風力ポンプ (Windpump)

風力ポンプ (windpump) は風車 (windmill) の一形式で、水を汲み上げるのに使用される。

風力ポンプは少なくとも 9 世紀以来、水を汲み上げるのに使用され、現在のアフガニスタン、イラン、及びパキスタンで使用された。風力ポンプの使用はイスラム世界で広く使用され、後で中国とインドに広がった。次に風車はヨーロッパで、その後広範囲に使用され、とりわけオランダと英国のイースト・アングリア地方で、中世中頃以後に農業や建築目的のために土地の排水に使用された。

シモン・ステヴィン (Simon Stevin) の waterstaet での仕事は洪水を制御するための導水路 (sluice) と放水路 (spillway) の改良を含んでいた。風車 (windmill) はすでに水を排水するために使用されていた。しかしながら「風車について」 (Van de Molens (on mills)) の中で、彼は改良を提案し、これにはホイール (輪) がゆっくり回転するアイデアと歯車の歯がかみ合うためのよりよいシステムのアイデアが含まれていた。これらの改良は干拓地 (polder) から排水する風車の効率を 3 倍に増やした。彼は 1586 年に新機軸 (innovation) で特許を受領した。

訳注

シモン・ステヴィンは公務員 (public officer) として仕事をしており、waterstaet はその部署の名前で、水に関連すると思われる。「河川局」のような部署 ?

8 枚羽根あるいは 10 枚羽根の風車がスペインのムルシア州 (Region of Murcia) で使用され、灌漑用に水を汲み上げた。風車のローターからの駆動力は塔の中を誘導されて、壁を後ろに通り抜けて、ノーリア (noria) と呼ばれる大きなホイールを回転した。

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。米国の農場で、とりわけグレート・プレーンズ (Great Plains) で、風力ポンプが使用されて、農場の井戸から牛のために水を汲み上げた。カリフォルニア州と他の幾つかの州では、風車 (windmill) は自己充足家庭給水システムの一部分で、これには手掘りの井戸とレッドウッド (redwood、セコイア) の給水塔がレッドウッドのタンクを支え、レッドウッドの壁版がタンクを囲んでいた (タンク棟 (tankhouse))。自己制御する農場風力ポンプは 1854 年にダニエル・ハラデー (Daniel Halladay) により発明された。まもなく、鋼の羽根と鋼の塔が木造構造に代り、1930 年代のピークには、推定 600,000 基の装置が使用され、150 メガワットの容量があった。アメリカのとても大きな軽量風力ポンプは、直接風力ポンプのローターでポンプのクランクを回転した。強風地域用の小さなローターとポンプ・クランクの間の余分な後退歯車が挿入 (back gearing) され、ポンプ棒が重力で落下するよりも、より速く下方に押し下げることを防止した。こうしないと、ポンプが速くなりすぎてポンプ棒が座屈 (buckling) して、密閉箱 (stuffing box) が漏れ、主要上昇部 (rising main, 英国) の壁、あるいは落下パイプ (drop-pipe, 米国) が摩損し、すべての出力が失われる。

木製あるいは鋼製の格子タワー (lattice tower) の頂上にある複数羽根の風力ポンプ、あるいは風力タービンは、長年の間、アメリカの田舎の至る所の光景にある設備になっていた。これらの風車は色々な業者によって製造され、多くの羽根があり、従って、穏やかな風では、大きなトルクでゆっくりと回転して、強風時には自己制御した。塔の頂上のギアボックス (gearbox) とクランク軸 (crankshaft) は回転運動を往復運動に変換し、後者の運動が棒 (rod) を通して、下のポンプ・シリンダーに伝達された。今日、エネルギー・コストの上昇と改良されたポンプ技術は、このかって凋落した技術の使用に興味を増やしている。

オランダは風車 (windmill) により良く知られている。これらの偶像的な構造の大半は干拓地の端に沿ってあり、実際の所、風力ポンプで、土地の排水用にデザインされている。これらは、この国の大半が海面下にあるためとりわけ重要である。

