[发明专利]垂直轴型马格努斯式风力发电机

说明书

技术领域

本发明涉及一种垂直轴型马格努斯式风力发电机。

背景技术

风力发电机根据风车旋转轴的支承方向可分为水平轴型和垂直轴型，水平轴型的风力发电机可进一步分为螺旋桨式和马格努斯式。水平轴型螺旋桨式风力发电机是利用在气流的作用下产生于螺旋桨（翼形的叶片）的升力使发电机旋转的方式，是全球商用风力发电的主流，但水平轴型螺旋桨式风力发电机存在如下问题。

首先，水平轴型螺旋桨式风力发电机为了使螺旋桨旋转，需要较大的风速，而且需要使螺旋桨的方向与风向一致，因此在如日本那样平均风速低且风向频繁变化的环境中，能获得与设置成本相当的发电能力的场所是有限的。

其次，容易发生由强风导致的螺旋桨的超速旋转，使螺旋桨损坏，因此需要在强风时使发电机停止运转。

另外，需要将螺旋桨设置在至少螺旋桨直径以上的塔架上，因此螺旋桨容易被雷击而损坏，发电部也需配合螺旋桨旋转轴设置在高处，因此维护成本增高。

此外，螺旋桨及塔架的运输和设置工程困难，特别是能设置于大厦及房屋的屋顶的风力发电机限于发电能力小的小型机。

此外，由于螺旋桨的形状复杂，因此难制造，制造成本高。

而且，水平轴型螺旋桨式风力发电机成为问题的是，螺旋桨发出的低频噪声以及引发飞鸟的撞击等环境问题。

为了解决上述这些问题，近年来，例如提出了在专利文献1中公开的那种水平轴型的马格努斯式风力发电机。

该风力发电机的产生升力的叶片不是螺旋桨式的那种翼形，而是圆柱形状（以下称为桶），该风力发电机采用如下方式：当使桶在气流中进行了自转时，利用产生于桶的马格努斯力使发电机旋转。通过对该桶的自转转速进行控制，能够对马格努斯力进行控制，因此能够提高在低风速区域内的发电效率，且不易被强风损坏。

另外，桶状的叶片与翼形的叶片相比，刚性高且不易损坏，而且容易制造，因此能以低成本进行制造。

此外，由于能使绕发电机旋转轴的叶片转速降低，因此存在不易发出低频噪声、不易发生飞鸟的撞击等优点，是受到关注的技术。

但是，该技术并未解决对风向的控制的必要性、因塔架形状而产生的雷击风险以及维护性和设置性较差等、水平轴型风力发电机的根本问题。

另一方面，垂直轴型的风力发电机可进一步分为阻力型和升力型。

垂直轴型风力发电机的特征是不受风向的影响，因此不必设置对风向进行追随的追随机构。另外，由于发电机旋转轴是垂直的，因此能够将发电部分设置在地面附近，与水平轴型的风力发电机相比，维护性高。此外，垂直轴型风力发电机不一定需要高塔架，因此能够将发电能力高的中型机和大型机设置在大厦及房屋的屋顶上。

并且，垂直轴阻力型的风力发电机利用气流的风压来获得转矩，代表性的是萨沃尼斯（Savonius）式垂直轴阻力型风力发电机。萨沃尼斯式垂直轴阻力型风力发电机的自起动性和在低风速区域内的旋转扭矩优异，但在原理上，周速比为1以下，中风速区域以上的效率欠佳。

因此，常被用作接下来说明的升力型风力发电机的起动辅助用机构。

代表性的垂直轴升力型风力发电机是回转（Gyro-mill）式、达里厄（Darius）式。这些风力发电机与水平轴型螺旋桨式风力发电机相同，具有翼形的叶片，因此周速比能为1以上，与阻力型风力发电机相比，效率佳。但是，翼形的叶片只能以相对于风向在一定范围内的迎角产生升力，因此叶片相对于风向的迎角经常变化的垂直轴型风力发电机与水平轴型风力发电机相比，效率低，特别是在周速比为1以下的那种低风速区域内，发电能力降低，自起动性也差。

另外，与水平轴型螺旋桨式风力发电机相同，存在因强风而发生超速旋转而破损的问题。因此，小型的回转型垂直轴升力型风力发电机是普及为街灯用等的小规模发电机的程度。

为了解决上述问题，近年来，例如提出了在专利文献2和专利文献3中公开的那种垂直轴型马格努斯（Magnus）式风力发电机。

这些风力发电机是垂直轴型，因此不受风向变化的影响，由于是马格努斯式，因此通过对桶（barrel）的自转转速进行控制而对马格努斯力进行控制，从而能够提高在低风速区域内的发电能力，且即使是强风，也不易损坏，因此可以说在日本那样的环境中是理想特性的风力发电机。

另外，垂直轴型马格努斯式风力发电机除了具有垂直轴型的特征即维护成本的优势性以外，还兼具马格努斯式的特征即制造成本的优势性，因此与现存的风力发电机相比，能以低成本制造且进行运用。

现有技术文献

专利文献