地球が、太陽から受けるエネルギーは、３０分間で地球上の人が、１年間に使うエネルギーと同じ量になるらしい。すごい量を太陽からもらっているんだなあ。

その太陽エネルギーは、地球の地軸が、太陽に対して傾いているため、地球の各地で受ける太陽エネルギーの量は、違っている。

四季は、そのためにできるらしい。また地球表面には、海・山・川・湖・草原・森があるので、場所により、熱を蓄える量が違ってくるため強さも方向も違う風がおきる。

太陽がある限り、風は吹いています。でも吹かないとき、暴風のときがあったりなかなか安定してくれません。クリーンなのですが、まさに「風まかせ」　使いこなすのは、なかなか難しそうですが、楽しそうでもあります。

風車を作るにあたり、まず風の性質を調べてみました。　

風の性質を調べる

１）風のエネルギー

ベッツの理論と言うらしいのですが、もっとも効率が良いのは、

「風の運動エネルギーの２／３を風車の回転エネルギーに、残りの１／３を、後ろに送るとき最大のエネルギーを取り出すことができる。」

と言うものらしい。まあ風のエネルギーを１００％使うことはできない「最大でも７５％ですよ」ということか。

風もいろいろ考えているみたい。他人ともおもえないね。、ほどほどに働くといったところ。　風も自然の中で生き抜くために、自分
を守っているらしい。　そういえば、山菜取りも根こそぎは、採らないらしい。（関係ないかな？）

２）受風面積と風の力　

風を受ける面積は同じでも、受ける形により、力が違ってくるらしい。（正式には、投影面積というらしいが）

同じ条件で、平板と円柱が風を受けるとき、受ける力は、円柱１に対して、平板は１．７位らしい。風速計で使われる。半球が４箇所ついた
パドル形風車は、半球の向きが反対になっている。　なるほど力に差があるから、風速計は回るんだなあ。


３）風と回転翼の関係　

　「風の力は、風速が強くなると、３乗で大きくなる。」　また「回転翼を大きくすると、風の力は、２乗で大きくなる。」と云う性質があるらしい。


　気象庁の風速データ―から考えてみると・・・

　　　　　２００５年７月の横浜では・・・　１ヶ月の平均風速　３ｍ／ｓ　　最大風速　１０ｍ／ｓ　　　最大瞬間風速　２０ｍ／ｓ　　

　１日の風速は、２〜５ｍ／ｓ、　実際には、高さ・地形・時間などにより、もっと変動幅は大きいと思いますが・・・・

　風の力は強弱がすごく大きい。　最大風速時は、平均風速時の３７倍の風の力、最大瞬間風速では、３００倍の力が風車にかかる。

外径が、２０ｃｍと４０ｃｍの風車を比べると・・・直径は２倍、風の力は、２×２で４倍になる。　耐久性を保つためには、４倍の強度が必要。


４）回転翼の強度

　風車を製作するときは、「最大瞬間風速」を考えた強度が必要になる。でも強度を高めると、重量が大きくなり回りにくくなる。
強風から風車を守るには、風の力を分散する構造、風の力を逃がす方法を採用する必要がある。


風車発電の風車の設計では、風が強くなったとき、翼の方向をかえて、回転数を落とす「ファーリング機能」、異常時には、手動でブレーキをかける「非常停止機能」で強風対策としているらしい。

５）翼面積比・・・風車の面積に対する翼の割合

翼面積比＝翼面積／風車面積

この値が大きいほど、風車のトルクが増し、反対に回転数が小さくなります。翼の枚数や、幅が大きいと、翼面積が大きくなり、翼面積比も大きくなります。結果、トルクが大きくなり、回転が遅くなる、ということらしい。　

　　　　　　　　　　＊２枚翼は、回転が速くトルクが小さい。　多翼は、回転が遅くトルクが大きい。

　　オランダ形・・・オランダの有名な風車。製粉などの作業に使われていたらしい。　

　　プロペラ形・・・船のぷろぺら、風力発電など。羽根の枚数は、２〜４枚くらいですが、回転数が高いことが特長です。
　
　　多翼形・・・アメリカの揚水風車のような６〜8枚くらいの翼があるタイプ。回転数は、遅いですが、弱い風でも回って力もちのようです。
　　
　　セイル形・・・地中海の島々の風車。ヨットの帆のような翼が数枚ある風車。弱い風でも回り、なかなか雰囲気のある風車です。

２）垂直軸形（まっすぐ立った軸があるもの）　水平軸形のように風車を風に向ける必要はないが、回転効率は良くない。

　　パドル形・・・風速計のような半球のついたもの。風速計で使用される。

　　サボニウス形・・・フィンランドのサボニウス氏が考案した風車。半分にきった円筒をずらせて、組み合わせた風車。

　　ダリウス形・・・弓形の細長い翼を回転軸に取り付けたもの。自分で起動することができずらい。直線翼は、ジャイロミル形といってます。

　　S字形・・・平らな板が、上から見るとS字になっている。回転看板に多い。



風車の動きから分けると・・・

速度は遅いが、回転力が比較的強いもの・・・・　多翼型、　サポニウス形、　　オランダ形、セイルウイング形など。　

速度は速いが、回転力が比較的弱いもの・・・・　プロペラ形　　ダリウス形・ジャイロミル形など。　　　　

その他にも色々な種類の風車がある。

調べると風を受ける回転部の素材は、金属か木材を使うのが多いらしい。木の場合は、柾目のスプルース材、桧材、ウエスタンレッドシザーなどを使用する。加工しやすく狂いも少ない。市販されている風車は、樹脂製が多いみたい。

