JP2010281274A - 風力ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】地球温暖化防止のため世界各地で自然エネルギー活用の取り組みが一段と活発になってきた。自然エネルギーの中で風力エネルギーはソーラーエネルギーと並んで注目されており急激に設置台数が伸びている。
ポンプの揚水に風力エネルギーを用いる場合、一般的に行われている風車から発電機、蓄電器、モータを経てポンプを駆動すると、それぞれの機器の効率の乗算で有効エネルギーは低下し、実際にポンプ駆動に使用されるエネルギーは小さくなる。
【解決手段】風力エネルギーを電気エネルギーに変換することなしに、風車の羽根車の主軸にポンプの主軸を結合し、機械的に直接駆動することによって途中のエネルギー損失を減らして風力エネルギーをポンプ駆動エネルギーに最大限に利用する。

【選択図】図１

Description

本発明は風力エネルギーを動力源に用いたポンプに関する。
地球温暖化が世界全体として差し迫った問題となっており、CO2を多く排出する化石燃料の代わりに自然エネルギーの採用が強く求められている。
自然エネルギーとしては、ソーラーエネルギー、風力エネルギー、バイオエタノール、バイオマスその他各種のエネルギーがあり既に実用化され、または研究途上にあるが、その中で風力エネルギーの活用は、ソーラーエネルギーと並んで最も有望視されている。
本発明は風力エネルギーを効率良く動力源に用いるポンプに関するものである。

風力エネルギーは、通常風車と発電機で構成した風力発電機で電力を発生させ、その電力は系統に接続したり、一旦その電気エネルギーを蓄電池に蓄電して用いられる。
特に小型の独立した風力発電機においては、蓄電池に蓄電しその蓄電池に電気機器を接続して用いられるのが一般的である。
蓄電池に蓄電して用いる方法は、設置場所を選ばず設置することが出来、また風が強く吹く時間帯、弱く吹く時間帯の脈動のある電気エネルギーを蓄電池に一旦蓄えることによって平準化することが出来るなどのメリットがある。
一方風力発電機の系統接続は必ずしも高価な蓄電池を接続しなくとも良いが、通常電力会社の認可が必要であり、特に電力が敷設されていない人里離なれた場所では手軽に電力系統への接続することは困難である。
本発明は風力エネルギーを用いて揚水するポンプに関するものであるが現在では、通常一旦電気エネルギーを蓄電池に蓄電し、蓄電池に蓄電された電気エネルギーを用いてポンプが駆動されることが多い。

特願２００６−２８８３６４は風力エネルギーなどの自然エネルギーを用いてポンプを駆動し下水や河川の水をくみ上げ、散水を行う散水システムに関するものである。

従来の風力エネルギーを動力源としたポンプのエネルギーの流れは、まず風車の回転エネルギーで発電機を回転させ、生成した電気エネルギーを蓄電池に蓄電する。その蓄電池に接続してポンプのモータを駆動し、ポンプの羽根車を回転させて揚水するものが一般的であるであるがポンプの羽根車にエネルギーが伝わるまで複数箇所のエネルギーの伝達のステップがありそのステップ毎に損失が生し、その乗算で損失が発生するので全体の損失は大きくなる。
特に小型発電機、小型モータの効率は一般大型機器に比べて低い。小型発電機、小型モータのそれぞれの効率を５０〜６０％程度ものが多くその場合、その損失は６４％〜７５％となる、更に蓄電池の充放電の損失を加えるとポンプの羽根車を駆動する前のエネルギー損失合計は更に大きくなる。
本発明は小型風力ポンプに特に適したシステムでポンプにエネルギーが伝達される損失を最小限にし、風力エネルギーを有効に活用しようとするものである。

本発明は風車の羽根車の回転エンルギーを発電機、蓄電器、モータを介することなく直接伝達しポンプを駆動しようとするものである。(請求項１)

風車のエネルギーを機械的にポンプに伝達するに際して、風車で発生するエネルギーをポンプに適切に伝えるため、ギアーの組み合わせからなる変速機を風車の主軸とポンプの主軸の間に設けることによって、風車のトルクとポンプ駆動に必要なトルクを考慮して適切なマッチングをとる。
風車の発生するエネルギーに比して小型ポンプを組み合わせる場合はギアーの組み合わせによって増速し、大型のポンプの場合はポンプの駆動抵抗に打ち勝つため、ギアーの組み合わせで減速することになる。（請求項２）

