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風力ポンプまたは排水水車は、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、少なくとも9世紀以降、現在のアフガニスタン、イラン、パキスタンで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全体に広がり、後に中国やインドにも伝わりました。[ 2 ]その後、風力ポンプは中世後期以降、ヨーロッパ、特にオランダやイギリスのイースト・アングリア地方で、農業や建築目的で土地を排水するために広く使用されました。
シモン・ステヴィンの水利事業は、洪水対策として水門や放水路の改良に携わった。風力ポンプはすでに排水に使われていたが、ヴァン・デ・モーレンス（水車について）の中で、彼は車輪をゆっくり回すという考えや、歯車のかみ合い方を改善するシステムなど、改良案を提案した。これらの改良により、干拓地から水を汲み出す風力ポンプの効率は3倍に向上した。彼は1586年にこの発明で特許を取得した。 [ 3 ]
スペインのムルシア地方では、灌漑用水を汲み上げるために、8枚羽根から10枚羽根の風力ポンプが使用されていました。 [ 4 ]風力ポンプの回転子からの動力は、塔を通って壁から外に出て、ノリアと呼ばれる大きな車輪を回転させていました。ノリアは、井戸の中に垂れ下がるバケツチェーンを支えていました。バケツは伝統的に木または粘土で作られていました。これらの風力ポンプは1950年代まで使用され続け、多くの塔が今も残っています。
新世界への初期の移民は、ヨーロッパから風力ポンプ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、風力ポンプは農場の井戸から牛用の水を汲み上げるために使われた。カリフォルニア州や他のいくつかの州では、風力ポンプは、手掘りの井戸と、レッドウッドのタンクを支え、レッドウッドの外壁で囲まれたレッドウッドの給水塔（タンクハウス）を含む、自給式の家庭用水システムの一部であった。自己調整式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 ]やがて、鋼鉄製の羽根と鋼鉄製の塔が木造構造に取って代わり、1930年のピーク時には、推定60万台が使用され、その容量は150メガワットに相当する。[ 7 ]オーストラリアの非常に大型で軽量な風力ポンプは、風力ポンプのローターで直接ポンプをクランクする。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減速ギアを設けることで、ポンプロッドが重力で落下する速度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、ポンプの速度が速すぎるとポンプロッドが座屈し、グランドパッキンのシールから水が漏れ、揚水管（英国）または降下管（米国）の壁が摩耗して、すべての出力が失われてしまいます。
木や鋼鉄でできた格子状の塔の上に設置された多羽根の風力ポンプや風力タービンは、長年にわたり、アメリカの農村部全域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タービンは、中程度の風でもかなりのトルクでゆっくりと回転し、強風では自己調整できるように、多数の羽根を備えていた。塔の頂上にある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、ロッドを介して下のポンプシリンダーに伝達した。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、かつて衰退していたこの技術の利用への関心が高まっている。
オランダは風力ポンプで有名です。これらの象徴的な建造物のほとんどは干拓地の端に位置しており、土地の排水を目的としているにもかかわらず、しばしば風車と呼ばれています。国土の大部分が海面下にあるため、これらの風力ポンプは特に重要な役割を果たしています。
これらの風力ポンプの多くは、イースト・アングリアのブローズやフェンズにも土地の排水のために建設されましたが、そのほとんどはその後ディーゼルまたは電気駆動のポンプに置き換えられました。[ 9 ]元の構造物の多くは今も廃墟のまま残っていますが、一部は修復されています。
風力ポンプは、南部アフリカ、オーストラリア、そしてアメリカ合衆国中央平原および南西部の農場や牧場で広く利用されています。南アフリカとナミビアでは、数千基もの風力ポンプが今も稼働しています。これらは主に、生活用水や、多数の羊の飲用水を供給するために使用されています。
ケニアもまた、アフリカにおける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である中間技術開発グループは、ケニアの企業であるボブス・ハリーズ・エンジニアリング社に対し、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。
世界の多くの地域で、ロープポンプが風力タービンと組み合わせて使用されています。この簡単に組み立てられるポンプは、結び目のついたロープをパイプ（通常はシンプルなPVCパイプ）に通すことで、水をパイプ内に吸い上げる仕組みです。このタイプのポンプは、ニカラグアをはじめとする多くの地域で普及しています。
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ります。非電動風力ポンプの場合、高ソリディティローターは容積式（ピストン）ポンプと組み合わせて使用するのが最適です。これは、単動ピストン ポンプは、運転を継続するのに必要なトルクの約 3 倍のトルクを始動に必要とするためです。一方、低ソリディティ ローターは、遠心ポンプ、はしごポンプ、チェーン ポンプ、ワッシャー ポンプと組み合わせて使用するのが最適です。これらのポンプでは、始動に必要なトルクが設計速度で運転するのに必要なトルクよりも小さくなります。低ソリディティ ローターは、発電機を駆動し、その発電機でポンプを駆動する場合に最適です。[ 10 ]
