風力ポンプ

風力ポンプは、水を汲み上げるために使用される風力駆動装置です。

風力ポンプは、現在のアフガニスタン、イラン、パキスタンでは、少なくとも9世紀から水を汲み上げるために使用されていました。^{[1]風力ポンプの使用は}イスラム世界に広まり、後に中国とインドに広がりました。^{[2]風車はその後、}中世後期以降、特にオランダとイギリスのイースト・アングリア地域で、農業や建築目的で土地を排水するために ヨーロッパで広く使用されました。

シモン・ステヴィンは水利組合で洪水を制御するための水門と放水路の改良に取り組んだ。当時すでに風車が水を汲み出すために使用されていたが、彼は著書『風車について』で、車輪をゆっくり動かすというアイデアや、歯車の歯をうまくかみ合わせるシステムなど、改良点を提案した。これらの改良により、干拓地から水を汲み出す風車の効率は3倍に向上した。彼は1586年にこの革新技術の特許を取得した。^[3]

スペインのムルシア地方では、灌漑用の水を汲み上げるために、8枚から10枚の羽根の風車が使われていました。 ^[4]風車のローターからの動力は塔を通って壁から出てきて、ノリアと呼ばれる大きな車輪を回します。ノリアは、井戸に垂れ下がるバケツのチェーンを支えていました。バケツは伝統的に木か粘土で作られていました。これらの風車は1950年代まで使用され、塔の多くは今でも立っています。

新世界への初期の移民は、ヨーロッパから風車の技術を持ち込んだ。^[5]米国の農場、特にグレートプレーンズでは、風力ポンプが農場の井戸から牛の飼育用に水を汲み上げるために使用されていた。カリフォルニア州および他のいくつかの州では、風車は手掘りの井戸と、レッドウッドの貯水槽を支えレッドウッドの外壁（タンクハウス）で囲まれたレッドウッドの貯水槽塔を含む自己完結型の家庭用給水システムの一部であった。自己調節型の農場用風力ポンプは、1854年にダニエル・ハラデーによって発明された。^{[5] [6]}最終的に、鋼鉄の羽根と鉄の塔が木造建築に取って代わり、1930年のピーク時には推定60万台のユニットが使用され、容量は150メガワットに相当した。^[7]オーストラリアの非常に大型で軽量な風力ポンプは、風車のローターで直接ポンプを回す。強風地域用の小型ローターとポンプクランクの間に追加のバックギアリングを設けることで、ポンプロッドが重力で落ちるよりも速く下降ストロークで押し下げられるのを防ぎます。そうしないと、ポンピングが速すぎるとポンプロッドが曲がり、スタッフィングボックスのシールが漏れ、上昇メイン (英国) またはドロップパイプ (米国) の壁が摩耗して出力がすべて失われます。

木や鋼鉄でできた格子状の塔の上に設置された多枚羽根の風力ポンプや風力タービンは、長年にわたりアメリカの田舎の風景に欠かせないものとなった。 ^[8]さまざまなメーカーが製造したこれらの風車は、中程度の風ではかなりのトルクでゆっくりと回転し、強風では自動調整できるよう、多数の羽根を備えている。塔の上のギアボックスとクランクシャフトが回転運動を往復運動に変換し、ロッドを通して下のポンプシリンダーに伝達する。今日では、エネルギーコストの上昇とポンプ技術の向上により、かつては衰退していたこの技術の利用に対する関心が高まっている。

オランダは風車で有名です。干拓地の端に沿って建つこれらの象徴的な建造物のほとんどは、実際には土地の排水を目的とした風力ポンプです。国土の大部分が海面より低いため、風車は特に重要です。

英国では、風力ポンプという用語はめったに使用されず、排水風車としてよく知られています。これらの多くは、土地の排水のためにイーストアングリアのブローズとフェンズに建設されましたが、そのほとんどはディーゼルまたは電動ポンプに置き換えられました。^[9]元の風車の多くは、いくつかは修復されていますが、まだ放置された状態で残っています。^[要出典]

