小型ローテーションフロー風車による揚水ポンプの開発
Development of a water pump system with a small rotation-flow wind turbine for seagrass seedling production
島田宗勝・志田崇・久保田健・南條宏肇・桐原慎二
Munekatsu SHIMADA, Takashi SHIDA, Takeshi KUBOTA, Hirotada NANJO and Shinji KIRIHARA
北日本新エネルギー研究所

国立大学法人弘前大学

A performance of a small wind turbine with a vertical axis was estimated, and a torque of a rotary bane
pump was also done experimentally. Next, we discussed about the torque of a wind turbine to drive therotary bane pump. The torque necessary to drive the pump is consist of an effective torque to pump waterand a friction torque of the pump. It was found that the later torque is about three times larger than theformer one. It has to be noticed that a low friction pump is a key; a size of the wind turbine is determinedby the pump friction. The test of a water pump system with a small wind turbine and a available rotarybane pump is now being planned; the result will be shown in the near future.
Key Words : water pump, wind turbine, rotation flow, seedling, seagrass,

1．はじめにテーションフロー風車は垂直軸の風車で，風向きに寄らずに回る．また，抗力型であるため，低風速で起動し，低回転であるため，安全でもある．小型軽量な風車で揚水が期待できるため，設置，メンテナンスも楽であるという優位性もある．アマモ種苗のための水槽に海水を揚水することを想定し，性能目標を，風速 6m/s で，(高さ)5m の揚水，1 時間当たり数十ℓ(リットル)とした．

ホタテガイ，アワビなどの活貝出荷用生け簀や活魚施設，種苗生産施設，栽培漁業・水産研究施設等で流水水槽が用いられており，地先の海水の汲み上げには電気ポンプが用いられている．これら施設では，水産生物を飼育する特性上，常時海水を供給するため，小規模な活魚施設であっても月に数～数十万円，大規模な栽培2.1 小型風車の出力性能評価
漁業施設では年に 1～2 千万円の電気代を支払っており，運営に多額のエネルギーコストを要している．
揚水用の風車サイズを検討するため，これまでに実一方，活貝出荷は 6 次産業化に取り組む漁家の所得 績のある小風車を基にして，径方向にはほぼ相似拡大向上に，活魚は鮮魚の安定供給や魚価の維持・向上に貢 したφ644mm x 840mm L の風車(200mmW x840mmL のブレ献している．また，栽培漁業は，ヒラメやアワビなどの ードが 8 枚)を試作した．風車のブレードの径方向に対重要な水産資源の維持・増大に不可欠な役割を果たし する取り付け角度は R(半径)=202.5mm において 35°とている．このため，省エネ・低コストの海水揚水手法が した(ブレード幅，取り付け角度の最適化は未実施)．
開発された場合，漁村において漁家所得の向上や水産風車の性能評価は軽トラックの荷台に風車を乗せて，資源の増大への取組が拡大することが期待できる．
屋外(大学敷地内の直線道路)を走行することにより実
そこで，海岸に面し比較的安定した風力資源に恵ま 施した．図-1 に写真を示す．風車軸には小型トルクメれる漁村の地勢的特性を活かし，再生可能エネルギー ータを取り付け，風車の軸トルクを計測した．ブレーキを利用した小型・簡便な海水汲み上げ機器(小型風力ポ トルクはトルクセンサ軸に紐を巻き付け，紐の張力をンプ)を開発すること，および，漁業現場への効果的な 変える方法(メカニカルな方法)で印加した．また軸端活用方法を検討し，漁村における省エネ・漁業生産向上 に発電機を取り付け，回転数を計測するとともに風車策として提言することを目指している．本稿では前者 の回転状態をモニターした．また，風速は熱線式風速計
部分につき以下に報告する．
を風車のそばに設置することで計測した．無風状態においては，軽トラックを車速 36km/hr で走らせると風速 10m/s となる．ブレーキトルクを変えながら，風速2．小型風力ポンプの開発を変えながら(車速を変えながら)の測定を繰り返すことにより，風車性能を評価した．
弘前大学が開発した低風速でも回りトルクが大きい
ローテーションフロー風車 1)で，揚水ポンプを直接駆動するシステムを開発することを目指している．ロー－75－

風車の投影面積(0.644m x 0.84m)である 2)．風速 6m/s
における風のパワーは 71.6W となるので，風車の効率(パワー係数)は 3.9%である(少し小さめの値となっているが，改善の方向性は見えているので，2～3 倍の値となる見込み)．
図-3 は周速比に対するトルク係数で，風車特性を無次元量で示したものである．ここに，周速比はブレード先端での周速 2*π*n*R を風速 v m/s で割った値である．ｎは回転数 rps である．またトルク係数は風車のトルクを 0.613*A*v2*R で割った値である．ちなみに，0.613*v2 は風速 v での風の単位面積当たりの運動エネルギー(動圧)である 2)．この風車の効率(パワー係数)は周速比 0.25 付近で最大値(4% 強)となっている(図示は省略)．周速比 0.25 におけるトルク係数は図-3 より 0.16 である．

