矩值N要大。
在设置了螺旋状的突条6的旋转圆柱5的反转曲线(e)和曲线(f)中，没有设置端盖16的旋转圆柱5的曲线(e)和在旋转圆柱5上安装有直径为φ140的端盖16时的曲线(f)相比较，可以看出，通过在旋转圆柱5上的端盖16附近产生的马格纳斯升力Y而提高力矩值N，通过设置端盖16，而在旋转圆柱5的顶端面附近产生较大的马格纳斯升力Y，即设置了端盖16的旋转圆柱5的曲线(f)的力矩值N，比没有设置端盖16的旋转圆柱5的曲线(e)的力矩值N要大。
在反转时，在旋转圆柱5上安装有直径为φ140的端盖16的曲线(f)和在旋转圆柱5上安装有直径为φ200的端盖16的曲线(g)相比较，安装有大直径的端盖16的旋转圆柱5的曲线(g)的力矩值N，比安装有小直径的端盖16的旋转圆柱5的曲线(f)的力矩值N大，如表3所示，可以看出，通过在设置了突条6的旋转圆柱5上安装端盖16，可产生更大的马格纳斯升力Y。
如表2及表3所示，可以看出设置了突条6等空气流动单元的旋转圆柱5的曲线(b～g)与没有设置空气流动单元的旋转圆柱5的曲线(a)相比力矩值N增大，从该试验结果可以发现新的原理，即，除了自然风和随旋转圆柱5的旋转的旋转圆柱5的表面的空气流动，通过在旋转圆柱5的外周表面产生的空气流动，使由各旋转圆柱5的旋转和风力的相互作用所产生的马格纳斯升力Y增大。在本实施例的马格纳斯型风力发电装置A中，使驱动发电机构部2的水平旋转轴3的力矩值N增大，从而从低风速区到较高风速区都能成功地使马格纳斯型风力发电装置A的发电效率大大提高。另外，实验证明在赋予空气流时，安装端盖16能够提高马格纳斯效果。
将表2和表3进行比较时，将旋转圆柱5的正转曲线(b～d)和旋转圆柱的反转曲线(e～g)相比较，使旋转圆柱5正转，以使流过旋转圆柱5的外周表面的空气向水平旋转轴3流动时，能增大力矩值N，根据此实验结果可知，在设置有端盖16的情况下，使空气流向水平旋转轴3的方式比与此相反地使空气向远离水平旋转轴3的方向流动的方式更能增大马格纳斯效果。
本实施例中马格纳斯型风力发电装置A的突条6和发电机构部2上的水平旋转轴3的力矩值N(旋转力矩)与风速u的关系用表4来说明，表4是表示使旋转圆柱5以转速1080[min-1]旋转时，风速u和转矩N的关系的曲线图。曲线(h)为没有设置螺旋状突条6的旋转圆柱5的风速u和力矩值N的关系，曲线(i)为设置了螺旋状突条6的旋转圆柱5的风速u和力矩值N的关系。
即，可以看出，没有沿着旋转圆柱5设置作为增加空气流动的单元的突条6的旋转圆柱5的曲线(h)和设置了突条6的旋转圆柱5的曲线(i)相比较，没有设置突条6的旋转圆柱5的曲线(h)的力矩值N和风速u无关，基本保持一定。设置突条6的旋转圆柱5的曲线(i)的力矩值N随风速u的增大而增大，风力能高效率地转换为马格纳斯升力Y。
这显示了自然风的风速从平时的低速到高速强风时，本发明的马格纳斯型风力发电装置A的旋转圆柱5，均能效率更高地产生马格纳斯升力Y，因此，可提高水平旋转轴3的旋转效率，能制成能量损耗少的马格纳斯型风力发电装置A，同时从低速区到高速区的自然风均能发电。
另外如表4所示，在没有设置突条6的旋转圆柱5的曲线(h)中，风速u达到20m时，产生逆马格纳斯效果，使力矩值N变为负值，但曲线(i)所示设置了突条6的旋转圆柱5较难受逆格纳斯效果的影响，力矩值N被增大。