風力ポンプは南アフリカ、オーストラリア、および中央平原と米国南西部の農場や牧場で広く使用されています。南アフリカとナミビアでは、何千もの風力ポンプが今も稼働しています。これらは主に、人間の使用水と、大量の羊の飲用水を供給するために使用されています。

ケニアもアフリカの風力ポンプ技術の発展から恩恵を受けている。1970年代末、英国のNGO 中間技術開発グループは、ケニアの会社ボブス・ハリーズ・エンジニアリング社にキジト風力ポンプの開発に関する技術支援を提供した。ボブス・ハリーズ・エンジニアリング社は現在もキジト風力ポンプを製造しており、東アフリカ全域で300台以上が稼働している。^[要出典]

世界の多くの地域で、ロープ ポンプが風力タービンと併用されています。この簡単に作れるポンプは、結び目のあるロープをパイプ (通常は単純な PVC パイプ) に通して引っ張り、水をパイプに引き上げる仕組みです。このタイプのポンプは、ニカラグアやその他の地域で一般的になっています。^{[引用が必要]}

風力ポンプを製作するには、ブレード付きローターをポンプに適合させる必要がある。非電動式風力ポンプの場合、高ソリディティローターは容積型（ピストン）ポンプと組み合わせて使用​​するのが最も効果的である。これは、単動ピストンポンプは始動時に、稼働維持時の約 3 倍のトルクを必要とするためである。一方、低ソリディティローターは、始動時にポンプに必要なトルクが設計速度で稼働するために必要なトルクよりも小さい遠心ポンプ、ウォーターラダーポンプ、チェーンポンプ、ワッシャーポンプに使用するのが最も効果的である。低ソリディティローターは、発電機を駆動し、その発電機がポンプを駆動することを意図している場合に使用するのが最も効果的である。^[10]

多翼式風力ポンプは世界中で見られ、米国、アルゼンチン、中国、ニュージーランド、南アフリカ、オーストラリアで製造されている。米国とカナダでは、伝統的な風見鶏のように風の方向に合わせて動く（ただし風速も測定する）ため、「風見鶏」としてよく知られている。バトラーブランドは、1897年、1898年、1905年に風力ポンプの技術に改良を加えた。^[11]直径16フィート（4.8メートル）の風力ポンプは、風速15～20mph（24～32km/h）のときに、1時間あたり最大1600米ガロン（約6.4メートルトン）の水を高度100フィートまで汲み上げることができる。^[12]ただし、始動には強風が必要で、ピストンポンプのクランクを回転させます。風力ポンプのメンテナンスはほとんど必要ありません。通常は、年に1回ギアボックスのオイルを交換するだけです。^[13]米国では推定6万台の風力ポンプが現在も使用されています。電力が利用できず、メンテナンスが難しい遠隔地での使用に特に魅力的です。^[14] 一般的な多翼風力ポンプは、その範囲を通過する年間風力の約4％～8％を有効にポンプします。^{[15] [16]}この低い変換率は、風力ローターと固定ストロークピストンポンプの負荷マッチングが悪いためです。

多翼ローターの主な設計上の特徴は「高い始動トルク」であり、これはピストンポンプのクランキングに必要です。多翼ローターは始動すると、最高効率の 30% を下回る高すぎる先端速度比で動作します。^[17]一方、現代の風力ローターは、風に加わって無駄になる渦が少なくなるため、先端速度比が高くても 40% を超える空力効率で動作できます。^[17]ただし、クランクからピストンポンプへの単純な機構ではなく、高度に可変のストローク機構が必要になります。^[要出典]

多翼風車はピストンポンプを備えた機械装置です。ピストンポンプのストロークは固定されているため、このタイプのポンプのエネルギー需要はポンプ速度にのみ比例します。一方、風力ローターのエネルギー供給は風速の 3 乗に比例します。そのため、風力ローターは過剰速度 (必要以上の速度) で動作し、空気力学的効率が損なわれます。