2.2 ポンプによる揚水の検討
図-1 風車と評価方法

低回転の風車による揚水では容量型のポンプが好適である 2)．低回転型のベーンポンプ(容量型ポンプ)では 1rps で 1ℓ程度の水の移送が可能である．そこで，1回転で 0.25ℓの水が移送できる市販のベーンポンプを入手した．入手したポンプそのものではフリクショントルクが大きすぎ，風車での駆動は困難な状態であったため，フリクション低減の対策を試みた．

図-2 風車(φ644 mm x 840 mm L)の出力特性

図-4 回転式ベーンポンプでの揚水実験の様子

図-3 周速比に対するトルク係数(風車の出力特性)
図-2 に風速に対する風車出力特性を示す．風速 6m/sに対して 2.8W の出力となっている．15℃での風速 v での，風車の受ける風のパワーは 0.613*A*v3 である．A は回転式ベーンポンプでの揚水実験の様子を図-4 の写真に示す．トルクメータを組み込み，ポンプ回転の際のパワーも計測できるようにした．トルクメータからはトルク信号と回転パルス信号(1 回転当たり 4 パルス)が出力される．図-5 は揚水していないとき(空回り)のトルクメータからの出力例である．
トルク波形より 1 回転当たり 2 回，トルクが周期的に変動していることがわかる．ポンプ空回りにおけるフリクショントルクの計測結果を図-6 に示す．フリクションには粘性の傾向が見られている．

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さて，揚水量を 1/10 にすれば(すなわちポンプ容量を 1/10 とすれば)，揚水に要するトルク(パワー)は同じであるから，ポンプのフリクションが同じならば，0.0125ℓ/s で 5m の揚水は可能となる．すると，アマモ種苗のための水槽に海水を揚水することを想定したときの性能目標，風速 6 m/s で，(高さ)5m の揚水，1 時間当たり 45ℓ(リットル)を達成できることになる．

図-5 回転式ベーンポンプを空回ししたときのトルク測定例

2.4 揚水とポンプのフリクションの関係

図-6 ポンプ空回りにおけるフリクショントルク
揚水の高さとポンプパワーとの関係を実験的に検討すべきであるが，用いたトルクメータの定格が 1Nm であっため，実施できなかった．なお，フリクションを低めた該ポンプの揚水能力は 0.5m 程度となってしまっていた．

ポンプの揚水の高さを増すためには，ポンプのシールの機密性を上げる必要がある．揚水高さを 5m にするためには(揚水高さ 10m の場合が大気圧であるので)，ポンプにおけるシールも 0.5 気圧に耐えるシール性を確保する必要がある．それを満たすポンプのフリクシ
ョンは恐らく増すと予想される．揚水高さと，その揚水を可能にするポンプのフリクションの関係は，現状では未知である．実験により明らかにする必要がある．そして，フリクションはロスとなるため，できるだけ小さいフリクションのポンプを開発すべきである．
以上，総括すると，揚水ポンプを風車で駆動するためには，揚水ポンプトルクを上回る風車トルクが必要になる．風車トルクにより風車の大きさが決まる．そして，揚水ポンプトルクの少なくとも 70％以上はポンプのフリクショントルクである．

3．小型風力ポンプの開発のまとめ
2.3 揚水に要するパワー(トルク)ポンプを駆動するため，風車径のみ拡大した新たな風車φ940mm x 840mmL を試作中である．その風車は，図-3 に示した風車特性と同じになるはずである．すな
わち周速比 0.25，トルク係数 0.16．すると，風速 6m/s
におけるトルクは 1.31Nm ，回転数は 0.508rps と予測される(風車のパワーは 4.18W)．
回転式ベーンポンプの空回りでのフリクションの実験結果(図-6)より，0.5/s でのポンプのフリクションは0.5Nm 弱(最大値)である(パワーは 1.57W 以下)．
一方，
ポンプは 1 回転で 0.250 ℓの能力なので 0.5rps
では 0.125ℓ/s で，(1m 高さの)揚水に要するパワーは1.23W である．トルク換算すると 0.39 Nm となる．そのポンプ(図-6)では高さ 0.5m の揚水能力なので，0.20Nm である．ポンプのフリクショントルクと揚水に要するトルクの和は 0.70Nm なので，新たな風車でのトルクは 1.31Nm であるから 0.125 ℓ/s で 0.5m の揚水は可能となる．
この場合における，揚水(有効仕事)に要するトルクとポンプのフリクショントルクの大きさの関係を比べてみる．前者は 0.20Nm であり，後者は 0.50Nm であり，後者の方が倍以上大きくなっている．

弘前大学のローテーションフロー風車により，小型風力ポンプの実現が見込める．ただし，風車のミニマムサイズは，ポンプのフリクションに大きく左右されるため，ポンプの揚水シール耐圧を如何にフリクションの小さい状態で確保できるかがキーとなっている．
引き続き，要求揚水高さを確保しうる低フリクションのポンプを作製し，揚水ポンプシステムとしての実証試験につなげていく．

参考文献
1) 南條宏肇：抗力型風力発電のモデルと発電出力の最適化評
価，風力エネルギー，32(4)，102－108(2008)
2) 牛山泉：風車工学入門 第 2 版，森北出版(東京)，2013－77－