風車とポンプを連結，遮断するためクラッチを設けている。風車の主軸とポンプの主軸との間に設けたクラッチによって、風力ポンプの設置工事後、最初ポンプを駆動させるための呼び水の段階や、何らかのトラブルが発生した時点での点検が必要な際などは、クラッチで風車の主軸とポンプの主軸を切り離すことによって、容易に呼び水や点検が可能となる。
また、水槽が空になったり、井戸の水位が下がった場合、ポンプの空運転を避けるためクラッチの操作でポンプを風車から切り離すことが出来る。但しこのクラッチは一旦正常運転を開始すると接合された状態を保ち、通常は頻度高くオン、オフを行うものではない。(請求項３)

本発明はポンプの主軸と風車の主軸は地上から、ほぼ同レベルに配置するのを前提としているため、通常地上からポンプの位置は数ｍレベルにあることが多い。ポンプは水槽が空になった場合の吸い込み管の水落、また浅井戸からの揚水で水位が低下しして水落が発生した場合、自動的に再自吸が可能なように自給式ポンプが望ましい。（請求項４）

ポンプの設置場所が風車の近傍にあることから、ポンプの吸い込み管、吐き出し管は風力ポンプの支柱に沿って地上までたれ下がる状態で通常配管されるが、風力ポンプが風を効率よく受けるため風向によって揺動可能とした場合、吸い込み管、吐き出し管に硬質の配管部材を選定すると、ねじれが生じて不具合が発生することがあり、これを緩和するためと外観を考慮して中空の支柱の中を通すことにしたことを特徴としている。(請求項５)

風力エネルギーを一旦電気エネルギーに変換してポンプを駆動する一般的な方式に比べて、発電機の損失、モータ損失、充放電時の損失等が発生しないため、ポンプに伝達されるまでの風力エネルギー有効にポンプ駆動に用いることが出来る。

従って風況が良好でなく十分な風速が得られない地域でも効率よくポンプを駆動することが可能である。

またモータ、発電機など回転部にデリケートなエアーギャップを有し粉塵の影響を受け易い部品がないため故障が少ない。

また蓄電池を必要としないため一般に数年で交換が必要とされている高価な蓄電池の寿命を考慮する必要がない。

さらにシステム全体として部品点数が少なく又複雑な部品がなく構造が簡単であるので安価に製作出来る。
などの効果がある。

風力ポンプの構造を示した断面図である。 風力ポンプの設置状態を示した外観図である。 風力ポンプの吸い込み管、吐き出し管を空洞の支柱の内部に配置した部分断面図である。

図１は風力ポンプの構造を示した断面図である。
図において風力ポンプ１の風車羽根車２の風車主軸３は電磁クラッチ４に連結されており、この電磁クラッチ４によってポンプ主軸８に接合、また切り離しが可能となっている。
軸５の先端にピニオン６が接続されており、ピニオン６はギア７とかみ合ってポンプ９の駆動トルクを増幅している。ポンプの主軸８はケーシング１１からの水漏れを防止するメカニカルシール１４を通して先端部にポンプ羽根車１０が固定さている。
図１に示した実施例のポンプ９は最初の運転時にポンプ９のケーシング１１に
水を満たすだけで自動的に吸い込み管１６の空気を排出する自給式ポンプを示しており、吸い込み管１６の空気を排出する過程を図示している。

また図１の状態は吸い込み管１６の空気排出途上の状態で吸い込み管１６の中で水面２０まで水位が上昇してきたことを示している。
自吸のプロセスを更に詳しく述べると、ケーシング１１は正圧部１３、負圧部１２から構成されており、負圧部１２には、逆止弁１４を経由して吸い込み管１６より、呼び水後の運転当初空気を吸い込み、ポンプ羽根車１０の回転で負圧が
派生し徐々に吸い込み管内の空気を排出していく。空気排出後は吸い込み管１６は水で満たされ揚水を開始する。
自吸の過程で空気排出段階においては、ケーシング１１で分離された気泡１８は吐き出し管１９をへて外気へ放出される。ケーシング１１の正圧側１３上部で気液分離し気泡１８が吐き出し管１９を通じて外部に放出され、気泡の含有量の少なくなった水は還流孔１７を通じてケーシング１１の負圧側１２に戻される。以上述べた工程を通じて吸い込み管内の空気を排出したところでポンプ９は揚水を開始する。すなわち羽根車１０の回転によって昇圧した水は吐き出し管１９を経て外部へ供給される。