可変ストロークは風速に応じてローター速度を調整し、「可変速発電機」のように機能します。可変ストローク風力ポンプの流量は、同じ風速での固定ストローク風力ポンプの2倍に増加します。^[18]

ピストン ポンプの吸引段階は非常に軽いですが、上昇ストロークは重く、クランクが水平で上昇しているときに始動ローターに大きな逆トルクがかかります。タワー内のクランクにカウンターウェイトを付けて風向に合わせてヨーイングすると、少なくともトルクをクランクの下降に分散させることができます。^{[引用が必要]}

多翼風力ポンプは実証済みの技術に基づいており、広く使用されていますが、前述の基本的な問題があり、実用的な可変ストローク機構が必要です。^[要出典]

1988年から1990年にかけて、テキサス州農務省農業研究センターで、2つの特許取得済み設計（ドン・E・エイブリー特許第4.392.785号、1983年およびエルモ・G・ハリス特許第617.877号、1899年）に基づく可変ストローク風力ポンプの試験が行われた。^[18]可変ストローク風力ポンプの制御システムは機械式と油圧式であったが、これらの実験は風力ポンプ製造業者の注目を集めなかった。この可変ストローク風力ポンプの実験の後、研究は風力電気水ポンプシステムに焦点が当てられ、商用の可変ストローク風力ポンプはまだ存在しない。^[要出典]

カナダでは、フラッター型風力ポンプが開発されました。このポンプは、振幅に応じて大きく変化するポンプストロークを備えており、風の変動する力をすべて吸収し、単翼が垂直の平均位置から水平を超えて大きく振れるのを防ぎます。この風力ポンプは、多翼型風力ポンプよりもはるかに軽量で、使用する材料も少なく、弱い風でも効果的にポンプを動かすことができます。^{[19] [20]}

トルコのエンジニアが、最新の電子制御装置を使用して可変ストローク風力ポンプ技術を再設計しました。研究は政府の研究開発支援を受けて2004年に始まりました。10年間の研究開発を経て、最初の商用新世代可変ストローク風力ポンプが設計されました。30kW可変ストローク風力ポンプの設計には、ダリウスタイプの最新の風力ローター、カウンターバランス、回生ブレーキ技術が含まれています。^[21]

垂直軸風力タービンを使用すると、タービントルクを水平軸から垂直軸に向け直す問題を解決できるため、タービンとポンプの間に基本的なシャフト接続を作成できます。^[22]直接接続により、より効率的な風力ポンプを生成できます。たとえば、VAWPシステムを高圧（HP-VAWP）点滴灌漑システムと組み合わせると、適切に最適化することで、従来の風力ポンプよりも2〜3倍高い効率を実現できます。^[23]

オランダでは、チャスカーは、アルキメデスのスクリューに接続された共通の帆を備えた排水機です。これは、小さな揚水量しか必要としない地域で水を汲み上げるために使用されます。風車は三脚の上に設置されており、回転することができます。アルキメデスのスクリューは水を集水リングに持ち上げ、そこからより高い位置にある溝に引き込み、土地を排水します。^[24]

タイでは、風力ポンプは伝統的に中国の風力ポンプの設計に基づいて建設されています。これらのポンプは、布または竹マットの帆を支えるワイヤーで補強された竹の棒で構成されています。パドルポンプまたはウォーターラダーポンプは、タイのブレードローターに固定されています。これらは主に、必要な水位が通常1メートル未満の塩田で使用されます。 ^[25]

ウィキメディア・コモンズには、風力ポンプに関連するメディアがあります。

• 南アフリカの8フィートのスチュワート＆ロイズ風力ポンプの修復の詳細な写真記録
• アメリカの揚水風車の歴史。
• 揚水風車の仕組み。