英国では風力ポンプ (windpump) の用語はほとんど使用されず、排水風車 (drainage windmills) と呼ばれることが多い。これらの多くは土地の排水のために、イースト・アングリアのザ・ブローズ (The Broads) とザ・フェンズ (The Fens) に建設されたが、大半はそれ以来、ディーゼル、あるいは電動ポンプで置き換えられた。元々の風車の多くは遺棄された状態で存続しているが、幾つかは復元されている。南アフリカとナミビア (Namibia) では何千もの風力ポンプがなお操業している。これらは大半が人間の消費する水を供給しているが、更には畜産のための多量の羊に飲料水を供給している。

ケニア (Kenya) も風力ポンプ技術のアフリカにおける開発から恩恵を被っている。 1970 年代の終わりに、英国 NGO の「中間技術開発グループ」 (Intermediate Technology Development Group) は Kijito 風力ポンプの開発から、ケニアの会社の「ボブズ・ハリーズ技術会社」 (Bobs Harries Engineering Ltd) に技術的な支援を提供した。「ボブズ・ハリーズ技術会社」 (Bobs Harries Engineering Ltd) はなお Kijito 風力ポンプを製造をしており、 300 基以上が東アフリカ全体で動作している。

世界中の多くの場所で、ロープ・ポンプ (rope pump) が風力タービンと結合して使用されている。建設が容易なこのポンプはパイプ (通常は単純な PVC (ポリ塩化ビニール) パイプ) の中を、結び目を付けたロープを引っ張ることにより動作し、水がパイプの中を引き上げられる。この形式のポンプはニカラグア (Nicaragua) 等では普通になった。

風力ポンプを建設するには、羽根の付いたローターがポンプに適している必要がある。電動でない風力ポンプは、高度に堅固なローターと併用して使用するのが最も良い。というのは単式 (single-acting) のピストン・ポンプは継続動作よりも、起動に 3 倍のトルクが必要とされるからである。一方で、堅固でないローターを併用するほうが良いのは：　遠心ポンプ、水はしごポンプ (waterladder pumps)、鎖ポンプとウォッシャー・ポンプ (chain and washer pumps、詳細不明) であり、これでは、ポンプを開始するのに必要なトルクはポンプをデザイン速度で走らせるのに必要なトルクよりも小さい。堅固でないローターを使用する最も良い方法は：　発電機を動かして、これがポンプを駆動することである。

訳注

水はしごポンプ (waterladder pump)

複数羽根の風力ポンプは世界中に見られ、製造しているのは：　米国、アルゼンチン、中国、ニュージーランド、南アフリカ、そしてオーストラリアである。米国とカナダで普通に「風見鶏」(weathercock) と呼ばれ、これは風の方向を向き、伝統的な風向計 (しかし風速も計る) のように振る舞うからである。直径 16 フィート (4.8 m) の風力ポンプは風速 15 - 20 mph (24 - 32 km/h) で、 1600 米ガロン (およそ 6.4 トン) までの水を 1 時間に高さ 100 フィートまで持ち上げることができる。しかしながら、これは開始するためには、強風が吹いてピストン・ポンプのクランクが回転する必要がある。風力ポンプはほとんど保守が必要でなく、通常は年に 1 度、ギアボックスの油を交換すればよい。推定 60,000 基の風力ポンプがなお米国で使用されている。これらは電気が利用可能でなく、保守が困難である遠隔地における使用がとても魅力的である。

複数羽根の普通の風力ポンプは年間に通り抜ける風のおよそ 4% - 8% がポンプに有効に使用される。この低い変換率は風力ローターと固定ストロークのピストン・ポンプの間の負荷の適合が低いからである。

複数羽根の風力ポンプの基本問題

複数羽根のローターの主なデザイン造作は「開始トルクの高さ」 (high starting torque) であり、これはピストン・ポンプの作動に必要である。一旦開始すると、複数羽根のローターは速すぎる先端速度率 (tipspeed ratio) で走り、最良効率である 30% より低くなる。一方、現在の風力ローター (wind rotor) は、より高い先端速度率で、空気力学的 (aerodynamic) 効率が 40% 以上で動作し、追加されて風に浪費される渦がより小さくなる。しかし、ポンプを往復させる単なるクランクではなく、高度に可変なストローク機構が必要となる。