其次，在室外进行本实施例中的马格纳斯型风力发电装置A的验证实验，用其实验结果，并利用表5对本实施例中马格纳斯型风力发电装置A和螺旋桨型风力发电装置的风速和所发电的发电功率W进行说明。表5是表示风车直径为2m的本实施例中马格纳斯型风力发电装置A和螺旋桨型风力发电装置的风速和发电功率W的关系的曲线图，曲线(j)是表示现有的螺旋桨型风力发电装置的风速和发电功率W的关系的曲线，曲线(k)是表示本实施例的马格纳斯型风力发电装置A的风速和发电输出功率W曲的关系的曲线，线(l)是表示年平均风速为6m时的风速的瑞利(rayleigh)分布的曲线(观测地秋田县)。
在年均风速的瑞利分布的曲线(l)中的风速相对频率(％)最高的风速5m附近，现有型的螺旋桨型风力发电装置的曲线(j)的发电输出功率W和本实施例的马格纳斯型风力发电装置A的曲线(k)的发电输出功率W相比较，马格纳斯型风力发电装置A的曲线(k)的发电输出功率W比螺旋桨型风力发电装置的曲线(j)的发电输出功率W高。
这显示了在一年中发生最多的风速是低速区(5m以下)的自然风这方面，本实施例中的马格纳斯型风力发电装置A比螺旋桨型的风力发电装置，能更高效地发电。若用本实施例中的马格纳斯型风力发电装置A，则比以前的螺旋桨型的风力发电装置可确保更多的年发电量。
实施例2以下，关于实施例2中的旋转圆柱5b的空气流动单元，参照图5进行说明。与前述结构相同的结构，省略重复说明。
图5是表示实施例2的设置有复合体9b的旋转圆柱5b的主视图，在由合成树脂或耐气候性轻型合金等制成的覆盖材料8b的表面，凹凸地设置大量的凹凸部7b，并通过与该覆盖材料8b的表面以所需的引导方式缠绕成一体的本实例的作为空气流动单元的翅片机构、即与螺旋状突条6b组合而成的复合体9b，一体地覆盖在旋转圆柱5b的轴外周面上。
如图5所示，通过在旋转圆柱5b的表面设置凹凸部7b，可增大旋转圆柱5b的表面积，并且利用大量凹凸部7b可扰乱表面气流(边界层)，并通过螺旋状的突条6b可以使空气流平滑地在旋转圆柱5b的表面上流动，在旋转圆柱5b的外表面产生的气流F的分流V，可抑制剥离，增加循环，增大在旋转圆柱5b上产生的马格纳斯升力Y。
另外，也可在没有用覆盖材料8b的旋转圆柱5b的表面上直接凹凸地设置大量的凹凸部7b，并在凹凸地设置有凹凸部7b的旋转圆柱5b的表面上缠绕突条6b。另外在此所说的凹凸部5b，只要是可以扰乱表面气流的凹凸状，无论什么形状均可。
实施例3关于实施例3中旋转圆柱5c的空气流动单元，参照图6进行说明，与前述结构相同的结构，省略重复说明。
图6是表示在实施例3中，在复合体9c的突条6c上设置凹凸部7c的旋转圆柱5c的主视图。复合体9c一体地覆盖在旋转圆柱5c的轴外周面上，该复合体9c通过凹凸地设置了大量凹凸部7c的覆盖材料8c、在此覆盖材料8c的表面设置的在本实施例中作为空气流动单元的翅片部件即螺旋状的突条6c以及在本实例中在作为螺旋状突条6c的顶端外表面的顶面10c上凹凸地设置的大量凹凸部7c组合而形成。
如图6所示，除了凹凸地设置在覆盖材料8c上的大量凹凸部7c以外，在螺旋状突条6c的顶面10c上也形成多个凹凸部7c，由此，由于通过大量的凹凸部7c可扰乱表面气流(边界层)，所以可增大在旋转圆柱5c上生成的马格纳斯升力Y。另外通过突条6c可使空气平滑地在旋转圆柱5c的表面上流动，能使在旋转圆柱5c的外周表面上所产生的气流F产生空气的分流V。