風車の特徴をつかむので、大きさは、２０ｃｍくらいでちょっと小さめ。真鍮をつかって製作してみる。せっかく製作するので、実物の大きさと機能をいれたい。大体の形の写真は、あるが、詳細は、分かりにくい。結局、構造・寸法を考えながら、設計するようなもの。

製作する風車の比較をするために、一応、風が当たる羽根の面積は同じにしたが、翼面積比は違ってしまった。

回転径２３０ｃｍ　羽根（帆）の全面積１９６ｃ�u
羽根　８枚　羽根の傾斜角　１５度

シャフト付の羽根重量　５５ｇｒ

帆は、ロープ長さを調整して、風車を回転させるために、15度くらい傾斜させた。

２）今回は、重量を軽減させるために、細長くしたが、幅広くしたほうがいいのかも。樹脂容器での試作では、良く廻ったのですが。

高速回転のために風力発電用によく使われている。羽根が長いために、強風で折れやすく根元を強くする必要がある。他の風車と同様に、最初は、０．５ｔ　の真鍮板で製作したが、根元が曲りやすく断念。結局、０．８ｔ　のＰＰ板にした。翼のアールはつけられなかった。

測定方法

　＊データ―の回転数は、羽根にしるしをつけて、目で６０秒間の回転数をカウントした。

　＊データ―の回転力は、外径３ｍｍの回転軸に紐を巻きつけて、オモリをのせて加算してゆき、停止したときのおもり重量を計測しました。

２）データ―

　回転の力がある順　　力がある　　多翼形＞プロペラ形＞セイルウイング形＞サポニウス形・直線ダリウス

　回転数　　　　　　　　　　高い　　　プロペラ形＞セイルウイング形＞多翼形＞サポニウス形・直線ダリウス

＊回転力があり、回りやすい風車は、多翼形でした。次は、セイルウイング形ですが、風を受け易いように帆と角度の改善が必要になります。

＊プロペラ形も特性は良かったのですが、回転径が大きかったのが起因したようです。また実用化のためには、羽根の根元を補強することが必要となります。

＊サポニウス形は、方向舵がいらない風車なので、期待していたのですが、思ったよりも悪い特性となった。（以前の試作では、わりと良く廻ったのですが・・・）。高さと直径の比率、と軸受けの部分で悪い数値が出たと思う。研究の余地有り。

一般的にいわれている風車の特徴と違った結果が出ているが、原理よりも寸法設定・制作精度などが大きく影響していると思う。　垂直軸型の風車は、けっこうむずかしそう。

結論

今回の結果から、多翼形とセイルウイング形がいいと思う。見た目もいいね！

試作の風車を評価してみて、制作上の羽根バランス、中心ずれなど問題があった。製作精度のアップが必要。また軸受け部に、ベアリングなどで回転力のロスを小さくすれば、回転特性をもっと向上できると思う。

まあ細かく具体的に評価したことにより、実用化のための色々な改善点が見えたことが、一番の収穫でした。

（方向蛇、ファーリング装置、非常停止装置　）　

多翼形、セイルウイング形の風車は、風の方向に対して、正面に保つ必要がある。そのために方向蛇をつける必要があります。

また風車は、台風のようなときでも、壊れることを避ける必要があります。　風が強くなっってきたら、風に対して、翼を斜めに変えて（偏向させて）投影面積を減らして、風を受けにくくするファーリングといわれる機能が必要です。　また非常時の停止装置も必要になります。

いろいろ考えて、写真のようなボディで支える構造になりました。

木の部分は、本体（ボディ）です。本体には、回転翼がはいる軸受け部があります。軸受は、回転翼の左右のバランスを考えて、決めることが必要です。


また軸受の下には、ボディをタワーと接続するパイプがあります。パイプの内側に、ステンレス鋼球が入っていて、本体が風でまわります。本体の左には、方向舵があります。

タワーとつなぐパイプは、全体の重量バランスを考えて、決めることが必要です。

上方に向く程度は、ねじ位置を替えれば、左右の重さバランスが変わります。

写真の右側が、方向舵です。

左からの風は、回転翼を通過しますが、方向舵には、風がいきません。

回転翼の外の風が、方向舵を風向きに向かせるようです。

その結果、方向舵は、矢印のように範囲に動きます。

方向舵を長くすれば、動く回転範囲は、小さくなります。

試作機の実際の屋外使用　

２００５年９月に、屋外で試運転しました。弱い風でも、ゆっくりですが、廻っていました。台風の日に、屋外に出したら、ヒユーと強い風が吹くと、風車が、ふわっと上に向いて風をやり過ごしていました。（ファーリング機能が動作）

しかしもっと強い風がふいて、、タワーごと倒れてしまいました。やはりファーリング機能でも限度があります。

回転翼とタワーの大きさのバランスを変えてたり、タワーを重くして、低重心に変更が必要です。

またタワーの地面への固定。最悪のときは、回転翼を抜いて、屋内に避難させることも必要だね。

風車は、景観品として、モニュメントとして設置。風力発電として、照明用。また揚水、攪拌などの動力用として使われてきた。

まあ大きな仕事はしなくともいいが、なにか気の利いた仕事を風車にさせたいなあ。まあ風車ができてから考えよう。

タワーもしっかり、造んなきゃね。　まずその前に、もっと風車の勉強がひつようだね。

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