ポンプ９、減速を行うピニオン６、ギアー７及びクラッチ４は下部筺体２１に固定されており、上部筺体２２で覆われている。
下部筺体２１は回転自在のフランジ２３を通じて支柱２４に固定され、地面またはそのたの設置場所に基礎２５を通じて固定されている。
支柱２４は中空のパイプが良く用いられ実施例はパイプ構造を示しているがその他の構造体であってもよい。

図２は本風力ポンプ１を設置した外観図を示す。図において風力ポンプ１は水槽１００より吸い込み管１６の先端に設けた異物除去のためのストレーナー１０２を通して水を吸い上げる。揚水された水はバルブ１０１より目的の場所に供給される。

吸水管１６及び吐き出し管１９が柔軟性のない部材で構成されている場合は、風力ポンプ１の回転によって捻じれを生じ好ましくない場合が生じることがある。
図３は風力ポンプ１の上部筺体２２に尾翼２７を設け風向の変化に素早く対応するようにした例を示している。
回転自在のフランジ２３の中央部にはパイプ貫通孔２８が設けられており吸い込み管１６、吐き出し管１９はこの貫通孔を通じて空洞の支柱２４内を通り地上に達する構造を示したのである。
支柱２４には吸水管吐き出し管取り出し孔２９があり、この管取り出し孔２９より先の外部配管については、必要に応じて柔軟性を有するホース等で目的の場所まで接続することができる。

風力ポンプ１の設置後の運転サービス点検時その他トラブル発生時に風車２の動力をポンプ９から切り離すことが必要になる場合があるが、その場合は電磁クラッチ４の制御盤２６より操作してポンプ９を風車羽根車２から切り離すことができる。

本発明は比較的小規模の風車を用いた低揚程給水システムに適しており、例えば地下水、小川や池、雨水の貯水槽からポンプで水を汲み上げ、菜園への給水、庭の散水、樹木の給水等に効率よく用いる事が出来るシステムである。

１ 風力ポンプ
２ 風車羽根車
３ 風車主軸
４ 電磁クラッチ
５ 軸
６ ピニオン
７ ギア
８ ポンプ主軸
９ ポンプ
１０ ポンプ羽根車
１１ ケーシング
１２ 負圧部
１３ 正圧部
１４ メカニカルシール
１５ 逆止弁
１６ 吸い込み管
１７ 還流孔
１８ 気泡
１９ 吐き出し管
２０ 水面
２１ 下部ケーシング
２２ 上部ケーシング
２３ フランジ
２４ 支柱
２５ 基礎
２６ 制御盤
２７ 尾翼
２８ フランジ貫通孔
２９ 管取り出し口
１００水槽
１０１バルブ
１０２ストレーナー

Claims (5)

1. 風車の回転エネルギーを電気エネルギーに変換せずに、機械的にポンプの主軸に伝達してポンプの羽根車を駆動することを特徴とした風力ポンプ。
2. 前記風力ポンプにおいて、ギアの組み合わせで構成した変速機によって、風車の回転速度を減速又は増速してポンプを駆動する構造を特徴とする風力ポンプ。
3. 前記風力ポンプにおいて、電磁クラッチで風車の主軸とポンプの主軸を切り離し可能としたことを特徴とする請求項１〜２に記載の風力ポンプ。
4. 前記風力ポンプにおいて、ポンプの形式が自給式ポンプであることを特徴とする請求項１〜３記載の風力ポンプ。
5. 前記風力ポンプにおいて貫通孔を有する回転自在のフランジに固定されている中空の支柱の内部に吸い込み管、吐き出し管配置したことを特徴とする請求項１〜４記載の風力ポンプ。
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

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