另外，在作为该复合体9c的突条6c上作为顶端外表面的顶面10c中，除了凹凸部7c之外，也可设置半球状的突起，凹凸部7c或突起可扰乱突条6c的顶端外表面的表面气流，同时可抑制剥离，增加循环，并追加地增大在旋转圆柱5c上产生的马格纳斯升力Y。
实施例4有关实施例4中旋转圆柱5d的空气流动单元，参照图7进行说明。另外，对和前述结构相同的结构，省略重复说明。
图7是表示实施例4中设置凹条17d时的旋转圆柱5d的主视图，在旋转圆柱5d的轴外周面上凹设有作为本实施例中的空气流动单元的螺旋状凹条17d。从旋转圆柱5d的顶端面看时，该凹条17d形成为呈右螺旋状，同时在旋转圆柱5d的顶端面上安装有端盖16d。
另外，在使旋转圆柱5d旋转的情况下，从旋转圆柱5d的顶端方向看时，旋转圆柱5d的凹条17d呈右螺旋状时，则该圆柱5d的旋转方向为向左旋转，即凹条17d的螺旋缠绕方向与旋转圆柱5d的旋转方向相反。
因此，由于流过旋转圆柱5d外周表面的空气可以向水平旋转轴侧流动，所以可以在该圆柱5d的外周表面产生气流F，并产生与旋转圆柱5d的轴平行的分流V，使在旋转圆柱5d上生成的马格纳斯升力Y增大，且通过在旋转圆柱5d的顶端面上设置的端盖16d，能影响端盖16d附近的气流，从而在旋转圆柱5d的端盖16d附近产生较大的马格纳斯升力Y。
实施例5对于实施例5的旋转圆柱5e的空气流动单元，参照图8和9进行说明。另外对与前述结构相同的结构，省略重复说明。
图8是表示实施例5中的设置了2条突条6e的旋转圆柱5e的主视图。图9是表示设置了2条突条6e的旋转圆柱5e的立体图。作为本实施例中的空气流动单元的翅片部件即2条螺旋状突条6e被安装在旋转圆柱5e的轴外周面上。从旋转圆柱5e的外端面看时，该构成双重螺旋的突条6e被固定成，从旋转圆柱5e的顶端面看时，形成右螺纹状的右螺旋状，同时，在旋转圆柱5e的顶端面上安装有端盖16e。
另外，在旋转圆柱5e上螺旋状设置的突条6e不限于2条，也可以由3条、4条或4条以上的多条螺旋形构成。通过设置多条突条6e，即使不增大螺旋形的直径，也可使更多的空气通过突条6e平滑地在旋转圆柱5e的表面上流动。因此，可以在旋转圆柱5e的外周表面上产生气流F，并产生与旋转圆柱5e的轴平行的空气的分流V，从而提高在该圆柱5e上产生的马格纳斯效果，增大马格纳斯升力Y。
实施例6以下对于实施例6的旋转圆柱5f的空气流动单元，参照图10进行说明。与前述结构相同的结构，省略重复说明。
图10是表示本实施例6中的旋转圆柱5f的主视图，在旋转圆柱5f的顶端部安装有端盖16f，在旋转圆柱5f的顶端附近的轴外周面上，安装有作为本实施例中的空气流动单元的翅片部件，即2条突条6f，通过在旋转圆5f的顶端部设置端盖16f，并且将突条6f设置在旋转圆柱5f的顶端部附近，而可增大在旋转圆柱5f的顶端部附近产生的马格纳斯升力Y。
实施例7以下，对实施例7的旋转圆柱5g的空气流动单元，参照图11进行说明。另外，与前述结构相同的结构，省略重复说明。
图11是表示实施例7的端盖16g的立体图，在旋转圆柱5g的顶端面上安装有圆盘状的端盖16g，在该端盖16g朝向旋转圆柱5g的内面上，设置了多个作为本实施例中的空气流动单元的翅片6g，该翅片6g被安装成向外方呈放射状展开，并且，为使旋转圆柱5g附近的空气流动而形成弯曲。