貧弱な負荷適合 (Poor load matching)

複数羽根を持つ風車はピストン・ポンプを持つ機械的装置である。ピストン・ポンプは固定ストロークを持つため、この形式のポンプのエネルギー要求はポンプ速度のみに比例する。一方で、風力ローターのエネルギー供給は風速の 2 乗に比例する。この理由から風力ローターは超過速度 (必要以上の速度) で走り、空気力学的効率を喪失する。

可変ストロークは風速に応じて、ローター速度に適合し、「可変速発電機」 (variable speed generator) のように機能する。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に比べると、 2 倍に増やすことができる。

周期トルク変動 (cyclic torque variation)

ピストン・ポンプは非常に軽い吸引段階があるが、上向きのストロークは重く、クランクが水平で上昇中には開始ローターに大きな後方トルクを与える。塔の上にあるクランクのカウンターウェイト (counterweight) と風向きへの首振り (yawing) は少なくともクランクの下降時のトルクを拡散させる。

複数羽根の風力ポンプは実証された技術に基づき、広く使用されているが、これらには上で言及したように基本的な問題があり、現実的な可変ストローク機構が必要である。

訳注：　 USDA = アメリカ合衆国農務省

1998 年と 1990 年の間に可変ストローク風力ポンプが「USDA - 農業研究センター、テキサス」 (USDA - Agriculture Research Center - Texas) で 2 つのデザイン (ドン E. エイブリー (Don E. Avery) 特許 #4.392.785, 1983 年、及びエルモ G. ハリス (Elmo G. Harris) 特許 #617.877, 1899 年) に基づいて実験された。可変ストローク風力ポンプの制御システムは機械的で、油圧であった。しかしながら、これらの実験は風力ポンプ製造業者の注意を引かなかった。この可変ストローク風力ポンプの後で、研究の焦点は風力・電気吸水ポンプ・システムに移った。商業的可変ストローク風力ポンプはまだ存在していない。

はためき風力ポンプ (Fluttering windpumps)

「はためき風力ポンプ」 (Fluttering windpumps) はカナダで開発され、ポンプ・ストロークは強く変動し、振幅 (amplitude) は風の中の変動力をすべて吸収し、単一羽根 (uniblade) が垂直平均位置から、はるかに越えて振動することを防止する。これらは複数羽根の風力ポンプよりも少しの資材しか使用せず、風が弱い状態で効率的に汲み上げることが可能である。

トルコの技術者は現代の電気制御装置を使用して、可変ストローク風力ポンプ技術のデザインをやり直した。研究は 2004 年に開始し、政府の R & D 支援があった。最初の商用の新世代の可変ストローク風力ポンプは 10 年間の R & D の後でデザインされた。 30 kW の可変ストローク風力ポンプが含むものは：　ダリウス (Darrieus) 形式の現代の風力ローター、カウンターバランス、そして再生ブレーキ技術 (regenerative brake technology) である。

チャスカー風車を参照。

チャスカー風車 (tjasker) は排水用の風車 (mill) で、アルキメデスのスクリュー (Archmedean screw) に接続された一般帆 (common sails) である。軸が三脚の上に設置され、これにより回転が可能になっている。これは水をほんのわずか持ち上げる場合の排水に使用される。アルキメデスのスクリューは水を集水リング (ring, [訳注：輪の形をした溝、写真を拡大すれば見える]) に持ち上げ、ここでレベルの高い排水路 (ditch) に導いて土地を排水する。

タイでは風力ポンプは伝統的に中国の風力ポンプのデザインで建設される。これらのポンプはワイヤで留めた布 (竹のマットの帆) を支える竹棒から建設され、パドル・ポンプ (puddle pump) あるいは水はしごポンプ (waterladder pump) がタイの羽根ローターに固定される。これらは主に塩原 (salt pans) で使用され、水の持ち上げは典型的には 1 m 以内である。


アイオワ州の農場の複数羽根の風力ポンプ	フリースラント州ブルダード (Burdaard) の De Olifant (デ・オリファン)


オレゴン州シェッド (Shedd) のオーク・パーク農場の風力・水ポンプ	遺棄された水タンクと後方の風車