多羽根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ます。米国とカナダでは、風向計のように風の方向に動く（風速も測定する）ことから、一般的に「ウェザーコック」として知られています。バトラー社は、1897年、1898年、1905年に風力ポンプの技術を改良しました[ 11 ]。直径16 フィート（4.8メートル）の風力ポンプは、15～20マイル/時（24～32 km/時）の風で、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100フィート の高さまで汲み上げることができます。[ 12 ]ただし、始動には強い風が必要なので、ピストンポンプのクランクを回します。風力ポンプはメンテナンスがほとんど必要なく、通常はギアボックスオイルを年に1回交換するだけです。[ 13 ]米国では推定 60,000 台の風力ポンプがまだ使用されています。これらは、電力が利用できず、メンテナンスが困難な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、掃引するエリアを通過する年間風力の約 4%～8% で有効に揚水します。[ 15 ] [ 16 ]この低い変換は、風力ローターと固定ストロークピストンポンプ間の負荷の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、ピストンポンプの動作を開始するために必要な「高い始動トルク」です。多翼ローターは、一度始動すると、最高の効率である30%未満で、高すぎる翼端速度比で動作します。[ 17 ]一方、現代の風力ローターは、風に加えられ無駄になる渦を小さくするために、より高い翼端速度比で40%を超える空力効率で動作できます。[ 17 ]しかし、クランクからピストンポンプへの単純なものではなく、高度に可変なストローク機構が必要になります。
多翼風車はピストンポンプを備えた機械装置です。ピストンポンプはストロークが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の回転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、風力ローターは必要以上の速度で回転し、空力効率が低下します。
可変ストロークは風速に応じてローターの回転速度を調整し、「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、同じ風速の固定ストローク風力ポンプと比較して2倍に増加させることができます。[ 18 ]
ピストンポンプは吸入動作は非常に軽いが、上昇動作は重く、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る。タワー上部のクランクにカウンターウェイトを取り付け、風向きに合わせてヨーイングさせることで、少なくともトルクをクランクの下降動作に分散させることができる。
多翼式風力ポンプは実績のある技術に基づいており広く使用されているものの、上述のような根本的な問題を抱えており、実用的な可変ストローク機構が必要である。
1988年から1990年にかけて、2つの特許設計（ドン・E・エイブリー特許番号4,392,785、1983年、エルモ・G・ハリス特許番号617,877、1899年）に基づいて、可変ストローク風力ポンプがUSDAテキサス農業研究センターで試験されました。[ 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したが、これらの実験はどの風力ポンプメーカーの注目も集めませんでした。この可変ストローク風力ポンプの実験の後、研究は風力発電式揚水システムに焦点を当てましたが、現在まで市販の可変ストローク風力ポンプは存在しません。
カナダでは、ポンプのストロークが振幅によって大きく変化し、風の変動するパワーをすべて吸収し、単羽根が垂直の平均位置から水平を超えて大きく揺れるのを防ぐフラッタリング風力ポンプが開発されました。これらは多羽根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2004年に政府の研究開発支援を受けて開始されました。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の 可変ストローク風力ポンプの設計には、ダリウス型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、タービンのトルクを水平軸から垂直軸に方向転換する問題を解決でき、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作成できます。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、適切な最適化により、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式スクリューに接続された一般的な帆を備えた排水水車です。これは、わずかな揚程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。風車軸は三脚の上に設置されており、回転することができます。アルキメデス式スクリューは水を集水リングに汲み上げ、そこからより高い位置にある溝に水を流し出し、土地の排水を行います。[ 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作られています。これらのポンプは、布や竹マットの帆を張ったワイヤーで補強された竹竿で構成されており、パドルポンプまたはウォーターラダーポンプがタイ式の羽根付きローターに固定されています。これらは主に、必要な揚水量が通常1メートル未満の塩田で使用されています。 [ 25 ]