如果使图11表示的旋转圆柱5g正转，则由于通过设置在端盖16g上的翅片6g，使端盖16g附近的空气大量流动，以被引向旋转圆柱5g侧，所以在旋转圆柱5g的表面产生空气流动，可以使在该圆柱5g上生成的马格纳斯升力Y增大。另外当使旋转圆柱5g反转时，由于端盖16g附近的空气向外方散发地流动，所以在旋转圆柱5g的表面产生空气流动，可以增大在该圆柱5g上生成的马格纳斯升力Y。
实施例8以下，参照图12对实施例8的马格纳斯型风力发电装置A进行说明。与前述结构相同的结构，省略重复说明。
图12是表示实施例8的马格纳斯型风力发电装置A的主视图，马格纳斯型风力发电装置A的旋转圆柱25具有相对于旋转体24固定的内筒39；以及自由滑动地安装在内筒39的外周上的外筒40。通过根据控制回路(图示略)的控制被驱动的伸缩马达(图示略)，使外筒40相对于水平旋转轴23沿直径方向进行滑动。
在外筒40的轴外周面上，固定了如图4所示作为本实施例1的空气流动单元的翅片部件即突条26。并且，在固定于旋转体24的内筒39的外周面上，凹凸地设置了如图5所示的实例2中的大量的的凹凸部7b，另外，也可以将图6到图11所示的其他的实例3～7中的空气流动单元设置在内筒19或者外筒20上。
如图12所示，由于旋转圆柱25能自由伸缩，故可根据自然风向或风速来使旋转圆柱25伸缩。当风速在平常的低速区时，使旋转圆柱25的外筒40向外方滑动，通过使旋转圆柱25伸长，可以使该圆柱25的受风面积变为最大，可以增大在旋转圆柱25上生成的马格纳斯升力Y，因此马格纳斯型风力发电装置A可实现高效率发电。
并且，在风速为高速的强风时，通过使旋转圆柱25的外筒40向内方滑动，将旋转圆柱25缩短，而可以使旋转圆柱25的受风面积减小，可防止支柱21的倒坍或旋转圆柱25的破损。尤其是在强风时，通过停止使旋转圆柱25旋转的驱动马达35的驱动，而可以使在旋转圆柱25上产生的马格纳斯升力Y消失，从而使旋转体24停止旋转，可防止马格纳斯型风力发电装置A的破坏。特别在本实施例中，由于在旋转圆柱25的顶端侧存在具有突条26的外筒40，所以可得到最大限度的力矩。
实施例9以下，关于本实施例9的马格纳斯型风力发电装置，参照图13、14进行说明。另外，与前述结构相同的结构，省略重复说明。
图13是表示实施例9中的马格纳斯型风力发电装置的旋转体41的纵剖侧视图。图14是表示图13中的旋转体41的B-B纵剖后视图。如图13所示，在与发电机构部相连的水平旋转轴42的正面侧的旋转体41的外周，设置了6根旋转圆柱43，在该旋转体41的内部配置了一个用于使旋转圆柱43旋转的驱动马达44。
驱动马达44与大直径的锥齿轮45连接，如图14所示，该锥齿轮45配置在旋转体41的中心，并且与6根设置了旋转圆柱43的小直径锥齿轮46连接。由于驱动马达44运转时，可以使6根旋转圆柱43旋转，并可用比旋转圆柱43数量少的驱动马达44来使旋转圆柱43旋转，所以可节省用于驱动马达44运转时的电力，可以提高马格纳斯型风力发电装置的发电效率。
以上，根据附图对本发明实施例进行说明，但是具体结构并不局限于这些实例，只要在不脱离本发明宗旨的范围内进行改进和追加，均属于本发明。
例如，在上述实施例中，作为在旋转圆柱上施加的空气流动单元设置了螺旋状突条，但本发明并不局限于此，只要在旋转圆柱的表面形成使升力产生的面，无论用什么方法使空气流动均可。
还有在上述实施例中，在旋转圆柱的顶端面设置了圆盘状端盖，但本发明并不局限于此，只要发挥维持正压侧和负压侧的压力差的作用，无论什么形状均可。
此外，上述实施例中，在旋转体上设置了6根旋转圆柱，但本发明并不局限于此，也可以设置2根、3根或3根以上的所需数量的旋转圆柱。
产业上的利用可能性根据本发明马格纳斯型风力发电装置，可在从大型风力发电到家庭用小型风力发电方面加以活用，对风力发电界有很大的贡献。还有，本发明中马格纳斯型的升力产生的原理，若用于涡轮转子船、涡轮转子飞行器等上，则可提高交通工具的运输效率。
权利要求
1.一种马格纳斯型风力发电装置，具有向发电机构部传递旋转力矩的水平旋转轴；从该水平旋转轴呈放射状配置的所需数量的旋转圆柱；以及驱动该各圆柱绕这些旋转圆柱的轴旋转的驱动马达，通过由所述各旋转圆柱的旋转和风力的相互作用而产生的马格纳斯升力，使所述水平旋转轴旋转，来驱动发电机构部，其特征在于，在所述旋转圆柱的外周表面的预定位置上，设置有产生空气流动而使马格纳斯升力增大的空气流动单元。
2.根据权利要求1所述的马格纳斯型风力发电装置，其特征在于所述空气流动单元在所述旋转圆柱的外周表面上，产生至少与该旋转圆柱的轴平行的空气的分流。
3.根据权利要求1或2所述的马格纳斯型风力发电装置，其特征在于所述空气流动单元在所述旋转圆柱的外周表面上，产生与该旋转圆柱的轴平行并且朝向远离所述水平旋转轴方向的空气的分流。
4.根据权利要求1或2所述的马格纳斯型风力发电装置，其特征在于所述空气流动单元在所述旋转圆柱的外周表面上，产生与该旋转圆柱的轴平行并且朝向所述水平旋转轴方向的空气的分流。
5.根据权利要求1至4所述的马格纳斯型风力发电装置，其特征在于所述空气流动单元在所述旋转圆柱的外周表面上设置有翅片部件。
6.根据权利要求5所述的马格纳斯型风力发电装置，其特征在于作为所述空气流动单元的翅片部件，是在所述旋转圆柱的外周表面上设置的螺旋状突条。
7.根据权利要求1至7中的任何一项所述的马格纳斯型风力发电装置，其特征在于在所述旋转圆柱的顶端，设置有比该旋转圆柱直径大的端盖。
8.根据权利要求6或7所述的马格纳斯型风力发电装置，其特征在于所述突条由多条螺旋状构成。
9.根据权利要求1至8所述的马格纳斯型风力发电装置，其特征在于在所述旋转圆柱的外周表面上，形成有多个的凹凸部。
10.根据权利要求6所述的马格纳斯型风力发电装置，其特征在于在所述突条的顶端外表面上，形成有凹凸部或突起。
11.根据权利要求1至10中任何一项所述的马格纳斯型风力发电装置，其特征在于所述旋转圆柱被支撑为，相对于水平旋转轴可在直径方向自由伸缩。
12.根据权利要求1至11的任何一项所述的马格纳斯型风力发电装置，其特征在于可使用比所述旋转圆柱所需数量少的所述驱动马达，同时驱动该各旋转圆柱旋转。
全文摘要
本发明提供一种从低风速区域到高风速区域均可以高效发电的马格纳斯型风力发电装置。其具有向发电机构部(2)传递旋转力矩的水平旋转轴(3)；从该水平旋转轴(3)上呈放射状配设的旋转圆柱(5)；以及驱动各旋转圆柱(5)绕着这些旋转圆柱(5)的轴旋转的驱动马达(15)。通过由各旋转圆柱(5)的旋转与风力的相互作用产生的马格纳斯升力使水平旋转轴(3)旋转，以便于驱动发电机构部(2)。在旋转圆柱(5)的外周表面上设置空气流动单元(6)，用于产生空气流动，并使马格纳斯升力增大。
文档编号F03D1/00GK1846056SQ20048002520
公开日2006年10月11日 申请日期2004年6月14日 优先权日2004年2月9日
发明者村上信博, 伊藤惇 申请人:美卡露秋田株式会社, 村上信博